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
| 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
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.
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
| 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
Dieses System kombiniert eine Wägetechnik-Einheit, eine Audioausgabe, eine LED-Steuerung sowie ein Display zur Benutzerinteraktion. Das Kern bildet ein ESP32-Mikrocontroller, der sämtliche Sensoren und Aktoren koordiniert.
Der ESP32 dient als zentrale Steuereinheit. Er übernimmt die Auswertung der Wägedaten über den HX711, die Ansteuerung des LCD-Displays, die Steuerung des LED-Streifens über einen MOSFET-Treiber, die Kontrolle des DFPlayer-Mini-Audiosystems sowie die Verarbeitung des Tastersignals.
Die Wägezelle ist ein elektromechanischer Sensor, der ein Gewicht in ein elektrisches Signal umwandelt. Im Spiel wird es zur Ermittlung des Gewichts der Flaschen eingesetzt. Der HX711 dient als hochauflösender 24-Bit-ADC, der speziell für Wägezellen entwickelt wurde und das analoge Differenzsignal verstärkt und digitalisiert.
Das LCD-Display informiert den Benutzer über Statusmeldungen und Messwerte und verfügt über eine integrierte Hintergrundbeleuchtung. Der DFPlayer Mini, ein kompakter MP3-Player-Baustein, übernimmt die Wiedergabe von Audiohinweisen oder Soundeffekten, beispielsweise bei der erfolgreichen Lösung eines Rätsels. Ein passiver Lautsprecher, der mit dem DFPlayer Mini verbunden ist, gibt diese akustischen Signale oder die Sprachansagen aus.
Ein Logiklevel-MOSFET schaltet den 5-V-LED-Streifen, der als optische Anzeige dient und verschiedene Status- oder Effektbeleuchtungen ermöglicht.
Der Taster sorgt dafür, dass das Spiel beim Öffnen des Koffers gestartet wird.
Die Hauptstromversorgung erfolgt über eine 9-V-Batterie. Ein nachgeschalteter Step-Down-Regler reduziert die Spannung von 9 V auf 5 V, um die elektronischen Komponenten sicher und stabil zu betreiben.
Umsetzung (HW/SW)
Hardware-Umsetzung
Die rechts nebenstehende Abbidung 3 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.
In der Abbildung 4 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.
In der Abbildung 5 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.
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 6 zeigt die elektrischen Verbindungen der einzelnen Kommponenten und ist Grunlage für das folgende Platinenlayout.
Für die Erstellung wurde das Programm Multisim verwendet.
| 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. 07: Ultiboard_bottom_copper -
Abb. 08: Ultiboard_3D_copper_bottom -
Abb. 09: Ultiboard_3D
Die Abbildung 7 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 8 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 9 dargestellt.
Aufbau der Platine
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.
Komponententest
Ergebnis
Zusammenfassung
Lessons Learned
Projektunterlagen
Projektplan
Programmablaufplan
Der Programmablaufplan beschreibt die Steuerlogik des Escape-Game-Systems. Beim Öffnen des Koffers beginnt das Programm und präsentiert zunächst die Spielanleitung auf dem LCD. Parallel beginnt ein fünfminütiger Countdown. Das aktuelle Gewicht wird nun fortlaufend über die Wägezelle in einer Schleife eingelesen. Zuerst wird kontrolliert, ob das Zielgewicht von 200 ml erreicht wurde. Tritt dieser Fall ein, wird über den Lautsprecher ein Erfolgston abgespielt, der LED-Streifen zur Anzeige des Erfolgs aktiviert und das Programm beendet. Falls das Gewicht noch nicht stimmt, wird kontrolliert, ob die Spielzeit schon vorbei ist. Wird die Zeit abgelaufen, ertönt ein Fehlerton, der LED-Streifen wird zur „Explosion“ eingeschaltet und das Spiel beendet sich ebenfalls. Ist die Zeit noch nicht abgelaufen, kehrt der Ablauf zur Gewichtsmessung zurück, bis entweder das richtige Gewicht erreicht oder die Zeit abgelaufen ist.
Projektdurchführung
YouTube Video
Weblinks
Literatur
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