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BitDogLab — Uma Jornada Educativa com Eletrônica, Embarcados e IA

Introdução

O universo da eletrônica e sistemas embarcados é vasto e está em constante evolução. Para muitos iniciantes, a imersão neste campo pode ser percebida como um desafio, considerando a amplitude de conhecimentos requeridos. Foi nesse contexto que o projeto BitDogLab nasceu. Ele combina a essência da eletrônica, a simplicidade da programação e o poder da Inteligência Artificial, tudo de maneira acessível e aberta, favorecendo sua atualização e melhoria contínua pela própria comunidade. Assim, este projeto nasce com um DNA desvinculado de qualquer viés comercial. 

No coração do hardware, temos a Raspberry Pi Pico. A escolha deste módulo com o microcontrolador RP2040 foi estratégica. Graças ao seu design versátil, ele se mostra perfeitamente adequado para atuar como o núcleo de diversas experiências eletrônicas. O projeto da BitDogLab incorpora uma ampla variedade de periféricos, tais como: botões, buzzers, LED RGB, matriz de LEDs, display OLED, joystick, microfone e sensor de toque, assegurando uma experiência livre de emaranhados de fios e conexões instáveis. 

A BitDogLab também oferece flexibilidade para expansões, permitindo o uso de conectores jacaré, IDC ou jumpers, adaptando-se assim a qualquer necessidade de prototipagem rápida, ampliando as possibilidades de experimentação com os mais diversos sensores e atuadores. 

Objetivo e Público-Alvo:

O BitDogLab foi projetado com um objetivo simples, mas ambicioso: tornar o aprendizado em eletrônica e sistemas embarcados algo prático, divertido e intuitivo. Direcionado a estudantes e entusiastas, a partir dos 12 anos , o projeto busca estabelecer uma base sólida para aqueles que desejam mergulhar profundamente em eletrônica e programação. Desde o início, o projeto foi estruturado para interagir com um assistente de Inteligência Artificial, realçando a experiência de aprendizado através desta tecnologia disruptiva. Esta adição não só enriquece a experiência, mas também abre portas para aplicações mais avançadas e inovações no mundo dos sistemas embarcados.

No dia 25 de Junho de 2024, ocorrerá o “Seminário de Sistemas Embarcados e IoT 2024“, no Holiday Inn Anhembi — Parque Anhembi, São Paulo–SP.

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Possibilidades de Aprendizado:

As principais características da BitDogLab e as suas potenciais possibilidades  são resumidas a seguir:

Experiência Prática: O projeto da BitDogLab é compartilhado de forma aberta e gratuita, permitindo que os usuários montem sua própria placa, soldando componente a componente enquanto progridem na programação. Isso proporciona um aprendizado que vai além da teoria e oferece uma experiência valiosa em montagem de placas eletrônicas.

Programação Intuitiva: O uso da IDE Thonny Editor, em conjunto com o MicroPython, oferece uma plataforma amigável, que permite aos iniciantes se aprofundarem na programação sem medo.

Open Source Learning: Sendo o projeto integralmente código aberto, ele convida entusiastas e profissionais a explorar, utilizar, modificar e aprimorar o design original de forma contínua. A colaboração da comunidade pode expandir o escopo do projeto, possibilitando adaptações para outros microcontroladores, como os da Expressif ou STMicro. 

Mergulho na Inteligência Artificial: Com o suporte do IABOT, os estudantes não só têm suas dúvidas resolvidas, mas também são introduzidos ao fascinante mundo da IA, abrindo portas para futuras aprendizagens nesta área.

Ferramenta agregadora para aplicar a metodologia STEAM de ensino: A BitDogLab vai além de ser apenas um projeto de uma placa de circuito impresso. Ela representa uma poderosa ferramenta educativa que converge diversas disciplinas. Através dela, os conceitos de Ciência, Tecnologia, Engenharia, Artes e Matemática (STEAM) são unificados, proporcionando uma abordagem holística ao aprendizado. Com esta integração, os estudantes podem visualizar como esses campos se entrelaçam na prática, incentivando a inovação e a criatividade.

Explorando a BitDogLab

Para embarcar nessa jornada, são necessários alguns recursos:

PCB da BitDogLab: Esta placa de circuito é a alma do projeto. Neste repositório você pode obter os arquivos de fabricação. O projeto BitDogLab está disponível gratuitamente no GitHub para quem deseja acessá-lo e contribuir. Atualmente, estamos na quarta versão de desenvolvimento, que trouxe inovações significativas: foram incorporados conectores específicos para os dois canais I2C e, além disso, agora é possível carregar a bateria da placa através de um mini painel solar, ampliando suas possibilidades de uso e sustentabilidade.

Componentes Eletrônicos: Os principais componentes da BitDogLab são: LED RGB catodo comum, display OLED 128 x 64 I2C, matriz de LEDs 5050 RGB endereçável, 2 buzzers passivos independentes, terminal para barra jacaré (faz parte do projeto da PCB), 3 botões, microfone de eletreto, joystick analógico com botão e conector de expansão IDC . A lista completa, com especificações e códigos, está detalhada na tabela fornecida no repositório. A fotografia da frente da placa, com os componentes soldados,  é mostrada na figura a seguir. 

Figura 1: Fotografia da frente da BitDogLab com seus componentes soldados. 

Na parte de trás da BitDogLab, encontramos, além da barra de pinos para a Raspberry Pi Pico,  um suporte para bateria recarregável de Li-ion e um carregador, permitindo que os usuários recarreguem facilmente a bateria por meio do conector micro USB da própria Raspberry Pi Pico. Uma vez tendo a bateria carregada, ela se torna a principal fonte de energia da BitDogLab, sempre que o cabo micro USB é desconectado. Isso confere à placa uma notável versatilidade, possibilitando sua utilização de maneira totalmente sem fios, promovendo uma maior liberdade e mobilidade nos experimentos e aplicações.

Thonny Editor: Sua interface amigável com suporte ao MicroPython torna o aprendizado à  programação facilitada. Baixe-o aqui. A escolha do ambiente de desenvolvimento integrado (IDE) Thonny combina perfeitamente com o projeto da BitDogLab. 

App de LLM tipo Chat GPT: Seu mentor virtual. Com este assistente de IA, você pode esclarecer dúvidas, obter diretrizes e até mesmo dicas sobre programação. Basta iniciar uma conversa e incluir o Banco de Informação de Hardware (BIH) da BitDogLab e bom aprendizado. 

Banco de Informação de Hardware (BIH): este é um descritivo textual do projeto e das conexões físicas do BitDogLab. A partir dele, a inteligência artificial reconhecerá todos os componentes e conexões possíveis do hardware em questão e então poderá lhe ajudar acertivamente, esta etapa é fundamental para o sucesso de aprendizagem. (Repositório) 

Montagem Passo a Passo: 

A prática é a chave para o aprendizado. Montar a BitDogLab peça por peça proporciona uma imersão profunda no mundo da eletrônica, permitindo entender o papel e funcionamento de cada componente. Mas a beleza está na flexibilidade: não é necessário montar tudo imediatamente. Você pode começar simples, soldando apenas o LED RGB e três resistores. Conforme sua curiosidade e confiança crescerem, poderá adicionar mais componentes ao seu projeto. A BitDogLab foi pensada para ser versátil: a maioria de seus componentes está disponível nas versões “plated-through hole” (PTH) e “surface-mount technology” (SMD). Enquanto os componentes PTH são mais acessíveis para soldar, os SMD são ideais para quem busca refinamento e já possui mais habilidade na soldagem, conferindo à placa um acabamento sofisticado.

Detalhes técnicos do projeto: 

O projeto da BitDogLab foi realizado no KiCAD 7. O esquema elétrico é mostrado a seguir:

Figura 2: Esquema elétrico da BitDogLab realizado no KiCAD 7.

A visão 3D da frente e de trás do projeto da BitDogLab é mostrada na Figura a seguir. 

Figura 3 : Perspectiva 3D da placa BitDogLab a) frente e b) verso

Programando com apoio da IA

O repositório do github também disponibiliza um Banco de Informação de Hardware (BIH) que nada mais é do que uma abstração das conexões físicas da Raspberry Pi Pico com os periféricos que estão roteados na BitDogLab. Com isso, qualquer Large Language Model – LLM tipo Chat GPT pode ser usado como um tutor virtual para facilitar a programação desta placa. Para facilitar o usuário, após carregar o BIH, numa conversa com o LLM descreva o que quer programar. Por exemplo:

“Poderia escrever um código em micropython para que o LED RGB acenda nas sete cores do arco-iris e recomece assim que finalizar a última cor

Assim, o LLM fará a análise do BIH, identificando como o LED RGB está conectado à Raspberry Pi Pico, e com base nessa informação, gerará um código adequado em MicroPython para realizar a tarefa solicitada. Depois disto, basta incluir o código resultante no IDE Thonny e baixar na BitDogLab. 

 O fluxo mostrando este método de programação é detalhado na imagem a seguir: 

Figura 4: Fluxo de programação da BitDogLab usando Inteligência Artificial. 

A partir daí, o usuário observa o resultado e pode continuar a evoluir no código atuando tanto no fluxograma textual como no próprio código em MicroPython. Em nossas observações práticas, notamos que a curva de aprendizado acelera, pois as possibilidades oferecidas pela BitDogLab são muitas e o usuário iniciante não precisa se preocupar com detalhes da sintaxe ou fios soltos. 

Se você gostou e deseja montar a placa, compartilhe conosco sua experiência. Aqui o link para nossa Comunidade Escola 4.0 .

Conclusão

BitDogLab não é apenas uma placa, mas sim uma plataforma de aprendizado completa que se posiciona como um veículo para uma experiência educativa rica e integrada. Combinando hardware, software e inteligência artificial, este projeto apresenta uma abordagem inovadora ao ensino de eletrônica e programação. Sua concepção vai além do convencional, destacando-se como um reflexo do cenário educativo contemporâneo, onde a integração e a aplicação prática dos conceitos STEAM se tornam cada vez mais essenciais. Para aqueles que buscam uma entrada acessível, porém profunda, no mundo dos sistemas embarcados, BitDogLab se mostra como a porta de acesso ideal. Através de seu design prático, da adoção do MicroPython e do suporte contínuo proporcionado pela IA, os aprendizes têm à disposição todas as ferramentas necessárias para uma auto aprendizagem imersiva, confiante e enriquecedora no universo dos embarcados.

Por fim, a filosofia open-source do projeto garante que a BitDogLab continue evoluindo, à medida que a comunidade contribui com melhorias e novas funcionalidades.

Agradecimentos

Gostaríamos de expressar nossa profunda gratidão ao IEEE – Electron Device Society e ao CNPq – Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia INCT Namitec, ambos sob a coordenação do Prof. Jacobus Swart, pelo valioso apoio financeiro ao projeto. A Unicamp merece nossa sincera gratidão por fornecer o indispensável suporte para projetos multidimensionais que englobam ensino, pesquisa e extensão. Valorizamos ainda mais quando tais realizações se alinham ao hobby de seus colaboradores! Estendemos nossa gratidão à vibrante comunidade de sistemas embarcados e a todos os envolvidos que têm se dedicado ao projeto Escola 4.0, contribuindo para seu contínuo crescimento e aprimoramento.

Licença Creative Commons Esta obra está licenciada com uma Licença Creative Commons Atribuição-CompartilhaIgual 4.0 Internacional.
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Daniel Vieira
Daniel Vieira
08/11/2023 17:39

Fantástico projeto !
Irá contribuir para o ensino de muitos jovens no Brasil e no mundo !

Enoque Alves
Enoque Alves
20/09/2023 10:05

Grande projeto, parabéns a todos os envolvidos, ansioso aqui pra testar essa plaquinha!

Fernanda Barbosa
Fernanda Barbosa
20/09/2023 09:57

Muito legal, tenho dificuldade em programação escrita e já estou dando meus primeiros passos.

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