Журнал LinuxFormat - перейти на главную

LXF132:School1

Материал из Linuxformat
Версия от 20:09, 3 июля 2014; 2sash-kan (обсуждение | вклад)

(разн.) ← Предыдущая | Текущая версия (разн.) | Следующая → (разн.)
Перейти к: навигация, поиск
Подписка на печатную версию
Весь 2015 год (12 номеров)
Первое полугодие (6 номеров)
Второе полугодие (6 номеров)
Подписка на электронную версию
Весь 2015 год (12 номеров)
Первое полугодие (6 номеров)
Второе полугодие (6 номеров)
Подшивки старых номеров журнала (печатные версии)
Весь 2014 год (12 номеров)
Первое полугодие (6 номеров)
Второе полугодие (6 номеров)
Школа LXF Обмен опытом и передовые идеи по использованию свободного ПО в образовании

Содержание

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.


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: 


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).

LXF132 109 2.jpg

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

LXF132 109 3.jpg

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

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.


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 100–101 и 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=LXF132 110 1.jpg 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.

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.

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).


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).

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 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.

Источник — «http://wiki.linuxformat.ru/wiki/index.php?title=LXF132:School1&oldid=15107»
Персональные инструменты
купить
подписаться
Яндекс.Метрика