Siamo arrivati all’ultima puntata di questo corso: la volta scorsa abbiamo parlato di come gestire i suoni (tramite microfoni e buzzer). Stavolta presentiamo un singolo progetto che permette di mettere in pratica tutti i concetti di base imparati nelle puntate precedenti. Ma soprattutto, speriamo di stimolare la fantasia degli studenti con un dispositivo che può essere facilmente personalizzato e migliorato.  Vedremo, infatti, come realizzare un semplice robot capace di riconoscere le linee disegnate sul pavimento o su un foglio di carta e di muoversi seguendo tali linee. Il dispositivo che progettiamo è molto semplice, ma proprio per questo ogni studente può lavorarci sopra per aggiungere nuove caratteristiche, impiegando in modo creativo le competenze che ha acquisito finora.

7 – Un line following robot

Costruire un robot è meno complicato di quanto si possa immaginare, in fondo bastano due servomotori a rotazione continua (continuous rotation servo) e il gioco è fatto. Più complicato può essere inventarsi un sistema per controllare lo spostamento del robot, ma esiste sempre il meccanismo del “line following”, ovvero del seguire le linee. L’idea è semplice: basta disegnare sul pavimento una linea con un buon contrasto (per esempio con un pennarello nero su un foglio di carta bianco). Esiste un metodo piuttosto semplice per permettere ad una scheda Arduino di riconoscere la linea nera: dei sensori infrarossi. Banalmente, basta accoppiare un led a infrarossi con una fotoresistenza (sempre a infrarossi), montandoli sotto al robot. In questo modo, quando la luce infrarossa del led colpisce una zona bianca, la fotoresistenza riceverà un riflesso molto luminoso, mentre quando la luce del led colpisce un punto nero la fotoresistenza riceverà un riflesso molto debole o addirittura nullo (perché il bianco riflette la luce ed il nero la assorbe). Naturalmente il meccanismo funzionerebbe anche con dei normali led colorati, come quelli che abbiamo già utilizzato in precedenza. Però per non avere interferenze dovremmo far correre il robot in una stanza buia, perché la luce del Sole o delle lampade si sovraporrebbe a quella del led. Utilizzando dei led ad infrarossi il problema è risolto, e il vantaggio è che si tratta comunque di banalissimi led, che funzionano come tutti gli altri. Esistono addirittura dei set già pronti con led infrarossi e fotoresistenze, come il QTR-8A, che abbiamo preso come base per il nostro esempio. Il QTR-8A è molto semplice da utilizzare: basta fissarlo sotto al nostro robot, in mezzo ai due servomotori. Il pin Vcc va collegato al pin 5V di Arduino, mentre il pin GND va connesso al GND di Arduino. Poi sono disponibili ben otto pin di segnale: infatti il QTR-8A dispone di 8 coppie di led e fotoresistenze infrarosse, ed ogni fotoresistenza ha un pin che offre a Arduino il proprio segnale analogico, cioè la lettura della luminosità del pavimento. Però Arduino Uno ha soltanto 6 pin analogici: poco male, collegheremo ad Arduino soltanto 6 dei pin del QTR-8A. Per non fare confusione li collegheremo in ordine: il pin 1 del QTR-8A andrà connesso al pin analogico 0 di Arduino, il pin 2 del QTR-8A andrà collegato al pin analogico 1 di Arduino, e così via. Se avete una scheda più grande, come Arduino Mega, potete utilizzare tutti i pin del QTR-8A, perché un Arduino Mega ha ben 16 pin analogici. In realtà, però, per la maggioranza delle applicazioni 6 coppie di led e fotoresistenze infrarosse sono più che sufficienti.

I contatti della scheda QTR-8A prevedono il Vcc (5V), il GND, e gli input analogici di Arduino

Il codice per il line following

Il codice che fa funzionare questo programma è probabilmente il più complesso che abbiamo analizzato finora, ma è comunque abbastanza semplice da capire:



Prima di tutto si include nel programma la libreria necessaria per il funzionamento dei servomotori.



Dichiariamo poi due variabili speciali, degli “oggetti” (ne avevamo già parlato, sono variabili che possono avere proprietà e funzioni tutte loro), che rappresenteranno i due servomotori. Come abbiamo già accennato, il nostro robot ha un totale di due ruote motrici, ciascuna mossa da un servomotore: una a destra (right) e l’altra a sinistra (left). Possiamo poi aggiungere una terza ruota centrale, per esempio una rotella delle sedie da ufficio, solo per tenere il robot in equilibrio. Una sorta di triciclo al contrario, visto che le ruote motrici sono due e non una.



Per poter eseguire i nostri calcoli, dovremo tarare i sensori: dovremo capire quale sia il valore massimo (mx), minimo (mn), e medio (mid) di luminosità rilevabile dai vari sensori. Quindi dichiariamo delle variabili che ci serviranno per memorizzare questi valori.



Cominciamo ora a scrivere la funzione setup, che viene eseguita all’avvio di Arduino.



Dobbiamo assegnare i due oggetti di tipo servo, left e right, ai pin digitali di Arduino: abbiamo deciso di collegare il pin 9 al servomotore sinistro ed il pin 10 al servomotore destro. Ricordiamo che devono essere pin PWM, indicati sulla scheda Arduino col simbolo tilde (cioè ~). Indichiamo anche i due valori di minimo e massimo per gli impulsi che faranno muovere il servomotore: di solito non è necessario specificarli (lo fa automaticamente Arduino), ma può essere utile per evitare problemi quando si usano servomotori a rotazione continua come nel nostro caso.



Attiviamo anche la comunicazione sulla porta seriale, così da poter inviare messaggi ad un computer per capire se qualcosa non stia funzionando nel nostro robot.



Visto che siamo all’inizio, spegniamo il led collegato al pin digitale numero 13 di Arduino (è un led di segnalazione saldato sulla scheda Arduino). Spegniamo anche i due servomotori, così il robot resterà fermo. Con dei servomotori a rotazione continua, lo spegnimento si esegue dando il valore 90 alla funzione write di ciascun oggetto left e right.

Collegare due servomotori ad Arduino è molto semplice

Calibrare i sensori infrarossi

Attenderemo 5 secondi, ovvero 5000 millisecondi, eseguendo una misura della luminosità di ciascun sensore ogni millisecondo, grazie ad un semplice ciclo for che viene ripetuto per 5000 volte.



Accendiamo il led connesso al pin 13, quello saldato su Arduino, per avvisare che la calibrazione dei sensori è in atto.



Dobbiamo ora capire quali siano i valori massimo e minimo che si possano misurare con i nostri sensori: per farlo scorriamo tutti i sensori, dal pin analogico 0 al pin analogico 5 di Arduino, leggendo con analogRead il valore misurato al momento. Si suppone che il robot si trovi già sopra alla linea, e che almeno alcuni dei sensori siano proprio sopra alla linea nera mentre altri siano sopra al pavimento bianco. Il valore di ogni sensore viene inserito nella variabile val. Se tale variabile è maggiore dell’attuale valore massimo (mx), allora essa viene considerata il nuovo massimo, assegnando il suo valore a mx. Allo stesso modo, se val è minore del valore più basso finora registrato mn, alla variabile mn viene assegnato al valore della variabile val.



Prima di terminare il ciclo for da 0 a 5000 inseriamo la funzione delay chiedendole di attendere 1 millisecondo. Così siamo sicuri che il ciclo durerà in totale almeno 5000 millisecondi, ovvero 5 secondi. In realtà durerà un po’ di più, perché le varie operazioni richiedono una certa quantità di tempo, ma sarà probabilmente impercettibile.



Ottenuti i valori massimi e minimi che i sensori possono fornire, possiamo calcolare il valore medio, da memorizzare nella variabile mid.



Per segnalare che la calibrazione dei sensori è terminata, spegniamo il led connesso al pin digitale 13 di Arduino.



Finora abbiamo solo calibrato i sensori, ma il robot è ancora fermo. Cominciamo ora la funzione di loop, quella che farà muovere il nostro robot.



Per cominciare leggiamo i valori di tutti i sensori, inserendoli in apposite variabili chiamate s0, s1, s2, eccetera.



Iniziamo a muovere il robot: per far girare un servomotore a rotazione continua si può indicare un numero da 0 a 90 oppure da 90 a 180.
Il valore 180 rappresenta la massima velocità in una direzione, 0 rappresenta la massima velocità nell’altra direzione, e 90 rappresenta la posizione di stallo (quindi il servomotore è fermo).

Il robot posizionato sopra la linea nera disegnata su un pavimento bianco

La linea è a destra o a sinistra?

Normalmente, il robot continua a muoversi in avanti. Però, se la media dei sensori di sinistra è maggiore di quelli dei sensori di destra significa che la linea nera sul pavimento si trova dalla parte sinistra del robot.



Abbiamo indicato anche un fattore correttivo, pari a 240, per avere un certo lasco: se avessimo scritto soltanto averageLeft>averageRight il blocco if verrebbe eseguito anche per variazioni minime dei sensori infrarossi tra la parte destra e quella sinistra del robot. Ma vi sarà sempre qualche piccola variazione, anche solo per minime interferenze o oscillazioni nella corrente. Inserendo un fattore correttivo ci assicuriamo che la condizione di if venga attivata soltanto se la differenza tra la parte destra e sinistra del robot è notevole.



Ovviamente, se la linea nera è alla sinistra del robot, dovremo ruotare il robot verso sinistra in modo da riportarlo in una posizione in cui la linea nera sia esattamente al centro del robot stesso. E per far ruotare il robot verso sinistra dobbiamo tenere fermo il servomotore di sinistra, dandogli il valore 90, di modo che faccia da perno, e muovere il servomotore di destra con un valore vicino a 180. Scegliamo un valore inferiore a 180 perché vogliamo che il servomotore di destra si muova ma non alla sua massima velocità, così il movimento è più lento e più facile da controllare (se si esagera si rischia di finire al di fuori della linea nera).



Prima di concludere il blocco if attendiamo una certa quantità di millisecondi, ottenuta come la metà della differenza delle due medie. L’idea è che in questo modo maggiore è la differenza tra i sensori di destra e quelli di sinistra, maggiore è dunque la dimensione della linea nera, e quindi maggiore è il tempo necessario durante lo spostamento del robot per riuscire ad arrivare ad avere la linea nera al centro del robot stesso.
Siccome la differenza dei due valori potrebbe essere un numero negativo, utilizziamo la funzione abs per ottenere il valore assoluto, cioè ottenere la differenza senza segno (in pratica, un eventuale valore -500 diventerebbe semplicemente 500).



Se la media dei sensori di sinistra è inferiore a quella dei sensori di destra (tenuto sempre conto del solito fattore correttivo), allora significa che la linea nera è posizionata dalla parte destra del robot. Quindi faremo esattamente l’opposto del precedente if: terremo fermo il servomotore destro e muoveremo quello sinistro (anche in questo caso non imposteremo la sua velocità al valore massimo, cioè 0, ma un po’ meno, cioè 40). Anche prima di concludere questo blocco if, attenderemo di nuovo una manciata di millisecondi con lo stesso calcolo precedente.

I percorsi disegnati con nastro adesivo nero su un pavimento chiaro possono anche essere molto lunghi ed elaborati

La fine del percorso

Abbiamo detto al robot cosa fare se la linea nera si trova alla destra oppure alla sinistra del robot stesso. E se invece la linea nera coprisse tutto il pavimento? Significherebbe che il percorso è terminato. Infatti, quando disegniamo il percorso sul pavimento, a meno che non sia un circuito chiuso su se stesso come quelli automobilistici, possiamo indicarne la fine dipingendo di colore nero un bel rettangolo perpendicolare all’ultima parte della linea.



In questo modo quando il robot ci arriva sopra si accorgerà che tutti i suoi sensori, in particolare il sensore s0 ed il sensore s5, che sono il primo e l’ultimo, hanno un valore che è superiore alla media. Questo significa che tutti i sensori sono contemporaneamente sopra alla linea nera, e quindi si è raggiunto il termine del percorso.



In questo caso dobbiamo chiaramente fermare il robot, dando il valore 90 a entrambe i servomotori (come abbiamo già detto, questo valore provoca l’arresto immediato dei servomotori a rotazione continua).



Per segnalare di avere raggiunto quello che riteniamo essere il termine del percorso (e che quindi il robot non si è fermato per un errore), facciamo lampeggiare rapidamente il led collegato al pin digitale 13 di Arduino, quello saldato sulla scheda. Per farlo lampeggiare 50 volte basta un ciclo for che si ripete per l’appunto 50 volte, e ad ogni iterazione non fa altro che accendere il led portando il suo pin al valore HIGH, attendere 100 millesimi di secondo, spegnere il led scrivendo il valore LOW sul suo pin, ed poi attendere altri 100 millisecondi prima di passare all’iterazione successiva.



Ora attendiamo 5 secondi per essere sicuri che tutte le operazioni necessarie allo spegnimento dei servomotori siano state portate a termine. Durante questi 5 secondi si può tranquillamente spostare il robot, magari posizionandolo di nuovo all’inizio del percorso per farlo ripartire.



La funzione loop si conclude qui, e con essa il programma. Naturalmente, ricordiamo che la funzione loop viene ripetuta di continuo, quindi il robot continuerà a muoversi lungo la linea nera tracciata sul pavimento bianco finché non lo fermiamo facendolo passare sopra ad un rettangolo nero largo tanto quanto l’intera scheda QTR-8A, in modo che tutti i sensori infrarossi si trovino contemporaneamente sopra al colore nero.

Nella scorsa puntata di questo corso abbiamo accennato ai concetti fondamentali della programmazione, dalle variabili alle funzioni per leggere il valore dei sensori. In questa seconda lezione approfondiamo le funzioni e gli oggetti più utili nel mondo di Arduino. Vedremo come utilizzare i sensori digitali e come accedere a pagine web per estrarre informazioni. È il concetto di API web, molto più semplice nella pratica di quanto la teoria possa far supporre, una abilità fondamentale per realizzare oggetti “intelligenti”, in grado di reagire a informazioni che ricevono dall’esterno. Vedremo anche che il controllo di un servomotore non è troppo diverso da quello di un led, quindi gli studenti potranno pensare alla realizzazione di sistemi in movimento.

Naturalmente, qui presentiamo le principali caratteristiche di Arduino con degli esempi pratici, adattabili a vari ambiti, dalla scuola all’arte e il design. Gli insegnanti devono ricordare che si tratta più che altro di spunti utili soprattutto per capire la logica di Arduino e la programmazione. Naturalmente ciascuno dei nostri progetti può essere modificato, per esempio usando sensori diversi. Per imparare davvero come funzioni Arduino, infatti, la cosa migliore consiste proprio nel fare molti tentativi, in modo da prenderci la mano e soprattutto sviluppare la fantasia necessaria a risolvere creativamente i problemi che possono presentarsi.

3 Accendere un led in dissolvenza man mano che ci si avvicina ad Arduino

Una cosa interessante dei led è che possono essere accesi “a dissolvenza”. Cioè, invece di passare in un attimo dal completamente spento al completamente acceso, possono aumentare gradualmente luminosità fino ad accendersi completamente (e anche viceversa, possono diminuire luminosità gradualmente fino a spegnersi). Un tale comportamento è ovviamente analogico, non digitale, perché il digitale contempla solo lo stato acceso e quello spento, non lo stato acceso al 30% oppure acceso all’80%. Arduino non ha pin analogici di output, li ha solo di input, ma ha alcuni pin digitali che possono simulare un output analogico. Questi si chiamano PWM (Pulse With Modulation), e sono contraddistinti sulla scheda Arduino tra i vari pin digitali dal simbolo tilde (cioè ~). Se vogliamo poter accendere in dissolvenza un led, dobbiamo collegarlo ad uno dei pin digitali indicati dal simbolo ~, e poi assegnare a tale pin un valore compreso tra 0 e 255 utilizzando non la funzione digitalWrite, che abbiamo visto nell’esempio della puntata precedente, ma la funzione analogWrite. Naturalmente, per aggiungere una certa interattività, ci serve un sensore: possiamo utilizzare il sensore HC RS04. Si tratta di un piccolo sensore ad ultrasuoni capace di leggere la distanza tra il sensore stesso e l’oggetto che ha di fronte (rileva oggetti tra i 2cm ed i 400cm di distanza da esso, con una precisione massima di 3mm). Il suo pin Vcc (primo da sinistra) va collegato al 5V di Arduino, mentre il pin GND (primo da destra) va collegato al GND di Arduino. Il pin Trig (secondo da sinistra) va collegato al pin digitale 9 di Arduino, mentre il suo pin Echo (secondo da destra) va collegato al pin digitale 10 di Arduino. Il codice del programma che fa ciò che vogliamo è il seguente:

Come si può ormai immaginare, il programma inizia con la solita dichiarazione delle variabili. La variabile triggerPort indica il pin di Arduino cui collegato il pin Trig del sensore, così come la echoPort indica il pin di Arduino cui è collegato il pin Echo del sensore. La variabile led indica il pin cui è collegato il led: ricordiamoci che deve essere uno di quelli contrassegnati dal simbolo ~ sulla scheda Arduino.

Il sensore di distanza HCSR04 ha 4 pin da collegare ad Arduino

La funzione setup stavolta si occupa di impostare la modalità dei tre pin digitali, chiamando per tre volte la funzione pinMode che abbiamo già visto. Stavolta, però, due pin (quello del trigger del sensore e quello del led) hanno la modalità OUTPUT, mentre il pin dedicato all’echo del sensore ha modalità INPUT. Infatti, il sensore funziona emettendo degli ultrasuoni grazie al proprio pin trigger, e poi ascolta il loro eco di ritorno inviando il segnale ad Arduino tramite il pin echo. Il principio fisico alla base è che più distante è un oggetto, maggiore è il tempo necessario affinché l’eco ritorni indietro e venga rilevato dal sensore: è un sonar, come quello delle navi o dei delfini.

Prima di concludere la funzione setup, provvediamo ad aprire una comunicazione sulla porta seriale, così potremo leggere dal computer il dato esatto di distanza dell’oggetto.

Inizia ora la funzione loop, qui scriveremo il codice che utilizza il sensore a ultrasuoni.

L’impulso ad ultrasuoni

Abbiamo detto che il sonar funziona inviando un impulso a ultrasuoni e ascoltandone l’eco. Dobbiamo quindi innanzitutto inviare un impulso: e lo faremo utilizzando la funzione digitalWrite per accendere brevemente il pin cui è collegato il trigger del sensore.

Prima di tutto il sensore deve essere spento, quindi impostiamo il pin al valore LOW, ovvero 0 Volt. Poi accendiamo il sensore in modo che emetta un suono (nelle frequenze degli ultrasuoni) impostando il pin su HIGH, ovvero dandogli 5 Volt. Ci basta un impulso molto breve, quindi dopo avere atteso 10 microsecondi (cioè 0,01 millesimi di secondo) grazie alla funzione delayMicroseconds, possiamo spegnere di nuovo il pin che si occupa di far emettere il suono al sensore portandolo di nuovo agli 0 Volt del valore LOW. Insomma, si spegne l’emettitore, lo si accende per una frazione di secondo, e lo si spegne: questo è un impulso.

Ora dobbiamo misurare quanto tempo passa prima che arrivi l’eco dell’impulso. Possiamo farlo utilizzando la funzione pulseIn, specificando che deve rimanere in attesa sul pin echo del sensore finché non arriverà un impulso di tipo HIGH, ovvero un impulso da 5V (impulsi con voltaggio inferiore potrebbero essere dovuti a normali disturbi nel segnale). La funzione ci fornisce il tempo in millisecondi, quindi per esempio 3 secondi saranno rappresentati dal numero 3000. Possiamo registrare questo numero nella variabile durata, che dichiariamo in questa stessa riga di codice. La variabile è dichiarata come tipo long: si tratta di un numero intero molto lungo. Infatti, su un Arduino una variabile di tipo int arriva al massimo a contenere il numero 32768, mentre un numero intero di tipo long può arrivare a 2147483647. Visto che la durata dell’eco può essere un numero molto grande, se utilizzassimo una variabile di tipo int otterremmo un errore. Ci si potrebbe chiedere: perché allora non si utilizza direttamente il tipo long per tutte le variabili? Il fatto è che la memoria di Arduino è molto limitata, quindi è meglio non intasarla senza motivo, e usare long al posto di int soltanto quando è davvero necessario.

Come abbiamo visto per il sensore di temperatura, anche in questo caso serve una semplice formula matematica per ottenere la distanza (che poi è il dato che ci interessa davvero) sulla base della durata dell’impulso. Si moltiplica per 0,034 e si divide per 2, come previsto dai produttori del sensore che stiamo utilizzando. E anche in questo caso la variabile distanza va dichiarata come tipo long, perché può essere un numero abbastanza grande.

Ora possiamo scrivere un messaggio sulla porta seriale, per comunicare al computer la distanza rilevata dal sensore.

Naturalmente dobbiamo tenere conto di un particolare: il sensore ha dei limiti, non può misurare la distanza di oggetti troppo lontani. Secondo i produttori, se il sensore impiega più di 38 secondi (ovvero 38000 millisecondi) per ottenere l’eco, significa che l’oggetto che si trova di fronte al sensore è troppo distante. Grazie ad un semplice if possiamo decidere di scrivere un messaggio che faccia sapere a chi sta controllando il monitor del computer che siamo fuori portata massima del sensore.

Continuando l’if con un else, possiamo dire ad Arduino che se, invece, il tempo trascorso per avere un impulso è inferiore ai 38000 millisecondi, la distanza rilevata è valida. Quindi possiamo scrivere la distanza, in centimetri, sulla porta seriale, affinché possa essere letta dal computer collegato ad Arduino tramite USB.

Mappare i numeri

È finalmente arrivato il momento di eseguire la dissolvenza sul led collegato ad Arduino. Noi vogliamo che la luminosità del led cambi in base alla durata dell’impulso (la quale è, come abbiamo detto, proporzionale alla distanza dell’oggetto più vicino). Però la variabile durata può avere un qualsiasi valore tra 0 e 38000, mentre il led accetta soltanto valori di luminosità che variano tra 0 e 255.

Poco male: abbiamo già visto la volta scorsa che per risolvere questo problema possiamo chiamare la funzione map, indicando la variabile che contiene il numero da tradurre e i due intervalli. Il risultato viene memorizzato in una nuova variabile di tipo int (del resto è comunque un numero piccolo) che chiamiamo fadeValue. Questa variabile conterrà, quindi, un numero da 0 a 255 a seconda della distanza del primo oggetto che si trova di fronte al sensore.

Possiamo concludere impostando il valore appena calcolato, memorizzato nella variabile fadeValue, come valore del pin cui è collegato il LED (identificato dalla variabile led che avevamo dichiarato all’inizio del programma). Per farlo utilizziamo la funzione analogWrite, che per l’appunto non si limita a scrivere “acceso” o “spento” come la digitalWrite, ma piuttosto permette di specificare un numero (da 0 a 255, proprio come quello appena calcolato) per indicare la luminosità desiderata del led. Ora il ciclo else è completato, lo chiudiamo con una parentesi graffa.

Prima di concludere definitivamente la funzione loop, con una ultima parentesi graffa chiusa, utilizziamo la funzione delay per dire ad Arduino di aspettare 1000 millisecondi, ovvero 1 secondo, prima di ripetere la funzione (e dunque eseguire una nuova lettura della distanza con il sensore ad ultrasuoni).

4 Leggere l’ora da internet e segnalarla con una lancetta su un servomotore

In questo progetto affrontiamo due temi importanti: il movimento e internet. Arduino, infatti, può manipolare molto facilmente dei servomotori, e dunque si può utilizzare per applicazioni meccaniche di vario tipo, anche per costruire dei robot. Inoltre, Arduino può essere collegato a internet: esistono diversi metodi per farlo, a seconda della scheda che si sta utilizzando. Un Arduino Uno può essere collegato ad internet tramite lo shield Ethernet, acquistabile a parte sia in versione semplice che con PowerOverEthernet (Arduino verrebbe alimentato direttamente dal cavo ethernet). Questo è lo scenario più tipico, ed è quello su cui ci basiamo per il nostro esempio. In alternativa, si può ricorrere a un WemosD1, che è fondamentalmente un Arduino Uno con un chip wifi integrato, abbastanza facile da programmare e economico (costa poco più di un Arduino Uno). Chiaramente, il WiFi va configurato usando le apposite funzioni indicando la password di accesso alla rete, cosa che non serve per le connessioni ethernet. Esiste anche l’ottimo Arduino Yun, che integra sia una porta ethernet che una antenna WiFi, ed ha una comoda interfaccia web per configurare la connessione, senza quindi la necessità di configurare il WiFi nel codice del proprio programma. Arduino Yun è il più semplice da utilizzare, ma è un po’ costoso (circa 50 euro), mentre la coppia Arduino Uno + Ethernet shield è molto più economica (la versione ufficiale arriva al massimo a 40 euro, e si può comprare una riproduzione made in China per meno di 10 euro su AliExpress). Lo shield deve semplicemente essere montato sopra ad Arduino. Il servomotore, invece, va collegato ad Arduino in modo che il polo positivo (rosso) sia connesso al pin 5V, mentre il negativo (nero) sia connesso al pin GND di Arduino. Infine, il pin del segnale del servomotore (tipicamente bianco o in un altro colore) va collegato ad uno dei pin digitali PWM di Arduino, quelli contrassegnati dal simbolo ~ che abbiamo già visto per la dissolvenza del led. Nel nostro progetto di prova, realizzeremo un orologio: per semplificare le cose, utilizzeremo il servomotore per muovere soltanto la lancetta delle ore, tralasciando quella dei minuti. Il codice è il seguente:

Sono necessarie tre librerie esterne: SPI ed Ethernet ci servono per utilizzare la connessione ethernet. Invece, Servo è utile per controllare il servomotore.

Proprio per utilizzare il servomotore si deve creare una variabile speciale, che chiamiamo myservo, di tipo Servo. Questa non è proprio una variabile, è un “oggetto”. Gli oggetti sono degli elementi del programma che possono avere una serie di proprietà (variabili) e di funzioni tutte loro. Per esempio, l’oggetto myservo appena creato avrà tra le sue proprietà la posizione del motore, mentre l’oggetto client avrà tra le sue funzioni “personali” una funzione che esegue la connessione a internet. Gli oggetti servono a risparmiare tempo e rendere la programmazione più intuitiva: lo vedremo tra poco.

Una scheda Arduino Uno con lo shield ethernet montato sopra di essa

La pagina web da leggere

Dichiariamo due variabili che ci permettono di impostare il pin cui è collegato il segnale del servomotore, ed il MAC dell’Ethernet shield. Ogni dispositivo ethernet ha infatti un codice MAC che lo identifica: possiamo scegliere qualsiasi cosa, anche se in teoria dovremmo indicare quello che è stampato sull’ethernet shield.

È importante non avere nella propria rete locale due dispositivi con lo stesso codice MAC, altrimenti il router non riesce a distinguerli. Quindi basta cambiare un numero (esadecimale) qualsiasi nel codice dei programmi che si scrivono.

Ora specifichiamo due informazioni: il nome del server che vogliamo contattare, e la pagina che vogliamo leggere da esso. Per far leggere ad Arduino la pagina web http://codice-sorgente.it/UTCTime.php?zone=Europe/Rome, dobbiamo dividere il nome del server dal percorso della pagina, perché questo è richiesto dal protocollo HTTP. Questa pagina è un classico esempio di API web, ovvero una pagina web messa a disposizione di programmatori per ottenere informazioni varie. In particolare, questa pagina ci fornisce in tempo reale la data e l’ora per il fuso orario che abbiamo selezionato: nell’esempio scegliamo Roma, ma potremmo indicare Atene scrivendo Europe/Athens.

La solita funzione setup comincia aprendo una comunicazione sulla porta seriale, così potremo leggere i messaggi di Arduino dal nostro computer, se vogliamo. Poi inizia con una condizione if: questa ci permette di tentare la connessione al router, utilizzando la funzione Ethernet.begin, che richiede come argomento il codice MAC che avevamo scritto poco fa.

Con il monitor seriale di Arduino IDE possiamo leggere i messaggi che Arduino invia al nostro computer

La funzione Ethernet.begin fornisce una risposta numerica: il numero indica lo stato attuale della connessione, e se lo stato è 0, significa che non c’è connessione. Quindi l’istruzione if può riconoscere questo numero e, nel caso sia 0, prendere provvedimenti. In particolare, oltre a scrivere un messaggio di errore sulla porta seriale, così che si possa leggere dal computer collegato ad Arduino, se non c’è una connessione ethernet viene iniziato un ciclo while infinito: questo ciclo dura in eterno, impedendo qualsiasi altra operazione ad Arduino. Lo facciamo per evitare che il programma possa andare avanti se non c’è una connessione. Praticamente, Arduino rimane in attesa di essere spento. Un ciclo è una porzione di codice che viene eseguita più volte: nel caso di un ciclo while (che significa “mentre”) il codice contenuto nel ciclo viene ripetuto finché la condizione posta è vera (true). In questo caso il ciclo è sempre vero, perché come condizione abbiamo indicato proprio il valore true, e non contiene nessun codice, quindi il suo solo effetto è bloccare Arduino. Approfondiremo più avanti i cicli.

Prima di concludere la funzione setup, chiamiamo una funzione dell’oggetto myservo, che rappresenta il servomotore connesso ad Arduino. La funzione si chiama attach e serve a specificare che il nostro servomotore, d’ora in poi rappresentato in tutto e per tutto dal nome myservo, è attaccato al pin digitale di Arduino contraddistinto dal numero 3 (numero che avevamo indicato nella variabile servopin).

Connettersi al server web

La funzione loop, stavolta è molto semplice, perché deleghiamo buona parte del codice ad un’altra funzione: la funzione sendGET, che viene chiamata ogni 3 secondi.

In altre parole, la funzione loop, che viene eseguita continuamente, non fa altro che aspettare 3000 millisecondi, ovvero 3 secondi, e poi chiamare la funzione sendGET: è quest’ultima a fare tutto il lavoro, ed adesso dovremo scriverla.

Questa è la nostra funzione sendGET, nella quale scriveremo il codice necessario per scaricare la pagina web con Arduino e analizzarla in modo da scoprire l’ora corrente.

Per cominciare si deve aprire una connessione HTTP con il server in cui si trova la pagina web che vogliamo scaricare. Le connessioni HTTP sono (in teoria) sempre eseguite sulla porta 80, e il nome del server è memorizzato nella variabile serverName che avevamo scritto all’inizio del programma: queste due informazioni vengono consegnate alla funzione connect dell’oggetto client. Se la connessione avviene correttamente, la funzione connect fornisce il valore true (cioè vero), che viene riconosciuto da if e quindi si può procedere con il resto del programma. Come avevamo detto, l’oggetto client possiede alcune funzioni (scritte dagli autori di Arduino) che facilitano la connessione a dei server di vario tipo, e per utilizzare le varie funzioni basta utilizzare il punto (il simbolo .), posizionandolo dopo il nome dell’oggetto (ovvero la parola client).

Per esempio, un’altra funzione molto utile dell’oggetto client è print (e la sua simile println). Esattamente come le funzioni print e println dell’oggetto Serial ci permettono di inviare messaggi sul cavo USB, queste funzioni permettono l’invio di messaggi al server che abbiamo appena contattato. Per richiedere al server una pagina gli dobbiamo inviare un messaggio del tipo GET pagina HTTP/1.0. Visto che avevamo indicato la pagina all’inizio del programma, stiamo soltanto inserendo questa informazione nel messaggio con la funzione print prima di terminare il messaggio con println, esattamente come succede per i messaggi su cavo USB diretti al nostro computer (anch’essi vanno terminati con println, altrimenti non vengono inviati).

È poi richiesto un messaggio ulteriore, che specifichi il nome del server da cui vogliamo prelevare la pagina, nella forma Host: server. Anche questo messaggio viene inviato come il precedente.

Ora la connessione è completata ed abbiamo richiesto la pagina al server, quindi il blocco if è terminato.
Naturalmente, possiamo aggiungere una condizione else per decidere cosa fare se la connessione al server non venisse portata a termine correttamente (ovvero se il risultato della funzione client.connect fosse false).

In questo caso basta scrivere sul monitor seriale un messaggio per l’eventuale computer collegato ad Arduino, specificando che la connessione è fallita. Il comando return termina immediatamente la funzione, impedendo che il programma possa proseguire se non c’è una connessione.

La risposta del server

Il blocco if e anche il suo else sono terminati. Quindi se il programma sta continuando significa che abbiamo eseguito una connessione al server e abbiamo richiesto una pagina web. Ora dobbiamo ottenere una risposta dal server, che memorizzeremo nella variabile response, di tipo String. Come abbiamo già detto, infatti, le stringhe sono un tipo di variabile che contiene un testo, e la risposta del server è proprio un testo.

La stringa response è inizialmente vuota, la riempiremo man mano.

Prima di cominciare a leggere la risposta del server dobbiamo assicurarci che ci stia dicendo qualcosa: potrebbe essere necessario qualche secondo prima che il server cominci a trasmettere. Un ciclo while risolve il problema: i cicli while vengono eseguiti continuamente finché una certa condizione è valida. Nel nostro caso, vogliamo due condizioni: una è che il client deve essere ancora connesso al server, cosa che possiamo verificare chiamando la funzione client.connected. L’altra condizione è che il client non sia disponibile, perché se non lo è significa che è occupato dalla risposta del server e quindi la potremo leggere. Possiamo sapere se il client è disponibile con la funzione client.available, la quale ci fornisce il valore true quando il client è disponibile. Però noi non vogliamo che questa condizione sia vera: la vogliamo falsa, così sapremo che il client non è disponibile. Possiamo negare la condizione utilizzando il punto esclamativo. In altre parole, la condizione client.available è vera quando il client è disponibile, mentre !client.available è vera quando il client non è disponibile. Abbiamo quindi le due condizioni, client.connected e !client.available. La domanda è: come possiamo unirle per ottenere una unica condizione? Semplice, basta utilizzare il simbolo &&, la doppia e commerciale, che rappresenta la congiunzione “e” (“and” in inglese). Quindi la condizione inserita tra le parentesi tonde del ciclo while è vera solo se il client è contemporaneamente connesso ma non disponibile. Significa che appena il client diventerà nuovamente disponibile oppure si disconnetterà, il ciclo while verrà fermato ed il programma potrà proseguire.

Ora, se ci troviamo in questo punto del programma, significa che il ciclo precedente si è interrotto, e il client ha quindi registrato tutta la risposta del server alla nostra richiesta di leggere la pagina web. Possiamo leggere la risposta una lettera alla volta utilizzando la funzione client.read(). La lettera viene memorizzata in una variabile di tipo char, ovvero un carattere, che viene poi aggiunta alla variabile response. Il simbolo +=, infatti, dice ad Arduino che il carattere c va aggiunto alla fine dell’attuale stringa response. Se il carattere è “o” e la stringa è “cia”, il risultato dell’operazione sarà la stringa “ciao”.
Ovviamente, per leggere tutti i caratteri della risposta del server abbiamo bisogno di un ciclo che ripeta la lettura finché il client non ha più lettere da fornirci, un ciclo while. Per quante volte si deve ripetere il ciclo, cioè con quale condizione lo dobbiamo ripetere? Semplice: dobbiamo ripeterlo finché il client è connesso al server (perché è ovvio che se la connessione è caduta non ha più senso continuare a leggere), oppure finché il client è disponibile (perché se non è più disponibile alla lettura significa che la risposta del server è terminata e non c’è più niente da leggere). Stavolta abbiamo due condizioni, come nel ciclo precedente: una sarà client.connected e l’altra client.available, ma non le vogliamo necessariamente entrambe vere. Infatti, ci basta che una delle due sia vera per continuare a leggere. Insomma, l’una oppure l’altra. E il simbolo per esprimere la congiunzione “oppure” è ||, cioè la doppia pipe (il simbolo che sulle tastiere italiane si trova sopra a \).

Se anche questo ciclo while è terminato, significa che tutta la risposta del server è ormai contenuta nella variabile response, quindi possiamo inviarla all’eventuale computer connesso ad Arduino tramite cavo USB.

Estrarre l’informazione dalla pagina web

Ora possiamo cominciare a manipolare la risposta del server per estrarre le informazioni che ci interessano.

Innanzitutto, dobbiamo estrarre il contenuto della pagina web: se leggete la risposta completa del server, vi accorgerete che sono presenti anche molte informazioni accessorie che non ci interessano. Dobbiamo identificare il contenuto della pagina web: se provate a visitare la pagina http://codice-sorgente.it/UTCTime.php?zone=Europe/Rome noterete che il suo contenuto è qualcosa del tipo <07/03/2019 21:33:56>. Quindi, il suo contenuto è facilmente riconoscibile in quanto compreso tra il simbolo < e il simbolo >. Possiamo cercare il simbolo iniziale e quello finale all’interno della stringa response utilizzando la funzione indexOf tipica di ogni stringa, (funzione cui si accede con il solito simbolo .). Per esempio, scrivendo response.indexOf(“<") ci viene fornita la posizione del simbolo < all’interno della stringa response. La posizione è un numero, per esempio potrebbe essere 42 se il simbolo < fosse il quarantaduesimo carattere dall’inizio del testo. Similmente, si può trovare la posizione del simbolo >, ed entrambe le posizioni si memorizzano in due variabili di tipo int (visto che sono numeri), che chiamiamo rispettivamente da e a. Da notare che alla prima posizione abbiamo sommato 1, altrimenti sarebbe stato considerato anche il simbolo <, invece noi vogliamo tenere conto dei caratteri che si trovano dopo di esso. Utilizzando queste due posizioni, possiamo poi sfruttare la funzione substring della stessa stringa per ottenere tutto il testo compreso tra i due simboli. La funzione substring ci fornisce direttamente una stringa, che possiamo inserire in una nuova variabile chiamata pageValue.

L’attuale contenuto della stringa pageValue è qualcosa del tipo 07/03/2019 21:33:56. Noi siamo interessati soltanto al numero che rappresenta le ore, quindi possiamo ripetere la stessa procedura cambiando i valori delle variabili da ed a. In particolare, li dobbiamo cambiare affinché ci permettano di identificare il numero delle ore: questo è delimitato a sinistra da uno spazio, ed a destra dai due punti. Quindi, utilizzando questi due simboli, la funzione substring riesce ad estrarre soltanto il numero delle ore, e inserirlo in una nuova variabile. Da notare che, anche se l’ora attuale è ai nostri occhi un numero, per il momento è ancora considerata un testo da parte di Arduino visto che finora lavoravamo con le stringhe. Possiamo trasformare questa informazione in un numero a tutti gli effetti grazie alla funzione toInt della stringa stessa, che traduce il testo “21” nel numero 21. Adesso, la variabile di tipo int (un numero intero) chiamata ora contiene l’orario attuale (solo le ore, non i minuti ed i secondi).

Collegare un servomotore ad Arduino è facile, basta ricordare che il pin digitale deve essere contrassegnato dal simbolo ~

Muovere il servomotore

Adesso abbiamo l’orario attuale, quindi possiamo spostare il servomotore in modo da direzionare la nostra lancetta. Per muovere un servomotore basta dargli una posizione utilizzando la sua funzione write. Quindi, nel nostro caso basta chiamare la funzione myservo.write.

Però c’è un particolare, le ore che ci fornisce il sito web vanno da 0 a 23, mentre le posizioni di un servomotore vanno da 0 a 180. Infatti, un normale servomotore può ruotare di 180°: se chiamiamo la funzione myservo.write(0), il motore rimarrà nella posizione iniziale, se chiamiamo myservo.write(45) verrà posizionato a 45° rispetto alla posizione iniziale. Il problema è: come traduciamo le ore del giorno in una serie di numeri compresa tra 0 e 180? Semplice, basta utilizzare la funzione map, che abbiamo già visto più volte. In questo modo le ore 23 diventerebbero 180°, le ore 12 diventerebbero 45°, e così via.

Prima di completare la funzione, possiamo scrivere qualche messaggio sul cavo USB per far sapere all’eventuale computer connesso ad Arduino che stiamo terminando la connessione al server che ha ospitato la pagina web. Poi la semplice funzione stop dell’oggetto client ci permette di concludere la connessione, e con la solita parentesi graffa chiudiamo anche la funzione, ed il programma è terminato.
Abbiamo detto che il nostro servomotore ruota di 180°: esistono anche altri servomotori modificati per poter eseguire una rotazione di 360°, chiamati continuous rotation servo, ma questi solitamente non si possono posizionare a un angolo preciso, piuttosto ruotano con velocità differenti. Ma sono casi particolari: un normale servomotore ruota di 180°, quindi la nostra lancetta dell’orologio si comporterebbe non tanto come un orologio normale, ma piuttosto come la lancetta di un contachilometri nelle automobili. È anche possibile cercare di modificare un servomotore da 180° per fare in modo che riesca a girare di 360°: http://www.instructables.com/id/How-to-modify-a-servo-motor-for-continuous-rotatio/?ALLSTEPS.
Ovviamente, per migliorare il nostro esempio, con un altro servomotore si può fare la stessa cosa per i minuti, ricordando però che sono 60 e non 24, quindi la funzione map va adattata di conseguenza.

Quello che segue, e che proseguirà nelle prossime puntate, è un corso per assoluti principianti. È un corso per chi non ha mai scritto una linea di codice, ma vuole imparare a programmare. E come base per imparare i fondamenti della programmazione, abbiamo scelto C++ e Arduino. Perché è lo strumento più semplice da programmare e, soprattutto, concreto. Chi si avvicina alla programmazione ha bisogno di riscontri immediati, deve vedere immediatamente quale possa essere l’applicazione pratica di un concetto, altrimenti finirà per annoiarsi e rinunciare a studiare. Arduino è la soluzione perfetta per cominciare perché con un paio di righe di codice si possono ottenere risultati tangibili, e stimolare la curiosità per i capitoli successivi del corso di programmazione.

Per i docenti delle scuole (secondarie di primo e secondo grado): sentitevi pure liberi di utilizzare questa serie di articoli come “libro di testo”.

Una introduzione per gli insegnanti

Nelle scuole italiane l’insegnamento dell’informatica è spesso trascurato, soprattutto per quanto riguarda la programmazione, che dovrebbe invece essere fondamentale per permettere agli alunni lo sviluppo della logica e della capacità di risoluzione dei problemi.

Sicuramente, una parte di questo atteggiamento deriva dalla tendenza tutta italiana a considerare i computer soltanto come macchine da scrivere molto costose, invece che come strumenti davvero interattivi. è per questo motivo che dal ministero dell’istruzione, nonostante le riforme si rincorrano ogni 5 anni circa, non sono mai arrivate linee guida che suggeriscano come utilizzare i computer per l’insegnamento. E tutto viene lasciato nelle mani dei docenti, che per quanta buona volontà possano avere spesso non dispongono delle basi di informatica perché non hanno mai fatto parte della loro formazione.

Negli altri paesi non è così: la formazione digitale è considerata decisamente importante, e uno dei requisiti per diventare insegnante. Il rapporto del 2017 (http://ec.europa.eu/newsroom/document.cfm?doc_id=44390), a pagina 3, ci presenta tra le ultime posizioni sia in termini di competenze avanzate che come competenze basilari. A pagina 9 è persino possibile notare che, se consideriamo solo i lavoratori, le competenze digitali sono ancora minori, e ci fanno scendere ulteriormente in classifica, fino al terz’ultimo posto. E non è che nel nostro paese i computer siano davvero poco diffusi: tutte le scuole ne hanno a disposizione. Il problema è il modo in cui è pensata l’informatica a livello ministeriale, con i programmi che sono sempre troppo datati e troppo nozionistici, con poca attenzione all’aspetto pratico. Per cui è inevitabile che anche la formazione dei docenti stessi ne risenta, visto che la direzione verso cui si punta è sbagliata.

Nei rari istituti in cui si insegna la programmazione, solitamente scuole secondarie di secondo grado, lo si fa con strumenti e metodi obsoleti. Si utilizzano ancora Pascal e Fortran, linguaggi con cui uno studente oggi può fare ben poco di pratico e ai quali quindi non si affezionerà. Gli studenti vogliono qualcosa da poter esibire agli amici, e un programma a riga di comando che somma un paio di numeri non è un gran trofeo. E non è nemmeno una cosa davvero utile, perché per la maggioranza delle operazioni che vengono descritte nei corsi di programmazione delle scuole esistono già altri programmi che risolvono il problema in modo molto più semplice e veloce. Siccome di solito le lezioni di programmazione sono tenute dai docenti di matematica, vengono descritte principalmente operazioni matematiche. Ma in realtà non ha senso: per imparare a fare la media di un elenco di numeri basta usare un foglio di calcolo, sarebbe una soluzione molto più adatta all’uso che nel mondo reale si fa dei computer. Se si vuole insegnare la programmazione bisogna prima di tutto spiegare il senso stesso della programmazione, cioè il motivo per cui valga la pena imparare come scrivere programmi. È un problema comune a molte discipline: gli studenti si annoiano sempre a realizzare riassunti nei compiti di italiano, e questo perché nessuno spiega loro qual è il senso stesso del riassunto (cioè imparare a estrarre informazioni da un testo e rielaborarle in modo proprio). Nessuno, studenti adolescenti in particolare, sarà mai ben disposto a fare qualcosa di cui non capisce l’utilità.

Procurarsi un arduino

Arduino è il minicomputer più diffuso tra gli artisti che vogliono rendere interattive le loro creazioni (è il motivo per cui venne creato in primo luogo), tra gli appassionati di modellismo che realizzano droni, ed anche tra i progettisti di dispositivi intelligenti (in particolare per i dispositivi Internet of Things). Ma è anche molto utilizzato nella scuole, soprattutto nei paesi del Nord Europa, per avvicinare i bambini alla programmazione. Arduino ha infatti il pregio di essere estremamente semplice da programmare, e avere tante applicazioni pratiche capaci di stimolare l’interesse dei neofiti. In Italia non è ancora molto diffuso a questo scopo, ma abbiamo pensato di proporvi alcuni progetti interessanti con cui avvicinare alla programmazione i vostri figli e tutti gli amici che vorrebbero cominciare a scrivere codice ma si annoiano con i corsi teorici tradizionali. Del resto, una volta molti ragazzi diventavano programmatori perché attratti dalla possibilità di inventare un videogioco: oggi l’internet of things e la possibilità di costruire oggetti intelligenti, unendo la programmazione al bricolage, possono fungere da motivazione per avvicinarsi alla programmazione. Chi vuole procurarsi un Arduino originale può trovarlo su Amazon: per le scuole, la soluzione migliore è rappresentata da Farnell (https://it.farnell.com/arduino/a000066/arduino-uno-evaluation-board/dp/2075382), che permette pagamenti tramite il sistema MEPA contattando il servizio clienti per una quotazione personalizzata. In alternativa, un docente può semplicemente mettere dei fondi di tasca propria (o farli raccogliere dal rappresentante dei genitori) e comprare dei cloni di Arduino Uno su AliExpress (https://it.aliexpress.com/w/wholesale-arduino-uno-r3.html): costano mediamente 2,80 euro l’uno, quindi se si hanno 20 studenti bastano 56 euro per garantire a tutti un Arduino Uno. Tra l’altro, gli esempi che proponiamo possono essere realizzati anche usando un clone di Arduino Nano, che costa appena 1,70 euro. Così se uno studente brucia un paio di schede mandandole in corto circuito non è un grave danno economico. Se poi non si vuole dare una scheda a ciascuno studente, ma dividere la classe in gruppi di lavoro, è possibile permettere la sperimentazione sul sito TinkerCAD: https://www.tinkercad.com/circuits. Si tratta di un simulatore completamente gratuito, che permette di disegnare un circuito con la classica breadboard virtuale e testare il codice. È quindi perfetto per permettere agli studenti di provare sia il circuito che il codice del programma prima di caricarlo sul un vero Arduino e vedere come funziona. Chiaramente, oltre ad Arduino sono necessari anche alcuni componenti, come LED, sensori, buzzer, eccetera: i vari siti che abbiamo citato (Amazon, Farnell, AliExpress) offrono tutto il materiale di cui si può avere bisogno. Ci si può chiedere perché puntare su Arduino, piuttosto che su PLC Siemens che costano decine di euro ciascuno: il fatto è che Arduino costa molto meno, ha un’ottima documentazione, e se si compra la scheda originale invece dei cloni si ha già una certificazione CE (http://web.archive.org/web/20170320180212/https://www.arduino.cc/en/Main/warranty). Questo significa che gli studenti che imparano a usare Arduino a scuola potranno anche utilizzarlo in seguito nella loro carriera lavorativa. Per quanto i PLC siano al momento più diffusi nei macchinari industriali, infatti, Arduino è certamente il modo migliore per iniziare, e molte aziende stanno cominciando a puntare soprattutto sui modelli più piccoli (Arduino Nano e Micro) per le applicazioni IoT. E se si deve cominciare a imparare la programmazione, è sempre meglio bruciare un piccolo Arduino da 2 euro, piuttosto che un PLC da 200 euro.

Un semplice Arduino UNO con un LED che può essere acceso o spento con un programma

Ottenuto un Arduino, lo si può programmare con l’Arduino IDE, che si può recuperare dalla pagina https://www.arduino.cc/en/Main/Software. È importante non confondersi con l’Arduino Web Editor, che è un’altra cosa. L’Arduino IDE è un semplice programma gratuito e open source installabile su tutti i sistemi operativi, che permette di scrivere il codice dei propri programmi e caricarlo su una qualsiasi scheda Arduino (o derivate).

1 Una scala di led che si accendono in sequenza

Per cominciare, realizziamo un progetto semplice: una serie di led (Light Emissing Diode, piccole lampadine per circuiti elettrici a basso consumo) che si accenda a seconda della posizione di un potenziometro. In poche parole, avremo una rotella che si potrà girare per accendere da 1 a 5 lampadine. Un potenziometro è infatti una resistenza variabile, tipicamente una rotella od una leva che possiamo spostare per modificare la resistenza (come quelle con cui si cambia il volume sugli impianti stereo). Arduino è in grado di leggere un valore numerico in funzione della resistenza: il valore è compreso tra 0 e 1023, e noi possiamo scrivere un programma che riconosce questo numero ed in base alla sua posizione nell’intervallo 0-1023 accende 5 led.

Con una breadboard è facile collegare tanti led senza bisogno di saldare nulla

Per esempio, significa che se il potenziometro è a 0 tutti i led saranno spenti, se è a 1023 saranno tutti accesi, e se è a 200 soltanto due led saranno accesi. Per poter leggere il numero, il potenziometro va collegato ad uno dei pin analogici, mentre i led devono essere collegati a dei pin digitali, così potremo tenerli accesi o spenti. Il pin di sinistra del potenziometro va collegato al GND di Arduino, il pin centrale va connesso ad uno dei pin analogici, ed il pin di destra va connesso ai 5V di Arduino. Il pin lungo dei led va collegato ad uno dei pin digitali di Arduino, mentre il pin corto di ogni led va connesso al GND di Arduino. Il codice, che possiamo scrivere direttamente nell’Arduino IDE, è il seguente:

Prima di tutto definiamo alcune variabili: sono delle semplici parole a cui viene associato un valore di qualche tipo. Per esempio, una variabile di tipo int contiene un numero intero (mentre i numeri con la virgola sono di tipo double). La variabile chiamata potPin è quella che indica il pin (analogico) di Arduino cui abbiamo collegato il potenziometro: nell’esempio, si tratta del pin numero 2. Similmente, le varie variabili ledPin indicano i pin (digitali) di Arduino cui abbiamo collegato i led: ce ne sono 5 perché ciascuna di esse indica il pin di uno dei 5 led del nostro progetto. In pratica, abbiamo collegato ad Arduino 5 diversi led, dal pin 3 al 7. Il nome delle variabili è chiaramente a nostra discrezione, avremmo potuto chiamarle “arancia”, “mela”, e “banana”, e si dichiarano sempre nella forma TIPO NOME = VALORE. L’assegnazione del primo valore non è fondamentale, ma è buona norma, e in questo caso si parla di “inizializzazione”. Ora, definiamo la nostra prima funzione:

La funzione setup è una delle due funzioni standard di arduino (l’altra è loop). Tutto il codice contenuto dentro questa funzione verrà eseguito una sola volta, ovvero all’avvio di arduino (appena viene acceso). Una funzione, di fatto, non è altro che un blocco di codice, un po’ come un capitolo all’interno di un libro. Ce ne sono molte già pronte all’uso, il cui codice è già stato scritto da qualcun altro, ma se vogliamo possiamo anche scrivere noi delle funzioni. Quando scriviamo una funzione dobbiamo indicare il suo tipo (void è un tipo molto comune, perché significa che la funzione fa qualcosa ma poi non fornisce un risultato che possa essere registrato dentro una variabile) ed il suo nome, cominciando poi a scrivere il suo codice con la parentesi graffa aperta. I tipi delle funzioni sono gli stessi delle variabili, perché sono tipi di dato generici. Per esempio, una funzione dichiarata come int potrà fornire un risultato che è un numero intero. Ma per ora ci bastano le funzioni che svolgono delle operazioni senza però fornire un risultato in termini numerici. Per esempio, nella funzione setup del nostro programma cominciamo a scrivere questo codice:

Qui stiamo usando la funzione (che non dobbiamo scrivere noi, è integrata in Arduino) chiamata pinMode, ed è anch’essa una funzione void, cioè una che non fornisce un risultato numerico ma si limita a fare cose. La funzione ci permette di abilitare dei ping per un segnale elettrico di output. I pin digitali di Arduino possono infatti avere due diverse modalità di funzionamento: INPUT ed OUTPUT. Siccome i nostri pin sono collegati a dei led, saranno ovviamente pin di output, perché non ci servono per fornire ad Arduino dei dati, ma piuttosto per fornire una informazione da Arduino ai led stessi (cioè, dobbiamo dire ai LED se debbano rimanere accesi o spenti). Quindi utilizzando la funzione pinMode possiamo impostare la modalità OUTPUT a tutti i vari pin dei led connessi ad Arduino. Il bello delle funzioni è proprio questo: quando una funzione è stata scritta, poi può essere chiamata ogni volta che vogliamo, eventualmente anche con degli argomenti (cioè informazioni utili alla procedura desiderata, come in questo caso il numero del pin e la modalità). Questo ci risparmia di dover scrivere ogni volta tutto il codice, scrivendo quindi solo una riga. Esistono molte funzioni già presenti in Arduino, quindi non abbiamo bisogno di scriverle di nostro pugno, possiamo direttamente chiamarle.

Il nostro programma è molto semplice, quindi possiamo chiudere qui la funzione setup, utilizzando una parentesi graffa chiusa. Riassumendo, la nostra funzione setup, eseguita automaticamente una sola volta all’accensione di Arduino, si limita a chiamare a sua volta la funzione pinMode per impostare i pin dei LED come output invece che input.

La funzione loop

Ora cominciamo a scrivere l’altra funzione standard di Arduino, chiamata loop.

Il codice contenuto dentro questa funzione verrà ripetuto all’infinito, finché Arduino non verrà spento. Quindi, è il codice che fa effettivamente qualcosa.

Definiamo una nuova variabile chiamata val, il cui valore iniziale sia 0 (per convenzione si indica sempre un valore iniziale pari a 0 per tutte le variabili, ma non è obbligatorio). Poi assegniamole il valore fornito dalla funzione analogRead. Questa è la funzione che legge il segnale del pin analogico che indichiamo: nel nostro caso abbiamo indicato il pin analogico cui è connesso il potenziometro, quindi la variabile val conterrà il numero, compreso tra 0 e 1023, relativo alla posizione del potenziometro.

Collegare un potenziometro a Arduino è facile

Per il momento, abbiamo solo letto la posizione del potenziometro, quindi sappiamo come è posizionata la rotella (per esempio, 0 sarà tutto a sinistra, 1023 tutto a destra, 500 circa a metà).

Ora la variabile val contiene un numero compreso tra 0 e 1023, ma per noi questo è scomodo: abbiamo 5 led, quindi ci farebbe comodo ricondurre il numero registrato dal potenziometro ad un intervallo compreso tra 0 e 5. Possiamo farlo chiamando la funzione map, che si occupa proprio di mappare (cioè tradurre) una variabile da un intervallo ad un altro. Nel caso specifico, chiediamo alla funzione map di mappare la variabile val dall’intervallo che da va 0 a 1023 sull’intervallo che va da 0 a 5. Il risultato di questa traduzione verrà memorizzato nella variabile mappedval, che abbiamo appena creato (con la riga int mappedval). Vale a dire che invece di avere un numero compreso tra 0 e 1023, per indicare la posizione della rotella, ne avremo uno compreso tra 0 e 5. Questa cosa si può fare perché la funzione map (che è sempre integrata in Arduino) non è una void, ma una int, e quindi ci fornisce un risultato numerico sotto forma di numero intero. Questo risultato può essere assegnato a una variabile semplicemente con il simbolo di uguaglianza.

Ora dobbiamo cominciare ad accendere i vari led: ovviamente, la loro accensione dipenderà dal valore appena ottenuto, che è memorizzato nella variabile mappedval. Secondo la logica del nostro progetto, il primo led si accenderà se il valore è superiore a 0, il secondo si accenderà se il valore è superiore ad 1, e così via (ricordiamo che lavoriamo con numeri interi, quindi non esistono valori come 0,3 o 1,5, vengono automaticamente arrotondati al numero intero più vicino). Possiamo ottenere questo risultato con un blocco if: i blocchi sono piccole porzioni di codice che hanno una qualche forma di controllo per la loro esecuzione. Per esempio i blocchi if (che in inglese significa il condizionale “se”) sono porzioni di codice che vengono eseguite solo se una certa condizione è valida, mentre in caso contrario vengono completamente ignorate. Scrivendo if (mappedval>0), tutto il codice che indichiamo dopo la parentesi graffa viene eseguito soltanto se la variabile mappedval ha un valore maggiore di 0.

Il codice che vogliamo eseguire in tale situazione è ovviamente molto semplice: vogliamo solo accendere il primo led. Per accendere un led con Arduino basta dare un valore alto (HIGH, ovvero 5 Volt) al pin cui il led è collegato, in questo caso ledPin1. Il valore può essere assegnato al pin chiamando la funzione digitalWrite.

Chiudiamo il blocco if e continuiamo con il codice:

Uno dei lati interessanti di un blocco if è che quando lo terminiamo, con la parentesi graffa, possiamo indicare un codice alternativo con la parola else (che significa “altrimenti”). Quindi, se la la condizione specificata tra parentesi tonde (cioè mappedval>0) è vera, viene eseguito il codice compreso tra le prime parentesi graffe. Altrimenti, se tale condizione non è vera, viene eseguito il codice presente tra le parentesi graffe immediatamente dopo la parola else.

Naturalmente, noi vogliamo che se la condizione del ciclo if non è vera il led sia spento. Per farlo basta scrivere il valore basso (LOW, pari a 0 Volt) sul pin del led. Poi possiamo chiudere anche la parentesi graffa di else.

Si ripete per gli altri led

Il codice per il primo led è scritto, occupiamoci ora del secondo:

Similmente, costruiamo un ciclo if-else per il secondo led, identificato dal pin digitale ledPin2, che deve essere acceso (HIGH) solo se la variabile mappedval è maggiore di 1, e spento (LOW) in tutte le altre occasioni.

Si ripete lo stesso tipo di ciclo adattandolo agli altri tre led, così anch’essi possono essere accesi e spenti a seconda della posizione della rotella del potenziometro. Intuitivo, vero? Poi si può chiudere la funzione loop, che è quella di cui stavamo scrivendo il codice finora, con una parentesi graffa. Il programma è completo.

Il potenziometro può essere facilmente sostituito con una fotoresistenza

Volendo, si può anche sostituire il potenziometro con una fotoresistenza: sono dei semplici sensori di luminosità. Una fotoresistenza ha due pin perfettamente identici: uno va collegato al pin 5V di Arduino, l’altro al pin analogico 2. Quello collegato al pin analogico 2 va anche collegato, con una semplice resistenza da 10kOhm, al pin GND di Arduino. Similmente, si può sostituire il potenziometro con qualsiasi altro sensore capace di dare un segnale analogico, per esempio anche un microfono, con il quale si otterrebbe un visualizzatore di volume audio (i led si accenderebbero sempre di più man mano che si parla più forte al microfono). Serve solo un po’ di fantasia.

2 Utilizzare un sensore LM35 per misurare la temperatura

Il potenziometro dell’esempio precedente è un sensore, perché permette di fornire dati ad Arduino. Esistono diversi altri sensori, che misurano informazioni relative all’ambiente: temperatura, pressione ed umidità, per esempio. Uno dei sensori più semplici da utilizzare è chiamato LM35, e misura la temperatura di una stanza. E possiamo utilizzare Arduino per leggerla, inviando il valore esatto al nostro computer attraverso il cavo USB. Cerchiamo innanzitutto di capire come funziona il sensore di temperatura LM35: contrariamente a quanto si potrebbe pensare, il sensore non ci fornisce direttamente la temperatura. Ci fornisce il solito valore compreso tra 0 e 1023, e questo valore è proporzionale alla temperatura. Con una semplice formula matematica siamo in grado di risalire alla temperatura corretta con una precisione di mezzo grado: è sufficiente moltiplicare il numero fornito dall’LM35 per circa 0,5 (esattamente per 500/1023=0,488, come indicato dai produttori del sensore) per ottenere la temperatura in gradi Celsius. È poi ovviamente possibile applicarle una serie di trasformazioni per cambiare scala: se per qualche motivo la volessimo in scala assoluta (i cosiddetti gradi Kelvin del sistema internazionale di misure) basterà sommare al valore ottenuto il numero 273,15. Il sensore andrà collegato ad Arduino nel seguente modo: guardando la scritta sul lato piatto, il pin a sinistra va collegato alla alimentazione a 5V, quello centrale va collegato al pin analogico 1 di Arduino, ed infine quello più a destra va collegato con il pin GND di Arduino. Se preferiamo rendere impermeabile il sensore, in modo da poterlo anche mettere a contatto con liquidi, basta ricoprirlo con della pellicola trasparente per alimenti.

Per collegare un sensore di temperatura a Arduino bastano tre cavi e una breadboard

Tenete comunque presente che, anche se il sensore può sopportare temperature che variano dai -55 °C ai 140 °C, potrebbe non essere una buona idea sottoporlo a situazioni critiche. Ad esempio, non immergetelo nella pentola dell’acqua per vedere quando bolle. Potete però appoggiarlo ad un cubetto di ghiaccio per vedere quando fonde. Il codice è relativamente semplice:

Cominciamo anche questo programma dichiarando due variabili: una è un numero intero, si chiama pin, e rappresenta il pin analogico di Arduino cui abbiamo collegato il sensore LM35, nel nostro caso il pin numero 1. L’altra è di tipo double perché si tratta di un numero con virgola, si chiama temp e rappresenterà la temperatura rilevata dal sensore (per ora la impostiamo uguale a 0.0, non dimentichiamo che con Arduino si utilizza la notazione internazionale che prevede il punto al posto della virgola per le cifre decimali). Cominciamo subito la funzione setup:

La funzione setup (eseguita una volta sola all’avvio di Arduino) non fa altro che avviare la comunicazione tramite porta seriale, con una velocità (bitrate) di 9600 baud, che è lo standard più comune. La porta seriale ovviamente è la porta USB (Universal Serial Bus), tramite la quale potremo poi leggere i messaggi di Arduino con un apposito terminale dal nostro computer (il Monitor seriale dell’IDE di Arduino), al quale abbiamo collegato Arduino tramite il cavo USB.

La funzione loop, invece, (che è quella eseguita ripetutamente) legge il valore fornito dal sensore chiamando la funzione analogRead, che abbiamo già visto, moltiplicando immediatamente questo numero per il valore correttivo, ovvero 500/1023, assegnando il risultato dell’operazione alla variabile temp. In poche parole, abbiamo chiesto ad Arduino di calcolare il risultato di una semplice equazione: il numero fornito dal sensore viene moltiplicato per 500 e diviso per 1023, ed il risultato diventa il valore della variabile temp. Se al posto delle funzione analogRead avessimo scritto X ed al posto di temp avessimo scritto Y, l’avreste riconosciuta subito come una banale equazione di primo grado.

Ora possiamo scrivere dei messaggi al computer, il quale li riceverà sulla porta USB. I messaggi sono ovviamente dei testi (che in programmazione sono chiamati stringhe, e tipicamente delimitati dalle virgolette “), e possono essere inviati con la funzione Serial.print. Ogni messaggio è costituito da una riga, che termina quando chiamiamo la funzione Serial.println(). Possiamo quindi scrivere un messaggio composto dalle parole Stanza1: seguite dal valore della temperatura memorizzato nella variabile temp (che è un numero, ma viene automaticamente tradotto da Arduino in una stringa di testo) ed infine dal simbolo dei gradi Celsius. Il messaggio viene terminato con l’indicazione del termine della riga (ln in println significa line new, ovvero nuova riga).

L’ultima riga di codice della funzione loop dice ad Arduino di attendere 1 secondo (1000 millesimi di secondo, si ragiona sempre in millesimi di secondo) prima di eseguire nuovamente la funzione: questo significa che la temperatura verrà letta una volta al secondo. Possiamo cambiare questo valore se vogliamo che la temperatura sia letta più spesso o più raramente.

I pin del sensore LM35 sono facili da riconoscere: guardando il lato piatto, da sinistra abbiamo il pin 5V (positivo), quello analogico, e il pin GND (negativo)

Dopo avere caricato lo sketch su Arduino, noterete che il piccolo led TX della scheda lampeggia. A questo punto si può cliccare sul menù Strumenti/Monitor seriale dell’Arduino IDE: apparirà una nuova finestra in stile prompt dei comandi con una serie di scritte del tipo “Stanza 1: 20.00°C”, una riga per ogni secondo.