Classe Virtuale 2015

Manuale T.I.D.

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Premessa

Il progetto su cui quest’anno si è dedicato il gruppo di Classe Virtuale della Loccioni, si è incentrato nell’avvicinare i bambini delle elementari al mondo delle api.Volevamo andare oltre a ciò che ci era stato chiesto e abbiamo creato T.I.D. (Tecnologic Interactive Desk), un nuovo metodo per imparare giocando. Concretamente si tratta di una struttura (o meglio di una console) che riprende un po’ lo stile delle vecchie arcade cabinet machine, ma si distingue per il fatto che si possono creare giochi di qualsiasi argomento che hanno delle specifiche standard affinché funzionino sulla console. PREREQUISITI:

Voglia di fare Tenacia Creatività

TARGET: Il nostro target sono i bambini delle elementari.

Indice

Introduzione 3 Informazioni sulla sicurezza 3 Contenuto della confezione 3 TID 4

Edu BeeHive Project - Il Gioco 4 Base 5

Parte Meccanica 5 Parte Elettrotecnica 5 Parte Elettronica 6 Parte Informatica 6

Pannello 1 7 Parte Meccanica 7 Parte Elettronica 7

Pannello 2 8

Parte Meccanica 8

Parte Elettronica 8

Pannello 3 8

Parte Meccanica 8

Parte Elettronica 8

Visione completa 9

Tutto su GitHub 9

Glossario 10

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Introduzione

Questo manuale contiene importanti informazioni e la descrizione delle componenti e delle principali funzioni

di TID e alcune avvertenze d’uso. Leggere attentamente il manuale prima di utilizzare il TID e conservarlo

per future referenze.

Informazioni sulla sicurezza

LEGGERE LE SEGUENTI INFORMAZIONI PRIMA DI UTILIZZARE IL DISPOSITIVO O DI FARLO

USARE AI BAMBINI.

1. ATTENZIONE! Questo dispositivo NON è un giocattolo. Il suo scopo è puramente educativo.

In presenza di sintomi quali alterazione visiva, contrazioni oculari o muscolari, perdita di coscienza e

orientamento o convulsioni, interrompere l'utilizzo del dispositivo e consultare un medico.

Per ridurre al minimo il rischio di una crisi, seguire le seguenti indicazioni:

• Non utilizzare il dispositivo se si è stanchi o si ha bisogno di dormire;

• Utilizzare il dispositivo sempre in un ambiente ben illuminato;

• Fare sempre una pausa di 10 –15 minuti dopo ogni ora di utilizzo.

2. Tenere il dispositivo lontano da umidità e polvere.

3. Non conservare il dispositivo in un ambiente con una temperatura elevata, in particolare nell’auto

chiusa al sole, per evitare che le componenti elettroniche si fondano.

4. Non far cadere o colpire il dispositivo.

5. Non scuotere il dispositivo in modo violento, perché ciò potrebbe causare il guasto delle componenti

elettroniche.

ATTENZIONE: L'UTILIZZO DELLE CASSE A UN VOLUME ELEVATO POTREBBE PROVOCARE

LESIONI PERMANENTI DELL'UDITO.

6. Non smontare il dispositivo senza l’ausilio di un tecnico esperto.

7. Non usare alcol, solventi o benzene per pulire la superficie del dispositivo, utilizzare un panno

morbido per la pulizia dello schermo del monitor.

ATTENZIONE: IL DISPOSITIVO PUÒ EMETTERE ONDE RADIO CHE POSSONO

INTERFERIRE CON IL CORRETTO FUNZIONAMENTO DI ALTRI APPARECCHI ELETTRONICI

CHE SI TROVANO NELLE VICINANZE

8. Prima di preparare il dispositivo per il trasporto bisognerebbe spegnerlo e scollegare il cavo generale

di alimentazione, staccare il pannello (se è inserito), smontare il monitor e i profili della base.

9. Il dispositivo NON è impermeabile; evitare il contatto con l'acqua.

10. Il tempo di accensione del dispositivo è di circa 20-30 secondi. Non usare il dispositivo o forzare lo

spegnimento durante l’accensione attendere il completo avvio fino al corretto caricamento della

schermata Home. Contenuto della confezione

Dentro la confezione troverete:

profilati di alluminio

angolari

viti a testa cilindrica M8 a brugola

viti a testa svasata M4 a brugola

3 pannelli in abet/lexan (dove sono già installate le componenti

elettroniche)

Mini PC per installare il programma

speakers per la riproduzione dei suoni fissati su un pannello

monitor per visualizzare le varie schermate (appoggiato sul pannello dove sono fissate gli speakers)

switch che funge da access point per la comunicazione tra Mini PC e le schede elettroniche

(appoggiati su un pannello sottostante a quello dove sono fissate gli speakers

tastiera mini integrata di mouse wireless per l’inserimento dei nomi dei bambini

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T.I.D. Technologic Interactive Desk è una console per facilitare l'apprendimento dei bambini delle elementari su

argomenti di diverso genere. Al contrario delle comuni console che utilizzano dischi, la TID usufruisce di

appositi pannelli, che, collegandosi con la base, riescono a mandare in output diversi risultati. Il giocatore

diventa primo protagonista del gioco in quanto non si limita a inviare segnali software di input ma riesce a

trasformare la visione del gioco da statica a dinamica, dando letteralmente vita ai pannelli. All’accensione del

TID bisogna solo aspettare qualche secondo per l’accensione della console, dopodiché si può inserire il

primo pannello e cominciare a giocare. I pannelli sono tre e ognuno di essi rappresenta una fase della vita

delle api.

EDU BEEHIVE PROJECT - IL GIOCO

Il gioco che Classe Virtuale 2015 ha creato si chiama Edu BeeHive Project: lo scopo è quello di avvicinare i

bambini al mondo delle api. Quest'obbiettivo viene raggiunto facendo interagire i bambini con la console,

senza tralasciare la parte riguardante alla grafica e al video.

Le varie schermate che vengono mostrate sul monitor sono così composte:

Schermata generale:

è la schermata che compare prima del inserimento di ogni pannello dove

viene indicato il numero del pannello da inserire accompagnato da relativa

mappa.

Pannello 1:

inserito il primo pannello, l’interfaccia grafica relativa a questo pannello è

composta da più schermate. La prima slide è relativa all’inserimento dei nomi

dei giocatori. Successivamente ad essa una frase scritta a video inviterà i

giocatori ad inserire le larve nel pannello e a chiudere le cellette, una volta

fatto ciò verrà avviato il video di spiegazione.

Finito il video verranno presentate le domande (1 a giocatore) e la risposta

verrà data mediante due pulsanti installati sulla struttura base; ogni

domanda avrà la sua schermata. Dopo la fine delle domande riapparirà la

schermata generale.

Pannello 2:

dopo l’inserimento di questo pannello verrà avviato il video di spiegazione.

Finito il video verranno visualizzate le domande nello stesso modo del

pannello 1. Successivamente ad esse inizierà il gioco durante il quale

verranno visualizzati i punteggi totalizzati in real-time. Al termine di questo

gioco si torna alla schermata generale.

Pannello 3:

come nel pannello 2, all’inserimento di questo pannello si avvia il relativo video di spiegazione per

poi passare alle domande e alla schermata di gioco che sono simili alle schermate relative al

pannello 2.

Finale: l’ultima parte è caratterizzata da una serie di domande al termine

delle quali verrà visualizzato il punteggio finale dell’intera classe.

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In seguito vengono elencate le caratteristiche tecniche in termini di componenti standard hardware e

software della base e del panello:

BASE

La base sarebbe il “case”, la “console” di tutto il gioco. Lo strumento grazie al quale,

cambiando i pannelli, è possibile giocare. La console è composta da una struttura di

alluminio (di profilati e pannelli), che incornicia il pannello e la base per

l’alimentazione (che corrisponde alla posizione nel pannello), regge il monitor da

21,5” e contiene la componentistica elettronica (scheda Arduino, nfc shield e groove

Shield), l'access point e il mini PC.

PARTE MECCANICA

La base è formata da profilati e pannelli di abet che si fissano tramite

dei bulloni e delle apposite squadrette.

I profilati che reggono la struttura sono sei: due di loro sono lunghi

200mm mentre gli altri quattro, 312,5mm. Questa scelta è stata

presa per inclinare il piano di 10°, e quindi rendere più confortevole

la visione dell'intero pannello. I profilati che incorniciano il pannello

sono distanziati tra loro in modo tale da lasciare abbastanza spazio

(500mm x 600mm) al pannello di infilarsi e da non permettergli di muoversi “liberamente” una volta

sistemato. Il loro spessore e la loro lunghezza sono abbastanza contenuti (rispettivamente 4mm x 40mm)

perché il materiale con cui sono fatti è molto resistente. All'interno dello spazio vuoto si trova la placchetta

per l'alimentazione a contatto della base. Anche il monitor è fissato tramite dei bulloni al panello che è

sorretto dai due profilati di sostegno più lunghi. Sotto a questo pannello si trovano le casse fissate, lo

scompartimento per reggere l'access point, il mini PC e la tastiera (quando non viene utilizzata).

PARTE ELETTROTECNICA

Per l’alimentazione è stata

utilizzata quella a contatto

prendendo spunto dalla batteria

del cellulare perché è più

resistente e semplice da

utilizzare. Per realizzare l’

alimentatore è stata utilizzata

una scheda elettronica, dove

sopra di essa sono stati saldati i

vari componenti come

condensatori, resistori e induttori.

Questo circuito stampato ha la

funzionalità di cambiare la tensione in ingresso della scheda ed erogare quattro tensioni diverse in uscita; da 12V

in corrente continua (INPUT) a 12V, 9V, 7.4V, 3.3V in corrente continua (OUTPUT). Il circuito della scheda è stato 5/12

creato sul programma del PC Kicad. Oltre ad aver utilizzato resistenze e condensatori, è stato usato anche

induttanze diodi e altri componenti come 7809 (per l’alimentazione a 9V) e LM2673.

- ALIMENTAZIONE BASE

Nella base della

console è stata inserita

una placchetta di

materiale isolante

plastico progettata

tramite il programma

SolidWorks(in alternativa anche con Solid Edge o

Autocad, l’ importante è che sia un programma di

progettazione meccanica 3D) che viene fissata

nella base con due chiodi; nella placca sono stati

fatti quattordici fori disposti in due file parallele da

sette, equidistanti fra loro di 25 mm, per inserire

delle lamine di ottone fondamentali per l’idea dell’alimentazione a contatto. Gli estremi delle lamine di ottone sono

saldate a dei cavi che si collegano alle uscite dell’alimentatore. Le lamelle di materiale ferroso saranno poi

leggermente piegate per facilitare il contatto con quelle del pannello. Ogni lamina corrisponde ad una precisa

tensione, e il negativo di ciascuna di esse sarà collegato ad un ultima lamella chiamata GND , ovvero la massa.

Le quote della placchetta sono 190mm di lunghezza, 90mm di larghezza, 30mm di altezza

dall’estremo sinistro per poi diminuire dopo 10mm ad un’altezza di 8mm, e spessore di 8mm; le due file

parallele sono disposte una a 12mm e una a 58mm, la

distanza fra le due file è di 46mm; ogni foro per le lamelle

è lungo 10mm, largo 4mm e dista

da un altro foro di 15mm; i fori più esterni sono distanti di

15mm dagli estremi della placca;

il primo centro del foro per il chiodo si trova a 10mm di altezza e 20mm di lunghezza, mentre

il secondo si trova a 10mm di altezza e a 170mm di lunghezza, il diametro dei fori è di 5,5mm.

- ALIMENTAZIONE PANNELLO

Per alimentare il pannello è stata

implementata una soluzione

complementare a quella per la base,

cioè un’altra placchetta di materiale

isolante plastico posta centralmente

al di sotto di ogni pannello. Come

nella precedente piastra, vengono

inserite delle lamelle in ottone, leggermente piegate, in due righe

parallele con rispettivamente sette fori ognuna, le quali sono saldate

a dei cavi che vanno ad alimentare tutta l’elettronica del pannello.

Questa placchetta, a differenza della prima, è forata in quattro punti 6/12

diversi per il fissaggio nel pannello. Al momento dell’inserimento del pannello, le lamine della placchetta della base

e quelle complementari del pannello entrano in contatto, e ciò provoca il passaggio di corrente; si crea, quindi, un

circuito che va ad alimentare la parte elettronica del pannello stesso. Le quote della piastra d'alimentazione per il

pannello sono 190mm di lunghezza, 80mm di larghezza, 15mm di altezza dalla base, a 10mm dagli estremi

l’altezza di riduce a 5mm, e 5mm di spessore; le due file parallele sono poste a 17mm dagli estremi della base, la

distanza fra le due file è di 46mm; ogni foro per le lamelle è lungo 10mm, largo 4mm e dista da un altro foro di

15mm; i fori più esterni sono distanti di 15mm dagli estremi della placca; il primo centro del foro per il chiodo si

trova a 5mm di altezza e 10mm di lunghezza, il secondo si trova a 75mm di altezza e a 10mm di lunghezza, il

terzo foro si trova a 5mm di altezza e 180mm di lunghezza ,e l’ultimo foro si trova a 75mm di altezza e 180mm di

lunghezza; il diametro dei fori è di 4mm.

- LAMINE D'OTTONE

Quest’immagine rappresenta la lamina di

ottone creata con SolidWorks.

Le quote delle lamine sono 50mm di lunghezza,

10mm di larghezza e 15mm di altezza dei bordi

esterni.

PARTE ELETTRONICA

Per il controllo dei vari componenti meccanici (motori) ed elettronici è stata utilizzata la GroveShield: una

basetta che con dei connettori standard che portano ai componenti, anche essi Grove e quindi già

dimensionati, l’alimentazione e il segnale dal microcontrollore. I firmware sviluppati per ogni pannello,

essendo troppo pesanti, mandano subito in difficoltà i microcontrollori meno potenti. La scheda Arduino

(microcontrollore ATmega 328) infatti dopo pochi minuti di utilizzo inizia a dare segni di cedimento e

malfunzionamenti mentre la scheda FRDM board prodotta dalla Freescale con il microcontrollore KL25Z non

presenta problemi con le prestazioni richieste dai firmware. Un problema che non salta subito all’occhio è

l’alimentazione dei componenti Grove che sommati uno ad uno superano immediatamente la massima

corrente erogata dalla FRDM. Interrompendo l’alimentazione tra la board e la basetta Grove è possibile

aumentare la corrente disponibile utilizzando un alimentatore esterno di switching. Nella base del T.I.D. è

stato utilizzato come microcontrollore la scheda di”Arduino Uno”. Per la comunicazione tra la base e il

computer centrale è stata utilizzata l’“Ethernet Shield”, un’apposita scheda che va montata sopra l’Arduino.

Per l’alimentazione della base è stato costruito un apposito alimentatore che ci fornisce 9V a 250 mA, 7.4V a

750mA e 3,3V a 1A. Tramite delle apposite piastrine in ottone poste sulla base si riesce a trasferire

l’alimentazione al pannello desiderato dove anche li sono presenti delle piastrine. Sulla base sono presenti

due pulsanti, i quali ci permettono di selezionare le risposte alle domande poste dal computer centrale.

PARTE INFORMATICA

La parte informatica del progetto si incentra sulla comunicazione tra il programma contenuto nel PC centrale

e le schede elettroniche. I dati sono trasmessi via wi-fi perché è un metodo abbastanza affidabile e non è

presente l’intoppo che avrebbero causato i cavi. I dati, gestiti dal lato client da Angular JS e Javascript, sono

inviati e ricevuti dalle schede elettroniche (che comunicano solo via socket) tramite dei sensori.Per

l’implementazione del codice è stato utilizzato C#, perché è un linguaggio di programmazione che supporta

le Web API ed è semplice da utilizzare. Esso ha il ruolo di intermediare la comunicazione tra le schede

elettroniche della base e dei quadri e le schermate. Le informazioni da trasmettere comunicano via Socket

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attraverso lo scambio di alcuni caratteri, esse quindi vengono trasmessi su un unico canale di trasmissione

sempre aperto.

Le varie schermate di gioco sono pagine web codificate in HTML supportate dal framework AngularJS attraverso il

quale su una sola pagina web compaiono più contenuti.

PANNELLO UNO

PARTE MECCANICA

Il primo pannello implementa la nascita delle api. I 19

esagoni(2)

rappresentano le cellette dell'arnia, ma 5 di queste sono forate

e grazie a dei

tubi metallici (10) che congiungono ad un

altro piano(5) posto sotto il pannello.

Queste permettono il posizionamento delle

larve/api; infatti una volta inserita la nostra

larva, un servo motore(9), grazie ad una

biella (12) ed una manovella (11),

trasporta il piano sulle guide (4) e, nei fori

posti sul piano (5), e le api già predisposte in precedenza. Il servo prende l'alimentazione

dalla piastra (6) che grazie alle lamelle (7) va a contatto con l'altra stessa piastra posta

sulla base. Se per problemi tecnici l'alimentazione non dovesse funzionare , è stata

progettata una piccola manopola(15) collegata direttamente al piano(5)

per permettere il funzionamento solo meccanico.

PARTE ELETTRONICA

Nel primo pannello è stata utilizzata la scheda FRDM KL25Z prodotta dalla Freescale. Al microcontrollore è

stata aggiunta una

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“GroveShield” che permette di connettere qualsiasi modulo Grove alla Freescale. Sono stati montati 3 led

rossi su ogni foro per un

totale di 15 led, il loro scopo è quello di illuminare la cella dove nascerà l’ape. Ai lati di ogni cella è presente

una coppia di infrarossi con

modulo Grove, i quali verificano la presenza della larva che darà posto alla futura ape. Per il movimento del

pannello, che copre le larve

e scopre le api, è stato utilizzato un servo, anche esso con modulo Grove. Per la connessione con il

computer centrale è stato utilizzato il modulo wi-fi esp8266.

PANNELLO DUE

PARTE MECCANICA

Nel secondo pannello viene

simulata la raccolta del nettare

e del polline. La pallina

magnetica rivestita di plastica,

che raffigura un ape , passa

attraverso un labirinto posto su

un piano inclinato di 10° verso

chi sta giocando, ma che può essere anche inclinato verso destra

e sinistra manualmente perché è fissato sopra a due molle poste

lateralmente, al centro. Grazie a questo funzionamento la pallina

potrà percorrere varie strade e raccogliere più o meno punti utili

per il gioco successivo. I punti verranno calcolati da sensori magnetici di

prossimità posto sui fiori disegnati lungo il percorso.

PARTE ELETTRONICA

Anche in questo pannello abbiamo utilizzato la scheda FRDM KL25Z con sopra una GroveShield. Per il

rilevamento del passaggio delle palline sopra i fiori sono stati messi dei sensori magnetici (magnetic switch).

Infine sono stati messi 5 led per l’illuminazione del fiore al passaggio della pallina magnetica. Per la

comunicazione con il computer è stato utilizzato il modulo wi-fi esp8266.

PANNELLO TRE

PARTE MECCANICA

Nel terzo pannello troviamo l'impollinazione. Un ape posta su un

sostegno, possiede un meccanismo, azionato da un motore servo e

pilotato dall’utente, in grado di far cadere una pallina alla volta. L’ape

funge da serbatoio delle palline che vengono poi canalizzate in un

tubo e lasciate cadere. Nel piano vi è un nastro rotante forato in

precise posizioni e fatto scorrere come un tapis roulant tramite un

motore passo passo. L’obbiettivo dell’ utente è quello di centrare uno

dei fori del nastro mentre quest’ultimo scorre: la pallina raggiungerà

un cassetto per le palline che hanno centrato il nastro tramite un canale apposito. Se non entra nel foro, la

pallina scorrerà per il pannello fino ad arrivare in un cassetto, dove possiamo recuperare tutte le palline.

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PARTE ELETTRONICA

Nel pannello 3 il microcontrollore utilizzato è sempre il FRDM KL25Z con sopra una GroveShield. Il motore

passo-passo permette di far girare il nastro dove passerà la pallina. Per verificare il passaggio della pallina è

presente un trasmettitore e un ricevitore infrarosso. Dentro l’ape posta sopra al nastro è presente un servo

che permette il rilascio controllato delle palline.

Anche qui per la connessione dati è utilizzato il modulo wi-fi esp8266.

VISIONE COMPLETA

Ecco come appare la TID completa:

Vista frontale

TID senza pannello TID e primo pannello TID e secondo pannello TID e terzo pannello

Vista dall’alto

Tutto su GitHub

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L’implementazione commentata del progetto è completamente open-source e disponibile sulla pagina

GitHub al seguente indirizzo web: https://github.com/scosmaa/ArniaDidattica

Per avere accesso a tutte le cartelle basta fare click su “Download ZIP”.

Glossario

o ABET: materiale simile di legno

o ACCESS POINT: dispositivo ricetrasmettitore collegato a una rete locale cablata che all'interno della sua

zona di copertura consente a un computer di connettersi a Internet.

o ANGULARJS:è un framework (non una libreria) JavaScript per lo sviluppo di applicazioni Web lato client.

o ARDUINO: scheda elettronica di piccole dimensioni composto da un microcontrollore e dei circuiti con cui

è possibile realizzare, in modo veloce, dei prototipi

o DIODO:elemento semiconduttore costituito essenzialmente da un cristallo (germanio, silicio) o da uno

strato (detto di sbarramento) di particolare sostanza (ossido di rame, selenio), impiegato per gli stessi

scopi.

o FRAMEWORK:una infrastruttura per la creazione di applicazioni composta da un insieme di funzionalità.

o GITHUB:è un servizio web di hosting per lo sviluppo di progetti software, può essere utilizzato anche per la

condivisione e la modifica di file di testo e documenti revisionabili.

o GROVE: tipologia di connessione utilizzata dall’azienda cinese Seeedstudio per prototipazione veloce.

o LM2673: alimentatore switching.

o LM7809: stabilizzatore di tensione

o MICROCONTROLLORE: dispositivo elettronico integrato su singolo chip, utilizzato generalmente in

sistemi embedded ovvero per applicazioni specifiche (special purpose) di controllo digitale.

o NFC: Near Field Communication (“comunicazione in prossimità”) è una tecnologia che permette lo scambio

di dati in modalità wireless

o PANNELLO: nel nostro progetto, si intende il supporto con cui è possibile apprendere, il cuore del TID

o SLIDE: diapositiva, schermata

o SOCKET: in informatica, è il punto in cui il codice applicativo di un processo accede al canale di

comunicazione per mezzo di una porta, ottenendo una comunicazione tra processi che lavorano su due

macchine fisicamente separate.

o WEB API: web Application Programming Interface, strumenti di programmazione (es. librerie di funzioni,

piattaforma software o semplicemente una serie di “chiamate”di un programma che uno sviluppatore può

utilizzare per abbreviare il suo lavoro) che le maggiori software house e industrie del mondo informatico,

come Microsoft, Google e Facebook, mettono a disposizione degli sviluppatori per facilitare il loro compito

nella realizzazione di applicazioni di vario genere.

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TID

(Technologic Interactive Desk)

Classe Virtuale 2015

Loccioni

Via Fiume 16, 60030 Angeli di Rosora, Ancona

“Se l’ape scomparisse dalle faccia della terra,

all’uomo non resterebbero che quattro anni di vita”

Albert Einstein

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