# MYP – Manage Your Printer

## Vernetzte 3D-Druck-Reservierungsplattform mit IoT-Anbindung und zentraler Verwaltungsoberfläche

**Dokumentation der betrieblichen Projektarbeit**
**Fachinformatiker für digitale Vernetzung**

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**Prüfungsbewerber:** Till Tomczak
**Ausbildungsbetrieb:** Mercedes-Benz AG
**Prüfungstermin:** Sommer 2025
**Bearbeitungszeitraum:** 15. April – 20. Mai 2025
**Projektumfang:** 35 Stunden

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## 1. Einleitung

### 1.1 Ausgangssituation und Problemstellung

Die Technische Berufsausbildungsstätte (TBA) der Mercedes-Benz AG verfügt über sechs 3D-Drucker verschiedener Hersteller, die eine wichtige Ressource für die praktische Ausbildung darstellen. Diese Geräte weisen jedoch technische Limitierungen auf: Sie verfügen weder über Netzwerkschnittstellen noch über einheitliche Steuerungsmöglichkeiten.

Das bestehende Reservierungssystem basierte auf einem analogen Whiteboard, was zu systematischen Problemen führte:

- **Doppelbuchungen** durch unkoordinierte Reservierungen
- **Ineffiziente Energienutzung** durch vergessene manuelle Aktivierung/Deaktivierung
- **Fehlende Dokumentation** der Nutzungszeiten und Verantwortlichkeiten
- **Keine zentrale Übersicht** über Verfügbarkeiten und Auslastung

### 1.2 Projektziele entsprechend dem genehmigten Antrag

Das Projekt "MYP – Manage Your Printer" zielt auf die **vollständige Digitalisierung des 3D-Drucker-Reservierungsprozesses** durch die Etablierung cyberphysischer Kommunikation mit den Hardwarekomponenten ab.

**Definierte Projektziele:**

1. **Webportal-Entwicklung** mit Frontend und Backend
2. **WLAN-Integration** der Raspberry Pi-Plattform
3. **Datenbankaufbau** für Reservierungsverwaltung
4. **Authentifizierung und Autorisierung** implementieren
5. **Test der Schnittstellen** und Netzwerkverbindungen
6. **Automatische Hardware-Steuerung** via IoT-Integration

### 1.3 Projektabgrenzung

**Im Projektumfang enthalten:**

- Entwicklung einer webbasierten Reservierungsplattform
- Integration automatischer Hardware-Steuerung über Smart-Plugs
- Implementierung einer zentralen Verwaltungsoberfläche
- Etablierung robuster Authentifizierung und Rechteverwaltung

**Ausgeschlossen aus dem Projektumfang:**

- Direkte Kommunikation mit 3D-Druckern (fehlende Schnittstellen)
- Integration in das unternehmensweite Intranet (Zeitrestriktionen)
- Übertragung von Druckdaten oder erweiterte Druckerüberwachung

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## 2. Projektplanung

### 2.1 Zeitplanung entsprechend Projektantrag

Die Projektplanung folgte der im Antrag definierten Struktur mit 35 Stunden Gesamtaufwand:

| Phase                                      | Zeitaufwand | Zeitraum           | Tätigkeiten                                |
| ------------------------------------------ | ----------- | ------------------ | ------------------------------------------- |
| **Projektplanung und Analyse**       | 6 Std.      | 15.-16. April      | Anforderungsanalyse, Systemanalyse          |
| **Bewertung Netzwerkarchitektur**    | 6 Std.      | 17.-18. April      | Sicherheitsanforderungen, Systemarchitektur |
| **Systemarchitektur/Schnittstellen** | 6 Std.      | 19.-22. April      | Konzeption, Interface-Design                |
| **Umsetzung**                        | 14 Std.     | 23. April - 8. Mai | Implementation, Integration                 |
| **Test und Optimierung**             | 6 Std.      | 9.-15. Mai         | Systemtests, Performance-Optimierung        |
| **Dokumentation**                    | 4 Std.      | 16.-20. Mai        | Projektdokumentation, Übergabe             |

### 2.2 Ressourcenplanung

**Hardware-Komponenten:**

- Raspberry Pi 5 (8GB RAM) als zentrale Serverplattform
- 6× TP-Link Tapo P110 Smart-Plugs für IoT-Integration
- Netzwerk-Infrastruktur und 19-Zoll-Serverschrank

**Software-Stack:**

- **Backend:** Python 3.11, Flask 2.3, SQLAlchemy 2.0
- **Frontend:** Aufbau auf vorhandenem Next.js-Prototyp
- **IoT-Integration:** PyP100-Bibliothek für Smart-Plug-Kommunikation
- **System:** Raspbian OS, systemd-Services

**Kostenrahmen:** Unter 600 Euro Gesamtinvestition

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## 3. Analyse und Bewertung der vorhandenen Systemarchitektur

### 3.1 Ist-Zustand-Analyse

**Vorgefundene Systemlandschaft:**

- Frontend-Prototyp (Next.js) ohne Backend-Funktionalität
- Isolierte 3D-Drucker ohne Netzwerkfähigkeit
- Raspberry Pi 4 als ungenutzter Server
- Analoge Reservierungsverwaltung über Whiteboard

**Identifizierte Defizite:**

- Fehlende cyberphysische Integration der Hardware
- Keine zentrale Datenhaltung für Reservierungen
- Ineffiziente manuelle Prozesse mit Fehlerpotenzialen
- Sicherheitslücken durch analoge Verwaltung

### 3.2 Bewertung der heterogenen IT-Landschaft

Die IT-Infrastruktur der TBA präsentierte sich als segmentierte Umgebung mit verschiedenen VLANs und Sicherheitszonen. Die 3D-Drucker verschiedener Hersteller erforderten eine **herstellerunabhängige Abstraktionsebene**.

**Gewählter Lösungsansatz:** IoT-Integration über Smart-Plugs ermöglicht universelle Steuerung unabhängig vom Druckermodell durch Abstraktion auf die Stromversorgungsebene.

### 3.3 Sicherheitsanforderungen

**Analysierte Vorgaben:**

- Keine permanente Internetverbindung zulässig
- Isoliertes Netzwerksegment für IoT-Komponenten erforderlich
- Selbstsignierte SSL-Zertifikate (kein Let's Encrypt verfügbar)
- Compliance mit Mercedes-Benz IT-Sicherheitsrichtlinien

**Abgeleitete Sicherheitsmaßnahmen:**

- bcrypt-Passwort-Hashing mit Cost-Faktor 12
- CSRF-Schutz und Session-Management über Flask-Login
- Rate-Limiting gegen Brute-Force-Angriffe
- Restriktive Firewall-Regeln mit Port-Beschränkung

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## 4. Entwicklung der Systemarchitektur und Schnittstellenkonzeption

### 4.1 Gesamtsystemarchitektur

```
┌─────────────────┐    HTTPS    ┌─────────────────┐    WLAN      ┌─────────────────┐
│   Web-Client    │◄────────────►│  Raspberry Pi   │◄───────────►│   Smart-Plugs   │
│   (Browser)     │              │   MYP-Server    │             │   (IoT-Layer)   │
└─────────────────┘              └─────────────────┘             └─────────────────┘
                                         │                               │
                                    ┌────▼────┐                     ┌────▼────┐
                                    │ SQLite  │                     │3D-Drucker│
                                    │Database │                     │(6 Geräte)│
                                    └─────────┘                     └─────────┘
```

### 4.2 Schnittstellenkonzeption

**REST-API-Design (100+ Endpunkte):**

- `/api/auth/` - Authentifizierung und Session-Management
- `/api/users/` - Benutzerverwaltung und Rechteverwaltung
- `/api/printers/` - Druckerverwaltung und Statusinformationen
- `/api/jobs/` - Reservierungsmanagement und Scheduling
- `/api/monitoring/` - Energieverbrauch und Systemstatistiken

**IoT-Schnittstelle zu Smart-Plugs:**

- Protokoll: HTTP/TCP über WLAN-Verbindung
- Authentifizierung: Session-basiert mit dynamischen Tokens
- Operationen: Power On/Off, Status-Abfrage, Energiemessung

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## 5. Umsetzung (Implementation)

### 5.1 Backend-Entwicklung

**Flask-Anwendungsstruktur:**

- Modulare Blueprint-Architektur für Skalierbarkeit
- SQLAlchemy ORM für Datenbankabstraktion
- Thread-sichere Scheduler-Implementation
- Robuste Fehlerbehandlung mit Retry-Mechanismen

**Zentrale Implementierungsherausforderung:**
Die TP-Link Tapo P110 Smart-Plugs verfügten über keine dokumentierte API. Nach erfolglosen Versuchen mit verschiedenen Python-Bibliotheken erwies sich **PyP100** als einzige funktionsfähige Lösung für die lokale Kommunikation ohne Cloud-Abhängigkeit.

### 5.2 Smart-Plug-Integration

**Technische Umsetzung:**

```python
class SmartPlugManager:
    def __init__(self, plug_configs):
        self.plugs = {id: Tapo(ip, user, pass) for id, ip in plug_configs.items()}
  
    async def control_printer(self, printer_id, action):
        plug = self.plugs[printer_id]
        return await plug.on() if action == 'start' else await plug.off()
```

**Konfiguration:**

- Statische IP-Adressen: 192.168.0.100-105 für zuverlässige Kommunikation
- Lokale Authentifizierung ohne Cloud-Service-Abhängigkeit
- Integriertes Energiemonitoring für Verbrauchsoptimierung

### 5.3 Systemintegration

**Deployment-Konfiguration:**

- systemd-Services für automatischen Start und Überwachung
- SSL-Zertifikat-Management für HTTPS-Betrieb
- Firewall-Konfiguration mit restriktiven Regeln
- Logging und Monitoring für Systemstabilität

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## 6. Test und Optimierung der Datenverarbeitung und Darstellung

### 6.1 Testdurchführung

**Systematische Testphase:**

- **Unit-Tests:** 85% Code-Coverage für kritische Komponenten
- **Integrationstests:** Frontend-Backend-Kommunikation und IoT-Integration
- **Systemtests:** End-to-End-Reservierungsszenarien
- **Sicherheitstests:** Penetrationstests gegen OWASP Top 10

**Performance-Optimierungen:**

- Hardware-Upgrade von Raspberry Pi 4 auf Pi 5 aufgrund Performance-Anforderungen
- Datenbankindizierung für häufige Abfragen
- Caching-Strategien für Smart-Plug-Status

### 6.2 Qualitätssicherung

**Implementierte Maßnahmen:**

- VirtualBox-basierte Testumgebung für entwicklungsnahe Tests
- Mock-Objekte für Hardware-unabhängige Unit-Tests
- Strukturiertes Logging für Debugging und Monitoring
- Automatisierte Backup-Strategien für kritische Konfigurationen

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## 7. Projektabschluss

### 7.1 Soll-Ist-Vergleich

**Vollständig erreichte Projektziele:**
✅ Webportal-Entwicklung (Frontend und Backend)
✅ WLAN-Integration der Raspberry Pi-Plattform
✅ Datenbankaufbau für Reservierungsverwaltung
✅ Authentifizierung und Autorisierung
✅ Test der Schnittstellen und Netzwerkverbindungen
✅ Automatische Hardware-Steuerung via IoT-Integration

**Zusätzlich realisierte Features:**

- Energiemonitoring und Verbrauchsstatistiken
- Kiosk-Modus für Werkstatt-Terminals
- Erweiterte Sicherheitsfeatures (Rate-Limiting, CSRF-Schutz)

### 7.2 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung

**Projektkosten:** Unter 600 Euro Gesamtinvestition
**Amortisation:** Weniger als 6 Monate durch Energieeinsparungen
**Nutzen:** Eliminierung von Reservierungskonflikten und automatisierte Betriebsoptimierung

### 7.3 Fazit

Das MYP-System transformiert erfolgreich die analoge 3D-Drucker-Verwaltung in ein modernes cyberphysisches System. Die Lösung demonstriert, wie durch innovative IoT-Integration auch Legacy-Hardware in moderne Systemlandschaften integriert werden kann.

**Zentrale Erfolgsfaktoren:**

- Pragmatische Abstraktion komplexer Hardware-Probleme über Smart-Plug-Integration
- Robuste Softwarearchitektur mit umfassender Fehlerbehandlung
- Konsequente Berücksichtigung von Sicherheitsanforderungen

### 7.4 Projektabnahme

**Abnahmedatum:** 2. Juni 2025
**Status:** Erfolgreich abgenommen und in Produktivbetrieb überführt
**Bewertung:** Innovative Lösungsansätze mit hoher technischer Qualität und bestätigter Praxistauglichkeit

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## Anlagen

- A1: Systemdokumentation und Netzwerkdiagramme
- A2: API-Dokumentation und Schnittstellenspezifikation
- A3: Testprotokolle und Sicherheitsnachweise
- A4: Benutzeroberfläche und Bedienungsanleitung
- A5: Deployment-Skripte und Konfigurationsdateien