Von der Idee zum Produkt – Teil 1: Anforderungen

Produktentwickler, Produktmanager und Entwicklungsabteilungen entwerfen ein Produkt – und anschließend will es niemand haben. Jeder gibt sich gegenseitig die Schuld, warum der Markterfolg ausbleibt. Das Marketing muss hohe Ressourcen aufwenden, um zumindest einige Verkäufe zu generieren, während unzufriedene Kunden Nachbesserungen fordern. Wie konnte das passieren?

Mit hoher Wahrscheinlichkeit wurde das Produkt auf Grundlage von Annahmen und überholtem Wissen entwickelt – oft getrieben durch die Idee eines „einflussreichen“ Mitarbeiters oder der Geschäftsführung. Um „schneller“ am Markt zu sein, wurden essenzielle Stationen der Produktentwicklung übersprungen. Das Ergebnis: ein Produkt, nach dem niemand gefragt hat.

In dieser Beitragsreihe möchte ich die wesentlichen Schritte bei der Vorbereitung und Durchführung von Entwicklungsarbeiten beleuchten. Dabei nutze ich den PQopen Power Quality Analyzer als Beispiel, um Einblicke in den Prozess zu gewähren. Dies entspricht auch dem Open-Innovation-Ansatz, der einen transparenten Entwicklungsprozess beschreibt.

Schritte der Produktentwicklung

1. Idee – Der initiale Gedanke zum Produkt oder zur Dienstleistung
2. Anforderungsanalyse – Erhebung, Dokumentation und Priorisierung von Anforderungen
3. Konzeption – Technische Machbarkeit, Feedbackmaßnahmen, Mockups
4. Prototyp – Entwicklung eines Prototyps, Validierung der Anforderungen, Qualitätssicherung
5. Produktüberleitung – Prozesse zur Fertigung, Kundendienst, Reparatur und Dienstleistungen

Motivation & Idee

Power-Quality-Analyzer richten sich primär an Netzbetreiber und Industriekunden. Für interessierte Techniker, Enthusiasten oder Forschungszwecke sind diese Geräte oft zu teuer oder zu unflexibel. Mein Ziel war es, ein Messgerät zu entwickeln, das die Anforderungen an Messgenauigkeit und Funktionalität erfüllt, aber gleichzeitig erschwinglich, kompakt und offen zugänglich ist.

Zusätzlich wollte ich ein Open-Source-Projekt schaffen, das sich leicht nachbauen lässt. Dadurch sollte es möglich sein, das Produkt zu verstehen und individuell weiterzuentwickeln.

Anforderungen

Viele Produktentwicklungen scheitern an einer unzureichenden Anforderungsanalyse. Unternehmen sparen oft an diesem Schritt, weil sie glauben, dadurch Zeit zu sparen. Doch ohne eine fundierte Grundlage entstehen Missverständnisse, falsche Prioritäten und letztlich Produkte, die am Markt vorbei entwickelt werden.

1. Anforderungsermittlung

Hier werden Anforderungen durch verschiedene Techniken gesammelt. Wichtige Methoden sind:

• Interviews: Direkte Gespräche mit Stakeholdern, um Anforderungen zu verstehen.
• Workshops: Gemeinsame Diskussionen und Brainstorming-Sessions.
• Beobachtung: Analyse existierender Systeme und Arbeitsprozesse.
• Dokumentenanalyse: Prüfung von Normen, Gesetzen, Pflichtenheften und Mitbewerberprodukten.

Beispiel: Beim PQopen Messgerät wurden Normen wie EN 50160 und EN 61000-4-30 analysiert.

2. Anforderungsanalyse

Die ermittelten Anforderungen werden auf folgende Kriterien geprüft:

• Vollständigkeit: Fehlen wichtige Funktionen oder Randbedingungen?
• Eindeutigkeit: Ist die Formulierung präzise und nicht missverständlich?
• Konsistenz: Gibt es Widersprüche zu anderen Anforderungen?
• Priorisierung: Welche Anforderungen sind essenziell, welche optional?

Beispiel: Die Messgenauigkeit muss EN 61000-4-30 Klasse A entsprechen.

3. Anforderungsspezifikation

Alle Anforderungen werden in einem strukturierten Dokument oder einem Anforderungsmanagement-Tool erfasst. Typische Arten von Anforderungen sind:

• Funktionale Anforderungen: Beschreiben, was das System tun soll (z. B. Spannungsmessung).
• Nicht-funktionale Anforderungen: Beschreiben, wie das System arbeiten soll (z. B. Messgenauigkeit, Latenzzeit).
• Randbedingungen: Einschränkungen durch Vorschriften oder bestehende Technologien (z. B. Nutzung von Python).

Beispiel: Ein Messgerät mit Open-Source-Hardware und Software.

4. Anforderungsvalidierung & -verifikation

• Überprüfung, ob die Anforderungen umsetzbar und testbar sind.
• Validierung mit den Stakeholdern: Entspricht das System deren Erwartungen?
• Einsatz von Prototypen oder Simulationen zur frühen Überprüfung.

Beispiel: Ein Testaufbau zur Überprüfung der Messgenauigkeit.

Funktionale Anforderungen – Was soll das System leisten?

Funktionale Anforderungen beschreiben die zentralen Aufgaben, die das System erfüllen muss. Sie definieren das „Was“, also welche Funktionen das System bereitstellen soll und wie es sich in verschiedenen Szenarien verhalten muss.

Beim PQopen Power Quality Analyzer geht es in erster Linie darum, Spannungsqualität zu messen. Das bedeutet, dass das Gerät in der Lage sein muss, elektrische Größen präzise zu erfassen, zu verarbeiten. Da es sich um ein Open-Source-Projekt handelt, muss es zudem flexibel und erweiterbar sein.

Einige der wichtigsten funktionalen Anforderungen sind:

1. Messung der Spannungsqualität nach EN 50160
   • Die Norm EN 50160 beschreibt, welche Qualitätsmerkmale eine Netzspannung aufweisen muss, damit ein stabiles und zuverlässiges Stromnetz gewährleistet ist.
   • Das Gerät muss in der Lage sein, Spannungsschwankungen, Frequenzabweichungen, Oberschwingungen und andere Netzqualitätsphänomene zu erfassen.
2. Einhaltung von EN 61000-4-30
   • Diese Norm legt fest, wie die Messung der Spannungsqualität technisch erfolgen muss, um Vergleichbarkeit zwischen verschiedenen Geräten sicherzustellen.
   • Für hohe Genauigkeit wird die Klasse A angestrebt.
3. Zusätzliche Messung von Leistung
   • Neben der Spannungsmessung soll das Gerät auch Strom erfassen und daraus Leistung und Energieverbrauch berechnen.

Technische Spezifikationen der Messfunktionen

Eigenschaft	Beschreibung	Wertebereich
Anzahl der Phasen	Das Gerät muss mehrere Stromphasen gleichzeitig messen können.	3 Phasen
Nennspannung	Spannungsbereich, für die das Gerät dimensioniert werden soll.	230V / 50 Hz
Nennstrom	Maximale Stromstärke, die mit externen Sensoren erfasst wird.	20A (für typische Haushalte)
Messgenauigkeit	Abweichung der Messergebnisse vom tatsächlichen Wert.	Klasse A nach EN 61000-4-30 +-1% für Strom zwischen 0.1A und 20A +-0.5° Phasenverschiebung bei 50 Hz
Bandbreite (-3dB)	Frequenzbereich, in dem Signale noch genau erfasst werden können.	Bis zur 100. Harmonischen (5 kHz)

Datenverarbeitung & Kommunikation

Neben der reinen Messung müssen die Daten auch verarbeitet und nutzbar gemacht werden. Deshalb enthält das System weitere funktionale Anforderungen:

1. Berechnung der Messwerte direkt auf dem Gerät
   • Das PQopen soll nicht nur Rohdaten liefern, sondern bereits auf dem Gerät alle relevanten Parameter nach EN 61000-4-30 berechnen.
   • Dies reduziert die notwendige Bandbreite der Datenübertragung
2. Erkennung und Speicherung von Ereignissen
   • Das Gerät muss Netzstörungen erkennen und aufzeichnen können.
   • Beispielsweise, wenn Spannungseinbrüche, Überhöhungen oder andere Anomalien auftreten.
3. Live-Übertragung der Messwerte
   • Die erfassten Daten sollen in Echtzeit über WiFi an einen Server oder einen Computer übertragen werden können.
   • Dies ist nützlich für Live-Monitoring oder Fernwartung.
4. Einfache Erweiterbarkeit der Software
   • Neue Funktionen sollen einfach als Module ergänzt werden können, damit das System flexibel bleibt.
   • Beispielsweise könnte ein Nutzer eigene Algorithmen zur Netzqualitätsbewertung hinzufügen.
5. Speicherung der Messdaten
   • Daten sollen sowohl lokal in CSV-Format gespeichert als auch an einen externen Server via MQTT übertragen werden können.
   • Damit können Nutzer das Messgerät ohne als auch mit Server zur zentralen Datensammlung nutzen.

Nicht Funktionale Anforderungen – Rahmenbedingungen und Qualitätsmerkmale

Während funktionale Anforderungen definieren, was ein System tun soll, legen nicht-funktionale Anforderungen fest, wie gut oder unter welchen Bedingungen das System arbeiten muss. Sie definieren die Rahmenbedingungen, unter denen das Produkt entwickelt und betrieben wird, und haben oft erheblichen Einfluss auf die Architektur, die Benutzerfreundlichkeit und die langfristige Wartung des Systems.

Beim PQopen Power Quality Analyzer sind diese Anforderungen besonders wichtig, da das Gerät zuverlässig, einfach zu bauen und benutzerfreundlich sein muss. Zudem müssen technische Einschränkungen, Sicherheitsaspekte und Umweltbedingungen berücksichtigt werden.

Technologische Rahmenbedingungen

Einige nicht-funktionale Anforderungen betreffen grundlegende Entscheidungen zur Technologie:

Programmiersprache und Software-Plattform

• Das System soll hauptsächlich in Python programmiert werden.
  • Python ist weit verbreitet, leicht verständlich und hat eine große Community.
  • Es gibt viele Bibliotheken für Datenverarbeitung, Signalverarbeitung und Netzwerkanbindungen.
  • Durch Open-Source-Ansätze ist es für andere Entwickler einfacher, das Projekt zu erweitern.

Hardware-Plattform

• Das System soll auf Arduino Due basieren (als Teil des DaqOpen-Frameworks).
  • Der Arduino Due bietet einen leistungsfähigen Mikrocontroller mit gutem ADC, der für Echtzeit-Messungen geeignet ist.
  • Open-Source-Hardware erlaubt es Entwicklern, eigene Varianten zu erstellen.
  • Einfache Beschaffung und Nachbaubarkeit für Bastler und Forscher.

Einschränkungen durch Randbedingungen

Neben technologischen Entscheidungen gibt es auch externe Vorgaben, die das System beeinflussen:

Lizenzmodell – Open Source oder Closed Source?

• Das PQopen-Projekt soll als Open-Source-Software und -Hardware veröffentlicht werden.
  • Dies ermöglicht Transparenz und eine gemeinsame Weiterentwicklung durch die Community.
  • Interessierte Nutzer können das Gerät anpassen, verbessern oder für eigene Zwecke optimieren.
  • Open Source fördert einen offenen Innovationsprozess und erleichtert die Verbreitung.

Umgebungseinflüsse und Betriebsbedingungen

• Das Messgerät muss für den Einsatz in trockenen Innenräumen geeignet sein. Temperaturbereich 10–40 °C, nicht kondensierende Feuchtigkeit
  • Erweiterte Temperaturbereiche oder raue Umgebungen erschweren den Entwicklungsprozess deutlich
  • Eine gezielte Umgebungsbeschränkung spart Kosten für zusätzliche Schutzmaßnahmen.

Versorgungsspannung und Sicherheitsanforderungen

• Das Gerät soll mit einer Gleichspannung von 9–36 V DC betrieben werden können.
  • Diese Spannungsbereiche sind kompatibel mit vielen industriellen Netzteilen und Batteriesystemen.
  • Bewusst keine AC-Versorgung, da mit DC auch ein Betrieb mit Power Banks möglich wird
• Einhaltung der Sicherheitsnorm EN 61010 (Mess- und Prüfgeräte).
  • Schutz vor elektrischen Gefahren für den Benutzer.
  • Sicherheit beim Messen am Stromnetz.

Qualitätsanforderungen – Wie gut muss das System sein?

Nicht-funktionale Anforderungen definieren auch Qualitätsmerkmale, die das System erfüllen muss, damit es zuverlässig, sicher und effizient genutzt werden kann.

Zuverlässigkeit und Stabilität

• Das Gerät muss zuverlässig messen und darf keine Datenverluste erleiden.
  • Falls die Netzwerkverbindung unterbrochen wird, sollen die Messdaten lokal gespeichert und später synchronisiert werden.
  • Messgeräte werden oft über längere Zeit betrieben. Datenverluste könnten zu falschen Analysen führen.
  • Durch lokale Zwischenspeicherung bleibt die Datenintegrität erhalten.

Benutzbarkeit und Bedienfreundlichkeit

• Die Ersteinrichtung (nach der Kalibrierung) des Geräts soll in maximal 5 Minuten erfolgen.
  • Viele Benutzer sind keine Entwickler – ein schneller Einstieg ist entscheidend für die Akzeptanz.
• Statusanzeige per LED zur schnellen Fehlerdiagnose.
  • Eine visuelle Rückmeldung hilft dem Nutzer sofort zu erkennen, ob das Gerät richtig funktioniert.
  • LED-Anzeigen sind robust und einfach zu implementieren.

Effizienz und Performance

• Die Software soll nicht mehr als 70 % CPU-Auslastung auf einem Raspberry Pi 3 verursachen.
  • Eine reduzierte CPU-Auslastung stellt sicher, dass das System stabil läuft.
  • Verhindert Leistungsprobleme, falls weitere Funktionen hinzugefügt werden.

Wartbarkeit und Erweiterbarkeit

• Die Software-Architektur muss so gestaltet sein, dass neue Funktionen einfach als Module ergänzt werden können.
  • So können künftige Erweiterungen ohne großen Code-Umbau erfolgen.
  • Nutzer können eigene Algorithmen für spezielle Netzanalysen hinzufügen.
• Nur etablierte Open-Source-Bibliotheken mit aktivem Support sollen verwendet werden.
  • Vermeidet Abhängigkeiten von veralteter Software.
  • Sichert langfristige Wartung und Updates.

Testbarkeit

• Unit-Tests für alle Kernfunktionen der Software müssen vorhanden sein.
  • Automatisierte Tests verhindern Fehler und erhöhen die Zuverlässigkeit der Software.
• Simulation der Datenerfassung muss möglich sein
  • Helfen bei der Entwicklung von neuen Komponenten und Debuggen

Sicherheitsanforderungen

Da das PQopen Messgerät in einem elektrischen Umfeld arbeitet, sind Sicherheitsaspekte besonders wichtig:

Sichere Kommunikation und Zugriffskontrolle

• Alle Datenübertragungen über das Internet müssen verschlüsselt erfolgen (VPN, SSH). Kein ungesicherter Zugriff von außen auf das Messgerät.
  • Messdaten könnten sensible Informationen enthalten (z. B. Verbrauchsverhalten).
  • Unbefugter Zugriff könnte zu Manipulationen oder Cyberangriffen führen.
• Ausnahme: Innerhalb eines lokalen Netzwerks darf die Kommunikation unverschlüsselt erfolgen.
  • Für einfache Nutzung in geschlossenen Labor- oder Testumgebungen.

Systemabgrenzung & Systemkontext

Die Systemabgrenzung definiert die Grenzen eines Systems, also welche Komponenten oder Funktionen innerhalb des Systems liegen und welche extern sind. Damit wird geklärt, was zum System gehört und welche externen Einflüsse berücksichtigt werden müssen.

Der Systemkontext beschreibt die Umgebung des Systems, einschließlich:

• Externe Schnittstellen (andere Systeme oder Benutzer, mit denen das System interagiert)
• Eingaben und Ausgaben (Daten oder Signale, die das System empfängt oder sendet)
• Externe Randbedingungen (Vorschriften, Umweltbedingungen, Einschränkungen)

Ein Systemkontextdiagramm stellt diese Zusammenhänge oft visuell dar.

Konkretes Beispiel: Systemkontext für das PQopen Messgerät

Systemgrenze – Was gehört zum System?

Das PQopen Messgerät selbst umfasst:

• Hardware (Konnektoren, Netzteil, Signalkonditionierung, ADC, Mikrocontroller, Embedded System)
• Software (Messalgorithmen, Datenverarbeitung, Schnittstellen)
• Kommunikation (WiFi, Speicherung, Echtzeitübertragung)

Externe Elemente – Was gehört nicht zum System, ist aber relevant?

• Anschlusskabel und Sensoren
• Stromversorgung (9-36 V DC)
• Benutzer (Techniker, Netzanalysten, Betreiber)
• Server / Cloud (für Datenübertragung und Speicherung sowie Zeitsynchronisation)
• Steuergeräte / andere IT-Systeme (z. B. für Visualisierung oder Analyse)
• Art und Ort der Nutzung (Nutzung im Schaltschrank, am Labortisch)
• Regulatorische Vorgaben (z. B. Normen EN 50160, EN 61000-4-30)

Wichtige System-Schnittstellen

• Konnektoren: Verbindungen zu Spannungsmessung und Stromwandlern; Anschluss der Power Supply
• Kommunikation: WiFi Datenübertragung an einen Server
• Benutzerschnittstelle: Konfiguration via Web-Interface oder TOML-Dateien
• Stromversorgung: Muss innerhalb des spezifizierten Bereichs (9-36 V DC) liegen

Beispielhafte Darstellung eines Systemkontextdiagramms

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Fazit

Eine erfolgreiche Produktentwicklung beginnt mit einer klaren und durchdachten Anforderungsanalyse. Unternehmen, die diesen Schritt überspringen oder vernachlässigen, riskieren hohe Kosten durch Fehlentwicklungen, Nachbesserungen und mangelnde Akzeptanz bei den Nutzern.

Beim PQopen-Projekt zeigte sich, dass durch präzise Anforderungen von Beginn an eine klare Richtung für die Entwicklung definiert werden konnte. Dies verhinderte unnötige Änderungen während der Umsetzung und sorgte dafür, dass das Endprodukt genau die Funktionen und Eigenschaften besitzt, die für den Einsatz in der Praxis erforderlich sind.

In den nächsten Teilen dieser Reihe werde ich auf die technische Konzeption und Prototyping eingehen. 🚀

Euer Michael