Unterschiede

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--- iot:vollautomatische_katzenwaage [10.06.2019 23:09] – [Links zu ähnlichen Projekten] Frickelpiet
+++ iot:vollautomatische_katzenwaage [08.09.2019 09:15] – [Genauigkeit] Frickelpiet
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 ====== 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, baue ich eine vollautomatische Katzenwaage. Diese wird unter der Katzentoilette platziert und misst während des Toilettengangs das Gewicht der Katze, die ihr Geschäft erledigt. Da Leonie und Leslie unterschiedliche Körpergewichte haben, soll die Waage automatisch erkennen, welche Katze gerade auf der Toilette ist und das gemessene Gewicht entsprechend zuordnen.
+{{:iot:vollautomatische_katzenwaage:img_1177.jpg?200 |}}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 soll auf einem LCD-Display angezeigt werden, außerdem sollen die Messwerte über WLAN an meinen Server gesendet und in einer Datenbank gespeichert werden. Die Gewichtsverläufe können dann auf meinem [[http://dashboard.frickelpiet.de|IoT-Dashboard]] grafisch dargestellt werden. Darstellbar wäre außerdem, wie oft meine Katzen die Toilette aufsuchen, evtl. auch das Gewicht ihrer "Geschäfte". Auf diese Weise lassen sich problematische Entwicklungen frühzeitig erkennen.
+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 [[http://dashboard.frickelpiet.de|IoT-Webseite]] werden die Daten dann grafisch dargestellt. Auf diese Weise lassen sich problematische Entwicklungen frühzeitig erkennen.
 Komponenten:
-  * Plattform Wägezelle: [[https://www.bosche.eu/waagenkomponenten/waegezellen/plattform-waegezellen/plattform-waegezellen-h40a|H40A 100kg]]
+  * Plattform-Wägezelle: [[https://www.bosche.eu/waagenkomponenten/waegezellen/plattform-waegezellen/plattform-waegezellen-h40a|H40A 100kg]]
   * Wandler-Modul: [[https://learn.sparkfun.com/tutorials/load-cell-amplifier-hx711-breakout-hookup-guide#arduino-example|SparkFun Load Cell Amplifier]]
   * Mikrocontroller: Lolin D32 (ESP32)
-  * LCD-Display: [[https://learn.sparkfun.com/tutorials/avr-based-serial-enabled-lcds-hookup-guide/all|SparkFun 20x4 SerLCD - Black on RGB 3.3V]]
+  * LC-Display: [[https://learn.sparkfun.com/tutorials/avr-based-serial-enabled-lcds-hookup-guide/all|SparkFun 20x4 SerLCD - Black on RGB 3.3V]]
   * Spannungsregler: 5V Step-Up/Step-Down Voltage Regulator S18V20F5
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 ===== Mechanischer Aufbau =====
-{{:arduino:katzenwaage:img_1135.jpeg?100 |}} 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 [[https://www.bosche.eu/media/pdf/03/f0/32/Hilfe-bei-der-Auswahl-von-Wa-gezellen-TIPP.pdf|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.
+{{:arduino:katzenwaage:img_1135.jpeg?100 |}} {{:iot:vollautomatische_katzenwaage:img_1166.jpg?100 |}}{{:iot:vollautomatische_katzenwaage:img_1167.jpg?100 |}} 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 [[https://www.bosche.eu/media/pdf/03/f0/32/Hilfe-bei-der-Auswahl-von-Wa-gezellen-TIPP.pdf|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 Wägezelle wird mittig zwischen zwei 8 Millimeter starke Aluminiumplatten mit einer Kantenlänge von 342 mal 445 Quadratmillimetern verschraubt. Insgesamt hat die Konstruktion also eine Höhe von 56 Millimetern: Flacher bekommt man es nicht hin. Damit der Sensor sich zwischen den Aluplatten frei bewegen kann, werden Taschen eingebracht. Um zu vermeiden, dass Katzenstreu zwischen den Sensor und die Bodenplatte gerät und die Messungen verfälscht, wird der Sensor von einem gedruckten Gehäuse eingefasst, das gleichzeitig als mechanischer Anschlag dient.
+{{:iot:vollautomatische_katzenwaage:img_1170.jpg?100 |}} {{:iot:vollautomatische_katzenwaage:img_1172.jpg?100 |}} {{:iot:vollautomatische_katzenwaage:img_1173.jpg?100 |}} 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 LCD-Display von SparkFun spendiert.
+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 ====
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   * VDD: 3,3 Volt vom ESP32
   * VCC: 5 Volt vom Spannungsregler
-  * DAT
+  * DAT: GPIO 4
-  * CLK
+  * CLK: GPIO 2
-  * GND
+  * GND: GND
 Die Brücke auf der Rückseite des Boards muss geschlossen bleiben für 10 SPS (samples per second), um das Rauschen zu minimieren.
-==== LCD-Display ====
+==== LC-Display ====
 Display: HD44780U (kompatibel zu LCD1602); I2C-Adresse des Displays: 0x72
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 Beispiele: https://github.com/sparkfun/OpenLCD/tree/master/firmware/Examples/I2C
+https://maxpromer.github.io/LCD-Character-Creator/
 ==== Spannungsregelung ====
 https://www.youtube.com/watch?v=wopmEyZKnYo
 ===== 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
-Empirisch zeichnet sich eine Genauigkeit von +/- 2 Gramm ab, was für die Dokumentation des Gewichts meiner Katzen völlig ausreichend ist.
+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.
-===== Datenbank =====
-Struktur: ID, toilet, cat, weight, sd, difference, current_timestamp
+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.
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 Programmversionen:
   * [[iot:vollautomatische_katzenwaage:programmversion_0.1|Programmversion 0.1]]: Implementierung der Grundfunktionen
+  * [[iot:vollautomatische_katzenwaage:programmversion_0.2|Programmversion 0.2]]: Allgemeine Verbesserungen
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-Tags: #Arduino #ESP_32 #Katzen #Katzentoilette #Katzenwaage
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