2sash-kan: /* Arduino и его родственники */

2014-07-03T17:09:37Z

‎Arduino и его родственники

Crazy Rebel: викификация, оформление, иллюстрация

2011-06-24T13:22:10Z

викификация, оформление, иллюстрация

Новая страница

: '''Школа LXF''' Обмен опытом и передовые идеи по использованию свободного ПО в образовании

==Свободные ПО и электроника==

: Что общего у среды программирования для детей ''Scratch'' и свободной вычислительной платформы ''Arduino''? '''Александр Казанцев''' даст ответ, сделав управление аппаратными устройствами доступным школьнику.

Программирование – увлекательная вещь, но результат своего труда можно увидеть лишь на экране. То, что можно потрогать физически, вызывает больший интерес, чем виртуальная копия. Изучение алгоритмов дает понятие «исполнителя», что в большинстве детских умов ассоциируется с роботами или хотя бы электронными устройствами. Программируя реальное оборудование и взаимодействуя с ним, учащийся лучше понимает, для чего в принципе нужна программа и как работают вычислительные системы в целом. Наконец, когда какая-то «железка» вдруг выполняет твои команды, или персонажна экране начинает слушаться только что собранной электронной схемы – это просто интересно и познавательно.

И здесь нам помогут свободные ПО и электроника. Проект Arduino (см. врезку) позволит войти в этот мир c минимальными затратами. Единственное «но» – программы (т. н. «скетчи») для используемых в Arduino микропроцессоров (ATMega) пишутся на ассемблере или с использованием специальных трансляторов с других языков. Это уровень студентов вуза, причем продвинутого. Среда Arduino IDE представляет верх минимализма и аскетизма и требует знания языков уровня ''C'' или ''Java''. Как применять это в школе?

Спешу вас успокоить – мы будем использовать плату Arduino вместе со ''Scratch'' (см. врезку). ''Scratch'' – это среда программирования «из кирпичиков», основанная на ''Logo'', и с ней может справиться ребенок, начиная с 10–12 лет (при эмуляции ''ScratchBoard'') или 14–15 лет – в случае ''Catenary''.

===Исходные материалы===

Итак, нам понадобятся: среда программирования ''Scratch'' версии не ниже 1.3 (мы возьмем 1.4.0), плата Arduino (подойдет любая совместимая; у нас была Arduino Duemilanove), светодиоды трех цветов, кнопка, резисторы на 1 кОм (есть в любом магазине радиотоваров) и провода. Не помешают макетная плата или паяльник, хотя можно собрать все, просто скрутив детали (конечно, это не так красиво и надежно). Разумеется, нужен дистрибутив Linux. Вы можете повторить эти действия и под Windows, но разбираться придется самим.

Первым делом установим ''Scratch''. Для этого воспользуйтесь менеджером пакетов вашего дистрибутива или скачайте последнюю версию с сайта проекта (правда, найти ее там непросто).

Установка и настройка ПО для Arduino освещены в номерах LXF, упомянутых во врезке, и этого мы касаться не будем. Не забудьте приготовить саму плату и будьте осторожны при обращении с электроникой – не касайтесь ее голыми руками. Вам это не повредит, но детали можно «убить» статическими электричеством.

===Управляем из ''Scratch''===

Мы не станем заниматься «настоящим» программированием – взамен, будем управлять платой Arduino напрямую из ''Scratch'', не загружая в нее скетчи. И в этом нам поможет проект ''Catenary'' (http://scratchconnections.wik.is/User:Chalkmarrow/Catenary). Распакуйте архив с программой в вашу домашнюю директорию и действуйте по приведенной инструкции.

{{Врезка|Содержание=[[Изображение:LXF132_108_1.jpg|300px]] Не забудьте подключить сенсоры!|Ширина=300px}}

Сперва подключите Arduino к компьютеру и залейте в нее код, превращающий ее в плату ввода/вывода. Запустите ''Arduino IDE'' (обычно командой ''arduino'') и убедитесь, что в меню '''Tools > Board''' и '''Tools > SerialPort''' выбраны правильная плата и порт. Далее, зайдите в '''File > Examples > Firmata''' и выберите '''StandartFirmata'''. После того, как скетч откроется, залейте его на плату с помощью '''File > Upload I/O''' или кнопки на панели меню. Плата готова к управлению. Не забудьте подключить светодиод к цифровому контакту 13 (одну ножку в '''GND''', другую в '''DIGITAL 13''').

Запустите ''Scratch'', откройте в нем проект, идущий в архиве с программой – '''Scratch_Catenary1(Blink).sb''', и (ни в коем случае не запуская его) включите соединение с удаленным сенсором, выбрав синюю вкладку '''Сенсоры''' и кликнув правой кнопкой на любом блоке со словом «сенсор».

Затем запустите ''Catenary'' (желательно от имени root, чтобы не иметь проблем с доступом к устройствам, и обязательно после ''Scratch''). Перейдите в директорию '''Catenary/application.linux/''' и скомандуйте:

chmod +x ./Catenary
sudo ./Catenary

В моей системе (EduMandriva) ''sudo'' не настроен, и нужно использовать ''gksu'' или ''kdesu''.

gksu ./Catenary

Если ваша система – 64‑битная, ''Catenary'' откажется работать, сославшись на 32‑битные библиотеки. Чтобы исправить это, создайте символьную ссылку на 64‑битную библиотеку '''librxtxSerial.so''' из '''/usr/lib64/rxtx''' или '''/usr/lib64/rxtx-x.y.z'''. Находясь в одном каталоге с запускаемым файлом, наберите (x.y.z нужно заменить на актуальную версию):

rm ./librxtxSerial.so
ln -s /usr/lib64/rxtx/librxtxSerial.so.x.y.z ./librxtxSerial.so

Кроме того, нужно скомандовать:

{{Врезка|Содержание=[[Изображение:LXF132_109_1.jpg|300px]] ''Catenary'' отображает пользователю информацию в таком «минималистичном» виде.|Ширина=300px}}

rm ./lib/RXTXcomm.jar
ln -s /usr/share/java/RXTXcomm.jar ./lib/RXTXcomm.jar

В процессе написания статьи я обнаружил, что данные передавались на плату, но не влияли на состояние выходов. Несколько часов поисков показали, что дело еще в одной библиотеке. Возьмите файл '''processing-arduino-0017.zip''' с LXFDVD и замените библиотеку в '''/Catenary/application.linux/lib''' на содержащуюся в архиве ('''/arduino/library/Arduino.jar'''), не забыв назвать ее с маленькой буквы. Это может и не потребоваться; но предупрежден – значит, вооружен.

Наконец, появится окно, изображенное выше. Первый слева голубой квадрат – цифровой контакт 2, последний – 13. Серыми квадратиками обозначены аналоговые контакты 0–5 (в нумерации ''Scratch'' – 14–19).

Теперь вернитесь к ''Scratch'' и попробуйте запустить проект. Если все пойдет нормально, вы увидите мигающий светодиод.

Разберем, как устроена программа. Второй персонаж (''Catenary'') нужен для обеспечения работы переменных, и трогать его не нужно. Программа пишется в спрайте «кота». Все передаваемые команды начинаются с '''^'''. Сперва идут блоки инициализации платы – задания порта ('''^arduinoPort''') и сброса состояния ('''^reset''').

[[Изображение:LXF132_109_2.jpg]]

Далее мы переключаем цифровой контакт 13 на вывод ('''^pinMode 13 output''').

[[Изображение:LXF132_109_3.jpg]]

После этого начинаем мигать светодиодом, переводя состояние цифрового канала из выключенного ('''low''') в включенное ('''high''').

[[Изображение:LXF132_109_4.jpg]]

Ниже приведена модификация программы, передающая азбукой Морзе сигнал SOS (три коротких, три длинных, три коротких). Чтобы добавить новый текст в блок '''Передать''', щелкните на стрелочке сбоку, выберите '''Новый''', и введите нужный текст.

{{Врезка|Заголовок=Скорая помощь|Содержание=После нажатия кнопки сброса на плате и других подобных дейст вий нужно действовать по алгоритму:
# Подключить Arduino и залить прошивку.
# Запустить ''Scratch'', включить связь с сенсорами и написать программу.
# Запустить ''Catenary''.
# Запустить программу в ''Scratch''.|Ширина=300px}}

[[Изображение:LXF132_109_5.jpg]]

===Подробнее о ''Scratch''===

Если вы ранее не сталкивались со ''Scratch'', вам стоит познакомиться с ним поближе. Это новая среда программирования, которая позволяет детям создавать собственные анимированные и интерактивные истории, игры и другие произведения. ''Scratch'' базируется на традициях языка ''Лого'' и написан на ''Squeak''. В среде ''Scratch'' используется метафора кирпичиков Лего, собирать из которых простейшие конструкции могут даже самые маленькие дети. Но, начав с малого, можно развивать и расширять свое умение строить и программировать. ''Scratch'' создавался специально для того, что бы подростки 10–16 лет использовали его самостоятельно в сети внешкольного обучения.

На самом деле это больше, чем среда программирования – это инструмент создания интерактивных мультфильмов, музыки, игр, историй, которыми можно поделиться с другими. Дети могут завести себе учетную запись на сайте проекта http://scratch.mit.edu/ и получать/давать доступ к своим проектам из любой точки земного шара. Наличие специального модуля позволяет встраивать проекты ''Scratch'' в любой web-сайт (требуется ''Java''), поэтому он может в какой-то мере служить заменой Flash. Вы можете найти больше инфор
мации по ''Scratch'' на таких сайтах, как http://scratched.media.mit.edu, http://letopisi.ru, http://ru-scarystories.blogspot.com.

===Arduino и его родственники===

'''LXF''' уделял Arduino немало внимания (см. номера [[LXF100:Arduino|100–101]] и [[LXF103:Arduino|103–106]] на http://wiki.linuxformat.ru), поэтому мы остановимся на том, где найти эти устройства в России и как получить помощь на родном языке. Оригинальные платы Arduino появляются (по мере поступления) в интернет-магазине ГНУ/Линуксцентра (http://www.linuxcenter.ru). Существуют два других проекта, выпускающих свои Arduino-совместимые платы: Robocraft (http://robocraft.ru/) и Freeduino (http://freeduino.ru/). На их сайтах проектов можно найти много полезной информации по работе с платой.

===Не только выход===

Но ''Catenary'' позволяет не только управлять цифровыми выходами – вы также можете изменять состояние аналоговых контактов и получать информацию с цифровых и аналоговых входов, то есть подключать внешние датчики.

Попробуем смоделировать двухрежимный светофор: изначально он будет работать как обычный (красный/желтый/зеленый), а по нажатию кнопки – переходить в режим мигающего желтого и обратно.

{Врезка|Содержание=[[Изображение:LXF132_110_1.jpg|300px]] Принципиальная схема нашего светофора.|Ширина=300px}}

Соберите схему, как показано на рисунке (резисторы нужны для устранения дребезга контактов и ограничения тока на светодиодах). После этого создайте нижеследующий программный код, взяв за основу предыдущий проект. Помните, что персонаж ''Catenary'' жизненно необходим, и удалять его нельзя.

Разберем алгоритм, который мы применили при создании модели. После инициализации задаются режимы ('''^pinMode''') контактов: мы будем использовать цифровые контакты 10, 11 и 12 для управления светодиодами (зеленым, желтым и красным, соответственно) и цифровой контакт под номером 2 как вход кнопки.

[[Изображение:LXF132_110_2.jpg]]

Считывание данных с кнопки происходит через сенсор '''Pin2'''. Если его нет в выпадающем списке сенсоров (синяя вкладка '''Сенсоры'''), запустите только что набранный код. Как только сенсор фиксирует нажатие, мы изменяем состояние '''state''' на противоположное.

[[Изображение:LXF132_110_3.jpg]]

После старта мы входим в бесконечный цикл, в котором, в зависимости от значения переменной '''state''', реализуем или дневной режим светофора ('''state = 0''') или ночной («мигалка» – '''state = 1''').

{{Врезка|Содержание=[[Изображение:LXF132_111_1.jpg|300px]] Наш светофор не только умеет мигать в двух режимах, но и позволяет переключать их кнопкой на нашей импровизированной ScrAtchrDuinoBoard.|Ширина=300px}}

[[Изображение:LXF132_110_4.jpg]]

Три переменных ('''green''', '''red''' и '''yellow''') определяют, включен ли светодиод соответствующего цвета. Три блока, в зависимости от значения переменных, передают на плату соответствующие уровни для цифровых контактов ('''high''' и '''low''').

[[Изображение:LXF132_111_2.jpg]]

Вы можете красиво оформить данную модель, сделав реальный светофор, а также доработать программу, обеспечив правильное переключение света – то есть добавив возможность одновременного включения красного и желтого перед зеленым и наоборот. Также можно поэкспериментировать и с задержками сигналов светофора.

===Плата для ''Scratch''===

Это все, конечно, интересно, но сложновато для школьников 5–6 класса. А можно ли придумать что-то подобное и для них? Да, если потрудиться и собрать на основе Arduino так называемый ''ScratchBoard''. В оригинале это плата ''PicoBoard'', разработанная специально для использования со ''Scratch'' и имеющая в нем встроенную поддержку со стороны блоков программирования (http://info.scratch.mit.edu/Sensor_Boards). Проблема в том, что ''ScratchBoard'' нужно заказывать из-за рубежа (хотя цена его – не более $50); но с помощью Arduino мы сделаем подобную плату сами. По адресу http://scratch.mit.edu/forums/viewtopic.php?id=28188 можно найти различные варианты реализации и советы. Воспользуемся одним из них: http://www.yengawa.com/scratch_arduino.

Для начала, реализуем не все функции (это тема для отдельной статьи – напишите нам на [mailto:letters@linuxformat.ru letters@linuxformat.ru], если такой материал представляет интерес). Мы воспользуемся кнопкой от предыдущего проекта. Позже можно будет добавить датчики освещения, звука, ползунковый резистор и четыре резистивных входа.

Собрав все вместе и подключив к плате, нужно запустить ''Arduino IDE'' и залить в устройство прошивку эмулятора, которую можно найти по адресу http://www.yengawa.com/sites/default/files/uploads/ScratchBoard.pde или на '''LXFDVD'''.

Далее, запустите ''Scratch'' и, щелкнув правой кнопкой мыши по блоку '''Значение сенсора''' в синей вкладке '''Сенсоры''', выберите '''Показать данные ScratchBoard'''. Затем щелкните правой кнопкой по блоку, возникшему в окне отображения, и выберите порт, к которому подключена ваша плата. Теперь можете проверить, изменяются ли значения сенсоров при взаимодействии с ними. Если все работает, то можно приступать к программированию (блок можно просто скрыть). У вас может возникнуть проблема с доступом к порту, поэтому если после подключения платы ничего не поменялось, дайте в терминале от имени root команду

chown user /dev/ttyUSB0

где '''user''' – ваш пользователь, а '''/dev/ttyUSB0''' – порт, к которому подключена плата Arduino.

Теперь можно протестировать нашу видоизмененную программу модели светофора, но уже с использованием возможностей нашей «ScratchBoard» и без реальных светодиодов.

Графический текст программы вы можете найти на '''LXFDVD''' (файл '''ScratchBoard_svetofor.pdf''') или (наряду с другими программами) по адресу http://wiki.edumandriva.ru/wiki/index.php/Arduino.

Мы рассмотрели только самые основные моменты использования связки ''Scratch–Arduino''. «За бортом» остались управление двигателями, использование сенсоров, снятие показаний с датчиков и другие не менее интересные вещи. Напишите нам или оставьте сообщение на форуме HTTP://forum.linuxformat.ru, если данная тема вам интересна и ее стоит развивать.

@@ Строка 87: / Строка 87: @@
 ===Arduino и его родственники===
-'''LXF''' уделял Arduino немало внимания (см. номера [[LXF100:Arduino|100–101]] и [[LXF103:Arduino|103–106]] на http://wiki.linuxformat.ru), поэтому мы остановимся на том, где найти эти устройства в России и как получить помощь на родном языке. Оригинальные платы Arduino появляются (по мере поступления) в интернет-магазине ГНУ/Линуксцентра (http://www.linuxcenter.ru). Существуют два других проекта, выпускающих свои Arduino-совместимые платы: Robocraft (http://robocraft.ru/) и Freeduino (http://freeduino.ru/). На их сайтах проектов можно найти много полезной информации по работе с платой.
+'''LXF''' уделял Arduino немало внимания (см. номера [[LXF100-101:Arduino|100–101]] и [[LXF103:Arduino|103–106]] на http://wiki.linuxformat.ru), поэтому мы остановимся на том, где найти эти устройства в России и как получить помощь на родном языке. Оригинальные платы Arduino появляются (по мере поступления) в интернет-магазине ГНУ/Линуксцентра (http://www.linuxcenter.ru). Существуют два других проекта, выпускающих свои Arduino-совместимые платы: Robocraft (http://robocraft.ru/) и Freeduino (http://freeduino.ru/). На их сайтах проектов можно найти много полезной информации по работе с платой.
 ===Не только выход===

LXF132:School1 - История изменений

2sash-kan: /* Arduino и его родственники */

Crazy Rebel: викификация, оформление, иллюстрация