Praktische und Theoretische Grundlagen¶

Mikrocontroller¶

Stasa Lukic

Das Gehirn des Projektes ist ein Mikrocontroller, es gibte verschiedene arten von Mikrocontrollern die man vergleichen muss um einen für sich passenden Mikrocontroller zu finden. Im folgendem Unterkapitel werden die von uns ausgewählten Mikrocontroller genauer dargestellt, ihre Eigenschaften, nachteile und auch vorteile.

Für das Projekt haben wir uns Prioritäten für den Mikrocontroller gesetzt. Als ersters sollte er genug Speicher haben sodas kein weiterer externer Speicher genutzt werden muss, dies würde unsere Kosten und gleichzeitig den Strombedarf senken da ein externes Speicher Modul Strom verbraucht und eine Latenz verursacht die längere arbeitszeiten bedeuten.
WLan sollte intern auf dem Board verbaut seien da unser Mikrocontroller unter keiner so hohen Last arbeiten wird, das unsere Netzwerk Last auf einen sub Mikrocontroller verlagert werden müsste.
Als letztes sollte der Mikrocontroller über einen deep sleep verfügen[STA_06].
So würden wir am meisten Strom sparen da unserer Mikrocontroller nach beenden einer aufgabe (wie z.b. ein neues Bild darstellen) wahrscheinlich für längere Zeit keine Aufgaben hat oder bekommt. Der Mikrocontroller sollte eine Schnittstelle für SPI besitzen für eine mögliche schnelle datenübertragung mit dem Display.

In Tabelle 2.1 sind die Mikrocontroller mit ihren Eigenschaften aufgelistet. Es wurden von insgesamt 3 Marken recharchiert. Diese währen Espressif, STMicroelectronics und Raspberry Pi.

Die Mikrocontroller wurden nicht als SMD Chip gekauft sondern als development boards. Für Espressif recharchierten wir die XIAO ESP32 S3 und XIAO ESP32 C3 Boards von Seeed Studio und Die D1 Mini ESP8266 Boards von AZ-Delivery. Bei dem STM32 guckten wir uns den STM32WL55 an. Der RP2040 ist der RASP PI PICO von Raspberyy Pi.

*Keine Angaben außer Maximum

Stromsparende Display-Technologien¶

Stasa Lukic

Für dieses Projekt brauchen wir ein Display das so wenig Strom verbraucht wie möglich, damit unser Room display solange wie möglich mit einer Akku Ladung aushält. Wir fokussierten unsere Recherche auf ePaper, bistabile LCDs und OLED displays.

OLED¶

OLED Bildschirme haben eine sehr gute Bildqualität und einen weiten betrachtungswinkel. Anstatt Halbleiter werden in den LEDs Organische Molekühle verwendet die Licht erzeugen. Diese Molekühle befinden sich zwischen ander Anode und einer Kathode. Fließt nun Strom wird blau und gelbes Licht erzeugt, mit Farbfiltern entstehen die Restlichen Farben. OLED Bildschirme können sehr helle Bilder zu erzeugen mit starkem Kontrast oder Farbstarke Bilder, dies verbraucht aber mehr Strom mit mehr Helligkeit, was für dieses Projekt ein Nachteil ist. Ein Vorteil ist, dass schwarze Pixel kein Strom verbrauchen gegenüber älteren Displays[STA_09].

Bistabile LCD¶

Bistabile LCD Displays haben den Vorteil das sie im gegensatz zu LCD keinen durchgehenden Stromverbrauch haben, Strom wird nur dann verbraucht wenn das Bild gewechselt wird. Dafür benutzt das Display kleine Kristalle die mit Hilfe von einem Stromfluss einen von zwei Zuständen annehmen kann, der Kristall lässt entweder Licht durch oder reflektiert es zurück, womit man ein Schwarz und Weiß Bildschirm bauen kann. Benutzt man mehrere Ebenen kann man sogar verschiedene Farben darstellen. Wenn das Bild des Displays nur selten geändert wird, bedeutet es einen sehr niedrigen durchschnittlichen Strom verbrauch. Der Nachteil ist, dass das Aktualisieren des Bildes zwei bis drei Sekunden dauert [STA_08].

ePaper¶

ePaper hat ein ähnliches Konzept wie Bistabile LCD Displays, sie verbrauchen nur dann Strom wenn das Bild aktualisiert wird. Hier werden geladene Farbpartikel in sehr kleinen Zellen eingesperrt. Je nachdem welche Ladung auf eine Zelle ausgeübt wird, werden manche Farbpartikel angezogen oder weggestoßen. Der Nachteil ist, dass die Aktualsierung eines Bildes je nach ePaper Display-Technologie sehr lange dauern kann. Das ist weil, wie man sich vorstellen kann, muss man einen Pixel mehrmals laden, um wirklich alle Farbpartikel abzustoßen, die man abstoßen will oder genau umgekehrt. Das resultiert in einer Aktualiesierungsrate von bis zu 26 Sekunden oder kürzer je nach Farbleistung. Ein weiter Nachteil ist, dass Farbpartikel nur negativ oder positiv geladen werden können, was in nur zwei Farben resultiert. Durch mehrere Ebenen kann das Display mehrere Farben annehmen, aber bei weitem nicht so viele wie beim Bistablem LCD. Der Vorteil ist, dass sie noch weniger Strom verbrauchen beim Aktualsieren als die Bistablien LCDs [STA_07].

Akku-Technologien¶

Benjamin Klaric

Um das System möglichst autark zu machen, wurde es mit einem Akku betrieben. In Vorgang mit der Auswahl von passenden Akku-Technologien wurden die drei meistverbreiteten verglichen, nämlich die drei bedeutendsten Typen aus der Lithium-Ionen-Akku Familie: klassische Lithium-Ionen-Akkus, oft benutzten Lithium-Polymer-Akkus und die sicheren Lithium-Eisen-Phosphat-Akkus. Genauer gesagt sollte man die Vor- und Nachteile von jeweiligen Akku-Typen genauer anschauen und dementsprechend eine Technologie auswählen. In den nächsten Abschnitten werden die drei genannten Technologien genauer angeschaut und die jeweiligen Vor- und Nachteile genannt.

Lithium-Ionen-Akkus (Li-Ion)
Die meistverbreiteten Li-Ion-Akkus bieten relativ hohe Energiedichte, sind kostengünstig und langlebig. Die Li-Ion-Akkus kommen in verschiedenen Bauformen, wie z. B. 18650, 21700 usw. Dieser Art von Akkus besteht aus einer negativer Elektrode, bzw. Kathode aus Grafit und einer positiven Elektrode bzw. Anode aus Lithiumcobaltoxid (LiCoO₂), Lithiumnickeldioxid (LiNiO₂) oder Lithiummanganatoxid (LiMn₂O₄). Diese Wahl von Chemie bietet eine gute Zyklenfestigkeit, was natürlich der Langlebigkeit entspricht. Im geladenen Lithium-Ionen-Akku erzeugt ein elektrochemischer Prozess Spannung zwischen den Elektroden. Lithium-Ionen (Li+) bewegen sich dabei durch den Elektrolyten zwischen festen Übergangsmetall- und Grafitstrukturen der Elektroden, getrennt durch einen Separator. Das Funktionsprinzip von Li-Ion-Akkus bezieht sich dabei auf die Verschiebung von Lithium-Ionen. So wird die elektromotorische Kraft erzeugt. [BK_01]
Mit einer Nennspannung von 3,7V und der Entladekurve, die stabil über einen Großteil der Entladung bei Nennspannung bleibt, was in der Abbildung 2.1 zu sehen ist.
In der Abbildung sind vier verschiedene Kurven dargestellt. Die dunkelgrüne Kurve repräsentiert die Spannung während des Ladevorgangs, während die dunkelblaue Kurve die Spannung während des Entladens zeigt. Die hellgrüne Kurve stellt den Strom während des Ladevorgangs dar, und die hellblaue Kurve zeigt den Strom während des Entladens. Alle vier Kurven sind gegen die Zeit geplottet.

Li-Ion-Akkus können aber nicht selber in Betrieb genommen werden, da die sich ohne eine Art von Überwachung tief entladen wurden oder beim Laden überladen geworden sind. Dazu werden Li-Ion-Akkus immer mit einem Batteriemanagementsystem benutzt, kurz BMS gesagt. Ein BMS kümmert sich darum, dass die Li-Ion-Akkus einen Cut-Off-Spannungspegel beim Laden und beim Entladen haben. Das BMS bietet auch Kurzschlussschutz und meistens eine Überstromerkennungsfunktionalität. [BK_03] Li-Ion-Akkus, voll geladen, liegen bei ungefähr 4,25V und entladen sich bis 2,5V, wenn die an einen BMS angeschlossen sind.   Ein Merkmal von Li-Ion-Akkus ist die Art des Ladens, da sie eine spezielle Ladetechnik benötigen, nämlich die sogenannte CC-CV-Methode (Constant Current - Constant Voltage). Genauer gesagt, werden die Akkus die ersten ~80% mit einem konstanten Strom geladen und die restlichen ~20% mit einer konstanten Spannung. Dieses Verfahren ist in Abbildung 2.1 zu sehen, dargestellt durch die grüne und hellgrüne Kurve, allerdings nicht im Verhältnis 80%-20%. Dafür wird ein besonderes Ladegerät benötigt. Mit richtiger Nutzung von Ladeverfahren haben die Akkus keinen Memory-Effekt und dementsprechend auch sehr geringe Selbstentladung.   Die Li-Ion-Akkus sind meistens ein bisschen teurer als die anderen Akku-Technologien und benötigen die genannten speziellen Ladegeräte. [BK_01]

Lithium-Polymer-Akkus (LiPo)
Die LiPo-Akkus sind eine spezielle Bauform der klassischen Li-Ion-Akkus und nutzen daher die gleiche Zellchemie. Als eine der neuesten Akkutechnologien bieten sie eine der höchsten Energiedichten in Relation zum Gewicht. Sie behalten alle Vorteile der Li-Ion-Akkus, da sie Teil der Lithium-Ionen-Akku-Familie sind, und verwenden dasselbe Ladeverfahren wie klassische Li-Ion-Akkus. Oft sind sie mit einem eingebauten Batteriemanagementsystem (BMS) ausgestattet, was sie etwas teurer macht. Diese Akkus sind typischerweise in Mobiltelefonen zu finden.   LiPo-Akkus verwenden flexible Kunststoffbeutel anstelle der zylindrischen Bauweise von Li-Ion-Akkus. Diese Flexibilität ermöglicht es, sie an die spezifischen Anforderungen des Gerätedesigns anzupassen und bietet eine größere Designfreiheit. Sie nutzen den verfügbaren Raum in elektronischen Geräten effizient aus.
Ein Nachteil liegt jedoch in den Sicherheitsaspekten. LiPo-Akkus sind sehr empfindlich gegenüber Überhitzung, was in Rauch- und Gasentwicklung oder im Extremfall sogar zu Selbstentzündung führen kann. Dieses Risiko erhöht sich besonders bei unsachgemäßer Handhabung, übermäßiger Belastung oder mechanischer Beschädigung der Akkuzellen. [BK_04]

Lithium-Eisen-Phosphat-Akkus (LiFePO₄)
Die LiFePO₄-Akkus gehören zur Familie der Lithium-Ionen-Technologie, verzichten jedoch auf das Kathodenmaterial Lithiumcobaltdioxid (LiCoO₂), das in klassischen Li-Ion-Akkus verwendet wird.   Im Vergleich zu Li-Ionen-Akkus mit LiCoO2 bieten LiFePO4-Akkus eine höhere Sicherheit, da sie keine exothermen Reaktionen unter extremen Bedingungen zeigen, was das Risiko von Bränden und Explosionen erheblich verringert. Diese Akkus sind ideal für Anwendungen in Elektrofahrzeugen aufgrund ihrer höheren Entladestromkapazität, Nicht-Toxizität und längerer Lebensdauer im Vergleich zu Li-Ionen-Akkus mit LiCoO₂. [BK_05] Im Vergleich zu Li-Ion-Akkus liegt die Nennspannung von LiFePo₄-Akkus bei 3,3V und bleibt stabil über einen Großteil der Entladung bei Nennspannung, was auf Abbildung 2.2 zu sehen ist.  

Wie Li-Ion-Akkus benötigen die LiFePO₄-Akkus auch eine Schutzschaltung in Form von BMS, allerdings besondere Art für LiFePO₄-Akkus. Da sie auch zur Familie von Li-Ion-Akkus gehören, werden sie auch über gleiches Ladeverfahren wie Li-Ion-Akkus geladen. Die Entladeschlussspannung von diesen Akkus liegt typischerweise bei 2,0V und die Ladeschlussspannungen liegen in der Regel bei 3,6V. Die Werte sind aber von BMS abhängig.
Der einzige Nachteil dieser Akku-Technologie ist, dass im Vergleich zu den reinen Li-Ion-Akkus die Nennspannung niedriger liegt, bei 3,3V im Vergleich zu 3,7V. [BK_05]

Funk-Technologien¶

Stasa Lukic

LoRa¶

Low-Power-Wide-Area-Network-Technologie, auch genannt LoRa ist eine stromsparende Technologie, um Daten über eine längere Distanz zu schicken. Dafür benutz LoRa die CSS-Modulationstechnik für eine Funkreichweite von mehreren Kilometern. Durch den niedrigen Stromverbrauch ist LoRa geeignet für mobile IoT-Projekte. Diese können batteriebetrieben werden für eine längere Zeit. Die Netzwerktopologie von LoRa sind Punkt-zu-Punkt oder Punkt-zu-Mehrpunkt, oft in Kombination mit Gateways [STA_12].

WLAN¶

WLAN ist die weitverbreiteste Netzwerk-Technologie für den normalen Haushalt. Es erlaubt Geräten oder Clients über Radiofrequenzen sich mit einem Access Point zu verbinden. Diese nutzen oft Stern- oder Baumtopologien. Durch die Schnelle Geschwindigkeit von 2,4GHz oder 5GHz wird jedoch die Reichweite gekürzt [STA_10].

Zigbee¶

Zigbee wurde spezifisch dafür entwickelt, wenn man geringe Datenmengen verschicken will und einen geringen Stromverbrauch haben möchte. Ihre geringe Reichweite ist kein Problem, da Zigbee sehr schnell und zuverlässig ein Mesh-Netzwerk aufbauen kann, das heist, dass Zigbee selbstständig Netzwerkpfade baut und sogar bei einzelnen Ausfällen selber einen neuen Netzpfad findet [STA_11].

Bluetooth¶

Bluetooth ist eine 1990 entwickelte Punkt-zu-Punkt Technologie, die ultrahochfrequente Radiowellen nutzt, um über eine sehr kleine Reichweite Daten zu verschicken.

Vergleiche der Funktechnologien¶

Bei der Reichweite hat LoRa die längste Reichweite mit bis zu 15 Kilometern, aber mit einer niedrigen Datenübertragung von nur 0,3 kpbs bis 50 kbps, abhängig von der Reichweite. WLAN hat eine Reichweite bis zu 100 m mit Wänden und bis zu 300 m ausserorts, hat dafür aber eine sehr schnelle Datenübertragung, mit neueren Technologien wie Wi-Fi 6 sind mehrere Gbps möglich. Zigbee hat die gleiche Reichweite wie ein WLAN-Netzwerk, hat aber dafür den Vorteil, sehr zuverlässige Mesh-Netzwerke aufzubauen. Wie schon erwähnt besitzt sie eine niedrige Datenübertragung von bis zu 250 kbps, aber dafür ist sie sehr leistungseffizeint. Bluetooth hat eine Reichweite von nur 10 m, besitzt aber eine mittlere und zuverlässige Datenübertragung von 2 Mbps bis 3 Mbps und macht sich dafür sehr nützlich für persönliche zwecke.

Bildverarbeitung¶

Stasa Lukic

Bitmaps¶

Bitmaps speichern Bilder in einem Format, sodass jeder Pixel einzeln Farbwerte zugeschrieben bekommt. Umso mehr Bits man einem Pixel zuweist, umso genauer kann man die Farbe darstellen.
Dies wird Farbtiefe genannt, wird einem Pixel zum Beispiel nur ein Bit zugewiesen, kann der Pixel entweder die Farbe Schwarz (1) oder die Farbe Weiß (0) anzeigen. Heutzutage werden mehrere Formate genutzt, darunter sind die bekanntesten 8 Bit grey-scale, RGB 565, 24-Bit RGB und 32-Bit RGBA.
8-Bit grey scale erlaubt es einem Pixel 256 verschiedene Graustufen anzunehmen.
RGB 565 teilt jeweils Rot 5 Bits, Grün 6 Bits und 5 Bits für Blau für 65536 verschiedene Farbmöglichkeiten, auch genannt High color.
* 24-Bit RGB, auch genannt true color, lässt einen Pixel 16777216 verschiedene Farben annehmen, jedem RGB channel wert wird jeweils ein Byte zugewiesen [STA_14]. Dies wird einmal genauer in Abbildung 2.3 dargestellt.

32-Bit RGBA ergänzt noch einen alpha channel. Dieser lässt den Pixel weitere Informationen zur Transparenz der Farbe wissen. Mit RGBA sind 4294967296 verschiedene Farben mit Transparenz möglich.

Diese Informationen werden als Hexadezimahlzahlen gespeichert, es gibt aber auch Indexed Bitmaps. Indexed Bitmaps können einen Farbwert eine Zahl zuweisen, benutzt ein Bild zum Beispiel eine Color depth von 24 Bit aber insgesamt weniger als 256 Farben, Kann man jede Farbe eine Zahl zuweisen. Damit können wir das Bild anstatt mit 24 bit pro Pixel mit 8 Bit pro Pixel darstellen, behält aber die color depth von 24 Bit bei [STA_15]. Ein beispiel kann man in Abbildung 2.4 sehen.

Dithering¶

Dithering kann dann verwendet werden, um Farbtiefe in einem Bild zu imitieren, wenn wenig Farben in einem Bild verwendet werden. Ein Beispiel, in einer Indiziert Bitmap gibt es nur eine begrenzte Zahl an Farben, dann kann Dithering einen Übergang zwischen zwei Farben erzeugen. Dadurch erscheint das Bild geschmeidiger oder als hätte es einen höhere Farbtiefe.

Dies geschieht durch verschiedene Algorithmen, je nachdem welches Verfahren von Dithering genutzt wird. Es gibt Diffusion Dither, Pattern Dither und Noise Dither. Jedes Verfahren hat eine unterschiedliche Vorangehensweise, wie die Farben übergehen sollen. In Abbildung 2.5 sind Ditherverfahren zu sehen.

PNG dekodieren¶

PNG-Dateien sind Bilder, die komprimiert wurden und dabei keinen Verlust an Bildqualität haben. Die Bilder werden durch eine Substitutionskompressionsmethode und eine Entropiekodierung komprimiert. Die Substitutionskompressionsmethode versucht wiederkehrende Muster im Bild zu erkennen und diese dann Abzuspeichern. Die Entropiekodierung baut Wahrscheihnlichkeitswerte für Farben im Bild auf, PNG kann dann die Farben beim Dekompriemieren nach Wahrscheinlichkeit zurück sortieren.

Um die PNG zu dekodieren, kann man die PNG-Datei als Hex-Format auslesen lassen. Die ersten acht Hexzahlen sind immer die gleichen und signalisieren, dass der folgende Abschnitt an Hexzahlen einer PNG angehören. Diese 8 Hexzahlen werden auch Magische Zahlen genannt, das wären "89 50 4E 47 0D 0A 1A 0A" [STA_17].

Beim Auslesen sind die Hexwerte natürlich noch komprimiert, mit Hilfe von einer Bibliothek wie zLib kann man die Farbwerte für jeden Pixel der PNG-Datei auslesen lassen [STA_18].

Energiemanagement¶

Mario Wegmann

Computer verbrauchen auch ohne aktive Aufgabe Strom. Ohne spezielle Anweisungen an den Computer wird der Stromverbrauch nicht gedrosselt, wodurch Energie verschwendet wird. Bei PCs fallen hierbei ACPI sleep states ein, ACPI steht dabei für Advanced Configuration and Power Interface und ist ein offener Industriestandard für die Energieverwaltung bei Computern [MW_02]. Die sogenannten ACPI sleep states ermöglichen es dem Betriebssystem zu steuern, welche Komponenten gedrosselt oder gar komplett abgeschaltet werden, um den Stromverbrauch zu minimieren. Auch bei Mikrocontrollern gibt es mehrere Mechanismen, womit der Stromverbrauch reduziert werden kann. Da ein geringer Stromverbrauch eine der wichtigsten Kriterien dieses Projekts ist, werden hier beispielhaft die Sleep States eines ESP32 erläutert.

Einfaches Delay¶

Die einfachste Möglichkeit, einem ESP32 Mikrocontroller keine konkrete Aufgabe zu geben, ist mit einem Delay. Die Funktion heißt in der Arduino IDE Delay() und lässt einen Parameter zu, welcher angibt, wie viele Mikrosekunden der Mikrocontroller warten soll. In der ESP-IDF heißt die Funktion vTaskDelay(), hier kann auch ein Parameter für die Wartedauer übergeben werden. Der Parameter nimmt jedoch nicht Millisekunden, sondern Ticks an. Die Ticks sind abhängig von der Tick-Frequenz, daher müssen die Millisekunden mit der Funktion pdMSTOTICKS() in Ticks umgewandelt werden. Während dem aktiven Wartens werden jedoch keine Komponenten aktiv abgeschaltet oder gedrosselt, lediglich der Prozessor läuft nicht auf Vollast [MW_06].

Der Light-sleep Modus¶

Deutlich besser ist da schon der Light-sleep. Wird dieser Modus aktiviert, so werden die teilweise Clock-Signale der digitalen Peripherie, der meisten Teile des RAMs und der CPUs ausgeschalten und die Versorgungsspannung reduziert, dieses Verfahren nennt sich Clock-Gating [MW_03]. Dadurch kann der Stromverbrauch deutlich reduziert werden, wie hoch die Reduktion ist, wird im Kapitel 7.9 Strommessung von Mikrocontroller und Display gemessen. Beim ESP32 gibt es nun verschiedene Wakeup Sources, um den Light-sleep wieder zu beenden. Unter anderem sind folgende Wakeup Sources möglich:

• Timer
• Touchpad
• GPIO
• ULP Coprocessor (Ultra Low Power)
• UART

Nach einem Wakeup Event wird der State wiederhergestellt und der Mikrocontroller arbeitet an der Stelle weiter, wo er durch den Light-sleep aufgehört hat. [MW_06]

Der Deep-sleep Modus¶

Noch mehr Stromeinsparung kann mit dem Deep-sleep realisiert werden. Dabei werden die oben genannten Komponenten nicht nur clock-gated, sondern komplett abgeschaltet, somit bleibt nur noch der RTC-Controller und dessen Memory und der ULP Coprocessor aktiv. Viele der zuvor genannten Wakeup Sources können auch verwendet werden, um den ESP32 aus dem Deep-sleep heraus aufzuwecken. Ausnahmen sind hierbei jedoch die meisten GPIO Pins und UART. Des Weiteren ist anzumerken, dass nach dem Aufwecken aus dem Deep-sleep der ESP32 kein State wiederhergestellt wird. Die Firmware fängt also von vorne an und auch Daten, die während dem Deep-sleep nicht verloren gehen dürfen, müssen separat in nicht-flüchtigen Speicher abgelegt werden. [MW_06]

Firmwarebibliotheken¶

Ahmet Emirhan Göktas

Firmware-Bibliotheken sind wesentliche Werkzeuge für die Entwicklung embedded Systemen. Sie ermöglichen es Entwicklern, vordefinierte Funktionen und Klassen zur Interaktion mit Hardwarekomponenten zu verwenden, anstatt jedes Register und Bit manuell steuern zu müssen. Diese werden als "Hardware Abstraction Layers" oder "HALs" bezeichnet, die typischerweise vom Mikrocontroller-Hersteller oder der Community bereitgestellt und in C oder C++ geschrieben werden.

HALs bieten mehrere Vorteile:

• Portabilität: Derselbe Code kann mit minimalen Änderungen auf verschiedenen Mikrocontrollern verwendet werden.
• Einfachheit: Der Code ist leichter zu lesen und zu verstehen, da Entwickler sich nicht mit niedrigen Details befassen müssen.
• Konsistenz: HALs bieten eine konsistente API, was die Lernkurve beim Wechsel zwischen verschiedenen Mikrocontrollern verringert. [AEG_01]

Arduino¶

Ahmet Emirhan Göktas

Arduino ist eine beliebte Open-Source-Elektronikplattform, die auf benutzerfreundlicher Hardware und Software basiert. Sie kommt mit einer eigenen integrierten Entwicklungsumgebung (IDE) und einem Satz von Bibliotheken, die das Schreiben und Hochladen von Code auf einen Mikrocontroller erleichtern. Die Projektdateien, bekannt als "Skizzen", haben die Erweiterung .ino, was eine von der Arduino-IDE verwaltete C++-Datei ist.

Der größte Vorteil von Arduino ist die große Community und die Vielzahl verfügbarer Bibliotheken. Dies macht es einfach, ein neues Projekt zu starten, Rapid Prototyping durchzuführen und Lösungen für gängige Probleme zu finden, da wahrscheinlich bereits jemand ähnliche Probleme hatte und gelöst hat.

Da Arduino jedoch eine High-Level-Plattform ist, die auf verschiedenen Mikrocontrollern funktioniert, ist es möglicherweise nicht die beste Wahl für leistungskritische Anwendungen. Darüber hinaus fehlt der Arduino-IDE, die für Anfänger entwickelt wurde, Funktionen wie Multi-File-Projekte oder Versionskontrolle, was in größeren Projekten hinderlich sein kann. [AEG_02]

PlatformIO¶

Ahmet Emirhan Göktas

PlatformIO ist ein vielseitiges Entwicklungsökosystem, das mehr als 1500 eingebettete Boards und über 40 Entwicklungsplattformen unterstützt, darunter Arduino, Espressif IDF, STM32Cube und mehr. Es ist als Plugin für Visual Studio Code, Atom und JetBrains IDEs verfügbar und bietet eine einheitliche Schnittstelle zum Erstellen, Hochladen und Debuggen von Code auf verschiedenen Plattformen.

PlatformIO verfügt über einen Bibliotheksmanager, der es ermöglicht, Bibliotheken aus einem zentralen Repository zu suchen und zu installieren, was die Verwaltung von Abhängigkeiten erleichtert. Es integriert sich auch gut mit gängigen CI/CD-Tools und erleichtert automatisiertes Testen und Deployment. Dies macht PlatformIO zu einer ausgezeichneten Wahl für professionelle Entwicklungsumgebungen, in denen Skalierbarkeit und Wartbarkeit entscheidend sind. [AEG_03]

Espressif IoT Development Framework (ESP-IDF)¶

Ahmet Emirhan Göktas

ESP-IDF ist das offizielle Entwicklungsframework für die ESP32- und ESP32-S-Serie von SoCs. Es basiert auf FreeRTOS und bietet eine umfassende API-Sammlung zur Konfiguration und Interaktion mit der Hardware. Geschrieben in C und zur Verwendung mit der Xtensa-Toolchain konzipiert, bietet ESP-IDF Bibliotheken für gängige Aufgaben wie Netzwerke, Dateisysteme und Peripheriegeräte. Es ist auch das Framework, das vom ESP32 Arduino Core verwendet wird.

Das ESP-IDF ist gut dokumentiert und hat eine große Community, was es einfach macht, Hilfe zu Problemen bekommen. Sein Hauptvorteil ist die Leistung und der niedrige Zugriff auf die Hardware, was es zu einer guten Wahl für leistungskritische Anwendungen macht. Es hat jedoch eine steilere Lernkurve im Vergleich zu Arduino und PlatformIO. [AEG_04] [AEG_05]

Gehäuseentwicklung¶

Jannis Gröger

Um das Gehäuse für ein elektronisches Gerät zu entwickeln, müssen zunächst die Anforderung festgelegt werden. Hierbei kann man in zwischen funktionalen und ästhtischen und ergonomischen Anforderungen unterscheiden. Grundsätzlich soll ein Gehäuse die Komponenten und die Elektronik nicht nur vor äußeren Einflüssen wie Staub, Schmutz oder mechanischen Stößen schützen, sondern trägt auch zur Wärmeableitung bei und spielt eine wichtige Rolle bei der Benutzung des Geräts. Im Folgenden werden die Grundlagen und die essentiellen Überlegungen bei der Entwicklung eines Gehäuses behandelt.

Funktionale Anforderungen¶

Die Hauptfunktion eines Gehäuses ist der Schutz der einzelnen Bauteile, wobei hier auf verschiedene Faktoren zu achten ist. Zum einen muss das Gehäuse stabil genug sein, um die internen Komponenten vor mechanischen Einflüssen wie Stöße oder Druck zu schützen. Das Material muss dementsprechend passend ausgewählt werden, wobei auch die Geometrie des Gehäuses berücksichtigt werden muss. Häufig verwendete Materialien bei Elektrogeräten sind Kunststoffe oder Metalle wie bspw Aluminium. [JG_01]

Zudem ist das Gehäuse dazu da, die Elektronik darin vor äußeren Einflüssen wie beispielsweise Staub oder Wasser zu bewahren. Bei der Frage, vor welchen sogenannten Umwelteinflüssen ein Gehäuse schützt, hilft die Einteilung in IP-Schutzklassen, wobei das IP für International Protection steht und die verschiedenen Klassen nach der DIN 60529 spezifiziert sind. Die Bezeichnung der Klassen besteht hierbei aus zwei Kennziffern nach der IP-Abkürzung: Die erste Ziffer macht erkenntlich, gegen welche Arten von Berührung und Fremdkörpern das Gehäuse schützt, während die zweite Ziffer den Schutz gegen Wasser benennt. Eine Gehäuse mit IP68 Spezifikation ist beispielsweise vollständig gegen Staubeintritt und vor andauerndem Untertauchen geschützt. Eine solche Zertifizierung kann jedoch nur durch bestimmte Instititionen ausgestellt werden. [JG_02]

Ein weitere Funktion, der bei der Entwicklung des Gehäuses berücksichtigt werden muss, ist die Wärmeregulation, da die Elektronik sowohl vor Überhitzung, als auch vor zu starker Unterkühlung geschützt werden muss. Da elektronische Komponenten selbst Wärme erzeugen, spielt die Wärmeableitung eine größere Rolle, als der Schutz vor zu geringen Temperaturen. Diese kann durch Einsatz von Lüftern oder Kühlkörpern oder Einbau von Lüftungsschlitzen und die damit verbundene Konvektion bewerkstelligt werden. [JG_02]

Eine letzte funktionale Anforderung an das Gehäuse ist die elektromagnetische Verträglichkeit. Darunter versteht man, dass elektronische Geräte so aufgebaut sind, dass sie vor elektromagnetischer Störungen anderer Geräte geschützt sind und ihre eigenen elektromagnetischen Felder auf ein Minimum reduzieren, um selbst nicht andere Geräte zu stören. Dies kann durch die verwendung leitfähiger Materialien und speziellen Dichtungen erreicht werden. [JG_02]

Ästhetische und ergonomische Anforderungen¶

Neben der Funktionalität stellen auch Ästhetik und Ergonomie gewisse Ansprüche an ein Gehäuse. Bei der Bedienung eines elektronischen Gerätes steht die Benutzerfreundlichkeit im Vordergrund, die bei tragbaren Geräten beispielsweise durch ein geringes Gewicht beeinflusst wird, wohingegen bei stationären Geräten eher auf Zugänglichkeit der Bedienelemente und Anschlüsse geachtet werden sollte. Des Weiteren beeinflusst das Design die Wahrnehmung und das Erscheinungsbild des Geräts, was maßgeblich zur Nutzung und Akzeptanz des Geräts beim Verbraucher beiträgt.

Auswahl des Materials und der Fertigungstechnik¶

Bei der Auswahl des Materials sind die oben genannten Aspekte von großer Bedeutung, da verschiedene Materialien andere Eigenschaften besitzen und dementsprechend nicht jedes Material die gleichen Anforderungen erfüllt. Abhängig von der Materialauswahl ist im nächsten Schritt dann die Auswahl der Fertigungstechnik, wobei hier zusätzlich auf die Anforderungen an die Geometrie des Gehäuses, die anzufertigende Stückzahl und der Material- sowie der Fertigungspreis geachtet werden muss.

Design und Verfahren des Rapid Prototyping¶

Sind Material und Fertigungstechnik gewählt, kann mit dem eigentlichen Design des Gehäuses begonnen werden. Heutzutage wird das Design häufig durch CAD-Software (computer-aided design Software) unterstützt, was Gehäuseentwicklern und -herstellern ermöglicht, ein präzises 3D-Modell des gewünschten Produkts zu Erstellen. Durch Finite-Elemente-Modellierung, kurz FEM, können Simulationen zum Testen der mechanischen oder thermischen Eigenschaften verwendet werden.[JG_03]

Nach dem Design folgt dann die Fertigung eines oder mehrerer Prototypen, die auf gewünschte Eigenschaften getestet werden, um eventuelle Schwachstellen auszumachen und Verbesserungen am Design vornehmen zu können. Hierbei werden immer häufiger Verfahren des Rapid Prototyping, im Folgenden auch RPT genannt, verwendet, was das "Erstellen von Prototypen aus einfach verarbeitbaren Materialien" [JG_03] bezeichnet. Hierbei wird das 3D-Modell aus der CAD-Software in ein "trianguliertes Oberflächenmodell überführt" [JG_03] und anschließend in einzelne Schichten mit einer festgelegten Dicke zerlegt. In unterschiedlichen Verfahren, von denen einige im Folgenden genannt werden, werden diese Schichten dann wieder zusammengefügt, wodurch ein Prototyp entsteht. [JG_03]

• Das Stereolithografie-Verfahren (STL-Verfahren) ist ein RPT-Verfahren, bei dem mit einem Laser in einem Bad aus "polymere[r] Flüssigkeit die Konturen der Scheiben des Modells schichtweise [...] nachgefahren [...] werden"[JG_03], wodurch ein räumliches Modell entsteht.
• Beim Laminated Object Manufacturing Verfahren (LOM-Verfahren) dagegen, fährt der Laser die Konturen auf Papier nach, das die vorher festgelegte Dicke aufweist. Diese Papierschichten werden dann mittels eines "Schmelzkleber[s] aufeinander geklebt" [JG_03]. Das entstehende Modell kann dann ähnlich "wie Holz nachbearbeitet werden" [JG_03].
• Das Fused Deposition Modelling-Verfahren (FDM-Verfahren) erstellt ein Prototyp, indem ein Kunststofffaden durch eine beheizbare Düse auf einer Plattform ausgelegt wird. Diese Plattform lässt sich dabei frei im Raum bewegen und der Durchmesser des Fadens entsricht dabei der vorher festgelegten Schichtdicke. [JG_03]
• Ein weiteres Verfahren ist das Solidier-Verfahren, auch Solid Ground Verfahren oder kurz SGC-Verfahren genannt. Das Modell entsteht hierbei aus mehreren dünnen Fotopolymerschichten, wovon jede einzelne "mit einer fotografischen Maskentechnik unter UV-Licht aushärtet" [JG_03]. Um das fertige Modell herum wird ein Wachskörper gebildet, wodurch Überhänge nicht mit Stützen fixiert werden müssen. [JG_03]
• Auch das Selective Laser Sintering ist ein RPT-Verfahren, bei dem die einzelnen Schichten aus pulverförmigen Material mit einem Laser an gewollten Stellen geschmolzen wird. Durch schichtweises Herunterfahren der Fläche, worauf sich die unterste Pulverschicht befindet, liegt das fertige Modell dann in einem Pulverbett. [JG_03]
• Das 3D-Printing-Verfahren nutzt auch ein Schicht Pulver, wobei hier das Material mithilfe eines Binders verbunden wird. Auch hier wird das Modell an der obersten Schicht aufgebaut und der fertige Prototyp liegt in einem Pulverbett. [JG_03]

Die einzelnen RPT-Verfahren unterscheiden sich in den möglichen Materialien, der Genauigkeit der Modelle, der Qualität der Oberfläche und der verbundene Aufwand für die Nachbearbeitung. Diese Unterschiede sind der Abbildung 2.6 zu entnehmen.

Nach dem Prototyping und ausführlichen Testen, kann das überzeugende Modell schließlich in Serienproduktion übergehen womit die Entwicklung des Gehäuses ebenfalls abgeschlossen ist.

Webanwendungen¶

Mario Wegmann

Aufgrund der Anforderungen und der Komplexität von größeren Webseiten ist es nicht mehr praktikabel, Inhalte komplett händisch in HTML, CSS und JavaScript zu erstellen. Zu groß und fehleranfällig ist die Wartung eines solchen manuell erstellten Konstrukts. Ein Beispiel hierfür wäre das Erweitern einer neuen Unterseite in der Menüleiste. Hier müsste jede andere Unterseite angepasst werden, um die neue Unterseite von allen anderen Unterseiten aus zu erreichen.

Stattdessen hat es sich etabliert, für Websites mit viel statischem Inhalt sogenannte Static Site Generators zu nutzen. Hierbei liegt der Fokus nur noch auf der Erstellung des eigentlichen Inhalts über eine simple Textdatei. Nach Fertigstellung des Inhalts erzeugt der Generator dann das restliche Gerüst der Website, so werden die Unterseiten generiert, das Navigationsmenü erstellt, Bilder optimiert und das Layout anhand des angegebenen Themes angewendet.

Neben Websites mit statischen Inhalten gibt es auch Websites, deren Inhalt dynamisch erstellt wird. In Social Media ist die Anzahl an Inhalten so enorm, dass es nicht praktikabel wäre, allen Personen die gleiche Timeline anzuzeigen. Stattdessen wird pro Benutzer eine auf ihn spezialisierte Timeline beim Aufruf generiert.

Zuletzt gibt es auch Anwendungen, die über den Webbrowser laufen und somit keine lokale Installation benötigen, ein Beispiel wäre hierfür die Nextcloud, womit sich Dateien abspeichern, erstellen, ordnen und teilen lassen. Dank vieler Erweiterungen.

Die letzten beiden genannten Kategorien erfordern viele Komponenten, die zusammenarbeiten müssen, um dem Benutzer eine performante und benutzerfreundliche Erfahrung zu ermöglichen. Daher haben sich mehr und mehr verschiedene Technologien im Web entwickelt, die mit unterschiedlichen Herangehensweisen versuchen, die Anforderungen zu erfüllen.

Dennoch gibt es auch noch Anwendungsfälle, wo es durchaus sinnvoll ist, bewusst auf weitere Technologien zu verzichten und nur mit HTML, CSS und JavaScript zu arbeiten. Ein Anwendungsfall wäre der Embedded Bereich, da dort die Ressourcen sehr knapp sind und somit die Last für Anfragen möglichst auf den zugreifenden Client ausgelagert werden sollten.

Webtechnologien¶

Mario Wegmann

Moderne Webbrowser haben sich auf die drei Programmiersprachen HTML, CSS und JavaScript geeinigt, um Webseiten darzustellen.

HyperText Markup Language (HTML)

HTML definiert die Struktur und den Inhalt einer Webseite durch die Verwendung von HTML-Tags. HTML bildet das Gerüst einer Webseite, indem es Text, Bilder, Links, Videos und andere Elemente einbindet und organisiert.

Cascading Style Sheets (CSS)

CSS ist eine Stylesheet-Sprache, die verwendet wird, um das Aussehen und Layout von HTML-Dokumenten zu gestalten. Mit CSS können Entwickler die visuellen Aspekte von HTML-Elementen steuern. CSS ermöglicht eine Trennung von Struktur und Design, was die Wartung und Anpassung von Webseiten erleichtert.

JavaScript

JavaScript ist eine Programmiersprache, welche im Browser ausgeführt werden kann und somit für Interaktivität auf der Clientseite sorgt. JavaScript nutzt die Technik der DOM-Manipulation, um den Inhalt des geladenen HTML nachträglich zu modifizieren. Das Document Object Model (DOM) beschreibt den Aufbau der einzelnen HTML-Elemente als Baumstruktur, diese Elemente können mit JavaScript gelesen, hinzugefügt, verändert und gelöscht werden. TypeScript ist eine Erweiterung von JavaScript und erweitert die Sprache um statische Typen, damit können Fehler im Programmcode früher erkannt und die Codequalität verbessert werden.

React

React ist eine JavaScript-Bibliothek zur Erstellung von Benutzeroberflächen. Sie verwendet eine komponentenbasierte Architektur, die es Entwicklern ermöglicht, wiederverwendbare UI-Komponenten zu erstellen und den Status von Anwendungen effizient zu verwalten. React nutzt einen virtuellen DOM zur Optimierung von Updates und zur Verbesserung der Performance. Neben React sind Vue, Angular und Svelte weitere bekannte Frontend-Bibliotheken [MW_12].

Structured Query Language (SQL)

SQL ist eine standardisierte Programmiersprache, die zur Verwaltung und Manipulation von Daten in relationalen Datenbanken verwendet wird. Mit SQL können Benutzer Datenbanken erstellen, ändern, abfragen und verwalten [MW_13].

Object Relational Mapper (ORM)

ORMs sind nützlich, weil sie die Arbeit mit Datenbanken durch typsichere, deklarative Datenmodellierung und effiziente Datenbankmigrationen erheblich vereinfachen und optimieren. Prisma ORM ist beispielsweise ein ORM, welches automatisch TypeScript-Typen generiert. Dies ermöglicht Typensicherheit und die Nutzung von Autovervollständigung im Editor, wodurch die Produktivität und Codequalität verbessert wird. ORMs reduzieren die Notwendigkeit für manuelles SQL-Schreiben und minimieren somit potenzielle Fehler. Zudem unterstützen sie verschiedene Datenbanksysteme, somit ist ein Wechsel des RDBMS mit nur wenig Änderungen am Code möglich [MW_14].

PostgreSQL

PostgreSQL ist ein relationale Datenbankmanagementsystem (RDBMS). Ein RDBMS ist eine Software, die zur Verwaltung von Datenbanken verwendet wird, die auf dem relationalen Modell basieren. In diesem Modell werden Daten in Tabellen organisiert, die aus Zeilen und Spalten bestehen. Jede Tabelle repräsentiert eine Entität, und die Beziehungen zwischen den Tabellen werden durch Primär- und Fremdschlüssel definiert. PostgreSQL ist bekannt für seine Erweiterbarkeit, Standardkonformität und fortgeschrittene Features wie komplexe Abfragen und Transaktionen. MySQL ist ein weiteres bekanntes und verbreitetes RDBMS [MW_15].

Webserver

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, wie HTML, CSS und JavaScript bei einer Anfrage an den Webserver generiert werden können. Der Code kann komplett statisch auf dem Webserver abgelegt sein oder auch dynamisch bei der Anfrage generiert werden. Prinzipiell lässt sich für den letzten Fall fast jede Programmiersprache verwenden, beliebt sind jedoch PHP, Python, Ruby, C# und JavaScript (Node.JS) [MW_04].

Für die Umsetzung werden häufig Frameworks genutzt, ähnlich wie bei Static Site Generators, unterstützen Frameworks bei der Realisierung von Websites, indem es wiederkehrende Aufgaben vereinfacht und die Wiederverwendung von Code fördert. Durch die Abstraktion und Strukturierung von Code sowie die Objektorientierung der Daten wird die Entwicklungszeit verkürzt und die Wartbarkeit großer Anwendungen erheblich verbessert. NextCloud verwendet beispielsweise das PHP Framework Symfony [MW_05]

Reverse Proxy

Ein Reverse Proxy ermöglicht das Anbieten von mehreren Webanwendungen auf demselben Server. Typischerweise nutzen Browser für HTTP-Anfragen den Port 80 und für HTTPS den Port 443. Da mehrere Webanwendungen auf dem gleichen System die Ports nicht mehrfach verwenden können, müssten andere Ports verwendet werden, was aber unpraktikabel für den Benutzer der Webanwendung ist. Der Einsatz eines Reverse Proxies bietet hier mehr Flexibilität. Dieser hört als einziger auf die beiden Ports und nimmt die Anfragen entgegen, anhand verschiedener Eigenschaften, wie z.B. Domainname im HTTP-Header, kann dann die Entscheidung getroffen werden, an welchen Webserverdienst die Anfrage weitergeleitet wird. Reverse Proxies bieten hierbei oft noch weitere Funktionen an, wie die Lastverteilung auf mehreren Dienste, das Verschlüsseln der Verbindung mit HTTPS, oder auch das Schützen der Webanwendung durch nur authentifizierten Zugriff über HTTP Basic Auth.