Challenge
High-Tech-Türe für Katze und Hund
Tiertüren herzustellen, ist keine große Challenge. Tiertüren für Passivhäuser herzustellen allerdings schon. Als erstes Unternehmen am Markt entwickelt Petwalk mit Ginzinger electronic systems automatisierte Tierklappen für Passivhäuser. Wärmedämmend, einbruchsicher und vollständig vernetzt.
Eine Tiertür erleichtert Katzen- und Hundebesitzern das Leben. Wirklich intelligent wird sie dann, wenn die Haustiere per Zutrittserkennung jederzeit ein- und ausgehen können und die Tür sogar zusätzliche Einbruchsicherheit verspricht. Dieser Herausforderung stellte sich Petwalk Solutions gemeinsam mit Ginzinger electronic systems.
LET THE PET WALK
Petwalk Solutions GmbH & Co KG
Petwalk Solutions aus Niederösterreich ist Hersteller von Premium-Eingangstüren für Tiere. Die patentierten und preisgekröten petWALK Türen sind absolut luftdichte, wärmegedämmte und einbruchssichere Tiereingangslösungen. Sie sind in Design und Funktion flexibel an die Bedürfnisse von Haustieren und Besitzern anpassbar und werden in 28 Länder der Welt exportiert.
Hohe Anforderungen
Umzusetzen war die Entwicklung der kompletten Soft-, sowie der Hardware. Was ursprünglich nur für Katzen gedacht war, entwickelte sich im zweiten Schritt zur „Türe für Tiere“, denn mittlerweile sind schon rund die Hälfte aller vierbeinigen Benutzer Hunde.
Das Pflichtenheft für die Tiertüre war umfangreich: Neben der Passivhauseignung, kamen noch zahlreiche Anforderungen dazu, die die Tiertüre „intelligent“ machen sollte: So war die Einbruchssicherheit nach Widerstandsklasse II inklusive einem integriertem Alarmsystem ein wichtiger Punkt. Auch die Möglichkeit der Zutrittserkennung, sowohl für Tiere mit implantierten Chip, als auch für nicht gechipte, waren auf der „To-Do“ Liste. So soll es nur für die eigenen Haustiere möglich sein, mittels „Hausschlüssel“ jederzeit oder zu fest gelegten Zeiten ein- und auszumarschieren.
hohe technische Standards
Sicherheit & Funktionalität
Im Grunde musste eine petWALK Tiertüre dieselben, technischen Standards und Kundenwünsche erfüllen wie eine hochwertige Haustüre. Oberste Priorität während des kompletten Projekts hatte natürlich die Sicherheit der Haustiere.
Bei Ginzinger electronic systems startete man mit der Soft- und Hardwareentwicklung einer 32bit Mikrocontroller Platine zur Steuerung der Tiertüre und einer zweiten Bedien- bzw. Anzeigeplatine mit LED und 7-Segment Anzeige, inklusive einer Fernbedienung. Auch das Energieversorgungsmanagement wurde über die Steuerplatine abgewickelt. Mit Hilfe einer Ladeelektronik kann der integrierte Akku betrieben werden und die Tiertüre funktioniert auch wenn der Strom im Haus ausfällt.
Challenge Zutrittserkennung
Die wohl größte Herausforderung für das Entwicklungsteam von Ginzinger electronic systems war die Zutrittserkennung via RFID. Dieses System besteht aus Transponder (in diesem Fall der implantierte Chip des Haustieres) und einem Lesegerät zum Auslesen (RFID Antenne). Da RFID nur für den Nahbereich entwickelt wurde, also für eine Entfernung von lediglich ein bis fünf Zentimeter, bestand die größte Schwierigkeit darin, die Distanz für das Zutrittssystem zu erhöhen. Denn sobald ein Hindernis zwischen Antenne und Transponder ist (zum Beispiel die Schnauze bei größeren Hunden), funktioniert die Erkennung nicht mehr.
Darauf hin wurden verschiedene andere Lösungsansätze geprüft: Mit einer externen, aufgestellten RFID Antenne vor der Tiertüre wurde versucht, durch Reiben des Tierhalses an der Antenne den RFID-Tag zuverlässig auszulesen, um so die Tiertüre zu öffnen. Eine weitere Variante war, eine Art „Portal“ vor der Tiertüre zu installieren, welches das Tier zuerst passieren muss, um den Zutritt zu ermöglichen. All das war aber keine befriedigende Lösung, da alles komplett in der Türe integriert werden sollte. Viele Tests und Versuche folgten, bis dem Ginzinger Software-Team der Durchbruch für das Zutritts-System gelang:
Mit Hilfe komplexer Signalverarbeitungsalgorithmen konnten die Entwickler die RFID-Ansteuerung verbessern und auch das System selbst rauschärmer gestalten. Schließlich gelang so die komplette Integration der Antenne im Türblatt gemäß Kundenwunsch. Da aber nicht nur Tiere mit Implantaten via RFID bequem ein und aus gehen sollten, war ein weiterer Punkt das Thema „Bewegungsmelder“ für nicht gechipte Haustiere. Mittels einem Tag am Halsband als „Türöffner“ sollen (nur) die eigenen Tiere von der Türe erkannt und rein und raus gelassen werden. Auch diese Aufgabenstellung gestaltete sich schwieriger als zunächst vermutet.
Erster Ansatz war, einen Standardbewegungsmelder zu verwenden. Jeder höherwertige Melder hat aber serienmäßig eine so genannte „Tierunterdrückung“. Dies machte die Verwendung unmöglich. Auch die folgenden Tests mit Infrarot-Entfernungssensoren waren nicht zufriedenstellend. Sie reagierten zu empfindlich bei Wind, bzw. vorbei wehenden Blättern und unzuverlässig bei Regen. Vor allem aber wurden schwarze Hunde und Katzen überhaupt nicht erkannt. Auch Radar- und Ultraschallsensoren funktionierten bei schlechtem Wetter nicht und waren darüber hinaus zu teuer.
Clever kombiniert
PIR und kapazitive Sensoren
Mit Hilfe von PIR-Sensoren (passive infrared) war die Reichweite mit bis zu 5m zu hoch. Dies würde die Türe zu schnell öffnen lassen. Zum Schluss wurden kapazitive Bewegungssensoren getestet. Diese sind zwar hoch empfindlich und verursachten etliche Fehlauslösungen, aber im „richtigen“ Nahbereich von ca. 60-80cm funktionierten sie. Als beste Lösung hat sich die Kombination von PIR und kapazitiven Sensoren erwiesen. Fehlauslösungen durch den kapazitiven Sensor werden durch den PIR Sensor unterdrückt.
In puncto Einbruchssicherheit funktioniert die Tiertüre derzeit mit einem Vierregelungsmechanismus, wie man ihn von einbruchssicheren Fenstern in neuen Häusern kennt. Anfängliche Versuche mit über Federn aufgehängte Türen, die im Falle des Einklemmens das Tier nicht verletzen, waren unbrauchbar. Auch hier war die Funktionalität bei schlechtem Wetter nicht gegeben und eine Verriegelung wie bei einem Safe war nicht möglich, da sehr kräftige Motoren verwendet werden mussten, die wiederum sehr teuer sind. Insgesamt dauerte die Entwicklung und technische Umsetzung über drei Jahre.
Next Generation: "Tiertüre 4.0"
Die nächste Generation der Tiertüre steht bereits in den Startlöchern. Mit ihr kann mittels eigenständigem RFID-Modul eine flexiblere Positionierung erfolgen, um Funktionsstörungen bei kritischen Einbausituationen weiter zu verbessern. Mit neuen „Time of Flight“-Sensoren kann die Reichweite nun flexibel über die Software eingestellt werden. Natürlich darf auch das Schlagwort „IoT“ in Kombination mit der Tiertüre nicht fehlen. Ab sofort ist diese mit dem Internet verknüpft und ermöglicht weitere Funktionen: Durch den internationalen Vertrieb entstehen erhöhte Anforderungen an den Service und die Wartung, welcher nun auch von der Ferne ermöglicht wird. Auch Datenerfassung über die Cloud ist möglich. Ein modernes IoT Device also.
Die petWALK Türtiere ist die weltweit erste, vollständig vernetzte High-End-Haustiertüre, die eine Steuerung mittels mobiler App, Webbrowser oder Smart-Home-Geräten anbietet. Über Amazon‘s „Alexa“ oder Google „Home“ kann in Kürze per Sprachbefehl das Tier aus dem Haus geschickt werden. Unterwegs kann der Besitzer über aktuelle Geschehnisse auf dem Laufenden gehalten werden und erfährt via Zeitleiste, was im Laufe des Tages daheim vor sich geht. Die Anbindung an WIFI- oder Nest- Kameras, die eine neuartige Tiererkennung und als intelligente Videoschnittstelle die Beobachtung des Tiereingangs ermöglicht, wird ebenfalls umgesetzt.
Nachdem wir bereits die initiale Version unserer Tiertüre mit Unterstützung durch Ginzinger electronic systems realisiert hatten, war diese Partnerschaft bei der Erweiterung auf die Vernetzungsmöglichkeiten des Internet-der-Dinge eine „aufgelegte Sache“. Vor allem durch den stabilen Unterbau des GELin Linux-Systems konnten wir diese Herausforderung meistern.
Realisiert werden konnten die neuen Anwendungen der „TierTüre 4.0“ dank einer stabilen und komplett integrierten Embedded Lösung von Ginzinger electronic systems mit einer ARM-Hardware-Architektur von NXP (in diesem Fall i.MX28) und der Embedded Linux Plattform GELin von Ginzinger. Wo Mikrocontroller inklusive Software leistungsmäßig schnell an ihre Grenzen stoßen würden, bietet die Embedded Lösung mit Linux-Betriebssystem für die Anwendung der Firma petWALK eine Vielzahl an technischen Möglichkeiten.
Ein zusätzlicher Einsatzbereich und gleichzeitig der Beweis für die technische Vielseitigkeit von Embedded-Linux wird die künftige Zusammenarbeit mit Paketdienstleistern sein. So soll die Premium-Tiertüre bald als Paketabgabestation genutzt werden können. Auch wenn der Hausbesitzer nicht daheim ist, können autorisierte Paketdienste per Barcode-Scan die Tiertüre öffnen, um Ihr Paket abzugeben. Oder der Hausbesitzer öffnet bequem via Smartphone von unterwegs die Türe. Mittels Schnellnachricht erhält er die Info auf sein mobiles Gerät, dass der Paketdienst vor der Türe steht. Damit erweist sich die Embedded Linux Lösung von Ginzinger electronic systems als zukunftssichere, stabile Embedded Software und Hardware Plattform für weitere innovative Ideen aus dem Hause petWALK.
Begriffe und Fragen zum Projekt
Was bedeutet Einbruchssicherheit nach Widerstandsklasse II?
Diese Widerstandsklasse "RC 2 N" bietet einen Grundschutz gegen den Einbruchsversuch mit einfachen Werkzeugen wie Schraubendreher, Zangen oder Keile.
Was versteht man unter RFID?
RFID (radio frequency identification) mit Hilfe elektromagnetischer Wellen bezeichnet eine Technologie für Sender-Empfänger-Systeme zum automatischen und berührungslosen Identifizieren und Lokalisieren von Objekten und Lebewesen mit Radiowellen. Ein RFID-System besteht aus einem Transponder (umgangssprachlich auch Funketikett genannt), der sich am oder im Gegenstand bzw. Lebewesen befindet und einen kennzeichnenden Code enthält, sowie einem Lesegerät zum Auslesen dieser Kennung.
Was ist ein PIR-Sensor?
Ein PIR-Sensor – auch pyroelektrischer Sensor genannt – ist ein Halbleitersensor, der zur Detektion von Temperaturänderungen dient. Die Abkürzung steht für die englischen Begriffe Pyroelectric Infrared Sensor bzw. Passive Infrared Sensor.
