PUMA II Haus-Automatisierung mit S4A, Picoboard und Arduino

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1 Prof. Dr. Eckart Modrow, StD Dr. Kerstin Strecker, StR' Max-Planck Gymnasium Theaterplatz Göttingen PUMA II Haus-Automatisierung mit S4A, Picoboard und Arduino 1. Programmierung technischer Systeme In dieser Arbeit beschäftigen wir uns mit der technischen Realisierung eines Unterrichtskonzepts, welches für alle Schülerinnen und Schüler der Sekundarstufe I im Themenbereich Algorithmik angesiedelt ist und detailliert in der Arbeit Informatik für alle - wie viel Programmierung braucht der Mensch? 1 nachzulesen ist. Will man alle Schülerinnen und Schüler einer Klasse gewinnbringend in Informatik unterrichten, dann muss der Unterricht einen hohen Allgemeinbildungswert haben, weil gerade die Schülerinnen und Schüler, die sich in der Oberstufe oder im zukünftigen Berufsleben nicht mit Informatik beschäftigen werden, in der Mehrzahl sind. Wir entnehmen Witten2, der Heymanns3 Anforderungskatalog an allgemeinbildenden Unterricht auf die Informatik bezogen hat: Es ist daher Aufgabe einer Weltorientierung durch informatische Bildung, die Informationstechnik in den alltäglichen Anwendungen sichtbar und verstehbar zu machen. (s. 2) Informationstechnik im Alltag der Schülerinnen und Schüler reicht vom eigenen MP3-Player über die hauseigene Waschmaschine, Trockner und Videorekorder den Strichcodescanner im Supermarkt zur elektrischen Zahnbürste oder dem Blutdruckmessgerät des Großvaters. All diese Systeme haben eine Gemeinsamkeit: Sie besitzen Sensoren in Form von Tastern oder Schaltern z. B. in der Zahnbürste, Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren im Wäschetrockner, Druck- und Geräuschsensoren im Blutdruckmessgerät oder auch Lichtsensoren im Strichcodescanner. Die Sensoren sind black boxes und liefern dem technischen System die Eingabedaten. Weiterhin finden wir eine Reihe von Aktoren. Da sind Gebläse z. B. in der Manschette des Blutdruckmessgerätes, Motoren im Trockner oder der Zahnbürste, Lampen oder Summer und vieles mehr. Die Ansteuerung dieser Aktoren wird durch die Ausgabedaten festgelegt Zugriff: Helmut Witten: Allgemeinbildender Informatikunterricht? Ein neuer Blick auf H.W. Heymanns Aufgaben allgemeinbildender Schulen, in: Peter Hubwieser (Hrsg.): Informatische Fachkonzepte im Unterricht, INFOS 2003, 10. GI-Fachtagung Informatik und Schule, GI-Lecture Notes Hans Werner Heymann: Allgemeinbildung und Mathematik, Beltz Verlag, 1996

2 ? Sensoren erzeugen Eingabedaten Aktoren werden gesteuert durch Ausgabedaten Programmierung Beschränkt man sich in einer Unterrichtseinheit Programmierung auf eine Rekonstruktion technischer Geräte, dann bietet das für die Schülerinnen und Schüler einige wichtige Vorteile: Neben dem Bezug zur technischen Lebenswelt der Schülerinnen und Schüler haben wir insbesondere eine klare Trennung von Ein- und Ausgaben. Ein Summer kann keine Werte, also Eingabedaten, aufnehmen, so wie ein Feuchtigkeitssensor keine Aktion auslösen kann. Sensoren liefern Eingabedaten zum Rechner. Dort müssen Verknüpfungen stattfinden und Ausgabedaten erzeugt werden, die wiederum extern reale Aktoren ansteuern. Bleibt man z. B. in Java, dann kann ein Textfeld der GUI unterschiedliche Funktionen haben. Es kann den Benutzer zu Eingaben auffordern, Ausgabefeld sein oder sogar Gegenstand der Modifizierung. Der größte Vorteil aber besteht darin, dass sich die Programmstruktur imperativer Programme bei der Beschränkung auf technische Systeme stark vereinfacht: Bedingungen, wie sie im Kopf einer Schleife oder einer Alternative vorkommen, bestehen grundsätzlich aus dem Über- bzw. Unterschreiten eines Sensorwertes. Vielleicht auch noch in Kombination mit dem Wert einer Variable, aber immer in Bezug zu den Sensoren. Elementare Anweisungen hingegen steuern immer Aktoren an, setzen eventuell noch Variablen auf geeignete Werte, haben ansonsten aber immer einen Bezug zu den Aktoren. 2. Die Wahl der Programmiersprache Mit der Idee, einen Unterricht für alle Schülerinnen und Schüler zu gestalten, also auch Schülerinnen und Schülern, denen der analytische Zugang zur Programmierung sehr schwer fällt und einem schüleraktivem Unterricht, der eine systematische Einführung in die Programmierung entbehrlich macht, treten Sprachen und Lernumgebungen in den Vordergrund, die neben dem analytischen auch einen experimentellen Zugang ermöglichen. Entgegen der üblichen Verwendung des Begriffs Programmierung, die auch eine gewisse Form der Modellierung, z. B. durch das objektorientierte Konzept, beinhaltet, wollen wir uns hier auf die Tätigkeit der Systemkonfiguration beschränken. Unsere technischen Systeme sind intuitiv zu erfassen und erfordern keinerlei Modellierung. Die Aktoren und Sensoren sind schnell identifiziert. Das System aus Sensoren und Aktoren muss nun nur entsprechend des geforderten Ziels konfiguriert werden. Um den experimentellen Zugang zu ermöglichen, fordern wir somit Sprachen, in denen keine Syntaxfehler produziert werden können (z. B. graphische Sprachen), ein Programm also immer lauffähig ist und dessen Befehle als Werkzeugkasten vorliegen und von den Schülerinnen und Schülern im Baukastensystem zusammengesetzt werden können (z. B. scratch). Wir fordern Sprachen, die aus wenigen elementaren Anweisungen bestehen, wobei jede beliebige Kombination von Anweisungen wieder zu einem lauffähigen, wenn aus nicht unbedingt logisch korrektem Programm führt. Führt jede beliebige Kombination von Anweisungen zu einem lauffähigen Programm, dann können die Schülerinnen und Schüler ein Stück weit experimentell vorgehen, Befehle zusammensetzen, beobachten was passiert und wie sich das ausführbare Programm verhält. Dann können sie aus ihren Beobachtungen Rückschlüsse auf die Semantik ihres Programms ziehen und sich so Konstrukte erarbeiten.

3 Die Kombination solcher Sprachen mit der Konfiguration technischer Systemen zur Darstellung der Funktionalität, meinen wir, wenn wir von Systemkonfiguration sprechen. Das ist z. B. mit dem vellemann-board4 und dem USBomat5 möglich. 3. PuMa, das Konzept PUMA steht für Puppenhaus-Hausautomation. Wir haben im Unterricht ein Puppenhaus der Firma playmobil verwendet und mit Sensoren (Lichtsensor, Schalter, Drucksensor, Temperatursensor) und Aktoren (Motor, Summer, Glühlampe) ausgestattet. Eine Realisierung zeigt das nächste Kapitel. Die Schülerinnen und Schüler haben jeweils zu viert ein playmobil-haus konfiguriert. Eine Tür, die sich nach dem Klingeln öffnet und nach einiger Zeit, wenn die Bewohner im Haus sind, wieder automatisch schließt. Einen Deckenventilator, der an geht, wenn es zu heiß wird. Eine Markise, die man automatisch rein- und ausfahren kann. Lampen im Haus, die angehen, wenn es draußen zu dunkel wird, oder eine Alarmanlage, die ein akustisches Signal gibt, wenn ein Dieb die Treppe hoch geht, allerdings nicht, wenn dies ein Bewohner tut, der die Alarmanlage an- und ausschalten kann. Das angegebene Programm steuert einen Motor, der die Tür bewegen (auf- und zumachen) kann. Das geschieht hier mit dem Picoboard-Regler. (Näheres in Kapitel 4) Zugriff: Zugriff:

4 Dass eine solche Einheit bewirkt, dass Schülerinnen und Schüler dies auf technische Systeme ihrer Lebenswelt übertragen können, die nicht Thema des Unterrichts waren, und so in der Lage sind, die Funktionalität technischer Systeme ein bisschen besser zu verstehen, zeigt die Arbeit unter Systemkonfiguration mit Picoboard und Arduino Die Systemkonfiguration erfordert also Schnittstellen zur realen Welt, je jünger die Lernenden sind, desto deutlicher auch optisch sichtbar getrennt. S ens orboard Aktorboard Computer mit P rogramm Vor allem sollte der Schwerpunkt der Arbeit im informatischen Bereich bleiben, eben bei der Systemkonfiguration, und sich nicht auf technische bzw. physikalische Probleme etwa bei der Ansteuerung der Sensoren verlagern. Bei den Aktoren ist das fast selbstverständlich sie erfordern meist nur die Ausgabe geeigneter Spannungswerte, bei den Sensoren aber durchaus nicht. Misst man z. B. Spannungen mit einem traditionellen Interface, dann müssen die Sensoren einer Spannungsmessung zugänglich gemacht werden, am einfachsten über eine Spannungsteilerschaltung. Wir betrachten dazu einen lichtabhängigen Widerstand (LED), dessen momentanen Widerstandswert wir bestimmen wollen. Dafür brauchen wir zusätzlich einen weiteren Vorwiderstand R, eine Spannungsquelle und natürlich Leitungen. zum S ens orboard ULE D R LE D R RLED = U LED R U gesamt U LED U g es amt Wir benötigen aber auch das physikalische Wissen zur Bestimmung des Widerstandes aus den Spannungswerten z. B. nach der angegebenen Formel, und dann natürlich eine Zuordnung der Widerstandswerte zur gemessenen Größe, tabellarisch oder als Eichkurve. Man sollte diesen Weg im Informatikunterricht nur dann gehen, wenn man den physikalischen Hintergrund wirklich thematisieren will. Zum Glück hat sich gerade auf dem Gebiet der Messwerterfassung in den letzten Jahren viel getan. Angefangen von den LEGO-Robotern6, die Sensor- und Aktorbuchsen deutlich getrennt halten und die Sensorwerte direkt ausgeben, über die LEGO-WeDo-Teile7 (ein Satz besteht aus dem USB-Port, einem einfachen Motor sowie einem Kipp- und einem Entfernungssensor) über das PicoSensorboard8 zum Arduino-Microcontrollerboard9 ist preiswerte und einfach handhabbare Technik auf den Markt. Auf die letzten beiden Systeme wollen wir hier genauer eingehen. Die Technik alleine macht es ja nicht: wir benötigen als Bindeglied immer Software, die einen einfachen Zugriff auf die Technik erlaubt. Erst dann kann in dieser Softwareumgebung die Konfiguration der technischen Komponenten erfolgen. Wir wollen uns hier auf das hinreichend bekannte MIT-Produkt Scratch10 und eine Variante davon aus Spanien beschränken z. B. unter Zugriff: z. B. unter Zugriff: Zugriff: Zugriff: Zugriff:

5 Scratch beinhaltet schon Komponenten zur Ansteuerung der LEGO-WeDo-Teile schön getrennt nach Sensoren (unter Fühlen ) und Aktoren (unter Bewegung, wenn man die Motorbausteine anzeigen lässt). Verbindet man den USB-Hub mit dem Computer, dann erkennt Scratch die angeschlossenen WeDo-Teile automatisch, die Installation eines Treibers ist nicht erforderlich. Das Sensormenü enthält aber mehr als die zwei WeDo-Sensoren für Neigung und Entfernung. Wo findet man die anderen? Die Firma Playfulinvention aus Kanada hat für Scratch ein Sensorboard entwickelt, das schon Sensoren für Licht und Schall enthält, dazu einen Schieberegler und einen Schalter. Vor allem aber enthält das Board vier Eingänge, über die die Widerstände der dort angeschlossenen Teile gemessen werden, und das können die üblichen Sensoren für Licht (LED), Temperatur (NTC), Druck oder sonst etwas sein, deren Preise meist im Cent-Bereich liegen. Da der Widerstand direkt gemessen wird, entfällt die oben angegebene Schaltung komplett. Die Kontakte erfolgen über mitgelieferte Kabel mit Krokodilklemmen. Die Installation eines Treibers ist für das Picoboard erforderlich. Die Beschreibung der Installation sowie die erforderlichen Treiber selbst sind unter 8) zu finden. Ist der Treiber installiert, verbindet man das Board mit einem USB-Port, startet Scratch und lässt sich den Wert des Regler-Sensors auf dem Bildschirm anzeigen (s.u.). Schiebt man den Regler etwa in die Mitte, dann zeigt Scratch nach einigem Warten einen Wert um die Fünfzig an. Alle Widerstandswerte werden von Scratch automatisch auf einen Bereich von Null bis Hundert skaliert und lassen sich durch Anklicken einer Checkbox neben dem Sensor direkt auf dem Bildschirm anzeigen. Da der Wertebereich der grafischen Auflösung der Bühne von Scratch entspricht, kann man Messkurven ohne Umrechnung direkt ausgeben.

6 Beispiel: Picoboard und Drucksensorkurve, dazu das Skript. Mit dem Picoboard und Scratch lässt sich die Eingabeseite der Systemkonfiguration hard- wie softwareseitig einfach und elegant realisieren. Die erzeugten Systeme sind technisch, ohne dass die Technik dominiert. Als Zugang zur Technik ist solch eine Möglichkeit für Anfänger/innen fast ideal. Es fehlt noch die Ausgabeseite. Seit wenigen Jahren gibt es im Bereich der OpenSource-Hardware die Arduino-Boards mit AtmelMikrocontrollern und einer relativ einfachen Entwicklungsumgebung für eine C-artige Sprache. Die Boards sind sehr preiswert (um 20 ), werden an die USB-Schnittstelle angeschlossen und sind in der Lage, ohne zusätzliche Stromversorgung drei bis vier Servomotoren zu betreiben, daneben Lampen, Piezopieper und andere Geräte. Da Servomotoren sehr viel kräftiger als einfache Gleichstrommotoren wie z. B. die von LEGO-WeDo sind, eignet sich der Arduino als Aktorboard. Servomotoren haben drei Anschlüsse: zwei zur Stromversorgung und einen dritten zur Steuerung. Diese erfolgt über eine Pulsweitenmodulation (PWM), wobei die Pulsweiten im niedrigen Millisekundenbereich (<= 20 ms) liegen. Solche Pulsfolgen lassen sich über eine USB-Schnittstelle schwer erzeugen. Obwohl der Arduino auch digitale und analoge Werte lesen und ausgeben kann, also ein volles Interface darstellt, beschränken wir uns hier auf die Erzeugung der benötigten Pulsfolgen sowie die Spannungsversorgung von Servomotoren. Dem Arduino wird nur mitgeteilt, welche Pulsfolgen an welchem Ausgang vorliegen sollen. Die dafür erforderlichen Aktionen werden dann vom Mikrocontroller des Boards (hier: ein ATmega168) erledigt. Es gibt zwei Arten von Servomotoren: solche, die sich drehen (continuous rotation servos) und

7 solche, die sich auf einen bestimmten Winkel z. B. zwischen 0 und 180 Grad einstellen lassen (standard servos). Eine Gruppe um Marina Conde und Victor Casado aus Barcelona hat Scratch so modifiziert, dass sich das Arduino-Board und somit beide Motortypen ansteuern lassen. Das Ergebnis heißt Scratch for Arduino (S4A)11. Geschickterweise wird der Picoboardtreiber dafür benutzt. Damit ist keine zweite Treiberinstallation erforderlich und der Arduino lässt sich zusammen mit dem Picoboard betreiben. Die Kommunikation zwischen S4A und dem Arduino erfolgt mithilfe einer Firmware, die vor der ersten Benutzung einmal mithilfe der Arduino-Entwicklungsumgebung auf den Mikrocontroller übertragen werden muss. Sie liegt im Klartext auf 8) vor und kann bei Bedarf modifiziert werden. Da S4A als Smalltalk-System ebenso wie Scratch nicht installiert werden muss, kann das System von jeder Datenquelle aus direkt gestartet werden. Als Aktoren können über S4A angeschlossen werden: drei einfache Geräte, die eine Spannungsversorgung von 5 V benötigen, an den Pins 10, 11, 13. drei einfache Geräte, die eine Spannungsversorgung zwischen 0 und 5 V benötigen, an die Pins 5, 6, 9. zwei Standard-Servos an die Pins 8 und 12 mit einer zusätzlichen Stromversorgung über die dafür vorgesehen Pins. zwei Continuous-Rotation-Servos an die Pins 4 und 7 mit einer zusätzlichen Stromversorgung über die dafür vorgesehen Pins. Ob der Arduino die erforderlichen Stromstärken liefern kann, hängt natürlich von der Art der angeschlossenen Geräte ab. Der Anschluss der Aktoren erfolgt über Standard-Steckerleisten, in die sich notfalls Drähte direkt einführen lassen. Wesentlich besser ist es, an Litzen Stecker anzulöten, die man von 2,54-mmStiftleisten abklemmt, die bei jedem Elektronikversand für ein paar Cent zu erstehen sind. Versieht man das andere Ende der Litze mit einem Miniatur-Bananenstecker, dann lassen sich die Anschlussleitungen geeignet und lang genug verlegen. Für die Stromversorgung sollte man Doppellitzen nehmen, das reduziert die Kabelzahl pro Servo auf zwei. Was kann man mit der Kombination aus Picoboard, S4A und Arduino anfangen? Wie unter Scratch lassen sich beliebige Sensorwerte erfassen, solange sie zu einer Widerstandsänderung führen. Die Auswertung erfolgt mit S4A, das dann die benötigten Ausgaben für die angeschlossenen Aktoren erzeugt. Als Beispiel wollen wir den Winkel eines Standardservos an Pin 8 mit dem Picoboard-Regler zwischen 0 und 180 Grad einstellen: 11 Zugriff:

8 5. Fazit Mit den automatisierten Puppenhäusern, ihren Sensoren, Aktoren, S4A, dem Picoboard und den Arduinos und den vielfältigen kreativen Ideen in den Köpfen der Schülerinnen und Schüler haben wie ein Lernarrangement in dem nicht nur der Einstieg in die Programmierung gelingen kann, sondern auch ein Verständnis für die Funktionsweise technischer Systeme erzielt wird.