Netcubes Small Cubes Big Ideas

Theresa Berg, Dennis Olsson, Johannes Sjödin, Ludvig Widman Datum: 27 september 2012 Netcubes Small Cubes Big Ideas

Innehåll 1 Inledning 1 2 Bakgrund 1 3 Syfte och mål 1 4 Genomförande 1 4.1 Omvärldsbevakning............................ 2 4.2 Systemutveckling............................. 2 4.3 Produktutveckling............................ 2 5 Resultat 2 5.1 Kuber i nätverk.............................. 3 5.2 Baserat på Arduino............................ 4 5.3 Standardkuber.............................. 4 5.4 Algoritmbeskrivning........................... 4 5.5 Scenarion över kubernas användande.................. 5 6 Utvecklarhandledning 7 7 Diskussion 7 7.1 Begränsningar............................... 7 7.2 Framtida utveckling........................... 7

1 Inledning Netcubes är en plattform för lärande inom elektronik. Den består av ett antal enkla kuber som var och en utför en uppgift. Kuberna kopplas samman och används som komponenter för att bygga ett större system. Netcubes är lite som LEGO fast för elektronik. Projektet nansieras genom Dinolab [1], ett projekt med det övergripande målet att stärka den audiovisuella industrin i de norra delarna av Sverige. 2 Bakgrund Projektet har genomförts av en grupp bestående av två designers (Johannes Sjödin och Theresa Berg) och två ingenjörer (Ludvig Widman och Dennis Olsson). Vi hade sedan innan ett intresse av automation och att leka med elektronik. Tröskeln för att komma igång med detta är dock ganska hög för en oinsatt. Vi ville därför skapa ett projekt som gör det enkelt för vem som helst att få experimentera med elektronik och testa sina idéer. Med inspiration från dokumentären Arduino The Documentary [2] från 2010 kändes inriktningen tydlig. I want Arduino to always be a tool that people who have no understanding of computers can look at and get an understanding of how computers work.... given the right series of events and if Arduino and electronics could be taught in highschool i think there is a big future for not only engineers, but also artists. Also digital media interactive design people. If the can learn that in high school, imagine how much more they can do later in life. The type of creative community that can engender in young people... I think that's going to change everything. I see Arduino taking a path of being just very easy to use, even easier than it is now. So making it easier for beginners to get into it. 3 Syfte och mål Projektet syftar till att utforska möjligheten att sänka tröskeln för människor som är intresserade av att experimentera och lära sig mer om elektronik på ett kreativt och lekfullt sätt. Projektet syftar till att ge skolor och andra lärosäten en hanterbar ingångspunkt för elever till både elektonik och/eller programmering samt en möjlighet för privatpersoner att konstruera egen hemautomatition utan kunskaper inom programmering eller elektronik. Resultatet av projektet kommer göras öppet under GPL[4]. 4 Genomförande Efter att beslut tagits om ungefär vad som skulle göras började de mer omfattande aktiviteterna runtomkring. Theresa Berg, Dennis Olsson, Johannes Sjödin, Ludvig Widman 1

4.1 Omvärldsbevakning Vi jobbade med att skapa en överblick av liknande projekt runt om i världen och vilka problem, lösningar och behov som redan nns med hjälp av en omvärldsbevakning. Arduino-plattformen har på grund av sin exibla och enkla uppbyggnad bidragit till att en mängd innovativa och nykna människor har kunnat närma sig programmering och elektronik, men plattformen lämnar nns fortfarande utrymme för förenkling och förbättring. Det största problemet vi stötte på var att de som använder Arduino ofta är studenter vid universitet och högskolor eller vuxna. Orsaken som vi såg var att instegströskeln är för hög för att ungdommar i grundskoleåldern och deras lärare ska använda det i skolorna. Projektet är inte unikt i sin idé, det nns redan en produkt som inte är baserad på Arduino vid namn littlebits. LittleBits är ett väldigt enkelt system av små funktionsenheter, så som lampor, högtalare, knappar och så vidare. När de kopplas ihop kan användaren bygga system som utför enklare uppgifter. Littlebits har svagheten att användaren inte kan bygga omde olika enheterna och utveckla egna enheter, något som Arduino skulle kunna tillgodose. 4.2 Systemutveckling Projektet startade med en vision av vad vi ville uppnå. Vi började tidigt med att skissa på hur systemet skulle kunna fungera, vilka moduler vi ville bygga och vad man skulle kunna bygga med det. Redan på ett tidigt stadium beslutade vi oss för att basera projektet på Arduinoplattformen, både för att snabbt nå ett resultat och för att resultatet enkelt ska kunna byggas vidare på. Vi köpte in en uppsättning atmegakretsar, sensorer, displayer, lysdioder och experimentkort för att kunna börja experimentera med prototyper. Ett library för Arduino utvecklades vilket möjliggjorde att vi snabbt kunde ta fram nya kuber som kunde prata samma språk. Flertalet kuber byggdes med hjälp av de komponenter vi köpt in och det Library vi utvecklat. Vi verierade att konceptet fungerade genom att koppla samman ett antal kuber i ett nätverk. 4.3 Produktutveckling Vi använde scenarion för visualisera olika aspekter av användandet av produkten i olika situationer. Utifrån scenariona togs skisser fram för att visualisera den slutgiltiga produkten, för att utforska vilka möjligheter som nns i att skapa en lekfull, transparent och enkel produkt som ska locka nybörjare att experimentera och möjliggöra att användaren laborerar, bygger om och utvecklar sina egna enheter och program. 5 Resultat Det främsta resultatet var att vi visade att protokollet var stabilt och att kuberna gick att göra dynamiska nog för att det skulle kunna vara användbart. Theresa Berg, Dennis Olsson, Johannes Sjödin, Ludvig Widman 2

5.1 Kuber i nätverk Netcubes består av kuber som kan kopplas samman i ett nätverk. Varje kub har ett antal in- och utgångar och utför någon enkel operation. In och utgångarna har en eller era datatyper som stödjs. Alla in och utgångar har ett gemensamt fysiskt gränssnitt vilket gör att alla utgångar kan anslutas till alla ingångar. Om de stödjer samma datatyp kan information utbytas. Data skickas från utgång till ingång. Alla datatyper som stödjs i en utgång kommer att försöka skickas, men endast datatyper som stödjs av ingången kommer att tas emot. En kub kan innehålla sensorer (ex: temperaturmätare, knappar, ljusmätare, etc) och aktuatorer (ex: lysdioder, displayer, motorer, radiosändare, etc) eller enbart utföra någon beräkning. Vissa kuber kommer bara ha utgångar och istället hämta sitt indata från en sensor. Tre kuber i en liten demonstration. Displaykub, Knappkub och Strömkub. Den knapp som trycks ner visas på displayen. Kuberna kopplas här samman med tre kablar som är tänkta att kombineras i samma kontakt. Exempel på ett större nät. Denna konguration mäter temperatur inomhus och utomhus samt ljusstyrka utomhus. Ifall temperaturen innomhus är minst ett justerbart antal grader högre än den Theresa Berg, Dennis Olsson, Johannes Sjödin, Ludvig Widman 3

utomhus och ljusnivån är över ett givet värde kommer en fjärrströmbrytare att aktiveras. Man kan även manuellt tända fjärrströmbrytaren med en knapp. 5.2 Baserat på Arduino Kuberna är baserade på open source-plattformen Arduino [3] vilket medför möjligheten att användaren med små medel kan experimentera och modiera kuberna. Målet var att hålla ner priset på en färdig prudukt, och de microcontrollers som användes hade ett pris på ungefär 11 kronor styck. Arduinomodulerna gavs olika uppgifter och ck sedan funktionalitet för att kunna kommunicera med varandra. 5.3 Standardkuber Ett antal standardkuber har utvecklats inom projektet, men tanken är att egna kuber ska kunna tas fram. En lista över de kuber som utvecklats inom projektet följer. Kub Knapp Temperatur Ljus Display Jämförelse Aritmetik Vridreglage Radiosändare Strömförsörjning Beskrivning En kub med en eller era knappar som skickar ON eller OFF på varsin utgång. En kub som mäter temperatur och skickar det på en utgång En kub som mäter ljusstyrka och skickar det på en utgång. En kub som visar data från ingångar på en LCD display. Datat skickas även vidare på utgångar. En kub som tar två input och skickar ON ifall den första är större än den andra, annars OFF. En kub som tar två input och utför en aritmetisk operation på dem och skickar ut reultatet. En kub som mäter positionen på ett vridreglage och skickar ut värdet. Värdet ligger på en skala som är konstant för kuben. En kub som tänder en trådlös strömbrytare vid ON på någon av dess ingångar. En kub med ett batteri i för att strömförsörja en uppkoppling. 5.4 Algoritmbeskrivning Protokollet använder sig av PWM för kommunikationen. Signalen har följande mönster: 1. Preamble 2. Bit 1..n, MSB först 3. Bus reset Olika tokens har olika signaler Preamble Bit 0 Bit 1 1. 40000µs hög 2. 1000µs låg 1. 4000µs hög 2. 200µs låg 1. 2000µs hög 2. 200µs låg Bus reset 1. 2000µs låg På så vis kan start och stopp av meddelanden lätt identieras. Theresa Berg, Dennis Olsson, Johannes Sjödin, Ludvig Widman 4

5.5 Scenarion över kubernas användande Vi skapade era olika scenarion med målet att förstå den kultur och de personer där kuberna kommer att nnas. I rapporten tar vi bara med ett av scenariona för att spara plats. Vi valde ett scenario i skolmiljö, med barn. De andra scenariona behandlade bland annat hur kuberna kan användas i en företagsmiljö för att stimulera innovationer och i hemmabruk för att ge privatpersoner möjligheten att experimentera och uppnna egna system. Läraren berättar att barnen om att de ska jobba med elektronik, och har en kort genomgång hur Netcubes fungerar. Hon säger till barnen att gå in på netcubes hemsida och ladda hem ett receptpå något de vill bygga. Theresa Berg, Dennis Olsson, Johannes Sjödin, Ludvig Widman 5

Netcubes 27 september 2012 I grupp letar barnen sedan efter recept från Netcubes hemsida som de sen skriver ut. Barnen skriver ut receptet och plockar därefter ihop de kuberna som de behöver. Sedan går läraren runt och vägleder barnen när de stöter på problem. Theresa Berg, Dennis Olsson, Johannes Sjödin, Ludvig Widman 6

6 Utvecklarhandledning Bibliotek tar datapinnen som ska användas för kommunikation vid initiering. Resultatet är en instans av ett objekt vilket kan användas för kommunikation. Flera instanser kan samexistera för att möjliggöra era ingångar och/eller utgångar. I dagsläget hanteras endast strängar. Protokollet var tänkt att byggas ut med en datatyp som första 8 bitar, men detta implementerades inte p.g.a. tidsbrist. 7 Diskussion Ett protokoll implementerades, men dessvärre har det ganska låg hastighet. Biblioteket borde också vara interruptdrivet på ingångarna för att förbättra responstiden (då färre paket missas). Ett problem var att hitta sätt att hålla ner potentiell kostnad mot att göra systemet nybörjarvänligt. Ett exempel på ett ännu olöst problem är kontakterna. De bör göras så de inte kan kopplas fel 1. Om målpriset är 50:- per kub påverkar kontakter för 5-10:-/st priset alldeles för mycket (en 60% prisökning för en typisk kub är inte acceptabelt). 7.1 Begränsningar Protokollet kräver korrekt startpuls och en reset på datalinjen. Detta innebär att om någon vill frångå begränsningen på ungefär 300bps är det inga problem, förutsatt att startpulsen ses som invalid av standardhårdvara och paketet ignoreras. Begränsningen ligger således i att standardprotokollet har en hastighet på ungefär 300bps, men med styrkan att det kan ignorera en ny version av protokollet. 7.2 Framtida utveckling Målet var att erbjuda ett prisvärt inslag i utbildningar från förskola och uppåt. Detta mål bör det inte vara några problem att uppnå. Ett pris på under 50 kronor bör inte vara ett problem att nå för ett färdigt kretskort. Då projektet är öppet (under CC-licens) kommer det säkerligen komma konkurrerande moduler, vilket uppmuntras. Det kommer dock försvåra en vinnande produktiering och därför är kanske fortsättningen att plantera en standard och sen fokusera på utveckling av protokoll och utbildningsmaterial snarare än att försöka få monopol på en marknad. Det skulle dessutom motverka orginalidén (hålla ner priset). Referenser [1] Dinolab, Digitala Idéplatser Norr http://dinoprojektet.se/ [2] Arduino The Documentary (2010) http://vimeo.com/18539129 [3] Arduino, en prototypplattform för elektronik http://www.arduino.cc/ [4] GNU General Public License http://www.gnu.org/copyleft/gpl.html 1 Med rätt kopplat menas en vändbar kontakt eller en kontakt som inte går att vända fel, samt att ingångar och utgångar inte kan kopplas ihop på ett skadligt sätt. Theresa Berg, Dennis Olsson, Johannes Sjödin, Ludvig Widman 7