Programmering av mikrokontrollersystemer for yrkesfaglærere

Introduksjon til mikrokontrollerprogrammering (ferdighetslæring):

• Mikrokontrolleren (Arduino, ESP32): arkitektur, I/O-funksjonalitet, serieporter og trådløskommunikasjon
• Valg av programmeringsplattform, språk og type (blokk eller tekst)
• Arduino C: Programstrukturer, datatyper og variabler, operatorer, kontrollstrukturer, funksjoner, datastrukturer, biblioteker, kommunikasjon med sensorer og aktuatorer
• Programmerings- og simuleringsverktøy

Introduksjon til Internetof Things (IoT) (kunnskapslæring):

• Hva er IoT, trender, anvendelser, hvordan forventes IoT å prege arbeidsmarked og samfunn
• Grunnleggende IoT-arkitektur: Sensorer og sensornoder, nettverk, skyen -
• Trådløse sensornettverk, anvendt protokoll
• Rollen til webservere i skyen, dataanalyse og visualisering

Sensorer, aktuatorer og elektronikk (ferdighetslæring):

• En gjennomgang av teknologi og virkemåte for sensorer/aktuatorer og elektronikk typisk brukt i IoT-løsninger.
• Praktiske grensesnitt mellom sensorer/aktuatorer og mikrokontroller
• Sensorer: Temperatur, lys, bevegelse, avstand, helning, fuktighet, trykk, gass, RFID, etc.
• Aktuatorer: LED, relé, buzzer, Servo- og DC-motor, etc.

Etter fullført emne skal studenten ha tilegnet seg grunnleggende kompetanse innen programmering og bruk av Arduino mikrokontrollerbaserte utviklingskort tilkoblet sensorer og aktuatorer, samt feilsøking. Det gis en grundig innføring i prinsippene for en rekke sensor- og aktuatortyper og viser hvordan disse tilkobles og kommuniserer med mikrokontrolleren. Studentene skal kunne konstruere enkle systemer, både lokale sensornoder og systemer som inkluderer trådløs toveis kommunikasjon med en nettverksserver, såkalt IoT-systemer, for innsamling av data og fjernstyring av funksjoner. Målsettingen med å benytte en IoT-struktur er å utvide mulighetene for mikrokontrollersystemer og å gi studentene kunnskaper om et av de raskest voksende feltene innen IKT-sektoren. Emnet vil ikke gå i dybden når det gjelder de enkelte IoT-elementene, slik som nettverk, kommunikasjonsprotokoller og skyservere. Undervisningen vil være studentaktiv og oppmuntre studentene til selv å reflektere hva som er nyttig for deres eget fagområde, samtidig som de gjennom øvingsopplegget og en større prosjektoppgave skal bli i stand til å utvikle elevaktiviteter og praktisk rettede undervisningsopplegg for egen undervisning. Studentene vil bli oppmuntret til å velge prosjekter som er relevant for deres fagdisiplin, eksempelvis innen områdene industriell IoT, helse, og miljøovervåking eller andre "smart city"-anvendelser. Studenten skal etter endt studium ha en solid kunnskapsbase for videre studier innen feltet.

Kunnskaper

Kandidaten skal forstå:

• forskjellen på blokkbasert og tekstbasert programmeringsspråk og vite når det er fornuftig å velge de ulike språktypene av pedagogiske årsaker.
• grunnleggende og noen spesialiserte konstruksjoner i programmeringsspråket Arduino C, som har etablert seg som et av de mest foretrukne språkene for læring av programmering av mikrokontrollere, pga. lav startterskel og enkel interaksjon med sensor- og elektronikkretser.
• den grunnleggende oppbyggingen av og virkemåten for et mikrokontrollersystem.
• de grunnleggende elementene i en IoT-løsning, og hvordan de virker sammen. teknologien i sensorer som typisk går igjen i IoT-løsninger, samt prinsippene bak nye bærekraftige teknologier som har til hensikt å redusere behovet for batterikapasitet ved de enkelte sensornodene (energihøsting og laveffekt elektronikk).
• gangen i et prosjekt som inkluderer programmering, fra problemformulering til ferdig testede løsninger, inklusive et eksempel på en relevant utviklingsplattform.

Ferdigheter

Kandidaten skal kunne:

• med utgangspunkt i en gitt (mikrokontroller og en grunnleggende) funksjonsbeskrivelse, stille opp og programmere en enkel IoT-løsning.
• formulere en problemstilling som kan løses med en mikrokontroller med tilhørende programvare, og skrive og teste programmet fram til en fungerende løsning.
• benytte simuleringsverktøy, eksempelvis Tinkercad Circuits,for å teste mulige krets- og programmeringsløsninger.
• Programmere, feilsøke og teste enkle sensorsystemer på en mikrokontrollerplattform.

Generell kompetanse

Kandidaten skal:

• være i stand til å anvende pedagogiske metoder for å tilrettelegge tematikken for elever innen de aktuelle yrkesfaglige retningene (Elektro, Bygg og anlegg, og TIP)
• kunne kommunisere og diskutere IoT-relatert teknologi på et grunnleggende plan relatert til aktuelle problemstillinger innen de ulike yrkesfagene
• kunne tilegne seg ny kunnskap og bygge videre kompetanse, særlig innen mikrokontrollerprogrammering, sensorer og IoT-løsninger
• kunne formidle emnets hovedtemaer på en måte som understøtter dybdelæring hos elevene
• ha en god plattform for å lære andre programmeringsspråk

• Gjennomgående studentaktiv undervisning, hvor bl.a. prinsippene for teambasert læring (TBL) benyttes.
• Et sentralt element i emnet er et større prosjektarbeid (+ rapport) som skal gjennomføres i tilknytning til instituttets (Inst. for elektroniske systemer - IES) IoT-lab. IES er ansvarlig for fakultetets IoT-strategi og oppbyggingen av ressurser på området, noe som vil bli benyttet i undervisningen av emnet.
• I tillegg vil 4 mindre, praktiske arbeider (mappeinnleveringer) inngå i karakterberegningen
• Det oppmuntres til samarbeid studentene imellom, og det vil etableres en wiki-løsning hvor aktuelle læringsressurser gjøres tilgjengelig.
• Wikien vil også utstyres med blogg hvor studentene kan hjelpe hverandre, men hvor det også kan stilles spørsmål til faglærerne.
• Det forventes at studentene forbereder seg til samlingene, slik at fokus under samlingene kan være praktisk jobbing med problemstillinger og oppgaver under veiledning.
• Det vil jevnlig arrangeres veiledningstimer på nett med utgangspunkt i Blackboard Collaborate.