Allgemeines
Lehrende
Andreas Winter
Florian Schmalriede
Veranstaltung
Proseminar IoT: Entwicklung eines mobilen EKG-Systems (2.01.800-F)
Modul
inf800 – Proseminar Informatik
Studiengang
Fach-Bachelor – Informatik
Fach-Bachelor – Wirtschaftsinformatik
Master of Education (Wirtschaftspädagogik) – Informatik
Zwei-Fächer-Bachelor – Informatik
Fakultät
Fakultät II – Informatik, Wirtschafts- und Rechtswissenschaften
Department
Department für Informatik
Semester
WiSe 2022/23
Turnus
Wöchentlich
Anzahl Studierende
10
KP des Moduls
3
Prüfungsform
Portfolio
Kategorien
Forschendes Lernen
Informatik
Online-Meetings
Proseminar mit Anwendung
Stud.IP
Internet of Things (IoT) Systeme vereinen Dinge der physischen Welt, Computersysteme und Nutzende als Teilnehmende in verteilten Systemen, die miteinander z.T. auch ohne physischen Kontakt interagieren. Computersysteme und Anwendende verarbeiten Informationen über Dinge und reagieren anwendungsfallspezifisch. Es werden Informationen verknüpft, Nutzende informiert und Dinge beeinflusst. Prozesse werden vollständig oder teilweise automatisiert, sodass Dinge „smart“ wirken.
Systemspezifika von IoT Systemen werden durch unterschiedliche Teilsysteme, die über verschiedene Netzwerktechnologien hinweg kooperieren, realisiert. Mehrere unterschiedliche Teilsysteme eignen sich grundsätzlich zur Realisierung derselben systemspezifischen Funktionalität.
Die Teilnehmenden des Proseminars „Seminar: 2.01.800-F Proseminar IoT: Entwicklung eines mobilen EKG-Systems“ im Wintersemester 22/23 erarbeiten, welche Möglichkeiten existieren, die Systemfunktionalitäten innerhalb von IoT Systemen zu verteilen und welche Vor- und Nachteile diese Verteilungen haben. Sie stellen sich der aktuellen Forschungsfrage „Wie kann die Bereitstellung von IoT Systemen geplant und realisiert werden, sodass die Systemanforderungen eingehalten werden und welche Auswirkungen haben mögliche Platzierungen auf die Anforderungserfüllung“. Die Teilnehmenden sollen kollaborativ die Forschungsfrage über verschiedene Szenarien, die zu unterschiedlichen Anforderungen führen, erforschen und repräsentativ für IoT Systeme am Anwendungsbeispiel mobiler Elektrokardiogramm-Systeme (EKG) experimentell erarbeiten.
Inhalte und Lernziele
Das Proseminar adressiert zehn Studierende der Wirtschaftsinformatik (Fach-Bachelor) und der Informatik (Fach-Bachelor und Zwei-Fächer-Bachelor), die sich nach Studienverlaufsplan im dritten Semester befinden. Damit sich die Teilnehmenden, die sich im frühen Stadium ihres Studiums befinden, der komplexen Herausforderung stellen können, wurde eine intensive Betreuung eingeplant. Es wurde ein flexibles Rahmenwerk geschaffen, das die Teilnehmenden leitet aber dennoch Anpassungen erlaubt, um individuelle Fokusse zu setzen.
Das Rahmenwerk sieht vor, dass sich die Teilnehmenden in die technische Domäne mobiler EKG-Systeme durch individuelle Kurzvorträge einarbeiten. Hierbei wurde bereits auf korrektes Referenzieren und Zitieren der verwendeten Quellen geachtet. Hierauf aufbauend wurden vier Szenarien, motivierte Anforderungskataloge mit gleichen funktionalen, aber unterschiedlichen nicht-funktionalen Anforderungen, für mobile EKG-Systeme aufgestellt. Gemeinsam wurde eine Systemarchitektur für mobile EKG-Systeme entworfen, die unterschiedliche Bereitstellungen von in software-realisierten Funktionalitäten erlaubt. Aus der Architektur heraus ergaben sich Realisierungsaufgaben, die in Zweiergruppen umgesetzt wurden. Nachdem die Realisierung erfolgte, galt es vier verschiedene Bereitstellungsalternativen herzustellen und jede Bereitstellungsalternative den Anforderungen der erarbeiteten Szenarien gegenüberzustellen. Die Ergebnisse sind in einem gemeinsamen Dokument dokumentiert und wurden in einer gemeinsamen Präsentation präsentiert.
Um die gemeinsamen Aktivitäten und die Synchronisation der Zweiergruppen zu ermöglichen, wurden wöchentliche Meetings mit den Betreuern vereinbart. Im Rahmen dessen wurden Ergebnisse präsentiert, Alternativen diskutiert und Entwurfsentscheidungen getroffen. Zugleich förderten die Meetings einen konstanten Arbeitsfortschritt.
Es wurde mit der Veranstaltung verfolgt, dass die Studierenden
- (LZ1) sich in eine fachfremde Domäne und dortigen informationstechnischen Lösungen einarbeiten können,
- (LZ2) unter Betreuung resultierende Anforderungen an informationstechnische Lösungen lösungsneutral beschreiben können,
- (LZ3) unter Betreuung eine anpassbare Systemarchitektur bewerten und entwerfen können,
- (LZ4) unter Betreuung Software für ein komplexes System entsprechend einer zuvor entwickelten Architektur realisieren können,
- (LZ5) unterschiedliche Realisierungen (mit Fokus auf Bereitstellungen) herstellen und gegenüber aufgestellten Anforderungen evaluieren können,
- (LZ6) erreichte Ergebnisse wissenschaftlich dokumentieren und präsentieren können und
- (LZ7) in Gruppen zusammenarbeiten können.
Zusammenfassend sollten die Teilnehmenden bestehende Literatur einer Thematik recherchieren, verstehen und diskutieren. Darüber hinaus sollten im Rahmen eines betreuten Projekts die gewonnenen Erkenntnisse angewandt und eigene Ergebnisse geschaffen werden. Die Ergebnisse galt es gemeinsam nach wissenschaftlichen Standards zu dokumentieren und präsentieren.
(Lern-)Aktivitäten der Studierenden
Die (Lern)-Aktivitäten sind in die vier Phasen „Einführungsphase“, „Recherchephase“, „Anwendungsphase“ und „Ergebnispräsentation“ eingebettet. Im Rahmen der Einführungsphase wurden die Teilnehmenden in die Thematik Bereitstellung von IoT Systemen eingeführt und bekamen Hilfsmittel zur eigenständigen vertieften wissenschaftlichen Recherche und Dokumentation. Während der Recherchephase wurden, aufbauend auf der eingeführten Thematik, relevante Themenfelder identifiziert, recherchiert, präsentiert und dokumentiert. Die Anwendungsphase umfasste eine gemeinsame Festlegung der zu betrachtenden Szenarien, der Planung einer System-Architektur, eine anschließende Realisierung des mobilen EKG-Systems und der Evaluation von Bereitstellungsalternativen gegenüber Anforderungen aus den Szenarien. Durch die Ergebnispräsentation wurden die erzielten Ergebnisse dokumentiert und präsentiert. Wobei die Ergebnispräsentation nebenläufig zur Recherchephase begann und mit einer Abschlusspräsentation inklusive der Übergabe von Dokumentationen endete.
Einführungsphase
Im Rahmen der Einführungsphase wurden zwei Treffen abgehalten, die einen gemeinsamen Kenntnisstand bezüglich der Bereitstellung von IoT Systemen und der wissenschaftlichen Recherche und Dokumentation herstellten.
Der erste Termin wurde genutzt, um aufzuzeigen, dass die heterogene und verteilte Natur von IoT Systemen, hier repräsentativ an mobilen EKG-Systemen, dazu führt, dass eine Vielzahl an Bereitstellungsalternativen für IoT Systeme existiert. Dabei können unterschiedliche Bereitstellungsalternativen denselben Funktionsumfang übernehmen, jedoch sich in resultierenden Systemeigenschaften unterscheiden. Der Funktionsumfang wurde mit funktionalen Anforderungen und die Systemeigenschaften mit nicht-funktionalen Anforderungen in Bezug gesetzt. Es wurde das Problem vermittelt, dass aus einer Vielzahl an Bereitstellungsalternativen mindestens eine gefunden werden muss, die die Anforderungen erfüllt.
Am zweiten Termin wurden den Studierenden die Grundlagen zur wissenschaftlichen Recherche und Dokumentation vermittelt. Es wurden Themen wie Strukturierung, Zitierweisen und Literaturrecherche behandelt.
Zusammen bildeten die beiden Termine die Basis für alle weiteren Aktivitäten und bieten den Teilnehmenden die Möglichkeit eigenständig die zu behandelnden Thematiken zu vertiefen.
Recherchephase
Ausgehend vom Wissensstand aus der Einführungsphase wurde die Recherchephase in drei Treffen behandelt. Es galt das bisherige Wissen zu mobilen EKG-Systemen zu vertiefen, um die Auswirkungen unterschiedlicher Bereitstellungen zu untersuchen.
Der erste Termin wurde genutzt, um eine Mind-Map zur Beschreibung einer Problemlandkarte zu erstellen. Hierbei sollten sich die Teilnehmenden einbringen, damit individuelle Schwerpunkte gesetzt werden können. Es kristallisierten sich die sieben Themenfelder „medizinische Grundlagen“, „Bereitstellungsalternativen Vorhofflimmern erkennen“, „Bereitstellungsalternativen Persistierung“, „R-Peak Erkennung“, „Vorhofflimmer-Erkennung“, „Hardware“ und „Bereitstellungsalternativen Evaluation“ heraus, die es in Einzelarbeit oder als Zweiergruppe zu recherchieren, präsentieren, diskutieren und dokumentieren galt. Für die Recherche und Vorbereitung der Präsentation der Ergebnisse wurden den Teilnehmenden zwei Wochen eingeräumt.
Am zweiten und dritten Termin wurden Kurzvorträge zu diesen Themenfeldern gehalten. Dadurch konnten die Rechercheergebnisse, die in Einzelarbeit oder in Zweiergruppen entstanden sind, an alle Teilnehmenden weitergegeben und ein umfassendes Domänenwissen bereitgestellt werden. Zusätzlich konnten im Rahmen von Diskussionen Details oder Zusammenhänge gemeinsam diskutiert und Entscheidungen für die weitere Systementwicklung getroffen werden. Eine anschließende, gemeinsame Dokumentation der Rechercheergebnisse stellte sicher, dass die Ergebnisse für alle über die Veranstaltungsdauer hinweg verfügbar sind.
Mit der Recherchephase konnte der Wissensstand aus der Einführungsphase vertieft werden. Die Teilnehmenden haben eigenständig relevante Themenfelder recherchiert und die Ergebnisse präsentiert, diskutiert und dokumentiert. Dabei hatten die Teilnehmenden die Möglichkeit, individuelle Schwerpunkte zu setzen.
Anwendungsphase
Mit neun regulären und zwei Sonderterminen nahm die Anwendungsphase den größten zeitlichen Anteil ein. Das zuvor aufgebaute Wissen führte dazu, dass zum einen das mobile EKG-System selbst und zum anderen ein Evaluationssystem benötigt wurden. Diese wurden im Rahmen der Anwendungsphase realisiert und für die Evaluation von Bereitstellungsalternativen gegenüber Anforderungen genutzt.
Im ersten regulären Termin wurden vier Szenarien definiert, die sich in nicht-funktionalen Anforderungen deutlich unterscheiden aber dieselben funktionalen Anforderungen haben. Zusammen mit den zu realisierenden Bereitstellungsalternativen ermöglichen die Szenarien die Auswirkungen von nicht-funktionalen Anforderungen auf die Bereitstellung von IoT Systemen, hier im speziellen mobilen EKG-Systemen, zu untersuchen. Es galt vier, zuvor im Rahmen der Kurzvorträge diskutierte, Bereitstellungsalternativen für die Erkennung von Vorhofflimmern jeweils den vier Szenarien gegenüberzustellen. Letztendlich mussten vier verschiedene mobile EKG-Systeme realisiert werden.
Damit die Realisierung von vier mobilen EKG-Systemen im Rahmen der Veranstaltung realisierbar ist, wurde gemeinsam eine Systemarchitektur diskutiert, die es erlaubt, nur ein mobiles EKG-System zu realisieren, welches jedoch durch die Bereitstellung unterschiedlicher Software-Komponenten vier mobile EKG-Systeme abbilden kann. Die Architektur wurde von den Betreuern vorbereitet, mit den Teilnehmenden ausführlich an einem Termin diskutiert und anschließend von den Teilnehmenden dokumentiert. Zudem wurde die Architektur genutzt, um Arbeitspakete an die Teilnehmenden zu vergeben. Zentrale Software-Komponenten, wie zum Beispiel zur Erkennung von Vorhofflimmern, sollten jeweils durch Zweiergruppen realisiert werden. Da viele der Software-Komponenten sowohl in Java als auch in C++ für die unterschiedlichen Bereitstellungsalternativen realisiert werden mussten, konnten sich die Mitglieder in den Zweiergruppen gegenseitig unterstützen. Das Framework, in welches die Software-Komponenten eingebettet werden, wurde durch die Betreuer realisiert, um den Teilnehmenden Last abzunehmen.
Die Realisierung der Software-Komponenten durch die Teilnehmenden wurde in drei Terminen begleitet. Zu Beginn der einzelnen Termine haben die Teilnehmenden über ihren Zwischenstand berichtet (Standup) und hatten die Gelegenheit Probleme bei der Realisierung anzusprechen. Danach wurde in der Gruppe auf die individuellen Probleme eingegangen, um die betroffenen Teilnehmenden bei der Realisierung ihrer Software-Komponenten zu unterstützen. Insgesamt wurden acht Software-Komponenten (vier davon in Java und C++) mit jeweils einem Umfang von ca. 100 Zeilen Quellcode realisiert und getestet.
Parallel zu den Terminen zur Realisierung der Software-Komponenten wurde der Hardware-Anteil des mobilen EKG-Systems und des Evaluationssystems aufgebaut. Hierzu wurden zwei Sondertermine abgehalten, deren Teilnahme freiwillig war. Interessierte hatten die Chance zu löten und Mini-Computer einzurichten. Für das mobile EKG-System wurden Mikrokontroller (ESP32) auf Lochrasterplatinen zusammen mit Steckverbindungen gelötet (EKG-Sensorknoten). EKG-Sensoren (AD8232) wurden auf Lochrasterplatinen mit Steckverbindungen gelötet (EKG-Sensoren). Außerdem wurden zwei Mini-Rechner (Bananapi, Monitor, Maus und Tastatur) als Server und Client eingerichtet. Für das Evaluationssystem wurden Mikrokontroller (ESP32) und Leistungs-Sensoren (INA226 und INA219) auf Lochrasterplatinen zusammen mit Steckverbindungen gelötet (Leistungs-Sensorknoten). Zudem wurde für das Evaluationssystem ein Mikrokontroller (ESP32) zusammen mit Steckverbindungen auf eine Lochrasterplatine gelötet (Herz-Simulatoren). Durch die Steckverbindungen können die EKG-Sensorknoten entweder mit dem EKG-Sensoren oder mit den Herz-Simulatoren verbunden werden. Dadurch ist es möglich, entweder echte Herzaktivitäten zu erfassen oder bestehende Herzaufnahmen aus öffentlich zugänglichen Datenbanken zu simulieren. Entsprechend lässt sich das mobile EKG-System gezielt evaluieren. Mit den Leistungs-Sensorknoten wird während der Evaluation die Leistungsaufnahme der Teilsysteme gemessen. Damit lässt sich die Erfüllung von Anforderungen bezüglich des Energieverbrauchs überprüfen. Die Sondertermine wurden von einigen Teilnehmenden wahrgenommen und genutzt, um ihre Fähigkeiten beim Zusammenbau von Hardwarebausteinen zu vertiefen. Dabei entstand die Hardwaregrundlage (siehe Abbildung 1) für das mobile EKG-System und Evaluationssystem.
Über die verbleibenden vier Termine hinweg wurden die vier zu untersuchenden Bereitstellungsalternativen realisiert und evaluiert. Dazu wurden die in Zweiergruppen realisierten Software-Komponenten durch die Teilnehmenden zusammengeführt und auf die Hardwarebestandteile des Systems entsprechend der jeweiligen Bereitstellungsalternative verteilt. Die Zusammenführung funktionierte, wie zu erwarten war, nicht auf Anhieb. Die vier Termine wurden daher genutzt, um Probleme mit einzelnen Software-Komponenten zu diskutieren. Die vier Termine wurden zudem genutzt, um die Ergebnispräsentation vorzubereiten.
Im Rahmen der Anwendungsphase haben die Teilnehmenden das zuvor erarbeitete Wissen zusammen mit Wissen aus abgeschlossenen und parallellaufenden Veranstaltungen (nach Studienverlaufsplan) der Informatik wie PDA, OMP, Softwaretechnik 1 und Softwareprojekt verknüpft und angewendet. Dabei wurden die Teilnehmenden durch die Betreuer entsprechend ihres Studienfortschritts unterstützt.
Ergebnispräsentation
Die Ergebnispräsentation wurde während der letzten vier Termine innerhalb der Anwendungsphase vorbereitet. Dabei wurde die Struktur der gemeinsamen Dokumentation und Präsentation mit den Betreuern diskutiert. Für beide Formen der Ergebnispräsentation wurden entlang der Struktur Autoren beziehungsweise Präsentatoren bestimmt. Zudem wurden Redakteure bestimmt, die die Artefakte in der Gesamtheit synchronisiert haben.
An einem Termin im Oberseminar der Abteilung Softwaretechnik haben die Teilnehmenden ihre Ergebnisse gemeinsam einem Publikum aus wissenschaftlichen Mitarbeitenden und Studierenden, die zum derzeitigen Zeitpunkt eine Abschlussarbeit in der Abteilung Softwaretechnik schrieben, über ca. 100 Minuten hinweg präsentiert. Im Anschluss der Präsentation wurden die Ergebnisse mit genanntem Publikum über ca. 20 Minuten hinweg diskutiert. Abschließend wurde die gemeinsam erstellte Dokumentation den Betreuern übergeben.
Die Teilnehmenden haben im Rahmen der Ergebnispräsentation die erzielten Ergebnisse strukturiert aufbereitet, präsentiert, dokumentiert und diskutiert. Abschließend konnten nur zwei der vier Bereitstellungsalternativen evaluiert werden. Doch bietet die geschaffene Plattform die Basis für eine Vielzahl an weiteren Lern- und Forschungsaktivitäten, die die Abteilung angehen möchte, beziehungsweise angegangen ist.
Prüfung und Bewertung
Angelegt als Portfolio wurden die Teilnehmenden auf Basis unterschiedlicher Dokumente und Leistungen bewertet. Mit einem Kurzvortrag (10 Minuten Vortrag + 5 Minuten Diskussion) und der Dokumentation der Ergebnisse in der gemeinsamen Dokumentation über ein individuell zu erarbeitendes Thema wurde (LZ1) bewertet. Die zu erarbeitenden Szenarien (LZ2), die Architektur (LZ3), die Software (LZ4) und die Bereitstellungen (LZ5) wurden zusammen entsprechend (LZ6) anhand der gemeinsamen Dokumentation und Präsentation der Ergebnisse in einem gemeinsamen Abschlussvortrag (100 Minuten Vortrag + 20 Minuten Diskussion) bewertet. Um die gemeinsam erarbeiteten Ergebnisse (LZ7) auf individuelle Leistungen zurückzuführen, wurden individuell erstellte Selbstberichte (formlose Din-A4-Seite) und Autorenmarkierungen in den gemeinsam erstellten Dokumenten herangezogen.
Für die Gesamtbewertung wurden die Bewertungen der Einzelleistungen gleichgewichtig miteinander verrechnet.
Erfahrungen
Nachdem die Diskussion der erzielten Ergebnisse der Teilnehmenden abgeschlossen wurde, hatten die Teilnehmenden die Möglichkeit direktes Feedback zur Veranstaltung zu geben. Dabei wurden besonders die Anwendungsnähe und die Möglichkeit zur Gruppenarbeit positiv hervorgehoben. Jedoch war einigen Teilnehmenden der Aufwand für ein Proseminar zu hoch. Wobei letzteres durch die Teilnehmenden selbst aufgrund der Anwendungsnähe relativiert wurde. Dennoch ist aus Betreuersicht anzuerkennen, dass Lehrveranstaltungen dieser Form ein erhöhtes Maß an Leistungsbereitschaft erfordern. Durch die Anwendung treten viele individuelle Probleme auf, denen sich gestellt werden muss. Daher ist aus Betreuersicht das reduzierte Ergebnis von nur zwei untersuchten Bereitstellungsalternativen nachvollziehbar.
Die Veranstaltung war von Beginn an als einmalig durchführbar geplant. Eine weitere Durchführung mit demselben Anwendungsbeispiel macht wenig Sinn, da die Ergebnisse bereits geschaffen wurden. Doch könnte ein anderes Anwendungsbeispiel verwendet werden. In diesem Fall können die hier durchgeführten Konzepte und Aktivitäten als Blaupause genutzt werden. Dabei ist zu beachten, dass in Abhängigkeit des jeweiligen Anwendungsbeispiels für eine erfolgreiche Adaption die Betreuer viel Aufwand in Vorbereitung stecken müssen, damit die Studierenden nicht überlastet werden. Im Rahmen dieser Veranstaltung mussten zum Beispiel unter anderem die Architektur, Software-Komponenten und Hardware-Komponenten vorbereitet werden. Aufbauend auf dem Ergebnis dieses Proseminars können in weiteren Proseminaren Erweiterungen vorgenommen werden.
Die Ergebnisse, die im Rahmen dieser Veranstaltung geschaffen wurden, werden auch für weitere Lehr- und Forschungsaktivitäten der Abteilung Softwaretechnik verwendet. Im Sommersemester 23 wurde im Rahmen eines Proseminars das mobile EKG-System um eine KI basierte Vorhofflimmerdetektion als Software-Komponente ergänzt. Diese Komponente bietet eine alternative Bereitstellung der Vorhofflimmererkennung und kann entweder auf dem EKG-Sensorknoten oder auf dem Server bereitgestellt werden. Erste Resultate legen nahe, dass eine Kombination aus klassischer Vorhofflimmererkennung und KI basierter Vorhofflimmererkennung zu interessanten Systemeigenschaften führen. Aktuell beschäftigt sich zudem ein Teilnehmer des Proseminars aus dem Wintersemester 22/23 im Rahmen seiner Bachelorarbeit mit der Überführung einer Bereitstellungsalternative zu einer anderen. Das entstandene mobile EKG-System wird dabei als Anwendungsbeispiel eingesetzt. Für das Wintersemester 23/24 ist ein weiteres Proseminar geplant, bei dem weitere Bereitstellungsalternativen mit dem mobilen EKG-System untersucht werden. Es gilt mehr Breite zu schaffen, um die vielen möglichen Bereitstellungsalternativen bei IoT Systemen aufzuzeigen.
Zusammenfassend wurden aus Betreuersicht die gesetzten Lernziele erreicht. Die Teilnehmenden haben sich erfolgreich in eine Thematik eingearbeitet, konnten unter Betreuung Gelerntes anwenden und erzeugte Ergebnisse wissenschaftlich präsentieren und diskutieren. Darüber hinaus ist eine Plattform entstanden, die bei weiteren Lehr- und Forschungsaktivitäten der Abteilung Softwaretechnik eingesetzt wird.