Thomas ist wissenschaftlicher Mitarbeiter (Post-Doc) am Institut für Geoinformatik (ifgi) der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster und dort auch Gründer und Leiter des Schüler- und Forschungslabors GI@School, in dem neue Technologien im Kontext Digitaler Bildung entwickelt und erforscht werden. Er leitet das vom BMBF geförderte Citizen-Science-Projekt »senseBox« und ist Mitverfasser der Dagstuhl-Erklärung »Bildung in der digitalen vernetzten Welt« der Gesellschaft für Informatik. Seine Arbeiten wurden mit mehreren Preisen ausgezeichnet, unter anderem mit dem ACM Eugene Lawler Award 2013 der internationalen Informatikervereinigung für seinen humanitären und gesellschaftlichen Beitrag zur Informatik.
David hat BWL und Information Systems an der Universität Münster studiert und ist als Gründungsmitglied und Geschäftsführer der Reedu – Reengineering Education GmbH & Co. KG – aktiv. Über innovative Workshopkonzepte und Bildungsprodukte im Bereich Digitale Bildung hinaus entwickelt und vertreibt Reedu die senseBox. Neben seinen organisatorischen Tätigkeiten findet David immer wieder Zeit, sich mit der Schnittstelle zwischen digitaler Bildung, Umwelttechnologie und Internet of Things auseinanderzusetzen.
Jonas studiert ebenfalls Informatik am Karlsruher Institut für Technologie. Neben seinem Studium beschäftigt er sich viel mit Musik, weshalb sein erstes Projekt die Umfunktionierung der senseBox zu einem Musikinstrument war. Die Vielfältigkeit der senseBox hat ihn begeistert, und er hat inzwischen auch schon mehrere Workshops für die senseBox geleitet.
Mario hat Chemie und Geografie an der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster studiert und begleitet das senseBox-Projekt bereits seit dem Beginn, zuerst als studentische Hilfskraft und mittlerweile als wissenschaftlicher Mitarbeiter. In dieser Zeit entwickelte er die grafische Programmieroberfläche und eine Vielzahl von verschiedenen Lernmaterialien. Neben diesem Buch ist er auch Autor des Calliope-Buchs, das auch im dpunkt.verlag erschienen ist.
Lucas studiert Informatik am Karlsruher Institut für Technologie. Er beschäftigt sich gerne und intensiv mit der senseBox und anderen Entwicklerboards. Dabei entwickelte er schon mehrere wiederverwendbare Bibliotheken, wie z.B. die Graph-Bibliothek zur Visualisierung von Sensordaten. Abseits von seiner Arbeit mit der senseBox interessiert Lucas sich für Techniken des maschinellen Lernens, insbesondere des Maschinensehens.
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12 Projekte rund um Sensoren, Umwelt und IoT
Thomas Bartoschek · bartoschek@uni-muenster.de
David Fehrenbach · david.fehrenbach@uni-muenster.de
Jonas Fehrenbach · jonas.fehrenbach@synolus.com
Mario Pesch · mario.pesch@uni-muenster.de
Lucas Steinmann · lucas.steinmann@gmail.com
Lektorat: Dr. Michael Barabas
Projektkoordinierung/Lektoratsassistenz: Anja Weimer
Copy-Editing: Claudia Lötschert, www.richtiger-text.de
Satz: Birgit Bäuerlein
Herstellung: Stefanie Weidner
Umschlaggestaltung: Helmut Kraus, www.exclam.de
Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.
ISBN:
Print 978-3-86490-684-8
PDF 978-3-96088-836-9
ePub 978-3-96088-837-6
mobi 978-3-96088-838-3
1. Auflage 2019
Copyright © 2019 dpunkt.verlag GmbH
Wieblinger Weg 17
69123 Heidelberg
Hinweis: Dieses Buch wurde auf PEFC-zertifiziertem Papier aus nachhaltiger Waldwirtschaft gedruckt. Der Umwelt zuliebe verzichten wir zusätzlich auf die Einschweißfolie. |
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Die vorliegende Publikation ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte vorbehalten.
Die Anleitungen, Materialien und didaktischen Konzepte sowie dieses Buch sind Open Educational Resources (OER) unter der Creative Commons Lizenz CC BY SA 4.0 (siehe https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/legalcode.de).
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Liebe Leserinnen und Leser,
Programmieren lernen, die Umwelt vermessen, an Wissenschaft teilhaben, die Black Box aufbrechen, Offene Daten generieren, handlungsorientiert lernen, Transparenz schaffen, sich an Datenerfassung beteiligen, ein sinnvolles Produkt entwickeln sind Stichworte, die uns einfallen, wenn wir an die senseBox denken. Denn die Geschichte der senseBox hat uns an alle diese Themen und Fragen herangeführt und begleitet uns bis heute.
Entstanden ist die Idee zur senseBox am Forschungs- und Schülerlabor GI@School des Instituts für Geoinformatik an der Uni Münster, das sich damit beschäftigt, den Einsatz von (Geo)technologien in Bildungseinrichtungen praktisch und pragmatisch anzugehen. Das Programmierenlernen, aber eben auch Umweltfragen standen in unserer Arbeit mit Kindern und Jugendlichen immer im Vordergrund. Mit dem Einsatz von Mikrocontrollern und Umweltsensoren in Workshops stieg auch die Freude der Teilnehmer*innen, denn durch die haptische Herangehensweise und die Möglichkeit, echte Daten zu generieren, gab es besonders motivierende Faktoren. Die erfassten Umweltdaten sollten nach dem Einsatz der senseBox nicht verloren gehen, sodass wir die IoT-Datenplattform openSenseMap entwickelt haben und mit Blockly für die senseBox ein System, das die Programmierung stark vereinfacht hat.
So wurde die senseBox zu einem echten »Citizen Science Toolkit«, mit dem jede*r den wissenschaftlichen Prozess von der Fragestellung über den Bau und die Programmierung eines Messgerätes, die Erfassung und Veröffentlichung der Daten bis zur Datenanalyse komplett selbst machen kann.
Mit einer Förderung vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen der Förderrichtlinie Open Photonik konnte in den letzten Jahren geforscht werden und so das Ökosystem um die senseBox komplettiert und eine Community aufgebaut werden. Nicht zuletzt durch eine Reihe von Auszeichnungen, wie z.B. dem CeBIT Innovation Award 2017, einem Sonderpreis für Digitales Lehren und Lernen, konnten wir den Erfolg der senseBox festigen. Außerdem konnten wir durch eine Ausgründung aus der Universität die Nachhaltigkeit des Projektes gewährleisten und mit Re:edu (reengineering education) ein Start-Up gründen, das sich um die Vermarktung und Weiterentwicklung der senseBox kümmern kann.
Die senseBox und das gesamte Ökosystem folgen den Ideen von Open Science and Open Innovation. Die senseBox Hardware ist unter der CERN Open Hardware Lizenz 1.2 offen. Der Source Code der senseBox ist Open Source unter der LGPL 3.0 Lizenz verfügbar. Der Source Code der visuellen Programmierumgebung Blockly für senseBox ist Open Source unter der Apache 2.0 Lizenz verfügbar. Der Source Code der openSenseMap ist Open Source unter der MIT Lizenz verfügbar. Die mit den senseBoxen erfassten und auf der openSenseMap veröffentlichten Daten sind Open Data unter der Public Domain Dedication and License 1.0. Die Anleitungen, Materialien und didaktischen Konzepte sowie dieses Buch sind Open Educational Resources (OER) unter der Creative Commons Lizenz CC BY SA 4.0.
Das bedeutet, Leserinnen und Leser dieses Buchs können Projekte vervielfältigen, Kopien anfertigen und auch verändern, solange sie die Creative-Commons-Lizenz Namensnennung- Nicht Kommerziell-Share Alike 4.01 International einhalten.
Eine Vielzahl von Personen hat die senseBox und das gesamte Ökosystem zu dem gemacht, was es heute ist. Diese sollten auch an dieser Stelle neben den Autoren genannt werden, denn sie haben mit viel Engagement, Herzblut und Mühe zu diesem Erfolg beigetragen und sich im Rahmen von Bachelor-, Master- oder Projektarbeiten, als Mitarbeiter*innen im Projekt oder als Freiwillige, in die Entwicklung vieler Komponenten, von der Software über die Hardware bis zu den Lehr- und Lernmaterialien eingebracht. Dazu gehören unter anderen Manuela Benz, Gina Buchwald-Chassee, Jasper Buß, Marc Dragunski, Felix Erdmann, Joana Gockel, Björn Guntermann, Benjamin Karic, Lia Kirsch, Christoph Kisfeld, Sergey Mukhametov, Gerald Pape, Yannick Paulsen, Matthias Pfeil, Bernd van Rennings, Norwin Roosen, Niklas Schwendemann, Prof. Dr. Angela Schwering, Umut Tas, Eric Thieme-Garmann, Heike Wiefel, Jan Wirwahn, Verena Witte sowie eine Vielzahl von Schülerpraktikant*innen, Lehrer*innen, Student*innen, Kolleg*innen und der dpunkt.verlag, die mit Feedback aus dem jeweiligen Blickwinkel mitgeholfen haben.
Wir wünschen Ihnen viel Spaß beim Lesen und Ausprobieren, beim Erkunden, Beobachten und Messen, beim Programmieren, Hacken und Bauen und vor allem beim Lernen.
Thomas Bartoschek und die Autoren
P. S. Begleitmaterialien zum Buch finden Sie unter www.sensebox.de/buch
1Einleitung
1.1Die senseBox – Was erwartet dich in diesem Buch?
1.2Was steckt drin?
Die senseBox MCU
Die Sensoren
Weitere Bauteile
1.3Die Programmieroberfläche
Blockly für senseBox
Arduino und die Arduino-IDE
NEPO – openRoberta
1.4Sicherheitshinweise beim Arbeiten mit der senseBox
1.5Los geht’s
2Hello World
2.1Projektbeschreibung
2.2Benötigte Bauteile
2.3Los geht’s
Aufbau der Schaltung
Die Programmierung
2.4Die LED zum Leuchten bringen
2.5Die LED zum Blinken bringen
2.6Fehlersuche
2.7Aufgaben und weiterführende Ideen
3Erfasse deine Umwelt mit Sensoren
3.1Verwendete Bauteile
3.2Aufbau
3.3Die Programmierung
Anzeige von Text auf dem Display
Anzeige der Helligkeit auf dem Display
3.4Anzeige der Messwerte in einem Graphen
3.5Aufgaben und weiterführende Ideen
4Mit Knöpfen zur Logik
4.1Benötigte Bauteile
4.2Aufbau der Schaltung mit einem Button
4.3Die Programmierung
Der nicht-Operator
4.4Erweitern der Schaltung um einen zweiten Knopf
4.5Erweiterung der Programmierung
4.6Aufgaben und weiterführende Ideen
5Der akustische Schalter
5.1Klatsch, klatsch – Licht an!
5.2Benötigte Materialien
5.3Aufbau der Schaltung
5.4Die Programmierung
Schritt 1 – Auslesen des Mikrofons
Schritt 2 – Der akustische Schalter
5.5Aufgaben und weiterführende Ideen
6Zufälle mit dem senseBox-Orakel
6.1Projektbeschreibung
6.2Benötigte Bauteile
6.3Aufbau der Schaltung
6.4Würfelspiele
6.5Ein Orakel
6.6Aufgaben und weiterführende Ideen
7Jetzt wird’s bunt!
7.1Bringe Farbe in deine Projekte
7.2Benötigte Materialien
7.3Aufbau der Schaltung
7.4Die Programmierung
Die ersten Farben
Einen Farbwechsel programmieren
Der erweiterte Farbübergang
7.5Aufgaben und weiterführende Ideen
8Einparken leicht gemacht
8.1Projektbeschreibung
8.2Benötigte Bauteile
8.3Aufbau der Schaltung
8.4Die Programmierung
Messen der Distanz
Die Einparkhilfe
8.5Aufgaben und weiterführende Ideen
9Verkehrszähler
9.1Benötigte Bauteile
9.2Aufbau der Schaltung
9.3Autos zählen mithilfe des Abstands
9.4Den Verkehrszähler optimieren
9.5Speichern auf SD-Karte
9.6Einstellen der Distanz
9.7Aufgaben und weiterführende Ideen
10Techno mit der senseBox
10.1Projektbeschreibung
10.2Benötigte Bauteile
10.3Aufbau der Schaltung
10.4Erzeugen von Tönen
10.5Das Theremin
Aufbau der Schaltung
Programmierung
10.6Weitere Effekte
Lautstärkeregelung über den lichtabhängigen Widerstand
Unterbrechung der Tonausgabe
Eine variable Wartezeit
10.7Aufgaben und weiterführende Ideen
11IoT-Wetterstation
11.1Projektbeschreibung
11.2Benötigte Bauteile
11.3Aufbau der Schaltung
11.4Registrierung auf der openSenseMap
Anlegen eines Useraccounts
senseBox Registrieren
11.5Programmierung
11.6Aufgaben und weiterführende Ideen
12IoT-Alarmanlage
12.1Projektbeschreibung
12.2Benötigte Bauteile
12.3Alarmanlage mit Helligkeitssensor
