IoT at Home

Was du in diesem Kapitel erfährst:

       Wie lassen sich Schaltungen sauber dokumentieren?

       Grundlagen der Elektrotechnik

       Welche Netzwerkprotokolle stehen zur Verfügung, um Gadgets smart zu machen?

       Einführung in Bluetooth Low Energy (BLE)

       Übersicht über die im Buch eingesetzten Programmiersprachen

Wie die Überschrift bereits verrät, behandelt dieses Kapitel Grundlagenthemen. Solltest du bereits Vorkenntnisse in den genannten Themenbereichen besitzen, kannst du dieses Kapitel überspringen und bei Bedarf hier nachschlagen, falls du bei einem deiner Projekte nicht weiterkommst.

Um intelligente Gegenstände für dein Zuhause entwickeln zu können, benötigst du einiges an Hard- und Software. Dazu zählen z. B. ein Arduino-Board, die dazugehörige Software zur Programmierung und diverse Komponenten, wie Sensoren, Schalter etc. (siehe Kapitel 4). In der Entwicklungsphase eines Projekts solltest du jedoch erst einmal mit Prototypen arbeiten. In diesem Abschnitt erfährst du, welche Hard- und Software du für Testaufbauten verwenden kannst.

Während der Entwicklung und für den Hardwareaufbau von Prototypen und empfiehlt es sich, Breadboards zu verwenden. Bild 2.1 zeigt den schematischen Aufbau eines solchen Steckbretts. Es handelt es sich hierbei um eine Steckplatine aus Kunststoff mit zahlreichen Kontaktfedern, auf der elektronische Bauteile ohne Löten befestigt werden können. Diese müssen einfach nur eingesteckt werden. Dies hat den Vorteil, dass Fehlerkorrekturen und Umbauten leicht umgesetzt werden können. Wurde die Schaltung ausgiebig getestet und soll so beibehalten werden, spricht nichts dagegen, sie fest zusammenzulöten. Hierfür eignen sich Lochrasterplatinen besser als Breadboards.

Bild 2.1 Schematischer Aufbau eines Breadboards (hier eine Darstellung der Software Fritzing)

Der Abstand zwischen den Kontaktpunkten beträgt - z. B. analog zu den GPIO-Pins auf einem Raspberry Pi - in der Regel 2,54 mm (0,1 Inch) als Normwert. Fast alle Bauteile folgen diesem Raster und können somit mühelos in die Reihen gesteckt werden. Die Kontaktpunkte sind untereinander über Netze intern verbunden, sodass einzelne Bauteile ohne weitere Drähte vernetzt werden können. Die Aufteilung der Netze kann je nach Breadboard-Typ variieren, lässt sich jedoch optisch leicht erkennen. Die Breadboards sind in unterschiedlichen Größen erhältlich.

Beginne zunächst mit Breadboards mittlerer Größe. Große Platinen lassen sich nämlich nur schwer verbauen. Kleine Boards hingegen bieten oftmals nicht ausreichend Platz, um die Gestaltung eines übersichtlichen Layouts zu ermöglichen. Bist du dir bezüglich der Netzgestaltung nicht sicher, empfiehlt es sich, zur Sicherheit nachzumessen, um Beschädigungen an Bauteilen zu vermeiden.

Gibt es keine Verbindung über das interne Netz oder müssen weitere Strecken überbrückt werden, so bietet sich die Verwendung von Drahtbrücken oder Litzen an. Diese sollten idealerweise isoliert sein. Im Handel gibt es hierfür sogenannte Jumper Wires (Bild 2.2).

Bild 2.2 Jumper Wires

Die Verwendung von Breadboards hat jedoch auch einige Nachteile. Durch das einfache Stecken von Bauteilen wird keine dauerhafte Verbindung hergestellt. Dies führt dazu, dass es zu Fehlkontakten kommt, die die Fehlersuche erschweren. Darüber hinaus hat das Breadboard eine schlechte Wärmeabfuhr, sodass Bauteile sehr warm werden können. Die Strombelastbarkeit ist ebenfalls eingeschränkt und liegt in der Regel bei ca. 1 A (Ampere).

Es ist sinnvoll, sich vor der Umsetzung Gedanken über die Struktur und den Aufbau eines Projekts zu machen. Schaltungen, die ohne Vorplanung auf Breadboards umgesetzt werden, neigen dazu, schnell unübersichtlich und schlecht wartbar zu werden. Deshalb gibt es Softwaretools, mit denen sich Schaltungen bereits vorab virtuell zusammenstellen lassen. Im professionellen Umfeld gibt es etablierte Lösungen, mit denen sich komplexe Schaltungslayouts erstellen lassen, wie z. B. EAGLE der Firma Autodesk. Diese Werkzeuge sind sehr mächtig, jedoch für Einsteiger und Kleinprojekte meist zu komplex. Dieses Buch beschränkt sich bei der Auswahl der Werkzeuge auf zwei Produkte, die auch für Einsteiger geeignet sind: Fritzing und Virtual Breadboard.

Bei Fritzing handelt es sich um eine Open-Source-Initiative, deren Ursprung auf ein Projekt der FH Potsdam zurückgeht. Die Idee ist es, eine freie Software anzubieten, die bei der Entwicklung von elektronischen Projekten unterstützt. Neben der Möglichkeit, Leiterplatten und Schaltpläne zu erstellen, bietet Fritzing eine Breadboard-Ansicht an. In der mitgelieferten Bibliothek findest du zahlreiche Komponenten aus der Welt der Elektronik, von der LED bis hin zum Raspberry Pi. So kannst du deine Schaltung virtuell am PC zusammenstecken, bevor du sie baust.

Ein Großteil der im Buch gezeigten Schaltungen wurde mit Fritzing erstellt oder basiert darauf. Sofern nicht explizit gekennzeichnet, erkennst du Fritzing-Zeichnungen recht einfach am Comicstil. Die Lizenz von Fritzing und der Teile erlaubt ausdrücklich das Erstellen und Veröffentlichen von Schaltungen, sofern du auf Fritzing hinweist und auch unter gleicher Lizenz veröffentlichst. Wir danken an dieser Stelle dem Fritzing-Projekt und allen Mitwirkenden für dieses tolle Tool.

Du kannst Fritzing kostenfrei unter http://fritzing.org/home herunterladen. Fritzing liefert bereits im Standard eine große Anzahl von Bauteilen mit. Sollte dir ein Bauteil fehlen, liefern einige Hersteller zu ihren Bauteilen auch passende Fritzing-Elemente, die du in die Software importieren kannst. Auch wenn die letzte Version von Fritzing im Juni 2016 veröffentlicht wurde, wird die Teilebibliothek regelmäßig aktualisiert und neue Bauteile werden hinzugefügt. Fritzing lädt diese Aktualisierung bei jedem Start nach.

Fritzing ist nahezu selbsterklärend. Fritzing liefert auf seiner Website zahlreiche Tutorials für den tieferen Einstieg. An dieser Stelle soll daher nur eine kurze Einführung gegeben werden, damit du direkt beginnen kannst. Die Software ist grob in zwei Bereiche aufgeteilt: in den Arbeitsbereich in der Mitte und in den Bauteilebereich auf der rechten Seite (Bild 2.3). In der Bauteileübersicht kannst du das gewünschte Bauteil suchen und dann mit Drag & Drop auf die Steckplatine ziehen und dort entsprechend verkabeln. Über das Eigenschaftenfenster rechts unten lassen sich die Bauteile noch im Detail weiter konfigurieren.

Bild 2.3 Bedienoberfläche von Fritzing

Neben der Steckplatinen-Ansicht kannst du dir die erstellte Schaltung auch als Schaltplan oder Leiterplatte anzeigen lassen (Bild 2.4). Fritzing bietet noch viele weitere nützliche Funktionen, wie z. B. das Veröffentlichen von Schaltungen oder die Direktbestellung von Leiterplatten. Schaltungen lassen sich bequem in gängige Formate wie PDF oder PNG exportieren und somit weitergeben oder wie in diesem Buch zur Illustration abdrucken.

Bild 2.4 Wechsel des Ansichtsmodus in Fritzing

Ein weiteres hilfreiches Tool ist Virtual Breadboard (VBB). Es handelt sich dabei um ein ähnliches Werkzeug wie Fritzing, wie bereits der Aufbau der Software vermuten lässt (Bild 2.5). Im Gegensatz zu Fritzing steht VBB unter keiner freien Lizenz und bietet einen Modus zur Simulation und zum Debugging von Schaltungen. Das Tool kannst du unter http://www.virtualbreadboard.com herunterladen.

Bild 2.5 Projektansicht bei Virtual Breadboard

Da wir in den Beispielprojekten dieses Buches auch Hardware ansprechen möchten, benötigst du einige elektrotechnische Grundlagen. Dieser Abschnitt fasst - ohne lange Herleitung oder theoretische Ausführungen - die wichtigsten Informationen und Konzepte für dich zusammen. Dieses Wissen reicht aus, um die Projekte im Buch nachvollziehen zu können.

Um sich im Kauderwelsch der Produktdatenblätter zurechtzufinden, enthält die folgende Tabelle eine Übersicht der wichtigsten Begriffe, die einem darin begegnen.

Begriff

Erklärung

VCC

Versorgungsspannung (innerhalb von Schaltungen meist 5 V, 3,3 V oder 1,8 V)

GND

Ground/Masse (0 V), das Gegenstück zu...