BBC MICRO:BIT - Mikropočítač na efektívnu výučbu programovania a robotiky

Zdá sa vám názov BBC Micro povedomý? Máte pravdu. Tento mikropočítač vyrábala v 80. rokoch minulého storočia spoločnosť Acorn Computer pre vzdelávací projekt BBC Computer Literacy Project a využíval sa vo väčšine škôl v Spojenom kráľovstve. Napriek pomerne vysokej cene slúžil aj ako domáci počítač.

Vývoj ide po špirále a dopyt po názorných pomôckach na výučbu programovania pretrváva. Preto bol v roku 2016 vytvorený jednodoskový mikropočítač BBC micro:bit s rozmermi 50 × 40 mm, ktorý je 70-krát menší a 20-krát výkonnejší než pôvodný BBC Micro. Mikropočítač je výsledkom spoločnej iniciatívy širokého spektra súkromných i verejných organizácií s cieľom vytvoriť lacnú edukačnú platformu, ktorú zastrešila britská verejnoprávna televízna spoločnosť BBC. Tá v roku 2016 rozdistribuovala jeden micro:bit každému žiakovi siedmeho ročníka v Spojenom kráľovstve. BBC micro:bit je dostupný, v e-shopoch ho kúpite za menej ako 20 eur a je dosť rozšírený aj u nás. Do niektorých škôl ho distribuovalo občianske združenie SPy (skratka Slovak Python), ktoré pre túto platformu vytvára aj metodické materiály pre učiteľov https://www.ucimeshardverom.sk.

Popis pinov 

Inovatívna koncepcia

Nech vás nemýli konštrukčný formát. Namiesto stolového počítača s klasickou klávesnicou má na výučbu algoritmizácie a programovania pre žiakov slúžiť malá doštička plošných spojov. Má to veľa výhod. Doštička polovičnej veľkosti kreditnej karty sa pohodlne zmestí do vrecka košele a má zanedbateľnú hmotnosť, takže sa dá bez problémov nosiť do školy a domov. Pôvodný Microbit využíval na zobrazovanie televízor, takže sa používal len v školských učebniach. Ďalšia výhoda je univerzálnosť, doska poslúži na výučbu programovania hravou formou, keď žiak môže vytvoriť jednoduchý grafický vzor, naprogramovať dosku ako hraciu kocku, ktorá sa aktivuje potrasením indikovaným akcelerometrom a na maticovom displeji zobrazí náhodnú hodnotu. Možnosť bezdrôtovo prepojiť viac dosiek rozširuje množstvo interaktívnych scenárov, atraktívnych pre žiakov. K dispozícii je aj veľké množstvo príslušenstva, takže BBC micro:bit možno použiť na vytvorenie riadiaceho systému pre akúkoľvek hobby konštrukciu. Môžete vytvoriť robotický podvozok, riadiacu a spínaciu jednotku ovládajúcu svetlá a iné subsystémy modelu inteligentného domu a podobne. Komunikácia cez bluetooth umožňuje prepojiť micro:bit so smartfónom. Ak to teda zosumarizujeme, toto malé a lacné zariadenie poslúži ako pomôcka pri výučbe programovania, robotiky a pre starších žiakov a študentov aj na projekty IoT.

Programovanie pomocou grafických blokov

Hardvér a senzory

Hardvérová výbava BBC micro:bit je oveľa bohatšia, než by sa na prvý pohľad mohlo zdať. Na strane spojov sú dve tlačidlá označené ako A a B a maticový displej z 25 LED diód. Ten v reverznom móde funguje aj ako snímač intenzity okolitého svetla. Na strane súčiastok je senzor pohybu, teda akcelerometer, snímač naklonenia, kompas čiže magnetometer a senzor teploty. Micro:bit podporuje dva druhy bezdrôtovej komunikácie – Bluetooth Low Energy (BLE) na komunikáciu s mobilnými zariadeniami a rádiový prenos na komunikáciu s inými zariadeniami BBC micro:bit. Takisto je možná sériová komunikácia s počítačom cez kábel USB. Srdcom dosky je 32-bitový mikrokontrolér ARM Cortex-M0, taktovaný na 16 MHz s 256 KB flash a 16 kB RAM. Napájanie je realizovateľné tromi spôsobmi: cez kábel USB, dvoma batériami v špeciálnom držiaku bežne dodávanom s BBC micro:bit alebo pripojením batérie priamo na napájacie kolíky.

Kód v JavaScripte

Jednoduchá pripojiteľnosť

Konektor na okraji plošného spoja má päť širokých kontaktov s pokovovanými otvormi, do ktorých možno pripnúť vodiče s krokosvorkami alebo zasunúť „banánikové“ konektory s priemerom 4 mm. Medzi nimi je 20 ďalších úzkych kontaktov. Tie sa dajú využiť, keď vložíte BBC micro: bit do vhodného konektora.

Široké kontakty s pokovovanými otvormi sú označené 0, 1, 2, 3V a GND čiže elektrická zem. Piny 0, 1 a 2 sú flexibilné porty GPIO (general-purpose input/output), teda vstupy a výstupy na všeobecné použitie. Tieto tri piny takisto umožňujú čítať analógové napätia pomocou analógovo-digitálneho prevodníka (ADC). Piny 3V a GND sú určené na napájanie dosky. Napätie 3 V získate z dvoch ceruzkových batérií zapojených do série. Ak je doska napájaná z USB alebo z batérie cez konektor na druhej strane dosky, môžete použiť 3 V pin na napájanie periférnych zariadení.  

Konektor na pripojenie k prepojovaciemu poľu

Cez široké kontakty môžete pomocou krokosvoriek alebo banánikov pripojiť rôzne súčiastky a rozšíriť tak možnosti dosky. Tri piny, ktoré môžu fungovať buď ako vstupno-výstupné digitálne porty, alebo ako analógové vstupy, poskytujú oveľa viac možností, než by sa na prvý pohľad mohlo zdať. Bez toho, aby ste k nim čokoľvek pripájali, ich môžete po príslušnom naprogramovaní využiť aj ako dotykové tlačidlá. Aby to fungovalo, musíte sa druhou rukou dotýkať pinu GND. Cez rezistory môžete k týmto pinom pripojiť LED diódy, rôzne typy senzorov, dotykové plochy vytvorené z hliníkovej fólie, prípadne komponenty elektrotechnických stavebníc využívajúce banániky. Dokonca aj stavebnica robotického podvozka využíva na pripojenie riadiacej dosky len široké kontakty.

Robotický podvozok

Rozširujúce moduly

Veľká výhoda BBC micro:bit je modulárnosť. Pozorný pohľad na zbernicu prezradí, že medzi širokými kontaktmi sú aj úzke neoznačené kontakty. Na rozdiel od prototypových dosiek typu Arduino či Raspberry k týmto kontaktom nemôžete pripojiť prepojovacie vodiče, ale potrebujete konektor, do ktorého dosku micro:bit zasuniete. K dispozícii sú dva typy konektorov v cenovej relácii 5 – 7 eur, ktoré umožnia pripojiť micro:bit k bezkontaktnému prepojovaciemu poľu, na ktorom potom môžete realizovať aj zložitejšie konštrukcie. Druhý typ konektora má piny, na ktoré môžete nasunúť prepojovacie vodiče s dutinkami.

Úzke kontakty sú v dokumentácii číslované od 3 do 22. Niektoré z nich sú zdieľané s hardvérovými komponentmi. Napríklad piny 3, 4, 6, 7, 9, 10 sú zdieľané s niektorými LED diódami, takže ak využívate maticový displej, tieto piny použiť nemôžete. Pin 5 je zdieľaný s tlačidlom A a pin 11 s tlačidlom B. Pin 5 má pull-up rezistor, čo znamená, že na pin je cez rezistor privedené napätie 3 V. Po pripojení externého tlačidla medzi pin 5 a GND je pri rozpojenom tlačidle na pine 3 V, teda logická jednotka. Po stlačení tlačidla je na pine 0 V čiže logická nula. Nula na pine generuje udalosť stlačenia tlačidla.

Modul na ovládanie motorov

Pin 13 GPIO sa využíva pre signál SCK pre rozhranie trojvodičovej zbernice Serial Peripheral Interface (SPI). SPI používa pin 14 ako Master In Slave Out (MISO) a pin 15 pre signál Master Out Slave In (MOSI). Pin 16 sa využíva aj ako SPI Chip Select. Ďalšie komunikačné rozhranie I2C používa piny 19 a 20 pre hodinový signál (SCL) a dátovú linku (SDA). Pomocou zbernice a protokolu I2C možno pripojiť niekoľko zariadení súčasne. Na túto zbernicu je pripojený aj interný akcelerometer a magnetometer. Piny 21 a 22 sú pripojené na GND.

V e-shopoch sú takisto dostupné rozširujúce moduly umožňujúce ovládať jednosmerné motory, servomotory, spínať väčšiu napäťovú a prúdovú záťaž pomocou relé, stavebnice robotických podvozkov, moduly displejov, moduly s ovládacími prvkami usporiadanými ako na ovládačoch pre hernú konzolu, prípadne moduly umožňujúce pripojiť k doske micro:bit moduly pre Raspberry Pi. Všetko v cenovej relácii 10 – 25 eur.

Modul so spínacími relé

Programovanie

Na programovanie micro:bitu sa používa online grafické prostredie MakeCode, v ktorom žiaci vytvárajú pomocou spájania blokov funkčné programy. Vhodný je najmä pre žiakov základných škôl. Výhodou tohto prostredia je nízka technická náročnosť prípravy pre učiteľa, pretože prostredie je online a nie je potrebná žiadna inštalácia. Vývojové prostredie má prepínač Bloky/JavaScript. Po prepnutí na JavaScript sa zobrazí kód v tomto programovacom jazyku, ktorý ste vytvorili pomocou blokov. Po vytvorení programu v prostredí si žiak program stiahne ako obyčajný súbor. BBC micro:bit, ktorý si žiak medzičasom pripojil k počítaču pomocou kábla USB, sa na počítači zobrazí ako klasické USB úložisko, na ktoré stiahnutý súbor s programom stačí skopírovať. Program sa následne automaticky spustí na zariadení.

Pre pokročilejších je k dispozícii aj MicroPython – špeciálna verzia jazyku Python na programovanie hardvéru, v ktorej syntax a veľká časť štandardných knižníc zostáva rovnaká. Žiaci sa tak nemusia učiť viacero nových jazykov, ten istý vedia využiť aj pri hardvéri, aj pri klasických programovacích úlohách. Podobne ako pri blokovom programovaní možno použiť online MicroPython editor a stiahnuť vygenerovaný program na zariadenie, no na využitie rozšírenej funkcionality je vhodné prostredie Mu. To sprístupňuje interaktívnu konzolu REPL, ktorá slúži najmä na ladenie programu a hľadanie chýb, ako aj interné dátové úložisko, na ktoré možno zapisovať nazbierané údaje zo senzorov.

Možnosti výučbovej platformy BBC micro:bit postupne predstavujeme aj v seriáli IoT prakticky na našom webe.

Zobrazit Galériu