# LF 7: Cyber-physische Systeme ergänzen

> **2. Ausbildungsjahr** | Zeitrichtwert: **80 Stunden**

## Kernkompetenz

Die Schülerinnen und Schüler verfügen über die Kompetenz, die physische Welt und IT-Systeme funktional zu einem cyber-physischen System zusammenzuführen.

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## Lernziele

Nach diesem Lernfeld kannst du:
- [ ] Ein CPS analysieren und dessen Komponenten beschreiben
- [ ] Datenfluss an Schnittstellen verstehen
- [ ] Sensoren und Aktoren auswählen und integrieren
- [ ] IoT-Kommunikationsprotokolle anwenden
- [ ] Energiebedarf berechnen
- [ ] System testen und dokumentieren
- [ ] Sicherheitsaspekte berücksichtigen

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## Was ist ein CPS?

```
Cyber-Physical System (CPS)
│
├── PHYSISCHE WELT
│   ├── Sensoren (Messdaten erfassen)
│   └── Aktoren (physikalische Aktionen)
│
├── IT-SYSTEM
│   ├── Steuerung/Regelung
│   ├── Datenverarbeitung
│   └── Speicherung
│
└── KOMMUNIKATION
    ├── Netzwerkverbindung
    └── Protokolle (MQTT, REST, etc.)
```

### CPS vs. IoT

| Merkmal | CPS | IoT |
|---------|-----|-----|
| Fokus | Steuerung + Regelung | Vernetzung + Daten |
| Bereich | Produktion, Auto | Consumer, Gebäude |
| Echtzeit | Oft kritisch | Meist weniger |

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## Sensoren

### Typen

| Sensortyp | Messgröße | Anwendung |
|-----------|-----------|------------|
| Temperatursensor | °C/°F | Klimaanlage |
| Feuchtigkeitssensor | %rH | Gewächshaus |
| Drucksensor | bar/Pa | Hydraulik |
| Lichtsensor | Lux | Beleuchtung |
| Abstandssensor | cm/mm | Automatisierung |
| Füllstandssensor | % | Tank |
| Bewegungssensor | bool | Sicherheit |

### Schnittstellen

```
Sensor-Schnittstellen
├── Analog
│   ├── 0-10V
│   └── 4-20mA (Stromschleife)
├── Digital
│   ├── I2C (Two-Wire)
│   ├── SPI
│   ├── 1-Wire
│   └── UART
└── Funk
    ├── Zigbee
    ├── Bluetooth LE
    └── LoRa
```

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## Aktoren

### Typen

| Aktortyp | Funktion | Beispiel |
|---------|---------|---------|
| Relais | Schalten | Licht, Motor |
| Motor | Drehung | Roboterarm |
| Ventil | Durchfluss | Hydraulik |
| Heizelement | Wärme | 3D-Drucker |
| LED | Lichtsignal | Statusanzeige |
| Piezo | Tonalarm | Signalton |

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## Mikrocontroller & Einplatinencomputer

### Vergleich

| Plattform | Prozessor | RAM | GPIO | OS |
|-----------|-----------|-----|------|-----|
| **Arduino Uno** | ATmega328P | 2KB | 14 | Nein |
| **Raspberry Pi 4** | ARM Cortex-A72 | 8GB | 40 | Linux |
| **ESP32** | Xtensa | 520KB | 34 | FreeRTOS |
| **BBC micro:bit** | ARM Cortex-M4 | 256KB | 19 | Keins |

### Programmierung

```python
# Raspberry Pi / Python Beispiel
import RPi.GPIO as GPIO
import time

GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setup(18, GPIO.OUT)

try:
    while True:
        GPIO.output(18, True)  # LED an
        time.sleep(1)
        GPIO.output(18, False) # LED aus
        time.sleep(1)
except KeyboardInterrupt:
    GPIO.cleanup()
```

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## IoT-Kommunikationsprotokolle

### MQTT

**Publish/Subscribe-Prinzip:**

```
Publisher          Broker           Subscriber
    │                  │                │
    │──Topic: temp───>│                │
    │                  │──temp───>      │
    │                  │                │
    │──Topic: temp───>│                │
    │                  │                │
```

**Beispiel (Python):**

```python
import paho.mqtt.client as mqtt

def on_connect(client, userdata, flags, rc):
    client.subscribe("sensor/temperature")

def on_message(client, userdata, msg):
    print(f"Temperatur: {msg.payload.decode()}")

client = mqtt.Client()
client.on_connect = on_connect
client.on_message = on_message
client.connect("broker.example.com", 1883)
client.loop_forever()
```

### REST API

```
HTTP-Methoden:
GET    → Daten abrufen
POST   → Daten erstellen
PUT    → Daten vollständig ersetzen
PATCH  → Daten teilweise ändern
DELETE → Daten löschen
```

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## Energiebedarf

### Berechnung

```
P = U × I (Leistung = Spannung × Strom)

Beispiel:
Mikrocontroller: 5V × 0,5A = 2,5W
Stunden pro Tag: 24h
Verbrauch/Tag: 2,5W × 24h = 60Wh = 0,06kWh
Jahr: 0,06kWh × 365 = 21,9kWh
```

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## Handlungsphasen

1. **Analysieren**: Bestehendes System verstehen
2. **Informieren**: Technische Dokumentation studieren
3. **Planen**: Komponentenauswahl, Konzept erstellen
4. **Implementieren**: Software, Hardware integrieren
5. **Testen**: Funktion prüfen, dokumentieren
6. **Reflektieren**: Optimierungsmöglichkeiten finden

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## Prüfungsrelevanz

- Wichtig für Anwendungsentwicklung
- Projektion in LF 10a-12a
- Praxisbezug für Abschlussprojekt

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## Querverweise

- [[2-Ausbildungsjahr/LF6-Serviceanfragen|Vorher: LF 6]]
- [[2-Ausbildungsjahr/LF8-Daten-bereitstellen|Nachher: LF 8]]
- [[IoT-Programmierung|IoT-Programmierung Vertiefung]]

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*Stand: 2024 | Quelle: KMK Rahmenlehrplan 13.12.2019*