Do czego służą urządzenia z serii Arduino?

Nauka elektroniki oraz programowania nie musi być trudna. Dowodem na poparcie tej tezy jest istnienie Arduino, czyli specjalistycznych płytek Arduino. Jest to platforma przeznaczona zarówno dla osób po raz pierwszy stykających się z tego typu technologią, jak i osób zaawansowanych i tworzących zdumiewające prototypy. Pod pojęciem Arduino kryje się jednak nieco więcej, ponieważ możemy je rozpatrywać w kilku przeznaczeniach. Termin Arduino kojarzyć się może przede wszystkim z malutkimi, drukowanymi płytkami, które mają zaledwie kilka centymetrów długości. Ten niepozorny sprzęt ma jednak ogromny potencjał, o czym przekonują się nie tylko programiści, ale przede wszystkim renomowani producenci sprzętów elektronicznych na całym globie. Z tego rozwiązania korzystają znane marki elektroniczne, które stosują specjalny standard wyprowadzeń i opracowują innowacyjne urządzenia, bazujące na – wydawałoby się – niepozornym wynalazku.

Co to jest Arduino? Ile kosztuje takie urządzenie? W jaki sposób programuje się w Arduino? Czym jest Arduino Uno? Jak wygląda zestaw hardware? Jakie jeszcze układy produkowane są na podstawie tego typu rozwiązań? O co chodzi z shieldami przeznaczonymi na Arduino? Staram się przedrzeć przez gąszcz pytań i rozjaśnić nieco temat. Zapraszam!

Co to jest Arduino?

Arduino to generalnie rzecz biorąc włoska platforma programistyczna przeznaczona dla systemów wbudowanych, czyli platform posiadających zintegrowany system z urządzeniem. Jest ona oparta na uproszczonej idei Open Hardware, które stosuje się przede wszystkim w mikrokontrolerach. Ta z pozoru zawiła definicja może zostać przedstawiona jednak w znacznie prostszy sposób. Arduino to specjalna płytka elektroniczna, a w zasadzie cała platforma, która służy początkującym i zaawansowanym programistom. Jej prostym zastosowaniem może być np. opracowywanie systemu do zmieniania świateł w ruchu drogowym. Niepozorne urządzenie nie tylko potrafi dokonywać takich korekt, ale również jest stosowane w przypadku testów innych, bardziej rozbudowanych systemów. Arduino służy do pisania programów w ramach Arduino IDE, czyli dedykowanego środowiska programistycznego. Idea działania jest prosta – Arduino można wykorzystać do opracowywania samodzielnych obiektów o cechach interaktywnych. Stosuje się je także w kontekście podłączania do komputerów, przez które Arduino może zostać odpowiednio zaprogramowany. To platforma, która cieszy się duża popularnością nie tylko w celach hobbistycznych, ale także edukacyjnych – np. do nauki elektroniki czy nauki programowania mikrokontrolerów.

Jak wygląda płytka Arduino?

Arduino doceniane jest za łatwość zastosowania w praktyce. Można nawet stwierdzić, że nie istnieje w tej chwili żadna inna tak ekspresowa platforma, która pozwala na uruchomienie własnego programu. Dzięki Arduino można tego typu oprogramowanie stworzyć, wdrożyć i zastosować, np. w kontekście testowania nowych rozwiązań projektowych. Jaki jest jednak sekret, jeśli chodzi o budowę Arduino? Standardowa płytka składa się z mikrokontrolera 8-bitowego, który posiada możliwość podpięcia różnego rodzaju złączy. Niektóre z nich mają charakter modułów dodatkowych, czyli tzw. shieldów (z języka angielskiego – tarcza). Oryginalne płytki korzystają z układów megaAVR, których jest przynajmniej kilka rodzajów. Płytka to obiekt niewielki i ograniczony pod kątem wielkości układu. Nie posiada np. dodatkowych regulatorów napięcia i innych elementów, które zwiększyłyby jego objętość. Arduino posiada obwód interwera o uproszczonej charakterystyce. Niektóre opcje platformy mogą łączyć się z urządzeniami, które wysyłają sygnały na odległość, np. poprzez moduł Bluetooth. Bez problemu jednak dzięki shieldom można rozszerzyć użyteczność układu i np. dodać poszczególne funkcjonalności, choćby w formie technologii IrDA czy podłączyć pod nie złącze USB.

Ile kosztuje Arduino?

Płytki Arduino nie są przesadnie drogie, szczególnie jeśli mówimy o podstawowym układzie. Produkty będą różnić się swoją ceną i wydajnością oraz wieloma innymi parametrami. Wartość zamówienia będzie zależna od m.in. poniższych czynników.

• Producent – czy platforma jest produkcji Arduino, czy też innego podmiotu bazującego na tego typu rozwiązaniach.
• Mikrokontroler – np. ATmega328 albo Atmega32U4, a więc produkt przeznaczony do różnych zastosować przez użytkownika.
• Pamięć EEPROM – najpopularniejszą obecnie wartością pamięci stosowaną na płytce Arduino jest 1 kB. Oczywiście nie oznacza to, że w użyciu nie znajdują się inne warianty, m.in. 4kB, 0,5 kB czy 0,25 kB.
• Pamięć flash – podobnie, jak w przypadku standardowej pamięci EEPROM. Arduino może być dostępny w wariancie np. 32 kB, 256 kB czy choćby 1 MB pamięci flash.
• Pamięć RAM – produkt może być wyposażony w 2 kB, 2,5 kB czy 32 kB. To również będzie miało wpływ na jego cenę.
• Piny I/O – na płytce może być montowana różna ilość pinów wejścia/wyjścia. Może być to 8, 14, 20, 26 a nawet 54. Układ może mieć także inną parzystą ich liczbę – wszystko zależy od producenta.
• Wejścia analogowe – układ może być wyposażony w 6, 8, 10 czy 12 wejść analogowych umożliwiających zwiększenie jego funkcjonalności.
• Pozostałe oferowane akcesoria i moduły – układ Arduino może posiadać różne moduły i złącza, m.in. moduł WiFi, GSM czy Bluetooth i Ethernet. Płytka może być zasilana złączem microUSB, USB typu C lub DC 5.5/2.1 mm. Niektóre produkty są wyposażone także w dodatkowe obudowy, co zwiększa bezpieczeństwo ich zastosowań. To rónież będzie miało wpływ na cenę.

Popularne, podstawowe wersje referencyjne Arduino, np. wyposażone w mikrokontroler ATmega328 kosztują niespełna 100 złotych. Najdroższe produkty to Arduino wyposażone w zaawansowane moduły dodatkowe. Przykładem takiego układu może być płytka Arduino typu Braccio ++ uzupełniona o rękę robota. Takie ramię można np. programować i uczyć podnoszenia różnych przedmiotów. To świetne narzędzie dla hobbystów oraz uczniów i studentów wykonujących różnorodne projekty. Przykładowo, cena takiego układu może być liczona w tysiącach złotych. Można jednak stworzyć taki prototyp samodzielnie!

W czym programuje się Arduino?

Język Arduino bazuje na zmienionych kodach istniejących już języków C/C++. Opiera się na środowisku Wiring. Choć brzmi to nieco odpychająco, to w rzeczywistości nie ma czego się bać. Większość komend w tym języku ma formę prostych zwrotów zaczerpniętych z języka angielskiego. Jeśli więc konfrontujesz się z programowaniem po raz pierwszy, a z żadnym innym językiem nie miałeś do czynienia wcześniej – to podstawy języka Arduino można przyswoić bez konieczności posiadania zaawansowanej wiedzy informatycznej. Programowanie Arduino możliwe jest dzięki oprogramowaniu Arduino IDE, czyli specjalnego środowiska przeznaczonego do tworzenia, modyfikowania i np. sprawdzania oprogramowania. Jeśli chcemy rozpocząć zabawę, to musimy przede wszystkim posiadać już zakupioną płytkę – polecam wyposażyć się w oryginalną od Arduino, wówczas wspieramy oryginalny włoski projekt. Następnie ściągamy na swój komputer Arduino IDE i podłączamy Arduino do naszego urządzenia. Mikrokontroler umożliwia łatwe programowanie układu.

Wersja Arduino – jakie są płytki Arduino?

Wiele osób wrzuca mikrokomputery typu Raspberry Pi do jednego worka z Arduino. W rzeczywistości jednak są to zupełnie inne, dwa różne układy. Arduino z mikrokontrolerem to proste w obsłudze platformy, które pomagają w programowaniu zarówno najprostszych zdarzeń i połączeń, jak i nieco bardziej złożonych rzeczy, takich jak np. robot. Z kolei Raspberry Pi to mikrokomputer zdolny wykonywać bardzo skomplikowane i wydajne operacje matematyczne. Wśród oficjalnych układów Arduino wyróżnia się te, które zostały wypuszczone na rynek przez firmę-matkę Smart Projects. Niektóre warianty są produkowane przez licencjonowaną firmę z USA, czyli SparkFun Electronics. Przykładowe wersje to np.:

• Arduino Nano,
• Arduino Diecimila,
• Arduino Mega,
• Arduino Uno,
• Arduino Leonardo,
• Arduino Robot,
• Arduino Due.

To tylko niewielki wycinek, bowiem wszystkich wariantów jest kilkadziesiąt. Dzięki możliwości dokonywania modyfikacji – w zasadzie ilość różnych Arduino jest nieograniczona.

Co można zrobić z Arduino Uno?

Jednym z wiodących wariantów układu, tzw. wersją referencyjną, jest Arduino UNO. To najprawdopodobniej najbardziej znana wersja Arduino. Wyposażona została w mikrokontroler ATmega328, czyli nowszą wersją wcześniej opracowanego ATmega16u2. Układ posiada wiele udogodnień i cechuje się wyższą solidnością. W sensie funkcjonalnym nie różni się od poprzedników. Napięcie zasilania wynosi od 6V do 20V. Jeden z najnowszych wariantów to UNO R3. Układ posiada piny wyprowadzone do tzw. shieldów. Shield to nakładka, która rozszerza możliwości płytki. Oprócz tego ta wersja wyposażona została w 20 wejść/wyjść, w tym 14 cyfrowych i 6 analogowych. Posiada niewielkie rozmiary – to dokładnie 68,6 na 53,4 mm. Arduino Uno posiada przycisk resetujący i diody LED. Na płytce znajduje się programowalny interfejs USB. Platforma pozwala na tworzenie wielu pasjonujących projektów. Można przykładowo dzięki nim stworzyć użyteczną stację pogodową – jest to możliwe, jeśli zastosujemy odpowiedni shield. Arduino Uno jest przydatne w kontekście tworzenia robotów, co sprawia, że platforma stanowi wyposażenie wielu szkół i uczelni realizujących program nauczania w zakresie programowania. Jest to także świetny sprzęt dla osób chcących podjąć pierwsze kroki w kontekście zdobycia podstaw wiedzy odnośnie programowania. Warto jednak wcześniej zainteresować się elektroniką, a w zasadzie jej podstawami, ponieważ znacząco ułatwi to pojęcie zasad działania Arduino.

Akcesoria do Arduino

Podstawowa płytka to jedynie przedsmak wsiąknięcia w świat programowania. Dotychczas powstała niezliczona ilość dodatków do Arduino w formie np. nakładek, akcesoriów prototypowych i obudów. Te ostatnie zapewniają mechaniczną ochronę części elektronicznych i pozwalają na zastosowanie płytek w warunkach przemysłowych. Arduino może być wyposażony w czujniki, systemy zasilania i inne shieldy współpracujące z oprogramowaniem. Płytki Arduino mogą być dostępne w wersji sklonowanej. Co to tak naprawę oznacza? Dzięki popularności włoskiego producenta, wiele firm z różnych regionów świata postanowiło stworzyć własne alternatywy. Z uwagi na to, że Arduino to środowisko otwarte, w które każdy użytkownik może ingerować, to bardzo szybko powstało wiele produktów nawiązujących do oryginału. Polecam jednak zakup Arduino od jedynego renomowanego producenta. Dla porównania inne produkty mogą nie być w pełni kompatybilne, a co więcej, nie są aż tak dobrze testowane przed wypuszczeniem na rynek. Co prawda zamienniki są znacznie tańsze – ale użytkownik może natknąć się na wiele trudności użytkowych. Z tego też powodu początkujący programiści powinni wybrać typowo włoskie Arduino.

Arduino – podsumowanie

Arduino to platforma, która wygląda na bardzo niepozorną. Niewielki układ ma jednak nieograniczoną ilość zastosowań. Dzięki płytkom można np. tworzyć autonomiczne roboty, komponować sterowniki oświetlenia czy po prostu uczyć się programowania. Potencjał Arduino jest wykorzystywany m.in. w tworzeniu interaktywnych zabawek dziecięcych, ale równie dobrze może nadawać się do programowania oświetlenia ulicznego czy zarządzania sygnalizatorami ruchu. Co ważne, Arduino to system otwarty, w którym obecnych jest wiele spersonalizowanych modyfikacji. Każdy korzystający może używać Arduino w zasadzie tak, jak tego chce. Ma to swoje minusy – sprzedawanie podrobionych Arduino jest również legalne. W sieci dostępnych jest wiele poradników o różnych stopniach zaawansowania. Oznacza to, że pojęcie podstaw obsługi Arduino nie powinno być trudne.