Archiv der Kategorie: Open Source

Vermittlung digitaler Inhalte in der Schule

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Schon heute setzen wir uns mit zunehmender Tendenz mit automatisierten Abläufen, Algorithmen und vernetzten Gegenständen im Alltag auseinander. Künstliche Intelligenz wird Prozesse unterstützen und möglicherweise auch irgendwann autonom übernehmen.

Auf diese Entwicklungen vorbereitet zu sein, um sie zu beherrschen, zu gestalten und weiter zu entwickeln bedarf es mehr als einen IT-Grundkurs im Gymnasium oder Studium. Wichtig ist es, die Chance zu haben, in diese Welt und das damit verbundene Denken hineinzuwachsen.

In einigen Ländern wurde das frühzeitig erkannt und durch entsprechende Initiativen gefördert. Die Idee ist, jedes Kind zu inspirieren, seine digitale Zukunft zu gestalten und die Maker-Bewegung in den Unterricht zu bringen.

Im Schweizer Lehrplan 21 wird der heutigen Lebenswelt von Kindern und Jugendlichen entsprochen, die „durchdrungen (ist) von traditionellen und digitalen Medien sowie von Werkzeugen und Geräten, die auf Informations- und Kommunikationstechnologien basieren und die durch ihre Omnipräsenz neue Handlungsmöglichkeiten und neue soziale Realitäten schaffen“ (https://v-fe.lehrplan.ch/index.php?code=e|10|2). Abgestimmt mit dem Lehrplan 21 steht mit der Oxocard ein mit WiFi ausgestatteter Computer zur Verfügung, der auch bereits über den Browser programmiert werden kann. Auch in Deutschland und Grossbritannien werden solche Aktivitäten durch Hard- und Software für den Einsatz in der Schule unterstützt.

„Unser Anspruch ist, dass jeder Schüler und jede Schülerin in der dritten Klasse in Deutschland so ein Ding in die Hände bekommt“, sagt Stephan Noller, einer der Gesellschafter von Calliope. „Es soll nicht irgendein Leuchtturmprojekt in Berlin-Wedding werden, sondern wir wollen in die Fläche – und zwar jedes Jahr von Neuem.“

Ob man mit dem Calliope mini die vielleicht größtmögliche Umwälzung des deutschen Schulsystems in der Hand hält, wie Patrick Beuth in der Zeit im Beitrag „Dieser Computer kann unser Schulsystem revolutionieren“(http://www.zeit.de/digital/internet/2016-10/calliope-mikrocontroller-grundschule-dritte-klasse) schreibt, kann ich nicht beurteilen.

So unterschiedlich die Angebote sind, eines haben sie gemeinsam: Sie werden von Menschen organisiert, die mit großer Begeisterung ihr Wissen rund um Programmierung und digitale Themen an Kinder und Jugendliche weitergeben. Bei den Machern um BBC micro:bit, Calliope mini und Oxocard ist diese Begeisterung zu spüren.

Dass solche Projekte, wie so oft, nicht widerstandsarm umsetzbar sind, zeigen Diskussionen wie sie im Interview „An Calliope scheiden sich die Geister“ (https://www.deutschlandfunk.de/minicomputer-im-klassenzimmer-an-calliope-scheiden-sich-die.680.de.html?dram:article_id=399302) aufgeworfen werden.

Ich möchte mich hier auf den technischen Bereich beschränken. Für ideologische Auseinandersetzungen sind andere besser geeignet.

Die folgende Tabelle zeigt eine Gegenüberstellung der technischen Merkmale der drei hier betrachteten Mikrocontrollerboards.

Mikrocontroller
Board		BBC micro:bitCalliope miniOxocard
HerkunftUKDCH
HauptmerkmaleNordic nRF52833, BLE, Radio
Motion Sensor (ST LSM303AGR)
5×5 LED Matrix Display (rot)
2 Taster
19 GPIO
Piezo-Lautsprecher
MEMS Mikrofon
USB Micro B Anschluss
(Programmierung und Stromversorgung)
JST Batterieanschluss (3.3V)
Temperatursensor (on-chip NRF52)		Nordic nRF51822, BLE, Radio
Motion Sensor (Bosch BMX055)
5×5 LED Matrix Display (rot)
DC Motortreiber (TI DRV8837)
Piezo-Lautsprecher
MEMS Mikrofon
Neopixel (WS2812b)
2 Taster
8-11 GPIOs, PWM, 4 x analog
UART + SPI + I2C
USB Micro B Anschluss
(Programmierung und Stromversorgung)
JST Batterieanschluss (3.3V)
2 Grove Stecker (I2C + Seriell/Analog) 		Espressif ESP32, BLE, WiFi
Motion Sensor (ST LIS3DE)
8×8 Neopixel Matrix
Kopfhörerbuchse für 8bit-Audioausgabe (mono)
Mikrofon (PDM)
NeoPixel Data-Out
6 Taster
6 GPIOs
UART + SPI + I2C
USB Micro B Anschluss
(Programmierung und Stromversorgung)
LiPo-Akku
Anschluss für Grove I2C-Hub
Temperatursensor (on-chip LIS3DE)

Programmier-
umgebungen		MakeCode, MicroPython,
JavaScript		MakeCode, Swift,
abbozza! Calliope (basiert auf Blockly),
C/C++ (Segger), MicropPython		Blockly, Oxoscript,
Arduino (C/C++), MicroPython. 
BBC micro:bit, Calliope mini, Oxocard – im Vergleich

Wie aus den Hauptmerkmalen abzuleiten ist, stellen alle drei Boards eine vergleichbare Infrastruktur bereit. Auf markante Unterschiede will ich im Folgenden eingehen. Eine Betrachtung der Ausgangsversionen von BBC micro:bit und Calliope mini hatte ich in einer früheren Veröffentlichung (https://www.elektroniknet.de/embedded/hardware/mikrocontroller-nicht-nur-fuer-die-schule.150415.html) bereits vorgenommen.

Herausstechendes Merkmal beim BBC micro:bit ist seine an der Unterkante des Boards befindliche als Goldfinger bezeichnete Anschlussleiste. Hier können zahlreiche Erweiterungsboard direkt angeschlossen werden. Einen guten Überblick zu diesen Erweiterungen finden Sie unter https://shop.pimoroni.com/collections/micro-bit-uk.

BBC mirco:bit v2

Beim Calliope mini wollte man den Goldfinger nicht übernehmen, da wegen der viel zu eng liegenden Kontakte im Schuleinsatz mit ständigen Kurzschlüssen durch die Schüler gerechnet werden müsste. Es wurden auf dem Board Erweiterungen, wie RGB-LED (Neopixel) und Motortreiber (H-Brücke) u.a., vorgesehen. Zusätzlich stellen die beiden Grove-Connectoren einen I2C-Bus, einen UART-Anschluss sowie einen analogen Eingang zur Kontaktierung von Sensoren oder Aktoren des umfangreichen Grove-Systems zur Verfügung. Eine gute Übersicht zum Grove-System bietet ein Grove Wiki von Seeedstudio (https://wiki.seeedstudio.com/Grove_System/).

Calliope mini v2

Die Oxocard geht einen etwas anderen Weg. Die elektronischen Interna sind gut verpackt in einem Kartongehäuse. Durch den Einsatz eines ESP-32 steht neben BLE auch WiFi zur Verfügung, wodurch Internet-Konnektivität gegeben ist. Durch diese Option ist es möglich IoT-Projekte zu realisieren. Der LiPo-Akku sorgt dann für einen gewissen Zeitraum sogar für autonome Einsatzmöglichkeiten ohne externe Spannungsversorgung.

Nach aussen hin stehen die sechs Taster und die 8×8 Neopixel Matrix für Experimente zur Verfügung. Durch die Verwendung der internen Sensoren kommt der Anwender erstmal vollkommen ohne elektrische Verbindungen nach aussen aus.

Kommuniziere Meldungen zwischen Oxocards, hol dir Daten aus dem Internet oder stelle dein Karte als Sensor anderen zur Verfügung. All das ist ohne Erweiterungen möglich.

Oxocard mit Kartongehäuse

Für den Maker von Interesse sind natürlich die Erweiterungsmöglichkeiten. Ergänzend zum Lieferumfang der Oxocard ist der OXOCARD i2C-Hub-Erweiterungsport verfügbar.

Lieferumfang Oxocard

Der Oxocard I2C Hub ist ein kleiner Bausatz, um der Oxocard relativ einfach das Anschliessen von beliebigen I2C-Grove- Komponenten zu ermöglichen. Mit diesen I2C-Hub können Sie die Oxocard mit zusätzlichen GROVE-kompatiblen Sensoren und Aktoren erweitern. Ausserdem kann über eine Buchsenleiste der SPI-Port nach aussen geführt werden.

SPI- und I2C-Bus an der Oxocard

Mit diesen Erweiterungsmöglichkeiten ist die Oxocard ein für den Schulbetrieb geeigneter, komplett ausgestatteter und erweiterbarer Mikrocontroller, der als einziger Internet-Zugriff aufweist.

Allen drei vorgestellten Boards gemeinsam ist neben der grafischen Programmierung in MakeCode resp. Blockly die Programmierung in MicroPython.

In meinem MicroPython Blog https://ckmicropython.wordpress.com sind MicroPython Programmbeispiele für die Oxocard zu finden.

2021-04-05/ck

Maixduino – Arduino-kompatibel auf Basis RISC-V

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Das ganze $23.90 kostende Sipeed Maixduino Kit for RISC-V AI + IoT ist seit geraume Zeit im Haus und hat auf die Inbetriebnahme gewartet. Ziel für mich war, das Board in der Arduino-Umgebung in Betrieb zu nehmen, um einen direkten Vergleich zu anderen Arduinos zu bekommen.

Zum Lieferumfang des Maixduino Kits gehören die folgenden Komponenten:

  • Maixduino Board (rechts)
  • 2.4 inch TFT Display (Mitte)
  • OV2640 camera module (links)
Komponenten des Maixduino Kits

Die Frontseite des Maixduino Boards zeigt an Hand der Buchsenleisten Kompatibilität zum Arduino-Formfaktor und die Rückseite zeigt in einem Blockdiagramm die zur Verfügung stehenden Ressourcen.

Neben der eigentlichen Inbetriebnahme in der Arduino IDE hat mich vor allem die zu erwartende Performance interessiert.

Um das Maixduino Board der Arduino IDE bekannt zu machen ist der folgende Eintrag in den Preferences vorzunehmen.

File -> Preferences: Eintrag der URL http://dl.sipeed.com/MAIX/Maixduino/package_Maixduino_k210_index.json unter Additional Boards Manager URLs. Einträge durch Komma separieren.

Im Boards Manager dann Maixduino (K210) selektieren und die folgenden Board Settings einstellen:

  • Board: Maixduino
  • Burn Tool Firmware: open-ec
  • Burn Baudrate: 1.5 M
  • Port: Serial port
  • Programmer: k-flash

Die Programmer Software k-flash wird vom Norton SONAR entfernt. Norton muss hier entsprechend eingerichtet resp. „entschärft“ werden. Die komplette Installation ist unter https://maixduino.sipeed.com/en/get_started/install.html beschrieben.

Um die Performance des Maixduino gegenüber anderen Arduinos resp. Arduino-kompatiblen Mikrocontrollern zu vergleichen, habe ich zwei Benchmarks laufen lassen:

  • Sieve of Eratosthenes
  • CoreMark

Den ersten Benchmark habe ich zu Vergleichszwecken verwendet, da ich in der Vergangenheit damit bereits zahlreiche Tests vorgenommen habe:

CoreMark 1.0 ist ein vom EEMBC empfohlener Test und zudem an die Arduino-Umgebung angepasst ( https://www.eembc.org/coremark/ ). Beide Benchmarks stehen unter https://github.com/ckuehnel/newArduino/tree/master/Maixduino zum Download zur Verfügung.

Hier nun die Resultate der beiden Benchmarks. Verglichen wurden eine Arduino Due (AT91SAM3X8E@ 84 MHz), eine ESPduino-32 (ESP-Wroom-32@80 MHz) und ein Maixduino (Kendryte K210 RISC-V@400 MHz):

Benchmarkergebnisse Sieve of Erastothenes
Benchmarkergebnisse Coremark 1.0

Gegenüber dem Arduino Due hatte der ESP-32 bereits eine deutliche Verbesserung der Performance gezeigt, die aber vom Maixduino noch wesentlich überboten wird. Damit dürfte der Maixduino derzeit der leistungsfähigste Arduino-kompatible Mikrocontroller sein.

Maduino GPRS A6

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Maduino GPRS A6 ist ein kostengünstiger Netzwerkknoten für das IoT. Der Hersteller
Makerfabs mit Sitz in Shenzhen, China hat auf dem Board einen Mikrocontroller ATmega 328, ein GRRS/GSM-Modul AI-Thinker A6, ein und ein integriertes Power-Management integriert.

Maduino GPRS A6

Das GRPS/GSM-Modul A6 unterstützt Quad-Band 850/900/1800/1900 MHz, das jedes GSM-Netzwerk abdeckt. In Verbindung mit einer SIM-Karte können Daten über GPRS übertragen werden. In meinem Post 2G für IoT Anwendungen hatte ich hierzu entsprechende Hinweise gegeben.

Das Modul kann über die Arduino IDE programmiert werden. Im Wiki sind Hinweise zur Inbetriebnahme und Programmierung enthalten. Hinweise zu einem Firmware Update sind hier zu finden.

Open-Source Real-Time OS für das IoT

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Steht man heute vor der Aufgabe, ein neues Embedded System zu entwickeln, dann wird in den Anforderungen kaum die Anforderung nach einer Netzwerkverbindung fehlen. Dabei spielt es in erster Linie keine Rolle, ob es sich um eine drahtlose oder drahtgebundene Kommunikation handelt, ob die Kommunikation durch die Anwendung genutzt wird oder einen Remote Access für Konfiguration und Service darstellt. Möglicherweise lassen sich diese Dinge auch kaum vernünftig trennen.

Ein Embedded System, welches derartige Anforderungen erfüllen muss, ist mit vernünftigem Entwicklungsaufwand nicht ohne Betriebssystem umsetzbar. Die Suche nach einem für die betreffende Aufgabenstellung geeigneten Betriebssystem umfasst, viele und sehr unterschiedliche Aspekte.

Betrachtet man die Langlebigkeit von Investitionsgütern, dann erscheint schon aus strategischen Gründen der Einsatz eines OS-RTOS zwingend. Einer ersatzlosen Abkündigung eines etablierten, proprietären RTOS kann auf diese Weise der Schrecken genommen werden. In einer gewissen Klasse von Embedded Systems bis hin zu Supercomputern gibt es mit Linux ein ausgezeichnetes Beispiel für ein solches Open Source Betriebssystem.

Damit ist Linux heute ein mächtiges Betriebssystem, welches aber auch gewisser Ressourcen bedarf und für Systeme mit kleinem Footprint, geringen Ressourcen und möglichst für Batteriebetrieb angepasstem Stromverbrauch weniger geeignet ist.

Analysiert man aus Github Daten für Code Frequency, Commits und Contributions für Contiki, RIOT und Zephyr, dann kann deutlich eine größere Aktivität der Community beim Zephyr OS gegenüber den anderen beiden RTOS verzeichnet werden. Natürlich ist das Zephyr OS auch ein „junges“ RTOS, was nicht in allen Bereichen bereits ausgereift sein kann.

Das Zephyr Project (https://www.zephyrproject.org/what-is-zephyr) ist ein von der Linux Foundation gehostetes Collaboration-Projekt, eine Open Source Zusammenarbeit, die führende Kräfte aus der gesamten Branche zusammenbringt, um mit dem Zephyr OS ein skalierbares Echtzeit-Betriebssystem (RTOS) für mehrere Architekturen ressourcenbeschränkter Geräte zu entwickeln.

Der in der Zeitschrift Design & Elektronik erschienen Beitrag mit dem o.a. Titel (Design & Elektronik 3/2019, S. 42-48  ) soll Einblicke in das Zephyr OS und die Zephyr Entwicklungsumgebung geben. An Hand einiger einfacher und nachvollziehbarer Programmbeispiele wird die Vorgehensweise bei der Programmierung von Anwendungen und der Build Prozess dokumentiert. Die Programmbeispiele selbst sowie dazugehörige Screenshots sind auf Github unter https://github.com/ckuehnel/zephyrtests abgelegt.

Das Zephyr OS ist ein Open Source RTOS, welches durch das von der Linux Foundation gehostete Zephyr Project und die Nähe zu Linux das Potential hat, bei Embedded Systems mit kleinem Footprint in Zukunft vergleichbar erfolgreich zu werden, wie es Linux bei Systemen mit mehr Performance schon länger ist. Der Erfolg wird sicher stark durch die Community geprägt. Ausdauer und Kraft sind der Community zu wünschen. Die zentrale Mailinglist des Zephyr Projects [ https://lists.zephyrproject.org/g/main ] gibt aktuell Auskunft über die laufenden Aktivitäten.