|
|
 |
|
|
|
Energetyka, Automatyka przemysłowa, Elektrotechnika
|
|
|
|
|
|
|
W branży elektronicznej czas upływa szybko. Rodzina wbudowanych komputerów jednopłytkowych (SBC) o otwartym kodzie źródłowym Arduino powstała w 2005 roku jako prosta w użyciu platforma dla artystów, twórców rozwiązań i hobbistów. Wkrótce będzie obchodzić swoje dwudziestolecie. W przeciwieństwie do wielu komputerów SBC z tej samej epoki, platforma Arduino oferowała podejście bardziej zbliżone do bare-metal zamiast wymagać systemu operacyjnego Linux. Dlatego też łatwość łączenia sprzętu okazała się kluczowym wyróżnikiem, który pomógł wprowadzić nowy typ twórców i hobbistów do kodowania i interakcji ze światem rzeczywistym. Jednym z wcześniejszych produktów Arduino była płytka Arduino Duemilanove, oparta na 8-bitowym mikrokontrolerze AVR firmy Atmel. Pierwotnie została stworzona z myślą o studentach projektowania interakcji i oferowała kompletne funkcje sprzętowe, dopełnione przyjaznym dla użytkownika, wszechstronnym środowiskiem programistycznym, które obsługiwało biblioteki innych firm.
Pierwsze płytki Arduino pozostawiły po sobie trwałe dziedzictwo, przez lata zachęcając wielu uczniów do angażowania się w projektowanie sprzętu i kodowanie. Nadejście ery komputerów osobistych spowodowało, że zainteresowanie majsterkowaniem w elektronice spadło, lecz produkty Arduino to zmieniły. Wcześni użytkownicy szybko odkryli, że jest to prosta platforma obliczeniowa, która umożliwia im miganie diodami LED lub automatyczne podlewanie roślin domowych przy użyciu garstki zewnętrznych komponentów i kilku linijek kodu.
Produkty Arduino szybko zdobyły dużą popularność dzięki układowi pinów, który umożliwił dołączanie w stos dodatkowych modułów zwanych shieldami. Podejście oparte na otwartym kodzie źródłowym zmotywowało firmy, by dostarczać swoje układy scalone i moduły w formacie Arduino Shield. Dostępne są tysiące różnych shieldów – od prostych płytek drukowanych bez elementów, przeznaczonych do prototypowania, aż po wysoce zintegrowane akcelerometry i moduły bezprzewodowe. Mimo że początkowo firma Arduino kierowała swoje płytki i shieldy do majsterkowiczów i hobbistów, największe uznanie zyskała, gdy producenci półprzewodników zaczęli dostarczać profesjonalne płytki ewaluacyjne i deweloperskie ze złączami w formacie shield Arduino. Niektórzy dostawcy zaoferowali swoje płytki deweloperskie w formacie shield wraz z przykładowym kodem Arduino.
Przez lata firma Arduino wprowadziła na rynek ponad 100 wariantów oryginalnej płytki. Niektóre z nich miały konkretne przeznaczenie, jak np. Lilypad, czyli malutka okrągła platforma zaprojektowana do wbudowania w e-tekstylia i urządzenia ubieralne. Niektóre starsze płytki zostały wycofane z oferty Arduino i zastąpione nowszymi, innowacyjnymi platformami o zwiększonych możliwościach.
Podejście Arduino oparte na otwartym kodzie źródłowym zachęciło również inne organizacje do tworzenia własnych płytek w formacie Arduino UNO R3, co dodatkowo przyspieszyło przyjęcie przez majsterkowiczów i przyczyniło się do globalnej innowacji. Dostępność platformy Arduino dla każdego użytkownika komputera stacjonarnego lub laptopa z pomysłem na nowy produkt zachęciła nowe pokolenie przedsiębiorczych umysłów do działania i wstrząsnęła tradycyjnym cyklem rozwoju w branży systemów wbudowanych.
Niezależnie od tego, czego potrzebujesz w swoim projekcie, płytka Arduino jest idealnym rozwiązaniem. Oferta podzielona jest na cztery kategorie: Classic, Nano, MKR i Mega, z których każda ma inny format i asortyment uzupełniających ją shieldów.
Rodzina produktów Classic obejmuje kilka oryginalnych płytek Arduino; niektóre z nich oferują zaktualizowane funkcje, lecz zachowują legendarną prostotę obsługi i elastyczność projektowania.
Arduino UNO R3 (ilustracja 1) bazuje na 8-bitowym mikrokontrolerze AVR ATmega328p firmy Microchip Technology (dawniej Atmel). Płytka oferuje zbalansowany zestaw analogowych i cyfrowych wejść/wyjść oraz zasobów obliczeniowych, które pasują do szerokiej gamy projektów. UNO była tradycyjnie pierwszą płytką Arduino, od której zaczynało wielu innowatorów. Zawiera ona 14 cyfrowych pinów we./wy. (z czego sześć konfigurowalnych jako wyjścia PWM), sześć wejść analogowych i zegar kwarcowy 16 MHz. Mikrokontroler ma wstępnie zaprogramowany bootloader, który umożliwia programowanie za pomocą bezpłatnego zintegrowanego środowiska programistycznego (IDE).
Ilustracja 1. Płytka mikrokontrolera Arduino UNO R3. Widoczne listwy stykowe, które mają uniwersalny układ do shieldów UNO (źródło: Arduino)
Jednym z nowych dodatków do linii produktów UNO jest Arduino UNO R4 Wi-Fi (ilustracja 2). Płytka UNO R4 Wi-Fi zachowuje ten sam format i wyprowadzenia shield co UNO R3. Jest oparta na mikrokontrolerze Renesas RA4M1 z 32-bitowym rdzeniem Arm® Cortex-M4, 256 kB pamięci flash i 32 kB pamięci RAM. Płytka zawiera również układ SoC Espressif ESP32-S3 Wi-Fi® i Bluetooth®, który znacząco rozszerza jej funkcje.
Ilustracja 2. Komputer jednopłytkowy Arduino UNO R4 Wi-Fi oparty na 32-bitowym mikrokontrolerze Renesas RA4M1 (źródło: Arduino)
Model UNO R4 Wi-Fi jest wyposażony w matrycę LED 12×8, złącze Qwiic ułatwiające łączność I²C, 12-bitowy przetwornik cyfrowo-analogowy i wzmacniacz operacyjny (zawarty w RA4M1). RA4M1 działa z częstotliwością 48 MHz, a ESP32 z częstotliwością 240 MHz. UNO R4 Wi-Fi jest zasilany z gniazda USB napięciem 5 V lub z okrągłego gniazda DC, które przyjmuje napięcia od 6 V do 24 V. Jego interfejsy dla urządzeń peryferyjnych obejmują I²C, SPI, UART i CAN.
Przykładem shielda kompatybilnego z UNO jest Arduino 4 Relays Shield (ilustracja 3). Rozszerzając obciążalność 8 mA pinów cyfrowych, cztery przekaźniki na shieldzie umożliwiają sterowanie obciążeniami o większej mocy. Każdy przekaźnik zapewnia dwubiegunowe przełączanie ze stykami normalnie otwartymi. Diody LED wskazują stan każdego przekaźnika. Styki przekaźników są połączone równolegle, aby zwiększyć obciążalność do 60 W (30 V przy 2 A). 4 Relays Shield pobiera zasilanie z macierzystej płytki UNO, wymagając maksymalnie 140 mA, gdy wszystkie cztery przekaźniki są włączone.
Ilustracja 3. Arduino 4 Relays Shield umożliwia sterowanie obciążeniami o większej mocy niż pozwalają na to wyjścia cyfrowe (źródło: Arduino)
Rodzina produktów Nano to zróżnicowana, wysoce zintegrowana linia 12 kompaktowych i niedrogich płytek o wymiarach 45 mm × 18 mm. Urządzenia Nano idealnie nadają się wszędzie tam, gdzie potrzebne są niewielkie rozmiary i bogactwo funkcji, jak np. w urządzeniach ubieralnych, robotyce i muzyce elektronicznej. Przykładowo, płytka Arduino Nano Every – choć znacznie mniejsza niż UNO – jest wyposażona w mocniejszy 8-bitowy mikrokontroler Microchip ATMega4809 działający z częstotliwością 20 MHz i dysponujący 48 kB pamięci flash. Interfejsy urządzeń peryferyjnych obejmują osiem pinów analogowych i 14 cyfrowych oraz magistrale szeregowe UART, SPI i I²C. Wiele płytek Nano ma wbudowane sensory, takie jak czujniki środowiskowe, czujniki gestów i mikrofony cyfrowe. Można je również programować w języku MicroPython i mogą obsługiwać algorytmy uczenia maszynowego.
Innym przykładem płytki Nano jest Arduino Nano 33 BLE Sense (ilustracja 4), która zawiera moduł bezprzewodowy u-blox NINA B306 Bluetooth Low Energy i Bluetooth 5 wyposażony w bezprzewodowy SoC Nordic Semiconductor nRF52840 z rdzeniem Arm Cortex-M4F.
BLE Sense zawiera 9-osiową inercyjną jednostkę pomiarową (IMU), czujniki środowiskowe (temperatury, wilgotności, ciśnienia, światła otoczenia i koloru) oraz czujnik gestów.
Ilustracja 4. Płytka Arduino Nano 33 BLE Sense jest obsługiwana przez platformę uczenia maszynowego TinyML, Edge Impulse (źródło: Arduino)
Płytkę Nano 33 BLE Sense obsługuje platforma uczenia maszynowego Edge Impulse. Potencjalne zastosowania TinyML dla tej płytki obejmują urządzenia ubieralne rozpoznające ruchy oraz systemy rozpoznawania gestów lub głosu.
Rodzina produktów Arduino MKR koncentruje się na komunikacji bezprzewodowej, w tym protokołach LPWAN, takich jak LoRa, Sigfox i komórkowy NB-IoT. Wszystkie płytki w formacie MKR mają wymiary 61,5 mm × 25 mm i zawierają 32-bitowy mikrokontroler Microchip SAMD21 o niskim poborze mocy z rdzeniem Arm Cortex-M0.
Przykładową płytką MKR jest Arduino MKR NB 1500 (ilustracja 5) do wąskopasmowego IoT komórkowego, zaprojektowana do wykorzystania łączności komórkowej LTE Cat M1/NB1. Płytka działa pod napięciem zasilania 3,3 VDC i oferuje 22 cyfrowe piny GPIO, 12 wyjść PWM, siedem wejść analogowych (8/10/12-bitowych) i jedno 10-bitowe wyjście analogowe. Interfejsy szeregowe obejmują UART, SPI i I²C. Płytka MKR NB 1500 jest idealnym rozwiązaniem do zastosowań w odległych lokalizacjach z ograniczonymi opcjami łączności i zasilaniem bateryjnym.
Ilustracja 5. Arduino MKR NB 1500 łączy się z wąskopasmowymi sieciami komórkowymi LTE Cat1 M1/NB1 (źródło: Mouser Electronics)
Rodzinę MKR wspiera szereg shieldów i płytek bazowych zapewniających dodatkową funkcjonalność, np. GNSS, interfejs sieciowy Ethernet, sterowanie silnikami i matrycę LED RGB.
Rosnąca renoma Arduino jako niezawodnej i elastycznej platformy sprawiła, że pojawienie się gotowych do produkcji płytek do zastosowań przemysłowych i komercyjnych było tylko kwestią czasu. Seria Arduino Pro spełnia wymagania zarówno doświadczonych, jak i początkujących producentów sprzętu przemysłowego IoT, którzy muszą szybko opracowywać i wdrażać systemy. Produkty z tej serii stanowią prostą, szybką i bezpieczną platformę do tworzenia aplikacji IoT, obejmującą sprzęt, oprogramowanie i platformy łączności w chmurze. Asortyment Arduino Pro zawiera złożone biblioteki, które rozwiązują wiele wyzwań związanych z łącznością przemysłową, takich jak łączenie się ze starszymi urządzeniami Fieldbus i Modbus. Dostępne są trzy rodziny produktów Arduino Pro – Portenta, Nicla i Opta – z których każdą obsługuje szereg shieldów i płytek bazowych.
Portenta to seria przeznaczonych do zastosowań przemysłowych płytek Arduino o dużej wydajności, wyposażonych w dwa asymetryczne rdzenie, które mogą jednocześnie uruchamiać kod wysokiego poziomu, taki jak stosy protokołów, algorytmy uczenia maszynowego czy języki interpretowane, np. MicroPython lub JavaScript, jednocześnie z niskopoziomowymi zadaniami czasu rzeczywistego.
Ilustracja 6 przedstawia płytkę Arduino Portenta H7 wyposażoną w rdzeń Arm Cortex-M7 480 MHz i rdzeń Arm Cortex-M4 240 MHz, które mogą płynnie komunikować się za pomocą zdalnych wywołań procedur. Procesory współdzielą wszystkie dostępne urządzenia peryferyjne, a szkice Arduino mogą działać w systemie operacyjnym Arm Mbed™. Portenta H7 obsługuje uruchamianie algorytmów uczenia maszynowego TensorFlow Lite na jednym z rdzeni, tworząc aplikację do widzenia maszynowego. H7 ma również wbudowany akcelerator GPU Chrom-ART, który pozwala na obsługę zewnętrznego monitora oraz dedykowane kodery i dekodery JPEG.
Ilustracja 6. Płytka Arduino Portenta H7 jest wyposażona w dwa wydajne rdzenie procesora (źródło: Arduino)
Wbudowane opcje łączności Portenta H7 obejmują AP/STA dual-mode, jednoczesne Wi-Fi zdolne do obsługi prędkości transferu do 65 Mb/s oraz łączność Bluetooth Classic / Bluetooth Low Energy. Interfejsy magistrali szeregowej i sieciowe, takie jak UART, SPI, I²C i Ethernet, są dostępne za pośrednictwem złącza MKR lub nowej pary 80-stykowych złączy przemysłowych Arduino.
Seria malutkich płytek Nicla (ilustracja 7) o wymiarach 22,86 mm × 22,86 mm to najmniejsze płytki Arduino do zastosowań przemysłowych. Przeznaczone do zasilania bateryjnego oraz uczenia maszynowego na brzegu sieci, płytki o niskim poborze mocy z serii Nicla są wyposażone w czujniki klasy przemysłowej, oferując kompletne rozwiązanie w kompaktowej obudowie.
Ilustracja 7. Malutka płytka Arduino Nicla Sense ME ma wymiary zaledwie 22,86 mm × 22,86 mm (źródło: Arduino)
Przykładową płytką z tej serii jest Nicla Sense ME. Kładąca nacisk na detekcję ruchu (M od „motion”) i monitorowanie środowiska (E od „environmental”) płytka wykorzystuje system na chipie Nordic Semiconductor 64MHz Arm Cortex M4 nRF52832 Bluetooth. Wbudowane czujniki firmy Bosch obejmują BHI260AP – samouczący się inteligentny czujnik ze zintegrowanym akcelerometrem i żyroskopem, cyfrowy czujnik ciśnienia BMP390, czujnik geomagnetyczny BMM150 oraz cyfrowy czujnik gazu, ciśnienia, temperatury i wilgotności BME688 ze sztuczną inteligencją. Nicla Sense ME doskonale sprawdza się w zastosowaniach przemysłowych, takich jak konserwacja predykcyjna i monitorowanie stanu.
Arduino Opta jest owocem współpracy z firmą Finder, zajmującą się kontrolą przemysłową. Opta to montowany na szynie DIN programowalny sterownik logiczny (PLC) dedykowany do zastosowań przemysłowych i automatyzacji budynków. Bazująca na dwurdzeniowym mikrokontrolerze STM32H747XI Arm Cortex-M7 i Arm Cortex-M4 firmy STMicroelectronics płytka Opta jest dostępna w trzech wariantach. Opta Wi-Fi PLC (ilustracja 8) jest wyposażona w interfejs sieciowy Ethernet, interfejs szeregowy RS485 w trybie półdupleksu oraz łączność Wi-Fi / Bluetooth Low Energy.
Ilustracja 8.Arduino Opta Wireless zawiera cztery przekaźniki, z których każdy może przełączać obciążenia do 2,3 kW (źródło: Arduino)
Opta obsługuje bezpieczne aktualizacje oprogramowania sprzętowego drogą bezprzewodową (OTA) zgodne ze standardem X.509 przy użyciu zintegrowanego elementu bezpiecznego. Oprócz standardowego środowiska programistycznego Arduino, płytkę Opta można programować za pomocą IDE Arduino PLC. Opta może wykorzystywać pięć metod programowania zdefiniowanych w normie IEC 61131-3 i zawiera cztery przekaźniki zdolne do przełączania 2,3 kW każdy.
Programowanie płytek Arduino jest tak proste, jak to możliwe. Do wyboru są dwie opcje: można skorzystać z dostępnego do pobrania IDE dla systemu Microsoft Windows, Apple macOS lub Linux, alb użyć edytora Arduino Web w przeglądarce. Program Arduino, zwany szkicem (sketch), to zasadniczo program w języku C, umożliwiający dołączenie nagłówka biblioteki i plików źródłowych – z których wiele jest już załadowanych do Arduino IDE. Zewnętrzni producenci shieldów zazwyczaj udostępniają linki do odpowiednich sterowników i bibliotek gotowych do dodania do IDE.
Platforma Arduino IoT Cloud (ilustracja 9) to idealne rozwiązanie do bezpiecznego podłączania i konfigurowania urządzeń oraz przechowywania, analizowania i prezentacji danych z czujników. Niezależnie od tego, jaki projekt Arduino realizujesz – od domowej maszyny do podlewania roślin IoT aż po wdrożenie na skalę przemysłową – Arduino IoT Cloud stanowi kompleksowe rozwiązanie IoT.
Ilustracja 9. Arduino IoT Cloud to kompleksowe rozwiązanie, zaspokajające wymogi każdego zastosowania (źródło: Arduino)
| REKLAMA |
|
|
| REKLAMA |
|
|
