Plug and Make Kit – Ein modulares Konzept für Arduino

Das Arduino Plug and Make Kit ermöglicht es, Erweiterungsmodule auf einem I²C-Bus für schnelles Prototyping mit Arduino zu mutzen. Das neue Konzept, das sich an Einsteiger und Maker gleichermaßen richtet, ermöglicht es dem Benutzer, schnell intelligente, Cloud-basierte, vernetzte IoT-Anwendungen zu erstellen.

Das ursprüngliche Arduino-Konzept wurde vor etwa fünfzehn Jahren entwickelt. Es basierte auf einer Mikrocontrollerplatine mit Erweiterungsplatinen, den so genannten Shields, die auf die Hauptplatine aufgesteckt wurden. Ein Shield fügt Funktionalität in Form eines Sensors, eines Motortreibers, eines Relais oder etwas ganz anderem, zum Beispiel eines Display hinzu. Shields können übereinander gestapelt werden, um ein kompaktes, gestapeltes Mikrocontroller-System zu schaffen. Dadurch wurde und wird Arduino zu einem praktischen Werkzeug für die schnelle Entwicklung von Prototypen. Im Laufe der Jahre haben Arduino-Benutzer Hunderte – wenn nicht Tausende – von Shields entwickelt.

Phoenix aus der Asche: der I²C-Bus

Die Technik entwickelt sich jedoch ständig weiter, und der altehrwürdige I²C-Bus, der schon bei der Geburt von Arduino etwas verstaubt wirkte und in Vergessenheit geraten war, hat sich inzwischen zu einem De-facto-Standard für den Anschluss aller möglichen Komponenten an Mikrocontroller entwickelt. Heute gibt es eine Fülle von I²C-basierten Erweiterungsmodulen, mit denen Sie schnell Anwendungen erstellen können, indem Sie sie an den I²C-Port des Mikrocontrollers anschließen.

Nur Narren ändern nie ihre Meinung

Der Arduino UNO hatte schon immer einen I²C-Anschluss. Ursprünglich war er eine Art Peripherieanschluss, der „einfach so“ verfügbar war, bevor er seine eigenen Pins an der Erweiterungsleiste bekam. In der neuesten Version, dem UNO R4 WiFi, bekam der I²C-Anschluss auch einen eigenen Anschluss (kompatibel mit der Qwiic-Spezifikation von SparkFun). Mit dem neuen Plug-and-Make-Kit hat Arduino die I²C-Methode für schnelles Prototyping nun vollständig übernommen. Das Stapeln von Shields ist natürlich auch weiterhin möglich.

Das Plug and Make Kit

Das Plug and Make Kit basiert auf dem Arduino UNO R4 WiFi und einer Familie von Erweiterungsmodulen namens Modulino (Singular wie Plural). Ein Modulino bietet eine Funktion wie einen Sensor, eine Taste, eine oder mehrere LEDs, und so weiter. Zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Artikels gibt es sieben davon (von innen nach außen in Bild 1) mit den Namen Buzzer (Summer), Buttons (Tasten), Thermo (Temperatur und Feuchte), Pixels (LED-Reihe), Movement (Bewegung), Distance (Abstand) und Knob (Drehknopf). Die Modulino werden nicht an die Erweiterungsstecker des Shields angeschlossen, sondern an den Qwiic-I²C-Port des UNO R4 WiFi. Modulino können in Reihe geschaltet werden, um komplexere Anwendungen zu erstellen.

Cloud-Unterstützung und IoT mit dem Plug and Make Kit

Ähnliche Systeme gibt es zwar schon seit einigen Jahren, aber das Plug and Make Kit von Arduino geht noch ein Stück weiter. Da Arduino ursprünglich aus dem Bildungsbereich stammt, wird das Plug and Make Kit von einer cloudbasierten Lernumgebung unterstützt. Diese soll dem Nutzer nicht nur den schnellen Einstieg erleichtern, sondern ist auch das Basislager für seine IoT-Anwendungen. Es wurde viel Aufwand betrieben, um die Nutzung der Cloud so einfach wie möglich zu gestalten.

Modulino zeigt sich offen

Der zweite Unterschied zu anderen I²C-basierten Prototyping-Systemen besteht darin, dass Modulino-Platinen auch mit anderen Arduino-Boards und Systemen von Drittanbietern verwendet werden können, da der winzige Qwiic-Verbinder dank Lötpunkten für einen 4-Pin-Anschluss mit 0,1″-Raster auch überbrückt werden kann. Somit lässt sich bei Bedarf einfach ein Modulino mit einem anderen System verbinden, indem man Drähte anlötet (Achtung, Modulino benötigt 3,3 V).

Moment, es gibt da noch eine MCU…

Ein dritter interessanter Unterschied ist, dass Modulino, die ein Gerät ohne I²C-Anschluss enthalten, z. B. einen Taster oder einen Summer, mit einem ARM-Cortex-M0-Mikrocontroller vom Typ STM32C011F4 ausgestattet sind, der den I²C-Anschluss bereitstellen. Einige der Pins dieser MCU sind über eine Reihe von Kontakten an der Seite des Modulino zugänglich. Daher kann dieser Modulino unabhängig und sogar als Hauptcontroller in einer Modulino-Kette verwendet werden.

Trotzdem stapeln

Und schließlich hat Arduino das Konzept des Stapelns nicht ganz aufgegeben, denn auch Modulino können gestapelt werden. Das ist möglich, weil sie alle die gleiche Grundfläche (oder den gleichen Formfaktor, wie man heute sagt) haben und sich der bereits erwähnte lötbare I²C-Anschluss immer an der gleichen Stelle befindet. Auf diese Weise kann man ein kompaktes, gestapeltes Gerät realisieren, das z. B. aus Tasten-, Summer-, Bewegungsmelder- und Thermo-Modulino besteht (Bild 2). Das Anwendungsprogramm kann entweder auf der MCU des Buttons- oder des Buzzer-Moduls (oder auf beiden) ausgeführt werden.

Der Einstieg mit dem Plug and Make Kit

Für den Einstieg in dieses neue Konzept hat Arduino ein Kit zusammengestellt, das einen Arduino UNO R4 WiFi, die sieben oben genannten Modulino und eine Modulino-Basis enthält. Die Basis ist eine 14 × 14 cm große Platine, auf die Sie den UNO R4 WiFi und die für Ihre Anwendung benötigten Modulino montieren können. Schrauben, Muttern und vier Abstandshalter sind im Lieferumfang enthalten. Das Kit enthält auch Qwiic-Verbindungskabel und ein USB-C-Kabel (mit einem USB-C-auf-A-Adapter, nicht in Bild 3 gezeigt).

Die Qualität zeigt sich im Detail

Arduino gibt sich immer sehr viel Mühe mit der qualitativen Gestaltung der Produkte, dem Design und den Details, und das Plug and Make Kit ist hier keine Ausnahme. Das merkt man sofort, wenn man den Karton öffnet. Alles sieht toll aus, passt perfekt und nichts wirkt billig gemacht. Zum Beispiel ist der Drehknopf auf dem Knob-Modulino solide gestaltet. Der Druck auf den Platinen ist sauber und gut lesbar. Alle Platinen haben Orientierungsmarkierungen (eine weiße Ecke). Die Pappbox für die Modulino Base hat Löcher und Schnittmarkierungen, sodass man sie zur Aufbewahrung des zusammengebauten Projekts in der gleichen Verpackung verwenden kann, in der es auch geliefert wurde (Bild 4).
 

Lob für das PCB-Artwork

Als Ingenieur mit starkem Interesse an Platinendesign konnte ich nicht umhin, das Artwork auf der Rückseite der Modulino-Basis zu bewundern (Bild 5), ein farbenfrohes geometrisches Muster, das aus Quadraten besteht. Die Farbe eines Quadrats wird durch die (plattierte) Kupferschicht der Platine, die Lötstoppmaske und zwei Siebdruckschichten bestimmt, anstatt einen Vollfarbsiebdruck aufzutragen (was einige Pooling-Dienste inzwischen vorschlagen). Einige Farben werden durch das „Mischen“ von Schichten erzielt. Das gefällt mir sehr gut!

Auf der Modulino Base kann es eng werden

Alle Modulino-Platinen können miteinander verbunden werden, aber keines der vorgeschlagenen Einstiegsprojekte erfordert alle Module auf einmal. Deshalb könnte die Grundplatte etwas eng erscheinen, wenn man versucht, alle sieben Modulino zu montieren und zu verbinden (Bild 6). Aus demselben Grund gibt es nicht genug Schrauben (24) und Muttern (20), um alle 36 Befestigungslöcher (einschließlich der vier Abstandshalter) zu sichern. Das ist aber kein Problem, da zwei Schrauben pro Modulino bzw. UNO R4 WiFi ausreichen. Wenn Sie Ihre eigene Idee mit allen sieben Modulino entwickeln, müssen Sie zwei davon an den Abstandshaltern in den Ecken befestigen. Sobald Sie sie an die Grundplatte geschraubt haben, wird das Verbinden der Module zu einer kleinen Herausforderung, da der Platz knapp ist. Wie bereits erwähnt, ist es machbar, aber Sie können auch nur die aktuell benötigten Modulino neu verschrauben, wenn Sie die Konfiguration ändern.

Das Plug and Make Kit in der Cloud

Ich habe mein einsatzbereites Plug and Make Kit an meinen Computer angeschlossen und dann in meinem Browser die Content-Plattform von Arduino Plug and Make angesteuert. Um darauf zuzugreifen, müssen Sie sich bei Ihrem Arduino-Cloud-Konto anmelden. Wenn Sie noch keines haben, können Sie kostenlos ein Konto erstellen.

In der Cloud habe ich einfach auf Welcome geklickt (Bild 7). Daraufhin wurde ich durch den Einrichtungsprozess für mein Kit – oder genauer gesagt für den UNO R4 WiFi – geführt. Ich stieß auf keine nennenswerten Schwierigkeiten und konnte direkt mein erstes Template importieren. Auch das ging reibungslos, und als Ergebnis bekam ich einen bunten Regenbogen auf dem Pixels-Modulino. Durch Drehen des Knopfes bewegte sich der Regenbogen nach oben und unten, während zugleich das Streifenmuster, das auf der LED-Matrix des UNO R4 WiFi angezeigt wurde, nach links oder rechts bewegt wurde. Das Einzige, was ich eingeben musste, um so weit zu kommen, waren die Anmeldedaten für mein WLAN.

Es ist übrigens interessant, dass ich gerade diese Demo bekommen habe und keine andere, denn es gibt sechs zur Auswahl (Bild 8). Man wählt eine Demo, indem man zwei Modulino aus einer Liste möglicher Kombinationen verbindet. Da ich alle sieben miteinander verbunden hatte, hatte ich alle möglichen Kombinationen zugleich ausgewählt. Die Demo, die ich erhielt, ist (zufällig?) die letzte in der Liste.

Einen Fehler entdeckt und behoben

Nun war es an der Zeit, ein Demoprojekt auszuprobieren. Es gibt sieben davon, und ich entschied mich für Sonic Synth. Für jede Demo wird die Zeit geschätzt, die für die Fertigstellung eines Projekts benötigt wird. Sonic Synth dauert etwa 35 Minuten.

Sonic Synth verwendet nur vier Modulino (Buttons, Buzzer, Knob und Pixels), aber ich habe es mit allen sieben zusammen versucht. Um die Demo zu laden, müssen Sie die entsprechende Vorlage importieren, sich vom aktuellen Projekt lösen und den UNO R4 WiFi mit der neuen Vorlage verbinden. Das bedeutet, dass Sie Ihre Netzwerk-Anmeldeinformationen erneut eingeben müssen. Nachdem ich alle Schritte durchlaufen hatte, passierte nichts. Kein Ton. Und nachdem ich die überflüssigen Modulino entfernt und das Kit neu gestartet hatte, gab es immer noch keinen Ton.

Ein erneuter Versuch, die Vorlage zu laden, war nicht möglich, da ich das Limit meines kostenlosen Cloud-Plans erreicht hatte. Das Löschen der ersten Demo-Vorlage löste dieses Problem. Ein Neueinsteiger würde nicht vor demselben Problem stehen, da er sein kostenloses Arduino-Cloud-Kontingent noch nicht aufgebraucht hat. Nachdem ich die Projektschritte noch einmal durchlaufen hatte, konnte ich endlich einen Ton erzeugen, wenn ich die Drucktasten drückte. Die Frequenz und Dauer des Tons werden über Schieberegler im Cloud-Dashboard gesteuert. Obwohl sie am Anfang des Projekts aufgeführt sind, kommen Knob und Pixels erst im zweiten Schritt des Projekts ins Spiel.

Benutzererfahrung

Das Herumspielen mit dieser Demo hat mir zwei Dinge gezeigt:

1. Mit Plug und Make Kit geht es darum, in wenigen Minuten ein intelligentes, vernetztes Gadget zu bauen, ohne Vorkenntnisse über IoT und Programmierung. So sehr Arduino die Erfahrung auch vereinfacht hat, wenn etwas schiefgeht, muss man immer noch in die Cloud-Umgebung eintauchen können, um Hinweise und Möglichkeiten zur Problembehebung zu finden.

2. Ich persönlich habe das Gefühl, dass die Modulino-Basis beim Experimentieren und Herumspielen mehr im Weg steht als hilfreich ist. In einem Klassenzimmer kann sie helfen, die Hardware zu schützen, aber die Neukonfiguration des Systems ist ein bisschen mühsam. Kürzere Schrauben würden helfen, aber ideal wäre eine Art von Klemmsystem. Außerdem ist das UNO R4 WiFi für die kurzen Qwiic-Kabel zu weit rechts positioniert. Daher habe ich es vorgezogen, ohne die Grundplatte zu arbeiten.

Klassischer Arduino

Das Arduino-Plug-and-Make-Kit ist auf IoT-Anwendungen mit Cloud-Anbindung ausgerichtet. Hinter der Arduino-Cloud verbirgt sich die Arduino-Programmierumgebung. Sie können den Quellcode Ihrer Anwendungen einsehen und ändern, indem Sie den Tab Sketch öffnen. Wenn Sie dies für das Sonic-Synth-Projekt tun, sehen Sie einen recht einfachen Arduino-Sketch, der eine Modulino-Bibliothek importiert (Bild 9). Diese Bibliothek ist auch im Bibliotheksmanager der klassischen Offline-Arduino-IDE von verfügbar. Sie sind also nicht gezwungen, mit dem Plug-and-Make-Kit IoT-Anwendungen in und für die Cloud zu entwickeln. Es steht Ihnen frei, damit zu tun, was Sie wollen.

Wettbewerb

Wie zu Beginn dieses Artikels erwähnt, ist das Konzept des Arduino-Plug-and-Make-Kit nicht neu, aber es fügt ein paar interessante Dinge hinzu. Das wahrscheinlich erste I²C-basierte Prototyping-System ist Grove von Seeed Studio (eigentlich ist es ein bisschen mehr). Das Hauptproblem des Grove-Systems ist der proprietäre Steckverbinder mit einem Raster von 2 mm, den es verwendet. Grove wurde von anderen Herstellern kopiert, die alle den Grove-Stecker durch ihren eigenen, nicht standardisierten oder schwer zu lötenden/zu findenden Stecker ersetzt haben. Beispiele sind der Stemma von Adafruit und der Qwiic von Sparkfun, aber es gibt noch mehr. Arduino hat der Community einen Gefallen getan, indem es die Modulino-Knoten neben einem Qwiic-Anschluss auch mit einem normalen (sprich: für Maker zugänglichen) I²C-Anschluss ausgestattet hat.

BBC micro:bit?

Während ich mit dem Plug-and-Make-Kit herumspielte, musste ich unweigerlich an den BBC micro:bit denken. Dabei handelt es sich um ein kleines Mikrocontroller-Board, das Kinder in die Programmierung und Elektronik einführen soll. Es richtet sich an ein noch jüngeres Publikum (10+) als das Plug-and-Make-Kit (14+). Beide Boards/Systeme haben ähnliche Funktionen: einen Arm◦Cortex-M4 Mikrocontroller, drahtlose Funktionen, eine LED-Matrix, mehrere Sensoren, die an einen I²C-Bus angeschlossen sind, einen Summer, Drucktasten und Cloud-basierte Programmierung und IoT-Anwendungen. Der Hauptunterschied besteht darin, dass der BBC micro:bit all dies auf einer einzigen Platine integriert, während das Plug-and-Make-Kit aus acht Platinen besteht (die Grundplatte zählt nicht, da sie keine elektrische Funktion hat und nur der Organisation von Projekten dient). Wenn Sie also etwas Kleineres wollen, schauen Sie sich den BBC micro:bit an.

Eine neue Art, Arduino zu verwenden

Mit dem Arduino-Plug-and-Make-Kit wird eine neue Art der Nutzung von Arduino eingeführt. Anstatt Shields auf einer Grundplatine zu stapeln, werden die Erweiterungsmodule (Modulino) über einen I²C-Bus verkettet. Dieser Bus wird durch den dem Kit beiliegenden Arduino UNO R4 WiFi bereitgestellt. Ein Basis-Modulino ermöglicht es, die verschiedenen Modulino und den UNO R4 WiFi sicher zu verbinden und ein transportables System zu schaffen.

Das Plug-and-Make-Kit verkörpert alles, was wir von Arduino erwarten: Ästhetik und qualitativ hochwertige Hard- und Software (auch wenn sie zum Zeitpunkt des Schreibens noch nicht zu 100% einsatzbereit war, da ich ein Muster des Produkts vor der Markteinführung erhalten hatte). Das Kit richtet sich an Elektronik-Neulinge, Bastler und Maker und wird durch eine umfangreiche Online-Dokumentation, Beispielprojekte und Tools in der Arduino-Cloud unterstützt.

Die neue Modulino-Produktlinie könnte meiner Meinung nach ein gewisses Potenzial haben, vor allem, wenn Unterstützung für den in einigen von ihnen verwendeten STM32-Mikrocontroller bereitgestellt wird (Schaltpläne, Bibliotheken und Bootloader). Arduino plant, in Zukunft weitere Modulino-Knoten herauszubringen, kann aber im Moment keine weiteren Details bestätigen. Der Wettbewerb in der I²C-Arena ist heftig!