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    淺談電路板 micro:bit vs Arduino vs Raspberry Pi

    kaWing
    kaWing
    從事科技教育報導逾十年,見證香港電子學習及STEM的興起和轉變,近期關注AI及特殊教育。

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    STEM 裡面經常運用電路板,但產品種類眾多,多款產品令人摸不著頭腦。今期介紹常見的三款產品,並補充一些相關的概念。

    新學期剛開學,相信 STEM 於今年會進一步在各校推動,經過一年的發展,不少人均知道,STEM 能讓學生學習解決問題的邏輯思維。只是新的學習方式,很多人不太明白其學習「結果」,所以很多人會選用機械人、製作智能產品等方法呈現,而當中就會涉及各類型電路板。

    當中最紅的電路板非 Arduino 和 Raspberry Pi 莫屬,今年 micro:bit 也漸受歡迎。到底三者有甚麼具體分別呢?

    認清兩大概念

    在先詳細列出三者分別之前,先講解兩個觀念,一是微處理器( Micro Processing Unit, MPU ),另一是微控制器( Micro Control Unit,  MCU )。

    微處理器

    MPU 的概念不太複雜,整組設計與電腦十分相似,完成品大多已內置完整的作業系統,含有完整的操作介面,換句說話如同小型電腦,但他更小巧,而且工作頻率較低、運算功能較差、晶片面積小、成本低、耗電量小,但隨著半導體技術的進步,目前 MPU 系列的發展已愈來愈接近個人電腦。於 STEM 的學習領域裡,代表性的產品之一是 Raspberry Pi。值得一提的是近日有人開始提及 SoC ( System on a Chip ),它能集合更多功能於一身,如 Wi-Fi 等,但正由於複雜性高,較適合進階探討。

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    MPU 儼如小型電腦,很多人的初次學習方案是將其設計為遊戲機。
    MPU 儼如小型電腦,很多人的初次學習方案是將其設計為遊戲機。

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    煙霧偵測器可用 Arduino 製作,閱畢本文,不妨嚐試 構思。
    煙霧偵測器可用 Arduino 製作,閱畢本文,不妨嘗試構思。

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    微控制器

    MCU 比 MPU 更輕盈,其設計目的更單一,上述的工作頻率、運算能力、晶片面積、成本及耗電也就進一步降低,他不能如電腦般運作,沒有內置作業系統,程式開發需經由其他系統編寫再輸入,但其簡單的設計讓一切更快更直接,部分廠商甚至能直接連接感測器( Sensor ),因此多應用在日常生活裡的產品,如電子錶、電動牙刷、血壓計、煙霧偵測器等。於 STEM 的學習領域裡,代表性的產品有 micro:Bit 和 Arduino 等。

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    2016 年 9 歲學生 Arnav Sharma使用 Raspberry Pi、Arduino UNO、Sense HAT 等製作了哮喘探測器。
    2016 年 9 歲學生 Arnav Sharma使用 Raspberry Pi、Arduino UNO、Sense HAT 等製作了哮喘探測器。

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    Arnav Sharmay 設計 Asthma Management Kit。https://youtu.be/3Dniuy4-D3M
    Arnav Sharmay 設計 Asthma Management Kit。https://youtu.be/3Dniuy4-D3M

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    補充一個要點,上述的分類是一個概念,實際應用上兩者當然可以獨立應用,也可以結合使用,清楚自己所需的設計,然後找出兩者的優點及特長,就更容易挑選適合的硬件使用。

    三大產品簡介

    上述的基礎概念分類外,以下介紹三件產品的基本結構和歷史,就更能有助大家理解當的地位。

    英國學生產品 micro:bit

    計劃於 2012 年左右推出,英國政府為當地 11 至 12 歲的學童免費提供一塊 micro:bit 電路板。此底板的特色是集多功能於一身且十分輕巧,並於板上已有一組 5×5 共 25 粒的 LED 、左右可編程按鈕及鱷魚夾方式的傳送接頭,並可使用 JavaScript 、 Python 和 Scratch 等編程。優點是直接簡單,但其設計不利於高階機械人的接駁連接,但也正因此最適合入門,尤其是高小至中學的學生使用,畢竟其接線方式,可減低需穩定接駁線路的技巧,如焊接或接駁麵包板等問題。

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    micro:bit 發展至今也有很多擴展板,圖中是作植物濕度監測。
    micro:bit 發展至今也有很多擴展板,圖中是作植物濕度監測。

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    micro:bit 集多項基本功能於一身,作為入門學習最適合不過。
    micro:bit 集多項基本功能於一身,作為入門學習最適合不過。

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    低成本微設計始祖 Arduino

    Arduino 早於 2003 年開始開發,實際上是一個計劃名稱,當初的意念是為了讓專科學生減低學習成本,因此其相關計劃大多以開源方式開發。其後所發展的各項設計產品,也受動手製作的組織如 Maker Faire 所喜愛。發展至今已有多個版本推出,有入門級也是坊間最常見的 UNO 、接駁介面更齊備的 MEGA 等。程式介面方面,基本上有專屬的 ARDUINO 1.8.3 開發,可於各作業平台上安裝;也有類似 Java 、 C 語言的開發環境。適合高小至成年人學習使用。

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    Arduino UNO 是最常見的 MCU 開發工具,但作為學界學生使用,已十分足夠。
    Arduino UNO 是最常見的 MCU 開發工具,但作為學界學生使用,已十分足夠。

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    香港學界有學校利用 Arduino UNO 製作水箱監測。
    香港學界有學校利用 Arduino UNO 製作水箱監測。

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    平價電腦 Raspberry Pi

    Raspberry Pi 同是英國產品,但是由基金會所發展,約於 2012 年已開始推出。其設計目的是致力促進基本電腦科學教育,因此以一切電腦為原型基礎,底板上已有處理器、記憶體、USB、Ethernet、HDMI、RCA 等輸出,體積約是一張信用卡大小,並以 SD 卡當作儲存媒體,Linux 系統作業系統也儲存於 SD 卡內,但也代表其已具備瀏覽器、文書軟件等。優點是毋須接其他作業系統,支援多種程式語言開發,但正由於使用 Linux ,屬於中高階產品,並僅適合中學或以上的人使用。

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    Rasberry Pi 設計佈局如電腦的主機板一樣。
    Rasberry Pi 設計佈局如電腦的主機板一樣。

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    Raspberry Pi 既是一部小型電腦,可製作遊戲機之外,靈活設計,也可作模擬太空探索。
    Raspberry Pi 既是一部小型電腦,可製作遊戲機之外,靈活設計,也可作模擬太空探索。

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    Hack Superman https://goo.gl/yACULN
    Hack Superman:https://goo.gl/yACULN

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    其他相關常見概念

    上述的電路板,均可直接作機械人或智能產品設計,但經年累月的發展後,為了滿足不同的設計需求,大多有配合更多類型的配件,就如同機械人,可配合不同武器一樣,迅速強化設計。

    感測器(Sensor)

    感測器是指特定功能的電子設計零件,最常見用作測量距離的超聲波測量器,和收集三維數據的陀螺儀,還有動作感測、震動感測、壓力感測、氣壓感測、定位感測、紅外線感測、聲音感測和 CO2 感測等。

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    圖中是 Raberry pi 的 37 件配件組,當中很多能與 Arduino 共用。
    圖中是 Raberry pi 的 37 件配件組,當中很多能與 Arduino 共用。

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    近年很多廠商為了客戶方便,推出入門組,圖中是 Arduino 組件。
    近年很多廠商為了客戶方便,推出入門組,圖中是 Arduino 組件。

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    擴展板(Shield)

    感測器與擴展板有密切關連,擴展板的目的是用簡易的方式,進一步快速擴展電路板的功能,有如 Lego ,大多層疊後即可使用。擴展板會因應所需而加入不同功能,簡單如網絡連接或拍攝鏡頭,也有擴展板會將多項感應器集於一身,也有擴展板僅作顯示之用。

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    巿場上已有觸控式的 LCD 擴展板,自行組合平板不是夢。
    巿場上已有觸控式的 LCD 擴展板,自行組合平板不是夢。

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    Sense HAT 是一款多功感測器擴展板,內置溫度、濕度、壓力、陀螺儀及 8×8 RGB LED。
    Sense HAT 是一款多功感測器擴展板,內置溫度、濕度、壓力、陀螺儀及 8×8 RGB LED。

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