Ratgeber
Arduino ist eine Physical-Computing-Plattform, die aus quelloffener Software und Hardware besteht. Sie findet speziell im Bildungsbereich großen Anklang und bietet einen unkomplizierten Einstieg ins Programmieren. Welche Möglichkeiten Arduino eröffnet und worauf es beim Kauf entsprechender Hardware zu achten gilt, erfahren Sie in unserem Ratgeber.
Bei Arduino handelt es sich um eine Computerplattform, die sich hervorragend dafür eignet, das Programmieren zu lernen und Elektronik-Projekte verschiedener Art zu verwirklichen. Die Basis bildet ein Arduino-Board, das mit elektronischen Komponenten bestückt und mithilfe von Software mit Funktionen belegt werden kann. Das komplette Arduino-System beruht auf Open-Source-Lizenzen. Das bedeutet, dass der Quellcode der Software sowie die Schaltpläne der Boards frei zugänglich sind und von Anwendern und Anwenderinnen genutzt und verändert werden dürfen.
Häufig wird der Arduino in einem Atemzug mit dem Raspberry Pi genannt. Das ist technisch gesehen aber nicht korrekt. Während der Raspberry Pi einen vollständigen Computer darstellt, ist der Arduino ein Mikrocontroller. Der Raspberry Pi führt ein eigenes Betriebssystem aus und bietet die Möglichkeit, auf dem Speicher diverse Programme zu installieren. Mikrocontroller-Boards wie der Arduino Uno oder der Arduino Nano können dagegen nur ein einzelnes Programm ausführen, das zuvor über den USB-Anschluss auf den integrierten Flash-Speicher geladen wurde. Es handelt sich um ein Embedded System, das ohne eigenes Betriebssystem auskommt. Stattdessen ist es in ein größeres System eingebettet und übernimmt darin bestimmte Steuerungs- und Kontrollaufgaben.
Der Funktionsumfang eines Arduino-Boards lässt sich durch Shields erweitern. Dabei handelt es sich um Module, die beispielsweise mit weiteren elektronischen Komponenten oder Anschlüssen wie Sensoren oder Ethernet-Ports ausgestattet sind und ohne Lötarbeiten einfach auf die Platine gesteckt werden. Der Vorteil eines Arduino-Mikrocontroller-Boards liegt in der einfachen Programmierung, die auch weniger versierten Anwendern und Anwenderinnen relativ leicht zugänglich ist.
Mithilfe von Arduino-Boards können ohne umfassende Kenntnisse in der Programmierung von Mikrocontrollern vielerlei elektronische Anwendungen und Projekte realisiert werden. Das Angebot an Erweiterungsmöglichkeiten mit Modulen und Komponenten wie Leuchtdioden, Displays, Motoren, Sensoren usw. ist groß, so dass der Kreativität beim Experimentieren und Prototyping quasi keine Grenzen gesetzt sind.
Verwendung findet Arduino beispielsweise in den Bereichen Smart Home und IoT (Internet of Things). So gibt es Boards wie den Arduino MKR WiFi 1010, die speziell auf die Anforderungen von IoT-Anwendungen zugeschnitten sind und unter anderem dazu genutzt werden können, drahtlose Sensornetzwerke aufzubauen.
Weite Verbreitung findet der Arduino außerdem im Bildungsbereich, sei es in Grund- oder weiterführenden Schulen, Berufsschulen oder Universitäten. Die Mikrocontroller-Boards bieten einen praxisnahen Einstieg in die Programmierung und sind für vielfältige Projekte einsetzbar – angefangen bei einfachen LED-Schaltungen über die computergestützte Messwerterfassung durch Sensoren bis hin zur Robotik. Es gibt ein großes Angebot an Arduino-Lern- und Starter-Kits für verschiedene Altersstufen und Kenntnislevel, mit denen auf anschauliche Weise Wissen in den Bereichen Elektronik, Elektrotechnik, Mechatronik und Programmierung vermittelt werden kann.
Im Laufe der Zeit hat die Zahl an Arduino-Platinen ständig zugenommen. Den einen Arduino gibt es eigentlich nicht mehr. Stattdessen existiert ein breites Portfolio an Platinen mit unterschiedlicher Ausstattung, die sich jeweils für spezifische Einsatzzwecke eignen. Wir stellen einige der am häufigsten genutzten Mikrocontroller-Boards der Arduino-Plattform näher vor:
Arduino Uno
Das Standard-Board ist der Arduino Uno: Er verfügt über 14 digitale Input/Output-Pins, von denen 6 als PWM-Outputs genutzt werden können, etwa für die Ansteuerung von Motoren oder die Erzeugung einer quasi-analogen Spannung. Insgesamt stehen 6 analoge Inputs zur Verfügung. Der integrierte Flash-Speicher weist eine Größe von 32 kB auf. Auf dem Uno befinden sich außerdem ein Mini-B-USB- und Stromanschluss.
Arduino Leonardo
Ebenfalls zu den Standard-Boards gehört der Arduino Leonardo. Er ist weitgehend mit dem Uno identisch, hat aber ein paar Input/Output-Pins mehr. Insgesamt besitzt er 20 digitale I/O-Pins, von denen 7 als PWM-Outputs verwendbar sind. 12 Pins sind als analoge Inputs realisiert. Zudem besitzt der Leonardo einen Prozessor mit integrierter USB-Kommunikation.
Arduino Mega
Der Arduino Mega ist eine größere Version des Arduino Uno. Er verfügt über 54 digitale I/O-Pins (14 als PWM-Outputs nutzbar). Vorhanden sind 16 analoge Eingänge. Des Weiteren sind 4 serielle Schnittstellen sowie ein USB- und Stromanschluss integriert. Der Mega ist kompatibel mit den meisten Shields, die für den Uno und Due erhältlich sind. Der Flash-Speicher ist 128 kB groß.
Arduino Due
Das Arduino-Board mit dem derzeit leistungsstärksten Prozessor hört auf den Namen Arduino Due. Es verfügt über 54 digitale I/O-Pins, von denen 12 als PWM-Outputs genutzt werden können. 12 Pins sind als analoge Inputs und 2 als analoge Outputs realisiert. Die Größe des Flash-Speichers beträgt 512 kB. Vorhanden sind mehrere Schnittstellen, darunter ein USB- und CAN-Anschluss.
Arduino Micro
Der Arduino Micro verfügt über 20 digitale I/O-Pins, von denen 7 als PWM-Outputs genutzt werden. Es stehen 12 analoge Inputs zur Verfügung und ein Micro-USB-Anschluss ist ebenfalls vorhanden. Aufgrund seines kleinen Formfaktors eignet sich der Arduino Micro gut für die Arbeit mit Steckboards.
Arduino Nano
Der Arduino Nano wurde speziell für die Arbeit mit Steckplatinen entwickelt und macht mit einer Größe von lediglich 1,8 x 4,5 Zentimetern seinem Namen alle Ehre. Im Grunde handelt es sich um eine Mini-Version des Uno. Der Flash-Speicher des Nano ist 32 kB groß. Es gibt 14 digitale I/O-Pins, von denen 6 mit PWM ausgestattet sind. 8 Anschlüsse dienen als analoge Inputs.
Arduino MKR WiFi 1010
Um der zunehmenden Verbreitung von Arduino-Boards im IoT-Bereich Rechnung zu tragen, wurden speziell dafür geeignete Modelle entwickelt. Der Standard für IoT-Anwendungen ist der Arduino MKR WiFi 1010. Er hat 256 Kilobyte Speicher und 8 digitale I/Os vorzuweisen. Dem Verwendungszweck entsprechend stehen die Verbindungsmöglichkeiten im Vordergrund. Neben einem integrierten WLAN-Modul bietet das Board eine Bluetooth-Funktionalität.
Arduino MKR GSM 1400
Ein weiterer IoT-Spezialist ist der Arduino MKR GSM 1400. Auch dieses Modell hat 8 digitale I/O-Pins und einen internen, 256 kB großen Speicher. Die Besonderheit liegt beim eingebauten GSM/3G-Modul mit einem Micro-SIM-Slot. Damit lassen sich Daten über das Mobilfunknetz verschicken. Das Board MKR GSM 1400 ist ideal für IoT-Standorte ohne Netzwerk- beziehungsweise Internet-Verbindung geeignet.
Bei der Auswahl eines geeigneten Arduino-Boards ist der Einsatzzweck entscheidend. Je komplexer die Anwendung ist und je mehr Komponenten angeschlossen werden müssen, desto mehr I/O-Anschlüsse müssen zur Verfügung stehen. Dabei ist darauf zu achten, dass die Anzahl an digitalen und analogen Ein- und Ausgängen bzw. solchen mit PWM ausreichend bemessen ist. Für einfache Experimente und Programmieraufgaben ist eine Uno- oder Leonardo-Platine mit 14 bzw. 20 I/O-Pins normalerweise ausreichend, für anspruchsvollere Projekte ist ein Mega oder Due vermutlich die bessere Wahl. Als praktisch erweisen sich Starter-Kits, die alles für einen schnellen Einstieg beinhalten. Zudem können Arduino-Boards mit einer Vielzahl von Shields um Sensoren oder Anschlüsse erweitert und auf diese Weise an die jeweilige Aufgabe angepasst werden.
Für eine Nutzung im IoT-Bereich ist ein Board mit zusätzlichen Kommunikationsschnittstellen sinnvoll. Beachten Sie, dass nicht jede Platine über eine WLAN- oder Bluetooth-Funktionalität verfügt. Je mehr Features ein Arduino-Board bietet, desto größer ist es im Regelfall auch. Dies sollte man abhängig von der Entwicklungsumgebung im Hinterkopf behalten. Für die Arbeit mit kleinen Steckplatinen führt an einem Nano oder Micro meist kein Weg vorbei.
Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Prozessorleistung. Die Prozessoren der meisten Arduino-Boards arbeiten mit 16 MHz. Das ist zwar nicht besonders schnell, aber für die meisten Programmieraufgaben ausreichend. Kommt es jedoch auf schnelle Reaktionszeiten und eine rasche Datenübertragung an, sollte man zu schnelleren Boards wie dem Arduino Due greifen, der mit einem 84-MHz-Prozessor läuft. Die Größe des Flash-Speichers ist vor allem bei umfangreicheren Programmierungen von Bedeutung. Für komplexes Coding sollte die Kapazität ausreichend hoch ausfallen. Darüber hinaus ist auf die Betriebsspannung des Arduino-Boards zu achten. Die meisten Ausführungen arbeiten mit Spannungen von 3,3 oder 5 Volt, wobei es auch Ausführungen gibt, die auf 12 Volt ausgelegt sind. Es ist sinnvoll, ein Board zu wählen, dessen Spannung mit der Spannung der angeschlossenen Komponenten identisch ist. Anderenfalls können Schäden am Board oder der Peripherie die Folge sein. Der Stromverbrauch von Arduino-Boards ist gering und daher meistens zu vernachlässigen, es sei denn, es handelt sich um sehr kleinteilige Projekte, bei denen sich der Verbrauch der Platine signifikant auf die Lebensdauer der Batterie auswirken würde. In solchen Fällen kann es sinnvoll sein, zu Boards zu greifen, bei denen der Energieverbrauch bedarfsweise reduziert werden kann.
Der Arduino ist ein Mikrocontroller und kein vollwertiger PC. Das bedeutet, dass die Programmierung nicht auf dem Arduino-Board stattfindet. Stattdessen muss auf einen Computer zurückgegriffen werden, auf dem die Entwicklungsumgebung ausgeführt wird.
Was ist SPI?
Die Abkürzung SPI steht für Serial Peripheral Interface. Dabei handelt es sich um ein synchrones, serielles Bus-System, das nach dem Master-Slave-Prinzip arbeitet. Über eine entsprechende Schnittstelle können andere Geräte oder Shields mit einer Arduino-Platine kommunizieren.
Was bedeutet GSM?
Das Global System For Mobile Communications (GSM) ist nach wie vor das Rückgrat für das deutsche Mobilfunknetz. Es wird zwar immer mal wieder spekuliert, dass die Provider das GSM-Netz bald abschalten und nur noch 4G oder 5G einsetzen könnten, aufgrund seiner nahezu 100-prozentigen Verfügbarkeit wird uns GSM aber noch eine Weile erhalten bleiben.
Was versteht man unter einem Arduino-kompatiblen Board?
Arduino-kompatible Boards sind Entwicklerboards, die nicht von Arduino selbst, sondern von Drittherstellern stammen. Sie sind allerdings mit Blick auf die Kompatibilität zu originalen Arduino-Boards konzipiert, indem sie unter anderem mit den gleichen Mikrocontroller-Chips ausgestattet sind.