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06.06.12Kommentieren

neuerdings.com-Spezial: Physical Computing mit Arduino – ein Intro

Wer sich schon einmal im Umfeld von "Hackern" oder Hardware-Bastlern befunden hat, hat den Namen Arduino vermutlich bereits gehört. Doch was genau ist das? Dieser Beitrag erklärt die Hintergründe und gibt erste Tipps für den Einstieg und fürs Weiterlesen.

Die Inhalte eines Arduino Experimentation Kit. Foto: oomlout, Flickr.com. Lizenz: CC BY-SA 2.0

Meine Zimmerpflanze ist sehr durstig, und obwohl ich es nicht hinbekomme, mich ständig um sie zu kümmern, gedeiht sie gar prächtig. Wie das? Ich habe einen Bewässerungsautomaten gebaut. Der misst fortwährend die Feuchtigkeit im Topf, und wenn diese einen Schwellwert unterschreitet, wird eine kleine Pumpe aktiviert, die Wasser aus einem 10-Liter-Tank in die Blumenerde befördert. Weil das noch nicht nerdy genug ist, sendet das Gerät anschließend einen Tweet ab, dass die Pflanze soeben gegossen wurde.

Zugegeben: Diese Geschichte ist frei erfunden – ich habe gar keine Zimmerpflanze. Aber sie ist ein Beispiel für Physical Computing: Projekte aus Hard- und Software, die unmittelbar mit der wirklichen Welt interagieren. Hier ist alles möglich, und keine Idee ist so verrückt, dass man sie nicht realisieren könnte. Bis vor wenigen Jahren war es allerdings Bastlern und Tüftlern mit viel Fachwissen und Erfahrung vorbehalten, solche Projekte in die Realität umzusetzen. Inzwischen gibt es Plattformen wie Arduino.

Was kann Arduino?

"Der Kritzler" von Alex Weber (tinkerlog), eine kleine Maschine, die, an zwei Seilen hängend, Vektorzeichnungen an Fensterscheiben oder Wände anbringt – ein schon recht anspruchsvolles Projekt. Foto: tinkerlog, Flickr.com. Lizenz: CC BY-NC 2.0.

Arduino gibt es seit etwa 2005 und wird immer populärer, weil die Plattform frühere Hürden deutlich verringert. Sie besteht aus der Arduino-Hardware, einer kleinen Platine mit zahlreichen Anschlüssen, und der Arduino-IDE, einer Entwicklungsumgebung, in der man die Software für sein Projekt schreibt. Dazu muss man kein ausgewachsener Programmierer sein – die Umgebung nimmt einem die fehlerträchtige Detailarbeit ab. Gerade einmal eine handvoll Codezeilen genügen für eine einfache Regelungsaufgabe wie den obigen Bewässerungsautomaten.

Doch was genau macht die Hardware, und wie kommt die Software ins Spiel? Kern des Arduino-Boards ist ein preisgünstiger sogenannter Mikrocontroller – ein einfacher, aber vollständiger und autarker Computer in einem einzigen Chip. Dessen Rechenleistung und Speicherkapazität sind vergleichsweise winzig, aber mehr als üppig für die meisten Projekte. Seine diversen Ein- und Ausgabeanschlüsse lassen sich per Software sehr flexibel abfragen und steuern – darin liegt die "Magie".

Anstatt nämlich für jede Aufgabe eine spezialisierte elektronische Schaltung entwickeln zu müssen, schreibt man einfach etwas Programmcode, der die benötigten Eingabesignale abfragt und auswertet und sie anschließend in der gewünschten Form wieder ausgibt. Der Code gelangt auf Button-Klick per USB-Kabel vom Mac, Windows- oder Linux-PC auf das Arduino-Board. Das dauert nur Sekunden und kann beliebig oft wiederholt werden – Entwicklung per "trial and error" ist möglich und üblich. Ist der Mikrocontroller erst einmal programmiert, arbeitet die Hardware völlig unabhängig. Das Programm residiert im Flash-Speicher des Arduino, bis es erneut überschrieben wird – auch ohne Strom, ganz wie bei einem USB-Stick.

Was macht Arduino besonders?

Arduino-Platine, Modell "Duemilanove" von 2009. Foto: H0dges, Wikipedia. Lizenz: Public Domain

Mikrocontroller existieren seit Jahrzehnten – was ist nun das Besondere an Arduino? Am Interaction Design Institute im italienischen Ivrea suchte man einen Weg, wie Kunst- und Designstudenten ihre Ideen möglichst schnell und einfach in die Tat umsetzen können. Dazu hatte Hernando Barragan mit seiner Wiring-Plattform bereits 2003 eine programmierbare Hardwareplatine mit einer anfängerfreundlichen Programmierumgebung basierend auf Processing kombiniert.

Das von Casey Reas und Ben Fry ab Ende der 90er entwickelte Processing ist eine vereinfachte Java-Entwicklungsumgebung, die geschaffen wurde, um Kunst-, Design- und Medienstudierende ans Programmieren heranzuführen. Das Team in Ivrea modifizierte Processing, so dass damit Mikrocontroller aus der AVR-Serie von Atmel programmiert werden konnten. Dabei behielten sie jenen Ansatz von Processing bei, möglichst viel Komplexität unter der Haube zu verstecken und dem Anwender eine maximal komfortable und leicht verständliche Oberfläche zu präsentieren.

Ein Team um Massimo Banzi vereinfachte und optimierte die Wiring-Hardware. Die neue Platine ließ sich zu einem deutlich günstigeren Preis produzieren. Sowohl Hardware als auch Software wurden unter dem Namen Arduino als Open-Source-Plattform veröffentlicht und erreichten große Popularität. Inzwischen existieren nicht nur diverse "offizielle" Varianten der Arduino-Platine für unterschiedliche Zwecke, sondern auch zahlreiche "Klone" von Drittanbietern, die oft mit der Endung -uino im Namen auf das Original verweisen. Bis heute wurden Arduino-Boards und kompatible Nachbauten in sechsstelliger Zahl verkauft.

Tipps für Arduino-Einsteiger

Screenshot der Arduino-Entwicklungsumgebung mit dem Code, um eine LED blinken zu lassen. Foto: Lemio, Wikipedia. Lizenz: CC BY SA 3.0.Dank Open-Source-Effekt haben Interessierte mitunter fertige Softwarebibliotheken für alle gängigen Problemstellungen geschrieben – zum Beispiel die Ansteuerung von Servo- und Schrittmotoren – und diese auf der Arduino-Website veröffentlicht. Es reicht daher üblicherweise, seinem Projekt die entsprechenden Libraries hinzuzufügen und dann nur noch ein paar wenige Zeilen eigenen Code zu schreiben, um sein Ziel zu erreichen. Ist das immer noch zu viel, behilft man sich mit schier grenzenlos vorhandenem Beispielcode oder passt einfach freien Code aus anderen Projekten für seine Zwecke an.

Als Einsteiger bestellt man sich am besten ein Arduino-Kit, das neben Arduino-Board und USB-Kabel auch eine Grundausstattung an elektronischen Bauteilen, LEDs, Sensoren, Servomotor und weiterem Bastelmaterial liefert. Solche Kits sind für etwa 50 bis 100 Euro erhältlich, je nach Ausstattung. Arduino-Boards (Originale wie kompatible Nachbauten) kosten etwa 25 bis 50 Euro, günstige Klone gibt es sogar schon ab 15 Euro. Dann nur noch die natürlich kostenlose Arduino-IDE herunterladen und installieren – und los geht’s.

Weiterführende Informationen

Video-Doku zu Arduino:

vimeo.com/18539129

Zum Weiterlesen:

Über den Gastautor

Niels Heidenreich (xoxi) ist in der Homecomputer-Ära aufgewachsen; sein erster eigener Computer war ein Atari 800 XL. Mit Tinkerer-, aber auch künstlerischen Genen gesegnet, studierte er Visuelle Kommunikation an der Bauhaus-Uni Weimar und arbeitet seit 1999 teils freiberuflich, teils als fester Mitarbeiter für diverse Agenturen und Unternehmen. Seine Aufgaben verlagern sich seit einiger Zeit weg vom gestalterischen Entwurf und hin zur Entwicklung, insbesondere im Bereich Web-Interfaces. Fast alles passiert zwar am Rechner, aber der innere Bastler, der nicht nur virtuell Bits verschieben, sondern Hand anlegen und schrauben und löten will, kommt zunehmend wieder zum Vorschein. Wohn- und Arbeitsort ist seit 2006 Hannover.

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