4.9 KiB
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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.
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
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 |
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
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 |
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
# 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()
IoT-Kommunikationsprotokolle
MQTT
Publish/Subscribe-Prinzip:
Publisher Broker Subscriber
│ │ │
│──Topic: temp───>│ │
│ │──temp───> │
│ │ │
│──Topic: temp───>│ │
│ │ │
Beispiel (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
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
Handlungsphasen
- Analysieren: Bestehendes System verstehen
- Informieren: Technische Dokumentation studieren
- Planen: Komponentenauswahl, Konzept erstellen
- Implementieren: Software, Hardware integrieren
- Testen: Funktion prüfen, dokumentieren
- Reflektieren: Optimierungsmöglichkeiten finden
Prüfungsrelevanz
- Wichtig für Anwendungsentwicklung
- Projektion in LF 10a-12a
- Praxisbezug für Abschlussprojekt
Querverweise
Stand: 2024 | Quelle: KMK Rahmenlehrplan 13.12.2019