Escape Game: Die Bombe

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Autoren:	Tobias Brandt und Seda Ünal
Betreuer:	Prof. Schneider

Einleitung

Die Filmreihe Stirb Langsam gilt als ein Klassiker des Actionkinos. Im dritten Teil, Stirb Langsam – Jetzt erst recht, werden die Protagonisten John McClane und Zeus Carver mit einer Vielzahl komplexer Herausforderungen konfrontiert. Neben den dominierenden Actionelementen wie Explosionen, Verfolgungsjagden und Schusswechseln beinhaltet der Film eine Sequenz, die in besonderem Maße die Aufmerksamkeit von Rezipienten und Analytikern auf sich zieht: das sogenannte „Wasserbehälter-Rätsel“. Dieses Problem, das auf Prinzipien der Mathematik und Logik basiert, hat sich über die Jahrzehnte hinweg als ein ikonisches Beispiel für die Integration klassischer Denksportaufgaben in ein narratives Filmgeschehen etabliert. In diesem Escape-Game wird sich auf diesen Filmausschnitt bezogen und der Koffer mit dem Wasserrätsel aufgebaut.

Beim Öffnen des Koffers wird das Spiel automatisch gestartet, indem ein mechanischer Taster durch das Aufklappen aktiviert wird und so den Spielbeginn auslöst.

Sofort nach dem Start zeigt ein LCD-Display die Spielanleitung an und ein Countdown von fünf Minuten beginnt zu laufen. Die Spieler müssen nun mithilfe von drei Flaschen — einer großen Flasche mit 250 ml Fassungsvermögen und einem mittleren Behälter mit 150 ml — genau das richtige Gewicht auf eine integrierte Wägezelle legen. Diese misst das Gewicht exakt und vergleicht es mit einem definierten Zielwert. Nur wenn das exakte Gewicht von 200 ml erreicht wird, gilt das Rätsel als erfolgreich gelöst.

Zur Unterstützung erhalten die Spieler akustische Rückmeldungen, die über einen eingebauten MP3-Player abgespielt werden. Unterschiedliche Klangsignale begleiten dabei den Spielstart, den Erfolg oder den Misserfolg. Bei einer falschen Gewichtswahl wird zusätzlich ein roter LED-Streifen aktiviert, der das Scheitern visuell anzeigt.

Schwierigkeitslevel: Einsteiger

Lernziele: Die Spielerinnen und Spieler erfahren, wie Sensoren, Mikrocontroller und Aktoren in einem technischen System zusammenwirken. Sie lernen, wie Gewichtsmessung, Signalverarbeitung und logische Abläufe realisiert werden und erkennen dabei das Zusammenspiel von Hardware, Software und Benutzerführung, unterstützt durch präzises Handeln und logisches Denken unter Zeitdruck.

Bezug zum BSE Studium: Das Escape-Game verbindet technische Systementwicklung mit benutzerorientiertem Design und verdeutlicht zentrale Inhalte des Studiengangs Business and Systems Engineering. Durch das Zusammenspiel von Sensoren, Mikrocontroller, Software und Aktoren werden Prozesssteuerung, Systemintegration und Benutzerführung praxisnah erfahrbar und zeigen die Verbindung von Technik, Management und Systemdenken.

Anforderungen

Tabelle 1: Anforderungen an das Escape Game

ID	Inhalt	Prio	Ersteller	Datum	Geprüft von	Datum	Umsetzung der Anforderung in %; Prüfer
1	Das Escape Game muss in 5 Minuten lösbar sein.	Mittel	Tobias Brandt	29.09.2025
2	Das Rätsel soll sich beim Aufklappen des Koffers starten.	Hoch	Tobias Brandt	29.09.2025
3	Beim Öffnen des Koffers soll die Spielanweisung auf dem LCD - Display angezeigt werden und ein 5 Minuten Countdown gestartet werden.	Mittel	Seda Ünal	08.10.2025
4	Das System soll beim Öffnen des Koffers durch die mechanische Entriegelung des Tasters gestartet werden und der fünfminütige Countdown beginnt sofort.	Hoch	Seda Ünal	08.10.2025
5	Beim Start des Systems sowie bei Erfolg oder Misserfolg des Rätsels sollen unterschiedlich klingende Sounds abgespielt werden.	Mittel	Seda Ünal	08.10.2025
6	Die Wägezelle soll das Gewicht der mit Wasser gefüllten Flasche erfassen. Das gemessene Gewicht wird mit einem Zielwert (200 ml) verglichen und als boolescher Wert ausgegeben: 0 = Rätsel nicht geschafft, 1 = Rätsel erfolgreich gelöst.	Hoch	Seda Ünal	08.10.2025
7	Die Spieler sollen mehrere Versuche haben, um das korrekte Gewicht auf die Platte im Koffer zu stellen.	Hoch	Seda Ünal	08.10.2025
8	Bei gescheitertem Spiel soll der rote LED-Streifen angesteuert werden.	Hoch	Seda Ünal	08.10.2025
9	Wenn die boolesche Variable aus der Auswertung der Wägezelle = 1 ist, wird auf dem LCD Display eine Wortkombination angezeigt, aus dem sich der Spieler den Zahlencode herleiten soll. Mit diesem Zahlencode ist das Rätsel gelöst.	Mittel	Seda Ünal	08.10.2025
10	Das Rätsel muss in einen Schuhkarton passen.	Mittel	Tobias Brandt	29.09.2025
11	Das System muss benutzerfreundlich und für Kinder wie Erwachsene geeignet sein.	Mittel	Tobias Brandt	29.09.2025
12	Für die Spielleitung sollten Tipps und eine Musterlösung bereitgestellt werden.	Niedrig	Seda Ünal	08.10.2025
13	Zum Lösen des Rätsels sollte kein Internet genutzt werden.	Niedrig	Tobias Brandt	29.09.2025
14	Das Spiel muss ohne externe Hilfsmittel zur Gewichtsmessung funktionieren.	Mittel	Seda Ünal	29.09.2025

Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf

Abb. 01: Funktionaler Systementwurf

Funktionaler Systementwurf

Das funktionale System des Escape Games ist darauf ausgelegt, eine intuitive und zeitlich begrenzte Herausforderung für die Spieler zu bieten. Der zentrale Auslöser des Systems ist das Öffnen des Koffers, das über einen mechanischen Taster erfasst wird. Sobald der Koffer aufgeklappt ist, startet das Spiel automatisch.

Das System zeigt unmittelbar eine verständliche Spielanleitung auf einem LCD-Display an und aktiviert einen fünfminütigen Countdown. Dieser Countdown begrenzt die Zeit, innerhalb derer die Spieler das Rätsel lösen müssen.

Das Ziel der Spieler besteht darin, mithilfe von drei unterschiedlich großen Wasserflaschen eine bestimmte Menge Wasser – exakt 200 ml – auf eine integrierte Wiegeplatte zu legen. Die Wiegeplatte ist mit einer Wägezelle verbunden, die das Gewicht misst und die gemessenen Werte an das Steuersystem übermittelt.

Das Steuersystem vergleicht die gemessene Menge mit dem vorgegebenen Zielwert. Die Ergebnisse werden als boolesche Variable ausgegeben: „1“ signalisiert die erfolgreiche Lösung, „0“ einen Misserfolg. Nur ein exaktes Gewicht führt zum Erfolg. Abhängig vom Ergebnis gibt das System akustisches Feedback, mit einem eingebauten MP3, in Form unterschiedlicher Sounds: ein Startsignal beim Spielbeginn, einen Erfolgston bei korrekter Lösung und einen Fehlerton bei falschem Ergebnis. Zusätzlich wird bei einem Misserfolg ein roter LED-Streifen aktiviert, der eine Explosion simuliert.

Dieses funktionale Zusammenspiel sorgt für eine klare und unmittelbare Rückmeldung an die Spieler und gewährleistet eine einfache Bedienbarkeit des Escape Games.

Abb. 02: Systementwurf

Technischer Systementwurf

Das Escape Game ist so konzipiert, dass es innerhalb eines Zeitrahmens von fünf Minuten lösbar ist. Das System startet automatisch beim Aufklappen des Koffers, wobei ein mechanisch entriegelter Taster den Start auslöst. Durch diesen Mechanismus wird die Stromversorgung für die Steuerungselektronik aktiviert.

Beim Start zeigt ein LCD-Display die Spielanweisung an und initiiert einen fünfminütigen Countdown, der die verbleibende Spielzeit visualisiert. Parallel wird ein Start-Sound abgespielt, um die Spieler akustisch über den Beginn des Spiels zu informieren.

Das zentrale Element der Interaktion ist eine Wägezelle, die das Gewicht einer mit Wasser gefüllten Flasche auf einer speziellen Wiegeplatte innerhalb des Koffers misst. Das gemessene Gewicht wird vom Mikrocontroller mit einem vordefinierten Zielwert von 200 ml verglichen. Das Ergebnis dieser Prüfung wird als boolesche Variable ausgegeben: 0 bedeutet, dass das Rätsel nicht erfolgreich gelöst wurde, 1 signalisiert den Erfolg.

Die Spieler erhalten nur einen Versuch, das korrekte Gewicht auf die Platte zu legen. Bei einem Fehlschlag wird ein roter LED-Streifen aktiviert, der eine Explosion simuliert, begleitet von einem akustischen Misserfolgston. Wird das Zielgewicht exakt erreicht, zeigt das LCD-Display eine Wortkombination an, aus der die Spieler einen Zahlencode ableiten können. Gleichzeitig ertönt ein Erfolgssound. Die gesamte Steuerung wird über einen Mikrocontroller realisiert, der die Sensoren (Wägezelle, mechanischer Taster) ausliest, den Countdown steuert, die Displayanzeige verwaltet, die LED-Streifen ansteuert und die Soundausgabe koordiniert.

Materialliste

Tabelle 2: Materialliste

Nr.	Anz.	Beschreibung	Link
1	1	Mikrocontroller ESP32	ESP32
2	1	LCD-Display LCD20x4-B	LCD Modul
3	1	I2C LCD-Display Konverter	I2C Konverter
4	1	Wägezelle 5KG	Wägezelle
5	1	24bit-Wandler HX711	24bit Wandler
6	1	Mini MP3 Player	MiniDFPlayer
7	1	SD-Karte	SD-Karte
8	1	Lautsprecher	Lautsprecher
9	1	Step-Down Spannungswandler LM2596S	Spannungswandler
10	1	9V Netzteil	Netzteil
11	1	Hohlsteckerbuchse 5,5/2,1	Hohlsteckerbuchse
12	1	LED-Streifen	LED-Streifen
13	1	Mosfet IRLB8721PBF	Mosfet
14	1	Taster	Taster
15	2	10k Widerstand	10k Widerstand
16	1	1k Widerstand	1k Widerstand
17	5	1m 0,25qmm Litze grün, gelb, schwarz, rot
18	1	Taster NC	Taster

Komponentenspezifikation

Tabelle 3: Komponentenspezifikation

Nr.	Bezeichnung	Beschreibung	Pin	Versorgungsspannung	Abbildung
1	ESP32	Anzahl GPIO-Pins: 34 Anzahl PWM Pins: 20 Anzahl analoger Ausgang: 2 Schnittstellen: SPi,I2C,UART	38	3,3-5V	Abb. 03: ESP32
2	HX711 & Waegezelle	HX711: 2-Kanal 24bit A/D-Wandler Knaal A variable Verstärkung von 64-128 Anschluesse: I2C (DT SCK) GND VCC, E+ E- A+ A- B+ B- Wägzelle: Gewicht: max. 5Kg	10	2,6 V ~ 5,25	Abb. 04: HX711 & Waegzelle
3	Mini DF Player	Anschluesse: VCC, RX, TX, DAC_R, DAC_1, SPK_1, GND, SPK_2,BUSY, USB-, USB+, ADKEY_2, ADKEY_1, IO_2, GND, IO_1 TX,RX: Serielle Kommunikation zum ESP32 SPK_1, SPK_2: Latsprecheranschluss Anzahl SD-KArtenslot: 1	16	3,2 ~ 5,0 Volt	Abb. 05: Mini DF Player
4	20*4 LCD	Anzahl der Zeichen: 4Zeilen zu jeweils 20 Zeichen Anschluss: mit I2C Adapter Backölight: blau	16	5 V	Abb. 06: 20x4 LCD
5	IRLB8721PBF	Typ: N-Channel Logic-Level MOSFET Schaltspannung: 2,35-20V	3		Abb. 07: IRLB8721PBF

Umsetzung (HW/SW)

Hardware-Umsetzung

Abb. 08: Koffer_Ansicht_mit_Deckel

Die rechts nebenstehende Abbidung 8 zeigt das komplette CAD-Modelle des "Bombenkoffers".

Er besteht aus fünf 3D-Druckteilen:
1. Untere Schale des Koffers
2. Waegzelle Verbindung zum Auflageteller
3. Auflageteller
4. Zwischenebene für Display und Waage
5. Deckel

In der geschlossenen Darstellung können nur die Ausschnitte von dem Lautsprecher an der Seitenwand, für die Ladebuchse und die Anschlüsse der Elektronik gesehen werden. Die Ausschnitte der USB Buchse für den ESP32 und der SD-Karte für den MP3-Player ermöglichen einen Programmierung im geschlossenen Zustand. Die Äußeren Kanten sind stark abgerunden um den Look eines Koffers zu wahren und Verletzungen vorzubeugen.

Abb. 09: Koffer_Unterteil

In der Abbildung 9 ist nun nur das Unterteil des Koffer zu sehen. Hier sind die verschiedenen Komponenten farblich dargestellt:

Stepdownmodul --> grün
Hautpplatine --> braun/orange
Waegzelle --> rot
Verbindungselement zum Waegteller --> gelb

Alle Teile werden auf Schraubdomen mit Einpressmuttern befestigt. In den Ecken des Unterteils befindet sich ebenfalls jeweils ein hoher Schraubdom auf dem die Zwischenebene aufgeschruabt wird.

Abb. 10: Koffer_Unterteil_Bedienebene

In der Abbildung 10 wurde nun die Zwischenebene eingefügt. Der Blick auf die Technik ist nun verwehrt. Anstattdessen ist das Assgabedisplay (links in blau) und die Waage (rechts in lila) zu erkennen. Oben links in der Ecke befindet sich der Taster um das Rätsel zu starten oder zu beenden. Die Betätigung erfolgt automatisch durch den Deckel.

Die CAD-Daten können hier eingesehen werden.
Die Druck-Daten können hier eingesehen werden.

Platinenentwicklung

Um die Elektrobischen Komponenten ordentlich in dem Gehäuse zu befestigen wird eine Platine erstellt. Der Verdrahtungsaufwand wird hierdurch stark reduziert und Fehlerquellen minimiert.

Schaltplan

Der Schaltplan in Abbildung 11 zeigt die elektrischen Verbindungen der einzelnen Kommponenten und ist Grunlage für das folgende Platinenlayout. Für die Erstellung wurde das Programm Multisim verwendet.

Abb. 11: Schaltplan_Platine

Tabelle 3: Legende Schaltplan

Bezeichner	Beschreibung	Wert
V_in	Screw Terminal	2-polig
LED_Stripe	Screw Terminal	2-polig
Lautsprecher	2_Pin_Header	2-polige Buchsenleiste
Taster	2_Pin_Header	2-polige Buchsenleiste
Display	4_Pin_Header	4-polige Buchsenleiste
Waage	4_Pin_Header	4-polige Buchsenleiste
U1	ESP32	38 Pins
U2	Mini DF-Player	16 Pins
U3	HX711	10 Pins
Q1	IRLB8721	Mosfet
R1,R2	Widerstand 0,25W	10k
R3	Widerstand 0,25W	1k

Der Mikrocontroller, der die gesamte Steuerung übernimmt, ist der ESP32 (U1). Er ist mit den Modulen wie dem Display, dem Lautsprecher und der Wägezelle verbunden.

Der Mini DFPlayer (U2) ist für die Audioausgabe verantwortlich und steuert den Lautsprecher. So können Töne wie eine Explosion, Startbedingungen etc. abgespielt werden.

Das Modul zur Wägezelle, HX711 DEV Board (U3), misst das Gewicht und überträgt die Daten an den Mikrocontroller.

Der Widerstand R2 dient als Pull-down des Eingangs zum Mosfet, da dieser sonst immer unter Spannung stehen würde. Der Widerstand R3 dient als Rauschunterdrückung in der RX-TX Leitung.

Der LED-Streifen gibt visuelle Rückmeldung bei nicht erfolreich gelöstem Rätsel. Er wird über den Mosfet Q1 geschaltet.

Platinen-Layout

• 
  Abb. 12: Ultiboard_bottom_copper
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  Abb. 13: Ultiboard_3D_copper_bottom
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  Abb. 14: Ultiboard_3D

Die Abbildung 12 zeigt das Platinenlayout des zuvor vorgestellten Schaltplans. Hier wird nur die Unterseite "bottom-copper" angezeigt da es sich um eine reine Platine mit THT-Komponenten handelt. Es wird auf eine Beidseitige fertigung verzichtet um unnötigen Aufwand des Fräsens und Löten von Vias zu vermeiden. Die Flächigen Kupferzonen sind mit GND belegt.

In der 3D-Simulation ist die Leiterbahnführung auf der Abbildung 13 noch besser zu erkennen.
Bei der Erstellung der Footprints und der Symbole wurden ausschließlich geometrische Formen für die 3D- Modelle gewählt um den Platbedarf der Komponenten abschätzen zu können. Diese sind in Abbildung 14 dargestellt.

Die Layouts können hier herunter geladen werden.
Die Fertigungsdateien befinden sich hier

Aufbau der Platine

Abb. 15: Platine_gefraest

Nach dem Fräsen der Platine wurde sie mit einem Schutzlack überzogen damit die Kupferbahnen geschützt sind. Anschließend wurden die THT-Komponenten aufgelötet. Dabei wurden die Elektronikkomponenten wie der ESP32, Mini_DF_Player unnd HX711 nicht direkt aufgelötet. Anstatt dessen wurden Buchsenleisten montiert in diese die Bauteile gesteckt werden können. Dies ermöglicht ein einfaches Austauschen. Alle weiteren Anschlüsse für die Sensoren und Aktoren wurden mit Buchsenleisten zum Stecken realisiert. Der Anschluss für den LED Streifen und die Versorgungsspannung erfolgt über jeweils eine Schraubklemme.

Abb. 16: Platine_Komplett

In Abbildung 16 sind zusätzlich die Komponenten angesteckt, die im Nachfolgenden in das Gehäuse eingebaut werden.

Software-Umsetzung

Die Software wird für den ESP32 38Pin Microcontroller entwickelt. Um sicher zu gehen und als Vorarbeit für das Hauptprogramm in Simulink wurden einzelne Programmcodes geschrieben. Hiermit wurden alle Kompoenten einzeln auf Funktion getestet um Verdrahtungsfehler auszuschließen.

Projektunterlagen

Projektplan

Abb. 17: Projektplan

Programmablaufplan

In der Abbildung 17 wird ein Flussdiagramm dargestellt, dass den programmtechnischen Ablauf zeigt.

Abb. 18: Programmablaufplan

Weblinks

Anleitung 20x4 Display

Waegzelle

Beispeil MP3-Player

HX711 basierte Waage

ESP32 Pinout