Samenvattingen · InformaticaNL · VWO

Keuze M: Physical computing

Physical computing laat software de fysieke wereld waarnemen en beïnvloeden. Dit keuzethema behandelt microcontrollers en hun in-/uitgangen (GPIO), sensoren en actuatoren en de waarnemen-verwerken-handelen-lus die ze verbindt, het onderscheid tussen analoge en digitale signalen (met AD-omzetting en pulsbreedtemodulatie), en embedded systemen en het internet of things (IoT). Verdieping binnen het schoolexamen; het brengt de abstracte informatica van de andere domeinen tastbaar tot leven.

4 Onderdelen~14 min leestijd4 VaardighedenNiveau Basis 1 · Standaard 2 · Verdieping 1

T·121212 / 18

Examenprofiel

M · De rol van een microcontroller en zijn in-/uitgangen (GPIO) uitleggenM · Sensoren en actuatoren gebruiken in een waarnemen-verwerken-handelen-lusM · Analoge en digitale signalen onderscheiden; AD-omzetting en pulsbreedtemodulatieM · Embedded systemen en het internet of things (IoT) beschrijven

Operatoren:ontwerpleg uitberekenbeschrijfverklaar

basisniveau

De sense-process-act-lus, sensoren en actuatoren en het idee van een microcontroller vormen de kern.

verhoogd niveau

Analoog-digitaalomzetting (resolutie) en pulsbreedtemodulatie horen bij de verdieping.

Diepte

Tekst

Inhoud · 4 onderdelen

Keuze M: Physical computing

Microcontrollers en GPIO#

Basisexamenblad-informatica-M

Het hart van physical computing is de microcontroller: een complete, kleine computer op één chip, met een processor, geheugen en — dat is het bijzondere — in- en uitgangen die met de fysieke wereld verbonden zijn. Anders dan een pc, die op zichzelf staat, is een microcontroller bedoeld om ín een apparaat te zitten en dat aan te sturen. Bekende voorbeelden voor het onderwijs zijn de Arduino en de micro:bit. Afb. 1 toont het idee: de microcontroller leest een sensor (een knop) en stuurt een actuator (een LED) aan, via zijn aansluitpennen.

Microcontroller met sensor en actuator

Afb. 1Afb. 1 — De microcontroller leest een sensor (knop) via een GPIO-ingang en stuurt een actuator (LED) via een GPIO-uitgang.

Die aansluitpennen heten GPIO (general-purpose input/output): pinnen die je in software als ingang of als uitgang kunt instellen. Als ingang lees je er een signaal mee in (is de knop ingedrukt? — een 0 of 1); als uitgang zet je er een spanning op om iets aan te sturen (de LED aan of uit). Hier raakt de fysieke wereld aan de bits van domein C: een spanning op een pin ís een 1, geen spanning een 0. De software bepaalt de betekenis, en zo koppelt de microcontroller de digitale logica aan tastbare gebeurtenissen.

Programmeren voor een microcontroller lijkt op gewoon programmeren (domein D), maar met een kenmerkende structuur. Vrijwel elk programma begint met een setup (eenmalig instellen welke pinnen in- of uitgang zijn) gevolgd door een loop die eindeloos herhaalt: lees de ingangen, beslis, stuur de uitgangen aan, opnieuw. Die eeuwige lus is geen fout maar de bedoeling — een apparaat moet blijven reageren zolang het aanstaat. De control flow (selectie, iteratie) uit domein D krijgt hier een directe, zichtbare uitwerking: een `als knop ingedrukt dan LED aan` laat je meteen fysiek gebeuren.

De beperkingen van een microcontroller vormen juist zijn kracht. Hij heeft weinig geheugen en rekenkracht en draait meestal maar één programma, maar hij is goedkoop, zuinig en betrouwbaar — precies wat nodig is voor een apparaat dat jarenlang één taak moet doen (een thermostaat, een wasmachine, een stoplicht). Dit maakt physical computing tot een concrete oefening in efficiënt ontwerpen: je moet met minimale middelen een robuuste oplossing bouwen, en elke overbodige regel code of onnodig verbruik telt. Zo verbindt dit thema de abstracte informatica met de tastbare, zuinige apparaten om je heen.

Uitgewerkt voorbeeld

Knop-stuurt-LED

Schrijf in pseudocode het programma dat een LED laat branden zolang de knop ingedrukt is.

Setup
Stel pin 2 in als ingang (knop) en pin 13 als uitgang (LED).
Loop — lees
Lees herhaald de toestand van pin 2.
Loop — beslis en stuur
Als pin 2 = 1 (ingedrukt), zet pin 13 op 1 (LED aan); anders pin 13 op 0 (LED uit).

Resultaat: De eeuwige loop leest de knop en stuurt de LED; de LED brandt precies zolang de knop wordt ingedrukt.

Veelgemaakte fouten

Een microcontroller met een gewone computer gelijkstellen; hij is bedoeld om ingebouwd één taak te doen, met weinig geheugen en directe in-/uitgangen.
Vergeten een GPIO-pin als in- of uitgang in te stellen; een pin verkeerd geconfigureerd leest of stuurt niet zoals bedoeld.

Actieve herhaling

Ontwerp in pseudocode een microcontrollerprogramma dat een LED laat branden zolang een knop is ingedrukt. Geef aan welke pin ingang en welke uitgang is, en beschrijf de setup en de loop.

Actief ophalen

Haal de kernpunten op — onthul ze daarna.

Bronnen: Examenprogramma informatica vwo — keuze M (microcontrollers) (CvTE / Examenblad)

Sensoren, actuatoren en de sense-process-act-lus#

Standaardexamenblad-informatica-M

De waarnemen-verwerken-handelen-lus

Afb. 2Afb. 1 — De sense-process-act-lus: waarnemen, verwerken, handelen — en de veranderde omgeving opnieuw waarnemen.

Physical computing draait om twee soorten componenten. Een sensor zet een fysieke grootheid om in een elektrisch signaal dat de microcontroller kan inlezen: een temperatuursensor, een lichtsensor, een afstandssensor, een knop. Een actuator doet het omgekeerde: hij zet een elektrisch signaal om in een fysieke handeling: een LED die licht geeft, een motor die draait, een zoemer, een schermpje. Sensoren zijn de zintuigen, actuatoren de spieren van het systeem — en de microcontroller ertussenin is het brein.

Deze drie schakelen samen in de waarnemen-verwerken-handelen-lus (sense-process-act), het grondpatroon van elk physical-computing-systeem. Afb. 1 toont hem als kring: de sensor waarneemt, de microcontroller verwerkt (beslist op grond van de meting en zijn programma), de actuator handelt, wat de omgeving verandert — waarna de sensor opnieuw waarneemt. Deze lus is dezelfde terugkoppeling als in domein F: het systeem meet het effect van zijn eigen handelen en past daarop aan. Physical computing maakt die abstracte lus tastbaar.

Een concreet voorbeeld maakt het geheel duidelijk: een automatische plantbewatering. De bodemvochtsensor meet hoe droog de aarde is (waarnemen); de microcontroller vergelijkt dat met een drempelwaarde (verwerken); is het te droog, dan zet hij de pomp aan (handelen), wat de bodem bevochtigt — waarna de sensor de nattere grond meet en de pomp weer uitgaat. Zo ontstaat een zelfregelend systeem uit een sensor, een beslissing en een actuator. Precies dit soort ontwerpen — koppel een meting via een regel aan een handeling — is de kern van dit keuzethema.

Het ontwerpen van zo’n systeem volgt de ontwerpcyclus van domein A. Je bepaalt wélke grootheid je moet meten en met welke sensor, welke drempels en regels de beslissing sturen (te droog? te warm? te donker?), en welke actuator de gewenste handeling uitvoert. Vaak zijn er meerdere sensoren en actuatoren tegelijk, en moet de verwerking ze combineren (‘als het donker én er beweging is, doe het licht aan’). De uitdaging zit in het robuust maken: sensoren geven ruis, drempels moeten een marge (hysterese) hebben zodat de actuator niet voortdurend aan- en uitklappt. Zo wordt een eenvoudig idee een betrouwbaar apparaat — ingenieurschap in het klein.

Uitgewerkt voorbeeld

Automatische bewatering ontwerpen

Ontwerp met de sense-process-act-lus een systeem dat een plant water geeft als de aarde te droog is.

Waarnemen
Een bodemvochtsensor meet de vochtigheid van de aarde en levert een waarde aan de microcontroller.
Verwerken
De microcontroller vergelijkt de waarde met een drempel: is de vochtigheid onder de grens (te droog)?
Handelen
Zo ja, zet de pomp (actuator) aan; het water bevochtigt de aarde, de sensor meet weer natter en de pomp gaat uit.

Resultaat: Een zelfregelend systeem: de lus houdt de bodemvochtigheid rond de drempel door de pomp op basis van de meting bij te sturen.

Veelgemaakte fouten

Sensor en actuator verwisselen; een sensor zet een fysieke grootheid óm in een signaal (ingang), een actuator een signaal in een handeling (uitgang).
De terugkoppeling vergeten en het systeem als een eenmalige meting-en-handeling zien in plaats van een doorlopende lus die op het effect reageert.

Actieve herhaling

Ontwerp een systeem dat een ventilator aanzet als het te warm wordt. Benoem de sensor, de verwerking (met een drempelwaarde) en de actuator, en beschrijf de sense-process-act-lus.

Actief ophalen

Haal de kernpunten op — onthul ze daarna.

Bronnen: Examenprogramma informatica vwo — keuze M (sensoren en actuatoren) (CvTE / Examenblad)

Analoog en digitaal: ADC en PWM#

Verdiepingexamenblad-informatica-M

Kwantisering door een 2-bits ADC

Afb. 3Afb. 1 — Een 2-bits ADC verdeelt 0–5 V in 2² = 4 niveaus; elk spanningsbereik krijgt één digitale code.

De fysieke wereld is analoog — grootheden als temperatuur, licht en geluid variëren continu — maar een microcontroller is digitaal en kent alleen discrete getallen. Op de grens tussen beide staan twee omzetters. Om een analoog sensorsignaal in te lezen, gebruikt de microcontroller een analoog-digitaalomzetter (ADC): die meet de spanning en zet die om in een getal. Dit is precies het sampling en kwantiseren uit domein C, nu voor een sensor: de continue waarde wordt op een discrete schaal vastgepind.

De kwaliteit van die omzetting hangt af van de resolutie: het aantal bits waarmee de ADC de waarde vastlegt. Afb. 1 toont het idee voor een 2-bits ADC: het spanningsbereik (bijvoorbeeld 0–5 V) wordt in

2^2 = 4

niveaus verdeeld. Met

n

bits zijn er

2^n

niveaus, en de stapgrootte (de fijnste onderscheidbare spanning) is het bereik gedeeld door

2^n

. Een 10-bits ADC verdeelt 0–5 V dus in 1024 stappen van ongeveer 5 mV — fijn genoeg voor veel toepassingen. Meer bits geven een fijnere meting, maar ook meer data (weer de

2^n

-afweging uit domein C).

Voor de omgekeerde weg — een analoge sterkte áánsturen met een digitale pin die alleen aan (5 V) of uit (0 V) kan — gebruikt de microcontroller een truc: pulsbreedtemodulatie (PWM). De pin schakelt razendsnel aan en uit, en door de verhouding aan-tijd tot uit-tijd (de duty cycle) te variëren, regel je de gemiddelde spanning. Bij 50% duty cycle is de gemiddelde spanning de helft, bij 25% een kwart. Zo dim je een LED of regel je een motorsnelheid met een pin die eigenlijk maar twee standen kent — de gemiddelde spanning is

\text{duty} \times V_{\max}

ADC en PWM samen sluiten de kloof tussen de continue wereld en de discrete computer, in beide richtingen. De ADC brengt analoge metingen naar binnen, de microcontroller verwerkt ze digitaal, en PWM (of een echte digitaal-analoogomzetter) stuurt een analoog ogende reactie naar buiten. Dat een LED lijkt te dimmen terwijl de pin alleen knippert, of dat een vloeiende temperatuurmeting in werkelijkheid een reeks discrete getallen is, illustreert de kern van digitale techniek: de continue werkelijkheid wordt met eindige precisie benaderd. Wie deze omzettingen begrijpt, doorziet hoe elk digitaal apparaat met de analoge wereld omgaat.

\text{aantal niveaus} = 2^n, \qquad \text{stapgrootte} = \frac{\text{bereik}}{2^n}

ADC-resolutie

Met n bits zijn er 2 tot de macht n niveaus; de stapgrootte is het bereik gedeeld door dat aantal.

V_{\text{gem}} = \text{duty cycle} \times V_{\max}

Gemiddelde PWM-spanning

De verhouding aan-tijd tot totale tijd maal de maximale spanning.

Uitgewerkt voorbeeld

ADC-resolutie en PWM berekenen

Een 10-bits ADC meet 0–5 V. Bereken het aantal niveaus en de stapgrootte, en de gemiddelde spanning van een PWM-signaal met duty cycle 30% bij 5 V.

Aantal niveaus
10 bits geven 2^10 = 1024 niveaus.
$2^{10} = 1024$
Stapgrootte
5 V verdeeld over 1024 stappen.
$\frac{5}{1024} \approx 0{,}0049 \text{ V} \approx 4{,}9 \text{ mV}$
PWM-spanning
0,30 × 5 V.
$V_{\text{gem}} = 0{,}30 \times 5 = 1{,}5 \text{ V}$

Resultaat: 1024 niveaus met stappen van ≈ 4,9 mV; het PWM-signaal levert een gemiddelde spanning van 1,5 V.

Veelgemaakte fouten

Aannemen dat een digitale meting de exacte analoge waarde geeft; door kwantisering wordt de waarde op de dichtstbijzijnde discrete stap afgerond.
Denken dat PWM een echt analoog signaal maakt; de pin blijft aan/uit schakelen, alleen de gemiddelde spanning verandert met de duty cycle.

Actieve herhaling

Een 10-bits ADC meet spanningen van 0 tot 5 V. Bereken het aantal niveaus en de stapgrootte. Welke gemiddelde spanning levert een PWM-signaal met een duty cycle van 30% bij 5 V?

Actief ophalen

Haal de kernpunten op — onthul ze daarna.

Bronnen: Examenprogramma informatica vwo — keuze M (analoog en digitaal) (CvTE / Examenblad)

Embedded systemen en IoT#

Standaardexamenblad-informatica-M

De opbouw van een IoT-systeem

Afb. 4Afb. 1 — Een IoT-systeem: het apparaat meet, de cloud slaat op en analyseert, de app toont en bestuurt op afstand.

Een embedded systeem is een computer die is ingebouwd in een groter apparaat om daar één specifieke taak te vervullen — vaak zonder dat de gebruiker beseft dat er een computer in zit. Je wasmachine, magnetron, auto, pinautomaat en slimme thermostaat draaien allemaal op embedded microcontrollers. Kenmerkend zijn de eisen: betrouwbaar (het mag niet crashen), zuinig, goedkoop en vaak realtime (op tijd reageren, bijvoorbeeld een airbag). Verreweg de meeste computers ter wereld zijn embedded, niet de pc’s en telefoons die we bewust ‘computer’ noemen.

Het internet of things (IoT) ontstaat wanneer je zulke embedded apparaten met het internet verbindt. Afb. 1 toont de typische opbouw: een apparaat met sensoren stuurt zijn metingen via een gateway naar de cloud (servers), waar de gegevens worden opgeslagen en geanalyseerd; via een app kan de gebruiker meekijken en het apparaat op afstand besturen. Zo wordt een losse thermostaat een systeem dat je vanaf je telefoon regelt, dat leert van je gedrag en dat zijn gegevens met andere systemen deelt — de netwerken (keuze L) en cognitive computing (keuze I) komen hier samen.

IoT belooft veel — slimme huizen, precisielandbouw, zorg op afstand, efficiëntere steden — maar brengt ook serieuze risico’s mee, en dat is een eerlijk te benoemen keerzijde. Elk verbonden apparaat is een mogelijke ingang voor aanvallers (keuze N); slecht beveiligde IoT-apparaten zijn massaal gekaapt voor aanvallen. Bovendien verzamelen ze veel, soms gevoelige, gegevens over ons gedrag, wat privacyvragen oproept (keuze Q). Het gemak van een verbonden apparaat gaat dus gepaard met vragen over veiligheid en privacy die je bij het ontwerp moet meewegen.

Physical computing en IoT maken zo de cirkel van de informatica rond en verbinden vrijwel alle andere domeinen. De microcontroller is een von-Neumann-machine in het klein (domein E); zijn programma gebruikt de control flow en datastructuren van domein D en B; de meting is representatie en codering (domein C); de verbinding met de cloud is netwerken (keuze L); de analyse in de cloud kan cognitive computing zijn (keuze I); en de beveiliging en privacy raken keuze N en Q. Physical computing is daarmee niet zomaar een los onderwerp, maar de plek waar de abstracte informatica de tastbare wereld ontmoet — en waar je leert dat een goed apparaat ontwerpen betekent al die aspecten samen te laten werken.

Uitgewerkt voorbeeld

Een slimme deurbel als IoT-systeem

Beschrijf een slimme videodeurbel als IoT-systeem en benoem een voordeel en een risico.

Apparaat
De deurbel heeft een camera en bewegingssensor (embedded microcontroller) die beelden vastlegt bij beweging.
Cloud en app
De beelden gaan via het thuisnetwerk naar de cloud; via een app krijg je een melding en kun je meekijken en praten, waar je ook bent.
Afweging
Voordeel: je ziet bezoek op afstand. Risico: de camerabeelden in de cloud zijn een privacy- en beveiligingsgevoelig doelwit.

Resultaat: De deurbel is een embedded apparaat dat via de cloud met een app verbindt; het gemak van meekijken op afstand staat tegenover reële privacy- en beveiligingsrisico’s.

Veelgemaakte fouten

Denken dat ‘computer’ alleen pc’s en telefoons betreft; de meeste computers zijn embedded systemen die onzichtbaar in apparaten zitten.
De beveiliging en privacy van IoT als bijzaak zien; elk verbonden apparaat is een mogelijk aanvalspunt en verzamelt vaak gevoelige gegevens.

Actieve herhaling

Beschrijf voor een slimme thermostaat de opbouw als IoT-systeem (van sensor tot app in de cloud). Noem één voordeel en twee risico’s (één voor veiligheid, één voor privacy).

Actief ophalen

Haal de kernpunten op — onthul ze daarna.

Bronnen: Examenprogramma informatica vwo — keuze M (embedded systemen en IoT) (CvTE / Examenblad)

Referenties en bronnen

Bronnen

CvTE / Examenblad

Examenprogramma informatica vwo — keuze M (microcontrollers)

Keuze M: Physical computing

Kernpunten

Knop-stuurt-LED

Kernpunten

Automatische bewatering ontwerpen

Kernpunten

ADC-resolutie en PWM berekenen

Kernpunten

Een slimme deurbel als IoT-systeem

Bronnen

Keuze M: Physical computing

Kernpunten

Knop-stuurt-LED

Kernpunten

Automatische bewatering ontwerpen

Kernpunten

ADC-resolutie en PWM berekenen

Kernpunten

Een slimme deurbel als IoT-systeem

Bronnen