Themen der Lehrveranstaltung
M1: - Einführung in Sensoren und Messprinzipien: Verstehen, was Sensoren sind, wie sie funktionieren und welche Rolle sie bei der Umwandlung physikalischer Phänomene (z. B. Temperatur, Licht, Kraft) in elektrische Signale spielen. - Sensortypen und ihre Anwendungen: Erkundung verschiedener Sensortypen (z. B. Temperatur-, Feuchtigkeits-, Licht- und Magnetfeldsensoren), ihrer Funktionsprinzipien und der häufigsten Anwendungen in der Praxis. - Praktische Umsetzung von Sensorsystemen M2: • Arduino Output (mit einem starken Fokus auf Programmierung, Digital, Analog, PWM, ADC) • Arduino Input: Schalter, Arbeiten mit Sensoren • AdvancedIO: FSR, Dehnungssensoren, Empfindlichkeit, Offset, Genauigkeit, Dynamikbereich, Linearität und Rauschen, Signalfilterung (Mittelwertfilter, EMA, WEMA etc.) • Motoren: ERM/LRA, Interrupts, Speicherverwaltung • Serielle Kommunikation (Sensoren zu Mikrocontroller, Mikrocontroller zu Computer, etc.), I2C, Serielles Peripherie-Interface (SPI) • Drahtlose Sensornetzwerke (z. B. Kommunikationsarchitektur, Protokolle, Sensorknoten etc.), WLAN/IEEE 802.11, Bluetooth/IEEE • MIDI/OSC-Kommunikation • ESP32-Architektur & Graphik am ESP32-Display • Designrichtlinien & Prototyping-Fähigkeiten für die Gestaltung und Entwicklung vernetzter Sensoreinheiten • Technologietrends

Unterrichtsform
Vorlesungen und Laboratorien/Workshops

Bildungsziele
M1: In diesem Kurs werden Gestalter*innen dazu angeregt, durch das Prinzip „build to think“ ihre Ideen aktiv umzusetzen und dadurch ein tieferes Verständnis für interaktive Systeme zu entwickeln. Die Integration von Sensoren und drahtlosen Kommunikationstechnologien verleiht Geräten die Fähigkeit, miteinander und mit ihrer Umgebung zu interagieren – und erweitert so das Potenzial mobiler und vernetzter Anwendungen erheblich. Der Kurs geht über frühe physische Prototypen hinaus und zeigt, wie intelligente Sensoreinheiten von der Konzeption bis zur Umsetzung realisiert werden können. Die Teilnehmenden erlernen zunächst die Grundlagen der Elektronik, der Mikrocontroller-Programmierung und des physischen Prototypings mithilfe der Arduino-/ESP32-Plattform. Ein besonderer Fokus liegt auf den Messprinzipien und der Funktionsweise von Sensoren: Was sind Sensoren, wie funktionieren sie, und welche Rolle spielen sie bei der Umwandlung physikalischer Größen wie Temperatur, Licht oder Kraft in elektrische Signale, die von digitalen Systemen verarbeitet werden können? Der Kurs behandelt verschiedene Sensortypen und deren Anwendungskontexte – darunter Temperatur-, Feuchtigkeits-, Licht- und Magnetfeldsensoren. Die Studierenden analysieren die zugrunde liegenden Funktionsprinzipien und lernen deren Einsatz in realen Systemen kennen, z.¿B. in Smart Homes, Wearables, Umweltmonitoring oder interaktiven Installationen. Durch praktische Übungen zur Umsetzung von Sensorsystemen sammeln die Teilnehmenden Erfahrung im Einsatz digitaler und analoger Sensoren, LEDs und Motoren, um smarte Prototypen zu entwickeln, zu programmieren und individuell anzupassen. Ergänzend erwerben sie das theoretische Wissen, um eigene physische Prototypen zu gestalten, die drahtlos miteinander kommunizieren können. So entsteht ein ganzheitliches Verständnis für drahtlose Netzwerktechnologien und die Grundlagen moderner Sensortechnik – als Basis für die Entwicklung responsiver, vernetzter Systeme an der Schnittstelle zwischen digitaler und physischer Welt. M2: Am Ende dieses Kurses verfügen die Studierenden über fundierte Kenntnisse in der Arduino-Programmierung und sind in der Lage, mit digitalen und analogen Sensoren zu arbeiten und deren Funktionsprinzipien zu verstehen. Sie erwerben zudem Fachwissen in der Integration und Anwendung unterschiedlicher Sensortypen wie Kraftsensoren (FSR) und Dehnungssensoren. Dabei lernen sie, deren Empfindlichkeit, Genauigkeit und Störanfälligkeit einzuschätzen sowie geeignete Filtertechniken – wie gleitende Mittelwerte, exponentielle gleitende Mittelwerte (EMA) und gewichtete exponentielle Mittelwerte (WEMA) – zur Verbesserung der Signalqualität anzuwenden. Darüber hinaus lernen die Studierenden, Motoren – einschließlich ERM- und LRA-Typen – mithilfe von Interrupts anzusteuern. Sie werden in der Nutzung serieller Kommunikationssysteme wie I2C und SPI geschult, um eine effiziente Datenübertragung zwischen Sensoren, Mikrocontrollern und Computern zu ermöglichen. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf dem Entwurf drahtloser Sensornetzwerke. Die Studierenden setzen sich mit Kommunikationsarchitekturen, Protokollen und Technologien wie WLAN (IEEE 802.11) und Bluetooth auseinander und lernen deren Einsatz in vernetzten Systemen kennen. Im Bereich ESP32-Programmierung vertiefen sie ihr Wissen, indem sie grafische Benutzeroberflächen und interaktive Widgets auf ESP32-Displays entwickeln. Abschließend stärken die Studierenden ihre Fähigkeiten im Design und Prototyping vernetzter Sensorsysteme und erhalten Einblicke in aktuelle technologische Entwicklungen und Trends in diesem dynamischen Feld

Art der Prüfung
Die zentrale Aktivität des Kurses ist ein Projekt, das in der Regel in Zweierteams bearbeitet wird. Zu Beginn des Semesters absolvieren die Studierenden jedoch auch individuelle Aufgaben. Diese frühen Aufgaben dienen dazu, allen Teilnehmenden die nötige praktische Erfahrung sowie ein grundlegendes Verständnis für die Konzeption und Umsetzung vernetzter Sensorsysteme zu vermitteln – eine Voraussetzung, um im weiteren Verlauf ein anspruchsvolles und interessantes Projekt realisieren zu können. Am Ende des Semesters präsentieren die Studierenden ihre Projekte im Rahmen der Prüfung individuell. Zusätzlich werden in der Prüfung Fragen zum gesamten im Kurs behandelten Stoff gestellt.

Bewertungskriterien
Jede Projektgruppe erhält ein Physical-Computing-Kit mit einem Arduino-/ESP32-kompatiblen Board sowie allen Komponenten, die nötig sind, um den Umgang mit Sensoren, Displays und Aktuatoren zu erlernen. Durch praxisorientierte Übungen während der Lehrveranstaltungen erwerben die Studierenden grundlegende Fähigkeiten im Aufbau typischer Schaltungen, die miteinander kommunizieren können. Parallel dazu arbeiten sie im Rahmen eines semesterbegleitenden Gruppenprojekts an der Entwicklung eines komplexen Systems – von der ersten Idee bis zur vollständigen Umsetzung. Die Studierenden werden dazu ermutigt, möglichst frühzeitig einen funktionierenden Prototyp zu entwickeln, der im weiteren Verlauf durch gezielte Tests weiter verbessert werden kann. Am Ende des Semesters präsentieren die Gruppen ihre Projekte den übrigen Teilnehmenden.