UNIVERZA V LJUBLJANI PEDAGOŠKA FAKULTETA
FAKULTETA ZA MATEMATIKO IN FIZIKO Program: fizika - tehnika
IZDELAVA INTERAKTIVNE TABLE
DIPLOMSKO DELO
Mentor: Kandidat:
dr. Slavko Kocijančič, izr.prof. Tadej Krivic
Somentor:
David Rihtaršič, asist.
Ljubljana, junij 2013
Zahvala
Zahvaljujem se mentorju, izrednemu profesorju dr. Slavku Kocijančiču, za
pomoč pri nastajanju diplomskega dela ter asistentu Davidu Rihtaršiču za
vso nudeno pomoč pri programiranju. Posebna zahvala tudi staršem in
punci Mateji za spodbudo pri izvedbi diplomskega dela.
I
POVZETEK
Eno izmed sodobnejših orodij s katerimi se srečujemo v današnjih šolah je tudi interaktivna tabla, katere značilnosti, način delovanja in uporabnost, praktična izdelava in postavitev v razredu so podrobneje opisane v diplomski nalogi. V splošnem interaktivna tabla deluje v povezavi z ostalimi sodobnimi informacijsko- komunikacijskimi tehnologijami kot so elektronska pisala, projektorji, glasovalne naprave, brezžične tablice in računalniki.
Diplomska naloga je sestavljena iz teoretičnega in praktičnega dela. Teoretičen del vsebuje predstavitev različnih tipov komercialnih interaktivnih tabel ter pripomočkov, ki skupaj s tablo tvorijo t.i. interaktivni razred. Dalje je v nalogi opisana teorija infrardečega valovanja, infrardeče komunikacije, modulacije signala ter splošno delovanje infrardečega oddajnika in sprejemnika. V praktičnem delu je predstavljena izdelava lastne, cenovno ugodne in na preprost način izdelane infrardeče interaktivne table, kar je tudi osrednja tema diplomske naloge. Opisan postopek izdelave interaktivne table vključuje izdelavo in sestavo potrebnih elementov, povezovanje mikrokrmilnika s programatorjem ter razlaga programske kode infrardečega oddajnika in sprejemnika napisane v programskem okolju BASCOM. Celoten postopek izdelave, ki je predstavljen v nalogi, je zasnovan tako, da ga lahko izvedejo tudi učenci ob pomoči učitelja v okviru projektnega dela pri predmetu robotika v tehniki ali tehničnem dnevu.
KLJUČNE BESEDE:
Interaktivna tabla, Nintendo WII igralna palica, IR komunikacija, IR pisalo, modulacija signala, programiranje, mikrokrmilnik ATTiny261, Bascom.
II
III
MAKING INTERACTIVE WHITEBOARD
ABSTRACT:
An interactive whiteboard is a modern instrument that is nowadays used in schools everywhere. A detailed description of its features, operation, usefulness, manufacture, and usage in schools will be presented in this paper. The interactive whiteboard can be used with different information and communications technology, such as digital pens, projectors, response systems, tablet computers, laptops etc.
The thesis consists of the theoretical and practical part. In the theoretical part a range of interactive whiteboards and technical accessories that, together with the whiteboard, form a so-called interactive classroom, are presented. In addition the thesis includes a description of infrared light (IR), IR data transmission, frequency modulation, and the basic functioning of an IR receiver and transmitter modules. The practical part includes an in detail description of the manufacture of your very own easy-to-make IR interactive whiteboard, without spending a lot of money. Furthermore, there is a detailed description of the material necessary for the manufacture of the interactive whiteboard, how to connect microcontrollers to programmers, and the explanation of the source code (written in BASCOM) for the IR receiver and transmitter modules. The whole procedure is described in a way that pupils can themselves, with the help of their teacher, build it either in the course of technical education or science days.
KEYWORDS:
interactive whiteboard, WII gamepad, IR data transmission, IR pen, frequency modulation, programming, microcontroller ATTiny216, Bascom
IV
1
KAZALO VSEBINE
1 UVOD... 7
2 INTERAKTIVNA TABLA ... 9
2.1 TEHNOLOGIJE INTERAKTIVNIH TABEL ... 10
2.1.1 Analogno uporovne table ... 10
2.1.2 Elektromagnetne table ... 10
2.1.3 Kapacitivne table ... 11
2.1.4 Ultrazvočne in infrardeče table ... 11
2.1.5 Laserske table ... 11
2.1.6 Optične in infrardeče table ... 11
2.2 INTERAKTIVNI RAZRED ... 12
2.2.1 Glasovalni sistemi ... 13
2.2.2 Tablica Activtablet ... 13
2.2.3 Brezžična tablica ActivSlate ... 14
3 INFRARDEČE VALOVANJE ... 15
3.1 INFRARDEČA KOMUNIKACIJA ... 15
3.2 MODULACIJA SIGNALA ... 16
3.3 IR ODDAJNIK ... 16
3.4 IR SPREJEMNIK ... 17
4 IZDELAVA INFRARDEČE INTERAKTIVNE TABLE ... 19
4.1 IR PISALO Z DALJINSKIM UPRAVLJAVCEM ... 19
4.1.1 IR dioda TSAL-6400 ... 20
4.1.2 Tipka ... 20
4.1.3 Mirkokrmilnik Atmel Attiny261 ... 21
4.1.4 Napajanje ... 22
4.1.5 Polnilni konektor ... 23
4.1.6 Vezava elementov ... 23
4.1.7 Polnilec LION baterije ... 24
4.2 PROJEKTOR ... 25
4.2.1 Tehnologija s tekoče-kristalnim zaslonom ... 26
4.2.2 Tehnologija digitalnega procesiranja svetlobe ... 26
4.2.3 Standardni projektor ... 26
4.2.4 Širokokotni projektor ... 27
4.3 NINTENDO WII IGRALNA PALICA ... 27
4.3.1 IR kamera ... 28
4.3.2 Merilnik pospeška ... 29
4.3.3 Vgradnja napajalnega kabla in oddaljenega vklopa ... 29
4.4 IR SPREJEMNIK ... 30
4.4.1 IR sprejemni modul TSOP4836 ... 30
4.4.2 Optični spojnik Toshiba TLP521-1 ... 31
4.4.3 Napetostni regulator LM317T ... 32
4.4.4 Nadometno ohišje ... 32
5 PROGRAMIRANJE MIKROKRMILNIKA-BASCOM ... 35
5.1 INŠTALACIJA IN POVEZAVA EPRODAS-FTDI USB PROGRAMATORJA ... 36
5.2 PROGRAMSKO OKOLJE BASCOM ... 36
5.3 ZAGON PROGRAMA BASCOMDEMO ... 37
5.4 PROGRAMSKA KODA ODDAJNIKA ... 38
5.5 PROGRAMSKA KODA SPREJEMNIKA ... 43
6 PROGRAMSKA OPREMA TABLE ... 45
6.1 ZAHTEVE ZA DELOVANJE ... 45
6.2 NAMESTITEV IN ZAGON PROGRAMA ... 45
2
6.3 POVEZAVA PROGRAMA Z NINTENDO WII IGRALNO PALICO ... 47
6.4 OSNOVNI MENI ... 48
6.5 NAČIN INTERAKTIVNA TABLA ... 49
6.6 NAČIN PREZENTACIJA ... 49
6.7 KALIBRACIJA... 51
6.8 ORODNA VRSTICA ... 51
6.8.1 Podmeni Pripomočki ... 52
6.8.2 Podmeni PowerPoint ... 53
7 POSTAVITEV TABLE V RAZREDU ... 55
7.1 BELA TABLA, STENA ALI PLATNO ... 55
7.2 POSTAVITEV NINTENDO IGRALNIH PALIC ... 55
7.3 PRIMER UPORABE PRI POUKU ... 57
7.3.1 Kako nastane električna energija ... 57
7.3.2 Delovanje štiritaktnega motorja ... 58
7.3.3 Vzvod ... 58
7.3.4 Merjenje gostote ... 59
8 ZAKLJUČEK ... 61
9 VIRI IN LITERATURA ... 63
3
KAZALO SLIK:
Slika 2.1: Interaktivni razred [9] ... 12
Slika 2.2: Glasovalna naprava Activote [11]. ... 13
Slika 2.3: Tablica Activtablet [13] ... 14
Slika 2.4: Brezžična tablica ActivSlate [15]. ... 14
Slika 3.1: Prenos moduliranega signala in demodulacija [20]. ... 16
Slika 3.2: Diagram IR sprejemnika ... 17
Slika 4.1: Flomaster za bele table. ... 19
Slika 4.2: Zamisel delovanja tipke. ... 21
Slika 4.3: Tipka vklopa IR daljinca ... 21
Slika 4.4: Atmel Attiny261 [25]. ... 22
Slika 4.5: Lion baterija tipa 14500 [26]. ... 22
Slika 4.6: Cinch konektor [27]. ... 23
Slika 4.7: Vezava elementov IR oddajnika ... 23
Slika 4.8: Shema LION polnilca [29]. ... 24
Slika 4.9: Pozitivni in negativni priključek cinch konektorja ... 25
Slika 4.10: Standardni projektor [34] ... 27
Slika 4.11: Short throw ali širokokotni projektor [35] ... 27
Slika 4.12: Nintendo Wii [37]... 28
Slika 4.13: Pixart IR kamera [39] ... 28
Slika 4.14: Vijaki tipa tri-wing [40] ... 29
Slika 4.15: Naspajkane konice vodnikov. ... 30
Slika 4.16: Shema vezave TSOP4836 ... 31
Slika 4.17: Shema vezave TLP521-1 ... 31
Slika 4.18: Shema vezave LM317T ... 32
Slika 4.19: Nadomestno ohišje ... 33
Slika 5.1: eProDas-FTDI usb programator [45] ... 35
Slika 5.2: Shema vezave eProdas-FTDI z ATTiny261[47] ... 36
Slika 5.3: Prazno okno ... 37
Slika 5.4: Izbira mikrokrmilnika ... 38
Slika 5.5: Izbira programatorja ter vpis parametra ... 38
Slika 5.6: Vrednost »I« v desetiškem sistemu [51] ... 40
Slika 5.7: Pretvorba iz desetiškega sistema v dvojiškega ... 40
Slika 5.8: Poslan signal črke »I« ... 41
Slika 5.9: Prevajanje programa v HEX kodo ... 42
Slika 6.1: Izbira jezika ... 46
Slika 6.2: Ikona za zagon programa Smoothboard 2-Slovenian ... 46
Slika 6.3: Vpis licenčnega ključa ... 47
Slika 6.4: Vpis licenčnega ključa ... 47
Slika 6.5: Iskanje prisotnih igralnih palic in povezava ... 48
Slika 6.6: Prikaz stanja baterij in izbira načina delovanja ... 48
Slika 6.7: Zavihek splošne nastavitve in Interaktivna tabla ... 49
Slika 6.8: Prožilci ... 50
Slika 6.9: Merilnik časa ... 50
Slika 6.10: Hitra kalibracija ... 51
Slika 6.11: Belo okno kalibracije ... 51
Slika 6.12: Različna postavitev orodne vstice ... 52
4
Slika 6.13: Funkcije Power Point ... 53
Slika 7.1: Postavitev igralne palice za levičarje [54] ... 55
Slika 7.2: Namestitev dveh igralnih palic ... 56
Slika 7.3: Konzola za pritrditev igralne palice [55] ... 56
Slika 7.4: Animacija hidroelektrarne [58] ... 57
Slika 7.5: Delovanje štiritaktnega motorja [59] ... 58
Slika 7.6: Gugalnica [60] ... 59
Slika 7.7: Merjenje gostote[ 61] ... 59
5
KAZALO PROGRAMSKIH KOD:
Programska koda 5.1: Definiranje čipa in frekvence ... 38
Programska koda 5.2: Definicija porta in spremenljivke ... 39
Programska koda 5.4: Zapis bitov ... 41
Programska koda 5.5: Zapis logične 0 in 1 ... 42
Programska koda 5.6: Definiranje mikrokrmilnika, frekvence ter portov ... 43
Programska koda 5.7: Implementacija programskega UART ... 43
Programska koda 5.8: Do..Loop zanka (Čakanje prave vrednosti ter pogoj za logično 0 in 1) ... 44
6
AKRONIMI IN OKRAJŠAVE
ASCII American Standard Code for Information Interchange, ameriški standardni nabor za izmenjavo informacij
DEMO Demonstration, demonstracijski
DLP Digital Light Processing, digitalno procesiranje svetlobe GND Ground, ozemljitev GND Ground, ozemljitev
GSM Global System for Mobile communications, svetovni standard mobilnih komunikacij
HEX Hexadecimal, šestnajstiški številski zapis,
IR Infrardeče
LCD Liquid Crystal Display, zaslon s tekočimi kristali Li-on Lithium-ion, litij-ionsko
LPT Line Print Terminal, tiskalniški izhod SPI Serial Peripheral Interface, serijski vmesik
UART Universal Asynchronous Receiver/Transmitter, univerzalni asinhroni sprejemnik/oddajnik
USB Universal Serial Bus, univerzalno serijsko vodilo WIFI Wireless Fidelity, brezžično omrežje
7
1 UVOD
Napredek tehnologije kaže posledice na vseh področjih, tudi v šolstvu. Nekoč so učenci sedeli za lesenimi mizami in v rokah držali majhne tablice ter koščke krede za pisanje.
Danes, v 21. stoletju, se način in pristop poučevanja prilagaja razvoju tehnologije in potrebam učencev. Živimo v času hitrega tehnološkega razvoja, kjer moderna tehnologija učiteljem po eni strani olajša delo, po drugi pa je količina dela večja in v določenih primerih tudi otežena.
Uporaba novih tehnologij, kot sta računalnik in svetovni splet, sta v šolah in domovih postala neizbežna, v šolah pa se vpeljujejo novi načini poučevanja in podajanja snovi.
Učenci v splošnem zelo dobro sprejemajo sodobno tehnologijo, česar pa za učitelje ne moremo trditi [1]. Rezultati raziskav kažejo, da ima večina šol predmetne kakor tudi razredne stopnje v učilnicah že nameščen računalnik. Učenci imajo zelo pozitiven odnos do uporabe računalnika pri pouku, problem pa nastane pri učiteljih in ravnateljih, ki imajo v splošnem premalo specialno didaktičnih znanj o uporabi računalnika.
Pogostost uporabe računalnika pri naravoslovno-matematičnem področju kaže na negativni trend, medtem ko uporaba pri družboslovnih predmetih narašča [2]. Poleg računalnikov prinaša nova tehnologija v šole tudi interaktivne table. Interaktivna tabla je bela tabla z možnostjo zaznavanja premikov pisala po tabli. Z elektronskim pisalom nadomestimo funkcijo miške, kar omogoča krmiljenje računalnika kar na površini table.
Za kvalitetno uvajanje interaktivnih tabel je med drugim potrebna tudi učiteljeva usposobljenost in zainteresiranost. Različni proizvajalci interaktivnih tabel ponujajo programe, animacije, izobraževanja in delavnice, kjer učiteljem pomagajo pri načrtovanju ure. Učitelji morajo sprejeti dejstvo, da sama tabla ne bo pripomogla k večji interaktivnosti učne ure, če sami ne bodo izdelali ali na spletu poiskali primernih učnih gradiv. Dobro izbrano gradivo lahko poveča motivacijo učencev in izboljša njihove učne dosežke.
8
Interaktivne table so v slovenskih šolah prisotne od leta 2008, ko je Ministrstvo RS za šolstvo in šport leta 2007 razpisalo »Natečaj za sofinanciranje računalniške strojne in programske opreme, interaktivnih naprav s spremljajočo programsko opremo, eGradivi in storitvami in nekaterih omrežnih storitev in opreme vzgojno- izobraževalnim zavodom v letih 2007 in 2008«. Ministrstvo je financiralo 50 % sredstev, ostala sredstva so financirali zavodi sami [3].
Sam namen diplomske naloge je izdelava interaktivne table ter opis postopkov same izdelave. Živimo v kriznih časih in šole za nakup dragih interaktivnih tabel nimajo dovolj sredstev. Veliko učilnic ima že nameščene projektorje in bele table, nimajo pa interaktivne table. V želji po izdelavi poceni interaktivne table in uporabi že obstoječe strojne opreme (bele table in projektorja) je nastalo to diplomsko delo. Po pregledu internetne literature je bilo ugotovljeno, da podobno delo v slovenskem jeziku še ni bilo predstavljeno, zato smo se odločili za nazorno in sistematično predstavitev tudi slovenskim učiteljem.
V splošnem je diplomsko delo namenjeno vsem tistim učiteljem tehnike in tehnologije, robotike, elektronike in elektrotehnike, ki imajo v svojih učilnicah že nameščen projektor in si z majhno nadgradnjo bele table lahko izdelajo pravo interaktivno tablo.
Strošek izdelave in nakup sestavnih delov je v primerjavi z nakupom prave interaktivne table zanemarljiv. Celoten postopek izdelave, ki je predstavljen v nalogi, je zasnovan tako, da ga lahko izvedejo tudi učenci ob pomoči učitelja, v okviru projektnega dela pri predmetu robotika v tehniki ali tehničnem dnevu. Med delom učenci praktično ponovijo nekatere načine obdelave materialov, se seznanijo s sestavljanjem elektronskih vezij, spajkanjem ter programiranjem mikrokrmilnikov. Učenci spoznajo, da lahko igralno palico Nintendo Wiimote, ki je namenjena igranju TV iger, uporabijo tudi kot sestavni del interaktivne table. Pri izdelovanju vezij spoznajo elektronske elemente in njihovo delovanje. Pri iskanju sestavnih delov jih spodbujamo k ponovni uporabi rabljenih elektronskih elementov iz starih naprav, ki bi jih drugače zavrgli.
9
2 INTERAKTIVNA TABLA
V Sloveniji se je za vse oblike elektronskih tabel najbolj udomačil izraz interaktivna tabla. V splošnem so interaktivne table povezane z računalnikom in projektorjem ter imajo dimenzijo tradicionalne šolske table, katera je v večini občutljiva na dotik (različni tipi pisal). Po tabli je možno pisati, risati, urejati slike, predvajati animacije ter brskati po spletu. Za delovanje interaktivne table v ozadju skrbi posebna programska oprema, katero nam proizvajalec priloži ob nakupu table. Programska oprema se razlikuje glede na tip table, starost učencev ter navsezadnje tudi na vsebino učnega predmeta [4]. Zanimivo je zgodovinsko dejstvo, da so tovrstne table prvotno razvili za uporabo v pisarnah za:
tiskanje materiala oz. gradiva napisanega na tabli;
shranjevanje napisanega materiala in kasnejši ponoven prikaz;
deljenje napisane vsebine (preko videokonference ali e-pošte).
Prva tabla je bila narejena v podjetju Xeroc PARC v Kaliforniji v začetku devetdesetih let prejšnjega stoletja. Uporabljali so jo na neformalnih srečanjih skupin ter kot orodje pri video sestankih. Danes, dvajset let kasneje, so številna podjetja kot sta SMART Technologies ali Promethean prepoznala potencial interaktivnih tabel prav v poučevanju v šolah. Za olajšanje dela z njimi so jim dodali različna orodja kot so brezžične tablice, glasovalne sisteme itd. [5]. Zadnjih nekaj let jih množično uporabljajo tudi v naših šolah, predvsem v nižjih razredih devetletke. Mnenja učiteljev o njeni uporabi so zelo različna, vsi pa priznavajo večji obseg sodelovanja učencev med poukom.
Največja prednost interaktivne table je predvsem v motivaciji učencev in navsezadnje tudi učiteljev. Začetno navdušenje lahko hitro mine, če učitelji table ne uporabljajo konstantno ter vsakodnevno ne dopolnjujejo oz. dodajajo gradiv. Interaktivne table pomenijo prihodnost modernega podajanja snovi, saj z vstopom table v učilnico dejansko »odpremo« razred elektronskemu svetu. Odzivi učencev in njihovo predznanje nam omogoča direktno nastajanje gradiv v razredu, z njeno uporabo pa preverimo razumevanje podane snovi [6]. Uporaba klasične bele oz. zelene table je v vseh šolah
10
enaka. Učitelj med razlaganjem snovi s pisalom piše po tabli, ko pa celotno tablo zapolni, jo mora zbrisati in šele nato lahko spet nadaljuje s pisanjem. Ta pristop je dokaj preprost, vendar v današnjih časih ne preveč praktičen. Učitelj napisanih stvari naslednji dan ne mora znova uporabiti.
Interaktivna tabla učitelju ponuja vse možnosti klasične table, hkrati pa nam poleg pisanja in risanja po tabli omogoča še paleto dodatkov kot so izbira pisal, barv, debelin pisave, tekstu lahko dodajamo slike iz spleta ali iz računalnika itd. Na koncu lahko vse zapiske shranimo in jih uporabimo pri naslednjih urah ali pa jih po elektronski pošti pošljemo učencem, ki so bili odsotni ali za ponavljanje snovi pred preverjanji znanja.
2.1 Tehnologije interaktivnih tabel
Na tržišču obstaja več različnih vrst interaktivnih tabel. Na splošno so si vse zelo podobne, razlikujejo pa se predvsem po načinu oz. tehnologiji delovanja. Trenutno je možno izbirati med šestimi različnimi tipi, ki so predstavljeni spodaj [6].
2.1.1 Analogno uporovne table
Analogno uporovne table so sestavljene iz dveh električno prevodnih listov, ki sta med seboj ločena s tanko plastjo zraka. Ko se table dotaknemo s prstom ali z nekim drugim tršim materialom, se površina table deformira, prevodna lista se spojita in električni krog je sklenjen. Iz spremembe upornosti določimo koordinati dotika. Na ta način rišemo črte, pišemo črke ali izbiramo ikone. Te table navadno ne podpirajo signalov, ki jih posredujemo z miško.
2.1.2 Elektromagnetne table
Niz žic vgrajenih v ozadju table sodeluje s tuljavo, ki je vgrajena v konici elektronskega pisala. Na ta način je možno določiti koordinate točke, kjer se pisalo nahaja. Pisalo je lahko aktivno (ima vgrajeno baterijo oz. je žično povezano s tablo) ali pa je pasivno (spreminja električni signal, ki nastaja na tabli in nima lastnega napajanja). Te vrste tabel imajo ponavadi površino iz trdega materiala in brez gibljivih delov. Dobra lastnost te tehnologije
11
je tudi večja robustnost, saj se lahko med pisanjem z roko naslanjamo na tablo. Te vrste tabel ponavadi podpirajo vse funkcije miške in signale preko daljinskih upravljalnikov.
2.1.3 Kapacitivne table
Kapacitivne table prav tako delujejo z nizom žic, ki so vgrajene za tablo. Preko senzorjev zaznavajo dotik prstov. Žice so postavljene v smeri X in Y – tabla na tak način izračuna koordinati. Prednost pred elektromagnetnimi tablami je v tem, da ne potrebujemo pisal. Vsa elektronika je za zaslonom, je nevidna in posledično zaščitena pred poškodbami.
2.1.4 Ultrazvočne in infrardeče table
Pisalo ob pritisku na površino odda ultrazvočen ter infrardeč signal. Ob robu table sta nameščena ultrazvočna mikrofona, ki iz sprejetega zvoka izmerita čase obeh signalov. Iz razlik med časoma obeh signalov in s pomočjo triangulacije (izračun vseh kotov in ene stranice) se določita koordinati pisala. Tabla zahteva pisalo, katerega pisava se lahko briše brez uporabe tekočine. Ta vrsta tabel ne deluje na dotik.
2.1.5 Laserske table
Tabla ima v obeh zgornjih kotih table nameščen pa en infrardeč laser, ki osvetljujeta celotno površino table. Med pisanjem zrcalo na pisalu odbije laserski žarek nazaj k viru, ki nato določi položaj pisala. Njihova življenjska doba je precej dolga, saj so narejene iz trdne podlage, ki jo sestavlja plast keramike in plast kovine. Peresa in markerji so pasivni, kar pomeni da ni stroškov z baterijami.
2.1.6 Optične in infrardeče table
Ko pritisnemo na površino, pisalo odda ultrazvočen ter infrardeč signal. Ultrazvočna mikrofona sprejmeta zvok ter izmerita razliko med časoma prihoda obeh signalov. S pomočjo triangulacije (izračun vseh kotov in ene stranice) se določita koordinati.
12
2.2 Interaktivni razred
Podjetja so poleg interaktivnih tabel razvila še dodatne tablice in glasovalne sisteme, ki skupaj s tablo razred spremenijo v t.i. interaktivni razred (slika 2.1).
Slika 2.1: Interaktivni razred [9]
Trg ponuja celovito rešitev za učilnice, ki učiteljem poleg interaktivnosti omogoča ustvarjanje vprašalnikov in sprotno analiziranje razumevanja in uspešnosti učencev.
Učenje naravoslovnih predmetov postane zanimivo in priročno, poudarek pa je predvsem na poglobljenem razumevanju konceptov. Z različnimi interaktivnimi animacijami lahko v razredu prikažemo poskuse, ki bi jih drugače lahko videli samo na terenu ali v laboratorijih. Interaktivna učilnica povezuje tehnologijo v celotnem ciklu učenja in poučevanja. Ker je pametno, privlačno in interaktivno, je tudi bolj učinkovito.
Interaktivna učilnica prikazuje razlage abstraktnosti in težkih konceptov na lažji, bolj učinkovit in učencem razumljiv način. Pripomočki, ki jih je moč dokupiti, zagotavljajo tudi učinkovito ocenjevanje učencev in učiteljem podaja sprotno analizo znanja. Na tak
13
način lahko naredijo plan kako izboljšati šibka področja učencev in jim pomagajo pri celovitem ocenjevanju učencev [8].
2.2.1 Glasovalni sistemi
Sodelovanje v razredu in sodelovanje med učenci sta sestavna dela učne ure. Z glasovalnimi sistemi spodbujamo interaktivno učenje in odgovarjanje na vprašanja tudi bolj tihim in plašnim učencem. Učitelju je s tem omogočeno ocenjevanje in pregled znanja nad celotnim razredom, ne glede na potrebe posameznika.
Glasovanje v učilnici naredi pouk zabaven, vznemirljiv in enostaven. Pri uporabi glasovalnih sistemov nam ni potrebno ugibati ali so učenci resnično razumeli snov, saj so nam vsi odgovori na tabli vidni takoj po glasovanju. Skupaj si jih lahko ogledamo v razumljivih oblikah, kot so grafi ali grafikoni in tako ugotovimo ali je potrebno snov dodatno obrazložiti. Primer glasovalne naprave Activote vidimo na sliki 2.2 [10].
Slika 2.2: Glasovalna naprava Activote [11].
2.2.2 Tablica Activtablet
Načrtovanje je pomemben del poučevanja. S tablico Activtablet proizvajalca Promethean (slika 2.3) lahko pripravljamo interaktivne lekcije izven učilnice. Tablica je povsem prenosna, natančna in enostavna za uporabo. Priklopimo jo lahko na računalnik in uporabljamo priložene programe. Na dotik občutljiv ekran simulira ekran interaktivne table, nanjo pa pišemo s priloženim pisalom [12].
14
Slika 2.3: Tablica Activtablet [13]
2.2.3 Brezžična tablica ActivSlate
Brezžične tablice omogočajo brezžično komunikacijo med učenci in učiteljem, primerne so predvsem za delo v skupinah. Nanjo pišemo s posebnimi priloženimi pisali, ki se uporabljajo tudi za pisanje na tablo. Učitelju dajejp možnost upravljanja, dodajanja in urejanja table kjerkoli v razredu. Ko učenec ali učitelj piše po podlagi tablice, se njegovo delo prikaže tako na interaktivni tabli kot tudi na računalniku. Tablica je majhna, lahka, vgrajeno pa ima polnilno baterijo, ki zagotavlja dolgo življenjsko dobo [14].
Slika 2.4: Brezžična tablica ActivSlate [15].
15
3 INFRARDEČE VALOVANJE
Infrardeče valovanje je leta 1800 s preprostim poskusom odkril nemško-angleški glasbenik, skladatelj in astronom Sir Frederick William Herschel. Želel je ugotoviti koliko energije nosi vsaka barvna komponenta sončne svetlobe. Pri tem je žarek sončne svetlobe na prizmi razklonil na barve mavrice in z živosrebrnim termometrom izmeril temperaturo vsake barve. Ugotovil je, da temperatura narašča od modrega proti rdečemu spektru. Zanimala ga je tudi temperatura izven vidnega območja, kjer je izmeril še višje vrednosti. Menil je, da se svetloba lomi tudi v ta nevidni predel, zato ga je poimenoval kar toplotni žarki. Nadaljeval je s poskusi in ugotovil, da se ti novi žarki lomijo, razširjajo in odbijajo prav tako kot vidni žarki. Ker so po frekvencah nižje od rdeče barve, jih je poimenoval kar infrardeči žarki. Predpona »infra« v latinščini pomeni
»pod« [16].
3.1 Infrardeča komunikacija
Prenos podatkov preko infrardeče povezave sodi v skupino brezžičnih optičnih prenosov na krajše in vidne razdalje. Vsakodnevno se uporablja pri napravah kot so TV, GSM (Global System for Mobile communications) telefoni, radio, igrače itd. Za uspešno poslano informacijo potrebujemo IR (infrardeči) sprejemnik in oddajnik. Vzpon infrardečih naprav se je pojavil predvsem v devetdesetih letih prejšnjega stoletja, vendar so jih kasneje zaradi komunikacije brez vidne povezave začele nadomeščati radijske komunikacije kot sta WIFI (Wireless Fidelity) in Bluetooth. IR tehnologija se je kasneje izpopolnila v tolikšni meri, da je možno podatke prenašati tudi na razdaljah daljših od enega kilometra. Vse IR naprave v splošnem delujejo po protokolu, ki ga je izdalo združenje IrDA (Infrared Data Association). Večja podjetja kot so Sony, Philips in ostali so razvili svoj protokol prenosa podatkov – med najbolj razširjenimi lahko omenimo Sonyev SIRC, Philipsov RC-5 in 6 [17].
16
3.2 Modulacija signala
V naravi imamo veliko virov infrardeče svetlobe, pri čemer je sonce eno izmed večjih.
Obstajajo še drugi viri, kot so žarnice, sveče, centralno ogrevanje in celo naše telo. V splošnem IR svetlobo oddaja vse kar oddaja tudi toploto. Da bi se pri prenosu podatkov oz. signala izognili zunanjim motnjam, moramo sprejeti nekatere ukrepe. [18].
Modulacija je postopek kjer koristni signal (podatek) zapišemo na nosilni signal.
Nosilni signal ima specifično lastnost, kot je npr. sposobnost širjenja IR valovanja po ustreznih prenosnih poteh. V rabi so različne vrste modulacij, ki nam omogočajo različne načine prenosa glede na vrsto in zahtevnost signala, razdalje, hitrosti prenosa, motenj in drugih dejavnikov. Podatek, ki ga pošljemo, je lahko digitalen, analogen ali pa celo mešanica obeh. Moduliranim podatkom se med prenosom priključijo še motnje, ki znižujejo kvaliteto prenesenega podatka in otežujejo demodulacijo oz. rekonstrukcijo signala na prejemnikovi strani. Digitalne modulacije imajo pred analognimi to prednost, da jih je možno med samim prenosom večkrat ojačiti ter se tako izogniti napakam.
Modulator nam koristni signal modulira na signal nosilne frekvence, ki je lahko sinusne ali kvadratne oblike. Na izhodu dobimo združen novi signal, ki je mešanica podatka in frekvence. Na prejemnikovi strani je potrebno prejeti signal z demodulatorjem pretvoriti v prvotno obliko – na sliki 3.1 je predstavljen prenos moduliranega signala in demodulacija le tega [19].
Slika 3.1: Prenos moduliranega signala in demodulacija [20].
3.3 IR oddajnik
IR oddajniki so ponavadi majhne plastične škatlice z vgrajenimi tipkami, ki jih uporabljamo za krmiljenje in vklapljanje vsakodnevnih naprav. V večini primerov so
17
napajani preko baterij, od njih pa se posledično pričakuje majhna poraba. Vsi imajo pri vrhu vgrajeno IR diodo, signal izsevane IR svetlobe pa mora biti dovolj močan, da doseže sprejemljive razdalje. Priporočeno je, da so narejeni tako, da so odporni na udarce in padce iz višin. Desetletja nazaj je bilo veliko čipov namensko narejenih prav za uporabo v IR oddajnikih, danes pa imajo vgrajene mikrokontrolerje, ki so bolj fleksibilni in imajo zelo nizko porabo energije. Ko ne pritiskamo na gumb so oddajniki v spečem stanju, kjer je poraba baterij zelo majhna. Procesor se zbudi samo takrat, ko pritisnemo na poljubno tipko. Tokovi skozi diodo se razlikujejo in znašajo od 100mA pa vse do 1A. Za doseganje delovanja z daljših razdalj mora bit tok skozi diodo čim večji oz. maksimalno dopustni, ki ga dioda še vzdrži. Vsekakor pa je pri izdelavi potrebno upoštevati kompromis med življenjsko dobo baterije, parametri diode in želene razdalje do sprejemnika. Tokovi skozi diodo so lahko tako veliki, ker so impulzi, ko dioda sveti, zelo kratki [18].
3.4 IR sprejemnik
Ko podatek pošljemo od izvora, ga običajno želimo na sprejemni strani tudi zaznati. V ta namen potrebujemo IR sprejemnik. Na trgu obstaja več proizvajalcev IR sprejemnikov – v Evropi so glavni dobavitelji Siemens, Vishay in Telefunken. Na sliki 3.2 je mogoče videti tipičen diagram preprostega IR sprejemnika. Vsi narisani deli oz.
bloki so vgrajeni v eni elektronski komponenti.
Slika 3.2: Diagram IR sprejemnika
Na levi strani blokovnega diagrama je foto dioda občutljiva na valovne dolžine okrog 940nm. Dioda sprejema vse signale, ki so v bližini teh valovnih dolžin. Sprejeti signal
18
se glede na to ali se signal dviguje ali pada v odvajalniku spremeni v napetost pozitivne ničle ali pozitivne enke. Ker je signal pripeljan na invertirajoči vhod, je izhodni signal obrnjen. Sledi ojačevalnik, ki nam signal ojača in pošlje skozi pasovno prepustni filter, ki sprejema samo signale vnaprej določene frekvence. Filter je nastavljen na frekvenco oddajnika 36 kHz, medtem ko se v splošnem vrednosti gibljejo od 30-60 kHz.
Sledi komparator z avtomatsko nastavljivo primerjalno vrednostjo. Primerjalna vrednost mora biti nastavljena nad šumom, da prepričuje pojavljanje naključnih impulzov. Na koncu gre signal še skozi integrator in schmittov sprožilnik. Integrator se vklopi šele po več zaporednih ciklih nosilnega signala na izhodu komparatorja. Kombinacija integratorja in schmittovega sprožilnika je optimizirana tako, da je izhodni signal podoben tistemu, ki smo ga na začetku poslali preko infrardeče diode. Na koncu izhodni signal v splošnem vežemo na vhod mikrokrmilnika [18].
19
4 IZDELAVA INFRARDEČE INTERAKTIVNE TABLE
Izdelava interaktivne table poteka v več delih. Izdelava vsakega dela je podrobno opisana in opremljena s slikami. Začnemo z izdelavo preprostega IR pisala z vgrajenim daljinskim upravljavcem (IR oddajnikom) vklopa Nintendo WII igralnih palic. Za lažjo izbiro primernega projektorja sledi opis različnih tipov projektorjev. Nadaljujemo z opisom Nintendo WII igralne palice, njenim delovanjem, opisom posameznih elementov, razstavljanjem ohišja ter vgradnji kabla za zunanje napajanje in vklop Nintendo WII igralne palice. Dalje sledi opis izdelave IR sprejemnika, programske koda ter vgradnja sprejemnika v ohišje. Pri izdelavi uporabimo material iz iztrošenih elektronskih komponent, smo ekološko osveščeni in s tem privarčujemo nekaj denarja.
4.1 IR pisalo z daljinskim upravljavcem
Zamislili smo si pisalo in daljinski upravljalnik v enem kosu, s katerim bi lahko pisali in hkrati brezžično vklapljali Nintendo WII kontroler. Flomaster upravlja osnovno funkcijo pisanja ter funkcijo daljinskega upravljavca. Za izdelavo IR pisala uporabimo iztrošen flomaster, ki ga uporabljajo pri belih šolskih tablah. Izbira pravega oz.
primernega pisala je zelo pomembna, saj nam kasneje pri vgrajevanju komponent precej olajša delo. Flomaster mora biti dovolj debel in dolg, da lahko vanj vgradimo vse potrebne elemente. Eden izmed ustreznih flomastrov je viden na sliki 4.1.
Slika 4.1: Flomaster za bele table.
20
Vanj bomo vgradili 3.7 V baterijo tipa 14500, zato izbiramo med flomastri z notranjim premerom vsaj 18mm. Zaradi lažjega vgrajevanja komponent je smiselno izbrati takšnega, ki je razstavljiv na obeh straneh.
4.1.1 IR dioda TSAL-6400
Začnemo z vgradnjo IR diode model TSAL-6400 proizvajalca Vishay. Odločili smo se za model 6400, saj smo po testiranjih različnih modelov prav z njo dosegli najboljše rezultate. Valovna dolžina izsevane IR svetlobe znaša 940 nm, kar odlično sovpada z uporabljenim IR sprejemnikom. Kot osvetljevanja diode meri 25° v vsako smer [22].
Dioda ima 2 priključka – daljši priključek predstavlja pozitivno anodo, krajši pa negativno katodo. Priključka s kleščami skrajšamo na minimum, zato si je dobro zapomniti, da krajši delec znotraj diode predstavlja pozitivno anodo. Na oba priključka diode prispajkamo žici ter spoja zaščitimo s termo krčljivo cevjo. Zaradi polaritete priključkov in izognitvi kasnejšim problemom je priporočljivo, da na pozitivni priključek IR diode prispajkamo rdečo žico, na negativnega pa črno. Dodati moramo tudi upor, ki diodo zaščiti pred previsokim tokom. Na spletni strani [23] si iz karakteristik diode izračunamo velikost upora, ki ga vežemo zaporedno za diodo. V našem primeru potrebujemo upor vrednosti 23 ohma. V prostor kjer je bila prej konica flomastra namestimo IR diodo. Paziti moramo, da je luknja kamor vstavimo diodo za malenkost večja od premera diode, saj zaradi premikanja dioda ne sme biti fiksno vstavljena. Delovanje diode preverimo z 3V gumbno baterijo in digitalnim fotoaparatom, saj naše oči ne zaznavajo valovnih dolžin IR svetlobe. V kolikor dioda zasveti, nadaljujemo z vgradnjo tipk.
4.1.2 Tipka
V flomaster vgradimo 2 mini vgradni tipki – tipko vklopa funkcije pisanja vgradimo v konico ohišja skupaj z diodo in se s tem med pisanjem izognemo vsakokratnemu ročnemu pritiskanju tipke. Ko s flomastrom pritisnemo ob trdo površino IR dioda pritisne na tipko in dioda zasveti. Postopek montaže tipke se razlikuje glede na obliko pisala. V našem primeru smo morali tipko namestiti na kovinsko podložko, ki se je vstavila v sprednji del ohišja. Diodo smo zaradi posebne oblike pisala zalepili v
21
plastično cevko, ki je pritiskala na steblo tipke. Razdaljo med diodo in tipko uravnavamo z večkratnim poskušanjem. Zamisel delovanja tipke je prikazana na sliki 4.2.
Slika 4.2: Zamisel delovanja tipke.
Tipko vklopa IR daljinca (slika 4.3) vgradimo v ohišju na mestu, kjer nas med pisanjem ne moti preveč. Izbrati moramo tipko z navojem in matico, ki ni preveč visoka, saj jo bomo namestili pokončno. Na ohišje flomastra z vrtalnikom izvrtamo luknjo premera 4 mm in jo pritrdimo z matico. Prednost teh tipk je majhna sila potrebna za vklop ter matica, s katero jo trdno namestimo na ohišje. V kolikor se nam zdi, da je steblo tipke previsoko, ga lahko tudi malo pobrusimo.
Slika 4.3: Tipka vklopa IR daljinca
4.1.3 Mirkokrmilnik Atmel Attiny261
Za izdelavo daljinskega upravljalca smo uporabili mikrokrmilnik model Attiny261 proizvajalca Atmel, prikazan na sliki 4.4. Zanj smo se odločili predvsem zaradi nizke
22
cene, širokega kroga uporabnikov ter izkušenj, ki smo jih pri predmetu Robotika pridobili tekom šolanja. Mikrokrmilnik ima vgrajen notranji oscilator frekvence 20 MHz, kar zmanjša število zunanjih komponent na minimum. Mikrokrmilnik vsebuje dvoje vhodno-izhodnih vrat označenih s PORT A in PORT B, vseh vhodno-izhodnih pinov pa je 16. Napajamo ga lahko z napetostmi od 2.7-5.5 V [24]. Pri vgradnji v flomaster je zaradi pomanjkanja prostora potrebno dolžine nogic skrajšati na minimum.
Načeloma bi lahko v ta namen uporabili tudi katerega izmed manjših modelov iz družine AVR, ampak smo večinoma uporabili dele, ki smo jih imeli že na zalogi.
Slika 4.4: Atmel Attiny261 [25].
4.1.4 Napajanje
Za napajanje IR diode in mikrokrmilnika uporabimo 3.7 V baterijo tipa Li-on (Lithium- ion) 14500, slika 4.5. Na trgu je moč kupiti baterije kapacitet od 900-1200 mAh.
Baterija je po velikosti enaka standardni AA bateriji in je primerna za vgradnjo v večino flomastrov. Priporočljivo je kupiti model z jezički, ki precej olajšajo spajkanje žic na priključke baterije – spajkanje žic neposredno na kontakte lahko baterijo zaradi visoke temperature uniči. Baterija je fiksno vgrajena v ohišje pisala, zato je zaradi polnjenja baterije potrebno na zadnjem delu pisala vgraditi polnilni konektor.
Slika 4.5: Lion baterija tipa 14500 [26].
23 4.1.5 Polnilni konektor
Za polnjenje vgrajene baterije je potrebno na pisalu vgraditi polnilni konektor in ga povezati s priključki baterije. Na zadnji strani pisala izvrtamo luknjo in z matico pritrdimo konektor tipa cinch, ki je viden na sliki 4.6. V splošnem se konektor uporablja v avdio in video namene, vendar smo se zanj odločili zaradi prostorske stiske v pisalu – konektor večino prostora zasede izven pisala.
Slika 4.6: Cinch konektor [27].
4.1.6 Vezava elementov
Vse opisane elemente povežemo po narisani shemi, prikazani na sliki 4.7. Pri spajkanju uporabimo cinol pasto za spajkanje, cin debeline 1mm ter spajkalnik moči 40 W. Pri spajkanju uporabimo potrebna zaščitna sredstva (halja ter zaščitna očala). Po končanem spajkanju prezračimo prostor.
Slika 4.7: Vezava elementov IR oddajnika
24 4.1.7 Polnilec LION baterije
Za pravilno polnjenje baterije je potrebno izdelati polnilec LION baterij. Na trgu obstaja veliko namenskih čipov različnih proizvajalcev namenjenih polnjenju LION baterij.
Odločili smo se za model LTC4054 proizvajalca Linear Tehnology. Dobra lastnost čipa je napajalna napetost, ki znaša od 4.5 do 6.5 V, kar odlično sovpada z napetostjo USB (Universal Serial Bus) priključka. Za delovanje potrebujemo minimalno število dodatnih komponent – 2 kondenzatorja vrednosti 10 uf ter upornik s katerim določimo tok polnjenja baterije. Upornik vrednosti 3300 ohm je potreben za polnjenje baterije s tokom 300 mA. Kot indikator polnjenja lahko dodamo svetlečo diodo ter dodaten predupor vrednosti 470 ohm. LTC4054 samodejno prekine cikel polnjenja, ko polnilni tok pade na 1/10 vrednosti nastavljenega toka polnjenja [28]. Slaba lastnost elementa je velikost, saj je premajhen da bi ga prispajkali na pertinaks testno ploščo. Težavo lahko rešimo z nakupom čipa, ki je prispajkan na posebej za ta čip izdelani plošči. Vse skupaj povežemo po shemi, ki je na sliki 4.8 .
Slika 4.8: Shema LION polnilca [29].
Kot smo že omenili, za napajanje uporabimo napetost +5 V iz USB priključka. V ta namen lahko uporabimo star tiskalniški USB kabel z moškim konektorjem. Ko kabel prerežemo na pol, ugotovimo, da so v njem 4 vodniki. V večini primerov sta GND (ground) črna in +5 V rdeča vodnika, vseeno pa njuno polariteto preverimo z multimetrom. Vodnika olupimo ter povežemo z napajalnimi priključki na čipu. Za povezavo do baterije dodamo še vodnik z moškim cinch konektorjem. Sredinski
25
pozitivni priključek konektorja (slika 4.9) povežemo s pin 3 na čipu ter zunanji priključek konektorja z pin GND.
Slika 4.9: Pozitivni in negativni priključek cinch konektorja
4.2 Projektor
Za uporabo interaktivne table potrebujemo tudi projektor. Izbira primernega projektorja je odvisna od velikosti ter osvetljenosti učilnice. Če imamo učilnico precej svetlo je potrebno izbrati projektor s čim večjo svetilnostjo žarnice. Projektorji z nazivno svetilnostjo med 2000 in 2800 lumni so primerni za manjše oz krajše učilnice, ki niso preveč osvetljene. Modeli ki dosegajo svetilnost med 2800 in 3500 lumni uspešno prikazujejo sliko v večjih in svetlejših učilnicah, kjer je razdalja med tablo in projektorjem večja. Za najlepšo optimalno sliko in z maksimalnim kontrastom je priporočljivo prostor tudi malo zatemniti [30].
Projektorje delimo v dve skupini glede na način projeciranja slike ter v dve skupini glede na projekcijsko dolžino. Najbolj razširjeni sta tehnologiji LCD (zaslon s tekočimi kristali) ter DLP (digitalno procesiranje svetlobe). Po dolžini projekcije še vedno precej prevlada standardni projektor, vendar ga z uvajanjem interaktivnih tabel izpodriva širokokotni projektor.
26 4.2.1 Tehnologija s tekoče-kristalnim zaslonom
Tehnologija LCD deluje na principu prepuščanja svetlobe skozi enega ali tri LCD ekrane. Novejši modeli imajo večinoma vgrajene 3 ločene majhne LCD ekrane, po enega za rdečo, modro in zeleno barvo. Barve dosežejo s polprepustnimi zrcali in sistemom prizem, ki vse barve združijo v eno barvno sliko. Nastavitev zaslonov mora biti zelo natančna, saj drugače pride do zamikov delov projeciranih slik. Velikosti diagonal posameznih zaslonov so od 2,5-4,5cm [31].
4.2.2 Tehnologija digitalnega procesiranja svetlobe
DLP projektorji delujejo s pomočjo posebnega mikročipa in tisočih gibljivih ogledalc, ki z odbojem žarkov sestavijo sliko. Dolžina ogledalca meri 0,016 mm, vsako izmed ogledalc pa prikazuje eno slikovno piko. Slika je v primerjavi z LCD projektorji precej bolj čista, z jasnimi naravnimi barvami ter dobrim kontrastom. Svetloba iz žarnice sveti skozi vrteči RGB (rdeči zeleni modri) barvni filter, vpadno svetlobo pa ogledalca odbijajo v dveh smereh, in sicer skozi objektiv na zaslon ter v svetlobni vpojnik.
Ogledalca se vklapljajo glede na posamezne barve ter potrebno količino svetlobe. Prav tako lahko DLP projektorji vsebujejo tudi do tri mikročipe. Slika je popolnoma digitalna brez analogno-digitalnih pretvornikov, ki bi zmanjšali kakovost slike. Omogoča nam 256 odtenkov za vsako osnovno barvo, kar skupaj nanese 16,7 milijona barv. Svetlobni izkoristek te tehnologije je precej boljši kot pri LCD tehnologiji [32].
Pri izbiri projektorja je smiselno izbrati projektor s čim krajšo projekcijsko razdaljo. Pri krajših razdaljah se izognemo sencam, ki jih ustvarjamo med pisanjem po tabli – v tem primeru delimo projektorje v dve skupini.
4.2.3 Standardni projektor
Standardni projektor na sliki 4.10 je najstarejši in najbolj razširjen model projektorjev za šolsko in domačo uporabo. Uporabljamo ga za projeciranje na platno ter uporabo pri interaktivni tabli. Večinoma so montirani na strop učilnice, njihova projekcijska razdalja pa je v povprečju od 3-4 metre. Slaba lastnost teh projektorjev je, da svetloba predavateljem sveti v oči ter velika prisotnost senc med pisanjem po tabli [33].
27
Slika 4.10: Standardni projektor [34]
4.2.4 Širokokotni projektor
Širokokotni projektorji imajo kratko projekcijsko razdaljo, ki je med 80 in 120 cm.
Primerni so za majhne in predvsem kratke prostore, kjer želimo prikazati projekcije večjih dimenzij. Projektor se montira na stensko konzolo tik nad interaktivno tablo, kot je razvidno na sliki 4.11. Slika je zaradi bližine projektorja bolj intenzivna, senc pa je veliko manj [33].
Slika 4.11: Short throw ali širokokotni projektor [35]
4.3 Nintendo Wii igralna palica
Nintendo Wii igralna palica, pogovorno Wiimote, je primarna igralna palica konzole Nintendo Wii, slika 4.12. Njena glavna značilnost je sposobnost zaznavanja gibanja
28
teles, ki omogoča interakcijo z ostalimi uporabniki. Vgrajeni merilnika pospeška in optični senzor omogočata premikanje predmetov na zaslonu kar z uporabo kretenj.
Kontroler za delovanje potrebuje 2 AA bateriji, z računalnikom pa je povezan preko brezžične povezave Bluetooth [36]. Na sami plošči ima vgrajenih nekaj tipk, katerim lahko s pomočjo programa Smoothboard izberemo poljubno funkcijo.
Slika 4.12: Nintendo Wii [37]
4.3.1 IR kamera
Igralna palica je opremljena tudi s črno-belo kamero ločljivosti 1024x768 pikslov proizvajalca Pixart. Slika kamere je prikazana na sliki 4.13. Kamera je sposobna zaznati vse svetlobne žarke, vendar pa je pred njo na ohišju nameščen IR filter, ki prepričuje vstop žarkov drugih valovnih dolžin. Kamera s filtrom zaznava žarke valovnih dolžin do 940 nm, katerih izvor ne sme biti preblizu. Poleg tega vsebuje tudi vgrajen procesor s frekvenco 100hz, ki je sposoben hkrati zaznavati do štiri premikajoče se IR žarke. Vse te značilnosti omogočajo igralni palici dobro lociranje IR žarka [38].
Slika 4.13: Pixart IR kamera [39]
29 4.3.2 Merilnik pospeška
Igralna palica ima vgrajen tudi 8 bitni, 3-osni +/-3G linearni merilnik pospeška, model ADXL330 proizvajalca Analog Devices. Merilnika pri sami uporabi table ne potrebujemo, lahko pa ga uporabimo v povezavi s sekundarno igralno palico, ki nam služi kot »presenter«. Pri premikanju prosojnic v programih kot so PowerPoint, nam ni potrebno pritiskati tipk na sami igralni palici, ampak lahko premik naprej ali nazaj izvedemo kar z nagibom igralne palice v levo, desno, naprej ali nazaj. Funkcijo nagiba nastavimo v programu Smoothboard.
4.3.3 Vgradnja napajalnega kabla in oddaljenega vklopa
Kot smo že omenili igralna palica za napajanje potrebuje dve bateriji tipa AA. Ker menjavanje baterij ni priročno in ekonomično, smo se odločili baterijsko napajanje zamenjati z omrežnim napajalnikom. Dodali smo tudi možnost oddaljenega vklopa, kar nam omogoča vklop igralne palice brez pritiskanja tipk na samem ohišju. V ta namen smo morali ohišje razstaviti in na osnovno ploščo prispajkati nekaj vodnikov. Pri razstavljanju naletimo na problem, saj so Nintendo igralno palico zaščitili z vijaki tipa tri-wing, prikazani na sliki 4.14.
Slika 4.14: Vijaki tipa tri-wing [40]
Za razstavljanje potrebujemo poseben izvijač, saj z navadnim ploščatim vijakov ni mogoče odviti. Ko ohišje razstavimo moramo z multimetrom poiskati kontakte na plošči, ki vodijo do jezičkov baterij, ter stikala za sinhroniziranje igralne palice. Sledi izbira kabla –potrebovali bomo štiri vodnike, in sicer dva vodnika za napajanje ter dva za vklop tipke za sinhroniziranje. Odločili smo se kar za štiri-žilni telefonski kabel. Na označene kontakte na plošči prispajkamo konice vodnikov, kot je prikazano na sliki 4.15.
30
Slika 4.15: Naspajkane konice vodnikov.
Na spodnji strani ohišja z vrtalnikom izvrtamo luknjo premera 5 mm in vanjo namestimo kabel. Z notranje strani ga je priporočljivo pritrditi z vezico, da ga kasneje po nesreči ne izpulimo. Vezje s kablom položimo nazaj v ohišje in privijemo vijake.
4.4 IR sprejemnik
Za napajanje in brezžičen vklop igralne palice smo poleg IR oddajnika izdelali tudi IR sprejemnik vključno s 3-voltnim napetostnim regulatorjem. V ta namen smo uporabili mikrokrmilnik Atmel Attiny261, IR sprejemni 36mhz modul TSOP4836, optični spojnik Toshiba TLP521-1, napetostni regulator LM317T, tri upornike, nadomestno ohišje doze ter programsko okolje Bascom.
4.4.1 IR sprejemni modul TSOP4836
Na trgu najdemo množico različnih IR sprejemnih modulov TSOP s frekvenčnim razponom od 25 do 60 kHz. Za detekcijo IR žarkov smo uporabili modul TSOP4836 proizvajalca Vishay. Dobra lastnost modula je, da lahko demodulirani izhodni signal povežemo z mikrokrmilnikom. Vgrajen imajo frekvenčno prepustni filter, ki je sposoben zaznati samo signale točno določenih frekvenc. V našem primeru frekvence 36kHz, kar je tudi del oznake modula. Vse skupaj je zalito v vodotesno epoksi ohišje, ki deluje kot IR filter [41]. Element ima tri priključke – videno na shemi vezave na sliki 4.16 – kamor smo priključili napajanje +5V, GND ter izhod povezali s PIN11 na Atmega mikrokrmilniku.
31
Slika 4.16: Shema vezave TSOP4836
4.4.2 Optični spojnik Toshiba TLP521-1
Za proženje tipke za vklop igralne palice smo uporabili optični spojnik model TLP521.
Element vsebuje IR diodo ter fototranzistor, ki sta vgrajena v zaprtem ohišju. Element se v splošnem uporablja za galvansko ločitev električnih krogov, vendar smo ga uporabili zgolj kot stikalo [42]. Izhod mikrokrmilnika povežemo s priključkom PIN 1 na optičnem spojniku, vmes pa zaradi zaščite diode vstavimo še 20 ohm upornik.
Priključek PIN 2 povežemo z GND priključkom na mikrokrmilniku. Priključka PIN 3 in PIN 4 povežemo s priključkoma tipke znotraj igralne palice, kot je prikazano na sliki 4.17.
Slika 4.17: Shema vezave TLP521-1
32 4.4.3 Napetostni regulator LM317T
Za napajanje igralne palice potrebujemo napetost 3 V. Najenostavnejša možnost bi bil nakup napajalnika z izhodno napetostjo 3 V. Odločili smo se, da bomo v ta namen raje uporabili star 5-voltni napajalnik ter napetostni regulator LM317T. Regulator ima tri priključke: napajanje, GND ter priključek za izhodno napetost. Napajamo ga lahko z napetostmi do 37 V, izhodni tok pa seže vse do 1.5 A [43]. Izhodno napetost nastavljamo z dvema upornikoma po shemi, ki je na sliki 4.18. Vrednosti upornikov glede na potrebno izhodno napetost izračunamo po enačbi 1:
. (1)
V kolikor bi napajali regulator z višjimi napetostmi kot 5 V, je zaradi pregrevanja priporočena montaža regulatorja na kos aluminija ali druge kovine. Na stični ploskvi je priporočljivo element namazati s termalno pasto.
Slika 4.18: Shema vezave LM317T
4.4.4 Nadometno ohišje
V nadometno ohišje, slika 4.19, smo vgradili vezje IR sprejemnika. Na ohišje smo namestili tudi rdeče steklo skozi katerega bodo IR žarki brez motenj potovali. Ob straneh in z zadnje strani smo izbili pokrovčke in na njihova mesta namestili gumijasta tesnila za vodnike, ki povezujejo obe igralni palici ter 5 V napajalnik. Ohišje smo pokrili s pokrovom in privili vijake.
33
Slika 4.19: Nadomestno ohišje
34
35
5 PROGRAMIRANJE MIKROKRMILNIKA-BASCOM
AVR mikrokontrolerji, kamor spada tudi Atmetlov Attiny261, so na trgu prisotni že več kot 10 let. Zaradi nizke cene, majhnosti in hitrega učenja programiranja so prisotni že skoraj povsod. Najdemo jih v igračah, robotih, kuhinjskih pripomočkih in navsezadnje tudi v avto industriji. Na trgu je moč dobiti več vrst mikrokontrolerjev, vendar večinoma prevladujeta 8- in 32-bitni. Za delovanje potrebuje napajanje in v večini primerov tudi kvarčni kristal oz. keramični resonator. V našem primeru resonančni kristal ne bo potreben, saj ima mikrokontroler vgrajen t.i. notranji oscilator, ki daje takt.
Izbira med notranjim oscilatorjem ali zunanjim kvarčnim kristalom se definira med postopkom programiranja. Modeli mikrokrmilnikov se med seboj razlikujejo po številu vhodnih in izhodnih portov, zmogljivosti ter komunikacijskih vmesnikih. Za povezavo z računalnikom in vpisovanje programa v flash spomin moramo izdelati ali kupiti programator. Odločimo se lahko za izdelavo preprostega SPI (Serial Peripheral Interface) programatorja, ki ga povežemo z LPT (Line Print Terminal) tiskalniškim priključkom na računalniku. Problem nastane pri novodobnih računalnikih, ki LPT priključka nimajo več, zato smo se odločili za uporabo eProDas-FTDI usb programatorja, prikazanega na sliki 5.1. Ta nam omogoča povezavo z računalnikom preko SPI protokola. Pri prenosu programa v mikrokrmilnik potrebujemo še programski prevajalnik, ki nam kodo programa prevede v strojni zapis, ki ga razume centralno procesna enota mikrokrmilnika [44].
Slika 5.1: eProDas-FTDI usb programator [45]
36
5.1 Inštalacija in povezava eProDas-FTDI usb programatorja
Na računalnik namestimo prirejeno programsko opremo AVRDUDE, ki že ima vgrajen USB FTDI gonilnik – najdemo jo na spletni strani [46]. Ko razpakiramo 7zip datoteko, poženemo setup avrdude.exe in sledimo navodilom programa. Po končani inštalaciji kabel vklopimo v USB priključek na računalniku, kjer nam zazna novo strojno opremo.
Ko imamo USB FTDI programator inštaliran, ga moramo povezati še z mirkokrmilnikom. Prikaz vezave je viden na sliki 5.2.
Slika 5.2: Shema vezave eProdas-FTDI z ATTiny261[47]
5.2 Programsko okolje BASCOM
Za programiranje Atmel mikrokrmilnika uporabimo programsko okolje Bascom-AVR, ki si ga brezplačno naložimo s spletne strani [48]. Z navedene spletne strani si snamemo DEMO (Demonstration) verzijo, ki podpira do 4kb napisane kode, kar povsem zadošča našim potrebam. Za programiranje v programskem jeziku Bascom smo se odločili zaradi preteklih izkušenj programiranja na fakulteti pri predmetih Robotika in Elektronika, preprostih ukazov in hitrega učenja. Uporabnik se v kratkem času nauči osnovne ukazov, zato je priporočljiv za začetnike in uporabo v OŠ. Datoteko
37
prenesemo, jo razpakiramo in zaženemo datoteko setupdemo.exe. Sledimo postopku inštalacije programa.
5.3 Zagon programa BASCOM DEMO
Program zaženemo s klikom na ikono BASCOM-AVR, ki jo najdemo v meniju Start/
Programi. Odpre se nam prazno okno, kot prikazuje slika 5.3. Za programiranje moramo v zavihku File izbrati podmeni New, kjer se nam odpre novo prazno okno.
Slika 5.3: Prazno okno
Predno se lotimo resnega programiranja, moramo v programu izbrati še model mikrokrmilnika ter programatorja. Kliknemo na Option kjer izberemo Compiler/Chip.
Odpre se nam povsem novo okno kjer lahko izbiramo med različnimi modeli mikrokrmilnika. V našem primeru izberemo attiny261.dat, kot je prikazano na sliki 5.4.
Nadaljujemo v zavihku Programmer, kjer izberemo model programatorja. V meniju ni možno izbrati USB FTDI programatorja, zato izberemo kar External programmer.
Nekaj vrstic nižje izberemo pot do programa s katerim bomo programirali čip.
38
Slika 5.4: Izbira mikrokrmilnika
Program se pri večini Windows uporabnikov nahaja v C:\eProLab\avrdude\avrdude.exe.
Na koncu v parameter vpišemo še -p t261 -P ft0 -c eProDas-FTDI -B 4800 -E reset -U flash:w:{FILE}:a in izberemo kljukico v use HEX file, slika 5.5.
Slika 5.5: Izbira programatorja ter vpis parametra
5.4 Programska koda oddajnika
Programiranje začnemo z definicijo čipa z ukazom $regfile = "ime čipa". Sledi nastavitev frekvence delovanja z ukazom $crystal = vrednost frekvence. V našem primeru smo nastavili $regfile = "attiny261.dat" ter $crystal = 1000000 kot je razvidno na programski kodi 5.1.
Programska koda 5.1: Definiranje čipa in frekvence
39
Nadaljujemo z definiranjem porta z ukazom Config Portb = Output/Input. Ker je v našem primeru na portu vezana Ir dioda, bomo izbrali Output. Sledi definiranje spremenljivke. Ime spremenljivke lahko izbiramo poljubno, vendar je priporočljivo, da izbiramo takšna imena spremenljivk, da bodo kodo razumeli tudi drugi uporabniki.
Spremenljivko definiramo z ukazom Dim "ime spremenljivke" as "tip spremenljivke".
Izbiramo lahko med tipi spremenljivk [49]:
Bit (1 bit), shranjevanje napisanega materiala in kasnejši ponoven prikaz;
Byte (8 bitov =1 byte),
Integer (2 byte, vrednost spremenljivke je lahko od -32,768 do +32,767),
Word (2 byte,vrednost spremenljivke je lahko od 0 do 65535),
Long (4 byte, vrednost spremenljivke je lahko od -2147483648 do 2147483647,
Single (32 bitov, vrednost spremenljivke je lahko od 1.5 x 10^–45 do 3.4x 10^38),
Double (64 bitov, vrednost spremenljivke je lahko od 5.0 x 10^–324 do 1.7 x 10^308)
String (do 264 byte, spremenljivke so tipa byte z dodatnim byte-om vrednosti nič na koncu).
Za spremenljivko smo si izbrali črko I tipa Byte saj bomo sprejemniku poslali podatek vrednosti 8 bitov. Koda je prikazana na Programska koda 5.2
Programska koda 5.2: Definicija porta in spremenljivke
Sledi glavni del programa z Do…Loop zanko, ki se pri programiranju uporablja precej pogosto. Stavke programa napišemo med besedama Do in Loop in se ponavljajo dokler ne skočimo iz zanke. Napisan program končamo z besedo End.
Odločili smo se, da bomo sprejemniku poslali črko »I«, vendar črke kot same ne moramo poslati. Potrebno jo je poslati v dvojiškem sistemu, ki vsebuje niz logičnih 1 in 0. Da lahko pretvorimo črko I v dvojiški sistem moramo najprej iz ASCII (American Standard Code for Information Interchange) tabele na strani [50] poiskati vrednost črke I v desetiškem sistemu, ki nam da vrednost 73. (slika 5.6)
40
Slika 5.6: Vrednost »I« v desetiškem sistemu [51]
Vrednost 73 v desetiškem sistemu s kalkulatorjem (slika 5.7) ki ga je moč najti v Windowsih v meniju Start/Vsi programi/Pripomočki/Računalo samo še preoblikujemo v dvojiški sistem, ki nam da vrednost 01001001.
Slika 5.7: Pretvorba iz desetiškega sistema v dvojiškega
Celoten poslan signal črke »I« (slika 5.8) zahteva poleg 8 bitov še pošiljanje START in STOP bita, medtem ko PARITETA (parity bit) v našem primeru odpade.
41
Slika 5.8: Poslan signal črke »I«
Za pošiljanje bitov smo uporabili stavek Gosub "ime_podprograma", ki skoči na podprogram, ki ga napišemo oz. definiramo posebej na koncu programa. Podprogram se mora obvezno končati z besedo Return, ki vrne branje programa na mesto začetka branja. Zapis kode 8 bitov lahko vidimo na programski kodi 5.4.
Programska koda 5.3: Zapis bitov
Manjka nam samo še zapis podprograma za logično 0 in 1. Podprogram začnemo na mestu, kjer se glavni del programa konča z End. Odločili smo se, da nam mikrokrmilnik že kar sam pošilja podatek v modulirani obliki 36khz in se s tem izognili dodatnim elektronskim elementom. Baudrate oz. hitrost prenosa, ki ga podpira IR sprejemnik je
42
600bit/s, kar nanese celoten čas logične enke ali ničle 1667 us. Iz frekvence 36khz izračunamo čas 27,7 s in če delimo čas logične enke s časom frekvence 36khz, dobimo 61 nihajev. Na ta način združimo podatek in nosilno frekvenco. V programu smo logično 0 in 1 zaradi invertiranega izhoda TSOP4836 modula med seboj zamenjali.
Zapis logične 0 in 1 vidimo na programska koda 5.5.
Programska koda 5.4: Zapis logične 0 in 1
Ko s programiranjem končamo, program najprej shranimo in (da bo mikrokrmilnik naš program razumel) prevedemo v HEX (Hexadecimal) kodo. To storimo tako, da kliknemo na ikono Compile program ali pritisnemo tipko F7. Prikaže se nam okno (slika 5.9), ki nam prikazuje ime shranjene datoteke ter zasedenost mikrokrmilnika.
Slika 5.9: Prevajanje programa v HEX kodo
43
5.5 Programska koda sprejemnika
Pri dve vrstici programa s katerim opišemo model mikrokrmilnika in frekvenco kristala ostajata enaki kot pri oddajniku, in sicer $regfile = "attiny261.dat" ter $crystal = 1000000.
Sledi nastavitev portov, kjer Porta nastavimo kot vhod ter Portb kot izhod.
Programska koda 5.5: Definiranje mikrokrmilnika, frekvence ter portov
Pri sprejemanju podatkov moramo implementirati programski UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter). To naredimo z ukazom Open
"coma.7:600,8,n,1" For Input As #1, kjer coma.7 pomeni, da na pin a7 sprejemamo signal, hitrost signala 600bit/s, zaznamo 8 bitov, brez paritete ter enim stop bitom na koncu (programska koda 5.7). Izbrati si moramo tudi spremenljivko, ki je v našem preimeru »I« tipa Byte.
Programska koda 5.6: Implementacija programskega UART
Za sprejem ASCII vrednosti uporabimo ukaz Waitkey(#channel), ki čaka toliko časa, dokler prava vrednosti ni sprejeta. Po sprejeti vrednosti počakamo 500 ms in nadaljujemo s pogojnim If..then stavkom, ki se konča z End If. Kot pogoj zastavimo ukaz, da v kolikor je spremenljivka »I« vrednosti 73, takrat na Portb.6 dobimo logično 1, čakamo eno sekundo in Portb.6 spet postavimo na logično 0. Vse skupaj vnesemo v Do…Loop zanko, kar pomeni, da se koda ves čas ponavlja. Celoten zapored Do..Loop zanke je viden na programski kodi 5.8.
44
Programska koda 5.7: Do..Loop zanka (Čakanje prave vrednosti ter pogoj za logično 0 in 1)
45
6 PROGRAMSKA OPREMA TABLE
Interaktivna tabla za delovanje potrebuje tudi program, ki je nameščen na računalniku.
Na trgu je mogoče dobiti precej različnih programov. Po preizkusih različnih programov, smo se odločili za plačljivo različico programa Smoothboard, ki ga kupimo na spletni strani [52]. Cena licence za en računalnik stane 29.99 dolarjev (dne 16.1.2013). Za program smo se odločili predvsem zaradi poslovenjene različice programa ter podpore dveh hkrati delujočih Nintendo WII igralnih palic.
6.1 Zahteve za delovanje
Uporaba programa Smoothboard je pogojena z minimalno eno igralno palico, IR pisalom ter bluetooth vmesnikom. Prenosni računalniki imajo bluetooth povezavo večinoma že vgrajeno, medtem ko moramo za hišne računalnike dokupiti USB bluetooth ključek.
Program je možno uporabljati na operacijskem sistemu Windows XP, Vista, Win7 ter Mac OS. Pri Windows paketu je potrebno inštalirati še Microsoft .NET Framework 3.5, ki je prosto dostopen na spletni strani [53].
6.2 Namestitev in zagon programa
Po namestitvi slovenske različice programa, nas ob kliku na zagonsko datoteko povpraša po jeziku programa. V programu izberemo Slovenian in pritisnemo OK, slika 6.1. Nadaljujemo s potrditvijo licenčne pogodbe, izbiro komponent programa ter določitvijo mesta, kam na disku bomo program namestili.
46
Slika 6.1: Izbira jezika
Po namestitvi se nam v zagonski vrstici namesti tudi ikona za zagon programa, Smoothboard 2-Slovenian, kot je prikazano na sliki 6.2.
Slika 6.2: Ikona za zagon programa Smoothboard 2-Slovenian
Po zagonu programa se nam odpre okno, prikazano na sliki 6.3, kjer nas povpraša po vpisu licenčnega ključa ali uporabi neregistrirane verzije programa.
