Do czego można wykorzystać Arduino?

Do czego można wykorzystać Arduino?

Płytki z rodziny Arduino są niezwykle uniwersalnymi modułami na bazie mikrokontrolerów – najczęściej wywodzących się z 8-bitowej rodziny AVR, natomiast niektóre z nich bazują już na wydajnych nowoczesnych procesorach ARM o 2-bitowej architekturze, wysokiej częstotliwości taktowania i naprawdę imponujących rozmiarach pamięci. Dzięki takim parametrom Arduino może być wykorzystywane wszędzie tam, gdzie niezbędne jest użycie dobrego mikrokontrolera, czyli praktycznie rzecz biorąc przy budowie czy też testowaniu większości urządzeń. I choć można wyobrazić sobie wykonywanie gotowych końcowych urządzeń użytkowych na bazie właśnie Arduino i kilku dodatkowych układów elektronicznych odpowiednich do funkcjonalności urządzenia, to znacznie częściej Arduino wykorzystywane jest do celów „mniej oficjalnych”, tzn. prototypowych czy testowych, a nawet edukacyjnych.

Rodzina Arduino – słynne płytki z ogromnym potencjałem

Ogromną zaletą Arduino jest nie tylko fakt, że płytki te są stosunkowo tanie i dobrze wyposażone we wszystkie bloki peryferyjne oraz elementy niezbędne do szybkiego rozpoczęcia pracy z platformą, ale także ogromna dostępność płytek rozszerzających możliwości modułów głównych. Te dodatkowe płytki zyskały wspólną nazwę – Arduino Shield – i oferują naprawdę przeróżne funkcjonalności. Najprostsze są płytki uniwersalne, zawierające jedynie puste, gotowe do dowolnego wykorzystania pola lutownicze i ewentualnie małą płytkę stykową. W kolekcji shieldów znajdują się także np. gotowe sterowniki silników, płytki służące do pomiaru sygnałów analogowych za pomocą czujników, czy nawet płytki wyposażone w kamery z procesorami obrazu.

Arduino IDE – rozbudowane programy w kilku linijkach kodu

Po latach intensywnego rozwoju platforma Arduino stanowi już nie tylko rodzinę kilku modułów głównych z mikrokontrolerami różnego typu, ale cały, potężny ekosystem inżynierski. Oprócz zalet sprzętowych ma on także jeszcze jeden, bardzo mocny atut, który wyróżnia go na tle wszystkich innych platform prototypowych i rozwojowych dostępnych na rynku: Arduino IDE, czyli zintegrowane środowisko programistyczne. Pozwala ono na szybkie tworzenie programów o nawet bardzo złożonej strukturze, a przy tym dostarcza potężną ilość gotowych bibliotek programistycznych. Świetnie napisane przykłady pozwalają szybko zrozumieć działanie poszczególnych modułów bibliotek i zastosować je we własnych projektach programistycznych. Nie sposób pominąć także wsparcia dla dużej i stale rosnącej liczby płytek głównych oraz nakładek. To wszystko sprawia, że platforma Arduino jest chętnie wykorzystywana zarówno przez amatorów, makerów, studentów, uczniów średnich szkół technicznych, jak i przez profesjonalistów, np. inżynierów z firm produkcyjnych, projektowych, a nawet przez naukowców w wielu projektach badawczych.

Łatwość programowania nie czyni z Arduino narzędzia do realizacji wyłącznie prostych celów. Możliwość szybkiego stworzenia niemalże gotowego produktu za pomocą zaledwie kilkunastu czy kilkudziesięciu linijek kodu i przy wykorzystaniu dwóch lub trzech gotowych płytek sprawia, że często projektowanie z wykorzystaniem Arduino staje się jedyną opłacalną opcją. Można wyobrazić sobie, jak skraca się czas projektowania np. nietypowego narzędzia dla celów pomiarowych czy też urządzenia do sterowania określonym urządzeniem czy maszyną, jeśli nie trzeba projektować, produkować ani montować płytki drukowanej dedykowanej do tego zastosowania. Wystarczy połączyć ze sobą moduł główny, jeden lub kilka shieldów i odpowiednio je zaprogramować.

Gotowe nakładki z genialnymi funkcjonalnościami

W pracy z Arduino sporo ułatwień znaleźć można również na poziomie samych nakładek. Jak już wspomnieliśmy wcześniej, niektóre nakładki, np. do obróbki obrazu czy też nakładki z czytnikami linii papilarnych, zawierają wbudowane i zaprogramowane fabrycznie silne procesory do przetwarzania sygnałów. Sprawiają one, że nawet za pomocą tak prostego mikrokontrolera, jak 8-bitowy AVR (np. ATmega328), można opracować w krótkim czasie, przy minimalnym nakładzie pracy na programowanie, np. systemy do rozpoznawania obrazu czy też właśnie do identyfikacji osoby wg odcisków palca. Realizacja tego typu systemów „od zera”, nawet na bardziej złożonym mikrokontrolerze, wymagałaby naprawdę dużych umiejętności programistycznych, natomiast tutaj wystarczy zastosować gotową płytkę i skomunikować się z nią za pomocą prostego programu w Arduino. Właśnie dlatego wiele osób, które dotychczas nie znały podstaw elektroniki ani programowania, wdraża się w te dziedziny bardzo szybko, poprzez realizację konkretnych projektów z Arduino.

Arduino w zastosowaniach amatorskich

Jeden z najbardziej klasycznych przykładów wykorzystania Arduino to budowa wszelkiej maści robotów – od mobilnych, typu line follower czy mini sumo – aż po roboty manipulacyjne, czyli robotyczne ramiona, budowane na wzór dużych maszyn stosowanych na liniach produkcyjnych. Z Arduino możliwa jest realizacja także znacznie bardziej złożonych projektów, np. robotów kroczących, dronów i modeli latających z większym lub mniejszym stopniem autonomiczności (czyli z umiejętnością podejmowania pewnych decyzji samodzielnie, bez udziału operatora). Niejednokrotnie popularne moduły służą także do budowy automatów lub urządzeń codziennego użytku, np. systemów prostej automatyki domowej – takiej jak automatyczne sterowanie roletami za pomocą czujników, telefonów komórkowych i innych urządzeń mobilnych albo programu komputerowego. W projektowaniu elementów inteligentnego domu warto skorzystać z dostępnych na rynku, prostych do programowania i wygodnych w użyciu modułów radiowych, np. WiFi lub Bluetooth. Nietrudno sobie wyobrazić także system automatycznego podlewania kwiatów w doniczce albo monitorowania wilgotności gleby. Na marginesie warto dodać, że nawet do tego celu powstały już specjalne, kompatybilne z Arduino czujniki, np. w formie płytki drukowanej, które wystarczy wbić w glebę. Czujnik mierzy po prostu przewodność gleby, która wiąże się z wilgotnością. Popularna platforma świetnie sprawdza się we wszelkiego rodzaju samodzielnie wykonywanych zabawkach. Do tego celu można wykorzystać specjalne nakładki zapewniające pewien stopień interaktywności, np. czujniki gestów czy czujniki dźwięku, a nawet wspomniane czujniki obrazu (kamery z procesorami obrazu).

Arduino w zastosowaniach profesjonalnych

Arduino doskonale sprawdza się w zastosowaniach profesjonalnych, np. gdy trzeba szybko przetestować dany układ scalony. Dotyczy choćby przetworników cyfrowo-analogowych i analogowo-cyfrowych, a także innych nowoczesnych układów scalonych, które do działania wymagają komunikacji z układem nadrzędnym – np. właśnie mikrokontrolerem. W tym przypadku ogromne wsparcie zapewniają dostępne w internecie biblioteki. Praktyka pokazuje, że w ślad za każdym czujnikiem, który odniesie rynkowy sukces, już wkrótce opracowana zostanie do niego odpowiednia biblioteka. Dzięki temu uruchomienie układu czy też modułu nie wymaga samodzielnego studiowania dokumentacji producenta, która często liczyć może nawet kilkadziesiąt czy kilkaset stron. Wystarczy wgrać odpowiedni szkic (szkicami nazywa się w środowisku Arduino IDE pliki tekstowe z kodami źródłowymi programów) do płytki,podłączyć moduł i sprawdzić działanie w praktyce. Później można oczywiście dowolnie modyfikować ten kod i testować kolejne opcje. Takie podejście znacznie usprawnia wszelkie prace prototypowe – dla porównania: w przypadku programowego drivera dla danego układu na inną platformę (jak STM32 czy Freescale Kinetis) taką pracę trzeba wykonywać najczęściej bez wsparcia gotowych przykładów kodu, co wymaga analizy dokumentacji.

Warto też wspomnieć o wszelkiego rodzaju nietypowych narzędziach czy układach wspomagających codzienną pracę projektowo-uruchomieniową, bazujących na Arduino. Nietrudno wyobrazić sobie np. prosty układ zbierający dane z czterech czy sześciu kanałów analogowych. Napisanie programu, który będzie mierzył napięcie na kilku wejściach i przesyłał wyniki do komputera, w środowisku Arduino zajmuje wprawnemu programiście nie więcej, niż kilka minut. Tego typu programy, w połączeniu z odpowiednimi nakładkami, pozwalają bardzo szybko budować potrzebne w danym momencie przyrządy pomiarowe lub proste sterowniki, np. generujące odpowiednie sygnały w celu przetestowania odpowiedzi projektowanego układu elektronicznego na dane sygnały wyjściowe.

Podsumowanie

Uniwersalność i wszechstronność modułów głównych Arduino wraz z dedykowanymi dla nich nakładkami sprawia, że są one stosowane zarówno w profesjonalnych projektach przemysłowych czy naukowych (np. do prototypowania), jak i w warsztatach amatorskich. W przypadku tej drugiej grupy użytkowników warto pamiętać, że w Internecie znalazło się bardzo wiele gotowych projektów, do których dostępne są zarówno przejrzyście opisane, bardzo proste schematy ideowe, jak i rysunki pokazujące, jak fizycznie połączyć Arduino z danym modułem lub nakładką. Opisy takich projektów zawierają często gotowe kody źródłowe, dzięki czemu uruchomienie danego urządzenia jest błyskawiczne i wymaga jedynie minimalnej znajomości sposobu obsługi Arduino. Dzięki takim materiałom osoby, które dopiero wdrażają się w świat elektroniki i programowania mikrokontrolerów, mogą bardzo szybko zastosować cudze, opracowane już i sprawdzone projekty w praktyce, co stanowi nie tylko sporą motywację, ale także efektywną formę nauki przez praktykę. Jak wiadomo, taka droga jest najlepsza praktycznie w każdej dziedzinie.