Robotik · Klasse 9

Erfassen.
Vernetzen.
Modellieren.

Du strukturierst Sensordaten, lässt Geräte nach vereinbarten Regeln kommunizieren und modellierst das Verhalten eines vernetzten Systems.

6 Lektionen1 Abschlussprojekt45–60 Minuten je Lektion

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Vom einzelnen Messwert zur vernetzten Umweltstation

So arbeitest du

Du legst Datenformate und Kommunikationsregeln fest, modellierst Zustände und prüfst, wie dein System mit fehlerhaften oder fehlenden Nachrichten umgeht.

Senden

Serielle Kommunikation

Bits werden zu Nachrichten.

Bei serieller Kommunikation werden Daten nacheinander übertragen. Sender und Empfänger müssen sich unter anderem auf Geschwindigkeit und Nachrichtenende einigen.

Arduino-Aufgabe

Gib Temperaturwerte mit Zeitstempel im seriellen Monitor aus. Untersuche, was bei unterschiedlichen Übertragungsgeschwindigkeiten geschieht.

Lerncheck

Warum benötigen beide Seiten dieselbe Baudrate?

Nur mit gleichem Zeittakt kann der Empfänger die übertragenen Bits zuverlässig zu Zeichen zusammensetzen.

Strukturieren

Datenformate

Eine Nachricht braucht Grammatik.

Feldnamen, Trennzeichen, Reihenfolge und Einheit machen Messdaten eindeutig. Ein festes Format ermöglicht automatische Verarbeitung und Plausibilitätsprüfungen.

Arbeitsauftrag

Entwirf ein kompaktes Format für Stationsnummer, Temperatur, Luftfeuchte und Zeitpunkt. Formuliere drei gültige und drei fehlerhafte Nachrichten.

Lerncheck

Warum sollte die Einheit festgelegt sein?

Ohne Einheit kann derselbe Zahlenwert unterschiedlich gedeutet werden, etwa als Grad Celsius oder Fahrenheit.

Modellieren

Zustandsautomaten

Verhalten wird übersichtlich.

Ein Zustandsautomat beschreibt zulässige Zustände, Ereignisse und Übergänge. Dadurch bleiben auch zeitabhängige und vernetzte Abläufe nachvollziehbar.

Arbeitsauftrag

Modelliere die Zustände MESSEN, SENDEN, WARTEN und FEHLER. Ergänze Ereignisse, Übergänge und eine Rückkehr aus dem Fehlerzustand.

Lerncheck

Was geschieht bei einem nicht vorgesehenen Ereignis?

Das Modell muss festlegen, ob es ignoriert wird, der Zustand erhalten bleibt oder ein Fehlerzustand folgt.

Verbinden

Protokolle

Kommunikation folgt Regeln.

Ein Protokoll legt fest, wer wann welche Nachricht sendet und wie der Empfang bestätigt wird. Adressen unterscheiden mehrere Geräte im selben Netz.

Arduino-Aufgabe

Plane einen Dialog zwischen Sensorstation und Zentrale mit Anfrage, Messantwort, Bestätigung und Zeitüberschreitung. Spiele ihn zu zweit durch.

Lerncheck

Wozu dient eine Empfangsbestätigung?

Der Sender erkennt, ob die Nachricht angekommen ist, und kann bei fehlender Bestätigung erneut senden oder einen Fehler melden.

Absichern

Fehler und Datenschutz

Nicht jede Nachricht ist zuverlässig.

Nachrichten können verloren, beschädigt oder gefälscht werden. Prüfsummen, Zeitstempel und Plausibilitätsgrenzen erhöhen Zuverlässigkeit; Datensparsamkeit schützt Menschen.

Arbeitsauftrag

Bewerte Messwerte von −80 °C, 21 °C und 350 °C. Lege fest, welche Daten eine Schul-Umweltstation wirklich speichern darf und wie lange.

Lerncheck

Beweist ein plausibler Messwert, dass er richtig ist?

Nein. Er liegt nur im erwartbaren Bereich; Sensorfehler oder veraltete Daten sind weiterhin möglich.

Auswerten

Datenreihen

Aus vielen Werten wird Information.

Zeitreihen zeigen Verlauf, Minimum, Maximum und Mittelwert. Ausreißer und Datenlücken müssen sichtbar bleiben, damit Ergebnisse nicht täuschen.

Arduino-Aufgabe

Erzeuge eine simulierte Messreihe, kennzeichne unplausible Werte und berechne den Mittelwert nur aus gültigen Daten. Begründe deine Auswahl.

Lerncheck

Warum sollte eine Datenlücke nicht einfach als null gespeichert werden?

Null wäre ein echter Messwert und würde Auswertungen verfälschen; „keine Messung“ muss eindeutig unterscheidbar sein.

Abschlussprojekt

Die vernetzte Umweltstation

Entwickle eine Station, die Umweltwerte erfasst, in einem dokumentierten Format sendet, ungültige Daten erkennt und bei Kommunikationsfehlern sinnvoll reagiert.

1 Daten auswählen2 Format festlegen3 Zustände modellieren4 Übertragung umsetzen5 Fehlerfälle testen

Im ESP32-Simulator beginnen ↗