Escape Game: Ohmscher Tresor

Autoren:	Jan Rottländer, Jan Scharmann
Betreuer:	Prof. Schneider

Einleitung

Tief im Untergeschoss des alten HSHL-Laborgebäudes hat ein massiver Stromausfall das Sicherheitssystem lahmgelegt. Die elektronischen Stahltüren sind verriegelt, und die Luft wird langsam knapp. Der einzige Ausweg führt über eine Erfindung des paranoiden Chefingenieurs: Ein kompakter, schwerer Kasten, der unter den Mitarbeitern nur ehrfürchtig der „Ohmsche Tresor“ genannt wird.

In diesem Tresor liegt der physische Schlüssel für die Notentriegelung der Labortüren. Doch der Ingenieur traute keinen normalen Zahlenschlössern. Um den Tresor zu öffnen, muss ein präziser Stromkreis geschlossen werden. Auf dem flackernden LCD-Display des Tresors leuchtet lediglich eine letzte, kryptische Systemmeldung: „SPANNUNG: 5 V – ZIEL-STROM: 20 mA“.

Neben dem Tresor liegen mehrere seltsame, farbig markierte Bausteine und das hastig zurückgelassene Laborlogbuch des Ingenieurs. Eure Aufgabe ist klar: Ihr müsst die Gesetze der Elektrotechnik anwenden, um das System auszutricksen. Entschlüsselt mithilfe der Logbuch-Notizen die verborgenen Werte der bunten Bausteine, berechnet den exakt benötigten Widerstand und steckt die richtige Kombination in den Tresor. Nur wenn der Ohmsche Tresor die perfekten elektrischen Bedingungen misst, gibt er euer Ticket in die Freiheit preis.

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• Woraus besteht das Rätsel? Das Rätsel "Ohmscher Tresor" besteht aus einer kompakten Box mit einem LCD-Display und mehreren Steckplätzen. Die Spieler finden mehrere farblich markierte (Rot, Blau, Grün, ...), 3D-gedruckte "Widerstands-Bausteine" sowie ein fiktives Labor-Logbuch. Aus dem Logbuch müssen sie durch logische Deduktion die tatsächlichen Widerstandswerte der farbigen Steine herleiten. Auf dem Display wird die Lösung einer elektrischen Schaltung gefordert (z.B. „SPANNUNG: 5 V – ZIEL-STROM: 20 mA“). Durch das Einstecken der richtigen Steine in eine Schaltung auf der Box muss dieser Wert erreicht werden. Stimmt der Messwert, entriegelt ein Servomotor das Geheimfach mit dem Escape-Code.
• Bezug zum Studium? Dieses Projekt vereint Grundlagen der angewandten Elektrotechnik (Ohmsches Gesetz, Kirchhoffsche Gesetze, Spannungsteiler) mit der Mikrocontrollerprogrammierung in Simulink (Digitale Signalverarbeitung) sowie der mechatronischen Aktorik (Servomotor) und Sensorik (Analog-Digital-Wandlung).

Lernziel: Praktische Anwendung des Ohmschen Gesetzes sowie die Berechnung von Reihen- und Parallelschaltungen von Widerständen unter Zeitdruck.

Schwierigkeitsgrad: Einsteiger / Fortgeschrittene

Anforderungen

Tabelle 1: Systemanforderungen

ID	Inhalt	Prio	Ersteller	Datum	Geprüft von	Datum
1	Das System muss in eines der Fächer des vorhandenen Escape-Game-Mobil passen.	1	Jan Rottländer	29.09.2026
2	Das Rätsel muss innerhalb einer Zeitspanne von 2 bis 5 Minuten lösbar sein.	1	Jan Scharmann	29.09.2026
3	Das System muss den von den Spielern eingesteckten Gesamtwiderstand der Schaltung messen können.	1	Jan Scharmann	29.09.2026
4	Die Steuerung und Messung des Rätsels sowie die Ansteuerung der Aktoren muss über einen Microkontroller geschehen.	1	Jan Rottländer	29.09.2026
5	Das System muss die Ziel-Aufgabe und visuelles Feedback anzeigen.	1	Jan Rottländer	29.09.2026
6	Das System muss bei Erreichen des Zielwiderstands (inklusive einer Toleranz von ±1%) das Tresorfach entriegeln.	1	Jan Scharmann	29.09.2026
7	Die elektronischen Komponenten müssen kompakt und sicher im Inneren einer Box verbaut sein, um mobil zu sein.	1	Jan Scharmann	29.09.2026
8	Die Box kann einen Deckel mit einem Mechanismus zum öffnen besitzen.	1	Jan Rottländer	29.09.2026
9	Die steckbaren Widerstände müssen über ein robustes und gut handhabbares Gehäuse verfügen.	1	Jan Scharmann	29.09.2026
10	Die Spannungsversorgung des Rätsels muss über einen Schalter ein- und ausgeschaltet werden können.	1	Jan Rottländer	29.09.2026
11	Die Spannungsversorgung des Rätsels muss über ein geeignetes Netzteil erfolgen.	1	Jan Rottländer	29.09.2026
12	Die steckbaren Widerstände sollen bei Nichtbenutzung sicher innerhalb der Box verstaut werden können.	2	Jan Scharmann	29.09.2026

Funktionaler Systementwurf

Abb. 02: Funktionaler Systementwurf Ohmscher Tresor

Ein funktionaler Systementwurf beschreibt, was ein technisches System leisten soll und welche funktionalen Teilsysteme dafür benötigt werden, ohne bereits festzulegen, wie diese Funktionen technisch konkret umgesetzt werden. Er beantwortet die Frage, welche logischen und physikalischen Schritte das System ausführen muss, um die Anforderungen des "Ohmschen Tresors" zu erfüllen.

Die Kernfunktion des Systems besteht darin, eine von den Spielern physisch vorgenommene Verschaltung von elektrischen Widerständen auszuwerten und bei Korrektheit einen Verriegelungsmechanismus freizugeben. Die Gesamtfunktion lässt sich nach dem klassischen EVA-Prinzip (Eingabe, Verarbeitung, Ausgabe) in folgende funktionale Teilsysteme gliedern:

1. Eingabe (Signalerfassung)

• Erfassung der physikalischen Eingangsgröße: Das System muss die durch die Spieler gesteckte elektrische Schaltung aus Widerständen in den eigenen Messkreis integrieren.
• Signalwandlung: Der physikalische Gesamtwiderstand der gesteckten Bauteile muss in ein elektrisches Analogsignal umgewandelt werden, das von einer Steuereinheit eingelesen werden kann.

2. Verarbeitung (Signalverarbeitung & Logik)

• Analog-Digital-Wandlung: Das analoge Spannungssignal muss zur weiteren Verarbeitung in einen digitalen Wert diskretisiert werden.
• Berechnung & Auswertung: Das System muss den digitalen Messwert in den tatsächlichen ohmschen Widerstand umrechnen. Dieser Ist-Wert wird anschließend mit einem vordefinierten Soll-Wert verglichen.
• Zustandssteuerung: Eine logische Steuerungseinheit überwacht die zeitliche Stabilität. Nur wenn der Ist-Wert für eine definierte Zeitspanne ununterbrochen innerhalb eines Toleranzbandes um den Soll-Wert liegt, wird das Signal zur Entriegelung freigegeben.

3. Ausgabe (Aktorik & Feedback)

• Visuelle Informationsausgabe: Das System muss den Spielern visuelle Informationen bereitstellen. In der Rätselphase sind dies die Aufgabenparameter (Systemspannung und Ziel-Strom), nach erfolgreicher Lösung ist dies der vierstellige Escape-Code.
• Mechanische Entriegelung: Das digitale Freigabesignal der Verarbeitungseinheit muss in eine physische Bewegung umgesetzt werden, um den mechanischen Riegel des Tresors zu öffnen.

Funktionsstruktur

Zusammenfassend ergibt sich folgende funktionale Kette für den erfolgreichen Spielablauf:

1. Bereitstellung der Rätselaufgabe
2. Einlesen des durch die Spieler veränderten Widerstandswertes
3. Logische Bewertung des Signals
4. Bei Erfolg: Auslösen der mechanischen Entriegelung und Anzeige des Codes

Technischer Systementwurf

Abb. 03: Technischer Systementwurf Ohmscher Tresor

Im technischen Systementwurf werden die Funktionen aus dem funktionalen Entwurf auf konkrete technische Komponenten und Technologien abgebildet. Er beantwortet die Frage, wie das System physisch und steuerungstechnisch aufgebaut ist, um die Anforderungen des Escape Games zu erfüllen.

Das mechatronische System des "Ohmschen Tresors" unterteilt sich in vier Hauptbereiche: Sensorik und Messwerterfassung, Verarbeitung, Aktorik und Ausgabe sowie Mechanik.

1. Sensorik und Messwerterfassung

Da ein Mikrocontroller keine elektrischen Widerstände, sondern nur Spannungen direkt messen kann, basiert die Messwerterfassung auf dem Prinzip des unbelasteten Spannungsteilers. Um drei verschiedene Rätsel-Level (Reihen-, Parallel- und Mischschaltung) unabhängig voneinander auswerten zu können, wurden drei separate Spannungsteiler-Messkreise implementiert. Jeder Kreis nutzt einen eigenen analogen Eingang sowie einen spezifisch auf den Zielwiderstand abgestimmten Referenzwiderstand, um eine hohe Messgenauigkeit zu gewährleisten:

• Level 1 (Reihenschaltung): Messung an Pin A0 (Referenzwiderstand R_ref1 = 10 kΩ)
• Level 2 (Parallelschaltung): Messung an Pin A1 (Referenzwiderstand R_ref2 = 470 Ω)
• Level 3 (Mischschaltung): Messung an Pin A2 (Referenzwiderstand R_ref3 = 4,7 kΩ)

Die über den Rätsel-Widerständen abfallende Spannung U_out wird an den analogen Eingängen des Mikrocontrollers gemessen. Die Grundlage für die spätere Umrechnung in der Software bildet die Spannungsteiler-Formel:

U_out = U_in · (R_x / (R_ref + R_x))

Zusätzlich zur analogen Messung dient ein robuster Drucktaster als digitale Eingabe. Über diesen können die Spieler nach dem Stecken der Schaltung aktiv den Prüfvorgang initiieren.

2. Verarbeitung

Als zentrale Steuereinheit dient ein Arduino Uno R3 in Kombination mit einem Screw Shield für zugfeste Schraubverbindungen. Die Logik wird modellbasiert mittels MATLAB/Simulink umgesetzt. Der Arduino wandelt die gemessene analoge Spannung über seinen 10-Bit-ADC in einen digitalen Wert (0–1023) um. In Simulink wird dieser Rohwert in den tatsächlichen Widerstandswert (R_x) in Ohm umgerechnet.

Ein in Simulink modellierter Zustandsautomat übernimmt die Spielsteuerung: Das System wartet auf die steigende Flanke des Tasters. Sobald der Taster betätigt wird, gleicht der Zustandsautomat den aktuell gemessenen Widerstandswert des aktiven Levels ab. Liegt dieser im definierten Toleranzbereich (± 1%) des Zielwertes, wechselt das System ins nächste Level bzw. abschließend in den Erfolgszustand. Andernfalls wird eine Zeitstrafe (Fehlerzustand) ausgelöst.

3. Aktorik und Ausgabe

• Visuelles Feedback (Display & LEDs): Die Kommunikation der Aufgaben (z. B. "12 V / 3 mA") sowie die finale Code-Ausgabe erfolgen über ein I2C-LCD-Modul. Ergänzend geben zwei Status-LEDs direktes Feedback nach dem Drücken des Tasters: Eine grüne LED leuchtet bei einer korrekten Schaltung auf (Erfolg), während eine rote LED signalisiert, dass der falsche Gesamtwiderstand gesteckt wurde (Misserfolg).
• Entriegelungsmechanismus: Erfüllt der gemessene Widerstand in Level 3 die Zielvorgabe, sendet das Simulink-Modell ein PWM-Signal an Pin 9. Dadurch wird ein Servomotor angesteuert, der als mechanischer Riegel fungiert und das Tresorfach um 90 Grad aufschwenkt.

4. Mechanik und Schnittstellen

Die Interaktion der Spieler mit der Elektronik wird über drei Level-Bereiche auf der Gehäuseoberseite realisiert. Jeder Bereich verfügt über drei optisch identische Steckplätze (Alpha, Beta, Gamma) mit jeweils zwei robusten 4mm-Laborsteckbuchsen. Um das Rätsel zu ermöglichen, sind diese Buchsen im Inneren der Box für jedes Level unterschiedlich verdrahtet (in Reihe, parallel, gemischt).

Die zu steckenden Bauteile bestehen aus 9 3D-gedruckten PLA-Gehäusen in drei Farben. Im Inneren dieser "Bausteine" sind handelsübliche 1%-Metallschichtwiderstände verbaut, die für eine hohe Präzision sorgen und an 4mm-Bananenstecker angelötet sind. Die interne Energieverteilung (5V und GND) der fest verlöteten Bauteile wird über eine Streifenrasterplatine realisiert.

Verdrahtungs- und Pinbelegungsplan

Die nachfolgende Tabelle dokumentiert die genaue Zuweisung der Hardware-Komponenten an die Anschlüsse des Arduino Uno.

Tabelle 2: Pin-Belegung Arduino Uno

Komponente	Pin am Bauteil	Arduino Pin	Funktion
Referenzwiderstand Level 1 (10 kΩ)	Bein 1 / Bein 2	5V / A0	Spannungsteiler Level 1
Referenzwiderstand Level 2 (470 Ω)	Bein 1 / Bein 2	5V / A1	Spannungsteiler Level 2
Referenzwiderstand Level 3 (4,7 kΩ)	Bein 1 / Bein 2	5V / A2	Spannungsteiler Level 3
Steckfeld Level 1 (Reihe)	Anfang / Ende	A0 / GND	Messstrecke Level 1
Steckfeld Level 2 (Parallel)	Anfang / Ende	A1 / GND	Messstrecke Level 2
Steckfeld Level 3 (Gemischt)	Anfang / Ende	A2 / GND	Messstrecke Level 3
Piezo Summer	+ / -	Pin 3 / GND	Ausgabe von Tönen
Taster (Initialisierung)	Schließer-Kontakt	Pin 4	Digitaler Eingang (Pull-up) als Trigger
Taster (Prüfvorgang)	Schließer-Kontakt	Pin 5	Digitaler Eingang (Pull-up) als Trigger
Rote LED (Misserfolg)	Anode (+)	Pin 6	Digitaler Ausgang (mit Vorwiderstand)
Grüne LED (Erfolg)	Anode (+)	Pin 7	Digitaler Ausgang (mit Vorwiderstand)
I2C LCD-Display	VCC / GND	5V / GND	Stromversorgung Display
I2C LCD-Display	SDA	A4	I2C-Datenleitung
I2C LCD-Display	SCL	A5	I2C-Taktleitung
Servomotor (Klappensteuerung)	Rot / Braun	5V / GND	Stromversorgung Aktor
Servomotor (Klappensteuerung)	Orange (Signal)	Pin 10	PWM-Signal

• Sensorik/Messung: Die Messung der drei variablen Gesamtwiderstände erfolgt über drei Spannungsteiler an den Analog-In-Pins (A0, A1, A2). Die festen Referenzwiderstände befinden sich auf einer internen Streifenrasterplatine.
• Verarbeitung: Ein Arduino Uno mit Screw Shield dient als Mikrocontroller. Die Programmierung erfolgt modellbasiert in Matlab/Simulink.
• Aktorik: Ein Servomotor dient als mechanischer Riegel und wird über den Arduino angesteuert.
• Interaktion: Ein I2C LCD-Modul wird über den I2C-Bus (SDA/SCL) angesteuert und führt die Spieler durch das Rätsel. Ein Taster löst die Überprüfung aus.
• Gehäuse & Mechanik: Das Gehäuse und die Widerstands-Bausteine werden mit dem 3D-Drucker gefertigt. Sie enthalten im Inneren präzise 1%-Metallschichtwiderstände. Die Stromverteilung erfolgt rüttelfest über gelötete Verbindungen.

Komponentenspezifikation

Die finale Komponentenspezifikation folgt nach Bestellung der Komponenten.

Tabelle 3: Stückliste

ID	Anzahl	Kosten pro Stück €	Summe	Bezeichnung / Komponente	technische Bezeichnung	Beschreibung	Datenblatt	Abbildung
1	1x	23,70€	23,70€	Mikrocontroller-Board	Arduino UNO R3	Der Mircocontroller mit dem ATmega328P verfügt über 14 digitale I/O - Schnittstellen, sechs davon können als PWM Ausgang genutzt werden. Des weiteren sind sechs analoge Eingänge die die Verarbeitung analoger Signale vorhanden	Datenblatt Arduino Uno	Abb. 03: Arduino Uno
2	1x	5,50€	5,50€	I2C LCD Display	LCD 1602 mit I2C Modul	16 Zeichen, 2 Zeilen. Zur Anzeige der Rätsel-Aufgabe. Belegt nur 2 Pins (SDA/SCL).
3	1x	3,50€	3,50€	Servomotor	Micro Servo SG90	9g Servo, Stellwinkel 180°. Öffnet den Verriegelungsmechanismus bei Erfolg.
4	3x	0,10€	0,30€	Widerstände	Kohleschichtwiderstand	Verschiedene Werte (z.B. 1kΩ, 2.2kΩ, 10kΩ). Werden als reale Basis in die 3D-Druck-Gehäuse verbaut.
5	8x	1,00€	8,00€	Bananenstecker/-buchsen	4mm Laborstecker	Für eine robuste und einfach zu steckende elektrische Verbindung auf der Box.

Umsetzung (HW/SW)

• Hardware: Der Spannungsteiler wird an Pin A0 angeschlossen. Das LCD-Display an A4 (SDA) und A5 (SCL). Der Servomotor an Pin 9 (PWM). (Schaltplan siehe SVN).
• Software: Im Simulink-Modell wird der Analogwert von A0 eingelesen. Über einen Gain-Block wird der ADC-Wert (0-1023) in einen echten Widerstandswert in Ohm umgerechnet. Eine Stateflow-Logik gleicht ab, ob der gemessene Wert für mindestens 3 Sekunden im Toleranzbereich (± 5%) des Zielwerts liegt. Ist dies der Fall, schaltet der PWM-Block für den Servo auf 90 Grad und das LCD-Display zeigt den Code an.
• Alle Skizzen, das finale Simulink-Modell (`.slx`) und die 3D-Druck-Dateien (`.stl`) der Widerstandsbausteine sind im SVN-Repository abgelegt.

Ergebnis

Literatur

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