Überlegungen zu den Anforderungen an die Hardware

Um zu einer passenden Steuerungshardware zu kommen, müssen zunächst einmal die erwarteten Funktionen festgelegt werden. Daraus entstehen dann die Anforderungen an die zentrale Einheit und die sonstige Elektronik.
Die hier beschriebene Dimensionierung orientiert sich an unserem Bedarf auf Hof Lüttgesheide. Da die Steuerungshardware aber sehr wenig kostet, kann dieser Teil in gleicher Form dimensioniert werden, auch wenn die Anforderungen einer kleinen privaten Haltung geringer ausfallen werden (z.B. nur eine Futtersorte). Die durch die "größere" Steuerung entstehenden Mehrkosten sind minimal.

Im ersten Schritt soll eine Kraftfutterstation realisiert werden. Diese soll vier Sorten Futter bedarfsgerecht mit motorgetriebenen Schnecken ausgeben:

• Hafer
• Flockenmischung Mais und Gerste
• Kräutermüsli
• Mineralfutter

Hierfür werden folgende Schalter benötigt:

• 4 Ausgänge digital: zum Schalten eines Schneckenmotors ein/aus
• 4 Eingänge digital: Motor hat eine Umdrehung gemacht
  

Unsere Station wird eine Nachlaufsperre erhalten, die das fressende Pferd schützt (in kleinen harmonischen Gruppen kann die Nachlaufsperre entfallen!):

• 1 Ausgang digital: Nachlaufsperrenmotor Fahrtrichtung zu
• 1 Eingang digital: Nachlaufsperre ist zu (Endschalter)
• 1 Ausgang digital: Nachlaufsperrenmotor Fahrtrichtung auf
• 1 Eingang digital: Nachlaufsperre ist auf (Endschalter)

==> benötigt werden 6 digitale Ausgänge und 6 digitale Eingänge.

In unserer Planung ist vorgesehen, dass mit der gleichen Steuerung auch noch eine Tür zu einem Paddockbereich mit großer Heuraufe bedarfsgerecht geöffnet wird. Neben der Steuerung der Türmotoren müssen für die Absicherung der Heuraumtür gegen Einquetschen weitere digitale Eingänge vorgesehen werden. Dieser Teil der Steuerung lässt sich nur realisieren, wenn eine Nachlaufsperre vorhanden ist!

Für die Selektionstür zum Heu werden folgende Ein- und Ausgänge benötigt:

• 1 Ausgang digital: Motor Heuraumtür auf
• 1 Eingang digital: Heuraumtür ist auf (Endschalter)
  
• 1 Ausgang digital: Motor Heuraumtür zu
• 1 Eingang digital: Heuraumtür ist zu (Endschalter)
• 3 Eingänge digital: Absicherung Heuraumtür
  

==> für diese Erweiterung werden 2 zusätzliche digitale Ausgänge und 5 digitale Eingänge benötigt.

Eine weitere Option für eine spätere Erweiterung ist die Überwachung der Futterbehälter mit Ultraschall Füllstandsanzeigern.

==> bei 4 Futtersorten werden 4 analoge Eingänge für diese Erweiterung benötigt.

Eine weitere Option für eine spätere Erweiterung ist das gesteuerte Öffnen und Schließen eines Heu Einzeldosierers. Dies erfolgt mit einem Motor, der auf oder zu fährt. Eine Nachlaufsperre ist hier ebenfalls erforderlich.
Die hier notwendigen Schaltungen (Raufe ist zu /auf) werden autonom ausgeführt.

==> Für die Erweiterung um eine Heuraufensteuerung wird 1 Bussystem benötigt an das sich autonome Steuerungen anschließen können. Ideal ist hier der verbreitete I2C Bus (im Deutschen gesprochen als I-Quadrat-C).

 ==> Für die Steuerung werden maximal insgesamt benötigt:

• 8 digitale Ausgänge
• 11 digitale Eingänge
• 4 analoge Eingänge
• Bussystem I2C
  

Zusätzlich zu den oben genannten Anforderungen muss die zentrale Einheit der Steuerung, der Computer, noch weitere erfüllen:

• Anschlussmöglichkeit für 1 serielle Schnittstelle für die Pferdeerkennung durch ein Transponderlesegerät (separate Elektronik plus Antenne - siehe Anforderung Transponderlesegerät).
• Die korrekte Uhrzeit muss entweder über einen Uhrenbaustein mit Batteriepuffer oder durch eine Verbindung zu einem Zeitsignal sicher gestellt werden, damit die Zeiterfassung bei der Fütterung realisiert werden kann.
  
• Eine komfortablen Bedienung muss entweder über einen Touchscreen an der Steuerung oder über Computernetzwerk / WLAN über Smartphone oder PC möglich sein. Gut wäre, wenn sowohl Fernadministration wie auch lokaler Touchbildschirm gleichzeitig möglich wären.
  
• Der Speicher der Steuerung sollte mit einer SD Karte erweiterbar sein. Nur so ist die dauerhafte Speicherung der Pferdedaten und der Bilder für die grafische Menüführung möglich.
  
• Alles passt in ein akzeptabel großes Gehäuse.
• Eine langfristige Hardwareversorgung ist sichergestellt( Soweit dies in der schnelllebigen EDV Welt möglich ist).
  
• Die Hardware ist kostengünstig.
  
• Passende Sensoren und sonstige Zubehörteile sind verfügbar.
  

Dieses Anforderungsprofil erfüllen einige Systeme, die Wahl fiel zunächst auf die Arduino-Plattform. Nach einigen Experimenten und Versuchen wurde die Verwendung der Arduino Plattform aber wieder verworfen, da sich insbesondere eine komfortable Bedienung nur schwer realisieren ließ.

Bei weiteren Recherchen wurde die Raspberry PI Plattform für das Projekt entdeckt. Dies ist eine aus Soft- und Hardware bestehende Physical-Computing-Plattform. Beide Komponenten sind im Sinne von Open Source quelloffen. Die Hardware besteht aus einer Platine mit einem Mikrocontroller und analogen und digitalen Ein- und Ausgängen.

Für diese Plattform gibt es Bücher und überall im Netz ist Unterstützung zu bekommen -  angefangen bei Youtube bis Ebay. Die Hardware ist überall zu kaufen- in China, über Ebay oder bei einschlägigen Elektronikversendern.

Die Kosten für einen Raspberry Pi 3 belaufen sich auf ca. 40 Euro (Tendenz fallend)

Um die oben gestellten Anforderungen zu erfüllen muss der Raspberry PI noch etwas Peripherie erhalten:

1. einen Touchscreen
   Für den kleinen Rechner gibt es einen genau passenden 7 Zoll Touchscreen der mit wenig Aufwand direkt am Rechner befestigt werden kann. Der Vorteil dieses Screens gegenüber anderen ist, dass er bereits im Betriebsystem verankert ist und keinerlei Anpassungen notwendig sind.
2.  Von Natur aus bietet ein RaspberryPi nicht genug Ein- und Ausgänge für dieses Projekt. Dies lässt sich aber mit mit einer oder zwei Zusatzplatinen mit der Bezeichnung PiFace Digital 2 korrigieren.

Um die Eingänge vor Zerstörung und die Ausgänge stark zu machen werden weitere Schaltungen notwendig. Um die Steuerung für kleiner Anlagen nicht unnötig teuer zu machen, wurden diese Eingangs- und Ausgangsboards mit je 2 bzw. 4 Ausgängen / Eingängen gewählt:

• Board mit 2 Motorschaltern für Recht und Linkslauf (H-Bridge) Bezugsquelle: Ebay
• Board mit 4 elektronischen Schaltern (MOSFET)
  Bezugsquelle: http://www.cboden.de
  
• Board mit 4 potenzialfreien digitalen Eingängen (Optokoppler)
  Bezugsquelle: http://www.cboden.de

Alternativ kann für kleinere zu schaltende Lasten und für Wechselstrom Verbraucher) ein 4 Kanal Relaisboard vewendet werden. Diese gibt es im Internet in vielen Shops. Exemplarisch hier der AVC Shop in Berlin.

Mehr zum Raspberry Pi, den anderen Zusatzplatinen und wie sie in der Steuerung verwendet werden, findet sich unter Realisierung der Steuerung 

Neben der Steuerung wird noch ein Elektronikbaustein benötigt, der die Pferdeerkennung erledigt. Da die selbst gebaute Steuerung nach dem gleichen Prinzip arbeiten soll, wie alle am Markt eingeführten automatischen Fütterungen ergeben sich einige Anforderungen an das Transponder (umgangssprachlich = Chip) Lesegerät:

• Lesen von Transpondern nach ISO 11784 und ISO 11785 mit FDX-B und HDX-&Übertragungsverfahren
• Benutzte Tags: R/O, 32MM GLAS, 134.2KHZ TEXAS INSTRUMENTS (RI-TRP-RE2B-30)
• Reichweite der Antenne min. 60 cm
• Die Daten werden seriell übergeben - Sendeprotokoll: Transpondernummer

Gefundener / gewählter Lieferant: Texas Instruments

gefundene Geräte: Series 2000 Reader System

Controller RI-CTL-MB2B-30    215,48 €
Antennenverstärker RI-RFM-007B-30    240,92 €
Antenne RI-ANT-G04E-30    299,29 €

Summe Kosten dieser Spezialhardware (zum Zeitpunkt meines Kaufes)        755,69 €
Hier konnte keine preiswertere Alternative gefunden werden, die die oben genannten Bedingungen erfüllt. Leider wird dieser Betrag fällig, sobald mehr wie ein Pferd im gleichen Stall steht.

Webshops für TI Komponenten:

http://de.farnell.com
http://de.farnell.com/texas-instruments/ri-ctl-mb2b-30/mod-cntrl-rfid-s2000-usb-rs232/dp/1740396?Ntt=RI-CTL-MB2B
http://de.farnell.com/jsp/displayProduct.jsp?sku=1740401&action=view&CMP=GRHB-OCTOPART-1001023
http://de.farnell.com/texas-instruments/ri-ant-g04e-30/antenne-rfid-s2000-gross-134-2khz/dp/1740408?Ntt=RI-ANT-G04E

http://de.mouser.com
http://ordering.digikey.com