Smarthome gestalten mit Calliope

Die Einheit „Smarthome“ lässt sich in mehreren Bereichen des Sachunterrichts und (fächerübergreifend) auch im Kunst- bzw. Werkunterricht verankern. Besonders gut fügt es sich in das Thema „Elektrizität“ aus dem Perspektivbereich Technik ein. 

Im Rahmen des Projekts InfGSNds ging es in einem Modul um Sensoren des Calliope. Wir hatten also bereits im Vorfeld einige Grundkenntnisse im Programmieren erarbeitet, die wir nun anwenden konnten.

Wenn man keine Einheit „Elektrizität“ vorschiebt, sollte man mit den Kindern zumindest den Aufbau eines einfachen Stromkreises thematisieren sowie die Funktion eines Schalters genauer erklären.  Zum Thema „Schalter“ gibt es eine schöne kleine Übersicht vom „Haus der kleinen Forscher“ (s.Anhang) und einen Erklärfilm von „Wissen macht Ah!“ 

SmartHome ist – vereinfacht gesagt – ein intelligentes Zuhause. Gesteuert wird es über Sensoren und Programme (Apps). Ziel des „intelligenten Wohnens“ ist es, Wohn- und Lebensqualität zu steigern, Sicherheit zu gewährleisten und Energienutzung effizient zu gestalten. Hier gibt es dazu einen schönen Film auf WDR.

Sensoren können z.B. Temperatur oder Druck, optische oder akustische Signale messen und wandeln sie in elektrische Signale um. Mithilfe dieser elektrischen Signale werden Aktoren gesteuert, die einen entsprechenden Befehl umsetzen, bspw. das Einschalten einer Beleuchtung durch Bewegungsmelder. Sensoren sind in der Technik allgegenwärtig und auch aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken.

Der Calliope bringt gleich mehrere Sensoren mit:

  • Temperatursenso
  • Lichtsensor
  • Beschleunigungs- und Bewegungssensor
  • Kompass
  • Mikrophon

Um den Einstieg zu vereinfachen, wird zunächst eine Alarmanlage  mit einfachem Stromkreis gebaut.

Der Calliope wird zunächst nur als Signalausgabegerät hinter einem Schalter eingebaut. Programmiert wird eine einfache Wenn – Dann – Sonst – Schleife: Wenn Stromkreis geschlossen, gebe Bild/Text aus, sonst gebe Signal aus. Hier hat sich der Chips-Tresor als sehr geeignet erwiesen.

Checkerfrage: Wer hat eigentlich die erste Alarmanlage gebaut?

( Die erste moderne »Gefahrenmeldeanlage« erfand der Tüftler Augustus Russell Pope 1853 in der Nähe von Boston in den USA, sie war elektromagnetisch und wurde sogar zur Überwachung von Gebäuden in New York eingesetzt. Etwa ab 1970 wurde zusätzlich einen Bewegungsmelder integriert. Heutzutage gibt es drahtlose Funkalarmanlagen mit Videoüberwachung und Internetanschluss, die sich per Smartphone steuern lassen.)

Im nächsten Schritt kommt dann der Lichtsensor hinzu.

Der externe Stromkreis wird nun weggelassen. Mit dem Lichtsensor und Lautsprecher kann man eine Alarmanlage bauen, die Bewegungen feststellt und dann einen Alarm auslöst. 

Das kann zum Beispiel eine Schubladensicherung sein: Der Calliope mini zeigt beim Öffnen eines Schubfaches mit einem Blinksignal an, dass der Einbruch bemerkt wurde und gibt einen Signalton aus. Optional kann er an einen verstecken Calliope mini über Bluetooth den Einbruch melden.

Oder der Lichtsensor miss die Helligkeit. wenn jemand an der Alarmanlage vorbeiläuft. Die Person wirft einen Schatten auf das Calliope-Board, und es wird dunkler. Der Lichtsensor bemerkt den Unterschied und schickt ein Signal an den Lautsprecher, das ihn laut aufpiepsen lässt. Aus der Programmierung der Alarmanlage, die ja schützende Funktion hat, kann man ohne Probleme eine helfende Funktion entwickeln, indem der Lichtsensor des Calliope die Steuerung der Lichtausgabe übernimmt. 

Dazu könnte man nun eine einfache LED-Reihenschaltung bauen, die sich bei Bewegung oder zunehmender Dunkelheit einschaltet. 

Oder Musik erklingen lässt. Oder den Fernseher einschaltet. Oder…. (weitere Ideen im Film vom WDR oder einfach mal die Kids recherchieren lassen). Auch über nachhaltige Einsatzmöglichkeiten sprechen (Wasserverbrauch/Strom/Heizung)

Aus diesen Ideen suchen sich die Schüler nun zwei Möglichkeiten aus, mit denen sie ihr eigenes SmartHome gestalten und programmieren ihre Calliope dementsprechend.

Damit wären wir nun im gestalterischen Bereich angelangt. 

Die Schuhkartons können entweder nebeneinander angeordnet werden und sind dann von oben bedienbar, oder man verklebt sie übereinander wie ein klassisches Puppenhaus. Zweite Variante bietet die Möglichkeit, aus den einzelnen Arbeiten eine kleine Stadt zu gestalten.

Ausgestaltet werden die Häuser mit selbst erstellten Möbeln, Tapetenresten (einfach nach Musterbüchern im Fachhandel fragen) und Bodenbelägen (Teppich-/Vinylreste). 

Möbelvorlagen findet man auf diversen Internetseiten, ansonsten die Kinder einfach ausprobieren lassen.

Ich habe mich bewusst für Partnerarbeit entschieden. Dabei hatten die Kinder pro „Smarthome“ zwei Calliope zur Verfügung.

Nach der Gestaltung wurden dann die Calliope eingebaut und ausgetestet.

Wir haben insgesamt länger als die geplanten 9 Unterrichtsstunden benötigt. Die Bastelarbeiten haben sich über drei Doppelstunden erstreckt, das anschließende Programmieren ebenfalls. 

Da einige SuS von der Aufgabe, selber eine Einsatzmöglichkeit zu programmieren überfordert waren, habe ich Codeschnipsel zu Auswahl angeboten: 

  • Calliope gibt auf Kopfdruck (Taste A) Bild aus, das bei Druck auf Taste B wechselt (Fernseher / digitaler Bilderrahmen)
  • Calliope gibt auf Knopfdruck Ton aus (Radio/Musikbox)
  • Calliope gibt bei Kopfdruck Licht aus (LED), das bei Tastenwechsel Farbe ändert. 

Calliope gibt Aktion aus, wenn es hell / dunkel wird (Sensor). 

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