sino:bit recenzija

U našem edukacionom sistemu kroz mejkerske predmete koji su zamenili tehničko obrazovanje učenici se upoznaju sa embedovanim sistemima na Arduino i Raspberry Pi platformama i kroz programiranje u Python-u. Najveći nedostatak ovog pristupa je što bez HAT-ova koji su dodatno ulaganje (o tome da ih u labovima obično i nema – nećemo ovom prilikom), nastavnici pokušavaju da podignu nivo očiglednosti nastave uz par dioda ili školskih senzora povezanih spletom žica. Ovo je u svetu kao rešenje bilo aktuelno pre deceniju i više. U međuvremenu su razvijeni i standardizovani mnogi sistemi povezivanja prilagođeni edukacionim, mejkerskim, pa i poluprofesionalnim primenama poput jacdac ili Grove konektora i pripadajućih periferija. Iako je i danas prvi projekat po pravilu treperenje LED diode, on nije dovoljno atraktivan budući da su jedini parametri koji se mogu menjati učestalost i intenzitet svetlosti. Da bi se zakoračilo dalje i zainteresovali učenici, sva školstva su uveli standardizovana mejkerska učila čija cena nije veća od zastarelih koja se danas kod nas koriste. Tako su englezi ponudili svojim školama micro:bit, nemci Calliope mini 3, a sada imamo i kineski pandan sino:bit nastao na bazi prethodna dva uz neka veoma interesantna prilagođenja. Napomenimo odmah da je sino:bit prvi kineski zvanični OSHWA (Open Source HardWare Association) projekat i da iza njega stoji Naomi Wu (alias Sexy Cyborg) koja je kineski DIY mejker i internet ličnost. Primerak sino:bit V1.0 smo dobili od kompanije Elecrow za potrebe ove recenzije.

Hardver

Tri čipa koja čine osnovu ovog sistema su: Nordic Semiconducter nRF51822 QFAAH0 mikrokontroler, Holtek HT1632C LED drajver i NXP MKL26Z128VFM4 (oznaka na čipu M26M7V1N15J) mikrokontroler.

Nordic Semiconducter nRF51822 je mikrokontroler opšte namene pogodan za aplikacije gde je potrebna Bluetooth LE i/ili 2.4 GHz Gazell bežična prilagođena komunikacija. Gazell je interesantan protokol koji formira mrežu u obliku zvezde, sa jednim hostom i do osam device uređaja. Host je uvek u režimu slušanja, dok komunikaciju iniciraju isključivo device uređaji. Hostu je potrebno neprekidno napajanje, dok se device uređaji po pravilu napajaju baterijski, a ovaj način komunikacije obezbeđuje minimalan utrošak energije. Često se koristi za povezivanje bežičnih tastatura i miševa, u daljinskim upravljačima i gejmerskim kontrolerima.

Nordic Semiconduster nRF51822 mikrokontroler u verziji QFAAH0 koji je ovde upotrebljen ima jedno ARM Cortex-M0 jezgro na 16 MHz, 256 KB Flash memorije, 16 KB RAM-a i pomenuti 2.4 GHz transiver sa brzinom prenosa do 2 Mbps. Želja da se održi kompatibilnost sa micro:bit V1.3 je verovatno razlog što je odabran model sa 16 KB RAM-a (mada postoji i verzija sa 32 KB), ali opremljenija varijanta sa 256 KB Flash-a za smeštanje koda.

Prateći mikrokontroler je sa oznakom M26M7V, a sada se prodaje kao NXP MKL26Z128VFM4. Sadrži jedno ARM Cortex-M0+ jezgro na 48 MHz sa 128KB Flash-a i 16KB SRAM i obezbeđuje „Full-Speed“ USB komunikaciju. Njegov izbor se u potpunosti poklapa sa dizajnom micro:bit-a u verziji 1.3.

Najzad Holtek HT1632C je LED drajver koji može da kontroliše LED matrice maksimalnih dimenzija 32×8 ili 24×16. Razlog za odabir LED drajvera u ovom slučaju je da se rastereti glavni mikrokontroler. Naime, micro:bit i Calliope mini imaju LED matricu 5×5 koju kontroliše MCU, direkno adresirajući svaku od dioda i kontrolišući inenzitet pojedinog sijanja u 10 nivoa. Noviji micro:bit V2, kao i Calliope mini 3 imaju čak snažnije mikrokontrolere, pa im to nikako nije problem.

Kod sino:bit-a, displej je drastično veći – čak 12×12 dioda, dakle 144 umesto 25 i mikrokontroler nRF51822 nema snage da dovoljno brzo upravlja tolikim diodama. Zato je rasterećen drajverom koji nije idealan. Problem ovog kontrolera je što vrednost intenziteta sijanja dioda, iako je u 16 nivoa mora da se radi na nivou reda ili cele matrice. Nije krucijalno, ali se jedan broj efekata prelivanja ne može sa njim realizovati – nažalost.

Što se povezivosti tiče, Bluetooth LE je integrisan u glavni MCU, dok pomoćni MCU kontroliše USB komunikacije. Tu su i dva Grove konektora za povezivanje senzora, aktuatora i drugih periferija. Jedan je sa I2C, a drugi sa UART interfejsom – dodatak preuzet sa Calliope, koji se ne nalazi na micro:bit pločama.

Tu je i konektor za bateriju, kao i dva standardna „upravljačka“ tastera označena sa A i B. Veoma je praktična mogućnost montaže lemljenjem 26 (2×13) pinskog hedera direktno vezanih za I/O porove nRF51822. On nadomešćuje karakterističan micro:bit konektor koji zahteva poseban soket. Najzad tu je šest (P0 – P5) I/O pinova izvedenih preko rupa za povezivanje aligator klemama. To rešenje je došlo od micro:bit-a, prenelo se na Calliope mini, gde su otvori postavljeni uz spoljnu ivicu ploče. Daleko praktičnija pozicija svakako, ali koliko su one edukativno opravdane, neka ostane na čitaocima.

Oblik sino:bit-a po rečima Naomi Wu je u skladu sa kineskom tradicijom i prati „Bagua – osam trigrama koji se koriste u taoističkoj kosmologiji i drevnoj kineskoj filozofiji. Bagua je takođe suštinski alat u Feng Šuiju i otvara mogućnost da stariji članovi porodice podele ovo znanje sa mladima – čak i da sarađuju sa njima kako bi se tradicija primenila u elektronskom obliku.“ Izabrana crvena i zlatna boja PCB-a su takođe u skladu sa kineskom kulturom.

Namera Naomi Wu je da se kineskom školstvu ponudi zamena za micro:bit kroz novi proizvod neopterećen licencama, potpuno izrađen od komponenti koje su lako dostupne na tržištu po niskim cenama. Izbor tri glavna čipa upravo potvrđuje tu nameru, što kod dirketnu kompatibilnost sa micro:bit-om, što kroz korišćenje čipova koji su vremešni, lako dostupni i na kraju dovoljni nameni. Stoga i razvoj pod okriljem OSHWA.

Najzad, razlog implementacije ovako velikog displeja je u želji da deca čija nacionalna pisma imaju složenije simbole od jednostavnog zapadnjačkog alfabeta, poput kineskog, japanskog, hindu, arapskih jezika i tako dalje, svoja prva slova ispišu na svom učilu koristeći sopstveno nacionalno pismo. Na displeju 5×5 moguće je napisati sva štampana slova alfabeta latinice, ali je tu kraj njegove upotrebljivosti. Čak i u našem slučaju ispis ćiriličnih slova Ж, Љ i Њ, kao i ispis malih i velikih slova u jednom zapisu je nemoguće.

sino:bit vs micro:bit

sino:bit je u osnovnoj ideji potekao od micro:bit-a sa idejom da kineskom školstvu obezbedi univerzalnu platformu za početničku nastavu mehatronike (kroz obrazovanje mejkera). Kao šro smo već istakli, diodna matrica je povećana sa 5×5 na 12×12 kako bi se prvenstveno obezbedio ispis karaktera kineskog pisma, ali se posledično došlo i do daleko većih mogućnosti prikaza složenih simbola. Kako se insistiralo na istom paru mikrokontrolera kao na micro:bit 1.3 verziji (Nordic Semiconduster nRF51822 QFAAH0 i NXP MKL26Z128VFM4 (M26M7V1N15J), zbog njihove performansne ograničenosti bilo je neophodno dodati kontroler LED matrice kao zaseban čip. Time se izgubilo direktno upravljanje intenzitetom sjaja svake od dioda, pa je upravljanje nivoom sijanja ograničen na red, odnosno na celu matricu. Naravno, svaka dioda se može direktno u potpunosti (100%) upaliti i ugasiti.

Dodata su dva Grove konektora za lakše povezivanje senzora, displeja i aktuatora. Dodat je i 26 pinski heder sa 17 I/O linija direktno vezanih za MCU. Zadržana su i dva, A i B, programabilna tastera, kao i konektor za eksternu bateriju. Isti je i mini USB konektor za programiranje.

Izbačen je karakterističan „češalj“ te nije moguće koristiti micro:bit dodatke, a broj I/O linija kojima se pristupa aligator klemama povećan je sa tri (plus dve napojne) na šest (plus dve napojne). Oba učila imaju 3-osni digitalni akcelerometar i 3-osni magnetometar.

Sve ovo je obezbedilo da se sino:bit programira na isti način kao i micro:bit, odnosno da se prilikom programiranja u MicroPython i Arduino IDE (možda će u budućnosti i Microsoft MakeCode-u i MicroBlocks biti opcija) on prepoznaje kao micro:bit v1, uz potencijalne ekstenzije u Arduino sinobit.h biblioteci. Dobro mesto za dodatne informacije o ovoj temi je sino:bit GitHub.

Napomena je da je sino:bit uslovni hardverski klon micro:bit-a v1.3, a ne novije verzije 2.0 koji ima sasvim drugi par MCU-ova. O razlici između stare i zanovljene verzije micro:bit-a pisali smo u našem ranije objavljenom tekstu.

sino:bit vs Calliope mini 3

sino:bit je od Calliope mini 3 preuzeo neke dizajn ideje, ali ne i hardver, budući da ovo nemačko učilo koristi daleko snažniji nRF52833 kompanije Nordic Semiconducter. Radi na 64 MHz ARM Cortex-M4 jezgru sa FPU-om u sebi i ima 512 KB fleš memorije za programe i 128 KB RAM memorije dostupne za rad aplikacija. Ovaj MCU se sada nalazi u micro:bit 2.0 verziji.

Calliope mini 3 kao i micro:bit ima isti 5×5 LED matriks dioda kojima direktno upravlja MCU. sino:bit sa njim deli dva Grove (UART i I2C) konektora i jedan konektor za bateriju. Zajednički im je i heder sa I/O linijama, sa time da je njegov 2×15 umesto sino:bit.ovih 2×13, od kojih su četiri odvojena za kontrolu dva motora. Tu su i dva programabilna dugmeta A i B, kao i ivično postavljene rupe za aligator kleme. Njih je 4 I/O + 2 power, dakle dve I/O linije manje. micro USB je zamenjen sa USB C konektorom, što je današnji standard u Evropi. Najzad dodate su i tri programabilne RGB diode, kao i dva jacdac konektora za standardne paeriferije koji je propisao Microsoft za edukaciona mejkerska učila. Uz 3-osni akcelerometar i 3-osni kompas (magnetometar) na ploči su i mems mikrofon i mali buzzer.

Softver

Budući da je upravljački MCU par sino:bit-a identičan sa parom u micro:bit v1.3, razvoj aplikacija se može raditi istim alatima uz korišćenje postojeće baze koda. Naravno zbog dodatnih dioda u matriksu (odnosno kontrolera LED matrice) i Grove konektora treba prilagoditi kod ovim proširenjima hardvera uključivanjem sinobit.h biblioteke u Arduino IDE okruženju. Odlično uputstvo za programiranje u Arduino IDE možete videti na Adafruit learn sajtu. Sva podešavanja su kao i za micro:bit sa time da je potrebno preuzeti sinobit.h biblioteku sa dodatnim primerima. Da bi se očuvala kompatibilnost sa ranijim rešenjima za 5×5 matricu, svaki 1×1 piksel se pretvara u 2×2 pixel-kvadrat, pa sada ceo „uvećani matriks“ zauzima 10×10 matricu, dok ivični ram širine jednog piksela ostaje neiskorišćen.

Port microPython-a za sino:bit ima svoj GitHub, a dodatne informacije mogu se naći na Adafruit sajtu u delu posvećenom microPython-u na sino:bit-u.

Da napomenemo za „zaljubljenike“ u mbed-os pravo mesto za dalja istraživanja je sino:bit mbedOS GitHub lokacija.

Zaključak

U ovom trenutku savetujemo programiranje ovog interesantnog učila u Arduino IDE ili uz pomoć microPython-a. Oba ova načina su odlično dokumentovana, sa puno primera koji rade.

Danas je interesantno je posmatrati tri različita pristupa istom problemu: počenom mejkerskom obrazovanju najmlađih i uporediti kineski sino:bit, nemački Calliope mini 3 i engleski micro:bit. Iako nam se čini da Calliope mini ipak ima najmanje nedostataka, moramo istaći da „ogroman“ 12×12 led matriks na sino:bit-u omogućava nezamislivo: za nas je to ispis svih slova ćirilice – i malih i velikih. Nažalost ne može se povezati ni jedna periferija sa standardnim micro:bit konektorom u obliku „češlja“, a ne mogu se koristiti ni jacdac dodaci, jer nema odgovarajuće konektore.

Najzad, za početak je sino:bit sa svojom cenom od oko $15 odličan posao (inicijalna cena od $25 je ipak previše za ploču koja pretenduje da bude masovno učilo) budući da same diode u matrici koštaju gotovo $8. micro:bit v2 je oko $17, dok se micro:bit v1.3 veoma teško pronalazi, pa nije objektivno da mu navedemo cenu. Calliope je nažalost oko $40, no kvalitet je kod nje neupitan.

Da li bi mi preporučili sino:bit?

Svakako „da“ iz istih onih razloga zbog kojih je Naomi Wu smislia učilo koje bi trebalo da svakom učeniku u Kini omogući prve korake u svetu mehatronike ispisujući slova svog pisma. Ako ste pogledali njen Youtube kanal siguran sam da edukativni mejkerski svet na nama drugoj srani planete vidite drugačije nego što ste ga zamišljali pre čitanja ovog teksta.