Perfekter Glühwein für Zuhause: Thermometer mit Raspberry Pi und AWS

Abstract

Kein anderes Getränk ist mit Weihnachtsmärkten so verbunden wie Glühwein. Und so trinkt sich der ausschweifende Weihnachtsmarktbesucher im Laufe der Adventszeit von Stand zu Stand bis er schließlich am Ende des Jahres seinen Lieblingsstand gefunden hat. Doch auch daheim kann der perfekte Glühwein gelingen. 

Wir zeigen, wie man sich ein Glühweinthermoter mit Cloudanbindung selber baut, und so perfekten Glühwein und Komfort miteinander kombiniert. Und das ganz ohne gedrängte Weihnachtsmärkte und Mundschutz.

Prost!

Einleitung

Unser dreiköpfiges Team hatte für die Vorlesung Software Development for Cloud Computing das Ziel, die Grundlagen der Entwicklung in einer Cloud Umgebung zu lernen und dabei ein Projekt auf die Beine zu stellen, welches diese Grundlagen in der Praxis umsetzt. Ein interessanter Aspekt der Cloud war für uns dabei die Bereitstellung einer überall erreichbaren Umgebung, über welche wir verschiedene Geräte miteinander kommunizieren lassen können.

Daher kam uns die Idee, ein Thermometer zu bauen, welches mit einem Raspberry Pi verbunden ist und wir die Daten über die Cloud verarbeiten und an ein Smartphone weiterleiten. Darüber soll es möglich sein, die aktuelle Temperatur abzulesen und eine Prognose für die Dauer bis zum Erreichen einer einstellbaren Temperatur zu stellen.

Unser Projekt besteht aus drei logischen Schichten. Unser Sensor stellt ein Raspberry Pi mit angeschlossenem Thermometer dar. Der Sensor dient der Feststellung der Flüssigkeitstemperatur, die wir anschließend in der zweiten Schicht verarbeiten. Unsere zweite Schicht stellt dabei eine EC2 Instanz bei AWS dar. Diese erledigt die Berechnung der Zielzeit und stellt einen Webserver für die dritte Schicht, der Datenanzeige bereit. Die Anzeige stellt Informationen und bietet Möglichkeiten der Steuerung des Systems. Es bestehen also bidirektionale Verbindungen, damit der Benutzer Konfigurationen am System unternehmen kann.

Ablauf

Der grundlegende Ablauf in unserem Projekt sollte also folgendermaßen aussehen:

Im ersten Schritt scannt das Smartphone einen QR-Code auf dem Raspberry Pi, damit die richtige Zuordnung von Raspi und Smartphone in der Cloud später gewährleistet werden kann. Als nächstes beginnt der Raspberry Pi, die Temperatur über das Thermometer auszulesen und schickt diese an die Cloud weiter. Sobald der Nutzer nun seine Zieltemperatur eingegeben hat und die Abfrage gestartet hat, wird dies im vierten Schritt mit der ID des Raspberry Pis an die Cloud übermittelt. Nun kann diese die Daten des Raspis mit der passenden ID verarbeiten, die Zeit errechnen und das Ergebnis an die App weiterleiten.

Backend

In unseren ersten Schritten wollten wir uns mit der Cloud vertraut machen und erste Instanzen darauf laufen lassen. Dabei entschieden wir uns für die Cloud von Amazon Web Services (AWS), da es zu dieser eine gute Dokumentation gibt und sie alle für uns notwendigen Komponenten bereitstellt. Zwar kostet die AWS Cloud im Gegensatz zur IBM Cloud auch für Studenten etwas, aber dies stellte für uns kein Problem dar, da wir von der HdM genug Credits zur Verfügung gestellt bekommen haben.

Bei unserem ersten Versuch, eine EC2 Instanz zu starten, stießen wir aber bereits auf einige Probleme. Der Grund dafür war, dass die AWS Cloud relativ komplex ist und sehr viele Möglichkeiten bietet, die Instanzen zu individualisieren und zu optimieren. Dies ist besonders für Einsteiger zu Beginn relativ überfordernd. Am meisten Probleme hatten wir mit dem Einstellen der Security Groups. Diese sind notwendig, damit der Zugriff auf den Server von außerhalb möglich ist. Erst nachdem wir den Zugriff auch über die verschiedenen Protokolle wie TCP und UDP geöffnet haben, konnten wir auf den Server zugreifen.

Als nächstes mussten wir unseren Raspberry Pi so erweitern, dass er die Temperatur messen kann. Dafür haben wir ein Thermometer gekauft, welches wir mit dem Raspberry Pi verkabeln.

Um nun die Temperatur auch zu verarbeiten, benötigten wir ein Skript auf dem Raspberry Pi. Wir entschieden uns hierbei für Python, stellten aber im Nachhinein fest, dass eine Sprache, welche nativ auf dem Gerät läuft, sich hier besser geeignet hätte. Dies hat damit zu tun, dass der Raspberry Pi in unserem Fall ja nur als Testobjekt fungiert, auf welchem Linux installiert ist. Eigentlich sollte es auch möglich sein, die Aufgabe des Raspberry Pis auf ein embedded System zu übertragen, welches nicht die Möglichkeit hat, Python zu nutzen. Hätten wir dies im Vorhinein beachtet, wäre der Übergang vom Raspberry Pi zu embedded Systems einfacher.

Das Thermometer schreibt die ganze Zeit die aktuelle Temperatur in eine Datei auf dem Raspi. Diese lesen wir mit dem Skript jede Sekunde aus und schicken sie dann gemeinsam mit der ID des Raspis an den Server.

Im weiteren Verlauf des Projekts beschäftigten wir uns mehr mit der Serverseite in der Cloud. Wir entschieden uns für eine Node.js-Lösung, welche in der EC2 Instanz läuft, da Node.js mit get und post requests alle von uns benötigten Kommunikationsmittel zwischen dem Raspberry Pi und dem Smartphone bereitstellt. Auch im Nachhinein erwies sich Node.js als eine gute Wahl, da das Aufsetzen des Webservers keinerlei Probleme bereitet hat und die Kommunikation auch mit dem Python Skript auf dem Raspi einwandfrei geklappt hat.

Unser technischer Ablauf und die Kommunikation unter den Geräten sah nun folgendermaßen aus:

Frontend

Zu Beginn des Projekts bestand unser Frontend nur aus einer Webseite, welche die Temperatur des Thermometers anzeigen sollte. Später erweiterten wir diese mit einem Zeit-Temperatur Graph und einem Thermometer zur Darstellung der Temperatur. Dies ließ sich mit HTML, CSS und etwas JavaScript relativ simpel realisieren. Später wurde diese Ansicht durch eine Android App erweitert. Diese stellt eine mobile Möglichkeit dar, sich über den aktuellen Stand zu informieren. Technisch gesehen handelt es sich hierbei um eine WebView, die die Webseite mobil anzeigt.

Dieser Weg, erst eine leicht wartbare Webseite zu erstellen und diese anschließend per WebView auf dem Smartphone aufzurufen erwies sich als gute Idee. So konnten wir uns erst um die Funktionalität der Geschäftslogik konzentrieren und diese anschließend ohne viel Code auf dem Handy nutzen. Jedoch muss man die Optimierung für verschiedene Geräte dann nicht in der App selbst, sondern in der Website vornehmen, was etwas mühsamer ist als in Java für Android.

Zeitberechnung

Ein zentraler Wunsch war es, eine zeitliche Abschätzung zu erhalten, wann nach aktuellem Temperaturtrend die Zieltemperatur erreicht wird. 

Dafür haben wir zuerst eine Beispielmessung eines Temperaturverlaufs durchgeführt. Eine Analyse verschiedener Trendlinien hat ergeben, dass sich eine quadratische Regression am Besten eignet. Bei der Auswahl haben wir ein besonderes Augenmerk auf die Genauigkeit der Zeitabschätzung nach kurzer Zeit gelegt, sodass wir bereits relativ früh eine gute Abschätzung bekommen. 

Die eigentliche Berechnung erfolgte dann in 3 Schritten. Zuerst wurden die Mittelwerte der Messwerte ermittelt und mit diesen nach den Formeln der quadratischen Regression die Faktoren einer quadratischen Gleichung bestimmt. Anhand dieser konnten wir nun den Schnittpunkt mit der gewünschten Zieltemperatur berechnen. Vorteil dieser Variante ist es, dass wir auch negative Temperaturtrends, sowie andere Zieltemperaturen verarbeiten können. Bei der praktischen Anwendung stellte sich jedoch heraus, dass das System einige Schwachstellen aufweist. So können gleichbleibende Temperaturen, die vor allem in der Anfangsphase einer Erhitzung auftreten, die Berechnung sehr ins Schwanken bringen, sodass manchmal für längere Zeit keine Zielzeit berechnet werden kann. Auch kommt es zu teils starken Schwankungen im Verlauf einer Messung. Diese Probleme können jedoch durch eine Bereinigung der Daten im Voraus gelöst werden.

Fazit

Wir haben im Laufe des Projektes natürlich nicht nur viel Mathe gemacht, sondern auch sehr viel über Cloud Computing gelernt. Für einen Anfänger, der vorher noch nie mit AWS in Kontakt kam, ist der Einstieg ziemlich überfordernd. Es gibt deutlich einsteigerfreundliche IaaS-Anbieter wie z.B. die IBM-Cloud.

Was unseren Server angeht, sind wir auch recht zufrieden mit unserer Wahl von Node.js als Web-Backend. Node.js bietet den Vorteil, dass es sehr einfach ist, einen Webserver aufzusetzen, der auf Anfragen hört und gleichzeitig eine Webseite liefern kann. Braucht man mehr Performance und stellt viele parallele Anfragen an den Server, würde es sich lohnen einen Server in Go aufzusetzen. Dasselbe gilt für unseren Raspberry Pi. Das Python-Skript zu schreiben ging ziemlich schnell, aber auch hier könnte man auf eine performantere Lösung in C++ einsetzen. 

Durch eine erprobte Zielberechnung hat unser Thermometer deutlich an Funktionalität gewonnen und kann für nun für verschiedene Temperaturen eingesetzt werden.

Unser Projekt war ganz klar auf Anfänger ausgerichtet. So wurden bereits genutzte und bekannte Technologien mit neuen Technologien der Cloud kombiniert. Dabei konnte der Funktionsumfang von AWS natürlich nicht vollständig ausgenutzt werden. Jedoch haben wir uns Schritt für Schritt an der Cloud bedient und so einen ersten Einblick in die Welt von IaaS erhalten.

Geschrieben von: Nikolai Thees, Michael Partes & Joshua Gertheiss