Kursthemen

  • Allgemeines

    Alles einklappen Alles aufklappen

  • Voraussetzungen und Kompetenzen der Lernsituation

    • Voraussetzungen der Schülerinnen und Schüler

      Es wird das Wissen bzgl. IP-Adressen, Subnetzmasken und wie diese aufgebaut sind vorausgesetzt.

      Ebenfalls wäre es vom Vorteil wenn man bereits Vorwissen bzgl. Bussysteme hat, was bspw. eine Busleitung ist, wie die Daten übertragen werden und welche Mechanismen es innerhalb der Datenübertragung wie bspw. CSMA / CD Verfahren, gibt.



  • Beschreibung der Handlungssituation

    • Sie sind Mitarbeiter der KNX-Solution GmbH und haben den Auftrag bekommen die bereits bestehende KNX-Anlage in Herr Müllers Haus zu parametrisieren. Bei der KNX-Anlage wurden Twisted-Pair-Kabel verwendet. Die Anlage besteht aus einem Präsenzmelder, einem KNX-6-fach-Taster und einem Dimmaktor sowie einen Schaltaktor.

      Herr Müller hat verschiedene Wünsche die die KNX-Anlage erfüllen soll.

      Zum einen möchte er, dass man mithilfe des 6-fachen KNX-Tasters die Leuchten an und ausschalten kann.

      Des Weiteren soll es möglich sein mithilfe des KNX-Tasters die Leuchten manuell zu dimmen.


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  • Didaktische Hinweise

  • Materialien

    • Was ist KNX überhaupt?

      KNX ist ein intelligentes Bussystem der Elektroinstallation. Es ermöglicht die Vernetzung aller Komponenten der Haus- und Gebäudesystemtechnik, egal ob die Beleuchtung, die Heizungsanlage oder die Alarmanlage intelligent gesteuert werden sollen.

       

      KNX ist zunächst nichts weiter als ein weiteres Steuerkabel (worauf wir im späteren noch genauer eingehen werden), das zusammen mit der Stromversorgung verlegt wird. Die Intelligenz steckt in den Tastsensoren, den Messfühlern oder in der Steuerzentrale. Diese Geräte ersetzen die herkömmlichen Schalter und versenden Steuerbefehle (sogenannte Telegramme --> Bussystem arbeitet mit den Telegrammen nach dem CSMA / CD Verfahren, um Kollisionen von Übertragungen zu vermeiden) über die Busleitung – an Leuchten, Jalousien, die Heizungsanlage, Alarmanlage, sogar die Musikanlage sowie andere KNX-fähige Geräte können eingebunden werden.


    • Vorteile vom KNX-System

      Bevor wir uns mit KNX beschäftigen, müssen wir uns mit den einzelnen Vorteilen, dieses Systems auseinandersetzen.

      Was spricht für KNX?

      KNX ist kein Hersteller, sondern ein weltweiter Standard. Auf diesen Standard haben sich alle Hersteller auf dem Markt geeinigt. Diese Einigung wird durch die sogenannte KNX-Association organisiert. Unter dieser Dach-Vereinigung  befinden sich Gerätehersteller als auch Softwarehersteller.

      Vorteil durch diese Vereinigung ist, dass alle Hersteller die dem angehören ihre Produkte so auslegen, dass diese herstellerübergreifend kompatibel sind.  Ein weiterer wichtiger Vorteil dadurch auch ist, dass für jede Budgetklasse etwas dabei ist, und man dadurch durch entsprechende Herstellerauswahl ein kostengüsntiges KNX-System aufbauen kann.

      Bei KNX kann man sagen, dass es sich um ein stabiles System handelt, das autark und vor allem dezentral arbeitet. Die einzelnen Bauteile haben eine sehr hohe Lebensdauer, die sich zur klassichen Elektroinstallation kaum unterscheidet.

      Ein weiterer wichtiger Vorteil ist, dass wenn ein Bauteil kaputt ist und dieser von dem Hersteller nicht mehr hergestellt wird, dass man einfach auf das selbe Gerät jedoch von einem anderen Hersteller zugreifen kann, da alle KNX-Bauteile zu 100% miteinander kompatibel sind.

      Neben dem Kostenfaktor gibt es auch zahlreiche Vorteile bei der Verdrahtung. Zum einen wird der Verdrahtungsaufwand verringert, da zu jedem Betriebsmittel nur jeweils eine Busleitung hinführt . So benötigt bspw. ein Taster mit 6 Tastfunktionen nur eine Busleitung. Wenn solch ein Taster mit der herkömmlichen Hausinstalltion verdrahtet wird, werden viele Leitungen zum erfüllen der Funktionen benötigt.

      Ein weiterer großer Vorteil ist, dass der Wartungsaufwand minimal ist. Dies liegt, daran dass jedes Bauteil dezentral arbeitet und durch eine einfach Busleitung verbunden ist. Man muss also im Falle eines defektes, das Bauteil oder ggf. das Stück der Busleitung austauschen.

      Zu dem minimalen Wartungsaufwand kommt ein weiterer Vorteil hinzu, der vor allem in der Industrie von großer Bedeutung ist, nämlich die Wartungskosten die durch einen geringen Wartungsaufwand kleiner werden.

      Wofür KNX jedoch am meisten steht ist die Flexibilität. Die Flexibilität kommt dadurch zum Vorschein, dass man mithilfe der ETS-Software die einzelnen Bauteile soweit parametrisieren kann, dass sie teilweise unterschiedliche Funktionen haben. So kann man bspw. die Leuchten so umprogrammieren, dass sie bspw. nach einer bestimmten Zeit nach dem einschalten wieder ausgehen oder dauerhaft anbleiben.



    • Aus was beseht ein KNX-System?

      Zunächst muss man wissen, dass ein KNX System keine Zentrale hat, also immer dezentral arbeitet. Jedes Gerät enthält einen eigenen Mikroprozessor. Mithilfe von Software wie ETS (Engineering Tool Software) ist es möglich die einzelnen Geräte zu parametrisieren. Dadurch besteht die Möglichkeit die Parameter jederzeit zu verändern --> dadurch lernt das Gerät was es zu tun hat (dadurch ist KNX sehr flexibel und kann jederzeit an neue Bedürfnisse angepasst werden).

      Ein KNX-System besteht aus:

      Sensoren:

      - Thermostat, Schalter, Windmesser à erzeugen Befehle in Form von Telegrammen

      - Ein Sensor schickt ein Signal auf die Busleitung (von denen gehen die Steuersignale aus)

      Aktoren

      - Schaltrelais für Licht, Jalousienaktor, Dimmer, Bediengerät, Schaltaktor

      - Bei den Aktoren kann man sagen, dass es sich um die aktiven Bauteile im System handelt. Während die Sensoren in die Busleitung über Steuersignale sprechen, lauschen die Aktoren auf die Busleitung um mithilfe der Steuersignale die gewünschte Reaktion durchzuführen.

      Busleitung

      - mithilfe der Busleitung werden alle Sensoren und Aktoren für den Telegrammverkehr miteinander verbunden

      (Server)

      - komplexe Lösungen sind auch realisierbar, jedoch empfiehlt es sich in den meisten Fällen auf einen Server zurückzugreifen

      Hier laufen alle Informationen zusammen und von hier aus werden die Befehle losgeschickt --> um bspw. Heizkörper hinauf- oder herunter zu regeln und dadurch Energie zu sparen

    • Verschiedene Varianten von KNX

      Busleitungen

      KNX unterstützt verschiedene Arten von Kommunikationsmedien --> zur Vereinfachung der Installation von neuen Gebäuden oder die Nachrüstung von alten Gebäuden

      KNX Twisted-Pair-Kabel (KNX-TP)

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      Abbildung: Aufbau einer KNX Busleitung
      Quelle: BBS2 Wolfsburg

      -          Erfüllt alle technischen Eigenschaften

      -          Gängigste Medium für KNX Installation

      -          Hat 2 Adern, die miteinander verdrillt sind

      -          Eine Außenbeschichtung aus Polyethylen (PE)

      -          Einfach zu installieren und am kostengünstigsten

      -          Ermöglicht die Kommunikation zwischen dem Aktor und dem Sensor und versorgt die Buslinie mit Strom

      Rote und Schwarze Adern werden für die Signalübertragung (Kommunikation / Datenpakete) verwendet. Mithilfe dieser beiden Adern wird das gesamte KNX Bus verdrahtet, sowie mit Spannung versorgt

       

      Gelbe und weiße Adern stellen bei Bedarf eine zusätzliche Leistung zur Verfügung, aber werden im Allgemeinen nicht verwendet.

       

      KNX TP wird meistens für die Neuinstallation, umfangreiche Renovierungen oder den hohem Kommunikationsbedarf von großen Gebäuden verwendet

       

      Die Leitung verläuft i.d.R. neben der normalen 230 V Leitung und kann vom Bauelektriker mit installiert werden à es darf keine Schleife also kein Ring entstehen, sonst kommt es zu Fehlern bei der Übertragung von Telegrammen. Deshalb ist die Daisy Chain eine empfehlenswerte Form der Linienstruktur (hat noch den Vorteil für eine bessere Fehlersuche und damit auch einer besseren Wartung).

      Eines der größten Hauptvorteile des TP-Kabels ist, dass beliebige Busteilnehmer davon getrennt werden können, ohne dabei die gesamte Datenübertragungsleitung zu stören. Dies wird mithilfe einer sogenannten Busklemme realisiert, wo jedes Gerät angeschlossen wird.

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      Abbildung: KNX Klemme
      Quelle: BBS2 Wolfsburg

      Es können bis zu 64 Busteilnehmer pro Einheit angeschlossen werden. Es können an jedem KNX-Gerät bis zu 4 Verzweigungen angebracht werden. Das ist ebenfalls ein großer Vorteil von KNX, dass die Topologie sehr flexibel ist.

       

      Das System ist nicht auf 64 Systemen beschränkt, sondern kann mithilfe von Linienverstärkern erweitert werden.

       

      Wichtig! --> Die Länge der KNX-Leitungen ist beschränkt, um eine möglichst schnelle und zuverlässige Kommunikation zu gewährleisten (die Spannung fällt entsprechend der Länge der Leitung ab). Dies sollte bei der Planung berücksichtigt werden.

      KNX Powerline (KNX PL) - Übertragung über das vorhandene 230 V-Netz

      Als Übertragungsmedium werden bereits vorhandene Stromkabel innerhalb eines Gebäudes genutzt. Es muss somit keine separate Busleitung verlegt werden, da die Phasenleiter und der Neutralleiter als Übertragungsmedium dienen und ein Datensignal der Netzspannung überlagert wird. Insgesamt stellt dies eine kosteneffiziente Lösung für KNX dar.

      Die Versorgungsspannung über das 230V Netz wird von den Busteilnehmern bezogen. Es werden keine zusätzlichen Spannungsversorgungen vorausgesetzt. Die Datenkommunikation über alle Außenleiter wird mit Hilfe von Phasen- bzw. Systemkopplern ermöglicht. Zusätzlich wird eine Ausbreitung des Datensignals in Richtung Stromnetz durch Bandsperren verhindert.

      Die Übertragung von logischem Nullen und Einsen wird durch eine Frequenzumtastung im Bandspreizverfahren ermöglicht. Der Sender erzeugt ein Signal der Frequenz 105,6 kHz bzw. 115,2 kHz für die Übertragung einer logischen Null bzw. logischen Eins und prägt es der Netzspannung auf. Die Auswertung eines empfangenen Signals erfolgt mit Hilfe von Vergleichstechniken und

      Korrekturverfahren und kann selbst bei Störungen durchgeführt werden. Die Empfindlichkeit des Empfangs und die Sendeleistung der Komponenten werden andauernd dem Netzverhältnis angepasst. Das KNX PL System wird auch als PL110 bezeichnet, da die Mittenfrequenz beider Schwingungen 110 kHz aufweist.

      Die Busteilnehmer verhindern Telegrammkollisionen durch zeitversetztes Senden und einem Buszugriffsverfahren. Dabei wird der Sendemodus eines Teilnehmers nur unter einer bestimmten Bedingung aktiviert. Es ist standardmäßig der Empfangsmodus bei allen Busteilnehmern eingestellt.

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      Abbildung: KNX Power Line vereinfachte Darstellung
      Quelle: Wiley Online Library

      KNX Radio Frequency (RF)

      Es ist möglich Funk als Übertragungsmedium zu verwenden, sollte es in Gebäuden nicht möglich seien neue Leitungen zu verlegen. Ebenfalls eignet sich KNX RF zur Erweiterung von KNX TP (Twisted Pair) Anlagen.

      Es eignen sich vor allem für Sensoren an schwer zugänglichen Orten im Gebäude dieses Übertragungsmedium zu nutzen. In den meisten Fällen werden RF Sensoren mit Batterien betrieben, um unabhängig vom Stromnetz agieren zu können. Natürlich ist vorausgesetzt, dass die Geräte nicht eine permanente Empfangsbereitschaft aufweisen. Im Gegensatz dazu müssen Aktoren stets empfangsbereit sein und beziehen deren Spannung aus dem 230V Netz.

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      Abbildung: KNX Radio Frequency (RF)
      Quelle: Gira

      KNX IP

      Es kommen KNXnet/IP Router zum Einsatz, um Haupt- und Bereichslinien auszuwechseln. Diese Router besitzen eine Ethernet-Schnittstelle und einen KNX TP Anschluss. Indem das Übertragungsmedium Ethernet zusätzlich dem KNX System zur Verfügung steht, ist die gesamte Topologie des Systems flexibler. Im Betrieb kommunizieren die KNXnet/IP Router mit den weiteren KNX Geräten über Ethernet. Dabei wird die Kommunikationsart Routing verwendet.
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      Abbildung: KNX IP Funktionsweise
      Quelle: KNX today

  • Komponenten

    • In diesem Abschnitt werden die einzelnen Komponenten behandelt mit denen in dem Fall gearbeitet werden. Dies ist sehr wichtig, damit man den richtigen Nutzen der einzelnen Bauteile verstehen und das volle Potential aus den Komponenten rausholen kann.

      Spannungsversorgung

      Die KNX-Spannungsversorgung ist dafür, da dass die KNX-Betriebsmittel wie bspw. der Präsenzmelder, der Schaltaktor, der Dimmaktor und die IP-Schnittstelle mit Energie versorgt werden. Die Energie wird über die KNX-Busleitungen an die Betriebsmittel übergeben.

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      Abbildung: KNX-Spannungsversorgung

      Quelle: BBS2 Wolfsburg

      IP-Schnittstelle

      Mithilfe der IP-Schnittstelle kann eine Verbindung vom PC zur KNX-Anlage aufgebaut werden und dafür gesorgt werden, dass das KNX-Programm auf die KNX-Anlage hochgeladen wird.
      IP SCHNITTSTELLE
      Abbildung: KNX-IP-Schnittstelle
      Quelle: BBS2 Wolfsburg

      Präsenzmelder

      Der Präsenzmelder ist dafür da, dass die Leuchten angesteuert werden, wenn sich jemand in dem Erfassungsbereich des Melders befindet.
      PRÄSENZMELDER
      Abbildung: KNX-Präsenzmelder
      Quelle: BBS2 Wolfsburg

      Dimmaktor

      Mithilfe des Dimmaktor ist es möglich, die einzelnen Leuchten auf unterschiedlicher Art und Weise (Stärke) zu dimmen und die Leuchten anzusteuern.
      DIMMAKTOR
      Abbildung: KNX-Dimmaktor
      Quelle: BBS2 Wolfsburg

      Schaltaktor

      Mit dem Schaltaktor ist es möglich alle verschiedenen Betriebsmittel anzusteuern wie beispielsweise die Jalousie (hoch und runter fahren).

      --> BILD KOMMT NOCH

      KNX-6-fach-Taster

      Über ETS ist es möglich, dem KNX-6-fach-Taster 6 verschiedene Funktion zu übergeben, wie bspw. 6 verschiedene Leuchten anzusteuern, zu dimmen, oder andere Betriebsmittel mit den einzelnen Tastern anzusteuern. Hier besteht ein großer Spielraum. Wichtig zu wissen ist, dass der KNX-6-fach-Taster über einen KNX-Busankoppler verbunden ist.
      Taster
      Abbildung: KNX-6-fach-Taster
      Quelle: BBS2 Wolfsburg


  • Programmierung

    • Die Programmierung erfolgt mit der Software ETS (Engineering Tool Software). Mithilfe dieser Software können intelligente Gebäudesteuerungen entwickelt und konfiguriert werden. Das Programm ist mit Windows 10 kompatibel und kann unabhängig von Herstellern verwendet werden. Für die Lizenzierung wird ein USB Dongle benötigt (im Preis enthalten). In der Abbildung X.1 ist ein geöffnetes Projekt in ETS 6 Lite dargestellt. Diese Abbildung dient lediglich zur Vorschau der Software.



      Abbildung X.1: Geöffnetes Projekt in ETS 6 Lite

      Quelle: BBS2 Wolfsburg

      Nachdem die Software gestartet wird, öffnet sich der Start-Bildschirm und es kann ein neues Projekt angelegt werden (Abbildung X.2). Es können folgende Voreinstellungen vorgenommen werden:

      • Name des Projektes
      • Projekt-Typ
      • Backbone (Bereichslinie)
      • Topologie
      • Gruppenadressansicht


      Erstellung eines neuen Projektes (Ansicht Fenster)

      Abbildung X.2: Anlegen eines neuen Projektes

      Quelle: BBS2 Wolfsburg

      Im neuen Projekt wird nun das "Gebäude" Panel angezeigt. Bei ETS sind Panels sogenannte Arbeitsbereiche, die für verschiedene Konfigurationen am Projekt verwendet werden. Im "Gebäude" Panel wird die räumliche Struktur des Projektes angezeigt und rechts daneben die jeweils zugehörigen KNX-Bauteile. In der Abbildung X.3 wird das geöffnete Projekt mit dem "Gebäude" Panel angezeigt. Die räumliche Struktur lässt sich mithilfe des grünen Plus-Symbols anpassen. Es können somit Gebäudeteile und Räume hinzugefügt werden. 


      Abbildung X.3: Projektansicht mit "Gebäude" Panel

      Quelle: BBS2 Wolfsburg

      In der vorherigen Abbildung ist zu sehen, dass bereits eine Gebäudestruktur erstellt wurde. Der Raum C211 gehört zum 3. Stock und ist Teil des Gebäudeteils "BBS2 Wolfsburg". Es sollen diesem Raum nun KNX-Teilnehmer hinzugefügt werden. In Der Abbildung X.4 ist zu sehen wie man neue KNX-Teilnehmer hinzufügen kann. Dazu muss zunächst der Katalog geöffnet werden.


      Abbildung X.4: Kataloge öffnen in ETS

      Quelle: BBS2 Wolfsburg

      Es öffnet sich nun das Panel "Kataloge". In der Abbildung X.5 sind die wichtigen Bereiche des Kataloges dargestellt. Im linken Feld sind die Hersteller und im rechten Feld die zugehörigen Bauteile zu sehen.


      Abbildung X.5: Ansicht des Kataloges

      Quelle: BBS2 Wolfsburg

      Es können nun die benötigten Bauteile importiert werden. Es gibt dafür oben links den "Import"-Button oder die Drag & Drop Funktion. In Abbildung X.6 wird beispielweise der Dimmaktor 5WG1 528-1DB01 von Siemens importiert.


      Abbildung X.6: Importieren von Bauteilen

      Quelle: BBS2 Wolfsburg

      Nachdem das Bauteil importiert wurde befindet es sich in dem angelegten Projekt und kann konfiguriert werden. Es können z.B. die Geräte Adresse (Physikalische Adresse) verändert oder bauteilspezifische Parameter angepasst werden. Bei dem Dimmaktor können beispielweise der minimale bzw. maximale Dimmwert je Schaltkanal angepasst werden.


      Abbildung X.7: Kommunikationsobjekte des Dimmaktors

      Quelle: BBS2 Wolfsburg

      In der Abbildung X.7 sind die Kommunikationsobjekte des Dimmaktors. Mit Hilfe von Gruppenadresse können verschiedene Kommunikationsobjekte von importierten Bauteilen miteinander verknüpft werden. Insofern weiß jedes Gerät, welche Gruppenadresse es mit dem jeweils verknüpften Kommunikationsobjekt für die Kommunikation mit anderen Bauteilnehmern verwenden muss.

      Im Folgenden wird der KNX-Taster von Siemens mit der Bestellnummer "5WG1 2xx-2AB__" importiert. Der Import erfolgt erneut über den Katalog bei ETS. Es wird nun das Panel "Grupenadressen" hinzugefügt. Die Gruppenadresse besteht ebenfalls aus drei Ziffern und besitzt folgendes Format:
      • Hauptgruppe . Mittelgruppe . Gruppenadresse



      Abbildung X.8: Panel Gruppenadressen

      Quelle: BBS2 Wolfsburg

      Es wird nun die Gruppenadresse 0/0/1 erstellt. Es können nun die Kommunikationsobjekte miteinander verknüpft werden, die für die Beleuchtung zuständig sind. In Abbildung X.8 ist die neue Gruppenadresse 0/0/1 dargestellt.


      Abbildung X.9: Gruppenadresse 0/0/1 mit Kommunikationsobjekten

      Quelle: BBS2 Wolfsburg

      Mit Hilfe der Gruppenadresse 0/0/1 wird nun der Kanal A des Dimmaktors mit einer Taste des KNX-Tasters verknüpft. Hierfür kann das Einschalten einer Lampe realisiert werden. Es wurden folgende Kommunikationsobjekte miteinander verknüpft:

      • Taste A1, Schalten - Ein (KNX-Taster)
      • A, Schalten - Ein / Aus (Dimmaktor)


      Die Gruppenadresse 0/0/1 müsste nun so wie in Abbildung X.9 aussehen.


      Abbildung X.10: Verknüpftes Kommunkationsobjekt mit gesetzten Flags

      Quelle: BBS2 Wolfsburg

      In der Abbildung X.10 sind erneut die Kommunikationsobjekte des Dimmaktors dargestellt. Die Verknüpfung mit der Gruppenadresse 0/0/1 des Kommunikationsobjektes "A, Schalten" wird nun ebenfalls angezeigt.

      In den Spalten "K", "L", "S", "Ü" und "A" werden die gesetzten Flags des jeweiligen Kommunikationsobjektes dargestellt. Mit Hilfe von Flags kann das Verhalten von Komponenten bzw. deren Kommunikationsobjekte angepasst werden.

      Auf der folgenden Webseite werden die KNX Flags erklärt: KNX Flags einfach erklärt

      Für diesen Fall wurden nahezu alle Flags gesetzt. Bei Unsicherheiten können alle Flags aktiviert werden.

      Die Programmierung einer Einschaltung von einer Lampe wurde nun realisiert. Das Ausschalten kann mit Hilfe einer neuen Gruppenadresse (Beispiel 0/0/2) erreicht werden. Hierfür können folgende Kommunikationsobjekte miteinander verknüpft werden:

      • Taste A2, Schalten - Aus (KNX-Taster)
      • A, Schalten - Ein / Aus (Dimmaktor)


      Abschließend muss dem System noch eine IP-Schnittstelle hinzugefügt werden. Es muss dementsprechend im Katalog nach der zur Verfügung stehenden Schnittstelle gesucht werden.

      Anschließend kann eine Lampe mit Hilfe des KNX-Tasters ein- und ausgeschaltet werden.

    • url icon
      KNX Programmierung (Einrichten) Link/URL

  • Aufgaben zur Programmierung

    • Nun widmen Sie sich dem Auftrag von Herr Müller. Herr Müller hat Ihnen bereits seine Wünsche bzw. den Auftrag (siehe oben) mitgeteilt. Im folgenden werden die Auftragziele in Form von Aufgaben dargestellt und müssen bearbeitet werden, damit Herr Müllers Auftrag erfolgreich abgeschlossen werden kann.


      Im Anschluss der Bearbeitung des Abschnitts "Programmierung" sollte ein ETS-Projekt mit einer funktionierenden Ein- und Ausschaltung einer Lampe vorhanden sein. Es stehen folgende Gruppenadressen zur Verfügung:

      • 0/0/1 Kanal A - Schalten (EIN)
      • 0/0/2 Kanal A - Schalten (AUS)


      Im Folgenden soll das bestehende Programm um weitere Funktionen erweitert werden.

    • assign icon
      Ein-/Ausschaltung der Lampe mit nur einer Taste Aufgabe
    • assign icon
      Dimmen der Lampe Aufgabe

  • Quiz

  • Kompetenzen Check