Safety First

Kontakt

Idee und Anwendung: Dimitri Miguschew, Pascal Hauck, Mario Renner, Daniel Rother

Vorlesung: dionysios.satikidis@gmail.com

Zusammenfassung

Brandschutztüren haben die Aufgabe die Ausbreitung des Feuers sowie des Rauches einzudämmen. Wird die Schutzfunktion des Brandschutztüren nicht ernst genommen, erhöht sich das Risiko für ein unkontrolliertes Feuer und Rauchausbreitung im Falle eines Brandes. Um das Menschengefährdung Risiko zu minimieren ist das Produkt „Safety first“ entwickelt worden um den Status einer Brandschutztür zu kontrollieren. Der Vorteil dieses Gadget ist das der Benutzer bequem über eine implementierte Webseite die Wichtigsten Information zum Status der Brandschutztür abrufen kann. Eine besondere Spezifikation des Devices ist die Energiesparende Umsetzung. Das Gerät ist in der Lage bis zu einem halben Jahr mithilfe einer 3 Volt Batterie zu senden. Wenn der Batteriewert auf einen sehr niedrigen Status gefallen ist, so erfolgt eine SMS/E-Mail Alarmierung über den Austausch der Spannungsversorgung. Wenn die Brandschutztür zu lange offen bleibt, so wird der Benutzer ebenfalls per SMS/E-Mail benachrichtigt.

Einführung

Nicht nur in öffentlichen Gebäuden, sondern auch in Privathaushalten sind Brandschutztüren weit verbreitet. Denn sie sind echte Lebensretter.

Eine Brandschutztür, auch Feuerschutztür genannt, verhindert oder verlangsamt das Ausbreiten von Feuer. Ein Brand ist schlimm – egal, ob nur einzelne Räume oder das ganze Haus betroffen sind. Mit einer Brandschutztür wird das ausbreiten des Feuers und Rauches verlangsamt, lange genug, damit Menschen sich in Sicherheit bringen können.

Eine offene Brandschutztür begünstigt das Ausbreiten des Feuers sowie des Rauches. Deren geschlossener Zustand muss immer gewährleistet werden. Nichts desto trotz werden Hinweise auf die Wichtigkeit geschlossener Brandschutztüren manchmal ignoriert oder vernachlässigt.

Um mehr Sicherheit in diesen Bereich zu bringen und den Zustand der Brandschutztüren zu kontrollieren, wird das Projekt „Safty first“ in Leben gerufen. Der Kernprodukt dieses Projektes ist ein Türriegelsensor welche den Zustand der Brandschutztür an den Benutzer sendet und diesen über den Status der Brandschutztür informiert. Dabei soll das auf IoT-Netzwerk basierende Gerät lediglich als ein sogenanntes Add on dienen und den Benutzer bei der Kontrolle unterstützen.

Funktionsbeschreibung

Der Safety-First Sensor ist ein Batteriebetriebener Türkontaktsensor, welcher den Kontaktstatus einer Brandschutztür ermittelt und bei jedem Öffnungs- und Schließvorgang der Tür oder in einem konfiguriertem Zeitintervall über LoRaWAN an die entsprechende IoT-Plattform übermittelt.

Bei einer konfigurierbaren Zeitüberschreitung einer geöffneten Brandschutztür wird eine automatische Benachrichtigung über E-Mail oder SMS an die zuständige Stelle gesendet, sodass diese die Schließung der Brandschutztür verordnen und die Sicherheit des Gebäudes wieder gewährleisten kann.

Weiterhin werden auch automatische Benachrichtigung bei niedriger Batteriespannung oder langer Inaktivität des Sensors versendet, um die Ausfallsicherheit zu gewährleisten.

Hardware

Der Safety-First Sensor besteht hauptsächlich aus einem Arduino Pro Mini (3,3 V und 8 MHz) zum Steuern des Gerätes, einem RFM95 (SX1276) LoRa Funk Modul mit 868MHz zur Drahtlos Datenübertragung über LoRa und einer Mini-Lora V1.1a Platine von CH2i welche als Grundplatine zur Verbindung zwischen dem Arduino und des LoRa Funk Modul dient.

Zusätzlich wurden 1x 100nF, 1x 10μF Kondensatoren, 2x 4,7kΩ, 1x 10kΩ Widerstände und eine 868MHz Antenne an die Grundplatine angelötet.

Der Eigentliche Türriegel-Sensor ist über Jumper-Kabel an den Arduino an den Ports GND und A5 angeschlossen. Die Versorgungsspannung des Sensors wird über eine CR123A 3V Batterie generiert, welche über einem entsprechendem Batteriehalter und weiteren Jumper-Kabel an die Ports GND und VCC verbunden sind.

Konfiguration

Da der Arduino Pro Mini über keine USB-Schnittstelle verfügt, muss dieser an einen USB mini Adapter oder Adapterkabel FT232RL angeschlossen werden.

Zur Programmierung des Arduino wird die Arduino IDE und der unten in der GitHub gegebene Code verwendet.

Als Grundlage des Codes wird eine modifizierte Version der LMIC Bibliothek von Thomas Telkamp and Matthijs Kooijman verwendet.

Die Bibliothek wurde so eingerichtet, dass sie in mehreren Ländern, sowie mit unterschiedlichen Modulen verwendet werden kann. Dies bedeutet, dass zunächst die richtige Frequenz und eventuel das richtige Lora Modul bei abweichender Hardware in IoT_DHBW_WS2019_Project_Safety_First/Arduino/libraries/MCCI_LoRaWAN_LMIC_library/project_config/lmic_project_config.h angepasst werden müssen.

// project-specific definitions
#define CFG_eu868 1
//#define CFG_us915 1
//#define CFG_au921 1
//#define CFG_as923 1
// #define LMIC_COUNTRY_CODE LMIC_COUNTRY_CODE_JP	/* for as923-JP */
//#define CFG_in866 1
#define CFG_sx1276_radio 1
//#define LMIC_USE_INTERRUPTS
#define DISABLE_PING
#define DISABLE_BEACONS
#define LMIC_DEBUG_LEVEL 0
#define USE_IDEETRON_AES

Für die Konfiguration des Sensors müssen zunächst die LoRaWAN Geräteschlüssel APP-EUI Dev-EUI und APP-Key bestimmt und in IoT_DHBW_WS2019_Project_Safety_First/Arduino/Tuerriegelschalter/Tuerriegelschalter.ino eingetragen werden.

// This EUI must be in little-endian format, so least-significant-byte
// first. When copying an EUI from ttnctl output, this means to reverse
// the bytes. For TTN issued EUIs the last bytes should be 0xD5, 0xB3,
// 0x70.
static const u1_t PROGMEM APPEUI[8] = { 0x00, 0x01, 0x02, 0x03, 0x04, 0x05, 0x06, 0x07 };
void os_getArtEui (u1_t* buf) {
memcpy_P(buf, APPEUI, 8);
}

// This should also be in little endian format, see above.
static const u1_t PROGMEM DEVEUI[8] = {  0x00, 0x01, 0x02, 0x03, 0x04, 0x05, 0x06, 0x07};
void os_getDevEui (u1_t* buf) {
memcpy_P(buf, DEVEUI, 8);
}

// This key should be in big endian format (or, since it is not really a
// number but a block of memory, endianness does not really apply). In
// practice, a key taken from ttnctl can be copied as-is.
// The key shown here is the semtech default key.
static const u1_t PROGMEM APPKEY[16] = {0x00, 0x01, 0x02, 0x03, 0x04, 0x05, 0x06, 0x07, 0x08, 0x09, 0x0A, 0x0B, 0x0C, 0x0D, 0x0E, 0x0F};
void os_getDevKey (u1_t* buf) {
memcpy_P(buf, APPKEY, 16);
}

Weiterhin kann der Zeitintervall zur periodischen Datenübetragung des Sensorsstatuses konfiguriert werden.

// Sendeintervall in sec (könnte während der Laufzeit länger werden)
unsigned TX_INTERVAL = 20;          //seconds of sleep between sends

IoT-Platform

Für die IoT-Platform dieses Projectes wurde ELEMENT IoT von ZENNER IOT SOLUTIONS verwendet. Diese stellt neben den Funktionen zum Geräte-, Netzwerk-, Nutzer- und Daten-Management auch einen eigenen LoRaWAN-Netzwerkserver (LNS) zur Verfügung.

Der Safety-First Sensor muss zunächst in die IoT-Platform importiert werden. Dies kann über OTAA (Over The Air Activation) erfolgen. Hierfür muss der Sensor mit den vorher definierten Geräteschlüssel eingetragen werden.

Weiterhin muss ein Parser implementiert werden, welcher die vom Sensor versendeten Daten übersetzen kann.

defmodule Parser do
use Platform.Parsing.Behaviour
# ELEMENT IoT Parser for door and window sensor with Arduino
#
# Changelog
#   2019-11-15 [Pascal Hauck]: Initial version
def parse(<<0x01, state::integer-unsigned-8, battery::integer-unsigned-8>>, _meta) do
contactstate = case state do
0 -> "closed"
1 -> "open"
end
%{
#      state: state,
contact_state: contactstate,
battery: battery/10,
}
end
def fields() do
[
%{
"field" => "contact_state",
"display" => "Contact State",
},
%{
"field" => "battery_voltage",
"display" => "Battery voltage",
"unit" => "V"
},
]
end
end

Sobald der Sensor und der dazugehörige Geräteparser implementiert ist, können die Daten des Sensors in ELEMENT IoT erfasst und analysiert werden.

Die Daten können aber auch über eine API-Schnittstelle im JSON Format weitergegeben und mithilfe eigener Oberflächen ausgewertet werden.

Weitehin verfügt ELEMENT IoT auch über die Möglichkeit automatisierte Aktionen bei Grenzwertüberschreitung auszuführen, wie das Versenden von E-mails und SMS. Hierfür wurden automatische Benachrichtigungen implementiert die bei einem konfigurierbaren Timerüberlauf für eine offenen Tür-Status oder niedriger Bateriespannung aktiviert werden.

Gateway

Ein Gateway ist unter anderem ein Modem, welches die LoRaWAN Nachrichten von den intelligenten Objekten empfängt. Anschließend werden die Nachrichten, in Form von Bits, über ein IP-Netzwerk weiter an einen Netzwerkserver weitergeleitet. Komplexe Prozesse werden aufgrund von schwacher Rechenleistung des Gateways, im Netzwerkserver ausgeführt.

Business

Im Rahmen der Vorlesung und des Projekts "Safety First" wurde ein fiktives StartUp geründet. Hierfür wurde folgendes Business Model erstellt:

Caravan - Business - Model

Die Gewinnbringenden Ressourcen welche das StartUp leisten kann sind :

• Verkauf der Tür Sensoren
• Verkauf der Gateways ( Nur in Kombination mit Sensorik)
• Installation und Montage
• Wartung der Komponenten
• Beratung und Support
• Bereitstellung der Daten über TTN-Plattform
• Aufbereitung der Daten mittels Dashboard
• Alarmierung via SMS und E-Mail

Aufgrund dessen wurden verschiedene Leistungspakete designet die auf den Schlüsselaktivitäten des StartUps basieren:

• Starter: Sensorik + Gateway + Datenübergabe
• Profi: Sensorik + Gateway + Datenübergabe + Installation und Wartung
• Optional: Alarmierung , DashBoard
• Einzeln: Sensorik, Beratung und Support

Für die Kunden (only B2B) werden die Leistungspakete individuell erweitert und optimiert sodass eine Kosten-/Leistungsrechnung zu diesem Zeitpunkt nur beispielhaft angegeben werden kann.

Bsp. Profi-Paket mit 10 Sensoren

Kosten : 520 € (Technik, TTN-Plattform, Installation, Installation, Wartung 2J. )

Verkauf: 800€ + 20 € monatlich für Datenübermittlung

Gewinn: 290€ + 10€ monatlich für Datenübermittlung

Kosten

Kosten Device

• RFM95 LoRa Module - 868MHz (6,95 €)
• Mini-Lora V1.1a Platine von CH2i (2,50€)
• Helical Kupfer Antenne (0,40€)
• 1x 100 nF (0,13998 €)
• 1x 10 μF (0,17998 €)
• 2x 4,7 kΩ (2 x 0,01998 €)
• 1x 10 kΩ (0,01998 €)
• 2 x Leiterplattenbuchse (2 x 1,132 €)
• 1 x Batteriehalter (2,90 €)
• 1 x Varta Professional Lithium CR123 A Photo Batterie 3 V 1600 mAh (3,28 €)
• 1x Arduino Pro Mini 328 5V 16MHz (1,28€)
• Lötzinn + isolierte Kabel (unter 0,10 €)
• Türriegel Sensor (5 €)
• Herstellungskosten (10€)
• Gehäuse Kosten (5€)

Hardwarekosten: 35,05 €

Kosten Gateway

• Multitech LoRa Gateway : 200€

Strategie

Kickstarter- Kampagne​

• Mediale Aufmerksamkeit / Erste Investitionen​

3 Punkte Plan​

• 1. Spenden für Öffentliche-Gebäude (Krankenhäuser, Museen, Bibliotheken)​
• 2. Erste 10 Firmenkunden zum Materialpreis (Beta-Test)​
• 3. Voller Preis für alle weiteren Kunden nach Markeinstieg​

Sharktank​-Präsentation

• Kundenkontakte und Vertriebswege der Investoren nutzen​

Direktes Ansprechen Potentieller Kunden über Vertrieb​

• Partnerportfolio und Vorteile für Kunden

Risiken

Technisches Versagen​

• Batterie, Soft- Hardwarefehlfunktion​

Menschliches Versagen​

• Fehlmontage oder Beschädigung​

Sicherheitsprobleme ​

• LoRa Jammer / Hacking​

Zusammenarbeit mit Versicherern für Schadensfälle