کتاب The LEGO Arduino Cookbook

کتاب The LEGO Arduino Cookbook با نام کامل Expanding the Realm of MINDSTORMS EV3 Invention یک منبع عالی برای آموزش برنامه‌نویسی سخت‌افزار آردوینو جهت به کارگیری در پروژه‌های مختف است. این کتاب در 14 فصل به شرح انواع مثال‌ها و ترفندهای جدید و جذاب این سخت‌افزار خواهد پرداخت.

در ادامه به شرح مقدمه‌ای از کتاب The LEGO Arduino Cookbook از زبان نویسنده خواهیم پرداخت.

مقدمه‌ای بر کتاب The LEGO Arduino Cookbook:

MINDSTORMS EV3 به عنوان یک پلت‌فرم عالی برای آزمایش روباتیک عمل می‌کند. و با کمی فشار ارائه شده در کتاب The LEGO Arduino Cookbook، استفاده از آجر هوشمند EV3 را می توان گسترش داد تا ابزاری برای نمونه‌سازی سریع انواع اختراعات فراهم کند. چندین کامپیوتر میزبان تک بردی برای توسعه اختراعات وجود دارد، مانند Raspberry Pi، BeagleBone یا LattePanda. حتی آداپتورهای سخت‌افزاری برای استفاده از موتورهای MINDSTORMS در Raspberry Pi یا BeagleBone وجود دارد. اما کتاب The LEGO Arduino Cookbook لگو را به عنوان پایه و اساس، از جمله آجر هوشمند MINDSTORMS EV3 به عنوان یک کامپیوتر میزبان حفظ می‌کند. دلایل متعددی برای این رویکرد LEGO محور وجود دارد.

اول، طراحی مکانیکی اختراعات با استفاده از مجموعه وسیعی از آجرهای ساختمانی LEGO که می‌توانند به آجر هوشمند EV3 متصل شوند، ساده است. نیازی به ساختن محوطه‌ای در اطراف قلب کامپیوتر نیست، زیرا EV3 Intelligent Brick از قبل تغذیه، سخت شده و محصور شده است. دارای باتری داخلی، نمایشگر، دکمه‌های کنترل، بلندگو و حافظه کارت SD است. نقاط نصب در پشت و کناره‌های آجر هوشمند EV3 اتصال سریع و آسان سنسورها و موتورها را فراهم می‌کند. دوم، جنبه‌های هنری لگو با استفاده از آجر هوشمند EV3 به عنوان کامپیوتر میزبان حفظ می‌شود. سازه‌های لگو جذابیت زیبایی دارد که هنرمندان و سازندگان از آن لذت می‌برند،

بنابراین آجر هوشمند EV3 به عنوان پایه در این کتاب استفاده شده است. این جذابیت هنری در تضاد با رویکرد جایگزین ساخت دستگاهی از Raspberry Pi و تلاش برای قرار دادن جعبه LEGO در اطراف دستگاه است که به طور بالقوه منجر به یک مخلوط کردن ناشیانه می‌شود. در کتاب The LEGO Arduino Cookbook، لگو قلب اختراع است.

سوم، پایه آموزشی LEGO را می‌توان برای آشنا کردن کودکان و دانش‌آموزان با فناوری‌های پیچیده‌تر ایجاد کرد. LEGO با افزایش سن با علایق کودکان سازگار می‌شود و با MINDSTORMS EV3 به اوج خود می‌رسد. همانطور که تسلط بر MINDSTORMS به دست می‌آید، این دانش می‌تواند برای یادگیری و استفاده از قابلیت‌های الکترونیکی و نرم‌افزاری پیچیده تر ایجاد شود.

کلید گسترش LEGO MINDSTORMS، معرفی طیف گسترده‌ای از سنسورها، محرک‌ها، دستگاه‌ها و حتی گوشی‌های هوشمند است که می‌توانند از طریق یک کنترل‌کننده آردوینو به هم متصل شوند. این کتاب نحوه اضافه کردن این رابط آردوینو را برای بسیاری از برنامه‌ها نشان می‌دهد. هیچ دانش قبلی از آردوینو لازم نیست.

توسعه ایده‌های کتاب The LEGO Arduino Cookbook در فصل 1 با معرفی آردوینو آغاز می‌شود. دستورالعمل‌هایی در مورد نحوه انتخاب از بین انواع مختلف آردوینو به همراه لوازم جانبی برای اتصال آن به آجرهای لگو و اتصالات سیمی ارائه شده است. دو گزینه یا یک برد مدار Arduino Uno با لوازم جانبی محافظ یا STEMTera پیشنهاد می‌شود. طرحی برای نصب آردوینو در کنار آجر هوشمند EV3 برای ایجاد یک ایستگاه کاری لگو برای ساخت نمونه اولیه اختراعات ارائه شده است.

فصل 2 کتاب The LEGO Arduino Cookbook، برنامه نویسی EV3 Intelligent Brick و آماده شدن برای اتصال آن به آردوینو را مورد بحث قرار می‌دهد. محیط برنامه نویسی MINDSTORMS EV3 در سراسر کتاب The LEGO Arduino Cookbook استفاده خواهد شد و از آشنایی احتمالی آن با بسیاری از خوانندگان بهره می‌برد.

در حالی که تجربه قبلی کار با ربات‌های نرم‌افزار EV3 Home Edition مفید است، نیازی به ساخت پروژه‌های کتاب The LEGO Arduino Cookbook با دستورالعمل‌های ارائه‌شده در مورد نحوه شروع و نحوه برنامه‌نویسی کد EV3 پروژه‌ها نیست. بلوک‌های برنامه‌نویسی پیشرفته در برخی از پروژه‌های این کتاب استفاده می‌شود که خوانندگان ممکن است با آن‌ها آشنا نباشند، بنابراین این بلوک‌ها در این فصل معرفی می‌شوند.

فصل 3 کتاب The LEGO Arduino Cookbook، آردوینو را تنظیم می‌کند، به طور خاص در مورد نحوه برنامه‌ریزی این دستگاه و نحوه تفسیر معماری طرح برنامه آردوینو. آردوینوها با گونه‌ای از زبان C برنامه‌ریزی شده‌اند که می‌تواند پیچیده باشد. با این حال، برنامه‌ها تا حد زیادی با استفاده از طرح‌هایی که قبلاً برای یک سنسور یا محرک خاص توسعه و آزمایش شده‌اند، ساده می‌شوند.

بنابراین در کتاب The LEGO Arduino Cookbook روشی برای استفاده از این طرح‌های از پیش طراحی شده، با برخی تغییرات جزئی در نظر گرفته شده است. این تغییرات در سراسر این کتاب مستند شده است. تمام طرح‌های موجود در این کتاب را می توان از www.github.com دانلود کرد.

فصل 4 نگاهی به حسگرهای موجود برای پروژه‌ها دارد. در حالی که حسگرهای مبتنی بر آردوینو مورد توجه اصلی کتاب The LEGO Arduino Cookbook هستند، بسیاری از پروژه‌های کتاب The LEGO Arduino Cookbook حسگرهای آردوینو را با حسگرها یا موتورهای ساخت لگو ترکیب می‌کنند، بنابراین مروری بر دستگاه‌های مبتنی بر MINDSTORMS ارائه می‌شود. انگیزه‌ای برای در نظر گرفتن سنسورهای آردوینو قابلیت وسیعی است که آن‌ها ارائه می‌دهند، اما اشکال عمده این است که دریابیم کدام سنسور کار می‌کند.

بنابراین سنسورهای آردوینو در این فصل بر اساس نحوه ارتباط آن‌ها با آردوینو، یا با مدولاسیون عرض پالس (PWM)، مدار مجتمع (I2C)، یا رابط محیطی سریال (SPI) طبقه‌بندی می‌شوند. برخی از طرح‌های پروژه برای ارسال سیگنال بین سنسورها، آردوینو و آجر هوشمند EV3 به قطعات الکترونیکی نیاز دارند. چنین اتصالی می‌تواند شامل مدارهای مقاومت و/یا خازن باشد، بنابراین راهنمایی در مورد درک و خرید این اجزا ارائه می‌شود.

فصل 5 اولین پروژه را توضیح می‌دهد – فلزیاب ساخته شده از سنسور القایی الکترومغناطیسی. آجر هوشمند EV3 هنگامی که فلزی در نزدیکی آن قرار دارد زنگ هشداری را به صدا در می‌آورد و چشمک می‌زند و همچنین نشان می‌دهد که فلز چقدر از حسگر فاصله دارد. این پروژه ابتدا بر روی ایستگاه کاری LEGO Arduino فصل 1 ساخته شده و سپس به شکل متناوب فلزیاب دستی ساخته می‌شود. سنسور در این پروژه با آردوینو توسط I2C و سپس با یک سیگنال آنالوگ به آجر هوشمند EV3 ارتباط برقرار می‌کند.

فصل 6 جهت جریان داده‌های فصل 5 را معکوس می‌کند، اکنون که آجر هوشمند EV3 یک سیگنال آنالوگ تولید می‌کند که توسط آردوینو خوانده می‌شود. آردوینو سپس دستورات I2C را به دستگاه خارجی آرایه خطی از دیودهای ساطع نور قابل برنامه‌ریزی رنگی (LED) ارسال می‌کند. الگوهای رنگ LED مختلف را می‌توان نمایش داد که برای افزودن جلوه‌های نوری به مدل‌های LEGO مفید است.

فصل 7 کتاب The LEGO Arduino Cookbook، عمیق‌تر به ارتباطات I2C می‌پردازد، ابزاری قدرتمند برای ارسال و دریافت داده‌ها به یا از آجر هوشمند EV3. I2C داده‌ها را در کلمات 7 بیتی ارسال می‌کند، بنابراین توضیحی در مورد نحوه نمایش اعداد اعشاری در این فرمت دیجیتال ارائه می‌شود. ارتباط I2C که توسط یک بلوک برنامه‌نویسی توسعه‌یافته توسط Dexter Industries تسهیل می‌شود، در محیط برنامه‌نویسی EV3 برای ساده نگه داشتن برنامه‌ها کار می‌کند. رابط نرم‌افزاری برای Arduino end of I2C نیز در این فصل توسعه‌یافته و توضیح داده شده است. از قابلیت I2C ساخته شده در فصل قبل استفاده شده است

فصل 8 ترکیب لیدار با اختراعات لگو. لیدار می تواند فاصله هدف را تا 40 متر اندازه‌گیری کند و نتایج را به آجر هوشمند EV3 برای کاربردهای مختلف گزارش کند. نمونه‌های کاربردی در یک لیدار اسکن برای پروفایل یک منطقه در فضای باز و همچنین اندازه‌گیری ارتفاع و ضخامت سایبان یک درخت نشان داده شده است. اسکن با نصب لیدار روی موتور بزرگ LEGO EV3 انجام می‌شود. قابلیت بیشتری با ترکیب یک دوربین با لیدار اسکن، با پروژه نمونه نظارت بر ترافیک جاده‌ها اضافه می‌شود. لینک ارتباط داده بین آردوینو و لیدار توسط PWM است.

فصل 9 به بررسی استفاده از حسگرهایی می‌پردازد که توسط SPI ارتباط برقرار می‌کنند، در این مورد یک سنسور آب و هوا دما، فشار هوا و رطوبت. اندازه‌گیری محیطی دیگر با استفاده از سنسور رنگی LEGO EV3 برای ثبت سطح نور محیط اضافه شده است. آجر هوشمند EV3 این چهار پارامتر هواشناسی را در طی چند ساعت ثبت می‌کند. یک پروژه نمونه نشان می‌دهد که چگونه پارامترهای آب و هوا در طول چند روز متفاوت است.

فصل 10 کار با سپرهای آردوینو را معرفی می‌کند که عملکرد پیچیده‌تری نسبت به حسگرهای مجزای استفاده شده در فصل‌های قبلی ارائه می‌دهند. سپر مورد استفاده در این فصل یک تحلیلگر طیف است که سیگنال‌های صوتی یا موسیقی را به چندین باند فرکانسی جدا می‌کند. این داده‌های طیفی توسط آجر هوشمند EV3 در یک پروژه نمونه خوانده می‌شود تا محتوای فرکانس موسیقی را به صورت بصری و مکانیکی نشان دهد. هفت باند طیفی در قالب نمودار میله‌ای روی یک آرایه LED نمایش داده می‌شوند. همچنین، از سه باند طیفی برای هدایت سه مکانیسم مختلف لگو استفاده می‌شود که در زمان با موسیقی می‌رقصند.

در حالی که فصل قبل آجر هوشمند EV3 داده‌ها را از محافظ آردوینو دریافت می‌کند، فصل 11 دارای آجر هوشمند EV3 است که داده‌ها را به سپر آردوینو ارسال می‌کند. سپر مورد استفاده در این فصل یک صفحه نمایش LED دو بعدی پر جنب و جوش با رنگ قابل تنظیم توسط کاربر برای تفکر رنگ مورد علاقه خود است. تنظیم رنگ توسط موتورهای LEGO EV3 انجام می‌شود که به عنوان دکمه‌های کنترل برای تنظیم سطح رنگ‌های قرمز، سبز و آبی که با هم مخلوط می‌شوند، عمل می‌کند.

فصل 12 کتاب The LEGO Arduino Cookbook، دارای یک محافظ آردوینو است که برای طیف گسترده‌ای از برنامه‌ها با تلفن هوشمند ارتباط برقرار می‌کند. قابلیت‌های ارتباطی، تصویربرداری و حسی یک گوشی هوشمند را می‌توان در اختراعات لگو گنجاند. دو پروژه نمونه شرح داده شده است. ابتدا، سنسور جهت‌گیری یک تلفن هوشمند اطلاعاتی را در اختیار آجر هوشمند EV3 قرار می‌دهد، که به نوبه خود جهت حرکت شیب یک بالابر LEGO را برای مطابقت با زاویه تلفن هوشمند تنظیم می‌کند.

پروژه دوم یک مانیتور امنیتی است که از سنسور اولتراسونیک EV3 استفاده می‌کند تا گوشی هوشمند را برای گرفتن عکس و ارسال اعلان ایمیل مبنی بر شناسایی مزاحم فعال کند.

هر پروژه در کتاب The LEGO Arduino Cookbook با دستورالعمل‌های گام‌به‌گام برای جنبه‌های ساختمان درگیر شرح داده شده است: مونتاژ قطعات LEGO، الکترونیک، سیم‌کشی، کد EV3 و طرح آردوینو. تمام قطعات استفاده شده در یک فصل به همراه منابع پیشنهادی برای خرید قطعات الکترونیکی در یک پیوست خلاصه شده است. قطعات لگو همچنین در هر فصل با نمودار قطعات گرافیکی مشخص می‌شوند که نام و شماره قطعه را نیز نشان می‌دهد، بنابراین می‌توان آن را در منابع تأمین قطعات لگو مانند آجر لینک (www.bricklink.com) پیدا کرد.

همچنین شما می‌توانید برای برنامه‌نویسی میکروکنترلرهای PIC با استفاده از آردوینو از کتاب Programming Arduino Projects with the PIC Microcontroller استفاده نمائید.

سرفصل‌های کتاب The LEGO Arduino Cookbook:

• About the Author
• About the Technical Reviewer
• Introduction
• Chapter 1: The LEGO Arduino Workstation
• Chapter 2: Programming the EV3 Intelligent Brick
• Chapter 3: Programming the Arduino
• Chapter 4: Sensors and Electronics
• Chapter 5: The LEGO Metal Detector—I2C Sensor with EV3 Analog Interface
• Chapter 6: Programmable LEDs—I2C Controller with EV3 Analog Interface
• Chapter 7: I2C Communication with the EV3 Intelligent Brick
• Chapter 8: The LEGO Lidar—PWM Sensor with EV3 I2C Interface
• Chapter 9: The LEGO Weather Station—SPI Sensor with EV3 I2C Interface
• Chapter 10: The LEGO Spectrum Analyzer—Arduino Shield with I2C Output to EV3
• Chapter 11: Favorite Color Machine—Arduino Shield with I2C Output from EV3
• Chapter 12: Connecting MINDSTORMS to a Smartphone
• Appendix
• Index

فایل کتاب The LEGO Arduino Cookbook را می‌توانید پس از پرداخت، دریافت کنید.