Das Internet der Dinge (IoT, Internet of Things) macht vor keinem Lebensbereich Halt. Um die Vorzüge dieses Megatrends selbst zu erfahren, habe ich mich entschlossen, das Ganze anhand eines "SmartMirrors" auszuprobieren: Dieser digitale Spiegel soll verschiedene Informationen in Form eines schicken Einrichtungsgegenstandes präsentieren.


Die Idee und: Was ist ein SmartMirror?

final front bigDer smartMirror von vorn, mit der selbst entwickelten Software

Ein Wandspiegel, wie er sich in vielen Haushalten im Badezimmer, Wohnzimmer oder meistens im Flur befindet, kann nicht viel. Warum lässt sich diese Tatsache nicht effektiver gestalten, indem gleichzeitig Informationen zusätzlich zum eigenen Spiegelbild bereitgestellt werden?

Der morgendliche Blick auf die oben genannten Daten über separate Geräte wie Smartphones oder Tablets kann entfallen, wenn sich alle diese Daten auf einer Fläche, dem Spiegelglas, befinden. Denkbar sind noch viele weitere Anwendungen, die Bereitstellung derer hängt lediglich von der eigenen Kreativität bzw. Zeit ab.

Features

  • Web-Interface für die Konfiguration und Parametrisierung des Gerätes und der angezeigten Daten
  • Aktuelles Wetter und die Wettervorhersage der nächsten Stunden für einen beliebigen Ort
  • Aktuelle Uhrzeit inkl. Sekundenanzeige
  • Kalendereinträge der kommenden Tage (beliebige Anzahl)
  • RSS-Newsfeed aus beliebiger Quelle
  • Animierter Freitext
  • ÖPNV: Busabfahrtszeiten, ausgehend von bis zu drei Haltestellen

 

ÖPNV

Wetter

Uhrzeit

Freitext

Kalender

Nachrichten


Anforderungen

Die folgenden Eigenschaften sollen erfüllt sein:

  • unkomplizierte Steuerung (Aktualisieren von Daten, Zugriff auf das Raspberry Pi)
  • geringer Wartungsaufwand (Betriebssystem- und Software-Updates)
  • geringer Stromverbrauch (vor allem bei Dauerbetrieb des Spiegels relevant)
  • hohe Flexibilität bei der Gestaltung der präsentierten Inhalte
  • scharfes Bild und hochwertige Verarbeitung

Die Planung

Ein paar Fragen mussten im Vorfeld geklärt werden:

  • Wie groß soll der Spiegel werden?

    Das hängt natürlich in erster Linie vom zur Verfügung stehenden Platz ab.

    Je größer der Spiegel ist, desto größer ist die Fläche, die potentiell mit einem Monitor digitalisiert werden kann. Dadurch ist aber auch zu beachten: Eine größere Fläche benötigt mehr Glas, somit steigt auch das Gewicht der Konstruktion, was Auswirkungen auf die Aufhängung an der Wand hat.

    Je größer der Bildschirm ist, desto höher sind jedoch auch die Kosten für den Monitor. Die Software muss natürlich ebenso dementsprechend angepasst und getestet sein. Generell sind einem bei der Wahl der Größe aber keine Grenzen gesetzt.

    Ich habe mich bei diesem Projekt für eine mittlere Standardgröße von 52 x 52 cm (inkl. Rahmen) entschieden.

  • Was ist ein geeigneter Platz für den Spiegel in der Wohnung?
    Generell sind häufig besuchte Räume eine gute Idee. Oftmals reicht aber auch ein kurzer Blick auf die Uhrzeit oder auf die Verspätung des nächsten Busses, um sich zu informieren. Räume mit hoher Luftfeuchtigkeit, wie beispielsweise das Badezimmer, sind tendenziell zu meiden, um Schäden an der Elektronik vorzubeugen.
  • Welche Daten sollen präsentiert werden?
    Weiter oben im Artikel habe ich bereits die Features genannt, die dieses smartMirror-Projekt hervorgebracht hat. Diese können jederzeit um weitere Funktionen erweitert werden. Beim Thema Datenschutz sind Informationen zum Wetter oder aus einem Newsfeed heraus selbstredend unbedenklich, anders sieht es bei persönlichen Kalendereinträgen aus. Je nach späterem Standort des Spiegels muss bedacht werden, wer die Informationen sehen kann und darf.
  • Wie wird auf das Raspberry Pi zugegriffen und wie werden Daten aktualisiert?
    Aktuell wird eine Weboberfläche implementiert, die ein eigener Webserver auf dem Raspberry Pi betreibt. Sie wird minimalistisch gehalten sein, bietet jedoch viele Parameter, um die Benutzeroberfläche seinen Wünschen nach anzupassen. Natürlich gibt es auch die Möglichkeit, jederzeit die Datenquellen, beispielsweise den Ort der Wettervorhersage, anzupassen. Administratoren können zudem passwortgeschützt über SSH auf eine Shell zugreifen.
  • Wie wird die Wärme des Raspberry Pi und des Monitors abgeleitet?
    Das Raspberry Pi besticht generell durch seine minimale Stromaufnahme und ist daher bei dieser Frage zu vernachlässigen.

    Die Elektronik des Monitors kann theoretisch in einem Hitzestau resultieren, dem vorgebeugt und der daher nach außen abgeführt werden muss. Ich empfehle, einen Spalt von ca. 1cm zwischen Wand und Spiegel vorzusehen, durch den die Luft zirkulieren kann. Der Wärmeaustausch geschieht entweder über manuell eingesägte Lüftungsschlitze in der hölzernen Rückwand, oder aber durch lautlose Miniatur-Lüfter, die über die GPIO-Pins des Raspberry Pi mit Strom versorgt werden. In diesem Fall genügen kleinere Aussparungen in der Rückwand.

    Tests haben ergeben: Wird der Spiegel gewissenhaft nach einer bestimmten Betriebsdauer (einige Stunden) bzw. vor Verlassen der Wohnung vom Strom getrennt, besteht keine Gefahr des Überhitzens.

    Auf die Rückwand kann auch auch gänzlich verzichtet werden, wenn die Komponenten richtig fixiert sind.

Hardware, Material und Kosten

Nach etwas Internetrecherche und Evaluierung des Budgets fiel die Entscheidung auf einen simplen Holzrahmen (IKEA), der die entsprechend große Tiefe mitbringt, um alle Komponenten direkt im Rahmen zu verstauen (52 x 52 x 4 cm).

Als Monitor bot sich ein ausrangiertes 17"-TFT-Exemplar an, das ohnehin keinen praktischen Nutzen mehr hatte (Tipp: Dadurch sinkt auch die Hemmschwelle, an etwas zu Teurem rumzuschrauben und es ungewollt zu zerstören). mirrOS-LogoDas mirrOS-Logohttps://glancr.de/

Als Software für das Raspberry Pi diente zu Beginn des Projekts das sogenannte "mirrOS" (Danke an Mattes, Tobias und Gordon). Mehr Flexibilität bietet jedoch eine selbst geschriebene Software und ein Standard-Raspbian, mehr dazu weiter unten im Artikel.

Als Spiegelfläche diente zu Beginn eine Spiegelfolie aus dem Baumarkt. Sie wurde im Projektverlauf jedoch durch ein deutlich höherwertiges Spionglas ersetzt

Beschreibung Hersteller
RaspberryPi 3 Model B RaspberryPi
(Gebrauchter) TFT-Monitor, ab 17 Zoll beliebig
Netzteil (microUSB-Stecker) für das Raspberry Pi Rydges
Euro 4-fach Steckerleiste 1.5m (flach, weiß) GAO
MicroSD-Karte (16GB) Intenso
USB-Kartenleser für microSD-Karten Media Markt
Plastikgehäuse für Raspberry (schwarz) RaspberryPi
Spionglas (Spiegelglas) 50x50 cm Wehatherm
Bilderrahmen 'RIBBA', 52x52cm, Tiefe: 4.5cm IKEA
VGA auf HDMI-Adapter zum Verbinden des Raspberrys mit dem Monitor UGreen
Euro-Verlängerungskabel mit flachem Stecker, weiß Kopp
C13-Netzkabel für den Monitor, rechtwinkliger Stecker aus Platzgründen. Conrad
VGA-Kabel, möglichst kurz -
Wago-Klemmen (für 0.14mm²-Adern) Conrad
Litze (LiY 1 x 0.14 mm², 10m, schwarz) Conrad
Spiegelfolie, 150x60cm, selbstklebend Globus
Schwarzes Kartonpapier (100x50cm), als Verdunkelungsschicht Bauhaus
Abisolierband (schwarz) Baumarkt
Doppelseitiges Klebeband (stark) Baumarkt
2 Metallwinkel, 2-4 mm dick Baumarkt

 

Werkzeug: Holz- und Metallsäge, Abisolierzange, Schraubenzieher, Holzbohrer und -feilen

Material: Holzreste (Rückwand), Holzschindel und Gummistreifen als Abstandhalter, Doppelseitige Klebestreifen

Die Bauphase

Zuerst muss der Monitor präpariert werden: Das Plastikgehäuse und die Metall-Ummantelung sind überflüssig. Je nach Tiefe des Bildschirms muss die Hauptplatine und die Steuerungseinheit ebenfalls entfernt und neben dem Bildschirm im Rahmen platziert werden. Weil die originalen Kabel der Beleuchtungs- und Dateneinheit zu kurz sein können, müssen sie mit Litzen (Meterware) und Wago-Klemmen verlängert werden. Der in diesem Fall silberne Metallrahmen auf der Vorderseite des Bildschirms wird für den Benutzer nicht-reflektierend und somit unsichtbar, wenn man ihn mit schwarzem Isolierband überklebt.

monitor 1 bigDer originale Monitor von der Rückseite monitor 2 bigDer Monitor, dessen Plastikgehäuse entfernt wurde monitor 3 bigDas Innenleben des Monitors, ohne Metallgehäuse monitor 4 bigDas entfernte Metallgehäuse (noch an einem Stück) monitor 5 bigDer mit schwarzem Isolierband abgeklebte Metallrahmen des Bildschirms, um ungewollte Reflektionen zu vermeiden wago bigDie mit Litzen und Wago-Klemmen verlängerte Zuleitung zur Beleuchtungseinheit des Monitors: 4 Stück am hier sichtbaren Anschluss des Bildschirms, 4 Stück an der Platine

Als unterste bzw. vorderste Schicht des Rahmens wird das Spiegelglas eingelegt.

Das LCD-Panel sollte nun am Glas fixiert werden, um ein Rutschen zu verhindern. Hier kommt das doppelseitige Klebeband aus dem Baumarkt zum Einsatz.

Damit keine Helligkeit von hinten durch den Spiegel ins Innere fällt und das Spiegelbild beeinträchtigt wird, muss sämtlicher Raum im sichtbaren Bereich des Rahmens, der nicht vom Monitor ausgefüllt wid, abgedunkelt werden. Hierzu eignet sich schwarzer Tonkarton. Zusätzlich erweist sich z.B. eine nicht mehr benötigte Rückwand eines Schranks als nützlich, um einen zusätzlichen Abstand zwischen Elektronik und Spiegelglas zu bringen. Ein weitere Vorteil dieser Holzschicht ist, dass der Bildschirm eingeklemmt ist und damit zu keiner Seite mehr verrutschen kann.

Das Material wird passend zugeschnitten und in den Rahmen eingefügt:

holz karton bigPassend zugeschnittener Tonkartion und dünne Holzplatten, um den Rückraum des Rahmens vom sichtbaren Bereich zu trennen verdunkelung bigDer in den Rahmen passend eingelegte Tonkarton. Es ist hier auf einen bündigen Abschluss zu achten, sodass kein Licht hindurchscheinen kann abstand holz bigDie zusätzlich in den Rahmen eingelegten Holzteile (als Abstandhalter)
Die Elektronik des hier verwendeten Monitors war ursprünglich an speziellen Metallfassungen befestigt. Eine Wiederverwendung bietet sich an, damit die Bauteile nicht verrutschen, wenn der Spiegel später vertikal an der Wand hängt. Um möglichst viel Platz zu sparen, wurden die Metallteile getrennt und alle überflüssigen Teile mit einer Metallsäge entfernt. Die Befestigung am Holz erfolgte mit beidseitigen Klebestreifen.

metall bigDie Metallfassungen der Elektronik. Sie wurden getrennt, um flexibler in den Rahmen eingefügt werden zu können metall gefuellt bigDie Platinen, die wieder in ihre Fassungen eingefügt wurden
Nun müssen alle Bauteile wieder miteinander verkabelt werden. Der Monitor besitzt aufgrund seines Alters keinen HDMI-Ausgang, stattdessen einen VGA-Port. Weil das Raspberry Pi somit inkompatibel ist, kommt ein HDMI-VGA-Adapter sowie ein klassisches VGA-Kabel zum Einsatz. Das Netzkabel des Monitors und des Raspberry Pi werden an die weiße Steckdosenleiste (rechts unten im Rahmen) angeschlossen.

raspberryPismartMirror bigDas Herzstück des Spiegels, das Raspberry Pi, findet seinen Platz rechts oben im Rahmen inhalt1 bigDie Gesamtansicht des Innenlebens des Spiegels. Alle Teile sind bereits miteinander verkabelt, auf der rechten Seite ist das Raspberry Pi zu erkennen bauphase overview bigDie Gesamtansicht des Innenlebens des Spiegels. Alle Teile sind bereits miteinander verkabelt, auf der rechten Seite ist das Raspberry Pi zu erkennen

Der Spiegel besitzt - hauptsächlich wegen der Glasscheibe - ein recht hohes Gewicht. Um sicherzustellen, dass er an Ort und Stelle hängen bleibt, sollte er an den beiden Ecken, an denen er befestigt wird, verstärkt werden. Hier finden zwei Winkel Verwendung, die wie abgebildet mit je vier Schrauben in den Holzrahmen gebohrt werden. Zuletzt kann die beim Kauf des Rahmens mitgelieferte Rückwand befestigt werden (falls die Komponenten von der Tiefe her gänzlich in den Rahmen passen).

verstaerkung bigDie Ecken des Rahmens wurden durch je einen Winkel verstärkt. Die sichtbaren kleinen Abstandhalter aus Holz sorgen dafür, dass der Bildschirm nicht verrutscht. Von der anderen Seite stützen die Holzteile, die über den Tonkarton gelegt wurden rueckwand bigDie Rückwand des Spiegels wird wie vorgesehen von den Metallhaken gehalten. Sie werden durch die beiden Öffnungen in der Rückwand eingeführt

Für die Befestigung an der Wand dienen zwei Schlitzhaken-Winkelschrauben, die von Dübellöchern gehalten werden. Durch Aussparungen in der Rückwand an genau den Stellen, an denen die Haken unter die am Rahmen befestigten Winkel greifen sollen, kann der Spiegel aufgehängt werden.

Die Software und Benutzeroberfläche

Das oben genannte Betriebssystem mirrOS wurde im Laufe des Projekts durch eine eigene Anwendung abgelöst.

Mittlerweile kommt eine selbst geschriebene JavaFX-Anwendung zum Einsatz, basierend auf dem offiziellen Rasbian-OS (Version Jessie). Die Steuerung und Parametrisierung erfolgt über eine Weboberfläche. Details zur Implementierung veröffentliche ich bald.

Ausblick - Erweiterungen und Verbesserungen

  • Bewegungssensor (Standybymodus des Bildschirms)
  • Sprachinteraktion mit digitalen Assistenten (Alexa)
  • Verwendung eines selbst gebauten Rahmens, um die Inhalte noch besser in Szene zu setzen.

 

Siehe auch

  • Der MedDoser.
    MedDoser: Medikationsplan auf dem Raspberry Pi 3 (Java)

    Das Gerät MedDoser ist ein mit einem Touchscreen und weiteren Komponenten versehenes RaspberryPi, das eine Erinnerungsfunktion samt Medikationsdokumentation auf Basis eines eingescannten Medikationsplans ermöglicht und die Medikation eines Patienten visuell darstellt.

  • JavaFX
    JavaFX und Raspbian OS

    Seit der Version 8u33 der ARM-Version von Oracle gibt es keinen Support mehr für JavaFX-Anwendungen out-of-the-box. Die offizielle Meldung dazu findet sich hier. Aus diesem Grund benötigt ein Raspberry-System eine manuelle Erweiterung. Die Voraussetzung dafür ist ein aktuelles installiertes JDK von Oracle auf dem Raspberry-System (siehe dieser Wiki-Artikel).

  • Raspberry Pi 3 (Quelle: Eigene Darstellung)
    Raspbian: Konfiguration des Bootvorgangs

    Der Startvorgang des Raspberry Pi generiert üblicherweise viele Konsolenausgaben, die dem Endanwender beispielsweise durch ein eigenes Logo, das diese überdeckt, größtenteils vorenthalten werden können.

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