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makerSpaceOS

Eine browserbasierte, visuelle Programmierumgebung für den Cytron Maker Pi RP2040 –
gebaut für Kinder und Jugendliche in Makerspaces, Hackdays und Schulen.

Was ist makerSpaceOS?

makerSpaceOS ist eine Blockly-IDE, die direkt im Browser läuft – ohne Installation, ohne App, ohne Konto.
Kinder verbinden bunte Blöcke zu Programmen. Im Hintergrund entsteht echter CircuitPython-Code, der per USB auf den Mikrocontroller übertragen wird und sofort läuft.

Das Projekt entstand aus drei Jahren Hackday-Praxis beim KidsLab Nürnberg. Basis ist der Verbrauch von rund 80 Teilnehmer-Projekten: Was wurde wirklich benutzt? Was funktioniert zuverlässig mit Kindern?

Hardware-Plattform

Cytron Maker Pi RP2040

  • RP2040-Chip (2× ARM Cortex-M0+, 133 MHz, 264 KB RAM, 4 MB Flash)
  • 7 Grove-Ports (GP0–GP7, GP16/GP17, GP26–GP28) für Plug-and-Play-Sensoren
  • 2 eingebaute Taster (B1 = GP20, B2 = GP21)
  • 2 adressierbare NeoPixel-LEDs (GP18, onboard)
  • 4 Servo-Anschlüsse (S1–S4 = GP12–GP15)
  • Eingebauter Motortreiber für 2 DC-Motoren (M1: GP8/GP9, M2: GP10/GP11)
  • Batteriemessung (GP29 = VBAT/2 über Spannungsteiler)
  • Grove-Ports liefern 3,3 V (nicht 5 V!)
  • Betriebssystem: CircuitPython 10.x (kein MicroPython)

Wie es funktioniert

  1. index.html im Chrome oder Edge öffnen (Web Serial API, kein Firefox/Safari)
  2. Blöcke in der Toolbox wählen und auf der Arbeitsfläche verbinden
  3. Auf „Hochladen" klicken → Code wird als code.py per Web Serial auf das Board übertragen
  4. Das Board startet sofort – kein Kompilieren, kein Warten

Ausführungsmodell

Der generierte Code nutzt kooperatives Multitasking (asyncio + makerspaceos.py):

  • Jeder „Für immer"-Block läuft als eigene parallele Schleife
  • Ereignis-Blöcke („Wenn Taster gedrückt…") werden flankengetriggert ausgelöst
  • Kein time.sleep() – nur await asyncio.sleep() damit alle Tasks gleichzeitig laufen
  • Die Laufzeit-Bibliothek lib/makerspaceos.py muss einmalig auf CIRCUITPY/lib/ kopiert werden

Architektur (Entwickler)

makerSpaceOS-Editor/
├── index.html              Einstiegspunkt, lädt alle Skripte
├── js/
│   ├── boards.js           Board-Profil: Pins, Grove-Ports, Servos, Motoren
│   ├── toolbox.js          Statische Kategorien (Steuerung, Logik, Mathe …)
│   ├── block_builder.js    Registriert alle Hardware-Blöcke aus blocks_db.js
│   ├── blocks_db.js        GENERIERT aus components/*.md – nicht manuell bearbeiten
│   ├── generator.js        Blockly → CircuitPython Transpiler
│   ├── app.js              Workspace-Init, UI-Events, Serial-Upload
│   └── blocks/
│       ├── control.js      Setup- und Für-Immer-Blöcke
│       ├── events.js       Ereignis-Hut-Blöcke (when_*, loop_parallel)
│       └── matrix.js       8×8-NeoPixel-Matrix (eigener Block-Editor)
├── components/
│   ├── catalog.json        Toolbox-Kategorien und Farben
│   ├── sensors/*.md        Sensor-Block-Definitionen (Markdown + YAML-Frontmatter)
│   └── actuators/*.md      Aktor-Block-Definitionen
├── scripts/
│   └── build_blocks.js     Baut components/*.md → blocks_db.js (node scripts/build_blocks.js)
├── lib/
│   ├── makerspaceos.py     Laufzeit: immer(), wenn(), start()
│   └── grove_rgb_lcd.py    LCD-Treiber (V4 und V5)
└── css/style.css           Dunkles Theme

Neue Hardware-Blöcke werden als .md-Datei angelegt (kein JS nötig), dann node scripts/build_blocks.js ausführen.

Toolbox – alle Blöcke im Überblick

Steuerung (violett)

Block Funktion
Beim Start Setup-Code, läuft einmalig
Für immer Endlosschleife (läuft parallel zu anderen Stapeln)
Warte … Sekunden Nicht-blockierende Pause
Ausgabe (Print) Text auf die serielle Konsole ausgeben
Wiederhole … mal Zählschleife
Wiederhole solange Bedingungsschleife

Ereignisse (amber)

Block Funktion
Schleife (läuft parallel) Eigene Endlosschleife, gleichzeitig mit anderen
Wenn Taster … Onboard B1/B2 oder externer Taster, gedrückt oder losgelassen
Wenn Drehgeber … ↑/↓ Drehgeber dreht sich hoch oder runter (KY-040)
Wenn Geräusch erkannt Digitaler Geräuschsensor (KY-038)
Wenn berührt Kapazitiver Touch-Sensor
Wenn Abstand … cm Ultraschall-Abstandssensor mit Schwellwert
Wenn Helligkeit … % Lichtsensor mit Schwellwert
Wenn Temperatur … °C DHT11 Temperatursensor mit Schwellwert
Wenn Luftfeuchtigkeit … % DHT11 Feuchtigkeitssensor mit Schwellwert

Logik (hellblau – MakeCode-Stil)

Block Funktion
Wenn … dann Bedingungsblock
Wenn … dann … sonst Bedingungsblock mit Else
Vergleiche (< > =) Vergleichsoperatoren
und / oder Logische Verknüpfung
nicht Logische Negation
wahr / falsch Boolesche Werte

Mathe (grün)

Grundrechenarten, Runden, Zufallszahl, Begrenzen, mathematische Funktionen

Variablen (gold)

Blockly-Standard-Variablen (beliebige Namen)

Text (cyan)

Text-Literal, Text verbinden, Textlänge

Sensoren (blau)

Temperatur & Feuchte (DHT11 / KY-015)

Block Wert
🌡️ DHT11 Temperatur (°C) Lufttemperatur als Zahl
💧 DHT11 Luftfeuchte (%) Relative Luftfeuchtigkeit als Zahl

Abstand & Licht

Block Wert
📡 Abstand (cm) Ultraschall-Distanz, Grove-Digital-Port
☀️ Helligkeit (0–100 %) LDR-Lichtsensor, Grove-Analog-Port

Weitere

Block Wert
🔘 Taster gedrückt? Wahr/Falsch – Onboard B1/B2 oder externer Taster
🔄 Drehgeber Position Zählwert (↑ positiv, ↓ negativ, ab 0)
🌱 Bodenfeuchte (0–100 %) Kapazitiver Feuchtesensor
🔋 Batteriespannung (V) Spannung der angeschlossenen Batterie

Ereignisse (inline, für Wenn-Blöcke in Schleifen)

Block Auslöser
🔘 Wenn Taster Taster-Zustandsänderung, für Schleifenlogik
☀️ Wenn Helligkeit Lichtwert-Schwellwert
🌡️ Wenn Temperatur Temperatur-Schwellwert
📡 Wenn Abstand Abstands-Schwellwert

Aktionen (rot)

LED

Block Funktion
💡 LED LED an einem Grove-Port ein- oder ausschalten
💡 LED blinken LED blinkt mit einstellbarer Frequenz

Ton

Block Funktion
🔔 Buzzer Ton Passiven Buzzer (KY-006) mit Frequenz und Dauer spielen
🔔 Buzzer aus Buzzer stoppen
🔊 Ton abspielen ISD1820-Sprachmodul abspielen (Zusatzmodul nötig)
⏺ Aufnehmen ISD1820 Aufnahme starten (Zusatzmodul nötig)

Servo & Pumpe

Block Funktion
⚙️ Servo Servo auf einen Winkel (0–180°) fahren, Servo-Port S1–S4

Motor

Block Funktion
🚗 Motor vorwärts DC-Motor M1 oder M2 mit Geschwindigkeit (0–100 %)
🚗 Motor rückwärts DC-Motor M1 oder M2 rückwärts
🛑 Motor stopp Motor anhalten

Lichter (pink)

Onboard (2 NeoPixel auf GP18)

Block Funktion
🌈 NeoPixel alle Beide onboard LEDs in einer Farbe
🌈 NeoPixel alle aus Beide onboard LEDs ausschalten
🌈 NeoPixel LED Nr. Einzelne onboard LED (1 oder 2) in einer Farbe

Streifen (externer WS2812B-Streifen, Grove-Port)

Block Funktion
🌈 Streifen ganz füllen Alle LEDs des Streifens in einer Farbe
🌈 Streifen aus Alle LEDs ausschalten
🌈 Streifen LED setzen Einzelne LED des Streifens setzen

8×8 Matrix (WS2812B 64-LED-Matrix, Servo-Port S1–S4)

Block Funktion
💡 Matrix anschalten Alle 64 LEDs in einer Farbe
🔳 Matrix ausschalten Alle LEDs aus
☀️ Helligkeit Helligkeit in % (0–100, cap 0,3 für Augenschutz)
🔣 zeige Symbol Vordefiniertes Symbol (Herz, Smiley, Stern, Pfeile …)
🖊️ zeige LEDs Pixel-Editor: 8×8-Grid selbst zeichnen

Farbauswahl überall einheitlich: 🔴 Rot / 🟠 Orange / 🟡 Gelb / 🟢 Grün / 🩵 Cyan / 🔵 Blau / 🟣 Lila / 🩷 Pink / ⚪ Weiß / ⚫ Aus

Anzeigen (dunkelgrün)

Block Funktion
📟 LCD anzeigen Grove RGB LCD 1602 – 2 Zeilen Text + Hintergrundfarbe
🔢 7-Seg Zahl anzeigen TM1637 4-stelliges 7-Segment-Display
⬛ 7-Seg ausschalten TM1637 ausschalten

Pins (grau – generisch/fortgeschritten)

Block Funktion
🔌 Digital Grove-Port digital HIGH (AN) oder LOW (AUS) setzen
🔌 Digital lesen Grove-Port lesen → Wahr/Falsch (mit Pull-Up)
📊 Analog lesen Grove-Analog-Port lesen → 0–100 %

Farb-Dropdown für LEDs (alle Blöcke einheitlich)

Emoji Name Hex
🔴 Rot #FF0000
🟠 Orange #FF6600
🟡 Gelb #FFFF00
🟢 Grün #00FF00
🩵 Cyan #00FFFF
🔵 Blau #0000FF
🟣 Lila #8000FF
🩷 Pink #FF00FF
⚪ Weiß #FFFFFF
⚫ Aus #000000

Sicherheitsmechanismen (für Kinder)

  • „Bitte auswählen"-Platzhalter in allen Hardware-Dropdowns: Ein Block ohne gewählten Port erzeugt keinen Code, sondern einen Warnhinweis am Block
  • NeoPixel-Helligkeit auf max. 0,3 (30 %) begrenzt – verhindert Überstrom und schützt Augen
  • Kein time.sleep() im generierten Code – verhindert eingefrorene Boards
  • Pull-Up bei generischen Digital-Eingängen automatisch gesetzt

Abhängigkeiten (auf dem Board, CIRCUITPY/lib/)

Datei Woher
makerspaceos.py Dieses Repo (lib/)
grove_rgb_lcd.py Dieses Repo (lib/)
adafruit_dht.mpy Adafruit CircuitPython Bundle
neopixel.mpy Adafruit CircuitPython Bundle
adafruit_motor/ Adafruit CircuitPython Bundle
asyncio/ Adafruit CircuitPython Bundle
adafruit_ticks.mpy Adafruit CircuitPython Bundle
adafruit_tm1637.mpy Adafruit CircuitPython Bundle
adafruit_bmp280.mpy Adafruit CircuitPython Bundle (optional)
grove_ultrasonic.py Dieses Repo (lib/)

Abgleich mit dem Modul-Raster (MakeSpaceOS_Module.md)

Modul-Komponente Im Editor Hinweis
Maker Pi RP2040 ✅ Board-Profil in boards.js
Robo ESP32 ⬜ Geplant – Funk/WLAN-Variante
LCD 1602 I2C ✅ V4 + V5 unterstützt
Buzzer (KY-006) ✅ Passiv, mit Frequenz
NeoPixel 8×8 Matrix ✅ Eigener Pixel-Editor
NeoPixel Streifen ✅
NeoPixel Onboard (2 LEDs) ✅ Im Modul-Dok noch nicht gelistet
Taster (KY-004) ✅ B1/B2 onboard + extern Grove
Ultraschall-Abstand ✅
Lichtsensor (KY-018/LDR) ✅ Analog-Port
DHT11 Temp/Feuchte ✅ Getrennte Blöcke für °C und %
Bodenfeuchte (kapazitiv) ✅
Sound/Lautstärke (KY-038) ⚠️ Nur als Ereignis-Block, kein Messwert-Block
PIR-Bewegung ❌ Aus Editor entfernt (zu unzuverlässig für Kinder)
Rotary Encoder (KY-040) ✅ Position + Ereignis ↑/↓
Capacitive Touch Keypad ⬜ Noch nicht implementiert
TT-Motor (Fahrantrieb) ✅ M1 + M2, vorwärts/rückwärts/stopp
Servo (SG90) ✅ 0–180°
Schrittmotor ⬜ Aufbaustufe, geplant
Wasserpumpe ❌ Nicht als eigener Block – über Motor-Blöcke steuerbar
TM1637 7-Segment ✅ Im Modul-Dok noch nicht gelistet
ISD1820 Sprachmodul ✅ Als „Erweiterung auf Anfrage"
Generische Pins (Digital/Analog) ✅ Für fortgeschrittene Aufbauten

Wichtige Korrektur zum Modul-Dok:
Das Modul-Dok nennt „MicroPython" als Codegen-Ziel. Der Editor erzeugt CircuitPython-Code (nicht MicroPython). Der Unterschied ist erheblich: andere Bibliotheken, andere Import-Syntax, andere Pin-Abstraktion. CircuitPython wurde gewählt wegen besserer Bibliotheks-Ökosystem (Adafruit Bundle), einfacherem Drag-and-Drop-Upload und stabileren Hardware-Treibern für Kinder.

Nicht im Standard-Editor (Erweiterung auf Anfrage)

Wie im Modul-Dok: RFID, Farbsensor, Joystick, IR-Fernbedienung, RTC, mechanisches Keypad, Schiebepoti, Neigungsschalter, Vibrationsmotor, BMP280 Luftdruck (im Generator vorhanden, aber nicht in der Toolbox).

Offene Punkte / Roadmap

  • Robo ESP32 Board-Profil (WLAN, ESP-NOW)
  • Speichern/Laden von Projekten (Browser-LocalStorage)
  • PIR-Sensor optional wieder einbinden (mit Debounce-Hinweis)
  • Sound/KY-038 Messwert-Block ergänzen
  • Schrittmotor (28BYJ-48 + ULN2003)
  • Capacitive Touch Keypad (Grove UART)
  • IR-Fernbedienung als Ereignis-Block
  • Mehrsprachigkeit (aktuell: Deutsch)
  • Board-Auswahl im UI (aktuell hardcodiert auf Maker Pi RP2040)
  • Blockly-Workspace exportieren/importieren (XML)

Projekt-Info

  • Zielgruppe: Kinder und Jugendliche ab ca. 9 Jahren, Makerspaces, Schulen
  • Sprache: Deutsch (alle Blöcke, Tooltips, Fehlermeldungen)
  • Browser: Chrome oder Edge (Web Serial API)
  • Kein Build-Schritt für die App – reine statische HTML/JS/CSS
  • Block-System: markdown-getrieben (components/*.md → build_blocks.js → blocks_db.js)
  • Lizenz: tbd
  • Kontakt: gw@communitylabs.de

About

makerSpaceOS — Landing Page & Blockly/CircuitPython-Editor für den KidsLab MakerSpace

mso.kidslab.de

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