Projektarbeit-MYP/IHK_Projektdokumentation/Dokumentation_Ueberarbeitet.md

# 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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## Inhaltsverzeichnis

1. [Einleitung](#1-einleitung)
2. [Projektplanung](#2-projektplanung)
3. [Analyse und Bewertung](#3-analyse-und-bewertung)
4. [Systemarchitektur und Schnittstellenkonzeption](#4-systemarchitektur-und-schnittstellenkonzeption)
5. [Umsetzung](#5-umsetzung)
6. [Test und Optimierung](#6-test-und-optimierung)
7. [Projektabschluss](#7-projektabschluss)
8. [Anlagen](#anlagen)

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## 1. Einleitung

### 1.1 Ausgangssituation und Problemstellung

Die Technische Berufsausbildungsstätte (TBA) der Mercedes-Benz AG am Standort Berlin verfügt über sechs 3D-Drucker verschiedener Hersteller (Prusa, Anycubic), die als wichtige Ressource für die praktische Ausbildung dienen. Diese Geräte weisen jedoch erhebliche 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

Ein vorhandener Frontend-Prototyp des ehemaligen Auszubildenden Torben Haack bot eine moderne Benutzeroberfläche, verfügte jedoch über keine funktionsfähige Backend-Anbindung zur praktischen Nutzung.

### 1.2 Projektziele

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

**Primäre Ziele:**
- Entwicklung einer webbasierten Reservierungsplattform
- Integration automatischer Hardware-Steuerung via IoT-Komponenten
- Implementierung einer zentralen Verwaltungsoberfläche
- Etablierung robuster Authentifizierung und Rechteverwaltung

**Sekundäre Ziele:**
- Optimierung der Energieeffizienz durch automatisierte Steuerung
- Bereitstellung von Nutzungsstatistiken und Monitoring
- Gewährleistung herstellerunabhängiger Lösung
- Einhaltung unternehmensinterner Sicherheitsrichtlinien

### 1.3 Projektabgrenzung

**Im Projektumfang enthalten:**
- Webportal-Entwicklung (Frontend und Backend)
- WLAN-Integration der Raspberry Pi-Plattform
- Datenbankaufbau für Reservierungsverwaltung
- IoT-Integration via Smart-Plug-Technologie
- Authentifizierung und Autorisierung
- Test der Schnittstellen und Netzwerkverbindungen

**Ausgeschlossen aus dem Projektumfang:**
- Direkte Kommunikation mit 3D-Druckern (fehlende Schnittstellen)
- Integration in das unternehmensweite Intranet (Zeitrestriktionen)
- Übertragung von Druckdaten oder Statusüberwachung der Drucker
- Umfangreiche Hardware-Modifikationen der bestehenden Geräte

### 1.4 Projektumfeld und betriebliche Schnittstellen

Das Projekt wurde im Rahmen der Ausbildung zum Fachinformatiker für digitale Vernetzung in der TBA durchgeführt. Die organisatorischen Rahmenbedingungen wurden durch konzerninternen Sicherheitsrichtlinien und IT-Governance-Prozesse geprägt.

**Zentrale Schnittstellen:**
- **IT-Abteilung:** Genehmigung von Netzwerkkonfigurationen und SSL-Zertifikaten
- **Ausbildungsleitung:** Fachliche Betreuung und Ressourcenbereitstellung
- **Endanwender:** Auszubildende und Ausbildungspersonal der TBA
- **Hardware-Integration:** Smart-Plug-Systeme als IoT-Gateway zu den 3D-Druckern

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## 2. Projektplanung

### 2.1 Zeitplanung nach V-Modell

Die Projektplanung folgte dem V-Modell mit agilen Elementen, unterteilt in fünf Sprints à eine Woche:

| Phase | Zeitraum | Aufwand | Schwerpunkt |
|-------|----------|---------|-------------|
| **Sprint 1** | 15.-19. April | 6h | Projektplanung und Analyse |
| **Sprint 2** | 22.-26. April | 12h | Analyse und Bewertung der Systemarchitektur |
| **Sprint 3** | 29. April - 3. Mai | 6h | Entwicklung der Systemarchitektur |
| **Sprint 4** | 6.-10. Mai | 14h | Umsetzung (Implementation) |
| **Sprint 5** | 13.-17. Mai | 10h | Test, Optimierung und Dokumentation |

### 2.2 Ressourcenplanung

**Hardware-Komponenten:**
- Raspberry Pi 5 (8GB RAM, 128GB Speicher) als zentrale Serverplattform
- 6× TP-Link Tapo P110 Smart-Plugs für IoT-Integration
- 19-Zoll-Serverschrank für professionelle Unterbringung
- Netzwerk-Infrastruktur (Switch, Verkabelung)

**Software-Stack:**
- **Backend:** Python 3.11, Flask 2.3, SQLAlchemy 2.0, SQLite
- **Frontend:** Next.js (Prototyp-Basis), TailwindCSS, JavaScript
- **System:** Raspbian OS, systemd-Services, OpenSSL
- **IoT-Integration:** PyP100-Bibliothek für Smart-Plug-Kommunikation

**Kostenrahmen:** Unter 600 Euro (inklusive privat finanzierter Ergänzungskomponenten)

### 2.3 Qualitätssicherungsplanung

**Testumgebung:**
- VirtualBox-basierte Entwicklungsumgebung für Backend-Tests
- Hardware-in-the-Loop-Tests mit echten Smart-Plugs
- Separate Produktionsumgebung auf Raspberry Pi

**Teststrategien:**
- **Unit-Tests:** Isolierte Tests kritischer Komponenten (85% Code-Coverage)
- **Integrationstests:** Schnittstellen zwischen Frontend, Backend und IoT
- **Systemtests:** End-to-End-Szenarien mit kompletten Anwendungsfällen
- **Sicherheitstests:** Penetrationstests gegen OWASP Top 10

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## 3. Analyse und Bewertung

### 3.1 Bewertung der vorhandenen Systemarchitektur

**Ist-Zustand:**
- Frontend-Prototyp (Next.js) ohne Backend-Anbindung
- Isolierte 3D-Drucker ohne Netzwerkfähigkeit
- Analoge Reservierungsverwaltung (Whiteboard)
- Raspberry Pi 4 als ungenutzter Server

**Identifizierte Defizite:**
- Fehlende cyberphysische Integration
- Keine zentrale Datenhaltung
- Ineffiziente manuelle Prozesse
- 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.

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

### 3.3 Analyse der IT-sicherheitsrelevanten Bedingungen

**Sicherheitsanforderungen:**
- Keine permanente Internetverbindung
- Isoliertes Netzwerksegment für IoT-Komponenten
- Selbstsignierte SSL-Zertifikate (kein Let's Encrypt möglich)
- Compliance mit Mercedes-Benz IT-Sicherheitsrichtlinien

**Implementierte Sicherheitsmaßnahmen:**
- bcrypt-Passwort-Hashing (Cost-Faktor 12)
- CSRF-Schutz und Session-Management
- Rate-Limiting gegen Brute-Force-Angriffe
- Firewall-Regeln mit Port-Beschränkung
- Input-Validation nach OWASP-Standards

### 3.4 Anforderungsgerechte Auswahl der Übertragungssysteme

**Evaluierte Optionen:**
1. **Direkte 3D-Drucker-Integration:** Nicht möglich (fehlende Schnittstellen)
2. **Cloud-basierte Lösung:** Ausgeschlossen (Offline-Anforderung)
3. **Smart-Plug-Integration:** Gewählte Lösung

**Technische Herausforderung:** TP-Link Tapo P110 verfügen über keine dokumentierte API. Reverse-Engineering mittels Wireshark-Protokollanalyse war erforderlich.

**Lösung:** PyP100-Python-Bibliothek implementiert das proprietäre Kommunikationsprotokoll und ermöglicht lokale Steuerung ohne Cloud-Abhängigkeit.

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## 4. 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 Technische Systemarchitektur

**Schichtenmodell:**
1. **Präsentationsschicht:** Web-Frontend (HTTPS/Port 443)
2. **Anwendungsschicht:** Flask-Backend mit REST-API
3. **Geschäftslogikschicht:** Reservierungsmanagement, Scheduler
4. **Datenhaltungsschicht:** SQLite-Datenbank
5. **IoT-Integrationsschicht:** Smart-Plug-Kommunikation
6. **Hardwareschicht:** 3D-Drucker (stromgesteuert)

### 4.3 Schnittstellenkonzeption

**REST-API-Design:**
- **Authentifizierung:** `/api/auth/` (Login, Logout, Session-Management)
- **Benutzerverwaltung:** `/api/users/` (CRUD-Operationen)
- **Druckerverwaltung:** `/api/printers/` (Status, Konfiguration)
- **Reservierungen:** `/api/jobs/` (Buchung, Verwaltung, Scheduling)
- **Monitoring:** `/api/monitoring/` (Energieverbrauch, Statistiken)

**IoT-Schnittstelle:**
- **Protokoll:** HTTP/TCP über WLAN
- **Authentifizierung:** Session-basiert mit dynamischen Tokens
- **Operationen:** Power On/Off, Status-Abfrage, Energiemessung
- **Fehlerbehandlung:** Retry-Mechanismen, Timeout-Handling

### 4.4 Datenmodell

**Kernentitäten:**
- `User`: Benutzerkonten mit Rollen und Berechtigungen
- `Printer`: 3D-Drucker-Definitionen mit Smart-Plug-Zuordnung
- `Job`: Reservierungen mit Zeitfenstern und Status
- `SmartPlug`: IoT-Geräte-Konfiguration und Zustandsverwaltung
- `EnergyLog`: Energieverbrauchsdaten für Monitoring

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## 5. Umsetzung

### 5.1 Implementierung der Backend-Infrastruktur

**Flask-Anwendungsstruktur:**
```python
# Modulare Blueprint-Architektur
├── app.py                  # Hauptanwendung mit HTTPS-Konfiguration
├── models.py              # SQLAlchemy-Datenmodelle
├── blueprints/            # Funktionale Module
│   ├── auth.py           # Authentifizierung
│   ├── users.py          # Benutzerverwaltung
│   ├── printers.py       # Druckerverwaltung
│   └── jobs.py           # Reservierungslogik
└── utils/                 # Hilfsfunktionen
    ├── scheduler.py      # Zeitgesteuerte Operationen
    └── smart_plug.py     # IoT-Integration
```

**Zentrale Implementierungsherausforderungen:**

1. **Smart-Plug-Integration:** PyP100-Bibliothek erwies sich als einzige funktionsfähige Lösung nach mehreren gescheiterten Ansätzen

2. **Thread-sichere Scheduler-Implementation:** 
```python
class SmartPlugScheduler:
    def __init__(self):
        self.scheduler = BackgroundScheduler()
        self.lock = threading.Lock()
    
    def schedule_job(self, job_id, start_time, duration):
        with self.lock:
            # Thread-sichere Jobplanung
            self.scheduler.add_job(...)
```

3. **Robuste Fehlerbehandlung:**
```python
@retry(stop=stop_after_attempt(3), wait=wait_exponential(multiplier=1, min=4, max=10))
def toggle_smart_plug(plug_ip, state):
    try:
        plug = Tapo(plug_ip, username, password)
        return plug.on() if state else plug.off()
    except Exception as e:
        logger.error(f"Smart-Plug-Fehler: {e}")
        raise
```

### 5.2 IoT-Integration und Hardware-Steuerung

**Smart-Plug-Konfiguration:**
- Statische IP-Adressen: 192.168.0.100-105
- Lokale Authentifizierung ohne Cloud-Service
- Energiemonitoring für Verbrauchsoptimierung

**Kommunikationsprotokoll:**
```python
# Vereinfachte Smart-Plug-Abstraktion
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()
```

### 5.3 Sicherheitsimplementierung

**Authentifizierung und Autorisierung:**
```python
# bcrypt-Passwort-Hashing
password_hash = bcrypt.generate_password_hash(password, rounds=12)

# Session-Management mit Flask-Login
@login_required
def protected_endpoint():
    return jsonify({"user_id": current_user.id})

# CSRF-Schutz
csrf.init_app(app)
```

**Rate-Limiting:**
```python
# Brute-Force-Schutz
@limiter.limit("5 per minute")
@app.route('/api/auth/login', methods=['POST'])
def login():
    # Login-Logik mit Begrenzung
```

### 5.4 Systemkonfiguration und Deployment

**Systemd-Service-Konfiguration:**
```ini
[Unit]
Description=MYP HTTPS Backend Service
After=network.target

[Service]
Type=simple
User=myp
WorkingDirectory=/opt/myp
ExecStart=/usr/bin/python3 app.py --production
Restart=always
RestartSec=10

[Install]
WantedBy=multi-user.target
```

**SSL-Zertifikat-Management:**
```bash
# Selbstsignierte Zertifikate für Offline-Betrieb
openssl req -x509 -newkey rsa:4096 -keyout key.pem -out cert.pem -days 365 -nodes
```

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## 6. Test und Optimierung

### 6.1 Testdurchführung und -ergebnisse

**Unit-Tests (85% Code-Coverage):**
- Datenbankoperationen: Alle CRUD-Operationen erfolgreich
- API-Endpunkte: Validierung und Fehlerbehandlung getestet
- Smart-Plug-Integration: Mock-Tests für Hardware-Abstraktion

**Integrationstests:**
- Frontend-Backend-Kommunikation: HTTPS/REST-API vollständig funktional
- IoT-Hardware-Integration: Alle 6 Smart-Plugs erfolgreich ansteuerbar
- Scheduler-Funktionalität: Zeitgesteuerte Operationen präzise ausgeführt

**Systemtests:**
- End-to-End-Reservierungsszenarien: Vollständig automatisiert
- Gleichzeitige Benutzerzugriffe: Bis zu 10 parallele Sessions stabil
- Energiemonitoring: Verbrauchsdaten korrekt erfasst und visualisiert

**Performance-Optimierungen:**
- Hardware-Upgrade von Raspberry Pi 4 auf Pi 5 (Speicher: 4GB → 8GB)
- Datenbankindizierung für häufige Abfragen
- Caching-Strategien für Smart-Plug-Status

### 6.2 Sicherheitstests

**Penetrationstests:**
- SQL-Injection-Versuche: Erfolgreich abgewehrt durch Parameterisierung
- XSS-Angriffe: Input-Sanitization funktional
- CSRF-Attacken: Token-basierter Schutz wirksam
- Brute-Force-Tests: Rate-Limiting nach 5 Versuchen aktiv

### 6.3 Systemstabilität und Monitoring

**Monitoring-Implementation:**
```python
# Systemüberwachung mit Logging
import logging
from logging.handlers import RotatingFileHandler

# Strukturiertes Logging für Debugging
logging.basicConfig(
    handlers=[RotatingFileHandler('app.log', maxBytes=10000000, backupCount=10)],
    level=logging.INFO,
    format='%(asctime)s %(levelname)s %(name)s %(message)s'
)
```

**Erkannte und behobene Probleme:**
- Memory-Leaks bei lang laufenden Smart-Plug-Operationen
- Race Conditions im Scheduler bei simultanen Zugriffen
- SSL-Zertifikat-Probleme durch inkorrekte SAN-Konfiguration

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## 7. Projektabschluss

### 7.1 Soll-Ist-Vergleich

**Vollständig erreichte Ziele:**
✅ Webbasierte Reservierungsplattform implementiert  
✅ Automatische Hardware-Steuerung via IoT realisiert  
✅ Zentrale Verwaltungsoberfläche bereitgestellt  
✅ Robuste Authentifizierung und Rechteverwaltung  
✅ WLAN-Integration der Raspberry Pi-Plattform  
✅ Datenbankaufbau für Reservierungsverwaltung  
✅ Test der Schnittstellen und Netzwerkverbindungen  

**Zusätzlich realisierte Features:**
🔋 Energiemonitoring und Verbrauchsoptimierung  
📊 Nutzungsstatistiken und Dashboard  
🔒 Erweiterte Sicherheitsfeatures (Rate-Limiting, CSRF-Schutz)  
🏗️ Kiosk-Modus für Werkstatt-Terminals  

**Abweichungen vom ursprünglichen Plan:**
- Konsolidierung auf einen statt zwei Raspberry Pis (Kostenoptimierung)
- Hardware-Upgrade Pi 4 → Pi 5 (Performance-Anforderungen)
- Verschiebung der Intranet-Integration (Zeitrestriktionen)

### 7.2 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung

**Investitionskosten:** < 600 Euro  
**Amortisation:** < 6 Monate durch Energieeinsparungen  
**ROI:** Eliminierung von Reservierungskonflikten und automatisierte Abschaltung  

### 7.3 Nachhaltigkeit und Erweiterbarkeit

**Modulare Systemarchitektur** ermöglicht einfache Erweiterungen:
- Integration weiterer Gerätetypen (Lasercutter, CNC-Fräsen)
- Active Directory-Anbindung für Enterprise-Integration
- Machine Learning für Auslastungsprognosen

### 7.4 Projektergebnisse und Erkenntnisse

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

**Zentrale Erfolgsfaktoren:**
- Pragmatische Abstraktion komplexer Hardware-Probleme
- Robuste Softwarearchitektur mit umfassender Fehlerbehandlung
- Berücksichtigung von Sicherheitsanforderungen von Projektbeginn an

**Lessons Learned:**
- Hardware-Kompatibilitätsprüfung vor Projektstart essentiell
- Backup-Strategien für kritische Konfigurationen unerlässlich
- Agile Anpassungsfähigkeit bei unvorhergesehenen Problemen

### 7.5 Formale Projektabnahme

**Abnahmedatum:** 2. Juni 2025  
**Abnehmer:** Ausbildungsleitung TBA Mercedes-Benz AG  
**Status:** Erfolgreich abgenommen und in Produktivbetrieb überführt  

**Bewertung der Ausbildungsleitung:**
- Innovative Lösungsansätze für komplexe Integration
- Hohe technische Qualität der Implementation
- Praxistauglichkeit und Benutzerakzeptanz bestätigt

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## Anlagen

### A1. Systemdokumentation
- Netzwerkdiagramme und Systemarchitektur
- API-Dokumentation (REST-Endpunkte)
- Datenbankschema (ER-Diagramme)

### A2. Technische Dokumentation
- Installationsanleitung und Setup-Skripte
- Konfigurationsdateien (systemd, SSL, Firewall)
- Troubleshooting-Guide

### A3. Testdokumentation
- Testprotokolle (Unit-, Integration-, Systemtests)
- Sicherheitstests (Penetrationstests)
- Performance-Benchmarks

### A4. Benutzeroberfläche
- Screenshots der Weboberfläche
- Benutzerhandbuch
- Admin-Dokumentation

### A5. Projektmanagement
- Zeiterfassung nach Projektphasen
- Kostenaufstellung
- Übergabeprotokoll

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**Projektstatistiken:**
- **Codezeilen:** 9.000+ (Python/JavaScript)
- **API-Endpunkte:** 100+
- **Testabdeckung:** 85%
- **Systemlaufzeit:** 24/7 produktiv seit Inbetriebnahme