Le soluzioni Arduino per il settore educational di TME Electronic Components

La progettazione embedded è da sempre un processo complesso e articolato, che richiede competenze elettroniche trasversali, legate alla codifica, ai linguaggi di programmazione e all'hardware. I sistemi embedded si basano su microcontrollore e utilizzano sensori per l'acquisizione e la raccolta di dati, offrendo anche un buon livello di integrazione tra microelettronica e protocolli di comunicazione per la realizzazione di progetti in una vasta gamma di campi applicativi. La scelta della giusta scheda o del kit di sviluppo che rispecchierà le specifiche dell'applicazione scelta, è un tema di grande interesse sia tra i designer ed i professionisti embedded, sia tra i makers e gli hobbisti che, ad oggi, rappresentano la parte più creativa del mondo dell'elettronica. L'applicazione finale detterà inevitabilmente considerazioni imprescindibili sulle specifiche richieste, prestazioni, caratteristiche e dimensioni complessive del sistema. L'unica certezza in un processo di progettazione, per quanto complesso possa essere, è che non esiste una soluzione univoca e assoluta, dal momento che ciascun progetto va inteso nella sua unicità e risulta essere diverso da qualunque altro. La parola chiave che guiderà il flusso della progettazione sarà quindi "sperimentazione". Arduino introduce l'elettronica e la programmazione embedded attraverso progetti divertenti e pratici in ambito educational, che permettono di apprendere giocando con la tecnologia. A tal proposito TME Electronic Components offre un'ampia scelta di soluzioni specifiche per l'embedded design, l'IoT e la progettazione elettronica, con una vasta gamma di componenti, schede, moduli di comunicazione, display e kit di sviluppo adatti anche a chi è alle prime armi e desidera costruire un punto di partenza per progetti interattivi futuri.

Introduzione

L’elettronica e, in particolare, il settore embedded, sono caratterizzati da una costante tendenza alla miniaturizzazione e alla integrazione, implementando funzionalità specifiche della particolare applicazione, anche in architetture standardizzate. La scelta di una scheda di prototipazione rapida è uno step fondamentale nel flusso della progettazione elettronica. Arduino è la nota piattaforma elettronica di contenuti open source, software e hardware, che vanta una community mondiale di sviluppatori con più di 30 milioni di utenti attivi e più di 500.000 membri del forum Arduino, per la condivisione di idee progettuali innovative, prototipi sperimentali e progetti veri e propri. Ha ispirato migliaia di progettisti nel corso degli anni, dai progetti più semplici di uso quotidiano (domotica open source, dispositivi IoT, droni, controllo motori, etc.) ai più professionali strumenti scientifici di robotica e intelligenza artificiale, ma anche applicazioni nel campo medicale e degli azionamenti elettrici, insomma, un portfolio adatto a tutti i livelli di conoscenza elettronica e programmazione. Ciò è stato reso possibile soprattutto grazie a un'ampia gamma di schede elettroniche (note anche come "boards") idonee ai diversi protocolli di comunicazione, inclusi WiFi, Bluetooth, LoRa, Sigfox, GSM, e alla potente integrazione Arduino-Matlab. Il motivo principale del successo di Arduino risiede proprio nella possibilità di interfacciarsi con un ambiente di sviluppo, schemi elettrici, codici e librerie, completamente open source.

La mission di Arduino è "mettere una delle sue schede e dei suoi kit nelle mani di ogni studente ed insegnante" e venire così incontro alle diversificate esigenze di studenti e docenti durante il loro percorso educativo e formativo, per acquisire le competenze base relative alla programmazione dei microcontrollori ed ai componenti elettronici, attraverso l'uso di uno strumento user friendly sia dal punto di vista hardware che software. Grazie al suo ambiente di programmazione di facile utilizzo (IDE, Integrated Development Environment), è possibile sfruttare a pieno le potenzialità di Arduino.

Questo ha fatto di Arduino sia uno strumento molto popolare per lo sviluppo di progetti nell'ecosistema IoT, sia uno dei programmi di maggior successo per l'istruzione, una vera e propria risorsa preziosa per istruire gli studenti al coding e alla robotica educativa e insegnare l'elettronica partendo da zero, in un ampio ventaglio di possibili applicazioni, dall'acquisizione dati in tempo reale, alla realizzazione di dispositivi wearable e robot, sino al controllo di fenomeni fisici, utilizzando i classici strumenti (librerie, shields, sensori, attuatori, breadboard, LED, diodi, potenziometri, resistenze, motori DC, servomotori, display LCD, e altra componentistica elettronica).

Designer, ingegneri, sviluppatori, produttori e studenti in tutto il mondo utilizzano Arduino per portare innovazione nel settore automobilistico, robotico, agricolo, dei dispositivi intelligenti, della domotica, della musica, del gaming, e innumerevoli altre applicazioni. Nelle scuole Arduino viene utilizzato come base per progetti ludici ed educativi che orientano lo studente al pensiero computazionale, al problem solving e alla codifica, mediante giocattoli integrati con la tecnologia Arduino, in grado di stimolare le capacità di costruzione e la logica, e si adatta anche a un pubblico di utilizzatori principianti, privo di uno specifico background di programmazione. Arduino è anche uno strumento per la didattica e l'istruzione nelle discipline STEAM (Scienze, Tecnologia, Ingegneria, Arte e Design, Matematica) per l’apprendimento interdisciplinare con modalità didattiche basate sulle nuove tecnologie, secondo l'approccio "learning by doing". Inoltre, la scheda Arduino è ampiamente adottata da startup e aziende per semplificare lo sviluppo dell'Internet of Things (IoT), dal prototipo sperimentale alla produzione.

Arduino Engineering Kit

TME Electronic Components offre un'ampia gamma di strumenti per la prototipazione di progetti elettronici, tra i quali diverse schede di sviluppo per Arduino, kit di sviluppo ed altre soluzioni basate su schede e shields con esse compatibili. Per soddisfare le esigenze del settore educational e fornire così uno strumento di avviamento, Arduino Engineering Kit è la soluzione ideale per la prototipazione di progetti all'insegna dell'innovazione. Arduino Engineering Kit rappresenta la soluzione educational adatta a studenti universitari, fornendo un'implementazione pratica e all'avanguardia della tecnologia Arduino in un ambiente educativo. Il kit è rivolto principalmente a tre tipologie di utenti: studenti che studiano ingegneria presso un'università o una scuola secondaria, professori che insegnano ingegneria e desiderano interfacciarsi anche con risorse pratiche, makers e appassionati di progettazione elettronica con un interesse o un background nella progettazione, a livello professional o solo come hobby. L'Arduino Engineering Kit è un kit divertente per chiunque, utile per stimolare la creatività e le abilità progettuali. Il kit consente la realizzazione di progetti in modo semplice e rapido, anche a chi non possiede conoscenze approfondite di elettronica e programmazione.
In particolare, il kit include tre progetti all'avanguardia basati su Arduino in modo che gli studenti possano apprendere facilmente concetti base di progettazione, aspetti chiave della meccatronica e programmazione con i software Matlab e Simulink. I progetti implementabili sono molto divertenti da creare e utilizzare, e includono:

Self-Balancing Motorcycle: si tratta di una motocicletta che si muove da sola su vari terreni rimanendo in posizione verticale utilizzando un volano per mantenere l'equilibrio;
Mobile Rover: si tratta di un veicolo che può navigare tra determinati punti di riferimento, spostare oggetti con un carrello elevatore controllato dalla visione artificiale e molto altro ancora;
Whiteboard Drawing Robot: il robot può prendere un disegno che gli è stato dato e duplicarlo su una lavagna.

Il kit, con una tensione di alimentazione 5÷12 VDC, viene venduto in un contenitore di plastica rigida, che ricorda la classica "cassetta degli attrezzi", impilabile per la conservazione e per il suo riutilizzo, e dal peso di appena 1760 g (Figura 1 e Figura 2). All'interno della confezione è presente una scheda Arduino MKR1000 di facile utilizzo, diverse parti personalizzate e un set completo di componenti elettrici e meccanici necessari per assemblare tutti e tre i progetti menzionati sopra, quali alimentatore, batteria, componenti meccanici, motori elettrici DC, Arduino MKR motor shield, web-cam, caricabatteria, cavo USB per la comunicazione con il computer, ruote, modulo a ultrasuoni, sensori hall.

Il contenuto del kit è strutturato in sei capitoli, con una breve introduzione, una guida introduttiva per gli strumenti che verranno utilizzati, una sezione con i concetti più importanti e infine i progetti.

L'elenco dettagliato dei componenti (Figura 3) del kit è il seguente:

Arduino MKR 1000;
Arduino MKR Motor Shield;
Arduino MKR Imu Shield;
motore DC;
web-cam;
batteria ai polimeri di litio;
caricabatterie;
cavo USB;
ruote;
cinghia;
pulegge dentate;
staffe di montaggio per motori DC;
bulloni e dadi di regolazione;
collari albero;
vite adattatore elica;
magneti;
motore DC con encoder;
micro servo standard;
modulo sensore Hall;
modulo a ultrasuoni;
cavo modulo da 3 pin a 4 pin (12 cm);
cavo modulo a 3 pin (6 cm);
pezzi di montaggio;
ruote;
albero in metallo;
alberi a D in metallo;
set di distanziali;
fili di collegamento;
pennarelli per lavagna;
pulegge;
adesivo per il vision recognition.

Dal momento che alcuni componenti vengono utilizzati in più di un progetto, gli utenti sono vincolati a realizzare l'assemblaggio delle parti, solo di un progetto alla volta. L'indubbio vantaggio che ne deriva è che sono costretti a smontare un progetto per assemblare il successivo, rafforzando in tal modo ciò che hanno appreso.

Figura 1. Arduino Engineering Kit - il pratico box che contiene i componenti per l'assemblaggio

Arduino Engineering Kit è costruito sul proprio Education Learning Management System (ELMS) con istruzioni e lezioni dettagliate. La piattaforma online aiuterà gli studenti ad iniziare ad apprendere concetti ingegneristici fondamentali, aspetti chiave della meccatronica e della programmazione con i potentissimi software Matlab e Simulink. Il contenuto è attualmente disponibile solo in inglese. Oltre all'hardware all'avanguardia, open source e di alta qualità, dopo la registrazione online, l'utente avrà accesso a una piattaforma di e-learning dedicata, ed a diversi altri materiali di apprendimento. Inoltre, agli utenti viene concessa una licenza individuale di un anno per Matlab e Simulink, fornendo loro esperienza pratica nella modellazione di sistemi e nello sviluppo di algoritmi incorporati. Gli utenti riceveranno l'accesso alla piattaforma online per un anno e hanno la possibilità di acquistare licenze aggiuntive per estendere l'accesso alla piattaforma.

>> Video Arduino Engineering Kit: Self balancing motorbike

Figura 2. Arduino Engineering Kit - il contenuto della scatola degli attrezzi

Figura 3. I componenti dell'Arduino Engineering Kit

Gli obiettivi di apprendimento dell'Arduino Engineering Kit sono finalizzati all'acquisizione delle seguenti abilità:
• connettere Matlab ad Arduino MKR1000;
• creare variabili scalari e vettoriali e applicare funzioni e operazioni aritmetiche a variabili esistenti;
• creare, simulare e salvare un modello Simulink;
• visualizzare i dati di simulazione nell'ambiente Simulink;
• creare e chiamare una funzione Matlab;
• implementare sensori e attuatori esterni in un modello Simulink;
• modellare le dinamiche matematiche e discrete di base in Simulink;
• costruire ed eseguire un'applicazione Arduino funzionante partendo da un modello Simulink;
• regolare i parametri del modello mentre l'applicazione è in esecuzione su Arduino, e interpretarne quindi i risultati;
• eseguire un'applicazione Arduino come programma autonomo, al di fuori di Simulink.

Arduino Starter Kit

Un altro valido strumento educativo per approcciarsi alla programmazione embedded con la piattaforma Arduino, è l'Arduino Starter Kit, un kit d'avviamento che rappresenta una pratica soluzione educational per imparare a utilizzare Arduino e approcciarsi con la programmazione dei microcontrollori. Il kit, con una tensione di alimentazione 5 VDC e con un peso di appena 25 g, contiene una scheda Arduino Uno Rev 3, una raccolta completa di sensori e attuatori, e una guida per principianti.

Figura 4. Arduino Starter Kit

La scheda di sviluppo Arduino Uno (Figura 5) è l'ideale per iniziare con l'elettronica e la codifica attraverso progetti manuali avvincenti. Questa scheda è ottima per apprendere le basi del funzionamento di sensori e attuatori che sono uno strumento essenziale per la prototipazione del progetto. Per quanto riguarda le specifiche tecniche, Arduino Uno è una scheda a microcontrollore basata sull'ATmega328P, un micro a 8 bit con 32 kb di memoria Flash e 2 kb di RAM. Contiene tutto il necessario per supportare il microcontrollore, è sufficiente collegarlo a un computer con un cavo USB o alimentarlo con un adattatore AC/DC o una batteria per iniziare.

Figura 5. La scheda Arduino Uno

TME fornisce una grande varietà di soluzioni per i sistemi embedded e l'IoT, single board computers, display intelligenti, soluzioni compatibili con Arduino, nonché le diverse tipologie di schede di prototipazione Arduino, shields e vari moduli di comunicazione (Ethernet, RF, WiFi, Bluetooth, USB, GPS, antenne, etc.), al fine di arricchire il proprio laboratorio per realizzare progetti hobbistici o professionali.

D'altra parte, Arduino fornisce diversi modelli di schede, orientati ad applicazioni molteplici e dotate di diversi numeri di pin e caratteristiche prestazionali. Oltre alla scheda Arduino Uno, altre boards utilizzate per sviluppare progetti di elettronica sono: Arduino Mega, Arduino Nano, Arduino Leonardo, Arduino Micro, Arduino Due.