{"id":1243,"date":"2019-06-09T11:27:07","date_gmt":"2019-06-09T09:27:07","guid":{"rendered":"http:\/\/zirbitzkogel.at\/blog\/?p=1243"},"modified":"2020-08-12T22:29:18","modified_gmt":"2020-08-12T20:29:18","slug":"magic-mirror-automatisch-ein-und-ausschalten","status":"publish","type":"post","link":"http:\/\/zirbitzkogel.at\/blog\/2019\/06\/09\/magic-mirror-automatisch-ein-und-ausschalten\/","title":{"rendered":"Magic Mirror automatisch ein- und ausschalten mit dem Abstandssensor VL53L0X"},"content":{"rendered":"

F\u00fcr mein privates MagicMirror-Projekt<\/a> m\u00f6chte ich, dass sich das Display nur dann einschaltet, wenn eine Person mindestens ein bis zwei Sekunden lang davor steht und sich n\u00e4her als 100 cm befindet. Um eine Person nur grob zu detektieren, w\u00fcrde ein Passive Infrared (PIR) Sensor<\/a> ausreichen. Wenn man aber die genaue Position bzw. den Abstand der Person zum Display ben\u00f6tigt, um z.B. Fehleinschaltungen zu vermeiden, ist ein PIR-Sensor fehl am Platz. Ein Ultraschall-Sensor zur Abstandsmessung w\u00e4re da schon besser geeignet. Ich wollte jedoch etwas anderes ausprobieren.<\/p>\n

UPDATE am 15.12.2019:<\/strong>\u00a0Ich habe das Relais zum Ein- und Ausschalten des Bildschirms entfernt und verwende jetzt ein reine Software-L\u00f6sung (Details am Ende dieses Beitrags<\/a>).<\/span><\/p>\n

Messprinzip von Time-of-Flight-Sensoren<\/h1>\n

Um die Anwesenheit und den Abstand der Person zum Display sehr genau zu bestimmen eignen sich sogenannte Time-of-Flight (ToF)<\/strong> Sensoren. Diese ToF-Sensoren senden mittels LED oder Laser einen kurzen (unsichtbaren Infrarot-) Lichtimpuls aus, der von einem Objekt vor dem Sensor reflektiert und wieder empfangen wird. Anhand der hochgenau gemessenen Flugzeit des Lichtimpulses l\u00e4sst sich die Entfernung des Objekts typischerweise mit einer Genauigkeit im Millimeter-Bereich bestimmen. Das Funktionsprinzip und der Zusammenhang zwischen Flugzeit und Abstand ist in der folgenden Abbildung erkl\u00e4rt.<\/p>\n

\"Prinzip<\/a>
Prinzip der Abstandsmessung mittels Time-of-Flight-Sensor<\/figcaption><\/figure>\n

Meine erste Idee war, den ToF-Sensor f\u00fcr den Beobachter unsichtbar hinter dem Spiegel anzubringen, wie in der folgenden Abbildung skizziert. Theoretisch sollte dies mit einem leistungsstarken ToF-Sensor bei ausreichend d\u00fcnnem und nicht verunreinigten Glas prinzipiell funktionieren.<\/p>\n

\"Prinzip<\/a>
Prinzip der Personendetektion und Abstandsmessung mittels Time-of-Flight-Sensor<\/figcaption><\/figure>\n

Wie ich durch mehrere Versuche herausgefunden habe, funktioniert der von mir verwendetet ToF-Sensor bei Anbringung hinter dem Spiegel leider nicht zufriedenstellend. Zum einen werden durch die Spiegelfolie der gesendete und empfangene Lichtimpuls so stark ged\u00e4mpft, dass sie Sensitivit\u00e4t des Sensors zu gering ist und zum anderen wird der Lichtimpuls durch das Glas stark gestreut, was zu falschen Messergebnissen f\u00fchrt. Am Ende habe ich den Sensor deshalb an der Spiegelaussenseite angebracht. Dazu sp\u00e4ter mehr.<\/p>\n

Anschluss des ToF-Sensors und Aktivierung des I2C-Busses<\/h1>\n

Ein kosteng\u00fcnstiger ToF-Sensor f\u00fcr Abstandsmessungen von ca. 50 bis 2000 Millimeter ist der VL53L0X von STMicroelectronics<\/a>. Der Sensor selbst ist nur 4.4 x 2.4 x 1.0 mm gro\u00df und verwendet eine Laser-Diode, die in dem f\u00fcr den Menschen unsichtbaren Infrarot-Bereich mit einer Wellenl\u00e4nge von 940 nm arbeitet. Der Standard-Entfernungsmessbereich<\/em> geht von ca. 50 bis 1000 mm, die maximale messbare Entfernung unter optimalen Bedingungen im Long Range Mode<\/em> betr\u00e4gt 2000 mm. F\u00fcr eigene Experimente empfiehlt es sich, einen auf ein Breadboard aufgel\u00f6teten Sensor zu kaufen, den es bereits ab ca. 10 Euro gibt.<\/p>\n

\"Time-of-Flight-Sensor\"<\/a>
Der verwendete Time-of-Flight-Sensor VL53L0X<\/figcaption><\/figure>\n

Da die MagicMirror-Software bei mir auf einem Raspberry Pi<\/a> l\u00e4uft liegt es nahe, dass ich auch den ToF-Sensor an den selben Raspberry Pi anschlie\u00dfe sowie auch ein Relais, mit dem sich das Display des MagicMirrors ein- und ausschalten l\u00e4sst. Der ToF-Sensor VL53L0X ist \u00fcber die I2C-Schnittstelle<\/a> und das Relais \u00fcber einen GPIO-Pin<\/a> angeschlossen. Die folgenden Abbildung zeigt den Schaltplan (anstelle des Displays ist ein Motor als Verbraucher dargestellt).<\/p>\n

\"Abstandsmessung<\/a>
Abstandsmessung mittels Time-of-Flight-Sensor VL53L0X und entfernungsabh\u00e4ngiges Schalten eines Verbrauchers<\/figcaption><\/figure>\n

Zu beachten ist im Schaltplan die Verwendung von 5 V und 3.3 V als Spannung. Die beiden Relais auf der Relais-Platine, von denen nur eines ben\u00f6tigt wird, sind mittels Optokoppler galvanisch vom Raspberry Pi getrennt. Auf der Ansteuerungs- bzw. GPIO-Seite werden die Optokoppler mit 3.3 V versorgt. Auf der Seite an der das ben\u00f6tigte Relais angeschlossen ist, werden jedoch 5 V f\u00fcr den st\u00f6rungsfreien Betrieb ben\u00f6tigt. Ein interaktives Pinout des Raspberry Pi mit allen Anschlussbelegungen gibt es hier<\/a>, nur f\u00fcr den Fall dass jemand noch andere Sensoren anschlie\u00dfen m\u00f6chte.<\/p>\n

Die folgende Abbildung zeigt die auf der R\u00fcckseite des Magic Mirrors angebrachten Hardwarekomponenten. Alle Details zum Bau des Magic Mirrors und zur Konfiguration der MagicMirror2<\/sup>-Software k\u00f6nnen in meinem MagicMirror-Beitrag<\/a> nachgelesen werden.<\/p>\n

\"R\u00fcckansicht<\/a>
R\u00fcckansicht der verbauten MagicMirror-Hardware-Komponenten. Die Platinen wurden unter anderem mit doppelseitigem Klebeband mit Schaumstoffszwischenlage befestigt.<\/figcaption><\/figure>\n

Den Time-of-Flight-Sensor habe ich, zugegebenerma\u00dfen leider etwas unsch\u00f6n, an der Vorderseite des Spiegels angebracht. Wenigstens ist er relativ klein, so dass er nicht sofort ins Auge sticht. Um dennoch einen besseren WAF<\/a> zu erzielen, sollte ich mir aber noch eine bessere L\u00f6sung \u00fcberlegen.<\/p>\n

\"Magic<\/a>
Eingeschaltetes MagicMirror-Display. Unten am Glas ist der kleine Time-of-Flight-Sensor angebracht.<\/figcaption><\/figure>\n

Um den Sensor mittels I2C anzusteuern, muss zuerst sichergestellt werden, dass am Raspberry Pi die entsprechenden Tools bzw. Treiber installiert sind. Dies l\u00e4sst sich durch die folgenden Bash-Kommandos bewerkstelligen:<\/p>\n

sudo apt-get update\r\nsudo apt-get install -y python-smbus\r\nsudo apt-get install -y i2c-tools<\/pre>\n
Anschlie\u00dfend muss noch der I2C-Bus am Raspberry Pi aktiviert<\/a> werden. Dazu \u00f6ffent man das Konfigurations-Fenster mittels folgendem Befehl:<\/p>\n
sudo raspi-config<\/pre>\n
Man w\u00e4hlt zuerst den Men\u00fcpunkt Interfacing Options<\/em> und danach I2C<\/em>. Anschlie\u00dfend best\u00e4tigt man zweimal mit Yes<\/em> um den I2C Bus zu aktivieren und automatisch zu laden. Danach sollte der Raspberry Pi neu gestartet werden:<\/p>\n
sudo reboot<\/pre>\n
Um zu \u00dcberpr\u00fcfen ob der I2C-Bus tats\u00e4chlich funktioniert und der angeschlossene VL53L0X-Sensor gefunden wird, gibt man folgendes Kommando ein:<\/p>\n
sudo i2cdetect -y 1<\/pre>\n
Bei erfolgreicher Detektion des VL53L0X-Sensors, der standardm\u00e4\u00dfig die I2C-Adresse 0x29<\/strong> besitzt, sollte man die folgende Bash-Ausgabe erhalten:<\/p>\n
\"Bash-Ausgabe<\/a>
Bash-Ausgabe nach der Eingabe des Befehls sudo i2cdetect -y 1<\/em><\/figcaption><\/figure>\n
Ansteuerung und Test mittels Python<\/h1>\n
Um den Sensor anschlie\u00dfend mittels Python anzusprechen, ben\u00f6tigt man eine geeignet Bibliothek. Wenn man nach python VL53L0X<\/em> googelt wird man schnell f\u00fcndig. Ich habe mich f\u00fcr die Bibliothek von pimoroni<\/em><\/a> entschieden, die auf GitHub verf\u00fcgbar ist. Um sie zu installieren, gibt man in der Shell den folgenden Befehl ein:<\/p>\n
sudo pip2 install git+https:\/\/github.com\/pimoroni\/VL53L0X_rasp_python.git\r\n<\/pre>\n
Wenn man auf seinem Raspberry Pi anstatt dem standardm\u00e4\u00dfigen Python 2.x bereits Python 3.x installiert hat, so tauscht man im obigen Kommando einfach pip2<\/em> mit pip3<\/em> aus. Die installierte Python-Version l\u00e4sst sich mit diesem Befehl abfragen:<\/p>\n
python --version<\/pre>\n
Zum Testen des Sensors mittels Python eignet sich der folgende Code:<\/p>\n
import time\r\nimport VL53L0X\r\n\r\n# --- Initialisierungen ---\r\n\r\n# Erzeugen eines VL53L0X-Objekts\r\ntofSensor = VL53L0X.VL53L0X()  \r\ntofSensor.open()                 \r\n\r\n# Sensor zur Entfernungsmessung vorbereiten\r\ntofSensor.start_ranging(VL53L0X.Vl53l0xAccuracyMode.BETTER)\r\n\r\n# --- Durchf\u00fchren von 60 Messungen im Sekundenintervall ---\r\nfor count in range(1, 61):\r\n    distance = tofSensor.get_distance()  # Messen der Entfernung\r\n    if distance > 0.0 and distance < 2000.0:\r\n        print(\"Messung %d: Gemessene Entfernung: %d mm\" % (count,distance))\r\n    else:\r\n        print(\"Messung %d: Entfernung nicht messbar => kein Objekt vor dem Sensor\" % (count))    \r\n    \r\n    time.sleep(1.0)                      # 1 Sekunde warten\r\n\r\ntofSensor.stop_ranging()                 # Sensor deaktivieren\r\ntofSensor.close()\r\n<\/pre>\n
Ich habe dieses Script als test_tof_sensor.py<\/em><\/strong> gespeichert. Dazu erstellt man mittels<\/p>\n
nano test_tof_sensor.py<\/pre>\n
eine neue Datei, kopiert den obigen Python-Code hinein und speichert die \u00c4nderungen.<\/p>\n
Um das Python-Script letztendlich ausf\u00fchrbar zu machen, m\u00fcssen noch die Rechte entsprechend gesetzt werden:<\/p>\n
sudo chmod +x test_tof_sensor.py<\/pre>\n
Das Python-Script wird dann wie folgt gestartet:<\/p>\n
python test_tof_sensor.py<\/pre>\n
Die folgenden Abbildung zeigt eine typische Ausgabe. Jede Sekunde wird ein neuer Entfernungsmesswert ausgegeben.<\/p>\n
\"Ergebnisse<\/a>
Ergebnisse der Testmessung, bei der der Abstand eines Objekts kontinuierlich von ca. 20 bis 80 cm vergr\u00f6\u00dfert wurde.<\/figcaption><\/figure>\n
Automatisches Ein- und Ausschalten des Displays<\/h1>\n
Um das Display des Magic Mirrors automatisch ein- und auszuschalten, wird noch ein Relais ben\u00f6tigt, das mittels GPIO-Pin 22 angesteuert wird (siehe Schaltplan weiter oben) und die Stromversorgung des Displays schaltet.<\/p>\n
Meine pers\u00f6nlichen Anforderungen an das automatische Ein- und Ausschalten des Displays sind:<\/p>\n