Gefahr aus dem All

Abb. 1: Konzeptskizze der Steuerkonsole „Gefahr aus dem All“

Autoren:	Constantin Bresch, Robin Holle, Grigorij Bonert
Betreuer:	Prof. Schneider

Einleitung

Gefahr aus dem All

Es ist ein ganz normaler Vormittag an der Hochschule Hamm-Lippstadt bis die Monitore in den Laboren zu flackern beginnen. Auf jedem Bildschirm erscheint dieselbe Nachricht, geschrieben in Zeichen, die noch nie ein Mensch gesehen hat. Nur ein einziges Wort ist lesbar: SVN.

Die Auswertung der Signale bestätigt die schlimmste Befürchtung: Ein außerirdisches Raumschiff ist in eine Umlaufbahn über der Hochschule eingeschwenkt. In genau fünf Minuten wollen die Aliens den SVN-Server lahmlegen und mit ihm jede Zeile Code, jedes Simulink-Modell und jede Projektdokumentation aus Jahren studentischer Arbeit. Doch das ist erst der Anfang: Ihr Traktorstrahl ist bereits auf die Labore gerichtet. Sie wollen alle AlphaBots stehlen.

Es gibt nur noch eine letzte Verteidigungslinie: eine Abfangrakete, versteckt in einer unscheinbaren Steuerkonsole. Sie ist fast startklar, bis auf einen Haken! Das Startsystem ist gesperrt, die Startsequenz unvollständig, und die Bodencrew ist nicht erreichbar.

Jetzt seid ihr dran.

Ermittelt den Zugangscode, schaltet das Startsystem frei und bereitet die Rakete in der richtigen Reihenfolge auf den Start vor. Ein falsch gestecktes Kabel – und die Startsequenz bricht ab. Erreicht der Countdown null, ist es zu spät.

Ihr habt fünf Minuten. Die Hochschule zählt auf euch.

Hintergrund

Hinter der Geschichte steckt ein mechatronisches Rätsel, das Inhalte aus Grundlagen der Elektrotechnik 1 mit dem Mechatronik-Praktikum des ersten und zweiten Semesters verbindet, sowie auf Grundlagen von Zahlensystemen aus Informatik 1 eingeht. Die Spieler lesen Widerstandswerte über den E24-Farbcode ab, rechnen Dezimal- in Hexadezimalzahlen um, legen mit dem ohmschen Gesetz den Vorwiderstand einer LED aus und verdrahten die Startvorbereitung mit Laborkabeln in der richtigen Reihenfolge. Ein Mikrocontroller überwacht Codeeingabe, Verdrahtung und Countdown, erfasst Spielzeit und Highscore und gibt am Ende den Start frei: Eine federbetriebene Rakete hebt aus der Steuerkonsole ab und fliegt rund 1,5 m hoch.

Technische Umsetzung

Das Rätsel wird auf Basis eines Arduino Mega 2560 realisiert. Seine große Zahl an Ein- und Ausgängen reicht für alle Bedienelemente, das Kabelfeld, die Status-LEDs und die Raketenauslösung, ohne dass zusätzliche Port-Erweiterungen nötig sind. Die übrige Elektronik besteht aus regulären Kaufteilen wie Display, Tastenfeld, Tastern, Laborbuchsen und LEDs, die auf einer gelöteten Lochrasterplatine verdrahtet werden. Gehäuse und Rakete werden im 3D-Druck gefertigt. Der Startmechanismus ist bewusst einfach gehalten: Eine von Hand gespannte Feder hält die Rakete über eine Rastklinke in Position, bis ein Servomotor die Klinke freigibt und die Feder die Rakete nach oben schießt.

Lernziel:

Nach dem Lösen des Rätsels können die Spieler …

#	Lernziel	Rätselschritt	Bezug zur Lehrveranstaltung
1	… den Widerstandswert eines Kohleschichtwiderstands anhand des Farbcodes bestimmen und der E24-Normreihe zuordnen.	Zugangscode	Grundlagen der Elektrotechnik 1 / Informatik Praktikum 1 & 2
2	… Widerstände nach ihrem Wert ordnen und Werte zwischen den Einheiten Ω und kΩ umrechnen.	Zugangscode	Grundlagen der Elektrotechnik 1 / Informatik Praktikum 1 & 2
3	… ganze Zahlen vom Dezimal- ins Hexadezimalsystem umrechnen (z. B. 10.00010 = 271016).	Kabel 1 und 2	Informatik 1
4	… mit dem ohmschen Gesetz $R=\frac{U}{I}$ den Vorwiderstand einer LED berechnen und einen passenden E24-Wert auswählen.	Kabel 3	Grundlagen der Elektrotechnik 1 / Informatik Praktikum 1 & 2
5	… erklären, warum eine LED einen Vorwiderstand braucht und welche Rolle die Flussspannung dabei spielt.	Kabel 3	Informatik Praktikum 1 & 2

Übergeordnet trainiert das Rätsel, Informationen aus einem technischen Hinweisblatt gezielt zu entnehmen und unter Zeitdruck strukturiert vorzugehen

Schwierigkeitsgrad: Fortgeschrittene bis Profi - Profi Level wird durch eine gute Zeit erreicht

Anforderungen

Tabelle 1: xxx

ID	Inhalt	Prio	Ersteller	Datum	Geprüft von	Datum
1	Das Rätsel muss in die Schublade des Escape Games passen (Einbaumaße 26x28x30)	1	Grigorij Bonert	09.10.2026	zu prüfen (Prüfer)	zu prüfen (Datum)
2	Bei Gewinn des Spiels muss der Code zum nächsten Rätsel freigegeben werden	1	Grigorij Bonert	09.10.2026	zu prüfen (Prüfer)	zu prüfen (Datum)
3	Es muss einen softwareimplementierten Timer ab spielstart geben der unabhängig von Eingaben weiterläuft und bei Fehleingaben verkürzt wird	1	Grigorij Bonert	09.10.2026	zu prüfen (Prüfer)	zu prüfen (Datum)
4	Die Abgelaufene Zeit des muss zu jedem Zeitpunkt des Spiels klar sein und das Spielende eindeutig markiert werden	1	Grigorij Bonert	09.10.2026	zu prüfen (Prüfer)	zu prüfen (Datum)
5	Die Bestzeit muss in einem nicht flüchtigen Speicher gespeichert werden	1	Grigorij Bonert	09.10.2026	zu prüfen (Prüfer)	zu prüfen (Datum)
6	Die Rätsel sollen nicht durch Brute Force lösbar sein	1	Grigorij Bonert	09.10.2026	zu prüfen (Prüfer)	zu prüfen (Datum)
7	Durch Haptik und Töne soll das Spiel einen wertigen Eindruck machen und den Spielspaß erhöhen	1	Grigorij Bonert	09.10.2026	zu prüfen (Prüfer)	zu prüfen (Datum)
8	Der Gewinn des Spiels soll mit dem Raketenstart einen Überraschungseffekt auslösen	2	Grigorij Bonert	09.10.2026	zu prüfen (Prüfer)	zu prüfen (Datum)

Beachten Sie den Artikel: Formulierungsregeln für Anforderungen

Beantworten Sie die Frage: Was soll das System leisten?

Funktionaler Systementwurf

1. Hauptfunktionen des Systems

Das Gesamtsystem lässt sich funktional in folgende Teilfunktionen aufteilen:

• Spielstart erkennen
• Countdown starten und überwachen
• Eingabecode erfassen
• Code überprüfen
• Raketenstart-System freischalten
• Reihenfolge der Startvorbereitungen überwachen
• Raketenstart freigeben
• Spieler über den Spielzustand informieren
• Spielzeit und Highscore erfassen

2. Funktionaler Ablauf

2.1 Spielstart

Das System wartet zunächst auf die Aktivierung durch den Spieler. Durch die Betätigung des grünen Starttasters wird das Spiel gestartet.

Dabei werden gleichzeitig:

• der Countdown auf X Minuten gesetzt,
• der Spielzustand auf „Spiel läuft“ gesetzt,
• die erste Rätselstufe aktiviert.

Während des gesamten Spiels wird die verbleibende Zeit überwacht.

2.2 Ermittlung des Zugangscodes

Die Spieler erhalten einen Hinweiszettel mit Informationen zu:

• E24-Widerstands-Farbcodes,
• Dezimal- und Hexadezimalumrechnung,
• U = R*I,
• Hinweisen zur Reihenfolge der anzuschließenden Kabel

Sowie drei Kohleschichtwiderstände. Aus diesen Widerständen müssen die Spieler einen 12-stelligen Zugangscode ermitteln.

Der Code basiert auf den drei Widerstandswerten: 220 Ω, 4,7 kΩ, 10 kΩ. Die Widerstände müssen entsprechend der geforderten Reihenfolge (aufsteigend) angeordnet werden. Der ermittelte Code wird anschließend über eine Eingabeeinheit eingegeben.

2.3 Überprüfung des Zugangscodes

Das System vergleicht den eingegebenen Code mit dem vorgegebenen korrekten Code. Bei korrekter Eingabe: → Das Raketenstart-System wird freigeschaltet und die nächste Rätselstufe aktiviert. Bei falscher Eingabe: → Das System bleibt gesperrt und die Spieler müssen den Code erneut ermitteln und eingeben. Der Countdown läuft währenddessen weiter.

2.4 Startvorbereitung der Rakete

Nach erfolgreicher Codeeingabe müssen die Spieler die Rakete für den Start vorbereiten. Hierfür befinden sich am System sechs gekennzeichnete Leitungen bzw. Verbindungselemente. Drei davon müssen in einer bestimmten Reihenfolge verbunden werden. Die korrekte Reihenfolge ergibt sich aus den Hinweisen des Hinweiszettels.

1. Kabel:

„1. max R verHEXt“

fordert die Spieler dazu auf, den größten Widerstand zu bestimmen und dessen Wert in eine Hexadezimalzahl umzuwandeln. Der größte Widerstand ist: 10 kΩ = 10.000 Ω. Die Umrechnung ergibt: 10.000₁₀ = 2710₁₆. Das entsprechende Verbindungselement ist mit 2710 gekennzeichnet. Das System muss erkennen, wenn dieses Element als erste Startvorbereitung korrekt angeschlossen wurde.

2. Kabel:

„I = I Aber Achtung: Strom ist nicht gleich Strom! oder min R verHEXt“

interpretieren. Gesucht wird nun der kleinste Widerstand: 220 Ω Die Umrechnung ergibt: 220₁₀ = DC₁₆ (Direct Current "gleich Strom" als Wortspielhinweis) Das entsprechende Verbindungselement trägt die Kennzeichnung DC. Das System muss überprüfen, ob dieses Element als zweiter Schritt korrekt angeschlossen wurde.

3. Kabel:

Als letzte Aufgabe müssen die Spieler anhand der Angaben

"I sei 14 mA. U = 3 V; R = ?"

den erforderlichen Widerstand für die LED-Schaltung bestimmen. Dabei müssen die Spieler einen passenden Widerstand aus den vorhandenen E24-Werten auswählen. Für die vorgesehene Schaltung wird ein 220-Ω-Widerstand verwendet. Erst nach dem Einsetzen des richtigen Widerstands zeigt eine RGB-LED die korrekte Farbe. Die Spieler müssen anhand der ausgegebenen LED-Farbe das Kabel in der entsprechenden Farbe verbinden. Das System muss überprüfen, ob dieses Element als dritter Schritt korrekt angeschlossen wurde.

2.5 Raketenstart

Sind alle Startvorbereitungen erfolgreich abgeschlossen wird die Startfreigabe der Rakete aktiviert. Das System wechselt in den Zustand:

„Rakete startbereit“

Anschließend kann der eigentliche Raketenstart ausgelöst werden.

Bei erfolgreichem Start:

wird der Countdown gestoppt, die benötigte Zeit wird gespeichert, der Spielzustand wird auf „Erfolgreich“ gesetzt, die erreichte Zeit wird angezeigt, der Highscore wird aktualisiert, sofern eine neue Bestzeit erreicht wurde.

Auf dem Display erscheint beispielsweise:

„RAKETE ERFOLGREICH GESTARTET!“

sowie die benötigte Zeit.

3. Fehlerbehandlung

Das System muss falsche Aktionen erkennen und entsprechend reagieren.

Falscher Zugangscode: Bei einem falschen Code bleibt das Raketenstart-System gesperrt.

Die Spieler können weitere Eingabeversuche durchführen.

Falsche Reihenfolge: Wird eine falsche Startvorbereitung durchgeführt, wird der Spielversuch als gescheitert gewertet. Das System zeigt beispielsweise: „STARTABBRUCH!“ Der aktuelle Spielversuch endet.

Zeitüberschreitung: Erreicht der Countdown 0 Sekunden, bevor die Rakete gestartet wurde, wird der Spielversuch ebenfalls beendet. Das System zeigt beispielsweise: „ZEIT ABGELAUFEN – STARTABBRUCH!“

4. Informations- und Ausgabefunktion

Das System muss den aktuellen Spielzustand für die Spieler verständlich darstellen. Während des Spiels können beispielsweise angezeigt werden:

• verbleibende Zeit,
• aktuelle Rätselstufe,
• Eingabeaufforderungen,
• Fehlermeldungen,
• erfolgreiche Zwischenschritte,
• Startbereitschaft

Am Ende werden abhängig vom Ergebnis unterschiedliche Informationen ausgegeben.

Technischer Systementwurf

Systemübersicht

Zentrale Steuereinheit ist ein Arduino Mega 2560. Er liest alle Eingaben der Spieler ein, steuert den Spielablauf und gibt Rückmeldungen über Display, Soundmodul und LEDs aus. Der Mega wird wegen der benötigten Pinanzahl eingesetzt (Tastatur, sechs Kabelbuchsen, Taster, RGB-LED, Soundmodul).

Das System gliedert sich in drei Ebenen:

• Eingabe: Starttaster, Tastatur, Kabelbuchsen, Widerstandssteckplatz, Raketenstart-Taster
• Verarbeitung: Arduino mit Zustandsautomat, Countdown und Highscore-Speicher
• Ausgabe: Display, Soundmodul mit Lautsprecher, RGB-LED, Taster-LED

Teilsysteme

Tabelle 1: Teilsysteme und technische Umsetzung

Teilsystem	Aufgabe	Technische Umsetzung
Steuerung	Spielablauf, Countdown, Highscore	Arduino Mega 2560, Zeitmessung mit millis(), Bestzeit im internen EEPROM
Bedienelemente	Spiel starten, Rakete starten	Grüner und roter Taster an Digitaleingängen
Codeeingabe	12-stelligen Zugangscode erfassen	4x4-Matrixtastatur
Kabelerkennung	Gesteckte Verbindungen und deren Reihenfolge erkennen	Sechs Buchsen an Digitaleingängen, Stecker schließt den Kontakt gegen Masse
Widerstandserkennung	Eingesetzten Widerstand identifizieren	Spannungsteiler mit Referenzwiderstand an einem Analogeingang
Farbhinweis	Kabelfarbe für Schritt 3 anzeigen	RGB-LED an PWM-Ausgängen, Farbe abhängig vom erkannten Widerstand
Anzeige	Restzeit, Rätselstufe, Meldungen	I2C-Display (OLED oder LCD 16x2)
Audio	Akustische Rückmeldung und Atmosphäre	MP3-Soundmodul (z. B. DFPlayer Mini) mit microSD-Karte und Lautsprecher, seriell angesteuert
Versorgung	5 V für alle Komponenten	USB-Netzteil oder Powerbank

Display

Beide Varianten werden über denselben I2C-Bus angesteuert, die Verdrahtung bleibt also gleich.

Tabelle 2: Vergleich der Displayvarianten

	OLED 0,96" (SSD1306, 128x64)	LCD 16x2 mit I2C-Adapter
Vorteil	Freie Schriftgrößen, großer Countdown, Grafiken möglich	Aus der Entfernung gut lesbar, sehr einfache Ansteuerung
Nachteil	Klein, für mehrere Spieler schlecht ablesbar	Nur 2 x 16 Zeichen, lange Meldungen müssen gekürzt oder gescrollt werden

Beim LCD 16x2 zeigt Zeile 1 die Restzeit und die Rätselstufe, Zeile 2 die Eingabe oder Meldung. Lange Texte wie „RAKETE ERFOLGREICH GESTARTET!“ werden als Lauftext oder auf zwei Anzeigen verteilt ausgegeben; die ausführliche Rückmeldung übernimmt das Soundmodul.

Audiokonzept

Das Soundmodul spielt Audiodateien von der microSD-Karte ab, die der Arduino per Nummer aufruft. Vorgesehen sind:

• Spielstart (Ansage oder Sirene)
• Tastendruck sowie Code richtig/falsch
• Kabelschritt korrekt
• Countdown-Warnung in der letzten Minute
• Startabbruch und Zeit abgelaufen
• Raketenstart (Triebwerksgeräusch)

Spielablauf in der Software

Die Software ist als Zustandsautomat aufgebaut:

1. Bereit: Anzeige des Highscores, Warten auf den Starttaster
2. Codeeingabe: Eingabe und Prüfung des Zugangscodes, beliebig viele Versuche
3. Startvorbereitung: Drei Kabelschritte in fester Reihenfolge; im dritten Schritt ist die Widerstandserkennung mit RGB-LED aktiv
4. Startbereit: Raketenstart-Taster ist freigegeben
5. Erfolg: Zeit anzeigen, Highscore aktualisieren
6. Abbruch: bei falschem Kabel oder abgelaufenem Countdown

Der Countdown läuft in den Zuständen 2 bis 4 durchgehend weiter. Aus den Endzuständen führt der Starttaster zurück zu „Bereit“.

Komponentenspezifikation

Die Komponentenspezifikation beschreibt anschließend genau, welche Anforderungen eine einzelne Komponente erfüllen muss.

Sie beantwortet die Frage: Welche Eigenschaften muss jede konkrete Komponente erfüllen?

Tabelle 2: Stückliste

ID	Anzahl	Kosten pro Stück €	Summe	Bezeichnung / Link	Funktion
1	1x	18,90 €	18,90 €	Funduino Mega 2560 R3	Zentrale Steuerung des Escape Games. Verarbeitet Eingaben und steuert Display, LEDs, Soundmodul und Servomotor.
2	1x	6,90 €	6,90 €	I²C-Display	Anzeige von Restzeit, Spielstatus, Eingabeaufforderungen und Fehlermeldungen.
3	1x	1,74 €	1,74 €	4×4-Tastenfeld	Ermöglicht die Eingabe des Zugangscodes.
4	1x	8,98 €	8,98 €	Starttaster	Startet das Spiel und den Countdown.
5	1x	4,99 €	4,99 €	Raketenstart-Taster	Löst den Raketenstart aus und signalisiert die Startbereitschaft.
6	1x	3,49 €	3,49 €	Hauptschalter	Schaltet die Konsole ein und aus.
7	8x	1,37 €	10,96 €	Laborbuchse rot	Anschluss der Rätselleitungen; sechs Buchsen werden für die Rätsel und zwei als Reserve verwendet.
8	4x	1,46 €	5,84 €	Laborbuchse schwarz	Anschluss der Quellleitungen; drei Buchsen werden benötigt, eine dient als Reserve.
9	1x	5,07 €	5,07 €	Laborkabel rot	Verbindungsleitung für die Spielerverdrahtung.
10	1x	5,07 €	5,07 €	Laborkabel blau	Verbindungsleitung für die Spielerverdrahtung.
11	1x	5,07 €	5,07 €	Laborkabel gelb	Verbindungsleitung für die Spielerverdrahtung.
12	1x	5,07 €	5,07 €	Laborkabel schwarz	Zusätzliche Verbindungsleitung.
13	2x	0,39 €	0,78 €	RGB-LED	Farbige Statusanzeige für die Rätselstufen.
14	1x	1,58 €	1,58 €	LEDs	Zeigen den Status der einzelnen Rätselstufen an.
15	1x	3,49 €	3,49 €	Widerstandssteckplatz	Ermöglicht das Einsetzen eines Widerstands zur Erkennung einer Rätsellösung.
16	1x	4,44 €	4,44 €	Widerstandssortiment	Bereitstellung der benötigten Widerstände für Rätsel und Schaltung.
17	1x	3,11 €	3,11 €	Soundmodul	Gibt Countdown-, Fehler- und Starttöne wieder.
18	1x	6,21 €	6,21 €	microSD-Karte	Speichert die Audiodateien für das Soundmodul.
19	1x	2,66 €	2,66 €	Lautsprecher	Gibt die Audiosignale des Soundmoduls aus.
20	1x	4,00 €	4,00 €	Servomotor	Gibt die mechanische Verriegelung des Raketenstarts frei.
21	1x	12,00 €	12,00 €	Druckfedern	Erzeugen die mechanische Kraft für den Raketenstart.
22	3x	0,89 €	2,67 €	Mikroschalter	Erkennen den Zustand des Startmechanismus.
23	1x	3,28 €	3,28 €	Führungsstab	Führt die beweglichen Bauteile des Raketenstarts.
24	1x	4,80 €	4,80 €	Schrauben	Befestigen die mechanischen und elektrischen Bauteile.
25	1x	1,99 €	1,99 €	Muttern	Sichern die Schraubverbindungen.
26	1x	9,48 €	9,48 €	Gewindeeinsätze	Ermöglichen lösbare Schraubverbindungen in 3D-gedruckten Bauteilen.
27	2x	1,39 €	2,78 €	Lochrasterplatine	Grundlage für den Aufbau der fest verlöteten Schaltung.
28	2x	0,49 €	0,98 €	Stiftleiste	Stellt elektrische Kontaktanschlüsse für Module bereit.
29	2x	0,57 €	1,14 €	Buchsenleiste	Ermöglicht steckbare Verbindungen zwischen Modulen und Platine.
30	1x	24,65 €	24,65 €	Schaltlitze	Dient der internen Verdrahtung der Konsole.
31	2x	0,11 €	0,22 €	Elektrolytkondensator	Stabilisiert die Versorgungsspannung bei kurzzeitigen Lastspitzen.
32	2x	0,49 €	0,98 €	Keramikkondensator	Dient der Entkopplung der Versorgungsspannung und reduziert Störungen.
33	1x	13,99 €	13,99 €	USB-Einbaubuchse	Ermöglicht den externen Anschluss an die Konsole.
34	2x	5,49 €	10,98 €	USB-Kabel	Verbindet die Konsole mit der Stromversorgung bzw. dem Mikrocontroller.
35	1x	14,59 €	14,59 €	USB-Netzteil	Versorgt die Konsole mit elektrischer Energie.
36	2x	17,99 €	35,98 €	3D-Druck-Filament	Material für Gehäuse, Frontplatte und mechanische Bauteile.

Umsetzung (HW/SW)

Hier beschreiben Sie, wie Sie Ihr Projekt gebaut haben. Anhand dieser Dokumente und Beschreibung muss es möglich sein, Ihr Projekt 1:1 nachzubauen!

Das sind Dokumente wie z. B.

• Entwürfe, Skizzen (auch handschriftliche)
• Schaltplan
• Verkabelungsplan
• Pin-Belegungsplan
• CAD-Ansichten
• mathematische Berechnungen
• u.s.w.

Bei allen Dokumenten verlinken Sie dieses mit Ihrem Dokument in SVN!

Ergebnis

Literatur

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