Archiv der Kategorie: Python

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

Dezentrale Temperaturerfassung mit Calliope mini in Python

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Auf Grund der abweichenden Pinbelegungen zwischen BBC micro:bit und Calliope mini ist die Programmierung in Python gerade für I/O-Operationen nicht immer ohne Probleme. Die folgende Tabelle zeigt die Unterschiede:

nRF51822 micro:bit Calliope mini
P0.00 SCL P0
P0.01 P2 P1
P0.02 P1 P2
P0.03 P0 P3 (MIC)
P0.04 COL1 P4 (LED_C1)
P0.05 COL2 P5 (LED_C2)
P0.06 COL3 P6 (LED_C3)
P0.07 COL4 P7 (LED_C4)
P0.08 COL5 P8 (LED_C5)
P0.09 COL6 P9 (LED_C6)
P0.10 COL7 P10 (LED_C7)
P0.11 COL8 P11 (LED_C8)
P0.12 COL9 P12 (LEDC_9)
P0.13 ROW1 P13 (LED_R1)
P0.14 ROW2 P14 (LED_R2)
P0.15 ROW3 P15 (LED_R3)
P0.16 P16 P16 (TAST_B)
P0.17 BTN A P17 (TAST_A)
P0.18 P18 P18 (RGB LED)
P0.19 TGT nRST P19 (SCL)
P0.20 P20 P20 (SDA)
P0.21 MOSI P21 (BMX055 INT)
P0.22 MISO P22
P0.23 SCK P23
P0.24 TGT TxD P24 (TxD)
P0.25 TGT RxD P25 (RxD)
P0.26 BTN B P26 (Rx)
P0.27 ACC INT2 P27 (Tx)
P0.28 ACC INT1 P28
P0.29 MAG INT1 P29
P0.30 SDA P30
Zur Temperaturmessung möchte ich von folgendem Setup ausgehen.

Calliope Radio

Dezentrale Temperaturerfassung mit Calliope

 

Ein abgesetzter Calliope mini wird über ein Steckernetzteil am USB-Anschluss mit Spannung versorgt. Ein Temperatursensor LM35 erfasst die Temperatur im Bereich von 0 bis 150 °C. Hat man eine LM35 nicht zur Verfügung, dann kann anfangs auch mit dem internen Temperatursensor der CPU gearbeitet werden. Der Sensor sendet über die Radio-Verbindung die erfasste Temperatur an einen zweiten Calliope mini, der über USB mit einem PC verbunden ist.

Auf dem PC läuft ein Terminalprogramm (z.B. PuTTY) und erfasst die hier mit 9600 Baud seriell übertragenen Daten und bringt diese zur Anzeige.

Die beiden Calliope mini sind mit den folgenden Programmen zu flashen.

Sender:

# Measuring chip temperature on CPU & output to console
# works unchanged for micro:bit & Calliope mini

from microbit import *
import radio

# The radio won't work unless it's switched on.
radio.on()

while True:
 temp = temperature() - 3 # offset to ambient temperature
 display.scroll(str(temp)+" *C")
 radio.send(str(temp))
 sleep(60000) # sleep a minute

Bei Einsatz eines LM35 Temperatursensors ist das Erfassen der Temperatur anzupassen:

temp = pin1.read_analog() * 330 / 1024

Der Ausgang des LM35 ist, wie in der Abbildung gezeigt, mit P2 am Calliope mini zu verbinden (sh. auch in der Tabelle oben).

Empfänger:

# Receiving chip temperature from a second board & output to console
# works unchanged for micro:bit & Calliope mini

from microbit import *
import os
import radio

uart.init()
uart.write(os.uname().machine + "\r\nGet chip temperature by radio connection\r\n")

# The radio won't work unless it's switched on.
radio.on()

while True:
 # Read any incoming messages.
 temp = radio.receive()
 if str(temp) != "None":
 display.scroll(str(temp)+" *C")
 uart.write("Received chip temperature = "+str(temp)+" *C\r\n")
 sleep(1000)

Die Reichweite der Radio Verbindung des Calliope mini liegt bei ca. 20 m, so dass dem Test im Wohnraum wenig Grenzen gesetzt sind.

 

Calliope in Python programmieren

16 Antworten

Will man den Calliope mini nicht im Schulkontext verwenden, dann bietet sich, wie beim micro:bit, die Programmierung in Micro-Python an.

Einen Editor findet man beispielsweise unter http://python.microbit.org/editor.html. In diesen Editor pastet man dann einfach den Python-Quelltext, wie z.B. das folgende Programmbeispiel zur Temperaturmessung.

# Measuring chip temperature on Calliope mini & output to console
from microbit import *
import os

uart.init()
uart.write(os.uname().machine +" measuring chip temperature\r\n")

while True:
 temp = temperature() - 3 # offset to ambient temperature
 display.scroll(str(temp)+" C")
 uart.write("Calliope mini chip temperature = "+str(temp)+" C\r\n")
 sleep(5000)

Nach dem Compilieren kann das  erstellte File microbit.hex einfach in das Laufwerk kopiert werden, als das sich der Calliope mini beim Anschluss über USB meldet.

Zum Beobachten der seriellen Ausgaben kann bspw. mit PuTTY auf das betreffende COM-Port zugegriffen werden. Die Baudrate beträgt hier 9600 Bd. Die LED-Matrix zeigt die Ausgabe als Laufschrift an.

Screenshot

Zugang zu den verschiedenen Ressourcen des eingesetzten Mikrocontrollers erhält man über die micro:bit Python API.