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4.7 Smarter Ventilator

Einführung

In diesem Projekt bauen Sie einen „smarten Ventilator“, der sowohl im manuellen als auch im automatischen Modus betrieben werden kann. Durch die Kombination von Motor, Tastern und einem Thermistor kann der Ventilator verschiedene Geschwindigkeiten einstellen und auf Temperaturänderungen reagieren. Dieses Experiment eignet sich hervorragend, um Motorsteuerung, Temperaturmessung und die Nutzung von GPIO kennenzulernen.

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Was Sie benötigen

Für dieses Projekt benötigen Sie die folgenden Komponenten:

KOMPONENTENBESCHREIBUNG	KAUFLINK
Steckbrett	BUY
Jumper-Kabel	BUY
Widerstand	BUY
Thermistor	BUY
Taste	BUY
Gleichstrommotor	BUY
Fusion HAT+	-
Raspberry Pi	-

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Schaltplan

Das folgende Schaltbild zeigt, wie der Thermistor, der Taster, der Motortreiber und der Motor verbunden werden:

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Verdrahtungsdiagramm

Die folgende Abbildung zeigt das Breadboard-Layout und die Verdrahtung:

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Beispiel ausführen

Der gesamte in diesem Tutorial verwendete Beispielcode befindet sich im Verzeichnis ai-lab-kit. Führen Sie die folgenden Schritte aus, um das Beispiel auszuführen:

cd ~/ai-lab-kit/python/
sudo python3 4.7_SmartFan.py

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Code

Nachfolgend ist das Python-Skript für dieses Projekt aufgeführt:

#!/usr/bin/env python3

from fusion_hat.motor import Motor
from fusion_hat.pin import Pin, Mode, Pull
from fusion_hat.adc import ADC
from time import sleep, time
import math

BtnPin = Pin(22, mode=Mode.IN, pull=Pull.DOWN)
motor = Motor("M0")
thermistor = ADC("A3")

level = 0
currentTemp = None
markTemp = None

PRINT_INTERVAL = 1.0
_last_print = 0.0

button_event = False  # flag: button was pressed


def temperature(samples=5, delay=0.01):
   """Read thermistor multiple times and return averaged Celsius (float) or None."""
   vals = []
   for _ in range(samples):
      analogVal = thermistor.read()
      Vr = 3.3 * float(analogVal) / 4095.0
      if (3.3 - Vr) <= 0.1:
            return None
      Rt = 10000.0 * Vr / (3.3 - Vr)
      tempK = 1.0 / (((math.log(Rt / 10000.0)) / 3950.0) + (1.0 / (273.15 + 25.0)))
      vals.append(tempK - 273.15)
      sleep(delay)
   return sum(vals) / len(vals)


def motor_run(lv):
   lv = max(0, min(4, lv))
   motor.power(0 if lv == 0 else lv * 25)
   return lv


def changeLevel():
   """Button press: cycle level 0~4 and set a flag for main loop to print."""
   global level, button_event
   level = (level + 1) % 5
   button_event = True


BtnPin.when_activated = changeLevel


def main():
   global level, currentTemp, markTemp, _last_print, button_event

   markTemp = temperature()
   while True:
      currentTemp = temperature()
      if currentTemp is None:
            print("Sensor read failed. Please check the sensor.")
            sleep(0.5)
            continue

      # Handle button event in main loop (stable timing)
      if button_event:
            button_event = False
            markTemp = currentTemp
            print(f"[Button] Level -> {level} | Temp: {currentTemp:.2f} °C | Mark: {markTemp:.2f} °C")

      # Periodic temperature print
      now = time()
      if now - _last_print >= PRINT_INTERVAL:
            if markTemp is None:
               markTemp = currentTemp
            print(f"Temp: {currentTemp:.2f} °C | Mark: {markTemp:.2f} °C | Level: {level}")
            _last_print = now

      # Auto adjust level based on ±5°C
      if markTemp is None:
            markTemp = currentTemp

      if level != 0:
            diff = currentTemp - markTemp
            if diff <= -5:
               level = max(0, level - 1)
               markTemp = currentTemp
               print(f"[Auto] Temp down -> Level {level} (Temp: {currentTemp:.2f} °C)")
            elif diff >= 5:
               level = min(4, level + 1)
               markTemp = currentTemp
               print(f"[Auto] Temp up   -> Level {level} (Temp: {currentTemp:.2f} °C)")

      level = motor_run(level)
      sleep(0.5)


try:
   main()
except KeyboardInterrupt:
   print("\nExiting...")
finally:
   motor.stop()
   sleep(0.1)

Dieses Python-Skript kombiniert einen Motor, einen Taster und einen Temperatursensor zu einem temperaturgesteuerten Ventilatorsystem mit einstellbarer Geschwindigkeit. Bei der Ausführung:

1. Temperaturmessung: Liest die aktuelle Temperatur in Celsius mithilfe des Thermistors.

2. Manuelle Geschwindigkeitsanpassung:

   • Ein Taster, der mit GPIO 22 verbunden ist, ermöglicht es dem Benutzer, zwischen fünf Geschwindigkeitsstufen (0 bis 4) zu wechseln.

   • Jeder Tastendruck erhöht die Geschwindigkeitsstufe, und der Motor läuft mit der entsprechenden Geschwindigkeit. Stufe 0 stoppt den Motor.

3. Automatische Geschwindigkeitsregelung: Das System passt die Motorgeschwindigkeit automatisch an Temperaturänderungen an:

   • Wenn die Temperatur um 2°C oder mehr steigt, erhöht sich die Geschwindigkeitsstufe (bis maximal Stufe 4).

   • Wenn die Temperatur um 2°C oder mehr sinkt, verringert sich die Geschwindigkeitsstufe (bis minimal Stufe 0).

4. Kontinuierliche Überwachung: Das System überwacht kontinuierlich die Temperatur und passt die Ventilatorgeschwindigkeit entsprechend an.

5. Sauberes Beenden: Bei Ctrl+C wird der Motor gestoppt, und das Skript wird ordnungsgemäß beendet.

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Code verstehen

1. Temperaturberechnung:

   def temperature(samples=5, delay=0.01):
      """Read thermistor multiple times and return averaged Celsius (float) or None."""
      vals = []
      for _ in range(samples):
         analogVal = thermistor.read()
         Vr = 3.3 * float(analogVal) / 4095.0
         if (3.3 - Vr) <= 0.1:
               return None
         Rt = 10000.0 * Vr / (3.3 - Vr)
         tempK = 1.0 / (((math.log(Rt / 10000.0)) / 3950.0) + (1.0 / (273.15 + 25.0)))
         vals.append(tempK - 273.15)
         sleep(delay)
      return sum(vals) / len(vals)
   

   Die Funktion temperature() liest mehrfach den analogen Wert des Thermistors, wandelt ihn in einen Widerstandswert um und berechnet anschließend mithilfe einer mathematischen Formel die entsprechende Temperatur.

2. Motor-Geschwindigkeitssteuerung:

   def motor_run(lv):
      lv = max(0, min(4, lv))
      motor.power(0 if lv == 0 else lv * 25)
      return lv
   

   Die Funktion motor_run() passt die Motorgeschwindigkeit anhand der Variablen level an. Die Geschwindigkeit wird dabei auf einen Wert zwischen 0 und 1 normiert.

3. Manuelle Geschwindigkeitsanpassung:

   def changeLevel():
      """Button press: cycle level 0~4 and set a flag for main loop to print."""
      global level, button_event
      level = (level + 1) % 5
      button_event = True
   
   
   BtnPin.when_activated = changeLevel
   

   Die Funktion changeLevel() wechselt bei jedem Tastendruck zyklisch zwischen den Geschwindigkeitsstufen 0 bis 4.

4. Automatische Geschwindigkeitsanpassung:

   def main():
      global level, currentTemp, markTemp, _last_print, button_event
   
      markTemp = temperature()
      while True:
         currentTemp = temperature()
         if currentTemp is None:
               print("Sensor read failed. Please check the sensor.")
               sleep(0.5)
               continue
      ...
   

   Die Funktion main() überwacht kontinuierlich die Temperatur und passt die Ventilatorgeschwindigkeit an, wenn sich die Temperatur um mehr als 2°C vom Referenzwert unterscheidet.

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Fehlerbehebung

1. Motor läuft nicht:

   • Ursache: Falsche Verdrahtung oder unzureichende Stromversorgung.

   • Lösung:

     • Überprüfen Sie, ob der Motor mit M0 verbunden ist.

     • Stellen Sie sicher, dass die Stromversorgung des Motors zu seiner erforderlichen Betriebsspannung passt.

2. Temperaturmessung ist ungenau:

   • Ursache: Defekter Thermistor.

   • Lösung:

     • Überprüfen Sie die Verdrahtung des Thermistors und stellen Sie sicher, dass er innerhalb des vorgesehenen Messbereichs arbeitet.

3. Tastendruck wird nicht erkannt:

   • Ursache: Falsche Verdrahtung oder falsche GPIO-Konfiguration.

   • Lösung:

     • Überprüfen Sie, ob der Taster mit GPIO 22 und GND verbunden ist.

     • Testen Sie den Taster separat, um sicherzustellen, dass er beim Drücken den Stromkreis schließt.

4. Geschwindigkeitsstufe ändert sich nicht automatisch:

   • Ursache: Fehler bei der Berechnung der Temperaturdifferenz.

   • Lösung: Stellen Sie sicher, dass die Werte currentTemp und markTemp in der Funktion main() korrekt aktualisiert werden.

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Erweiterungsideen

1. Überhitzungswarnung: Fügen Sie einen Summer oder eine LED hinzu, um den Benutzer zu warnen, wenn die Temperatur einen kritischen Wert überschreitet.

   if currentTemp > 50:
       buzzer.on()
   

2. Erweiterte Tasterfunktionen: Nutzen Sie langes Drücken des Tasters, um die Geschwindigkeitsstufe auf 0 zurückzusetzen oder zwischen automatischem und manuellem Modus umzuschalten.

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Fazit

Das Projekt „Smarter Ventilator“ zeigt, wie sich manuelle und automatische Steuerung in einem einzigen System kombinieren lassen. Es ist ein praktisches Beispiel für die Integration von Sensoren, Motoren und Benutzerinteraktion in ein funktionales und effizientes System. Erweitern Sie das Projekt mit zusätzlichen Funktionen und erstellen Sie Ihre eigene intelligente Klimasteuerung!