Physik | Technik

Janosch Jörg, 2000 | Baden, AG
Severin Zimmermann, 1999 | Ennetbaden, AG

In dieser Arbeit haben wir uns damit auseinandergesetzt, ein modulares Messsystem zu entwickeln, mit dem sowohl Laien als auch Fachpersonen arbeiten können. Um dieses Ziel zu erreichen, haben wir auf verschiedene technische Tools wie ein Raspberry Pi, einen Webserver, I2C-Sensoren sowie eine Web-App zurückgegriffen. Für die Auslesung der Sensoren, die Entwicklung der Web-App und die Datenspeicherung des Webservers setzten wir unter anderem die Programmiersprachen Python, JavaScript und PHP ein. Das fertige Messsystem erlaubt die grafische Darstellung der Messwerte, den Export der Daten für die individuelle Weiterverarbeitung sowie die Überwachung der Messungen, um bei Überschreitungen individuell definierter Grenzwerte per E-Mail zu alarmieren. Die Verwendung von plug ‘n’ log ist äusserst komfortabel und einfach, trotzdem bietet es auch für professionelle Zwecke attraktive Funktionen.

Fragestellung

Bei der Entwicklung von Messgeräten muss oft ein Kompromiss zwischen Funktionalität und Benutzerfreundlichkeit eingegangen werden. Wird das Produkt für den Laienanwender entwickelt, so ist der Funktionsumfang oft sehr eingeschränkt. Auf der anderen Seite sind professionelle Lösungen meist viel zu teuer und komplex für unerfahrene Nutzer. Um diese Lücke zu überbrücken, haben wir uns zum Ziel gesetzt, ein modulares Messgerät zu entwickeln, das keinerlei technische Kenntnisse erfordert und es dennoch ermöglicht, langsame Prozesse messen zu können. Mit der Plug-‘n’-play-Funktionalität sollen Werte wie Temperatur, Spannung, Helligkeit und diverse andere Umwelteinflüsse gemessen und auf einfache Art und Weise direkt grafisch dargestellt werden.

Methodik

Für den Erfolg unseres Projekts war insbesondere die Planung enorm wichtig. Deswegen haben wir uns vor dem eigentlichen Projektstart Gedanken über die einzelnen Komponenten und Arbeitsmethoden gemacht. Wir unterteilten unser Projekt in zwei Kategorien mit je zwei Komponenten: Die Hardware, die der Benutzer für seine Messungen einsetzt, besteht aus I2C-Sensoren und einem Raspberry Pi. Zu der Software, die die Messdaten aufbereitet und dem Nutzer zugänglich macht, zählen ein Server und eine Web-App. Die I2C-Sensoren verfügen über eine standardisierte Kommunikationsschnittstelle, über die man die Sensoren mit dem Raspberry Pi verbinden kann. Den Raspberry Pi haben wir so programmiert, dass er die Sensoren ausliest und an den Server sendet. Dort werden die Daten anschliessend verarbeitet und abgespeichert. Zu guter Letzt werden die Messwerte in der Web-App visuell dargestellt. Dort können ebenfalls diverse Einstellungen vorgenommen werden.

Ergebnisse

Nach Abschluss der Entwicklungsarbeiten waren wir im Besitz eines Messsystems, das ohne technisches Vorwissen schnell eingesetzt werden kann. Dennoch ist es dank Funktionen wie der E-Mail-Alarmierung im Falle von Grenzwertüberschreitungen oder dem Exportieren der Messwerte in einem genormten Format auch im wissenschaftlichen Alltag ohne Kompromisse anwendbar. Um die Zuverlässigkeit zu überprüfen, haben wir unser Produkt etlichen Stresstests unterzogen. Ebenso holten wir uns Rückmeldungen beider Zielgruppen ein und ergänzten die gewünschten Funktionen.

Diskussion

Wenn wir die Ergebnisse und das fertige Produkt mit der anfänglichen Fragestellung vergleichen, können wir sagen, dass wir diese aufgreifen und das Problem lösen konnten. Wir haben ein Messsystem entwickelt, das von jedermann verwendet werden kann. Jedoch ist es sicher noch nicht fertig. Es gibt noch viel Verbesserungspotenzial, zum Beispiel bei der Darstellung der Messwerte. Da wir uns bewusst waren, dass das Projekt ein offenes Ende hat und stetig optimiert und erweitert werden kann, haben wir uns auf einzelne wesentliche Punkte konzentriert, um uns einen Rahmen vorzugeben. Heute würden wir die Prioritäten etwas anders setzen: Anstatt möglichst viele Sensoren anzusteuern, würden wir ein stärkeres Augenmerk auf die Optimierung der Benutzeroberfläche legen. Alles in allem betrachten wir unsere Arbeit als gelungen und einsatzfähig.

Schlussfolgerungen

Das Messsystem ist funktionstüchtig. Das System braucht nur eingesteckt und mit dem Internet verbunden zu werden und schon können die Messungen beginnen. Die Web-App ist einerseits einfach zu bedienen und das Konfigurieren der Messungen verläuft schnell und komfortabel. Andererseits bietet das Projekt noch viel Potenzial für weitere Optimierungen und Funktionserweiterungen. Beispiel dafür ist eine umfangreichere Zugriffskontrolle mithilfe von Accounts und Verwaltungsrechten.

Würdigung durch den Experten

Prof. Martin Pischtschan

Das Projektteam hat es sich zur Aufgabe gemacht ein Messmittel zur Messung physikalischer Grössen zu entwickeln, welches auch von Laien intuitiv verwendet werden kann. Dazu hat man sich für eine Lösung mit einem Raspberry Pi und Sensoren mit Standard-Schnittstellen entschieden, bei der die Messdaten über einen Webserver zugänglich gemacht werden. Das finale Produkt erfüllt die erwähnten Kriterien und bietet dem Anwender die Möglichkeit, dem heutigen digitalen Zeitalter entsprechend, sowohl die Parametrierung und Messung als auch die Auswertung über einen Webbrowser vornehmen zu können.

Prädikat:

sehr gut

Berufsmaturitätsschule Zürich
Lehrer: Dr. Jürg Pöttinger

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