Durch den natürlichen Lebensraum, in dem sich Informatiker normalerweise befinden bekommen wir nicht nur immer weniger Bewegung, sondern verlieren auch das Gefühl für Strom und den Aufwand der dahinter steckt.

Durch die Strompreise und gestiegenen Kosten verändert sich unser Konsum als Studenten kaum, da wir herausgefunden haben das die allermeisten Studenten, sowieso an Fixpreisen hängen, oder teilweise sogar gar nichts für den Strom zahlen. Unsere Lösung Elektek setzt nun genau hier an und soll dem Nutzer nicht nur Bewegung liefern, sondern auch eine Visualisierung geben was Strom wirklich für einen Aufwand bedeutet. Das Prinzip ist einfach, Bewegung rein, Strom in Form von 5 Volt auf einem USB Port nutzbar machen. So kann der Nutzer sehen was es an Bewegung braucht um eine Akkubank oder ein Handy um einige Prozente aufzuladen.

Inhaltsverzeichnis

• Inhaltsverzeichnis
• Aufgabenstellung
  • Interviews
    • Das Problem
  • Persona die sich ergab
  • Unsere Idee Elektek
    • Funktionen von Elektek
• Material
• Werkzeuge
• Vorkentnisse
• Bauanleitung
• Code
• Feedback und Ideen für die Zukunft
• Das Team

Aufgabenstellung

“Wie können wir mit intelligenten Objekten dazu beitragen, dass Menschen über Ihren Energieverbrauch Bescheid wissen und aktiv Energie sparen?”

Interviews

Unsere Gruppe führte nun also Interviews um die Aufgabe besser zu verstehen, wir fragten Leute an der Hochschule und in der Innenstadt. Hierzu nutzten wir den Fragenkatalog.

Das Problem

Wie können wir Ash helfen, Stromerzeugung besser zu verstehen? Er kennt die Werte nicht genau und weiß nicht wie schwer es ist Strom zu generieren. Er hat außerdem kaum Geld, es muss also sparsam sein. Ash nutzt auf einer täglichen Basis sein Handy, ein Gerät das eigentlich wenig Strom verbraucht. Wie können wir ihm die Thematik von Verbrauch und Nachhaltigkeit nun also näherbringen? Vorallem in Betracht dessen, dass er seinen Strom nicht selber zahlt/ einen festen Preis zahlt, egal wieviel er verbraucht.

Persona die sich ergab

• Ash, 25 Jahre alt
• Student, sitzt viel am Schreibtisch
• Interessiert an Umweltschutz
• Aber wie? Weiß nichts über Stromgenerierung und -sparen
• Arbeitet im Homeoffice für seinen Studentenjob
• Lernt am Schreibtisch und verbringt auch seine Freizeit oft vor dem PC

Unsere Idee Elektek

• Möglichkeit, selbstständig Strom zu generieren!
• Bringt Messwerte bei
• Stellt Aufwand für die Menge an Strom dar
• Lösung ist angepasst an Ash

Funktionen von Elektek

• Elektek unter den Schreibtisch aufstellen und wippen
• Strom nutzbar zum Laden einer PowerBank/Handy
• 3 LED-Ringe stellen Volt, verbrannte Kalorien und eingesparten CO2 dar
• Anzeigen einfach individuell aus und einschalten

Material:

• Arduino Uno
• Gleichstrommotor (150 mm x 235 mm, unserer ist aus einem alten Laufband)
• Spannungsregler
• 2-mal Kondensator
• NeoPixel Ring 24 LED
• NeoPixel Ring 16 LED
• NeoPixel Ring 12 LED
• 4-mal Kippschalter
• Schwungrad aus Metall (Durchmesser= 170)
• A 2-mal Holz (500x150x20) /Pedale
• B 2-mal Holz (20x500x130) /Gestell für die Pedale
• C 5-mal Holz (50x200x20) /Holzklötzchen zur Befestigung der 2 Pedalen
• D 2-mal Holz (510x20x20) /Untere Befestigung der Gestelle
• E 1-mal Holz (510x20x50) /Obere Befestigung der Gestelle
• F Holz (600x800x30) /Bodenplatte
• G Holz (175x175x5) /Holzplatte zur Befestigung des Schwungrades
• H Holz (140x140x20) /Holzplatte zur Befestigung der Flachstange
• I Holz (20x540x40) /Querträger des Motors
• J Holz (130x130x10) /Unterlage des Motors
• K Holz (30x500x30) /Bein des Motors
• L 2-mal Holz (30x180x30) /stützen des Motorbeins
• M Holz (90x90x20) /Bodenplatte der Stützbeine
• N Holz (40x590x40) /Hintere Stütze des Motors
• O Flachstange (20x500x5) /Flachstange zur Bewegungsübertragung
• P 10-mal 90° Winkelverbinder (30x60)
• Q 2-mal 180° Aluminium Winkel (90 lang)
• R Holzplatte (170x270x2) /Vorderseite der Box
• S 2-mal Holz (85x300x2) /seite der Box
• T Holz(170x270x2) /Boden der Box

  Werkzeuge:

• Holz- und Laubsäge
• Lötkolben
• Heißklebepistole
• Holzleim
• Bohrschrauber / Bohrmaschine
• Stahlbohrer
• Metallsäge
• Schleifpapier
• Abisolierzange

Vorkenntnisse

• Grundlegende handwerkliche Kenntnisse
• Löten
• C++ Grundkenntnisse
• Elektronik

Bauanleitung

Schritt 1: Pedal zusammenbauen

In diesem Schritt bereiten Sie die Holzplatte vor, die als Ihr Pedal dient.

Benötigte Materialien für diesen Schritt:

• 2-mal Holz A
• 5-mal Holz C

Als Erstes werden wir unser Pedal bereitstellen. Zum Bauen unseres Pedals nutzen wir beide Holzplatten A und kleben beide seitwärts zusammen mit Holzkleber. Wir nutzen dabei Holzkleber, da dieser an den Ecken sauberer entfernt werden kann als Heißkleber. Um die Verbindung zu verstärken, bauen Sie nun 5 Holzklötze C an die Unterseite des Pedals. Diese Klötze sollen dabei als Verbindungsstellen zwischen den Platten dienen. Die beiden äußersten Klötze werden dabei horizontal angebunden. Die drei mittleren werden vertikal angelegt. Legen Sie die vertikalen Blöcke knapp unter der Kante der Platte. Sie verbinden dabei die Blöcke mit Schrauben. Wichtig dabei ist, dass die Schrauben länger als 20 mm sind, um die Klötze mit den Holzplatten zu verbinden. Schrauben Sie alle Blöcke an allen vier Ecken an die Platte.

Schritt 2: Flachstange anbauen

In diesem Schritt wird die Flachstange an das Pedal angebunden.

Benötigte Materialien für diesen Schritt:

• Flachstange O

Um die Flachstange O an das Pedal zu verbinden, sollten Sie zuvor zwei kleine Löcher in die Stange O bohren, mit Hilfe eines Metallbohrers. Die Löcher sollten dabei groß genug sein, für eine kleine Schraube und an entgegengesetzten Enden der Stange platziert werden. Ein Ende der Flachstange wird nun mit einer Schraube an die linke Seite des Pedals verbunden. Die Schraube sollte dabei nicht fest sitzen. Sie sollte einige Millimeter an Platz übrig haben für die Stange, um sich noch bewegen zu können.

Schritt 3: Gestell zusammenbauen

In diesem Schritt werden die Stützen der Wippe gebaut.

Benötigte Materialien für diesen Schritt:

• 2-mal Holz B
• 2-mal Holz D
• 1-mal Holz E

Zuerst sollten Sie zwei Löcher in die beiden Holzplatten B bohren. Diese Platten dienen als unsere Stützen. Sie bohren die Löcher in den Mittelpunkt der beiden Platten. Die Löcher sollten dabei breit genug sein, um eine sechseckige Schraube hindurch zu bekommen. Diese haben durchschnittlich eine Dicke 6 oder 8 mm. Basierend darauf, welche Schrauben Dichte sie nutzen, sollten sie auch die Löcher dazu anpassen. Für die Stütze der Pedale werden die beiden Holzplatten B parallel zueinander gestellt. Als Verbindung der beiden Platten nutzen wir die Holzbalken D und E. Die zwei Balken D legen sie dabei unten auf der Vorderseite (die zu Ihnen gerichtete Seite) der Platten an. Der Balken wird dabei an der Ecke der Platten angelegt und mit Schrauben verbunden. Den zweiten Balken legen Sie an der oberen Ecke der Rückseite (die von Ihnen weg gerichtete Seite) an und verbinden Sie ebenfalls mit Schrauben. Um die Wippe weiterhin zu stabilisieren, bauen Sie den Balken E an die untere Ecke der Rückseite an. Hierbei muss der Balken aber 20 mm über der Ecke angebaut werden! Sie verbinden diese mit zwei Schrauben an beiden Platten. Zum Schluss bauen Sie nun die Wippe ein. Dafür bohren sie ein kleines Loch zu den beiden horizontal angelegten Holzblöcken auf der Rückseite Ihres Pedals. Das Loch sollte dabei so breit sein wie das Loch der beiden Platten B. Das Pedal legen Sie passend an, dass die Löcher der Blöcke den Löchern der Platten gegenüberstehen. Durch die Löcher auf beiden Seiten legen Sie jetzt eine sechseckige Schraube. Festigen Sie die Schrauben mit einer Mutter direkt nach den beiden Platten B. Seitenplatten bohren, wo die Wippe hinkommt. Wippe zwischen halten und zwei Sicherheits-Verbindungen dazwischen packen. Hinten oben und vorne unten. Diese mit Schrauben verbinden.

Schritt 4: Gestell an Boden festigen

In diesem Schritt wird die Stütze mit einem stabilen Holzboden verbunden.

Benötigte Materialien für diesen Schritt:

• Holzplatte F

• 4 Winkelverbinder P

  Sie verbinden die Stütze mitsamt dem Pedal an die Bodenplatte. Sie legen dabei die Bodenplatte vertikal auf und verbinden die Stütze mit der Vorderseite zu Ihnen gerichtet an. Die Stütze kann dabei an die vordere Kante der Bodenplatte verbunden werden. Legen Sie die Stütze dabei mittig an. 25 mm an Holz sollte man auf beiden Seiten noch heraus zeigen. Verbinden Sie die Stütze mit 4 Winkelverbinder. Zur Bodenplatte.

Schritt 5: Motorbeschwerung bauen

Dieser Schritt ist optional. In diesem Schritt bauen sie weitere Gewichte für die Balance des Motors.

Benötigte Materialien für diesen Schritt:

• Gleichstrommotor (150x235)
• Holzplatte G
• Schwungrad aus Metall (Durchmesser= 170)

Für das Gleichgewicht und eine bessere Energieumwandlung, lohnt es sich die Seiten des Motors zu erschweren, falls der Motor selbst nicht schon genug Masse besitzt. Für die Beschwerung kleben wir eine weitere Holzplatte G an unseren Motor mit Holzkleber. Die Holzplatte hat einen Durchmesser von der Länge unseres Motors. An dieser befestigen wir unsere Beschwerung mit Schrauben und Muttern. Die Beschwerung ist dabei frei wählbar und optional.

Schritt 6: Motor anpassen

In diesem Schritt wird eine Holzplatte an den Motor angebaut, die die Flachstange O mit dem Motor verbindet.

Benötigte Materialien für diesen Schritt:

• Gleichstrommotor (150 mm x 235 mm)
• Holzplatte H

Für die Verbindung zur Flachstange O kleben wir eine weitere Holzplatte H an die linke Seite unseres Motors mit Holzkleber. Die Holzplatte hat einen Durchmesser von der Länge unseres Motors.

Schritt 7: Bein des Motors bauen

In diesem Schritt wird das Stehbein für den Motor gebaut.

Benötigte Materialien für diesen Schritt:

• Gleichstrommotor
• Holzstück J
• Holzstück K
• Holzplatte H

• 3 Winkelverbinder P

  Zuerst bauen Sie eine Holzplatte unter Ihren Motor. Sie verbinden diese mit Schrauben an den Boden Ihres Motors, um diesen leichter mit dem Bein des Motors zu verbinden. Den Motor mit der neuen Holzplatte verbinden Sie mit drei weiteren Winkelverbindern P an dem Holzbalken K. Dieser dient als Bein des Motors.

Schritt 8: Bein am Boden befestigen

In diesem Schritt weitere Stützbeine für den Motor angebaut und diese an die Pendelstützen verbunden.

Benötigte Materialien für diesen Schritt:

• Zwei Holzstücke L
• Holzplatte M
• 2 Aluminiumverbindungen Q

Das Bein des Motors wird an den Balken D an der Rückseite der Pendelstützen verbunden, mit zwei Winkelverbindern P. Beide Winkelverbinder werden seitlich angelegt, sodass sie beide jeweils auf ein Gestell zeigen. Um den Motor weiter zu stabilisieren, da er viel Bewegungskraft ausgesetzt wird, verbauen wir zwei weitere Holzstücke L an das Motorbein. Beide Holzstücke werden seitlich des Beines ausgelegt. Sie werden auf einer weiteren Holzplatte M gestellt. Diese Platte ist unter dem Motorbein und unter der Stützenverbindung E positioniert. Sie ist dabei 20 mm breit, wodurch sie zwischen D und dem Holzboden passt. Die beiden Holzstücke werden mit kleinen Aluminiumverbindungen und Schrauben miteinander und dem Motorbein verbunden. Die Holzplatte auf der sie stehen wird mit vier Schrauben an den Holzboden montiert.

Das Bein wird auch an der Stütze der Wippe verbunden, für weitere Stabilität.

Schritt 9: Balkenstütze einbauen

In diesem Schritt werden weitere Stützen für den Motor eingebaut.

Benötigte Materialien für diesen Schritt:

• Holzbalken I
• Holzbalken N

Bevor Sie die beiden Stützen einbauen, müssen Sie diese zuschneiden. Schneiden Sie ein Ende von Holzbalken I und N mit einer Holz- oder Laubsäge in einem 45° Winkel ab. Dadurch sollten beide Holzbalken in der Lage sein, quer auf den Holzboden abgestellt werden zu können. Als Nächstes wird der Holzbalken I an das Motorbein montiert. Den Balken sollten Sie leicht unterhalb des Balkons platzieren. Allerdings sollte das andere Ende des Balkens seitlich gelegt werden. Der Balken sollte mit dem Motorbein einen 45° Winkel darstellen. Den Balken I sollten Sie nun an den Boden mit Schrauben montieren. Des Weiteren sollten Sie den Holzbalken N ebenfalls an Ihrem Motor verbinden als weitere Stütze. Diese Stütze sollte seitlich zum Motorbalkon verbunden werden. Der Balken N sollte zur Rückseite des Pedals gerichtet werden und einen 45° Grad Winkel mit dem Motorbein darstellen. Dadurch haben Sie eine seitliche Stütze und eine Stütze für die hintere Seite des Motors

Schritt 10: Verbindung der Flachstange

In diesem Schritt wird der Motor mit der Flachstange verbunden.

Sie sollten die lose Flachstange am Pedal an die Holzplatte des Motors anbinden. Das Ziel ist es, mit der Bewegung des Pedals den Motor mit zu rotieren, wodurch er Energie erzeugen kann. Achten Sie dabei auf den durch die Bewegung entstehenden Kreis der Flachstange. Bei einem größeren Durchmesser des Kreises ist eine volle Umdrehung des Motors mit einem Pedal schwerer, erzeugt aber durch die stärkere Schwingung mehr Strom. Sie verbinden die Flachstange mit einer losen Schraube, die Sie an die Holzplatte des Motors montieren, ähnlich wie beim Pedal.

Schritt 11: Anzeigebox bauen

In diesem Schritt wird die Anzeigebox gebaut.

Benötigte Materialien für diesen Schritt:

• Holzplatte R
• 2-mal Holzplatte S
• Holzplatte T
• 4-mal Kippschalter

Legen Sie die Holzplatte R horizontal vor sich. Sie sollten die obere Kante der Platte R runden, um später ein rundes Dach rüberziehen zu können. Bearbeiten Sie dabei das Holz, dass die Rundung bis zur Hälfte der Kante reicht. Dafür sollten Sie eine Holz- oder Laubsäge benutzen. Danach müssen Sie drei Löcher für die LED-Anzeige bohren. Das erste Loch sollte dabei im Mittelpunkt der Holzplatte gebohrt werden, mit einem Durchmesser von 52 mm. Die nächsten zwei Löcher werden jeweils rechts und links des mittleren Lochs gebohrt. Sie haben einen Durchmesser von 44 mm. Behalten Sie sich dabei einen Abstand von ungefähr 20 mm. Zuletzt müssen Sie vier kleine Löcher für die Schalter bohren. Einer wird dabei über das mittlere Loch platziert. Die anderen drei, jeweils einer unter einem Loch. Kleben Sie die Kanten der Vorderseite an die Holzplatte T, um den Boden der Anzeigebox anzubinden. Als Nächstes verbinden Sie die Seitenplatten S an die Anzeigebox. Zuvor sollten Sie aber eine rechteckige Öffnung an einer der Holzplatten einbauen. Durch diese wird später der USB-Anschluss durchgeführt. Die Maße sind dabei 4,5 × 12,0 mm. Die beiden Platten werden an die seitlichen Kanten der Anzeigebox angeklebt.

Schritt 12: Arduino verkabeln

In diesem Schritt wird der Arduino programmiert. Wie man den Arduino programmiert und verkabelt, finden Sie in der Elektronik Anleitung.

Schritt 13: Arduino einbauen

In diesem Schritt wird der Arduino und die LEDs in die Anzeigebox eingelegt.

Der Arduino wird passend in die Box eingelegt. Verlegen Sie die LED-Ringe an die drei Löcher an der Vorderseite der Box. Wir empfehlen, dass der größte LED-Ring die Spannung darstellt und Sie diese in die Mitte der Box einbauen. Der Kalorienverbrauch wird links und die CO2 in Gramm Anzeige wird rechts eingebaut. Um die LED-Ringe zu festigen, reicht etwas Klebeband, welches die LED-Ringe an ihren Plätzen festigt. Bauen Sie die passenden Schalter in die zuvor gebohrten Löcher an der Vorderseite der Box. Der oberste Schalter sollte dabei als Haupt-Kippschalter dienen.

Schritt 14: Anzeigebox schließen

In diesem Schritt wird die Anzeigebox überdacht.

Benötigte Materialien für diesen Schritt:

• Pappe

Zum Schluss wird die Anzeigebox überdeckt. Dafür sollten Sie Pappe benutzen. Nutzbar ist jeder andere ähnlich biegsame Stoff. Mit der Pappe stellen Sie einen Bogen dar, welcher über die Anzeigebox gelegt wird. Das Dach können Sie mit Heißkleber an den oberen Kanten der Anzeigebox befestigen.

Elektronik:

Bestandteile:

• A1: Arduino Uno
• M1: Gleichstrommotor
• Z1: Spannungsregler
• K1, K2: Kondensator
• L2: NeoPixel Ring 24 LED
• L1: NeoPixel Ring 16 LED
• L3: NeoPixel Ring 12 LED
• S1, S2, S3, S4: Kippschalter

Funktion + Aufbau:

Wird der Motor in die richtige Richtung gedreht, bekommen wir eine positive Spannung, diese leiten wir von dem Motor auf die Platine mit Hilfe 2 Kabeln. Auf der Platine wird durch einen Kondensator die elektrische Ladung gespeichert, dadurch verlangsamen wir das Abfallen der elektrischen Ladung, sobald der Motor nicht mehr gedreht wird. Als Nächstes sorgt ein Spannungsregler dafür, dass die Spannung stabilisiert wird. Durch das Stabilisieren pendelt die Spannung in dem Bereich von 4,8 bis 5,2 Volt, mit dem Typ Spannungsregler, den wir benutzt haben. Als Letztes auf der Platine sitzt ein weiterer Kondensator, der wieder die elektrische Ladung speichert und somit erreichen wir ein schönes Abfallen der Spannung, anstatt dass diese sofort auf 0 runterfällt. Von der Platine aus gehen wir mit der Plus-Seite aus auf einen analogen Input auf dem Arduino Uno Board und mit der Minus-Seite gehen wir zuerst einmal in eine Mehrfachklemme. Im Arduino wird nun ein Wert anhand der elektrischen Ladung erstellt, welchen wir auslesen und speichern. Diesen Wert benutzen wir in unterschiedlichen Formeln, um somit die Spannung, den Kalorienverbrauch und das Gramm CO2 zu ermitteln. Diese werden anhand der Lampen der NeoPixel LEDs sichtbar gemacht. An den 5 Volt Ausgang des Arduinos stecken wir ein Kabel, welches zum Haupt-Kippschalter führt. Von diesem geht es an die 3 separaten Kippschalter und von ihnen aus geht es an den Power Anschluss der NeoPixels. Der Haupt-Kippschalter sorgt dafür, dass alle LEDs keine Spannung mehr haben und ausgehen, wobei die 3 separaten Kippschalter jeweils für einen LED-Ring sorgen. Durch diese Funktion kann man bestimmen, ob einen die Werte einer bestimmten LED Ring nicht interessiert und man diesen nicht angezeigt bekommen möchte. Ein weiterer Anschluss der NeoPixels ist der digitale Input, diese schließen wir an die digitalen Anschlüsse des Arduinos. In unserem Fall sind es die Anschlüsse 3, 4 und 5. Durch diese können wir bestimmen, welchen LED Ring wir mit dem Arduino genau ansteuern möchten. Der letzte Anschluss der LED ́s ist der Ground diese stecken wir in die Mehrfachklemme, in der schon der Ground des Motors steckt. Zum Schluss muss nur noch die Mehrfachklemme mit den Grounds, mit einem Arduino Ground Anschluss angeschlossen werden, durch ein zusätzliches Kabel.

Code

Um den Code auf den Arduino Uno zu booten bietet sich die IDE von Arduino an, wir haben diese auch selbst genutzt um den Code zu schreiben.

Der Code ist hier zu finden.

Feedback und Ideen für die Zukunft

• Neue Anzeigen und Berechnungen ermöglichen
• Möglichkeit die Größe zu verstellen und Höhe niedriger gestalten
• Quietschen beheben, da wir hier das Problem von Holz auf Metall hatten. Kugellager oder Metall auf Metall wäre eine gute Verbesserung.

Das Team

• Philip Steinlein
• Nico Ohler
• Muhammed Yavuz