Shields bereit machen! Neue Boards im Anflug!

Ein wesentlicher Faktor, der zum Erfolg von Arduino beigetragen hat, war – vor allem in den Anfängen – die Heimindustrie mit Zusatzplatinen, die von Drittanbietern entwickelt und verkauft wurden. Diese als Shields bezeichneten Boards konnten in die einzigartigen Header des Arduino-Formfaktors eingesetzt werden, die sich auf den Diecimila-, Duemilanove- und Uno-Boards der aktuellen Generation befinden. Sie erweiterten die Funktionalität des zugrunde liegenden Arduino-Boards und ermöglichten es Entwicklern, schnell eine Vielzahl an Sensoren und Aktuatoren in ihre Arduino-basierten Projekte zu integrieren. Die Interoperabilität und die Möglichkeit, mehrere Shields miteinander zu verschachteln, waren ein entscheidender Vorteil für Arduino. Heute bieten viele andere Hersteller von Embedded-Systemen ebenfalls Development Boards an, die mit Arduino-Shields kompatibel sind (Abbildung 1).

Trotz der Beliebtheit des ursprünglichen Arduino-Formats führte das Unternehmen eine Reihe weiterer Formfaktoren ein, die weiterhin einfaches Basteln und Programmieren ermöglichen. Die Elektronik, die das Herzstück des Arduino-Boards bildet, hat sich im Laufe der Jahre weiterentwickelt. Es wurden neuere Mikrocontroller integriert, die mehr Rechenleistung bieten. Mit der Zeit wurde auch Hardware hinzugefügt, um die Funktionalität zu erweitern, wie z. B. Wi-Fi^® und BLUETOOTH^® für die drahtlose Kommunikation. Arduino hat sogar Technologie- und Lehrplanpakete für den Unterricht in Wissenschaft und Robotik herausgebracht. Einige der Highlights der jahrelangen Hardware-Entwicklung sind:

1. Mega: Das Mega-Board ist physisch wesentlich größer als das Uno-Board und verfügt über deutlich mehr E/A-Pins (die aktuelle Version hat 54 digitale E/A-Pins, 16 analoge Eingänge und 4 UARTs) und bietet dem Entwickler mehr Flexibilität und die Möglichkeit, komplexere Systeme zu erstellen (Abbildung 2).

2. Micro und Nano: Wie ihre Namen schon andeuten, sind die Formfaktoren Micro und Nano wesentlich kleiner als der Formfaktor des Uno. Aufgrund dessen sind sie für finale Designs oder Applikationen mit wenig Platz besser geeignet.
3. Lilypad: Ausdrücklich für diejenigen entwickelt, die sich für tragbare Elektronik interessieren. Leitfähige Fäden ersetzen herkömmliche Drähte als Verbindungsmittel für Komponenten.
4. MKR: Die MKR-Boards sind der erste Versuch von Arduino, eine Brücke zwischen dem Maker- und dem professionellen Markt zu schlagen. Die MKR-Serie hat zwar einen gemeinsamen kompakten Formfaktor, bietet aber eine große Vielfalt an Architekturen, Kommunikationsprotokollen, Shield-basierten Sensoren, Aktuatoren und Systemschnittstellen. So gibt es beispielsweise MKR-Boards mit Wi-Fi-, LoRa- und GSM-Funkprotokollen. Darüber hinaus stehen Shields für die Interaktion mit DC-Motoren, CANbus und RS-485-Industrieprotokollen zur Verfügung.

5. VIDOR 4000: Der VIDOR war der erste Versuch von Arduino, Field Programmable Gate Array (FPGA)-Hardware mit Mikrocontrollern zu kombinieren. Der VIDOR verwendete zwar denselben Cortex-M0 32-Bit SAMD21 wie andere MKR-Boards und war daher über die Arduino-IDE programmierbar, aber die FPGA-Seite des Boards konnte nie wirklich das Versprechen erfüllen, Hardware-Beschreibungssprachen (HDL) wie Verilog und VHDL der breiten Masse zugänglich zu machen. Zwar ist es mit leistungsfähigen Tools möglich, den VIDOR mit HDL zu programmieren, doch haben sich die meisten Hersteller (oder sogar Profis) nie wirklich daran versucht.
6. Portenta: Die Portenta-Produktlinie für Embedded-Systeme bildete den Einstieg von Arduino in die Hardware für die professionelle Entwicklung. Portenta bringt zahlreiche Hardware-Verbesserungen mit sich, die es für industrielle Anwendungen wie Fabriken und Automobile interessant machen. Durch die integrierte Unterstützung von drahtlosen Protokollen wie Wi-Fi, BLE, LoRa, LTE Cat-M und NB-IoT sowie von älteren drahtgebundenen Protokollen wie RS-485 kann Arduino die Lücke zwischen Alt und Neu schließen, Zuverlässigkeit gewährleisten und gleichzeitig neue Funktionen wie Machine Learning und digitale Zwillinge bereitstellen. Außerdem wird die Investition von Arduino in den Bildungsbereich Früchte tragen, da junge Menschen, die mit einem Arduino Uno etwas über Elektronik gelernt haben, mit den neueren professionellen Arduino-Produkten weniger Lernaufwand haben werden.
7. Nicla: Der Nicla fällt ebenfalls in den professionellen Bereich, wobei sich der Nicla Vision auf KI-basierte Computer-Vision-Applikationen konzentriert (Abbildung 4). Aufgrund des beinahe briefmarkengroßen Formfaktors mit integrierter Kamera lässt sich der Nicla Vision einfach und ohne großen Aufwand in bestehende Systeme integrieren. Der Nicla Sense ME hat den gleichen Formfaktor und bietet professionelle Bewegungs- und Umweltsensorik.

In den späten 2010er-Jahren begann Arduino, sich von einem reinen Hardwarehersteller zu einem vollwertigen Ökosystem für Embedded-Systeme zu entwickeln. 2019 wurde ein auf Online-Tests basierendes Zertifizierungsprogramm eingeführt, mit dem Einzelpersonen ihr Wissen über grundlegende Elektronik, Softwareentwicklung und bestimmte Aspekte des Arduino-Ökosystems unter Beweis stellen konnten. Im September 2020 übernahm Arduino die Smartphone-App Science Journal von Google, die in vielen wissenschaftlichen Lehrplänen verwendet wird (Abbildung 5). Dabei wurden die Funktionen der App so erweitert, dass nicht nur die integrierten Smartphone-Sensoren, sondern auch die Sensoren auf dem Arduino Nano 33 BLE Sense Development Board verwendet werden können.

Gegenwart und Zukunft von Arduino

Arduino gibt es nun schon seit fast drei Jahrzehnten. Rückblickend ist es bemerkenswert, wie es sich zu einem Ökosystem entwickelt hat, das bereits die Elektronikausbildung revolutioniert hat und gut positioniert ist, um in Zukunft noch viel mehr zu erreichen. Heute ist Arduino weit mehr als eine von Künstlern entworfene 8-Bit-Mikrocontroller-basierte Leiterplatte und eine einfache Software-Entwicklungsumgebung. Arduino ist ein innovativer Wegbereiter, wenn nicht sogar ein Anführer, wenn es darum geht, die Technologie für Embedded-Systeme in die Zukunft zu führen.

Es gibt zwei wichtige Trends, die Entwickler von Embedded-Systemen weiterhin zu schätzen wissen und in die sie investieren müssen, wenn sie wettbewerbsfähig bleiben wollen. Der erste ist der Einsatz von KI-Technologien (z. B. Machine Learning) im Edge-Bereich, d. h. in der Embedded-Elektronik direkt am Ort des Geschehens, weit entfernt von High-End-Servern, die die rechenintensive Verarbeitung übernehmen. Die bereits erwähnten Portenta- und Nicla-Familien sowie Partnerschaften mit Unternehmen wie Edge Impulse zeigen, dass Arduino sich nicht auf seinen Lorbeeren ausruht, sondern sich voll auf die KI-Technologie konzentriert.

Der zweite Trend ist die stetige Weiterentwicklung des Internets der Dinge und die Entstehung von Technologien, die explizit für das IoT konzipiert wurden, wie z. B. Thread. In den letzten Jahren hat Arduino die Cloud und das IoT erobert (Abbildung 6). Der Hosted Service, der als Arduino Create begann und 2021 in Arduino Cloud umbenannt wurde, bietet Entwicklern eine bequeme Cloud-basierte Plattform, um Arduino-basierte Lösungen aus der Ferne zu überwachen und zu steuern. Mit der Veröffentlichung der IoT-Remote-Smartphone-Applikationen, die sowohl für iOS als auch für Android verfügbar sind, macht Arduino dies noch bequemer.

Arduino hat eine glänzende Zukunft vor sich. Bei der Recherche und dem Schreiben dieses Artikels gab es weitere wichtige Ankündigungen in Bezug auf zukünftige Hardware und Services von Arduino. Zum einen hat das Unternehmen mit Opta seine erste speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) für industrielle Applikationen angekündigt (Abbildung 7). Opta wird mithilfe von standardmäßigen Kontaktplan- und Funktionsblockdiagrammen programmierbar sein. Außerdem wurde die Arduino Cloud for Business angekündigt. Ähnlich wie Arduino mit der Pro-Produktlinie in den Bereich der Industrie-Hardware vorstieß, wird die Arduino Cloud for Business die Arduino Cloud entsprechend verändern. Das Business-Angebot wird darüber hinaus Funktionen enthalten, die es einfacher machen, Arduino-basierte Edge-Geräte sicher bereitzustellen, zu überwachen und in großem Umfang zu aktualisieren.

Alles Gute zum 20. Geburtstag, Arduino!

2023 feiert Arduino sein 20-jähriges Bestehen. In den vergangenen Jahren hat sich in unserer Welt so viel verändert. Zu Beginn gab es noch keine iPhones oder Android-Geräte, Netflix war ein Unternehmen, das DVDs per Post verschickte, und Embedded-Systeme waren die Domäne großer Unternehmen und eingefleischter Bastler. Heute kann fast jeder, der sich für Elektronik interessiert, auf praktische Weise damit arbeiten. Und auch wenn Arduino nicht das einzige Unternehmen ist, das zur Schaffung dieser modernen Welt beigetragen hat, so ist die Bedeutung dieses kleinen Unternehmens, das von fünf Personen an einer kleinen akademischen Einrichtung im italienischen Ivrea gegründet wurde, doch sehr beeindruckend. Auf die nächsten zwanzig Jahre, Arduino!