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BBC Micro:bit & Calliope mini

Mit dem BBC micro:bit und dem Calliope mini stehen zwei in erster Linie für den Einsatz in der Schule konzipierte Mikrocontroller-Boards zur Verfügung, wobei der Einsatz außerhalb der Schule bereits durch zahlreiche Anwendungen belegt ist.

Während der BBC micro:bit sich nun bereits seit über einem Jahr bewähren konnte, steht der für den Einsatz in deutschen Schulen angepasste Calliope mini noch am Anfang seiner Bewährungsprobe. Diesbezüglich ist deshalb ein Vergleich kaum möglich und muss sich auf technische Merkmale beschränken.

In der Zeitschrift DESIGN & ELEKTRONIK 01/2018 werden im Beitrag „Mikrocontroller nicht nur für die Schule!“ Gemeinsamkeiten und Unterschiede in der Hard- und Software beider Systeme sowie deren Anwendung beschrieben.

Mikrocontroller nicht nur für die Schule! Design & Elektronik 01/2018, MF40-44

Sobald die Online-Version zugänglich ist, werde ich einen entsprechenden Hinweis platzieren.

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Beacons im Physical Web

Allgemeine Übersicht

Im Physical Web werden Objekten diese Objekte kennzeichnende URLs (= Uniform Resource Locator) zugeordnet. Das bedeutet nichts anderes, als das unter der betreffenden URL im Allgemeinen eine Website zu finden ist, die objektrelevante Daten zur Verfügung stellt.

Die zu erkennenden URLs werden von Objekten in der Umgebung gesendet, so dass dadurch die Objektbezogenheit sichergestellt ist. Jedes Objekt kann mit einem Bluetooth Low Energy (BLE) Beacon, einem leistungsstarken, batteriebetriebenen Gerät, versehen werden, das die betreffenden Inhalte über Bluetooth sendet.

Beacons, die die Eddystone-Protokollspezifikation unterstützen, können URLs und weitere Formate übertragen. Dienste auf dem Mobilgerät des Nutzers, wie Google Chrome oder Nearby Messages, können nach der Übergabe dieser URLs nach diesen suchen und diese anzeigen.

Das Physical Web sorgt unter anderem dafür, dass Nutzer nicht ständig neue Apps auf ihren Mobilgeräten installieren müssen, sondern die Nachrichten auf einer einheitlichen Oberfläche betrachten können. Es lässt sich in nahezu allen Fällen einsetzen, in denen Nutzer an Informationen über ihre Umgebung interessiert sind oder in denen eine Interaktion zwischen ihnen und smarten Objekten nötig ist.

Ausgangspunkt für die Entwicklung der Beacon-Technologie war im Jahr 2013 die Fa. Estimote mit dem ersten BLE Beacon, gefolgt von Apple, die ihre Implementierung iBeacon benannt haben. Diese Beacons senden eine BLE Advertising Message aus, deren Inhalt von einer Empfänger-App dekodiert werden und davon abgeleitet Aktionen auslösen kann

Google ist im Jahr 2015 mit seinem Physical Web Projekt in diese Thematik eingestiegen und erweitert die von den Beacons gesendeten Informationen, so dass zur Aufbereitung der gesendeten Informationen nicht zwangsläufig eine zugeordnete App erforderlich ist.

Im Alltag begegnen uns oft Situationen in denen der Einsatz von Beacons sehr von Vorteil ist.

Nicht jeder Nutzer des öffentlichen Personen-Nahverkehrs kann Informationen zur aktuellen Situation seiner gewünschten Verbindung über dynamische Fahrgastinformations-Anzeiger beziehen. In den Innenstädten werden diese zunehmend eingesetzt.

1024px-Dresden_Hauptbahnhof_-_Haltestelle_der_Straßenbahn_(7033568319)

Autor: IngolfBLN

Auf dem Land werden wohl noch weitere Zeit die traditionellen Haltestellenschilder zu sehen sein.

Haltestellenschild_Jungfernstieg_retouched

Autor: MissyWegner

Bein einem solchen Haltestellenschild, was auch im innerstädtischen Bereich durchaus noch gesehen wird, kann ein installierter Beacon die gewünschten Informationen beispielsweise über eine dynamisch aktualisierte Website mit Fahrplaninformationen bieten.

Neben diesen Anwendungen haben die Marketing-Strategen die Mächtigkeit dieser Beacon-Lösungen schon lange erkannt. So kann beispielsweise beim Betreten eines Supermarktes gezielt auf Sonderangebote hingewiesen und das Kaufverhalten beeinflusst werden.

Nach diesen eher anwendungsorientierten Bemerkungen kann sich jeder selbst Gedanken über den Einsatz von Beacons machen.

Kommerzielle Beacons

In den kommerziellen Angeboten findet man zahlreiche Beacons, bei denen leider nicht immer klar hervorgeht, ob sie auch das Eddystone Profile unterstützen. Ich habe mit zwei Beacons der chinesischen Fa. AprilBrother experimentiert.

CardBeacon

Kern des CardBeacons ist ein DA14580 SoC der Fa. Dialog – ein Cortex-M0 mit einem BLE Core. Es wird die zumindest doppelte Batterielebensdauer gegenüber den als Standard geltenden Nordic nrf51822 Chips versprochen und soll mit den Default-Einstellungen drei Jahre betragen. Eine Batterie CR3032 (500mAh) ist im CardBeacon integriert.

CardBeacon ist iBeacon-zertifiziert und unterstützt damit alle iBeacon-Funktionen. UUID, Major, Minor und das Advertising Intervall sind konfigurierbar.

cardbeacon1

CardBeacon im Scheckkartenformat

Dieser CardBeacon hat die Grundfläche einer Kreditkarte. Die Dicke der Karte beträgt allerdings 5.8 mm. Hier sind die technischen Daten des CardBeacons nachzulesen.

AprilBeacon 202

Der AprilBeacon 202 kann wie bereits der CardBeacon im iBeacon-, Eddystone-UID- oder Eddystone-URL-Mode betrieben werden.

AprilBeacon

AprilBeacon mit dem Abmessungen 40 mm x 40 mm x 15 mm

AprilBeacon App

Die AprilBeacon App ist ein herstellerspezifisches Tool zur Konfiguration der von diesem Hersteller angebotenen Beacons. Auf der Website des Herstellers findet man die Links zu Apples App Store und zu Googles Playstore.

Beacon Tools

Zur Inbetriebnahme bzw. zur Konfiguration von Beacons bedarf es in der Regel spezieller Tools, die meist herstellerspezifisch sind. Die AprilBaecon App war ein solches Tool.

Ansonsten ist es hilfreich mindestens einen BLE Scanner und die Physical Web App auf seinem Smartphone zu installieren, die für Android in Google’s Playstore zu finden sind.

In Googles Playstore findet man ausserdem zahlreiche BLE Scanner. Ich habe die Tools von Bluepixel Technology und Nordic Semiconductor ausgesucht und verwendet. Mit der Physical Web App kann man schließlich die übertragenen URL einfach sichtbar machen.

BLE Implementierungen

Es gibt derzeit ein recht breites Spektrum an Hardware, bei der bereits ein BLE Modul installiert ist. Das Spektrum reicht dabei von einfachen Mikrocontrollern bis hin zu leistungsfähigen Linux-Devices. Zu nennen sind u.a. BBC micro:bit & Calliope mini, pycom WiPy und Linux Devices , wie Raspberry Pi 3, Raspberry Pi Zero W und C.H.I.P.

Dieser Abschnitt zeigt für BBC micro:bit & Calliope mini die erforderliche Software-Installation, um einen Eddystone-URL Beacon zu erstellen. Das Ergebnis ist für alle Implementierungen identisch – eine über BLE übertragene URL, die von einem Smartphone, Tablet oder anderem BLE-tauglichen Equipment empfangen und ausgewertet werden kann.

Seit einem Jahr ist der BBC micro:bit genannte Mikrocontroller der BBC verfügbar und unter Schülern und Lehrer in Großbritannien recht verbreitet. In Deutschland hat sich die gemeinnützigen Calliope GmbH das Ziel gesteckt, mit dem Calliope mini einen für die Anforderungen der Grundschule geeigneten Mikrocontroller bereit zu stellen, wobei sich dieser am BBC micro:bit orientiert.

Beide Mikrocontroller-Boards sind technisch vergleichbar ausgestattet und weisen als Kern einen nRF51822 Mikrocontroller von Nordic Semiconductors auf.

Preise und Bezugsmöglichkeiten sind in der nachfolgenden Tabelle gelistet.

Mikrocontroller BBC micro:bit Calliope mini
Preis EUR 16,85 EUR 35,00
Lieferant http://www.exp-tech.de

Zur Programmierung der beiden Mikrocontroller-Boards stehen ein JavaScript Blocks Editor und MicroPython zur Verfügung. Will man BLE nutzen, dann steht MicroPython leider nicht zur Verfügung da der BLE-Stack zu viel RAM benötigt.

Unser micro:bit (oder Calliope mini) Beacon soll nun eine URL aussenden, die auf die verwendete Programmierumgebung, den Java Script Blocks Editor, verweist. Die URL lautet im Original https://makecode.microbit.org/ und verkürzt https://goo.gl/8Hcntr.

Die folgende Abbildung zeigt die vom Java Script Blocks Editor verwendeten Blöcke.

microbit - Eddystone URL senden

Um BLE zur Verfügung zu haben, muss über Add Package zu Beginn noch das BLE Paket nachinstalliert werden.

Da hier mit einer sicheren Webseite gearbeitet wurde, ist die versendete URL auch als (weitere) Nearby Message sichtbar und kann vom Smartphone direkt aufgerufen werden.

Nearby4

 

Grove Shield für BBC Micro:bit

Mit dem Grove Shield erschließt sich dem BBC Micro:bit Controller die ganze Familie der Grove Sensoren und Aktoren auf sehr einfache Weise.

Grove i2C Shield

Folgende Interfaces stehen nach aussen hin zur Verfügung:

DC Interfaces Micro USB x1
Grove Interface P0/P14,P1/P15,P2/P16,I2C
Grove ZERO Interface Grove ZERO x1
Logic Interface 3V3/P0/P1/P2/P8/P12/P13/GND

Mit einem Grove I2C Hub kann die Zahl der anschließbaren I2C Devices erweitert werden .

Dezentrale Temperaturerfassung mit Calliope mini in Python

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

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.

Abgesetzter Temperatursensor mit micro:bit radio

Micro:bit ist zwar BLE tauglich, doch unter Python reichen die Ressorcen für den BLE-Stack nicht aus und es bleibt die micro:bit radio Verbindung.

Zur abgesetzten Temperaturmessung kann ein micro:bit als Sensorknoten und eine weiterer als Empfängerknoten genutzt werden. Die Message des Sensors wir hier als Broadcast versendet.

Das Python-Programm des Sensors ist:

# Measuring chip temperature on micro:bit & output to radio
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(5000)

Das Python-Programm des Empfängers ist:

# Receiving chip temperature from a micro:bit sensor node & output to console
from microbit import *
import os
import radio

uart.init()
uart.write(os.uname().machine +" get 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()
 display.scroll(str(temp)+" C")
 uart.write("micro:bit chip temperature = "+str(temp)+" C\r\n")
 sleep(1000)