Labeye: Sensorbasierte Überwachung von Umgebungsbedingungen

Kurzfassung

Die Reproduzierbarkeit experimenteller Untersuchungen hängt wesentlich von stabilen und nachvollziehbaren Umgebungsbedingungen ab. Insbesondere Parameter wie Temperatur, relative Luftfeuchtigkeit, Luftdruck, Beleuchtungsstärke, UV-Strahlung, Vibrationen und elektromagnetische Einflüsse können Messsysteme sowie untersuchte Werkstoffe beeinflussen und dadurch zu Abweichungen in den Messergebnissen führen. Diese Arbeit befasst sich daher mit der Konzeption und prototypischen Umsetzung einer modularen Sensorplattform zur kontinuierlichen und versuchsnahen Überwachung relevanter Umgebungsbedingungen in Laborumgebungen. Ziel ist es, Umweltparameter zeitlich hochaufgelöst zu erfassen, strukturiert zu speichern und für die spätere Analyse experimenteller Daten bereitzustellen. Aufbauend auf einer Analyse relevanter Einflussgrößen werden die funktionalen und nicht-funktionalen Anforderungen an das Monitoring-System definiert. Dazu zählen insbesondere eine kontinuierliche Datenerfassung mit einer Abtastrate von 1 Hz, die Übertragung der Messwerte an ein Datenbankmanagementsystem, ein stabiler Dauerbetrieb sowie eine modulare Erweiterbarkeit der Sensorplattform. Als zentrale Recheneinheit kommt ein Raspberry Pi 4 Model B zum Einsatz, an den verschiedene Sensormodule über I2C und SPI angebunden werden. Erfasst werden Temperatur, relative Luftfeuchtigkeit, Luftdruck, Beleuchtungsstärke, UV-Strahlung, Vibrationen und magnetische Felder. Die entwickelte Softwarearchitektur trennt Sensordatenerfassung, Datenverarbeitung und Ablaufsteuerung voneinander und ermöglicht dadurch eine flexible Integration zusätzlicher Sensoren. Die Messwerte werden zusammen mit Metadaten wie Sensoridentität, Messgröße, Einheit und Zeitstempel verarbeitet und in einer PostgreSQL-Datenbank gespeichert. Ergänzend ermöglicht ein graphbasiertes Datenmodell die Verknüpfung der Messdaten mit strukturellen Informationen über Sensoren und Systemkomponenten. Dadurch entsteht eine modular aufgebaute Monitoring-Plattform, die eine kontinuierliche Dokumentation der Umgebungsbedingungen ermöglicht und eine Grundlage schafft, um deren Einfluss auf experimentelle Untersuchungen nachvollziehbar zu analysieren und damit die Reproduzierbarkeit und Qualitätssicherung in Laborumgebungen zu unterstützen.