Modelle 4 & 5: Parkhaus

Ist das Parkhaus voll?

Klassenstufe

11-13

Zeitaufwand

2 Doppelstunden pro Lerneinheit (erweiterbar bis zu 10 DS)

Schwierigkeitsgrad

Modell: leicht bis mittel, Programmierung: leicht bis mittel

Modellart

Tischmodell für Parkhauschranken

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MODELLBESCHREIBUNG / AUFGABE

Die Schülerinnen und Schüler (SuS) planen und realisieren eine Parkhausschranke für die Ein- und Ausfahrt aus einem Parkhaus.

Die Anforderung zum Öffnen der Schranke erfolgt zunächst über einen Taster (Einfahrt) bzw. einen Button auf dem Display des TXT 4.0 Controllers (Ausfahrt).
Zwei LEDs geben Lichtsignale bei vollständiger Öffnung (grün) bzw. während des Öffnungs- und Schließvorgangs (rot). Über eine Lichtschranke wird überwacht, ob sich beim Schließvorgang ein Fahrzeug im Schrankenbereich befindet. Aus der Anzahl der Ein- und Ausfahrten wird die Anzahl der freien Stellplätze ermittelt und auf dem Display des TXT 4.0 Controllers ausgegeben, bei voller Belegung blinkt die rote LED (Parkhaus 1).

In einem zweiten Schritt schließen sich zwei Gruppen zusammen und verbinden ihre Modelle und Steuerungen so, dass eine Schranke zur Einfahrt, die zweite zur Ausfahrt dient (Parkhaus 2).

Im voll ausgebauten Modell wird die Schrankensteuerung um eine optische Kennzeichenerkennung mithilfe der USB-Kamera und eine automatische Parkpreisermittlung ergänzt (Parkhaus 3).

ALLTAGSBEZUG

Die schrankengsteuerte Zufahrt zu Parkplätzen und -häusern ist den SuS aus dem Alltag bekannt. Insbesondere die automatische Zufahrt durch optische Kennzeichenerkennung weist einen hohen motivationalen Wert auf. Eine Integration der Thematik in die vorberufliche Orientierung könnte im Hinblick auf informationstechnische Berufsfelder erfolgen. Hier wird das automatisierte Schalten durch das Erfassen physikalischer Größen in vielen Bereichen genutzt. In besonderer Weise wird die automatisierte Erkennung von Objekten in der Zugangstechnik zunehmend wichtiger.

Leitfragen

Wo ist eine automatische Schrankenanlage im Alltag einsetzbar? (Kommunikation)
Welche Funktionen muss die Steuerung der Parkhausschranke sinnvollerweise erfüllen? (Kollaboration)
Unter welchen Bedingungen soll das System öffnen bzw. schließen? (kritisches Denken)
Was ist zu berücksichtigen, damit die Steuerung an verschiedenen Standorten genutzt werden kann und das System möglichst robust funktioniert? (Kreativität)

Fächerbezug

Informatik

Fortgeschrittene Programmierung, Bedingungsschleifen, Funktionen

Mathematik

Winkel, bedingtes Zählen, Zeit- und Preisberechnung

Technik

Stabiles Bauen, Konstruktionstechnik

Physik

Bewegungsänderung

Unterrichtsverlauf

Unterrichtsgespräch

Bekanntgeben des Themas, ggf. Video „Wie die Fahrt ins Parkhaus vereinfacht werden soll“ zeigen:
→ www.regio-tv.de/mediathek/video/wie-die-fahrt-ins-parkhaus-vereinfacht-werden-soll
Abfragen, was die wesentlichen Merkmale der Schrankensteuerung sind.

ggf. Hilfestellung

Sensoren, Aktoren und Bauteile aus dem Baukasten zeigen, wenn nötig, Präsentationsmedien einsetzen.

Unterrichtsgespräch (mit App)

Die Vorgehensweise zum Bau des Modells und die zu erzielenden Funktionen werden gemeinsam erarbeitet.
Die Arbeitsschritte der App werden vorgegeben bzw. besprochen.

Partner- oder Einzelarbeit (mit App)

Die SuS machen sich mit der App vertraut und laden die entsprechende Aufgabe.
Die SuS definieren sinnvolle Funktionen einer automatisch öffnenden und schließenden Schranke.
Die SuS erstellen mithilfe der App die Anforderungsliste für die zu bauende Schrankenanlage.

Optionale Partner- oder Gruppenarbeit (ohne App)

Optional skizzieren die SuS die möglichen Aufbauten der Schranke mit weiterer Sensorik (Lichtschranke) und Aktorik (LED).
Die SuS diskutieren die Ergebnisse in der Gruppe und legen sich auf ein Design fest.

Optional: Vorstellung und Zuteilung von Differenzierung (mit App)

Für die Differenzierung infrage kommende SuS (oder die gesamte Gruppe) werden ggf. durch die Lehrperson angesprochen. Dabei wird die Kombination zweier Schranken zur getrennten Steuerung von Einfahrt und Ausfahrt in Gruppenarbeit vorgestellt.
Als weitere Differenzierung (oder direkt nach dem ersten Programm ohne anschließende Gruppenarbeit) werden die USB-Kamera und das Erkennen und Auswerten von Kennzeichen in der App angeboten. Die App bietet konkrete Ideen für z. B. eine Zeiterfassung und Berechnung von Parkgebühren.

Partner- oder Gruppenarbeit (mit App)

Falls notwendig, Rückbau der Verknüpfung zweier Schranken und Weiterarbeit in den einzelnen Gruppen
Anschließen der USB-Kamera
Umgang mit dem Strichcode und dessen Decodierung sowie Speicherung in einem neuen Programm
Laden des Programms aus Parkhaus 1
Gestaltung des Displays des TXT 4.0 Controllers lt. Lernkarten
Schrittweise Erweiterung des Programms: Erfassung und Speicherung einfahrender Kennzeichen, Berechnung der Parkdauer und der Gebühren ausfahrender Fahrzeuge
Simulation des Bezahlvorgangs und Öffnen der Schranke, jeweils Berechnung und Anzeige freier Stellplätze

Optional: Vorstellung und Zuteilung von Differenzierung

Besonders effizient arbeitenden Gruppen kann die Erweiterungsaufgabe gestellt werden, die einfahrenden Elektro- und Normalautos in getrennten Tabellen zu speichern und z. B. 4 Parkplätze für E-Autos und 6 Parkplätze für N-Autos vorzuhalten. Auch die Parkgebühren können differenziert berechnet werden. Hier ist selbstständiges Arbeiten ohne Lernkarten vorgesehen.

Diskussion im Plenum

Nachbesprechung des Projekts im Klassenverbund
Klärung von zukünftigen Einsatzmöglichkeiten im Alltag

Informationen und Hinweise

Methodisch-didaktische Hinweise

Differenzierungsmöglichkeiten

Je nach Dauer der Unterrichtsreihe und der Stärke der SuS können

zwei Gruppen ihre Anlagen als Einfahrt bzw. Ausfahrt eines Parkhauses zusammenstellen,
sie zwei TXT 4.0 Controller (Einfahrt/Ausfahrt) koppeln, um Zählergebnisse zu synchronisieren,
sie in Parkhaus 3 mithilfe der USB-Kamera die Kennzeichen zum Zugang sowie zur Ausfahrt die Parkzeit ermitteln und auf Basis der ermittelten Daten Parkgebühren auf dem Display anzeigen lassen.

Motivationale Aspekte

Das Thema automatische Schrankenanlage ist allen SuS aus dem Alltag bekannt. Eine automatische Kennzeichenerkennung, die
ggf. auf weitere Automatisierungsprozesse übertragbar ist, motiviert zu intensiver Auseinandersetzung und Lösung einer entsprechenden Aufgabe.

Zusatzmaterialien

Falls vorhanden, könnte für die Einführungsphase in das Thema ein Video genutzt werden.
Zeichenmedien (Papier, Whiteboard oder Projektionsfläche).

Bauanleitung Parkhausschranke

Stromlaufplan Parkhausschranke

Bauanleitung Kennzeichenerkennung

Stromlaufplan Kennzeichenerkennung

Funktionen des Modells und deren technische Lösungen

Funktionen der Sensoren / Aktoren	Technische Lösung
Ausführen einer Drehung eines Encodermotors	Ansteuern des Antriebsmotors für genau eine Drehung
Lichtsignale rote/grüne LED	Ansteuern der LED für freie Fahrt und Stopp
Unterbrechung der Lichtschranke Unterbrechung der Lichtschranke	Unterbinden der Schrankenbewegung Zählen der Autos
Kennzeichenerkennung durch USB-Kamera	Öffnen der Schranke
Parkhaus 2: Verbindung zweier TXT 4.0 Controller	Getrennte Ansteuerung von Ein- und Ausfahrtschranke Datenaustausch zwischen zwei TXT 4.0 Controllern
Parkhaus 3: Kennzeichenerkennung durch USB-Kamera	Strichcode-Decodierung Programmierung und Auswertung von Start- und Endzeiten Berechnung von Parkgebühren

Materiallisten

Sensoren	Funktion
1 On/Off-Taster am TXT 4.0 Controller	1. Einschalten der Schrankensteuerung 2. Not-Stopp der Schranke
1 Fototransistor	Unterbrechungserkennung Lichtschranke, Empfänger
1 USB-Kamera	Strichcodeerkennung
1 Mini-Taster	Bedarfsanforderung zur Einfahrt
1 Mini-Taster	Statusabfrage der Schranke (offen oder geschlossen)

Aktoren	Funktion
1 Encodermotor	• Bewegung • Zählen der Umdrehungen
2 LEDs (1 × rot, 1 × grün)	Zustandsanzeige
1 LED (weiß)	Beleuchtung Lichtschrankensensor