Ro­bo­ter-In­va­si­on

Wie führt man Kin­der an Pro­gram­mie­rung her­an? – Am bes­ten durch Her­aus­for­de­run­gen in der ech­ten Welt mit Lö­ten, Lämp­chen und Be­we­gung. Als pro­gram­mier­ba­re Hard­ware eig­net sich ei­ne Pla­ti­ne von Wat­te­rott.

PC Magazin - - Tool-paket - MAT­TI­AS SCHLENKER

S chon seit Jah­ren ver­su­chen die Kul­tus­mi­nis­ter, In­for­ma­tik nicht nur als ei­ge­nes Un­ter­richts­fach zu eta­blie­ren, son­dern auch fä­cher­über­grei­fend, bei­spiels­wei­se im Phy­sik- oder Bio­lo­gie-Un­ter­richt, zu för­dern. Lei­der ist die Rea­li­tät noch im­mer, dass un­zu­rei­chend Lehr­ma­te­ria­li­en und güns­ti­ge Bo­ards ver­füg­bar sind. An­de­rer­seits gibt dies Leh­rern, Be­treu­ern von AGs und na­tür­lich en­ga­gier­ten El­tern vie­le Frei­hei­ten bei der Wahl des Bo­ards und da­mit ver­bun­den der Ent­wick­lungs­um­ge­bung. Rund zehn Jah­re exis­tiert nun die Ar­dui­noPlatt­form, und sie stellt trotz be­rech­tig­ter Kri­tik­punk­te ei­nen Qua­si-Stan­dard da: Der ver­wen­de­te C-Dia­lekt ist leicht zu ler­nen, es exis­tiert ei­ne gro­ße Com­mu­ni­ty, wel­che auch leicht in ei­ge­ne Pro­jek­te zu in­te­grie­ren­de Bi­b­lio­the­ken ent­wi­ckelt, die Ent­wick­lungs­um­ge­bung ist ro­bust und auf al­len nen­nens­wer­ten Be­triebs­sys­te­men (mitt­ler­wei­le so­gar na­tiv für Raspber­ry Pi) ver­füg­bar. Und das Wich­tigs­te: Ei­ne brei­te User­ba­sis er­höht die Wahr­schein­lich­keit be­trächt­lich, so­wohl je­man­den zu nden, der pro­gram­mier­wil­li­gen Kids zur Sei­te ste­hen kann als auch Co­de­blö­cke und Bi­b­lio­the­ken für be­stimm­te Auf­ga­ben und Er­wei­te­rungs­hard­ware auf­zu­trei­ben.

Löt­übung mit Mi­cro­con­trol­ler

Die Wat­te­rott Elec­tro­nic Gm­bH bie­tet meh­re­re selbst ent­wi­ckel­te Löt­übun­gen an, die auf Kin­der ab dem Grund­schul­al­ter zie­len. Ger­ne bei Löt­work­shops auf Ma­ker­fai­res ge­se­hen wur­de die OSHW-RGB-Badge, ein Um­hän­ger mit bun­ter LED mit in­te­grier­tem IC, die wild und bunt blinkt, dar­über hin­aus aber kei­ne Funk­tio­na­li­tät be­inhal­te­te und da­her schnell wie­der weg­ge­hängt wird. Seit Som­mer 2017 bie­tet Wat­te­rott ei­ne neue Löt­übung in Ro­bo­ter­kopf-Op­tik an, die ei­ne ro­te und ei­ne grü­ne LED so­wie zwei In­fra­rot-LEDs ent­hält. Ge­steu­ert wer­den die LEDs nun nicht mehr von ei­nem IC („In­te­gra­ted Cir­cuit“), son­dern ei­nem pro­gram­mier­ba­ren Mi­cro­con­trol­ler vom Typ At­mel At­ti­ny 841. Ei­ne Be­son­der­heit ist der auf die­sem in­stal­lier­te USB-Boot­loa­der, wel­cher die di­rek­te Pro­gram­mie­rung an ei­nem Li­nux-, OSX- oder Win­dows-PC er­laubt. Acht

IO-Pins des Con­trol­lers so­wie ge­nü­gend Span­nungs- und Mas­se­ver­bin­dun­gen wer­den als brei­te Kup­fer­pads her­aus­ge­führt. Um mit die­sen Kon­tak­te her­zu­stel­len, ist nicht im­mer Lö­ten er­for­der­lich: Oft ge­nü­gen Kro­ko­dil­klem­men, ver­dreh­te Lit­zen plus Schrumpf­schlauch oder Ähn­li­ches, um Sen­so­ren oder Ak­to­ren an­zu­schlie­ßen. Als Strom­ver­sor­gung dient ent­we­der die in­te­grier­te Knopf­zel­le, ein PC oder ei­ne Po­wer­bank für den USB-An­schluss oder ei­ne be­lie­bi­ge an­de­re Span­nungs­quel­le, die we­nigs­tens 1,8 Volt (höchs­tens 5,5 Volt) und ein paar Mil­li­am­pe­re lie­fern kann. Das kann auch ei­ne So­lar­zel­le sein, die di­rekt am VCC-Pad an­ge­schlos­sen wird. Ein But­ton dient dem Re­set des Mi­cro­con­trol­lers (und so auch dem Start des Boot­loa­ders), ein wei­te­rer Tas­ter ist frei pro­gram­mier­bar. Ins­ge­samt er­in­nern das Kon­zept mit dem löt­frei­en An­schluss, der Ver­wend­bar­keit lei­ten­der Fä­den und das ab­ge­run­de­te De­sign ein we­nig an die der­zeit nicht mehr mit At­me­ga/At­ti­ny pro­du­zier­te We­ara­blesRei­he Ar­dui­no/Ge­nui­no Li­ly­pad und Gem- ma, die je­doch eher auf er­wach­se­ne Ma­ker und Kunst- oder Mo­de­de­sign-Stu­den­ten ab­ziel­ten.

Der Zu­sam­men­bau

Al­le SMD-Bau­tei­le (Mi­cro­con­trol­ler, Schal­ter, USB-Buch­se, ei­ni­ge Di­oden und Kon­den­sa­to­ren) sind be­reits be­stückt, es gilt, nur THT-Bau­tei­le („Through Ho­le Tech­no­lo­gy“) selbst zu ver­lö­ten. 24 Löt­punk­te, von de­nen kei­ne en­ger als 2,5 Mil­li­me­ter zu­sam­men­lie­gen, stel­len auch Grund­schü­ler nicht vor über­trie­be­ne Her­aus­for­de­run­gen. Wer die In­fra­rot-LEDs nicht für Pro­jek­te be­nö­tigt, kann sie zu­nächst auch weg­las­sen. Nach Ein­set­zen der mit­ge­lie­fer­ten Knopf­zel­le und An­schal­ten der Pla­ti­ne blinkt die grü­ne LED in In­ter­val­len, dies si­gna­li­siert, dass der Boot­loa­der be­reit­steht und das Ro­bo-Badge auf Ver­bin­dung zur Ar­dui­no IDE war­tet.

Soft­ware-In­stal­la­ti­on er­for­der­lich

Da Un­ter­stüt­zung für den Mi­cro­nu­cleusBoot­loa­der noch nicht Teil der Ar­dui­no-IDE ist, muss zu­sätz­lich zur Ar­dui­no IDE 1.8.x das un­ter http://bit.ly/2ffrrEG ver­link­te Bo­ard Sup­port Pa­cka­ge (BSP) in­stal­liert wer­den, des Wei­te­ren ist un­ter Win­dows ein Trei­ber not­wen­dig. Das BSP ent­hält Com­pi­lerEin­stel­lun­gen, die auf den ver­lö­te­ten Mi­cro­con­trol­ler zu­ge­schnit­ten sind, und im Fal­le des Mi­cro­nu­cleus auch ein Pro­gramm zum Upload des kom­pi­lier­ten Co­des zum Mi­cro­con­trol­ler. Li­nux-Nut­zer soll­ten ne­ben der In­stal­la­ti­on noch spe­zi­el­le Udev-Re­geln ( http://bit.ly/2wWqXuD) in­stal­lie­ren, sonst ist

die Pro­gram­mie­rung des Bo­ards nur mit Root­rech­ten mög­lich. Um die Kom­pi­lie­rung und die In­stal­la­ti­on von Pro­gram­men zu tes­ten, lie­fert Wat­te­rott drei Bei­spie­le: Blink lässt ein­fach die LEDs blin­ken, But­ton schal­tet LEDs auf Knopf­druck an und aus, und TV-Off ver­wen­det den Code von "TV be go­ne", um Fern­se­her in Reich­wei­te aus­zu­schal­ten – das ge­lang uns beim Be­trieb mit der Knopf­zel­le mit ei­nem Samsung Smart TV aus we­ni­ger als zwei Me­tern Ent­fer­nung, mit Po­wer­bank aus zehn Me­tern Ent­fer­nung. Für ei­nen ers­ten Pro­jekt­nach­mit­tag ist mit Ver­lö­ten, Test, An­schluss an den PC, In­stal­la­ti­on der Bei­spiel­pro­gram­me und Her­um­spie­len mit TV-Off ge­nug ge­tan.

P an­zen­kon­trol­le mit Ro­bo Badge

Grei­fen wir das The­ma ei­nes fä­cher­über­grei­fen­den Un­te­rich­tes er­neut auf, oder ver­wen­den wir ein­fach das Ro­bo-Badge um dem auch an Gar­ten und P an­zen in­ter­es­sier­ten Kind ei­ne Hil­fe an die Hand zu ge­ben, ei­ne P an­ze am Le­ben zu hal­ten. Zur Kon­trol­le der Bo­den­feuch­te ver­wen­den wir ei­ne re­sis­ti­ve Mes­sung, bei der der Wi­der­stand über ei­ne so­ge­nann­te Po­ten­tio­me­ter­schal­tung (mit ei­nem 10-k -Wi­der­stand) zwi­schen zwei et­wa drei Zen­ti­me­ter lan­gen Erd­nä­geln er­mit­telt wird, die sich auf ge­gen­über­lie­gen­den Sei­ten des Blu­men­top­fes be nden. Die Be­rech­nung der er­war­te­ten Wi­der­stän­de soll hier nicht The­ma sein, De­tails kön­nen Sie un­ter http://bit.ly/2wlTE2f nach­le­sen. An­ge­schlos­sen wer­den die bei­den Erd­nä­gel an Pin 0 und 2. Zwi­schen 0 und GND wird ein Wi­der­stand (10 k ) an­ge­schlos­sen. Bei der ana­lo­gen Mes­sung wer­den Wer­te zwi­schen 0 und 1.023 er­mit­telt, sind bei­de Wi­der­stän­de gleich groß, wird 512 ge­mes­sen, bei tro­cke­ne­rer Er­de we­ni­ger, bei feuch­te­rer Er­de mehr. Es ge­nügt für die Er­mitt­lung von Schwell­wer­ten der Test in ide­al feuch­ter Er­de – zieht man die Mess­son­de aus der Er­de, muss die LED bald rot wer­den. Um Ver­schleiß durch gal­va­ni­sche Ef­fek­te aus­zu­schlie­ßen, wird ein Out­put-Pin erst ei­nen Mo­ment vor der Mes­sung an­ge­schal­tet, dann die Mes­sung durch­ge­führt und schließ­lich wie­der ab­ge­schal­tet. An­schlie­ßend leuch­tet die ro­te oder grü­ne LED ei­ne Mi­nu­te bis zur nächs­ten Mes­sung. Um die Knopf­zel­le nicht ruck­zuck leer zu sau­gen, nut­zen wir ein Han­dy­la­de­ge­rät für die Strom­ver­sor­gung. Bei den ers­ten Pro­gram­mier­schrit­ten soll­ten Er­wach­se­ne mit Ar­dui­no-Er­fah­rung hel­fen und die Pro­gram­mier­bei­spie­le le­sen: Aus Grün­den des Pla­ti­nen­lay­outs wird die ro­te LED über ei­nen Tran­sis­tor ge­schal­tet, sie leuch­tet, wenn der Ar­dui­no-Pin D3 Low ist! Das ein­fach ge­hal­te­ne Co­de­bei­spiel zeigt der Screen­shot, Sie nden es auch im Git­hub-Re­po­si­to­ry des Au­tors (https://git­hub. com/mschlen­ker/PC-Ma­ga­zin/). Im nächs­ten Schritt soll­te die Schal­tung oh­ne Strom­ver­sor­gung aus­kom­men, um bei­spiels­wei­se im Gar­ten aut­ark ver­wen­det wer­den zu kön­nen. Wir wähl­ten hier­für ei­ne et­wa 50 x 50 mm² gro­ße So­lar­zel­le, die mit 4 V und 40 mA spe­zi ziert war. Schnell stell­te sich her­aus, dass die Zel­le in Räu­men eher un­ter 2,5 Volt lie­fer­te und erst bei Son­nen­ein­strah­lung in ei­nen Be­reich kam, der für den Vor­wi­der­stand und die Vor­wärts­span­nung der LEDs aus­reich­te. Wir schlos­sen da­her zwei klei­ne­re LEDs di­rekt an. Fort­an ge­nüg­ten gut zwei Volt, um die Schal­tung im Be­trieb zu hal­ten. Fällt die Span­nung un­ter 1,8 Volt, ver­sucht der Mi­cro­con­trol­ler neu zu star­ten. Ist in der Mor­gen­däm­me­rung ge­nug Licht da, funk-

tio­niert die Schal­tung wie­der wie ge­wohnt. Um hö­he­re Span­nun­gen oh­ne Schä­den an den LEDs ver­kraf­ten zu kön­nen und ei­ne leich­te­re Ables­bar­keit zu er­rei­chen, lie­ßen wir die ein­mal pro Se­kun­de für 0,2 Se­kun­den blin­ken.

De­bug­ging- und An­schluss­mög­lich­kei­ten

Der AT­ti­ny841 über­nimmt be­mer­kens­wert vie­le Funk­tio­nen der grö­ße­ren At­me­ga­Fa­mi­lie, so sind zwei se­ri­el­le Ports vor­han­den, der Con­trol­ler kann per SPI Sen­so­ren an­spre­chen, auf SD-Kar­ten schrei­ben (Pe­tit Fa­tFS) oder selbst als Sen­sor für an­de­re Bo­ards die­nen. Er ent­hält zu­dem ei­nen I²C-Sla­ve. Das er­mög­licht zum Bei­spiel den An­schluss des Ro­bo-Bad­ges an ei­nen Raspber­ry Pi, um dort als Brü­cke für ana­lo­ge Mes­sun­gen zu fun­gie­ren. Die se­ri­el­len Ports hel­fen beim De­bug­ging. So kön­nen bei­spiels­wei­se die ana­log ge­le­se­nen Wer­te über den se­ri­el­len Mo­ni­tor der Ar­dui­noIDE aus­ge­ge­ben wer­den. Für die ernst­haf­te Pro­gram­mie­rung mit dem Ro­bo-Badge ist da­her die zu­sätz­li­che In­ves­ti­ti­on von et­wa zehn Eu­ro für ei­nen FTDI-USB-Se­ri­el­lWand­ler sinn­voll.

Kri­tik

Nicht an je­dem Rech­ner ließ sich das Ro­b­o­b­adge mit Pro­gram­men ver­se­hen, Ur­sa­che ist oft das Zu­sam­men­spiel zwi­schen USB-Chip­satz des Main­boards und Mi­cro­nu­cleus. Ab­hil­fe schafft meist ein USB-Hub. Wat­te­rott führt fast al­le frei­en Pins nach drau­ßen, was auch für Pin D3 der ro­ten LED gilt. Da die­se je­doch in­vers ge­schal­tet ist, ist die­ser Pin kaum brauch­bar, oh­ne Nach­tei­le in Kauf neh­men zu müs­sen (dau­ernd leuch­ten­de oder blin­ken­de LED). Zu­dem er­schwert die LED die Ver­wen­dung der Schlaf­mo­di des Mi­cro­con­trol­lers et­was. Im­mer­hin: Pro­gram­miert man ge­schickt, kommt man auf ei­ne Stand­by-Strom­auf­nah­me von et­wa 0,1 mA oder ei­ne Lauf­zeit von et­wa drei Mo­na­ten auf ei­ner Knopf­zel­le. Aber schließ­lich soll das Ro­bo-Badge eher zum „Ra­pid Pro­to­typ­ing“, al­so für schnell auf­ge­bau­te und ge­nau­so schnell wie­der ab­ge­bau­te Ver­suchs­auf­bau­ten, die­nen. Bei der spä­te­ren dau­er­haf­ten Um­set­zung hilft, dass die Er­fah­run­gen mit dem Ro­bo-Badge eins zu eins auf Wat­te­rotts Na­ni­te Bo­ards über­trag­bar sind, die auch den Mi­cro­nu­cleus-Boot­loa­der nut­zen und eben­falls mit AT­ti­ny841 (Wat­tui­no Na­ni­te 841, 8,50 Eu­ro) oder At­ti­ny 85 (Na­ni­te 85, 6,00 Eu­ro) er­hält­lich sind. Für die P an­zen­be­wäs­se­rungs­Am­pel ge­nügt der güns­ti­ge­re Na­ni­te 85.

Fa­zit

Wat­te­rotts Ro­bo-Badge ist ei­ne ein­fach zu be­nut­zen­de Übungs­pla­ti­ne oh­ne Schnick­schnack. Die ab­ge­run­de­te Bau­form und die von Li­ly­pad/Gem­ma/Co­de­bug ab­ge­schau­ten brei­ten An­schlüs­se so­wie die Knopf­zel­len­hal­te­rung und das Schlüs­sel­band ma­chen Lust, das Bo­ard auch aus Klas­senoder Kin­der­zim­mer nach drau­ßen zu neh­men oder We­ara­ble-Ex­pe­ri­men­te durch­zu­füh­ren. Ob in­te­grier­te Ma­gne­to­m­e­ter und Be­schleu­ni­gungs­sen­so­ren im­mer von Vor­teil sind, sei da­hin­ge­stellt: Zu­sätz­li­che Kom­po­nen­ten trei­ben oft den Strom­ver­brauch und Co­de­um­fang in die Hö­he und blo­ckie­ren IO-Pins. Ein gro­ßer Vor­teil des ver­gleichs­wei­se schwa­chen At­ti­ny Mi­cro­con­trol­lers ist, dass sich die­ser mit Knopf­zel­le oder So­lar­zel­le bei schwa­chem Licht in ei­nem brei­ten Span­nungs­be­reich be­trei­ben lässt. Das ver­ein­facht die In­te­gra­ti­on in Pro­jek­te mit in­kon­sis­ten­ter Ener­gie­ver­sor­gung – an­de­re Mi­cro­con­trol­ler ver­lan­gen oft kon­stan­te 3,3 Volt und sind da­her auf Ak­kus plus Span­nungs­reg­ler an­ge­wie­sen. Die In­te­gra­ti­on ins Ar­dui­no-/Ge­nui­no-Öko­sys­tem ist der­zeit noch ein gro­ßer Vor­teil ge­gen­über Pla­ti­nen wie dem BBC Mi­cro­bit, bei de­nen Do­ku­men­ta­ti­on und Bei­spiel­code noch im Auf­bau be­grif­fen (und größ­ten­teils nur auf Eng­lisch ver­füg­bar) sind. Die kom­plett selb­stän­di­ge Ar­beit mit der Pla­ti­ne ist et­wa ab der wei­ter­füh­ren­den Schu­le (fünf­te oder sechs­te Klas­se) mög­lich, un­ter Auf­sicht von Er­wach­se­nen ha­ben auch Kin­der ab der drit­ten Klas­se Er­folgs­er­leb­nis­se mit funk­tio­nie­ren­den Schal­tun­gen und der da­zu­ge­hö­ri­gen Pro­gram­mie­rung. whs

In­spi­ra­ti­on ge­wünscht? Die Pro­ject Hub auf crea­te.ar­dui­no.cc stellt Ide­en für ei­ge­ne Mi­cro­con­trol­ler­pro­jek­te vor – hier kön­nen Sie auch nach Schwie­rig­keits­grad ltern.

Über­sicht­lich: 24 Löt­punk­te über­for­dern auch Grund­schü­ler nicht, al­le SMD-Bau­tei­le sind be­reits be­stückt.

Mit ana­lo­gRe­ad() wird der Er­de-Wi­der­stand aus­ge­le­sen und bei un­ter 200 die ro­te LED an­ge­schal­tet.

Für die dau­er­haf­te Kon­trol­le des Gum­mi­baums ha­ben wir ein Han­dy-La­de­ge­rät als Netz­teil ge­nutzt.

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