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# UCPS Projekt – Gruppe C
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Dynamische, kontextsensitive Steuerung des Lernklimas im Vorlesungsraum: Sensordaten (Arduino) werden mit Live-Präferenzen von Dozierenden und Studierenden aggregiert und in einem Webinterface samt 3D-Digitalem-Zwilling dargestellt.
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Das vollständige Konzept steht in [docs/aggregationskonzept.md](docs/aggregationskonzept.md).
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## Datenfluss
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Sensoren (Arduino UNO) ➔ WiFi/Bluetooth ➔ Backend (Aggregation & Regeln) ➔ Frontend (Webinterface + 3D-Zwilling)
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Aktuell umgesetzt:
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DHT11 + CCS811 ─▶ Arduino Uno ─Serial (Pin 0/1)─▶ ESP-01 ─WLAN (Handy-Hotspot)─▶ Laptop: backend/server.py :3000 ◀── Browser
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└──▶ Unity-Zwilling (SmartLectureRoom)
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Der Unity-Zwilling (eigenes Repo `SmartLectureRoom`) holt im Modus **Verbindung → Backend** jede Sekunde `GET /api/messwerte` ab. Temperatur und eCO₂ vom Arduino ersetzen dann die simulierten Werte, das passende Szenario (Hitze, stickige Luft, Wintermorgen …) wird erkannt und Fenster, Lüftung, Heizung, Jalousie und Licht werden automatisch angesteuert. Die Entscheidung meldet Unity per `POST /api/steuerung` zurück. Details: README im Unity-Projekt, Abschnitt „Arduino anbinden“.
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## Repo-Struktur
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| Ordner | Inhalt |
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| `docs/` | Konzept, Architektur- und Entscheidungsdokumente |
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| `firmware/` | Arduino-Sketches für Sensorik und Übertragung |
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| `backend/` | Aggregationslogik (Durchschnitt, CO2-Hard-Constraint, Kontext-Sperren), API, Wetterdaten |
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| `frontend/` | Responsive Webinterface (Live-Werte, Präferenz-Slider) und 3D-Raum |
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## Status
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Live-Messwerte laufen Ende-zu-Ende: Der Arduino misst Temperatur, Luftfeuchte, eCO₂ und TVOC, zeigt sie auf dem LCD und sendet sie per ESP-01 an `backend/server.py`; die Website (`frontend/`) zeigt sie live mit Verlauf und CO₂-Alarm. Der Unity-Zwilling ist an den Server angebunden (mit `simulator.py` vorbereitet, mit dem echten Arduino noch nicht getestet). Aggregation/Präferenzen im Backend fehlen noch (siehe [docs/offene-punkte.md](docs/offene-punkte.md)).
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## Komponenten und ihre Aufgabe
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### Hardware
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| Komponente | Aufgabe |
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| **Arduino Uno** (Haupt-Uno) | Herz der Messstation: liest alle 2 s die Sensoren, zeigt die Werte auf dem LCD und gibt sie an den ESP weiter. |
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| **DHT11** | Misst **Temperatur** (°C) und **Luftfeuchte** (%). Langsam, braucht ca. 2 s zwischen zwei Messungen. |
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| **CCS811 / CJMCU-811** | Misst die Luftqualität: **eCO₂** (ppm) und **TVOC** (ppb, flüchtige organische Stoffe). eCO₂ ist ein aus den Gasen *geschätzter* CO₂-Wert, keine echte CO₂-Messung. Temperatur und Feuchte vom DHT11 bekommt er zur Korrektur. In den ersten ~20 min nach dem Einschalten oft 400 ppm / 0 ppb. |
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| **LCD 16×2** | Zeigt die Werte direkt an der Station. Nur 2 Zeilen, daher Wechsel zwischen Temp/Luft und CO2/TVOC. Beim Start zeigt es den WLAN-Status („WLAN OK“ oder „Fehler E1“ …). |
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| **Potentiometer** | Stellt den Kontrast des LCD ein. |
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| **ESP-01 (ESP8266)** | WLAN-Modul, da der Uno selbst kein WLAN hat. Der Uno schickt ihm Textbefehle („AT-Befehle“), der ESP verbindet sich mit dem Hotspot und schickt die Werte an den Laptop. |
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| **Zweiter Uno** | Liefert dem ESP nur Strom (3,3 V), weil der Haupt-Uno zu wenig Strom für den ESP hat. Braucht **gemeinsame Masse** (GND) mit dem Haupt-Uno. |
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| **Handy-Hotspot** | Das WLAN, in dem sich ESP und Laptop treffen. Muss 2,4 GHz anbieten (iPhone: „Maximale Kompatibilität“). |
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| **Laptop** | Empfängt die Messwerte und stellt die Website bereit. |
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### Software
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| Datei | Aufgabe |
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| `firmware/dht11_lcd/dht11_lcd.ino` | **Hauptprogramm** auf dem Uno: Sensoren lesen, LCD anzeigen, Senden anstoßen. Speichert außerdem stündlich die Kalibrierung („Baseline“) des CCS811 im EEPROM, damit die Werte nach einem Neustart schneller stimmen. |
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| `firmware/dht11_lcd/esp_wifi.h` | Steuert den ESP: Baudrate finden, mit dem Hotspot verbinden, Messwerte als **HTTP-POST** an den Laptop schicken. |
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| `firmware/dht11_lcd/wifi_config.h` | Zugangsdaten (Hotspot-Name, Passwort, Laptop-IP). Nicht im Repo, Vorlage: `wifi_config.example.h`. |
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| `backend/server.py` | **Server** auf dem Laptop (Port 3000): nimmt die Messwerte vom ESP an, merkt sich die letzten 100, liefert die Website aus und stellt die Werte dem Unity-Zwilling bereit (dessen Steuerbefehle kommen per `POST /api/steuerung` zurück). |
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| `backend/start.bat` | Startet den Server per Doppelklick und prüft, ob die Laptop-IP zu `wifi_config.h` passt. |
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| `backend/firewall_freigeben.bat` | Gibt Port 3000 in der Windows-Firewall frei, damit der ESP den Laptop erreicht. |
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| `backend/simulator.py` | Schickt erfundene Werte – zum Testen ohne Arduino. Mit `--szenario hitze/stickig/kalt/normal/demo` gezielt Szenarien für den Unity-Zwilling auslösen. |
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| `frontend/` | **Website**: fragt alle 2 s beim Server die neuesten Werte ab und zeigt Kacheln, Verlaufsdiagramm und CO₂-Alarm ab 1000 ppm. |
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| `firmware/esp_test`, `firmware/ccs811_test`, `firmware/ccs811_diagnose` | Testprogramme zur Fehlersuche, im normalen Betrieb nicht nötig. |
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### Ablauf einer Messung
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1. Der **Uno** liest **DHT11** und **CCS811** aus und zeigt die Werte auf dem **LCD**.
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2. Etwa alle 4 s schickt er sie über Pin 0/1 an den **ESP-01**.
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3. Der ESP sendet sie über den **Hotspot** an den **Laptop** (`server.py`, Port 3000).
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4. Der **Browser** fragt den Server alle 2 s nach den neuesten Werten und zeigt sie auf der Website.
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## Hardware (Verkabelung)
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| Bauteil | Anschluss am Uno |
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| DHT11 | Daten → Pin 2 |
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| LCD 16×2 | RS 7, E 8, D4–D7 → 9–12, RW → GND, V0 → Poti |
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| CCS811 (CJMCU-811) | VCC → 3,3 V, GND, SDA → A4, SCL → A5, WAK → GND, ADD → GND (Adresse 0x5A) |
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| ESP-01 | **TX → Pin 0, RX → Pin 1 (gekreuzt!)**, VCC + EN → 3,3 V, GND; RST, GPIO0, GPIO2 frei |
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Der 3,3-V-Pin des Uno liefert nur ca. 150 mA, der ESP-01 braucht beim Start kurz bis zu 300 mA. Wir versorgen den ESP deshalb aus einer eigenen 3,3-V-Quelle (zweiter Uno); deren **GND muss mit dem GND des Haupt-Uno verbunden** sein.
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## Starten
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1. `firmware/dht11_lcd/wifi_config.example.h` als `wifi_config.h` kopieren und Hotspot-Name, Passwort und Laptop-IP eintragen (die Datei ist in `.gitignore`).
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2. iPhone-Hotspot mit **„Maximale Kompatibilität“** einschalten (ESP-01 kann nur 2,4 GHz), Laptop verbinden.
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3. Einmalig `backend/firewall_freigeben.bat` als Administrator ausführen.
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4. `backend/start.bat` starten – muss „OK: SERVER_IP … passt“ melden, sonst die angezeigte IP in `wifi_config.h` eintragen.
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5. ESP-Datenkabel von Pin 0/1 abziehen, `firmware/dht11_lcd` hochladen, Kabel wieder anstecken, Reset.
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6. LCD zeigt „WLAN OK“, Website: http://localhost:3000
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## Fehlerbehebung: „WLAN Fehler E1“ (ESP antwortet nicht)
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**Symptom:** Das LCD zeigte nach dem Start immer „WLAN Fehler E1“, egal wie TX/RX gesteckt waren; `esp_test` zeigte bei jeder Baudrate „keine Antwort“. Zeitweise meldete außerdem der CCS811 „CCS811 Fehler!“.
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**Ursachen (es waren mehrere gleichzeitig):**
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1. **TX/RX nach Instructables-Anleitung verkabelt.** Die Anleitung „Add WiFi to Arduino UNO“ benutzt den Uno nur als USB-Adapter (leerer Sketch, der Laptop spricht mit dem ESP). Dafür wird *gerade* verbunden (ESP TX → Pin 1, ESP RX → Pin 0), weil der USB-Chip des Uno intern schon kreuzt. In unserem Projekt spricht aber der **Uno selbst** mit dem ESP – dann muss **gekreuzt** werden: **ESP TX → Pin 0 (RX), ESP RX → Pin 1 (TX)**.
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2. **Keine gemeinsame Masse.** Der ESP hing an der 3,3 V eines zweiten Uno, dessen GND nicht mit dem Haupt-Uno verbunden war. Ohne gemeinsame Masse kommen auf TX/RX keine sauberen Signale an (der ESP läuft trotzdem, die blaue LED blinkt beim Start).
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3. **Zu schwache 3,3-V-Versorgung.** Hingen ESP und CCS811 gemeinsam am 3,3-V-Pin des Uno, brach die Spannung beim Start des ESP ein: Der ESP startete unzuverlässig, und der CCS811 antwortete beim Initialisieren nicht („CCS811 Fehler!“). Der Sketch startet den CCS811 deshalb jetzt erst nach dem WLAN und versucht es bei Fehlern erneut.
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**So haben wir es eingegrenzt (Durchreiche-Test, ohne eigenen Sketch):**
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1. Leeren Sketch (Datei → Beispiele → 01.Basics → BareMinimum) auf den Uno laden.
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2. ESP **gerade** anschließen: TX → Pin 1, RX → Pin 0, gemeinsame Masse.
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3. Serial Monitor auf **74880 Baud**, ESP neu einstecken → lesbare Bootmeldung (`SDK ver: …`) heißt: ESP lebt, TX-Leitung ok.
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4. Serial Monitor auf **115200 Baud** und „Sowohl NL als auch CR“, `AT` senden → `OK` heißt: ESP voll funktionsfähig.
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5. `AT+CWMODE=1` und `AT+CWJAP="<SSID>","<Passwort>"` → `WIFI CONNECTED`, `WIFI GOT IP`, `OK` heißt: Hotspot ok.
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6. Optional `AT+UART_DEF=9600,8,1,0,0`: ESP dauerhaft auf 9600 Baud (vom Uno zuverlässiger empfangen, der Sketch erkennt 9600 automatisch).
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7. Danach für `dht11_lcd` wieder **gekreuzt** anschließen.
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| LCD | Bedeutung |
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| WLAN Fehler E1 | ESP antwortet nicht: TX/RX nicht gekreuzt, GND fehlt, Strom zu schwach |
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| WLAN Fehler E2 | ESP antwortet, Station-Modus nicht setzbar |
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| WLAN Fehler E3 | Hotspot nicht erreichbar: SSID/Passwort, „Maximale Kompatibilität“ aus, Hotspot aus |
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| CCS811 Fehler! | Sensor antwortet nicht am I2C: Verkabelung prüfen, `firmware/ccs811_diagnose` zeigt den genauen Schritt |
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### „Mal geht's, mal nicht“ (E1 trotz richtiger Verkabelung)
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**Beobachtung:** Bei korrekter, gekreuzter Verkabelung kam trotzdem manchmal „WLAN Fehler E1“. Zuverlässig lief es nur mit diesem Ablauf:
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1. ESP **gerade** anschließen (TX → Pin 1, RX → Pin 0), Reset am Haupt-Uno
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2. ESP **gekreuzt** anschließen (TX → Pin 0, RX → Pin 1), nochmal Reset
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**Vermutete Ursache:** Der Sketch sucht beim Start die Baudrate des ESP (115200, 9600, 57600, 38400). Jeder Versuch mit falscher Baudrate – und auch der Uno-Reset selbst, bei dem die TX-Leitung kurz offen ist – kommt beim ESP als Zeichensalat an. Der ESP hängt diesen vor den nächsten Befehl (`x#~AT` statt `AT`), antwortet `ERROR` statt `OK`, und die Suche dreht sich im Kreis.
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**Fix in der Firmware:** `espBaudrateFinden()` in `esp_wifi.h` schickt jetzt vor jedem `AT` eine leere Zeile. Damit schließt der ESP den Zeichensalat als eigene (ungültige) Zeile ab, und das folgende `AT` kommt sauber an. Seitdem reicht einmal gekreuzt anschließen + Reset (am Aufbau bestätigt). Der Ablauf oben ist nur noch Notlösung, falls es doch wieder auftritt.
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Weitere Ursachen für wechselndes Verhalten:
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- **Strom am Limit:** Ein Elko (100–470 µF) direkt zwischen VCC und GND am ESP fängt die Stromspitzen ab.
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- **iPhone-Hotspot versteckt sich** nach einer Weile ohne verbundenes Gerät (dann E3): vor dem Reset Einstellungen → Persönlicher Hotspot öffnen.
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- **Wackelkontakte** an GND, TX oder RX im Steckbrett.
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