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iot:vollautomatische_katzenwaage

Vollautomatische Katzenwaage

Um das Körpergewicht meiner beiden (nun langsam in die Tage kommenden) beiden Katzen Leonie und Leslie automatisch und vor allem regelmäßig zu erfassen, habe ich zwei vollautomatische Katzenwaagen entwickelt und gebaut. Diese werden unter den Katzentoiletten platziert und messen während des Toilettengangs das Gewicht der Katze, die ihr Geschäft erledigt. Da Leonie und Leslie unterschiedliche Körpergewichte haben, können die Waagen automatisch erkennen, welche Katze gerade auf der Toilette ist und das gemessene Gewicht entsprechend zuordnen.

Das Ergebnis der Messung wird zum einen auf einem LC-Display angezeigt, zum anderen aber auch über WLAN an meinen Server gesendet und in einer Datenbank gespeichert. Auf meiner IoT-Webseite werden die Daten dann grafisch dargestellt. Auf diese Weise lassen sich problematische Entwicklungen frühzeitig erkennen.

Komponenten:

Achtung!

Die vollautomatische Katzenwaage ist „work in progress“! Alle Angaben sind vorläufig und dokumentieren bestenfalls den aktuellen Stand der Planung, des Aufbaus und der Programmierung. Diese Dokumentation wird laufend aktualisiert.

Mechanischer Aufbau

Das Kernstück der vollautomatischen Katzenwaage ist eine Plattform-Wägezelle: Die Entscheidung für eine Wägezelle der Firma Bosche fiel relativ leicht, da diese Wägezellen bei recht vielen der im Internet dokumentierten Waagenprojekten Verwendung finden. Aber welches der vielen Module ist geeignet? Grundsätzlich kommen Wägezellen aus den Baureihen H30A und H40A infrage. Bei der Auswahl ist zunächst die maximal zu erwartende Nennlast zu berücksichtigen. Die Katzentoilette wiegt mit Streu 15 bis 18 Kilogramm, mein Kater gute 5 Kilogramm und die Wägeplattform habe ich mit 2 Kilogramm kalkuliert. Bosche stellt eine Handreichung zur Verfügung, die bei der Auswahl der richtigen Wägezelle helfen soll. Demnach sollte die maximale Nennlast der Wägezelle so gewählt werden, dass auch Lastspitzen, die bspw. beim Aufsetzen der Last entstehen können, die Wägezelle nicht beschädigen können. Außerdem sollte auch ein Eckenlastzuschlag für eine mögliche Ungleichmäßigkeit der Lastverteilung berücksichtigt werden. In der Regel, heißt es in dem Dokument, sollte die Wägezelle so gewählt werden, dass deren maximale Nennlast um den Faktor zwei bis drei über der zu erwartenden Nennlast liegt. Für meine Katzentoilette sollte die maximale Nennlast also zwischen 50 und 75 Kilogramm liegen. Meine Wahl fiel letztendlich auf eine Wägezelle der Baureihe H40A, mit einer maximalen Nennlast von 100 Kilogramm. Diese ist im Unterschied zu den Wägezellen der Baureihe H30A für Plattformgrößen von 500 mal 500 Quadratmillimeter ausgelegt. Da die Grundfläche der Katzentoilette ungefähr 400 mal 500 Quadratmillimeter misst, fiel die Entscheidung nicht schwer.

Der mechanische Aufbau ist denkbar einfach: Die Plattformwägezelle wird mittig zwischen zwei sechs Millimeter starke Aluminiumplatten mit einer Kantenlänge von 342 mal 445 Quadratmillimetern verschraubt. Insgesamt hat die Konstruktion also eine Höhe von 52 Millimetern: Flacher bekommt man es nicht hin. Damit der Sensor sich zwischen den Aluplatten frei bewegen kann, haben die beiden Aluminiumplatten entsprechende Löcher. Alternativ hätten Taschen gefräst werden können, aus Kostengründen habe ich die Platten jedoch lasern lassen. Die Plattformwägezelle wird durch einen gedruckten Anschlag vor Überlast geschützt.

Elektrischer Aufbau

Das Kernstück der automatischen Katzenwaage ist die Plattform-Wägezelle H40A von Bosche. Diese wird mit dem SparkFun Load Cell Amplifier verbunden, der wiederum mit einem Lolin D32 verbunden wird. Vor allem für des Debugging bekommt die Kontrolleinheit ein LC-Display von SparkFun spendiert.

H40A und SparkFun Load Cell Amplifier

  • RED: rotes Kabel
  • BLK: schwarzes Kabel
  • WHT: weißes Kabel
  • GRN: grünes Kabel
  • YLW: violettes Kabel
  • VDD: 3,3 Volt vom ESP32
  • VCC: 5 Volt vom Spannungsregler
  • DAT: GPIO 4
  • CLK: GPIO 2
  • GND: GND

Die Brücke auf der Rückseite des Boards muss geschlossen bleiben für 10 SPS (samples per second), um das Rauschen zu minimieren.

LC-Display

Display: HD44780U (kompatibel zu LCD1602); I2C-Adresse des Displays: 0x72

  • SCL: GPIO 22
  • SDA: GPIO 21

Da ich keine Bibliothek gefunden habe, die sich für den Lolin D32 kompilieren lässt und am Ende auch funktioniert, muss das Display direkt angesteuert werden, wie es hier beschrieben ist: https://learn.sparkfun.com/tutorials/avr-based-serial-enabled-lcds-hookup-guide/all#firmware-overview

Beispiele: https://github.com/sparkfun/OpenLCD/tree/master/firmware/Examples/I2C

https://maxpromer.github.io/LCD-Character-Creator/

Spannungsregelung

Genauigkeit

Die Waage tariert sich automatisch, wenn eine Abweichung von +/- 1 Gramm von Null über- bzw. unterschritten wird. Wenn eine Katze die Waage (bzw. das Klo) betritt, hat sie drei Minuten Zeit, ihr Geschäft zu erledigen. Die Sensordaten driften über einen längeren Zeitraum, über die Zeit von drei Minuten aber nur minimal. Daraus ergibt sich eine Genauigkeit von ca. +/- 1,25 Gramm. Problematisch ist allerdings, dass die Katzen nicht absolut still sitzen. Um die besten Messwerte zu finden, werden aus bis zu etwa 1650 Einzelmessungen die 50 aufeinanderfolgenden Messwerte mit der geringsten Standardabweichung von ihrem Mittelwert bestimmt. Deren Mittelwert wird als Gewicht der Katze gespeichert. Bei diesem Verfahren ergeben sich zwischen zwei Messungen nur selten unerklärliche, das heißt wahrscheinlich auf Messfehlern beruhende Abweichungen.

Der Nennkennwert der Wägezelle wird mit 2 mV/V angegeben. Bei einer Betriebsspannung von 5 Volt ist die Spannungsänderung über den gesamten Messbereich also gerade einmal 10 mV. Der HX711 verstärkt dieses Signal um den Faktor 128, also auf 1,28 Volt.

Dazu: http://www.loosweb.de/scale/doc/de/index.html

Datenbankstruktur

  • ID: automatisch vergebene, fortlaufende Nummer
  • scale_id: 0 für die Waage im Badezimmer, 1 für die im Flur
  • cat_id: 0 für Leonie, 1 für Leslie
  • cat_weight: das Gewicht der Katze
  • cat_weight_sd: die Standardabweichung vom Mittelwert der einbezogenen Messwerte
  • excretion_weight: das Gewicht der Ausscheidung
  • excretion_weight_sd: die Standardabweichung vom Mittelwert der einbezogenen Messwerte
  • created_at: automatisch vergebener Zeitstempel

Internetseite

Eine erste grafische Auswertung der Daten steht bereits: https://dashboard.frickelpiet.de/pages/catscale_overview.php

Erläuterungen zur Übersicht: Die Messung des durchschnittlichen Gewichts ist sehr genau. Theoretisch ist eine Genauigkeit von +/- 1,25 Gramm bei jeder Messung möglich. Da die Katzen nicht einhundertprozentig ruhig sitzen, wenn sie ihr Geschäft machen, können praktisch Abweichungen von +/- 15 Gramm zwischen den Toilettengängen beobachtet werden, die nicht erklärt werden können (z.B. durch Futteraufnahme). Im Mittel sollten sich diese Messfehler gegenseitig auslöschen.

Die Zählung der Häufigkeit der Toilettengänge hat zwei Fehlerquellen: Erstens werden Toilettengänge, die kürzer als 25 Sekunden und länger als 180 Sekunden dauern, nicht gezählt. Außerdem machen sowohl Leonie als auch Leslie nicht immer ein Geschäft, wenn sie auf dem Klo sind. Diese beiden Probleme wirken sich freilich auch auf die Abbildung der Zeiten der Toilettengänge aus. Die Messung der Summe des Gewichts der Ausscheidungen ist ebenfalls von dem ersten Problem betroffen. Darüber hinaus muss berücksichtigt werden, dass die Katzen beim Verlassen des Klos Streu „mitnehmen“. Die Messungen unterschätzen also das Gewicht der Ausscheidungen. Davon abgesehen ist die Messung des Gewichts der Ausscheidungen sehr genau (+/- 1,25 Gramm / Messung). Messfehler summieren sich aber ggf.

Programmierung

Wie bei den meisten meiner Projekte dokumentiere ich in diesem Bereich den Fortschritt der Programmierung der Katzenwaage. Die Links führen zu signifikanten Programmversionen.

Das Programm ist prinzipiell relativ einfach. Die Herausforderung wird sein, alle Toilettengänge automatisch zu erkennen und von Gewichtsveränderungen zu unterscheiden, die keine Toilettengänge sind, wie beispielsweise Toilettenreinigungen und das Nachfüllen Streu. In einem ersten Schritt habe ich alle Toilettengänge meiner beiden Katzen eine Woche lang videografiert und analysiert. Das Ergebnis dieser ersten Analyse ist hier dokumentiert.

Programmversionen:

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iot/vollautomatische_katzenwaage.txt · Zuletzt geändert: 08.09.2019 09:15 von Frickelpiet