Материал из Linuxformat.

Школа LXF Обмен опытом и передовые идеи по использованию свободного ПО в образовании

Содержание 1 Свободные ПО и электроника 1.1 Исходные материалы 1.2 Управляем из Scratch 1.3 Подробнее о Scratch 1.4 Arduino и его родственники 1.5 Не только выход 1.6 Плата для Scratch

Свободные ПО и электроника

Что общего у среды программирования для детей Scratch и свободной вычислительной платформы Arduino? Александр Казанцев даст ответ, сделав управление аппаратными устройствами доступным школьнику.

Программирование – увлекательная вещь, но результат своего труда можно увидеть лишь на экране. То, что можно потрогать физически, вызывает больший интерес, чем виртуальная копия. Изучение алгоритмов дает понятие «исполнителя», что в большинстве детских умов ассоциируется с роботами или хотя бы электронными устройствами. Программируя реальное оборудование и взаимодействуя с ним, учащийся лучше понимает, для чего в принципе нужна программа и как работают вычислительные системы в целом. Наконец, когда какая-то «железка» вдруг выполняет твои команды, или персонажна экране начинает слушаться только что собранной электронной схемы – это просто интересно и познавательно.

И здесь нам помогут свободные ПО и электроника. Проект Arduino (см. врезку) позволит войти в этот мир c минимальными затратами. Единственное «но» – программы (т. н. «скетчи») для используемых в Arduino микропроцессоров (ATMega) пишутся на ассемблере или с использованием специальных трансляторов с других языков. Это уровень студентов вуза, причем продвинутого. Среда Arduino IDE представляет верх минимализма и аскетизма и требует знания языков уровня C или Java. Как применять это в школе?

Спешу вас успокоить – мы будем использовать плату Arduino вместе со Scratch (см. врезку). Scratch – это среда программирования «из кирпичиков», основанная на Logo, и с ней может справиться ребенок, начиная с 10–12 лет (при эмуляции ScratchBoard) или 14–15 лет – в случае Catenary.

Исходные материалы

Итак, нам понадобятся: среда программирования Scratch версии не ниже 1.3 (мы возьмем 1.4.0), плата Arduino (подойдет любая совместимая; у нас была Arduino Duemilanove), светодиоды трех цветов, кнопка, резисторы на 1 кОм (есть в любом магазине радиотоваров) и провода. Не помешают макетная плата или паяльник, хотя можно собрать все, просто скрутив детали (конечно, это не так красиво и надежно). Разумеется, нужен дистрибутив Linux. Вы можете повторить эти действия и под Windows, но разбираться придется самим.

Первым делом установим Scratch. Для этого воспользуйтесь менеджером пакетов вашего дистрибутива или скачайте последнюю версию с сайта проекта (правда, найти ее там непросто).

Установка и настройка ПО для Arduino освещены в номерах LXF, упомянутых во врезке, и этого мы касаться не будем. Не забудьте приготовить саму плату и будьте осторожны при обращении с электроникой – не касайтесь ее голыми руками. Вам это не повредит, но детали можно «убить» статическими электричеством.

Управляем из Scratch

Мы не станем заниматься «настоящим» программированием – взамен, будем управлять платой Arduino напрямую из Scratch, не загружая в нее скетчи. И в этом нам поможет проект Catenary (http://scratchconnections.wik.is/User:Chalkmarrow/Catenary). Распакуйте архив с программой в вашу домашнюю директорию и действуйте по приведенной инструкции.

Сперва подключите Arduino к компьютеру и залейте в нее код, превращающий ее в плату ввода/вывода. Запустите Arduino IDE (обычно командой arduino) и убедитесь, что в меню Tools > Board и Tools > SerialPort выбраны правильная плата и порт. Далее, зайдите в File > Examples > Firmata и выберите StandartFirmata. После того, как скетч откроется, залейте его на плату с помощью File > Upload I/O или кнопки на панели меню. Плата готова к управлению. Не забудьте подключить светодиод к цифровому контакту 13 (одну ножку в GND, другую в DIGITAL 13).

Запустите Scratch, откройте в нем проект, идущий в архиве с программой – Scratch_Catenary1(Blink).sb, и (ни в коем случае не запуская его) включите соединение с удаленным сенсором, выбрав синюю вкладку Сенсоры и кликнув правой кнопкой на любом блоке со словом «сенсор».

Затем запустите Catenary (желательно от имени root, чтобы не иметь проблем с доступом к устройствам, и обязательно после Scratch). Перейдите в директорию Catenary/application.linux/ и скомандуйте:

chmod +x ./Catenary
sudo ./Catenary

В моей системе (EduMandriva) sudo не настроен, и нужно использовать gksu или kdesu.

gksu ./Catenary

Если ваша система – 64‑битная, Catenary откажется работать, сославшись на 32‑битные библиотеки. Чтобы исправить это, создайте символьную ссылку на 64‑битную библиотеку librxtxSerial.so из /usr/lib64/rxtx или /usr/lib64/rxtx-x.y.z. Находясь в одном каталоге с запускаемым файлом, наберите (x.y.z нужно заменить на актуальную версию):

rm ./librxtxSerial.so
ln -s /usr/lib64/rxtx/librxtxSerial.so.x.y.z ./librxtxSerial.so

Кроме того, нужно скомандовать:

rm ./lib/RXTXcomm.jar
ln -s /usr/share/java/RXTXcomm.jar ./lib/RXTXcomm.jar

В процессе написания статьи я обнаружил, что данные передавались на плату, но не влияли на состояние выходов. Несколько часов поисков показали, что дело еще в одной библиотеке. Возьмите файл processing-arduino-0017.zip с LXFDVD и замените библиотеку в /Catenary/application.linux/lib на содержащуюся в архиве (/arduino/library/Arduino.jar), не забыв назвать ее с маленькой буквы. Это может и не потребоваться; но предупрежден – значит, вооружен.

Наконец, появится окно, изображенное выше. Первый слева голубой квадрат – цифровой контакт 2, последний – 13. Серыми квадратиками обозначены аналоговые контакты 0–5 (в нумерации Scratch – 14–19).

Теперь вернитесь к Scratch и попробуйте запустить проект. Если все пойдет нормально, вы увидите мигающий светодиод.

Разберем, как устроена программа. Второй персонаж (Catenary) нужен для обеспечения работы переменных, и трогать его не нужно. Программа пишется в спрайте «кота». Все передаваемые команды начинаются с ^. Сперва идут блоки инициализации платы – задания порта (^arduinoPort) и сброса состояния (^reset).

Далее мы переключаем цифровой контакт 13 на вывод (^pinMode 13 output).

После этого начинаем мигать светодиодом, переводя состояние цифрового канала из выключенного (low) в включенное (high).

Ниже приведена модификация программы, передающая азбукой Морзе сигнал SOS (три коротких, три длинных, три коротких). Чтобы добавить новый текст в блок Передать, щелкните на стрелочке сбоку, выберите Новый, и введите нужный текст.

Подробнее о Scratch

Если вы ранее не сталкивались со Scratch, вам стоит познакомиться с ним поближе. Это новая среда программирования, которая позволяет детям создавать собственные анимированные и интерактивные истории, игры и другие произведения. Scratch базируется на традициях языка Лого и написан на Squeak. В среде Scratch используется метафора кирпичиков Лего, собирать из которых простейшие конструкции могут даже самые маленькие дети. Но, начав с малого, можно развивать и расширять свое умение строить и программировать. Scratch создавался специально для того, что бы подростки 10–16 лет использовали его самостоятельно в сети внешкольного обучения.

На самом деле это больше, чем среда программирования – это инструмент создания интерактивных мультфильмов, музыки, игр, историй, которыми можно поделиться с другими. Дети могут завести себе учетную запись на сайте проекта http://scratch.mit.edu/ и получать/давать доступ к своим проектам из любой точки земного шара. Наличие специального модуля позволяет встраивать проекты Scratch в любой web-сайт (требуется Java), поэтому он может в какой-то мере служить заменой Flash. Вы можете найти больше инфор мации по Scratch на таких сайтах, как http://scratched.media.mit.edu, http://letopisi.ru, http://ru-scarystories.blogspot.com.

Arduino и его родственники

LXF уделял Arduino немало внимания (см. номера 100–101 и 103–106 на http://wiki.linuxformat.ru), поэтому мы остановимся на том, где найти эти устройства в России и как получить помощь на родном языке. Оригинальные платы Arduino появляются (по мере поступления) в интернет-магазине ГНУ/Линуксцентра (http://www.linuxcenter.ru). Существуют два других проекта, выпускающих свои Arduino-совместимые платы: Robocraft (http://robocraft.ru/) и Freeduino (http://freeduino.ru/). На их сайтах проектов можно найти много полезной информации по работе с платой.

Не только выход

Но Catenary позволяет не только управлять цифровыми выходами – вы также можете изменять состояние аналоговых контактов и получать информацию с цифровых и аналоговых входов, то есть подключать внешние датчики.

Попробуем смоделировать двухрежимный светофор: изначально он будет работать как обычный (красный/желтый/зеленый), а по нажатию кнопки – переходить в режим мигающего желтого и обратно.

{Врезка|Содержание= Принципиальная схема нашего светофора.|Ширина=300px}}

Соберите схему, как показано на рисунке (резисторы нужны для устранения дребезга контактов и ограничения тока на светодиодах). После этого создайте нижеследующий программный код, взяв за основу предыдущий проект. Помните, что персонаж Catenary жизненно необходим, и удалять его нельзя.

Разберем алгоритм, который мы применили при создании модели. После инициализации задаются режимы (^pinMode) контактов: мы будем использовать цифровые контакты 10, 11 и 12 для управления светодиодами (зеленым, желтым и красным, соответственно) и цифровой контакт под номером 2 как вход кнопки.

Считывание данных с кнопки происходит через сенсор Pin2. Если его нет в выпадающем списке сенсоров (синяя вкладка Сенсоры), запустите только что набранный код. Как только сенсор фиксирует нажатие, мы изменяем состояние state на противоположное.

После старта мы входим в бесконечный цикл, в котором, в зависимости от значения переменной state, реализуем или дневной режим светофора (state = 0) или ночной («мигалка» – state = 1).

Три переменных (green, red и yellow) определяют, включен ли светодиод соответствующего цвета. Три блока, в зависимости от значения переменных, передают на плату соответствующие уровни для цифровых контактов (high и low).

Вы можете красиво оформить данную модель, сделав реальный светофор, а также доработать программу, обеспечив правильное переключение света – то есть добавив возможность одновременного включения красного и желтого перед зеленым и наоборот. Также можно поэкспериментировать и с задержками сигналов светофора.

Плата для Scratch

Это все, конечно, интересно, но сложновато для школьников 5–6 класса. А можно ли придумать что-то подобное и для них? Да, если потрудиться и собрать на основе Arduino так называемый ScratchBoard. В оригинале это плата PicoBoard, разработанная специально для использования со Scratch и имеющая в нем встроенную поддержку со стороны блоков программирования (http://info.scratch.mit.edu/Sensor_Boards). Проблема в том, что ScratchBoard нужно заказывать из-за рубежа (хотя цена его – не более $50); но с помощью Arduino мы сделаем подобную плату сами. По адресу http://scratch.mit.edu/forums/viewtopic.php?id=28188 можно найти различные варианты реализации и советы. Воспользуемся одним из них: http://www.yengawa.com/scratch_arduino.

Для начала, реализуем не все функции (это тема для отдельной статьи – напишите нам на letters@linuxformat.ru, если такой материал представляет интерес). Мы воспользуемся кнопкой от предыдущего проекта. Позже можно будет добавить датчики освещения, звука, ползунковый резистор и четыре резистивных входа.

Собрав все вместе и подключив к плате, нужно запустить Arduino IDE и залить в устройство прошивку эмулятора, которую можно найти по адресу http://www.yengawa.com/sites/default/files/uploads/ScratchBoard.pde или на LXFDVD.

Далее, запустите Scratch и, щелкнув правой кнопкой мыши по блоку Значение сенсора в синей вкладке Сенсоры, выберите Показать данные ScratchBoard. Затем щелкните правой кнопкой по блоку, возникшему в окне отображения, и выберите порт, к которому подключена ваша плата. Теперь можете проверить, изменяются ли значения сенсоров при взаимодействии с ними. Если все работает, то можно приступать к программированию (блок можно просто скрыть). У вас может возникнуть проблема с доступом к порту, поэтому если после подключения платы ничего не поменялось, дайте в терминале от имени root команду

chown user /dev/ttyUSB0

где user – ваш пользователь, а /dev/ttyUSB0 – порт, к которому подключена плата Arduino.

Теперь можно протестировать нашу видоизмененную программу модели светофора, но уже с использованием возможностей нашей «ScratchBoard» и без реальных светодиодов.

Графический текст программы вы можете найти на LXFDVD (файл ScratchBoard_svetofor.pdf) или (наряду с другими программами) по адресу http://wiki.edumandriva.ru/wiki/index.php/Arduino.

Мы рассмотрели только самые основные моменты использования связки Scratch–Arduino. «За бортом» остались управление двигателями, использование сенсоров, снятие показаний с датчиков и другие не менее интересные вещи. Напишите нам или оставьте сообщение на форуме HTTP://forum.linuxformat.ru, если данная тема вам интересна и ее стоит развивать.