Thementage Roboter

Hybrid Learning Center (HyLeC)

gefördert durch: Stiftung Innovation in der Hochschullehre

CC BY-SA 4.0

🚀 by Decker

Los geht´s mit der Idee

Roboter im HyLeC – Von Art bis Zocken

Schließe Dich einem Team an:

Baue Deine eigene Smarte Alarmanlage

Lernziele

Studierende können…

einen einfachen Mikrocontroller einsetzen, den Nutzen diskutieren und begründen wofür und warum der Einsatz Sinn macht.
die Funktion von mehreren Sensoren und Aktoren beschreiben und diese gezielt ansteuern
eine einfache Schaltung mit mehreren Sensoren und Aktoren aufbauen und ansteuern
ein kleines Programm in C++ und / oder Python programmieren
mit Hilfe eines Mikrocontrollern und mehreren Sensoren eine smartes Devise aus dem Alltag herstellen

Lerninhalt/Handlung Idee „Die smarte Alarmanlage – Raspberry vs. Arduino“

Entwicklungs-Sets von Arduino
Entwicklungs-Koffer von Raspberry
Weitere Materialien und Vorschläge zum selbständigen Arbeiten
Beispiel: Rollladensteuerung

Nachmittag gemeinsames Arbeiten an Alarmanlage

Ankündigung

„Die smarte Alarmanlage – Raspberry vs. Arduino“
Thementag zum Ausprobieren, selber Bauen und Austauschen

Team Raspberry vs. Team Arduino

Vormittags ( einfach rein kommen, 9 - 12 Uhr) könnt Ihr Euch einen Überblick über unsere Materialien im HyLeC zum Thema „Microcontroller“ verschaffen. Fokus liegt dabei auf dem Raspberry Pi und dem Arduino. Verschiedene Boards, Sensoren und Aktoren laden zum Kennenlernen, Ausprobieren und gemeinsamen Austauschen ein.

Am Nachmittag (feste Startzeit, 13 - 16 Uhr) wollen wir in 2 Teams eine kleine smarte Alarmanlage aufbauen und selber Programmieren. Als Funktion soll eine akustische und visuelle Benachrichtigung auf eine Bewegung erfolgen. Eure Kreativität ist gefragt! Dabei unterstützen wir Euch natürlich je nach Vorwissen Schritt für Schritt! Bei der Umsetzung treten Team Raspberry gegen Team Arduino an und wir schauen uns den Unterschied der Boards und der Programmiersprachen an. Vorkenntnisse sind nicht notwendig!

Folien

Ablauf

Vorstellung und Erwartungen
Besprechung der Lernziele
Theoretische Grundlagen
Einführung Raspberry
Einführung Arduino
Umsetzung einer Smarten Alarmanlage
Abschluss und Feedback

Vorstellungsrunde

Wer bist Du?
Was studierst Du?
Wie hast du von dem Thementag erfahren?
Was sind Deine Erfahrungen mit Mikrocontrollern?
Welche Erwartungen/Wünsche hast Du zum heutigen Tag?

Nach diesem Tag kannst Du

…einen einfachen Mikrocontroller einsetzen
…eine einfache Schaltung mit mehreren Sensoren und Aktoren aufbauen und ansteuern
…ein kleines Programm in C++ und / oder Python programmieren
…mit Hilfe eines Mikrocontrollers und mehreren Sensoren ein smartes Device aus dem Alltag herstellen

Vom Mikroprozessor zum Mikrocontroller?

Mikroprozessor ist die Recheneinheit (CPU) integrierter Schaltkreis (IC) Meist von ARM limited
Peripherie macht den IC zum Mikrocontroller Halbleiterchips NXP, STM, Texas Instruments

Mikrocontroller: Kinderschuhe

micro:bit : BBC, einige IT-Firmen und die britische Regierung entwickelten eine kindgerechte Mikrocontroller-Plattform
Calliope Mini: vom deutschen Bundestag gefördert
Fokus auf Löten und Zusammenbau legt der B∙O∙B∙3.

Was sind Einplatinencomputer?

sämtliche zum Betrieb nötigen elektronischen Komponenten auf einer einzigen Leiterplatte zusammengefasst
Netzteil als einzige Komponente teilweise separat
Industrienutzung: Mess-, Steuer- und Regelungstechnik
Private Nutzung: Mediacenter, Heim-Server, als Schulrechner oder als Experimentiergerät

Arduino - Vorteile

Anschluss analoger Sensoren, Motoren und weiterer Komponenten sehr einfach
schnell und kostengünstig erweiterbar durch diverse Shields
sehr schnelle Inbetriebnahme
geringer Preis und kein Zubehör zum Start notwendig
Quelloffene Software und Hardware
plattformübergreifende Entwicklungsumgebung mit vielen Bibliotheken

Arduino - Nachteile

kein Multitasking und langsamer Prozessor
hohe Lernkurve, durch die Programmierung mit C/C++

Raspberry Pi - Vorteile

schneller und multitaskingfähiger Prozessor
Ethernet, Wlan und Bluetooth bereits integriert
leichter Wechsel des Betriebssystems möglich
Viele Anschlussmöglichkeiten: Audio- und HDMI Ausgang, USB, Kamera
einfacher Einstieg durch vorinstallierte Lernsoftware
besonders für Online- bzw. Netzwerk-Projekte geeignet

Raspberry Pi - Nachteile

zeitintensivere Inbetriebnahme durch die initiale Installation des Betriebssystems
weitere Komponenten benötigt: Netzteil, SD Karte, HDMI-Kabel, etc.
Nachinstallation weiterer Programme nötig für viele Projekte
teurer im Vergleich zum Arduino

Programmierung von Mikrocontrollern 1

Mikrocontroller führen wie „große“ Computer Programme aus
Für jeden Controller und Einsatzzweck wird ein spezifisches Programm benötigt (Egal ob „Hello World“ oder eine blinkende LED)
Interaktion wie Tasteneingaben, Auslesen von Sensoren und Kommunikation mit angeschlossenen Geräten

Programmierung von Mikrocontrollern 2

C++ oder Phython? 1

C++ oder Phython? 2

Aufgabe - Smarte Alarmanlage

Wir wollen in 2 Teams eine kleine smarte Alarmanlage aufbauen und selber Programmieren. Als Funktion soll eine akustische und visuelle Benachrichtigung auf eine Bewegung erfolgen. Eure Kreativität ist gefragt! Bei der Umsetzung treten Team Raspberry gegen Team Arduino an.

Durch die Betätigung eines oder zweier Sensoren wird der Alarm ausgelöst. Dieser Äußert sich sowohl durch einen akustisches wie auch ein visuelle Signal. Der Alarm sollte mittels Taster ausgeschaltet werden können.

Sektoren

images/Sensoren.jpg — Bild: Sensoren
CC0

Aktoren

Raspberry Entwicklungskoffer JoyPi

Sensoren

Aktoren

Ultraschall 13
Vibrationsmodul 8
Bewegungsensor 12
Touchsensor 19

Piezzo 10
Display 4
Taster 23

Tipps zum Vorgehen

Plattform wählen und Programmierumgebung schaffen
Auswahl der Sensoren und Aktoren
Technische Details der Plattform, Sensoren und Aktoren ermitteln
Planung - Logische / Elektrische Schaltung
Programmierbeispiele nutzen
Ausprobieren
Umsetzen

Abschluss und Feedback

Wie ist es Dir ergangen?

Literatur/Empfehlungen

Protokoll vom 13.12.2023

So lief der Thementag ab

Vormittags

Erste Schritte zum Programmieren:
Blockly - Open Roberta: Mikro Controller mit Blockli programmieren (Verweis auf Microsoft, wo noch mehr Funktionen möglich sind)

Erste Programmerklärung: Puzzlefunktion, Reihenfolge von oben nach unten, verschiedene Elemente (Farblich unterscheidbar)
Einfache Erläuterung von Schleifen („Wenn – Dann“) – Programmierlogik
Erste Elemente werden zusammengesetzt. Bsp: Wenn (Kontrolle) Taste A (Sensoren) gedrückt, spiele ganzen Ton c (Aktion)
Start des Programms: Ton wird als Dauerton abgespielt. Lerneffekt: Wenn man den Befehl erteilt, muss man weiter denken – Stoppbefehl einbauen!
Interpreter erklären. Compilieren von Programmen -> Programme laufen in einer bestimmten Reihenfolge ab und wenn z.B. Eine „Wenn“-Bedingung nicht besteht, läuft der Teil des Programms nicht ab und es ist Ende
Wenn die Bedingung länger geprüft werden soll, muss dafür eine Schleife eingebaut werden

Vormittags

Endlosschleife läuft ewig durch. Um das zu vermeiden, müssen Endbedingungen eingebaut werden („Wenn – Dann – Sonst“ oder andere Möglichkeiten)

-> Fazit: Man muss überlegen, was man erreichen will und wie man das mit Programmieren erreicht.
Dabei gibt es kein richtig oder falsch, sondern verschiedene Wege, um das gleiche zu erreichen.
Einfache Grundprogramme können beliebig komplexer gemacht werden. Programmierschritte ausprobieren und wenn etwas nicht klappt wie geplant, dann kreativ weiter überlegen, wie die Programmierung angepasst werden kann

Aufspielen des Programms auf den echten Micro Bit

Nachmittags

Raspberry vs. Arduino

Erfahrungen werden abgefragt -> Darauf weiter eingehen und anknüpfen (ggf. Sachen einschieben bzw. rauskürzen)
Microcontroller: Warum??
Insgesamt wäre es schön, direkt anwendungsbezogener zu schauen
Entsprechende Micro Controller liegen auch direkt am Tisch und werden gezeigt
Folienreihenfolge einhalten und nicht die Infos schon vorher geben
Pausen und Nachfragen/Diskussion
Lassen sich schon Miniaufgaben integrieren? (Thementag!?) Bspl: „Jeder bekommt in ner Stunde ne LED mal zum blinken“ -> (vor-)machen!
Noch ergänzen: Den Raspberry oder Arduino erklären (Orientierung, Was ist was?, Roter Faden)

Aufgabe: Setzt Euch mit den Sachen auseinander um zum Ziel Alarmanlage zu kommen

Übersicht über die Sensoren
Sensoren auspacken und thematisieren
Überlegen, was gebraucht werden kann, um zur Alarmanlage zu kommen und wofür
Blick in die Papierunterlage: Dort ist auch beschriftet, wie die Sensoren angeschlossen werden
Raspberry/Arduino: Was kommt wo hin?
Zeigen: Raspberry als Übungskoffer mit Sensoren und allem als Set

Ablauf Programmierung

Vor- und Nachteile Programmiersprachen als Handout
Aufgabe Alarmanlage: Gemeinsames Arbeiten am ersten Schritt (Buzzer und Bewegungssensor) -> Ausblick auf die weiteren Schritte, die analog funktionieren, Wenn–Dann–Schleifen etc. führen zum Gesamtprogramm
Ausgewählt wurde der Arduino Koffer
Blick in die Anleitung (Lektion 2: Buzzer)
Wo kann ich meine Programmierung eingeben? -> Thonny
Buzzer Code rein und ausprobieren
Nächster Schritt: Bewegung erkennen -> Lektion 8: Code rein und nachvollziehen
Nächster Schritt: Buzzer mit Bewegungserkennung verknüpfen und Befehl geben: Wenn Bewegung erkannt, dann buzzen

Ergänzung

Bei nicht erfahrenen Gruppen:
Ein System vorgeben und daran arbeiten und ggf. je nach Tempo im Nachgang den Vergleich ziehen und Vor- und Nachteile thematisieren oder die Infos als Selbstlernmaterial geben
Bei erfahrenen und entsprechend großen Gruppen:
Wettbewerb zwischen den beiden Systemen

images/by-sa.jpg

Thementage “Roboter” von HyLeC - TU Dortmund. Dieses Werk und dessen Inhalte sind – sofern nicht anders angegeben – lizenziert unter CC BY-SA 4.0. Ausgenommen aus der Lizenz sind die verwendeten Logos.

Der Lizenzvertrag ist hier abrufbar: https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/deed.de

Das Werk ist online verfügbar unter: https://hylec.tu-dortmund.de/