====== MicroPython a IoT ======

===== Úvod =====

**Embedded system**, vestavěný systém (zabudovaný systém) je jednoúčelový systém, ve kterém je řídicí počítač zcela zabudován do zařízení, které ovládá. Jestliže zařízení mezí sebou komunikuji, může tvořit základ IoT.

**Internet věcí (anglicky Internet of Things, zkratka IoT)** je v informatice označení pro síť fyzických zařízení, vozidel, domácích spotřebičů a dalších zařízení, která jsou vybavena elektronikou, softwarem, senzory, pohyblivými částmi a síťovou konektivitou, která umožňuje těmto zařízením se propojit a vyměňovat si data. Každé z těchto zařízení je jasně identifikovatelné díky implementovanému výpočetnímu systému, ale přesto je schopno pracovat samostatně v existující infrastruktuře internetu.

==== BBC micro:bit ====

BBC micro:bit je mikropočítač, který vznikl v britském univerzitním prostředí jako výuková platforma. V roce 2016 byl tento kit rozdán zdarma všem žákům 7. tříd  (11-12let) ve Velké Británii. Po doplnění vnějšími obvody může měřit fyzikální veličiny, sbírat data nebo ovládat rozličné akční členy (elektromotorky, serva atd.) a je tedy vhodným prvkem pro zapojení do internetu věcí (IoT).

Micro:bit je založen na obvodu SoC (system on a chip) firmy Nordic nRF51822 s 32‑bitovým procesorovým jádrem ARM Cortex‑M0 a komunikačním rozhraním Bluetooth. Obsahuje 256 kB paměti Flash a 16 kB paměti SRAM.

{{ :courses:pri-bootcamp:microbithardware.png?690 |}}

==== Programování BBC micro:bit ====

  - Blocks - Javascript: https://makecode.microbit.org
  - C: https://www.mbed.com/en/platform/
  - **Python - on-line editor:** https://python.microbit.org, dokumentace: https://microbit-micropython.readthedocs.io
  - Python - Mu IDE: Code With Mu https://codewith.mu
  - Python - Thonny IDE: https://thonny.org

**MicroPython** je (re)implementace Python pro zabudované zařízení. Implementovaná s limitovanou množinou knihoven. Podporované platformy najdete např. zde: https://www.bc-robotics.com/product-tag/micropython/

Více informace o MicroPython: https://micropython.org.

----

==== Text a obrázky na matici LED ====

=== Úkol 1 ===

== Zobrazte na matici LED např. text "Ahoj lidi!" nebo smajlíka! ==

Názvy hotových ikon najdete zde: https://microbit-micropython.readthedocs.io/en/latest/tutorials/images.html

----

=== Úkol 2 ===

== Pomocí cyklu zobrazte odpočítání 9 až 0 v sekundových intervalech! ==

Inspiraci můžete čerpat z následujícího kódu:

<code Python>
from microbit import *

# Text...
display.scroll('Hello!')

# ...obrázek...
display.show(Image.HEART)
sleep(2000)

# ...znak...
display.show('Q')
sleep(2000)

# ...a číslo
a = 6
display.show(str(a))
</code>

----

=== Úkol 3 ===

== Rozsvěcujte a zhasínejte jednotlivé LED-y! ==

Co bude výsledek běhu následujícího programu?

<code Python>
from microbit import *
from random import *

display.clear()
while True:
  display.set_pixel(randint(0, 4), randint(0, 4), 9)
  sleep(700)
  display.set_pixel(randint(0, 4), randint(0, 4), 0)
  sleep(700)
</code>

Jak změníme kód aby se vždy rozsvítilo jen **jeden** náhodný bod?

----

=== Navrhujeme ikony ===

Zkuste odhadnout, co definuje znakový řetězec - parametr použitý při vytvoření instance Image

<code Python>
from microbit import *
okno = Image('99999:90909:99999:90909:99999')
display.show(okno)
</code>

----

=== Úkol 4 ===

== Vytvořte ikony - jednotlivé strany hrací kostky zobrazující 1 až 6 bodů! ==

----

==== Animace ====

<code Python>
from microbit import *

# hotový seznam obrázků
display.show(Image.ALL_CLOCKS, loop=True, delay=100)
</code>

<code Python>
from microbit import *

# seznam obrázků
smileys = [Image.HAPPY, Image.ANGRY, Image.SAD, Image.CONFUSED, Image.ASLEEP]
display.show(smileys, loop=True, delay=200)
</code>

----

=== Úkol ===

== Zobrazte na matici LED jednoduchou animaci! ==

----

==== Tlačítka - ovládání ====

Příklad kódu:

<code Python>
from microbit import *

while True:
    if button_a.is_pressed():
        display.show(Image.HAPPY)
    elif button_b.is_pressed():
        break
    else:
        display.show(Image.SAD)
display.clear()
</code>

----

=== Úkol 1 ===

== Na matici LED zobrazte světelný bod. Po stisknutí tlačítka A resp. B ho posuňte doleva resp. doprava! Po stisknutí obou tlačítek posuňte bod doprostřed. ==

----

=== Úkol 2 ===

== Naprogramujte hru kámen, nůžky a papír - nechť po stisknutí tlačítek A, B a současně A i B se zobrazí jedna ze třech ikon. ==

----

==== Zvuky ====

<note tip>Samotná destička micro:bit není schopen vydávat zvuky. Budeme tedy potřebovat přídavnou desku s piezoměničem</note>

Nejjednodušším způsobem je rychlé střídání logických úrovní na výstupu 0.

<code Python>
from microbit import *

while True:
    pin0.write_digital(1)
    sleep(10)
    pin0.write_digital(0)
    sleep(100)
</code>

Jednodušší je ovšem použít knihovnu ''music'' a nastavit přímo frekvenci...

<code Python>
import music

while True:
    for freq in range(880, 1760, 16):
        music.pitch(freq, 6)
    for freq in range(1760, 880, -16):
        music.pitch(freq, 6)
</code>

...nebo definovat melodii pomocí hudební notace:

<code Python>
from microbit import *
import music

tune = ["C4:4", "D", "E", "C", "C", "D", "E", "C", "E", "F", "G:8",
        "E:4", "F", "G:8"]
music.play(tune)
sleep(1000)
music.play(music.PRELUDE)
</code>

Názvy „hotových“ melodií najdete zde: https://microbit-micropython.readthedocs.io/en/latest/tutorials/music.html

----

==== Vstup - ovládání dotykem ====

<code Python>
from microbit import *

while True:
    if pin0.is_touched():
        display.show(Image.HAPPY)
    else:
        display.show(Image.SAD)
</code>

----

=== Úkol ===

== Reagujte na dotyk plošek 0, 1 a 2 přehráváním různých tónů! Dotýkáme se nejlépe kovovým předmětem, druhá ruka je spojena s GND. ==

----

==== Senzor sklonu ====

Zkuste odhadnout výsledek běhu následujících kódů.

<code Python>
from microbit import *

while True:
    reading = accelerometer.get_x()
    if reading > 20:
        display.show("R")
    elif reading < -20:
        display.show("L")
    else:
        display.show("-")
</code>

<code Python>
from microbit import *

while True:
    reading = accelerometer.get_x()
    if reading > 20:
        display.show("R")
    elif reading < -20:
        display.show("L")
    else:
        display.show("-")
</code>

<code Python>
from microbit import *
import music

while True:
    acc = abs(accelerometer.get_y()) # pitch nechce zaporne hodnoty
    music.pitch(acc, 10)
</code>

----

=== Úkol ===

== Dokážete vyrobit vodováhu? ==

----

==== Gesta ====

<code Python>
from microbit import *

while True:
    gesture = accelerometer.current_gesture()
    if gesture == "face up":
        display.show(Image.HAPPY)
    else:
        display.show(Image.ANGRY)
</code>

Názvy gest najdete zde: https://microbit-micropython.readthedocs.io/en/latest/tutorials/gestures.html

----

=== Úkol ===

== Naprogramujte simulaci hrací kostky - po zatřesení ("shake") zobrazte náhodně ikonu bodů 1-6! ==

----

==== Senzor teploty ====

Neposkytuje úplně přesný údaj - měří teplotu čipu.

<code Python>
from microbit import *

while True:
   temp = temperature()
   display.scroll(str(temp) + 'C')
   sleep(500)
</code>

----

=== Úkol ===

== Dokážete naprogramovat alarm hlídající překročení teploty? ==

----

==== Kompas ====

<code Python>
from microbit import *

compass.calibrate()
while True:
    display.scroll(compass.heading())
</code>

----

==== Rádio ====

<code Python>
from microbit import *
import radio

radio.on()
radio.config(channel=19, power=7)  # 0-100, 0-7
while True:
    radio.send("Pingu vola zakladnu!")
    incoming = radio.receive()
    if incoming:
        display.show(incoming)
    sleep(500)
</code>

----

=== Úkol ===

== Naprogramujte vysílání (a příjem) zprávy v případě události jako otřes, změna osvětlení, teploty atd...! ==

----

==== Programováni pohybu robota ====

V dalších úkolech budeme ovládat motory robotického vozítka prostřednictvím desky moto:bit. Abychom vyhnuli složitosti ovládání (děje se přes rozhraní I2C) budeme používat hotovou knihovnu. Tuto knihovnu (můžeme ho stáhnout {{ :courses:pri-bootcamp:motobit.py | zde}} ) přidáme do seznamu souborů k zaslání do micro:bit podle následujícího obrázku:

{{ :courses:pri-bootcamp:microbitproject.png?690 |}}

Pomocí tlačítka ''Add file'' přidáme soubor ''motobit.py'' do seznamu, kde se už nachází soubor z editoru, označený jakou ''main.py'', tj. kód, který se bude přímo spouštět.

<note>Pokud do robota nahráváte program, jež bude spouštět motory, tj. robot se bude pohybovat, nechte vypínač na desce moto:bit v levé, vypnuté poloze, a zapínejte ho, až je robot odpojen od kabelu USB a položen na místo, kde má dostatečný prostor pro pohyb.</note>

V záhlaví, hned pod kódem moto:bit uvedeme následující příkazy:

<code Python>
from microbit import *
import motobit

moto = motobit.MotoBit()
moto.enable()
leftMotor = moto.left_motor()
rightMotor = moto.right_motor()
</code>

které nám inicializují ovládání motorů a poskytnou proměnné „leftMotor“ a „rightMotor“, které pak použijeme k nastavení jejich rychlosti a směru otáčení.

Na konci programu napíšeme:

<code Python>
moto.disable()
</code>

ke korektnímu ukončení práce s moto:bit.

Nyní se dostáváme k nejjednodušší části, tj. k vlastnímu ovládání motorů. Budeme používat funkce typu:

<code Python>
leftMotor.forward(25)
rightMotor.reverse(60)
</code>

Kde název funkce „forward“ nebo „reverse“ znamená směr otáčené motoru, parametr v závorkách pak rychlost otáčení (od -100 do 100, přičemž záporné hodnoty znamenají otáčení opačným směrem). Směry „forward“ nebo „reverse“ nejsou jasně definované, je třeba určit, kde má robot „předek“ (obvykle v místě třech senzorů odraženého světla - červených obdélníčků - na spodní straně vozíku).

----

==== Dálkové ovládání vozítka pomocí rádia ====

Jak už víme, micro:bit disponuje zabudovaným rádiem, pomocí kterého můžeme naprogramovat „autíčko“ na dálkově ovládání.

----

=== Úkol 1. ===

== Naprogramujme micro:bit (spojený s napájecí deskou mi:power) jako vysílač! ==

Abychom mohli použít rádio, v záhlaví kódu uvedeme:

<code Python>
from microbit import *
import radio

radio.on()
</code>

pak vytvoříme nekonečnou smyčku s krátkým čekáním, například takto:

<code Python>
while True:
  # sem napiseme svuj kod
  sleep(10)
</code>

a doplníme kód na vysílání příkazů, jako například „levý motor dopředu“ nebo „pravý motor dozadu“ apod. Prvním úkolem je tyto příkazy - včetně kódů, které se budou přenášet rádiem - vymyslet.

Příklad příkazů a jednotlivých kódů:

| Význam | Kód přenášený rádiem |
| pravý i levý motor dopředu | „F“ |
| pravý i levý motor dozadu | „B“ |
| pravý motor dopředu | „R“ |
| levý motor dopředu | „L“ |
| pravý motor dozadu | „Q“ |
| levý motor dozadu | „K“ |

Výše uvedený způsob ovládání slouží pouze jako inspirace. Vymyslete si vlastní příkazy, umožňující například ovládat i rychlost pohybu vozítka! Jinak hrozí, že jiné skupiny studentů začnou ovládat vaše vozítko!

K ovládání, tedy k vyvolání jednotlivých příkazů můžeme použít tlačítka micro:bit, například:

<code Python>
if button_a.is_pressed():
</code>

nebo gesta (up, down, left, right, face up, face down, freefall, 3g, 6g, 8g, shake) např.:

<code Python>
if accelerometer.is_gesture("up"):
</code>

či přímo míru náklonu podle akcelerometru:

<code Python>
naklonDopreduDozadu = accelerometer.get_y()
</code>

řídit rychlost pohybu.

Mále-li rozmyšlené ovládání, kód sestavíme snadno: jako reakce na určitou událost (stisk tlačítka, naklonění destičky, atd.) vyšleme rádiem určený kód. Abychom usnadnili hledání chyb, můžeme kód ukázat i na displeji.

Fragment kódu, ilustrující výše uvedený přístup:

<code Python>
command = ' ' # nic nedelej
if button_a.is_pressed() and button_b.is_pressed():
    command = 'F' # jdi dopredu
    # dalsi kod...
    display.show(command)
    radio.send(command)
</code>

----

=== Úkol 2. ===

== Naprogramujme micro:bit (ovládající motory) jako přijímač! ==

Do hotového kódu na ovládání motorů přidáme řádek zapínající rádio a nekonečnou smyčku s krátkou prodlevou, přijímající vyslané signály. Máme zde opět řádku, zobrazující přijatý příkaz, ten poslouží při hledání chyb.

Fragment kódu, přijímače:

<code Python>
from microbit import *
import motobit
import radio

moto = motobit.MotoBit()
moto.enable()
l = moto.left_motor()
r = moto.right_motor()

radio.on()

while True:
  command = radio.receive()
  if command:
    display.show(command)
  else:
    display.clear()
    # zde budeme ovladat motory na zaklade prijateho kodu
  sleep(10)
</code>

----

Možné řešení (jeho úplná funkčnost závisí na mechanickém uspořádání vozítka)

{{ :courses:pri-bootcamp:rcontrol.py | Kompletní kód vysílače dálkového ovládání }}

{{ :courses:pri-bootcamp:rreceiver.py | Kompletní kód přijímače dálkového ovládání }}

----

==== Robot - sledovač čáry ====

Roboti se můžou pohybovat i samostatně, na základě dat získaných ze senzorů. 

----

=== Úkol ===

== Zkusme sestavit jednoduchý sledovač černé čáry! ==

Nápad je prostý: senzor odraženého světla je nasměrován na podložku. Je-li podložka světlá, odrazí se více světla, a tedy senzor naměří vyšší hodnoty, než když je podložka tmavá. K tomu, abychom sledovali levý okraj černé čáry na bíle podložce pak postačí následující:

Robot jede pomalu dopředu. Naměří-li vysokou hodnotu odrazu, otáčí se lehce doprava, naopak, je-li hodnota odrazu příliš nízká (senzor je nad černou čarou) robot se bude otáčet mírně doleva.

Co je vysoká a nízká hodnota odrazu? micro:bit nám poskytuje naměřenou hodnotu osvětlení od 0 do 1023. Hodnotu „hranice“ tj. prahovou hodnotu, nad kterou budeme považovat podložku za světlou a pod kterou za tmavou, si musíme určit experimentálně, například kódem:

<code Python>
from microbit import *

while True:
    display.scroll(str(pin0.read_analog()))
    sleep(10)
</code>

Levý senzor postupně umísťujeme nad černou plochu čáry a nad bílou podložku, následně spočítáme průměry různě naměřených hodnot „světlé“ a „tmavé“. Prahovou hodnotu pak určíme jako průměr „světlé“ a „tmavé“.

V následujícím kódu používáme prahovou hodnotu 700:

Fragment kódu přijímače:

<code Python>
# knihovni kod moto:bit
# ...
# ===========...

from microbit import *

THRESHOLD = 700

moto = motobit.MotoBit()
moto.enable()
l = moto.left_motor()
r = moto.right_motor()

while True:
    # POUZE PRO LADENI: display.scroll(str(pin0.read_analog()))
    if pin0.read_analog() > THRESHOLD:
        display.show(Image.ARROW_W)
        r.reverse(40)
        l.forward(10)
    else:
        display.show(Image.ARROW_E)
        r.forward(10)
        l.reverse(40)
    sleep(10)
</code>

Zkuste, jestli Vám tento kód zajistí spolehlivé sledování čáry. Dokážete vylepšit kód a zrychlit robota - sledovače čáry?

<note>Všímejte si, že k řešení úkolu používáme pouze jeden senzor. Pro více senzorů musíme navrhnout jiný algoritmus. Dokázali byste vymyslet a naprogramovat kód pro sledování tenké černé čáry dvěma senzory?</note>

----

Možné řešení (jeho úplná funkčnost závisí na mechanickém uspořádání vozítka)

{{ :courses:pri-bootcamp:motobitfollowersinglefile.py | Kompletní kód sledovače čáry }}

----