Arduino (hardware): differenze tra le versioni

Versione delle 10:26, 22 set 2023

Versione delle 19:57, 9 ott 2023

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Arduino comprende una [[Piattaforma (informatica)|piattaforma]] [[hardware]] per il ''physical computing'' sviluppata presso l'[[Interaction Design Institute Ivrea|Interaction Design Institute]], un istituto di formazione post-dottorale con sede a [[Ivrea]], fondato da [[Olivetti]] e [[Telecom Italia]]<ref>{{Cita web|url=http://arduino.apogeolab.it/03-un-po-di-storia-di-arduino/|titolo=BetaBook, il manuale di Arduino: Cap. 3 - Un po’ di storia di Arduino|autore=Massimo Banzi|editore=[[Apogeo (casa editrice)|Apogeo]]|accesso=12 luglio 2011|urlmorto=sì|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20120315231515/http://arduino.apogeolab.it/03-un-po-di-storia-di-arduino/|dataarchivio=15 marzo 2012}}</ref>.

La piattaforma fisica si basa su un [[circuito stampato]] che integra un [[microcontrollore]] con dei [[Piedino (elettronica)|pin]] connessi alle porte [[Input/output|I/O]], un [[regolatore di tensione]] e, quando necessario, un'interfaccia [[Universal Serial Bus|USB]] che permette la comunicazione con il computer utilizzato per programmare. A questo hardware viene affiancato un [[Integrated development environment|ambiente di sviluppo integrato]] (IDE) [[multipiattaforma]] disponibile per [[Linux]], [[Apple Macintosh]] e [[Windows]]. Questo software permette anche ai novizi di lavorare con Arduino, in quanto i programmi sono scritti in un linguaggio di programmazione semplice e intuitivo - derivato da [[Wiring|Wiring -]] che semplifica la sintassi e le strutture dati di [[C++]]; Arduino IDE è liberamente scaricabile e in quanto [[Open source|Open Source]] è interamente disponibile come codice sorgente su [[GitHub]]. I programmi in Arduino vengono chiamati ''sketch''.

Arduino può essere utilizzato per lo sviluppo di oggetti interattivi ''[[Stand-alone (informatica)|stand-alone]]'' e può anche interagire, tramite un collegamento e un opportuno codice, con software residenti su computer, come [[Adobe Flash]], [[Processing]], [[Max (software)|Max/MSP]], [[Pure Data]], [[SuperCollider]], [[Vvvv]].

La piattaforma hardware Arduino è distribuita agli [[Hobby|hobbisti]] in versione pre-assemblata, acquistabile in internet o in negozi specializzati. Tutti gli schemi e i file per programmi EDA sono disponibili per ciascuna scheda Arduino e sono regolarmente rilasciati dal Team Arduino sul sito arduino.cc. I siti che documentano l'Open Hardware annoverano Arduino fra le piattaforme Open Hardware, mentre il software, inclusi i bootloader, sono in Open Source su GitHub.<ref>{{Cita web|url=https://arduino.cc/en/Main/Hardware|titolo=Hardware|editore=Arduino.cc|lingua=en|accesso=10 maggio 2011}}</ref> Il rilascio in Open Hardware e Open Source di schemi e codice ha consentito lo sviluppo di prodotti Arduino-compatibili da parte di piccole e medie aziende in tutto il mondo ed è divenuto possibile scegliere tra un'enorme quantità di schede Arduino-compatibili. Tutti questi prodotti sono accomunati dal [[codice sorgente]] per l'[[Integrated Development Environment|ambiente di sviluppo integrato]] e dalla [[libreria software|libreria]] residente che sono resi disponibili e concessi in uso secondo i termini legali di una licenza libera, [[GPLv2]].

Grazie alla base software comune ideata dai creatori del progetto, la comunità Arduino ha potuto sviluppare programmi per connettere a questo hardware più o meno qualsiasi oggetto elettronico, computer, [[Sensore|sensori]], [[Schermo|display]] o [[Attuatore|attuatori]]. Dopo anni di sperimentazione, è oggi possibile fruire di un [[database]] di informazioni vastissimo.

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=== Differenze con Raspberry Pi ===

{{Vedi anche|Raspberry Pi}}

Arduino è spesso paragonato a [[Raspberry Pi]],{{Senza fonte}} tuttavia, vi sono notevoli differenze. Si tratta di due piattaforme basate su hardware profondamente diversi.

L'architettura delle schede Arduino si basa su microcontrollori, mentre le schede Raspberry Pi si basano su un SoC ([[System-on-a-chip|System on Chip]]) che ha al suo interno un microprocessore, un controllore grafico e la RAM necessari a eseguire un sistema operativo come [[Raspberry Pi OS|Raspbian]], una versione semplificata di [[Debian]].

L'architettura a microcontrollore di Arduino prevede che il programma da eseguire sia in [[memoria flash]] e pertanto non viene perso quando viene tolta l'alimentazione. Con Raspberry Pi, invece, viene caricato in RAM il sistema operativo che provvede all'esecuzione in [[multitasking]] di tutti i moduli e programmi previsti dalla configurazione. L'architettura a microcontrollore offre un controllo completo sui tempi di esecuzione del programma che, essendo l'unico codice in esecuzione, può essere progettato per applicazioni sensibili alla temporizzazione, come ad esempio la gestione dei motori nelle stampanti 3D. Con Raspberry Pi è invece possibile sfruttare la flessibilità del sistema operativo per svolgere funzioni complesse come un [[web server]] o un sistema di gestione dell’automazione domestica.

Nella pratica, le due architetture possono convivere all’interno di una medesima applicazione in modo complementare. A titolo esemplificativo, l’architettura Arduino pilota l’hardware di una stampante 3D, mentre un Raspberry Pi ne permette il controllo tramite interfaccia Web su Internet o [[Local area network|Lan]].

Dal punto di vista della programmazione, la piattaforma Arduino si programma con una versione semplificata di C++ attraverso il suo Arduino IDE; data la notevole diffusione, nel tempo sono nate soluzioni di programmazione alternative che includono microPython e TinyML. Raspberry Pi, invece, conta su tutti gli strumenti di programmazione disponibili con il sistema operativo Linux.

Le schede Arduino sono maggiormente orientate al collegamento di sensori e attuatori per i quali la comunità sviluppa e aggiorna costantemente le librerie software per il loro utilizzo, mentre Raspberry Pi ha una minore varietà di hardware aggiuntivo che, però, può essere più complesso grazie alle sue similitudini con l'architettura hardware di un pc.

Il dibattito su quale piattaforma sia meglio utilizzare è sempre vivace e in ultima analisi sono le caratteristiche del progetto che si vuole realizzare a rendere l'una o l'altra soluzione preferibile.<ref>{{Cita web|url=https://www.ionos.it/digitalguide/server/know-how/arduino-vs-raspberry-pi/|titolo=Arduino vs Raspberry Pi: le differenze|accesso=27 aprile 2022}}</ref>

In generale, per progetti [[STEM]] o per iniziare a sperimentare con hardware ed elettronica, la piattaforma Arduino è preferibile. <ref>{{Cita web|url=https://www.tecnobabele.com/5-motivi-per-cui-tutti-dovrebbero-imparare-arduino/2020-08-28/|titolo=5 motivi per cui tutti dovrebbero imparare Arduino!|accesso=27 aprile 2022}}</ref>

== Hardware ==

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Una scheda Arduino tipica consiste in un [[microcontrollore]] a 8-bit [[Atmel AVR|AVR]] prodotto dalla [[Atmel]] con l'aggiunta di componenti complementari per facilitare l'incorporazione in altri circuiti. Nelle schede vengono usati i [[circuito integrato|chip]] della serie [[megaAVR]], nello specifico i modelli ATmega8, ATmega168, ATmega328, ATmega1280 e ATmega2560.

Molte schede Arduino includono un [[regolatore lineare di tensione]] a 5 [[volt]] e un [[oscillatore a cristallo]] a 16 &nbsp;MHz. Tuttavia alcune implementazioni, come ad esempio la piccola ''LilyPad''<ref name="LilyPad" /><ref>{{Cita pubblicazione|autore=|autore2=|autore3=|titolo=DI TORE, STEFANO, TODINO, MICHELE DOMENICO, PLUTINO,

ANTONINA (2019). Le wearable technologies e la metafora dei sei cappelli per

pensare a supporto del seamless learning. PROFESSIONALITÀ, vol. Numero

4/II – 2019, p. 118-132, ISSN 0392-2790|rivista=|volume=|numero=}}</ref>, hanno un clock di 8 &nbsp;MHz e non sono dotate del regolatore di tensione.

=== Schede Arduino ufficiali ===

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# Arduino Mini, una versione in miniatura facente uso di un ATmega168 a [[surface-mount technology|montaggio superficiale]];

# Arduino Nano, una versione ancor più piccola della Mini, utilizzante lo stesso controller ATmega168 [[surface-mount technology|SMD]] e alimentata tramite USB;

# LilyPad Arduino, un progetto minimalista per applicazione su indumenti, con lo stesso ATmega168 in versione [[surface-mount technology|SMD]];<ref name="LilyPad">[https://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardLilyPad LilyPad Arduino], dal sito ufficiale</ref> la scheda è circolare dal diametro di 50 &nbsp;mm, per circa 0,8 &nbsp;mm di spessore;

# Arduino NG, con interfaccia USB per programmare e usare un ATmega8;

# Arduino NG plus, con interfaccia di programmazione USB, con un ATmega168;

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A livello concettuale, su tutte le schede i programmi vengono caricati attraverso la comunicazione su [[porta seriale]] [[RS-232]] con il microcontrollore. Le prime schede Arduino, da tempo fuori produzione, contenevano un semplice circuito che permetteva la conversione tra il livello della RS-232 e il livello dei segnali [[Transistor-transistor logic|TTL]]. Già nel 2007 viene introdotta la programmazione da PC e Mac tramite porta USB e convertitore USB-to-Serial, rendendo più semplice il processo.

Le versioni attuali di Arduino sono quasi tutte programmate via [[USB]]: a seconda del microcontrollore utilizzato l'interfacciamento USB è gestitito in modo nativo oppure tramite un circuito dedicato. Poche varianti di ridotte dimensioni o con caratteristiche intenzionalmente ridotte, come Arduino Mini e Arduino Lilypad, o la versione compatibile ''Boarduino'', usano un adattatore USB-seriale da collegare ai pin seriali della scheda.

=== Funzionalità di input/output ===

I microcontrollori, in generale, permettono di configurare la maggior parte dei propri pin come input o output attraverso l'impostazione di specifici [[Registri hardware|registri]]. Per semplificare in modo significativo l'utilizzo dei microcontrollori i progettisti di Arduino hanno deciso di aggiungere al linguaggio C++ delle funzioni di configurazione dei Pin e di definirne a priori il comportamento della maggior parte di essi. Quando un pin è configurato come input, il microcontrollore legge il livello di tensione e restituisce al programma il valore logico alto o basso (HIGH o LOW). Se il pin è configurato come output, il programma in esecuzione può portare il suo livello a 0V (LOW) o a 5V o 3.3V (HIGH). La corrente gestita da ciascun pin è limitata e ammonta a 20mA. Se un pin non viene configurato correttamente può avere un comportamento imprevedibile. Su tutte le schede recenti, due pin sono stati definiti per la comunicazione secondo il protocollo [[I²C|I2C]] che prevede un pin SDA e uno SCL: questo semplifica il collegamento dei dispositivi basati su questo standard, molto diffuso per tutta la componentistica automotive e degli smartphone.

=== Connettori I/O ===

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=== Alimentazione elettrica ===

L'alimentazione della scheda può avvenire con cavo USB, attraverso la porta USB del computer o attraverso la maggior parte degli alimentatori USB, oppure attraverso un alimentatore in corrente continua a 9 volt con connettore cilindrico (diametro 2,1 &nbsp;mm e positivo centrale). In quest'ultimo caso, la scheda Uno commuta automaticamente sull'alimentazione esterna quando il connettore dell'alimentatore esterno è inserito, mentre commuta autonomamente sull'alimentazione USB in caso di disconnessione del connettore e inserimento del cavo USB. La Arduino-NG e la Arduino Diecimila, versioni meno recenti, necessitano invece di essere commutate a mano, azionando uno switch ubicato tra la porta USB e l'ingresso dell'alimentazione esterna. Le schede della famiglia MKR, nate per le applicazioni basate sulla comunicazione wireless e l'IoT (Internet of Things), dispongono di un connettore [http://www.jst-mfg.com/product/pdf/eng/ePH.pdf standard JST PHR2] per il collegamento di una batteria ricaricabile Li-Po che alimenta sia la scheda, sia gli eventuali dispositivi esterni. Quando le schede sono alimentate via USB, viene attivata la ricarica della batteria. Quando le schede sono alimentate dalla batteria ricaricabile, il pin 5V fornisce circa 3,7V.

=== Schede Arduino compatibili ===

L'enorme quantità e l'estrema variabilità d'uso e di componenti rendono difficile definire univocamente una scheda Arduino-compatibile. Solitamente, essa contiene un [[Microcontrollore|microcontroller]] a 8, 16 o 32 bit [[Atmel AVR]], [[Circuito integrato|PIC]] o [[Architettura ARM|ARM]], con frequenza di clock variabile tra 1 e 96 &nbsp;MHz. Molte schede incorporano componenti aggiuntivi pensati per i più svariati utilizzi. Uno dei vantaggi della piattaforma Arduino è la disponibilità di librerie per il collegamento dei dispositivi più svariati. Beneficiano di questo una serie di schede prodotte da aziende indipendenti e con un'architettura diversa, basata su microcontrollori quali ad esempio ESP8266 e ESP32 sviluppati da [https://expressif.com Expressif Systems]; la possibilità di programmare queste schede tramite l'Arduino IDE ne ha permesso una rapida diffusione ed è interessante notare come il numero dei download dell'Arduino IDE siano molto superiori rispetto alla quantità di schede a marchio Arduino.

=== La programmazione del microcontrollore ===

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=== Arduino Pro ===

In occasione del CES del 2020, Arduino presenta la prima scheda della nuova famiglia PRO.<ref>{{Cita web|url=https://ces.eetimes.com/arduino-portenta-for-the-iot-development/|titolo=Arduino Portenta for IoT Development|autore=Maurizio Di Paolo Emilio|sito=EETimes CES 2020 Coverage|data=2020-01-07|lingua=en-US|accesso=2022-10-29}}</ref> Con Portenta H7 Arduino si propone come fornitore di soluzioni per il mondo dell'industria e [[Internet delle cose|dell'IoT]], forte di oltre 30 milioni di utenti già familiari con il proprio ecosistema. Alla famiglia PRO appartengono alcune schede proposte anche in precedenza, caratterizzate dalla connettività wireless. Nel dettaglio, [https://www.arduino.cc/pro/ Arduino PRO] comprende:

# Portenta H7 - STMicroelectronics dual-core STM32H747 che include un Cortex® M7 a 480 &nbsp;MHz e un Cortex® M4 a 240 &nbsp;MHz.

# Portenta X8 - Scheda con processore NXP® i.MX 8M Mini con Linux preinstallato e microcontrollore STM32H747AII6 Dual ARM® Cortex® M7/M4 IC

# Nicla Sense ME - scheda di ridotte dimensioni con microcontrollore 64 &nbsp;MHz Arm® Cortex M4 (nRF52832) e sensori

# Nicla Vision - scheda di ridotte dimensioni per la visione computerizzata con microcontrollore STMicroelectronics STM32H747AII6, camera da 2 Megapixel e sensori

# Famiglia MKR - serie di schede dotate di funzionalità di comunicazione wireless secondo vari standard

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=== Arduino UNO Mini Limited Edition ===

[[File:UNO-mini-LE-Packaging-sml-1024x683.png|thumb|La scheda Arduino UNO Mini Limited edition e la sua confezione numerata e autografata]]

In occasione del raggiungimento di dieci milioni di Arduino UNO venduti, è stato sviluppato in [[tiratura]] limitata e con una confezione speciale autografata l'Arduino UNO Mini Limited Edition.<ref>{{Cita web|url=https://blog.arduino.cc/2021/11/24/introducing-the-arduino-uno-mini-limited-edition-pre-orders-now-open/|titolo=Blog Post sulla scheda commemorativa Arduino Uno Mini Limited Edition}}</ref> La scheda è stata ridotta a circa un quarto delle dimensioni originali, diventando 34,2 x 26,6 &nbsp;mm, pur conservando tutte le caratteristiche dell'hardware originale. Il circuito stampato è nero, con tutte le piazzole dorate e il connettore USB è di tipo [[USB-C]]. Ogni scheda è fornita in una confezione, firmata dai fondatori [[David Cuartielles]], [[Massimo Banzi]], David Mellis, [[Tom Igoe]] e dal CEO [[Fabio Violante]], mentre il [[numero seriale]] della scheda è presente nella parte inferiore della scheda stessa e sotto le firme. Non avendo caratteristiche hardware differenti dalla scheda UNO originale, si tratta principalmente di un prodotto destinato a chi desidera possedere un oggetto particolare e collezionabile, a marchio Arduino.

== Software ==

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[[File:Arduino_IDE_-_Blink.png|thumb|[[Screenshot]] dell'[[Integrated development environment|IDE]] di Arduino, che mostra un semplice codice di esempio]]

L'[[Integrated development environment|ambiente di sviluppo integrato]] (IDE) di Arduino è un'applicazione [[multipiattaforma]] scritta in [[Java (linguaggio di programmazione)|Java]], ed è derivata dall'IDE creato per il [[linguaggio di programmazione]] [[Processing]] e per il progetto [[Wiring]]. È concepita per iniziare alla programmazione neofiti a digiuno dello sviluppo di software. Per permettere la stesura del [[codice sorgente]], l'IDE include un [[editore di testo]] dotato di alcune particolarità, come il [[syntax highlighting]], il controllo delle parentesi e l'[[indentazione]] automatica. L'editor è inoltre in grado di [[Compilatore|compilare]] e caricare il programma funzionante ed eseguibile sulla scheda con un solo click. In genere non vi è bisogno di creare dei [[Makefile]] o far girare programmi dalla [[riga di comando]].

Insieme all'IDE sono scaricati vari ''sketch'' di esempio, per introdurre l'utente alla programmazione della macchina; i temi sono molto basici: come gestire gli ingressi analogici e digitali, far accendere un LED in modo pulsante e variabile; si possono però anche affrontare problemi più complessi, come la gestione di un display [[LCD]] o di una scheda telefonica [[GSM]]<ref>{{cita web | url = https://arduino.cc/en/Tutorial/HomePage | titolo = Arduino Tutorials - Home Page | accesso = 11 gennaio 2015}}</ref>. Oltre alle librerie già incorporate (più di una decina), l'utente può aggiungerne con uno strumento di importazione compreso nell'IDE. Per vedere i risultati di uno sketch è attivabile dall'IDE una ''finestra seriale'' di monitoring, sulla quale far comparire l'output di istruzioni <code>Serial.print(parametro)</code> incorporate nello sketch stesso.

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=== Arduino IDE 2.0 ===

[[File:Ide-2-overview.png|thumb|L'interfaccia di Arduino IDE 2.0]]

Il primo [[Ambiente di sviluppo integrato|IDE]], basato su Java e giunto alla diciottesima release, ha accompagnato tutti gli sviluppatori sin dagli inizi. Gli stili di programmazione e la diffusione di altri linguaggi con i relativi IDE ha portato allo sviluppo di un nuovo IDE anche per Arduino. Arduino IDE 2.0 <ref>{{Cita web|url=https://docs.arduino.cc/software/ide-v2/tutorials/getting-started-ide-v2|titolo=Iniziare a usare Arduino IDE 2.0}} </ref> non è più basato su Java ed è dotato di funzionalità più moderne. Una barra laterale a icone sostituisce i menu, avvicinandosi allo stile del WEB Editor. La scrittura del codice beneficia della funzione di autocompletamento, in grado di velocizzare la scrittura degli sketch, riducendo anche la possibilità di errori di digitazione. Il serial monitor, spesso utilizzato come strumento per il debug degli sketch, passa dalla modalità a finestra indipendente a quella di area integrata nell'interfaccia. Le schede che supportano il [[Debugging|debug]] hardware sono supportate direttamente ed è quindi possibile impostare [[breakpoint]] nel codice e gestire l'esecuzione dello sketch in maniera controllata. Arduino IDE 2.0 è in grado di caricare e scaricare gli sketch dall'account utente sull'Arduino Cloud. Anche questo IDE è Open Source ed il suo codice sorgente è su Github<ref> {{Cita web|url=https://github.com/arduino/arduino-ide|titolo=Il codice sorgente di Arduino IDE 2.0}}</ref>, a disposizione degli utenti per proporre modifiche, migliorie o segnalare [[bug]].

=== Arduino CLI ===

Per dare maggiore libertà ai programmatori più esperti, Arduino ha introdotto Arduino CLI <ref> {{Cita web|url=https://blog.arduino.cc/2021/11/24/introducing-the-arduino-uno-mini-limited-edition-pre-orders-now-open/|titolo=Introduzione ad ARDUINO CLI}}</ref>: lo strumento a riga di comando che contiene tutto il necessario per la realizzazione di applicazioni con le schede Arduino delle varie famiglie. Dalla riga di comando è possibile installare librerie e file specifici per le varie schede, avviare la compilazione e il caricamento. Questo consente ai chi sviluppa il codice di utilizzare l'editor preferito senza perdere la praticità di un flusso di lavoro ottimizzato come quello dell'Arduino IDE.

=== WEB Editor ===

Con l'introduzione dell'Arduino Cloud <ref>{{Cita web|url=https://blog.arduino.cc/2021/05/03/say-hello-to-arduino-cloud-more-things-and-two-new-plans/|titolo=Presentazione di Arduino Cloud}}</ref>, è stato reso disponibile il WEB Editor <ref> {{Cita web|url=https://create.arduino.cc/editor|titolo=Accesso al Web Editor}} </ref> che permette di creare sketch e di caricarli sulle schede Arduino collegate a computer con sistemi operativi [[Microsoft Windows|Windows]], [[MacOS]] e [[Linux]]. Con questo editor non è necessario preoccuparsi di installare librerie o schede in quanto è tutto disponibile nelle opzioni di configurazione. Il WEB Editor è disponibile gratuitamente con delle limitazioni: 25 compilazioni al giorno, due dispositivi in cloud, 100 MB di spazio per gli sketch e un giorno di ritenzione dei dati. A pagamento sono disponibili altri piani <ref>{{Cita web|url=https://cloud.arduino.cc/plans|titolo=I piani disponibili per Arduino Cloud}}</ref> con caratteristiche specifiche per vari tipi di utenza. Oltre al WEB Editor, Arduino Cloud permette la creazione delle dashboard: delle interfacce grafiche costruite con vari elementi per la visualizzazione dei dati ricevuti. Con la creazione delle dashboard diventa semplice visualizzare i dati raccolti da una scheda Arduino, dotata di funzioni di comunicazione, su una pagina web accessibile con i [[browser]] più diffusi.

=== MicroPython e OpenMV IDE ===

Alcune schede Arduino sono in grado di utilizzare il linguaggio di programmazione [[MicroPython]], una versione ridotta e ottimizzata per funzionare sui [[Microcontrollore|microcontrollori]]. Questo linguaggio permette di accedere a tutte le funzionalità hardware delle schede ed è un'alternativa alla programmazione con il lilnguaggio Arduino che è una particolare versione semplificata di C++. Le schede attualmente compatibili sono Nano 33 BLE e BLE Sense, Nano RP2040 Connect e Portenta H7. Arduino IDE non supporta questo linguaggio e per questo va utilizzato OpenMV IDE, un ambiente di programmazione specifico che consente di scrivere e caricare i programmi sulle schede in modo paragonabile all'IDE tradizionale. Da notare che MicroPython è un [[linguaggio interpretato]] e il processo di esecuzione del codice è diverso rispetto agli sketch. Lo sketch viene [[Compilatore|compilato]] e trasformato in [[linguaggio macchina]] direttametne eseguibile dal microcontrollore; il programma, o [[script]], in MicroPython viene caricato sulla scheda dove in precedenza è stato caricato l'interprete che in tempo reale lo esegue. Per questo motivo le schede vanno preparate attraverso un processo specifico <ref>{{Cita web|url=https://docs.arduino.cc/learn/programming/arduino-and-python|titolo=Come caricare MicroPython sulle schede Arduino}} </ref> che le carica con l'interprete MicroPython.

=== Minibloq ===