Title: LS7.1: Einstieg in die Mikrocontrollerprogrammierung
Course: LF07 - Cyber-physische Systeme ergänzen - FI-/ITSE - ESP32

Klimaüberwachung Serverraum

Die Geschäftsführung der ChangeIT hat entschieden, die IT-Sicherheitsleitlinien auf Aktualität zu überprüfen und ein Informationssicherheitsmanagementsystem (ISMS) zu implementieren, um langfristig einen zuverlässigen Geschäftsbetrieb zu gewährleisten und den Erfolg des Unternehmens abzusichern. Ein guter Ansatz für den Aufbau eines ISMS bietet das BSI mit dem IT-Grundschutz. Das mittelfristige Ziel ist eine Zertifizierung nach ISO 27001, um ein starkes Zeichen für das Sicherheitsbewusstsein zu setzen. Die Geschäftsführung möchte sich mit der Zertifizierung einen wertvollen Wettbewerbsvorteil verschaffen.

BSI Grundschutz

Laut Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) spielt die Informationssicherheit bei einer erfolgreichen Digitalisierung eine grundlegende Rolle.

Informationssicherheit nach BSI basiert auf den Grundwerten Vertraulichkeit, Integrität und Verfügbarkeit. Mit dem IT-Grundschutz liefert das BSI einen De-facto-Standard für Informationssicherheit und beschreibt eine bewährte systematische Vorgehensweise, um die Schutzziele sicherzustellen. Vordefinierte Sicherheitsanforderungen sind in verschiedenen Bausteinen katalogisiert. Das Bausteinkonzept definiert verschiedene Anforderungslevel. Eine einfache Einstiegsmöglichkeit in den IT-Grundschutz bietet die Basisabsicherung, die die Mindestanforderungen beschreibt, um möglichst schnell größere Risiken abzusichern. Aufbauend auf der Basisabsicherung können höhere Sicherheitsniveaus in den Varianten Kern- und Standardabsicherung erreicht werden.

Mit zu den grundlegendsten Aufgaben der IT-Sicherheit gehört es, vorbeugende Maßnahmen zu implementieren. Ein wichtiges Schutzziel dabei ist die Verfügbarkeit der IT-Systeme. In der Regel wird die zentrale IT-Infrastruktur wie Server, Storage, Switche, Telefonanlage usw. in einem separaten Raum, dem Serverraum untergebracht. Im IT-Grundschutz werden typische Gefährdungen für Serverräume im Baustein INF dokumentiert. Ein Kriterium bezieht sich speziell auf die Klimatisierung von IT-Betriebsbereichen. Im Abschnitt INF.2.A5 wird als Basisabsicherung beschrieben, dass die Lufttemperatur und die Luftfeuchtigkeit  innerhalb der vorgeschriebenen Grenzwerte liegen muss. Außerdem müssen diese Werte über einen längeren Zeitraum aufgezeichnet werden, um im Fehlerfall rückwirkend feststellen zu können, ob die Grenzwerte überschritten wurden.

Informieren bzw. Analysieren

Immer wenn Sie eine neue, Ihnen unbekannte Aufgabenstellung bearbeiten müssen, benötigen Sie zunächst Informationen aus dem Sachgebiet. Im betrieblichen Umfeld hilft Ihnen Ihr Ausbildungspersonal, in der Berufsschule die Lehrkraft oder Ihre Mitlernenden. Sobald Sie später auf sich allein gestellt sind, müssen Sie auch selber für die Informationsbeschaffung sorgen. Sie suchen sich genau die Infos, die Sie zur Lösung Ihres Auftrages benötigen.
Wir betrachten hier auch Schnittstellen zu bereits vorhandenen Systemen, auf denen die neue Lösung aufbauen kann. Auch mögliche Zusammenarbeit mit anderen Personen oder Abteilungen spielen eine Rolle.

Wahl der Stammgruppen (3 parallele Klassen)

Sie arbeiten in einem Team, in dem die späteren Aufgaben verteilt bearbeitet werden. Im Klassenraum sollten Sie sich so platzieren, dass Sie gut zusammenarbeiten können.

Grundsätzlich arbeiten Sie im Team gemeinsam. Folgende Themengebiete werden in einem Team auf drei bis fünf Personen verteilt werden müssen:

- Überblick ESP32 (Funktionen und DevKit)
- Entwicklungsumgebung Arduino-IDE
- Überblick "Programmieren in C"
- Die GPIO-Pins des ESP32
- Breadboard und Schaltplanerstellung

Ziel der Lernsituation 1 ist, dass jede Schülerin bzw. jeder Schüler auf eine eigene einsetzbare IDE-Umgebung zugreifen kann und über einen funktionsfähigen Versuchsaufbau (Breadboard-Versuchsaufbau mit ESP32) verfügt.

Wichtig ist, dass alle im Team mindestens eine Aufgabe übernehmen und Sie sich regelmäßig über den Stand Ihrer Arbeit im Team austauschen.

Wahl der Expertengruppen

Zu den fünf Themen wird es Expertenteams geben. Diese treffen sich in ihrem jeweiligen Fachbereich mit Teilnehmenden aus anderen Stammgruppen und bilden sich fort.

Die Arbeitsergebnisse werden dann später in der Stammgruppe, bzw. vor der Klasse vorgestellt. Sprechen Sie sich innerhalb Ihrer Stammgruppe ab, wer welches der fünf Themen übernehmen soll.

Wichtig ist, dass Sie sich in Ihrer Stammgruppe möglichst gleichmäßig auf alle Expertenthemen verteilen.

Planen/ Entscheiden

Sie haben sich bisher grundlegende Informationen zu folgenden Themengebieten verschafft.

- Installation der Entwicklungsumgebung Arduino-IDE
- Anpassung der IDE und Auswahl des ESP32-Boards
- Beschaltung der GPIO-Pins mit Bestimmung des Vorwiderstands  für die Anschaltung einer LED
- Aufbau des Starterboards (ESP32 mit mindestens einer LED) auf einer Steckplatine
- Programmierung eines ersten Sketch-Programms
- Compilierung und  Upload des Programms auf den ESP32

Damit sollten Sie über alle Informationen verfügen, um das Starteboard aufbauen zu können und  die Lauffähigkeit der Entwicklungsumgebung durch das Blinken einer LED nachzuweisen.

Legen Sie im Team die einzelnen Abeitsschritte fest und dokumentieren Sie Ihr Vorgehen.

Definieren Sie einen gemeinsamen Ablageort für ihre Team-Dokumente. Berücksichtigen Sie, dass man z.B. die zu installierenden Softwarepakete teamübergreifend bereitstellen sollte.

Durchführen

Damit sollten jetzt in der Lage sein, selbstständig den Versuchsaufbau anhand eines Schaltplans umzusetzen und das "Hello-World-Programm für Mikrocontroller" zu erstellen. Nachdem Ihr Programm erfolgreich auf den ESP32 hochgeladen wurde, sollte die LED auf dem Versuchsaufbau blinken.

Arbeiten Sie im Team und sorgen Sie dafür, dass alle Teammitglieder  das Entwicklungsziel, ein lauffähiger Versuchsaufbau, erreichen

Kontrollieren/ Bewerten

Vergleichen Sie Ihre Lösung mit denen Anderer und diskutieren Sie die Ergebnisse.

Reflektieren

Üben/ Wiederholen/ Transfer

Nach Durchführung der Arbeiten reflektieren Sie hier Ihr Handeln und die Vorgehensweise. Was war gut, welche Schritte würden Sie beim nächsten Durchlauf anders bearbeiten?

Hier finden Sie auch wichtige Lerninhalte, die nur mittelbar zur Lernsituation gehören und nicht unbedingt notwendig zu wissen waren, um eine Lösung zu finden. Sie runden aber Ihre Kompetenzen ab, wenn Sie sich damit auseinandersetzen. Darüber hinaus finden Sie zusätzliches Übungsmaterial und Hinweise auf weiterführende Literatur.