IoT-Projekt zur Überwachung der Temperatur in den Klassenzimmern

Einleitung

Im Juli 2024 haben die Schüler der Klasse IF11a im Unterricht bei ihrem Lehrer Mathias Maurer ein innovatives IoT-Netzwerk im dritten Stock der BSZ Roth eingerichtet. Ziel des Projekts war es, das Raumklima in den Klassenräumen zu überwachen und die Temperaturentwicklung in Räumen mit und ohne Klimaanlage zu analysieren (Bildmaterial siehe unten).

Das Projekt im Rahmen von Lernfeld 7 Cyber-physische Systeme ergänzen diente nicht nur der praktischen Anwendung, sondern auch der Vertiefung des Wissens aus anderen Lernfeldern. Die Schüler konnten ihr Wissen aus den folgenden Bereichen in die Praxis umsetzen:

  • Lernfeld 3: Clients in Netzwerke einbinden
  • Lernfeld 5: Software zur Verwaltung von Daten anpassen
  • Lernfeld 8: Daten systemübergreifend bereitstellen
  • Lernfeld 9: Netzwerke und Dienste bereitstellen
  • Projektmanagement mit Scrum

Hintergründe

Die steigenden Außentemperaturen und die damit verbundene Notwendigkeit, das Raumklima in Bildungseinrichtungen zu optimieren, waren die treibenden Kräfte hinter diesem Projekt. Die Schüler der Klasse IF11a nahmen ein Netzwerk und Sensoren in den Räumen R303, R305, R306, R309, R310 und R312 in Betrieb, um zu quantifizieren, wie sich die Klimatisierung auf die Raumtemperatur auswirkt.

Darüber hinaus wurde das Projekt mit Hilfe des agilen Projektmanagements mit Scrum umgesetzt und die Schüler konnten so praktische Erfahrungen in der Planung und Durchführung von Projekten sammeln.

Projektvorbereitung

Die Vorbereitung des Projekts umfasste mehrere Schritte:

  • Gruppeneinteilung nach Präferenzen und Fähigkeiten:
    • Hardware-Team: Dieses Team beschäftigte sich mit der Auswahl und dem Aufbau der notwendigen Hardwarekomponenten.
    • Netzwerk-Team: Hier lag der Fokus auf der Implementierung und dem Management des Netzwerks, das die verschiedenen Klassenräume miteinander verbindet.
    • Software-Team: Dieses Team war verantwortlich für die Entwicklung der Softwarelösungen, die zur Datenerfassung und -visualisierung benötigt wurden.
  • Brainstorming: Innerhalb der Gruppen fand ein intensives Brainstorming zur Umsetzung des Projekts statt.
  • Aufgabenteilung: Die Aufgaben wurden nach den Bereichen Hardware, Software und Netzwerk verteilt.
  • Dokumentation: Ein GitHub Repository wurde zur Versionsverwaltung und Dokumentation des Projekts erstellt.
  • User Storys: Es wurden User Stories erstellt, um die Umsetzung der Projektmanagementmethoden zu unterstützen.
  • Tasks und Issues: Aus den User Stories wurden im Sprint Planning Tasks abgeleitet, welche dann von den drei Projektteams umgesetzt wurden.

Arbeitsphasen

In der ersten Arbeitsphase wurde ein Server aufgesetzt. Dies umfasste die Installation aller erforderlichen Pakete und Software, die für den Betrieb des Systems notwendig sind. Ein zentraler Bestandteil dieser Phase war die Einrichtung einer Datenbank, die als Speicherort für die gesammelten Sensorwerte dient. Des Weiteren wurde ein MQTT Broker eingerichtet, der die Kommunikation zwischen den verschiedenen Komponenten des Systems ermöglicht. Um die gesammelten Daten besser visualisieren zu können, wurde ein Dashboard mit benutzerfreundlicher Oberfläche erstellt. Mit Hilfe von Python Skripten werden die empfangenen Daten in der Datenbank gespeichert.

Parallel zu den Arbeiten am Server wurde auch ein Client eingerichtet. Hierzu gehörte zunächst die Installation der erforderlichen Software, gefolgt von der Programmierung eines Skripts, das die Daten an den Server sendet. Der erste Raspberry Pi wurde manuell aufgesetzt. Um den Prozess zu optimieren, wurde von diesem Raspberry Pi ein Image erstellt, das anschließend auf alle anderen Geräte ausgerollt wurde.

In der dritten Arbeitsphase lag der Fokus auf dem Netzwerk-Setup. Zunächst wurde eine Grundplanung des Netzwerkaufbaus durchgeführt, um die Struktur und die Verbindungen der einzelnen Komponenten festzulegen. Die Verkabelung des Netzwerkschrankes wurde sorgfältig umgesetzt und dokumentiert. Anschließend erfolgte die Konfiguration des Routers sowie weiterer Access Points. Um die Kommunikation zwischen den Geräten zu optimieren, wurden die MAC-Adressen der Raspberry Pis ausgelesen und DHCP-Reservierungen angelegt, um sicherzustellen, dass jedem Gerät eine feste IP-Adresse zugewiesen wird.

Ein zentraler Bestandteil des Projekts war die Erhebung von Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Luftdruck mithilfe von Bosch BME688-Sensoren. Diese Sensoren sind über I2C an die Raspberry Pis angebunden, welche dann per WLAN und LAN mit dem Netzwerk verbunden wurden.

Der MQTT-Broker spielt eine entscheidende Rolle, indem er die Daten von den Sensoren (Publisher) empfängt und für die Abonnenten (Subscriber) veröffentlicht. Die gesammelten Daten werden in einer MariaDB-Datenbank gespeichert, die als Grundlage für die Visualisierung dient.

Um die erhobenen Daten anschaulich darzustellen, wird Grafana verwendet. Diese Plattform ermöglicht es, die Temperaturdaten in verschiedenen Skalen und Graphen zu visualisieren. Die Visualisierungen können über einen Webbrowser aufgerufen werden, was den Zugang zu den Informationen erleichtert.

Fazit

Das Projekt "Raumklima Überwachung" war ein voller Erfolg. Die Schüler konnten nicht nur technische Fähigkeiten im Bereich IoT und Datenmanagement erwerben, sondern auch wichtige Erfahrungen im Projektmanagement sammeln. Die Auswertung der Temperatur in Räumen mit und ohne Klimaanlage lieferte wertvolle Erkenntnisse zur Verbesserung des Raumklimas und somit der Lernbedingungen. Darüber hinaus wurde der Unterrichtsstoff fächerübergreifend vertieft und in der Praxis angewandt.

Die geplante Erweiterung des Projekts zur CO2-Messung zielt darauf ab, das Lüftungsverhalten in den Räumen weiter zu optimieren. Diese Maßnahme wird nicht nur die Raumluftqualität verbessern, sondern auch die Lernbedingungen für die Schülerinnen und Schüler nachhaltig fördern.

Die Lehrkräfte des BSZ Roth sind stolz auf die geleistete Arbeit und die Ergebnisse dieses Projekts. Wir freuen uns auf zukünftige Projekte, die den Schülerinnen und Schülern ermöglichen, ihre Fähigkeiten weiterzuentwickeln und innovative Lösungen zu erarbeiten.

Bilder zum IoT-Projekt
geschrieben am 15.10.2024