Development of didactically prepared teaching material for training in the field of mechatronic systems controlled by a Raspberry Pi

Abstract

Esta tesis se centra en el diseño e implementación de una serie de seminarios para un curso de sistemas embebidos utilizando la Raspberry Pi. El objetivo es guiar a los estudiantes desde habilidades básicas hasta avanzadas en la programación de sistemas embebidos, con un enfoque particular en aplicaciones prácticas y escenarios del mundo real. Los seminarios están estructurados en ocho laboratorios distintos, comenzando desde niveles introductorios y avanzando hacia temas complejos como la programación orientada a objetos y la integración de IoT. Cada seminario está diseñado para construir sobre el conocimiento previo, introduciendo gradualmente conceptos y herramientas más sofisticados. Los seminarios cubren una gama de temas, incluidos el control de LEDs, PWM, procesamiento de señales analógicas, protocolos de comunicación, sistemas operativos en tiempo real (RTOS), comunicación entre scripts, integración con Node-RED y más. Importancia y Grupo Objetivo: Los seminarios están dirigidos a estudiantes que son nuevos en los sistemas embebidos, así como a aquellos que buscan profundizar su conocimiento. El enfoque estructurado asegura que los alumnos puedan adquirir progresivamente las habilidades necesarias para desarrollar e implementar sistemas embebidos de manera efectiva. Implementaciones: El curso incluye implementaciones prácticas como el control de LEDs con PWM, la manipulación de señales analógicas y la interfaz con protocolos de comunicación como I2C. Cada seminario va acompañado de códigos de ejemplo, bibliotecas e instrucciones de configuración detalladas, con soluciones para cada tarea proporcionadas para reforzar el aprendizaje. Las tareas adicionales desafían a los estudiantes a aplicar sus conocimientos en escenarios más avanzados, como la integración de Node-RED para aplicaciones IoT. Concepto Didáctico: El enfoque didáctico enfatiza la experiencia práctica y la aplicación práctica del conocimiento teórico. Al trabajar a través de los seminarios, los estudiantes obtienen exposición a desafíos de programación del mundo real y aprenden cómo resolver problemas utilizando varias herramientas y técnicas. El uso de Node-RED, por ejemplo, introduce a los estudiantes a conceptos de IoT y les ayuda a entender cómo controlar periféricos y ejecutar scripts dentro de un entorno de programación visual. En general, la tesis proporciona un marco integral para la enseñanza de sistemas embebidos utilizando la Raspberry Pi, con un enfoque en habilidades prácticas y aplicaciones del mundo real. Los seminarios estructurados, acompañados de tareas bien definidas y ejemplos, tienen como objetivo equipar a los estudiantes con el conocimiento y la experiencia necesarios para sobresalir en el campo de los sistemas embebidos y IoT.This thesis focuses on designing and implementing a series of seminars for an embedded systems course using the Raspberry Pi. The objective is to guide students from basic to advanced skills in embedded systems programming, with a particular emphasis on practical applications and real-world scenarios. The seminars are structured into eight distinct laboratories, starting from introductory levels and advancing to complex topics such as object-oriented programming and IoT integration. Each seminar is crafted to build on previous knowledge, gradually introducing more sophisticated concepts and tools. The seminars cover a range of topics, including LED control, PWM, analog signal processing, communication protocols, real-time operating systems (RTOS), inter-script communication, Node-RED integration, and more. Importance and Target Group: The seminars are designed for students who are new to embedded systems as well as those seeking to deepen their knowledge. The structured approach ensures that learners can progressively acquire the skills needed to develop and implement embedded systems effectively. Implementations: The course includes practical implementations such as controlling LEDs with PWM, manipulating analog signals, and interfacing with communication protocols like I2C. Each seminar is accompanied by sample codes, libraries, and detailed setup instructions, with solutions for each task provided to reinforce learning. The included extra tasks challenge students to apply their knowledge in more advanced scenarios, such as integrating Node-RED for IoT applications. Didactic Concept: The didactic approach emphasizes hands-on experience and practical application of theoretical knowledge. By working through the seminars, students gain exposure to real-world programming challenges and learn how to solve problems using various tools and techniques. The use of Node-RED, for example, introduces students to IoT concepts and helps them understand how to control peripherals and execute scripts within a visual programming environment. Overall, the thesis provides a comprehensive framework for teaching embedded systems using the Raspberry Pi, with a focus on practical skills and real-world applications. The structured seminars, accompanied by well-defined tasks and examples, aim to equip students with the knowledge and experience needed to excel in the field of embedded systems and IoT.Diese Arbeit konzentriert sich auf die Gestaltung und Implementierung einer Reihe von Seminaren f¨ur einen Kurs in eingebetteten Systemen unter Verwendung des Raspberry Pi. Ziel ist es, die Studierenden von grundlegenden bis hin zu fortgeschrittenen F¨ahigkeiten in der Programmierung eingebetteter Systeme zu f¨uhren, mit einem besonderen Schwerpunkt auf praktischen Anwendungen und realen Szenarien. Die Seminare sind in acht verschiedene Laboratorien gegliedert, beginnend mit Einf¨uhrungsebenen und fortschreitend zu komplexen Themen wie objektorientierter Programmierung und IoT-Integration. Jedes Seminar ist darauf ausgelegt, auf dem vorherigenWissen aufzubauen und schrittweise anspruchsvollere Konzepte und Werkzeuge einzuf¨uhren. Die Seminare decken eine Reihe von Themen ab, einschließlich LED-Steuerung, PWM, analoge Signalverarbeitung, Kommunikationsprotokolle, Echtzeitbetriebssysteme (RTOS), Inter-Skript-Kommunikation, Node-RED-Integration und mehr. Bedeutung und Zielgruppe: Die Seminare richten sich an Studierende, die neu in der Welt der eingebetteten Systeme sind, sowie an diejenigen, die ihr Wissen vertiefen m¨ochten. Der strukturierte Ansatz stellt sicher, dass die Lernenden schrittweise die F¨ahigkeiten erwerben k¨onnen, die erforderlich sind, um eingebettete Systeme effektiv zu entwickeln und umzusetzen. Implementierungen: Der Kurs umfasst praktische Implementierungen wie die Steuerung von LEDs mit PWM, die Verarbeitung analoger Signale und die Schnittstelle zu Kommunikationsprotokollen wie I2C. Jedes Seminar wird mit Beispielen, Bibliotheken und detaillierten Einrichtungshinweisen sowie L¨osungen f¨ur jede Aufgabe begleitet, um das Lernen zu unterst¨utzen. Die zus¨atzlichen Aufgaben fordern die Studierenden heraus, ihrWissen in anspruchsvolleren Szenarien anzuwenden, wie der Integration von Node-RED f¨ur IoT-Anwendungen. Didaktisches Konzept: Der didaktische Ansatz legtWert auf praktische Erfahrung und die praktische Anwendung theoretischen Wissens. Durch das Durcharbeiten der Seminare erhalten die Studierenden Einblick in reale Programmierherausforderungen und lernen, wie sie Probleme mit verschiedenen Werkzeugen und Techniken l¨osen k¨onnen. Der Einsatz von Node-RED beispielsweise f¨uhrt die Studierenden in IoT-Konzepte ein und hilft ihnen, zu verstehen, wie man Peripherieger ¨ate steuert und Skripte in einer visuellen Programmierumgebung ausf¨uhrt. Insgesamt bietet die Arbeit einen umfassenden Rahmen f¨ur das Lehren von eingebetteten Systemen mit dem Raspberry Pi, wobei der Fokus auf praktischen F¨ahigkeiten und realen Anwendungen liegt. Die strukturierten Seminare, begleitet von klar definierten Aufgaben und Beispielen, sollen die Studierenden mit dem Wissen und den Erfahrungen ausstatten, die erforderlich sind, um im Bereich der eingebetteten Systeme und IoT erfolgreich zu sein.