Betretungsdetektor

Wer war schon wieder in meinem Zimmer?

Der Betretungsdetektor mit dem BBC micro:bit im Einsatz

„Jaaaaakob! Warst du schon wieder in meinem Zimmer?“, schallt es durch die Wohnung und Lea ist wieder mal außer sich.

„Nein? War ich gaaanz sicher nicht, ich schwör‘s“, antwortet Jakob kleinlaut (mit überkreuzten Fingern hinter dem Rücken). „Wie kommst du darauf? Das kannst du doch gar nicht wissen!?“

„Doch in diesem Fall schon und du bist sogar schon überführt! Mama ist den ganzen Tag arbeiten, Papa seit Stunden mit Einkaufen beschäftigt, ich war nur kurz bei meiner Freundin und trotzdem war jemand zweimal in meinem Zimmer. Da bleibst nur du übrig …“

„Das bildest du dir bloß ein. Fehlt irgendwas oder ist was kaputt, sodass du das feststellen könntest?“

„Nein, aber mein selbst gebauter Betretungsdetektor hat mir nach meiner Rückkehr gesagt, dass die Tür dreimal geöffnet und wieder geschlossen wurde.“, antwortet Lea und zeigt triumphierend auf ihren BBC micro:bit in der Hand, auf dem die große, leuchtende Ziffer 3 zu sehen ist. „Was sagst du jetzt?“

„Äääh …“

Aufgabenstellung

In Filmen sieht man oft, wie Geheimagentinnen oder -agenten einen dünnen Faden oder einen Klebestreifen zwischen Türrahmen und Türe befestigen, um zu überprüfen, ob jemand in ihrer Abwesenheit in ihrem (Hotel-)Zimmer gewesen war. Mit dem BBC micro:bit können wir das eleganter lösen und nicht nur feststellen, ob, sondern sogar mitzählen wie oft jemand die Tür geöffnet hat. Das geht ganz leicht mit Hilfe eines Magneten. Einfach den Magneten am Türrahmen und den BBC micro:bit, der einen Sensor zum Messen der Magnetfeldstärke besitzt, an der Türe befestigen, am besten recht nahe beieinander, und schon kann man dauerhaft prüfen, ob die Tür geöffnet wurde: Wird die Tür geöffnet, entfernen sich BBC micro:bit und der Magnet voneinander und die gemessene Magnetfeldstärke sinkt unter einen bestimmten Schwellwert. Wird sie wieder geschlossen, steigt der gemessene Wert wieder darüber an. Wichtig für die Zählung ist, dass die Tür nach Anbringung des Magneten und des BBC micro:bit im geschlossenen Zustand ist. Sobald die Tür offen ist, zählt der BBC micro:bit so lange und so schnell nach oben, bis die Tür wieder geschlossen wird, und das wollen wir ja nicht. Aber das ist für dich mit Hilfe einer Variablen sicher kein Problem...

Großaufnahme des Betretungsdetektors mit dem BBC micro:bit

Materialien

• BBC micro:bit
• 1 kleiner, guter Magnet
• 2 kleine Stücke doppelseitiges Klebeband (oder andere Ideen zum Befestigen von Magnet und BBC micro:bit an Tür und Türrahmen)

Zeitaufwand

• ca. 1 Schulstunde, eventuell mehr, wenn man (optional) auch die Stärke des Magneten ausmessen und berücksichtigen will

Schwierigkeitsgrad

Kompetenzen

Du lernst

• vernetzt und fachübergreifen zu denken
• das Formulieren und Kodieren von einfachen Abläufen in formalen Algorithmen
• das Arbeiten mit verschiedenen Materialien und Werkzeugen (Magnete, Klebeband bzw. Halterungen)
• das Messen einer physikalischen Größe (Magnetfeldstärke), um einen geeigneten Schwellwert zu bestimmen (optional)

Unterrichtsfächer

• Informatik
• Werken
• Physik

Tipps und Hilfestellung

• Zuerst solltest du dir überlegen, wie du am besten den BBC micro:bit mitsamt den Akkus und auch den Magneten auf Tür und Türrahmen festmachen willst. Doppelklebeband? Knetmasse? Ring aus Klebestreifen mit der Klebeseite nach außen? Bitte achte darauf, dass die beiden möglichst nahe beieinander befestigt werden, da die Magnetfeldstärke mit zunehmender Entfernung sehr rasch (dein Physiklehrer, deine Physiklehrerin würde sagen: „mit dem Quadrat der Entfernung“) abnimmt!
• Je nachdem, welchen Magneten du verwendest, sind auch die gemessenen Werte unterschiedlich hoch. Bei starken Magneten höher, bei schwachen niedriger. Dementsprechend kann auch der Schwellwert, bei dem du feststellst, dass die Tür geöffnet wurde, unterschiedlich hoch sein. Am besten misst du das einmal aus, bevor du alles an der Tür festmachst. In jedem Browser mit WebUSB (z.B. Chrome) kann man sich die Konsole zum BBC micro:bit anzeigen lassen. Das sieht dann z.B. so aus:

Screenshot der übertragenen Magnetfeldstärkedaten des BBC micro:bit

In diesem Fall wurde die Tür mehrmals geöffnet (niedriger Wert, weil der Magnet weiter vom BBC micro:bit entfernt ist) und geschlossen (höherer Wert). Hier sieht man, welche Messwerte entstehen, wenn ein bestimmter Magnet sich in der Nähe des BBC micro:bit befindet (ca. 300) und wieder wegbewegt wird (ca. 50). Auch der niedrigere Wert kann sich unterscheiden, je nachdem, welche und wie viele andere elektronische Geräte in der Nähe sind, die ebenfalls ein Magnetfeld erzeugen! Ein guter Schwellwert liegt dann in etwa in der Mitte dieser beiden Werte (hier ca. 150).

Weitere Infos, Hinweise und auch eine mögliche, komplette Lösung findest du auf der Lösungsseite zu diesem Beispiel.

Präsentation und Reflexion

1. Stelle dein Ergebnis vor! Was kann dein Projekt? Funktioniert der Standard-Schwellwert der Magnetfeldstärke bei dir? Hast du einen besseren gemessen bzw. ermittelt?
2. Was hat dir bei der Entwicklung deines Produkts gefallen?
3. Welche Schwierigkeiten hast du gehabt? Wie konntest du sie lösen?
4. Erläutere, wie dein Programm aussieht!
5. Wo könnte man so einen „Betretungsdetektor“ noch verwenden, um zu prüfen, ob jemand unbefugt ein Zimmer oder Ähnliches betreten hat? Fallen dir noch weitere Anwendungsfälle ein?
6. Wie könnte man das System austricksen, sodass der Detektor nicht anschlägt?

Weiterentwicklung

• Ausmessen des Magneten über die USB-Schnittstelle, Anzeigen der Messdaten in Echtzeit: In jedem Browser mit WebUSB kann man sich die Konsole zum BBC micro:bit anzeigen lassen, darüber kann man die aktuell gemessenen Daten anschauen und die optimalen Werte für die Magnetfeldstärke ermitteln, z.B. mit „Dauerhaft: Seriell Zeile ausgeben …“.
• Wenn man schon feststellt, ob Türen oder Fenster geöffnet werden, könnte man ja auch nicht nur zählen wie oft, sondern auch gleich einen Alarm ausgeben.
• Der BBC micro:bit hat auch eine Bluetoothfunktion. Damit könnte man auch z.B. die Daten aus der Ferne über Bluetooth auslesen und am Handy anzeigen, oder auch gleich am Handy einen Alarm ausgeben. Welche Funk-Reichweite hat Bluetooth?