So wählst du mit deinem Arduino eine echte random Zahl aus einem Array aus – Code-Beispiele inklusive!

Der Arduino ist ein unglaublich vielseitiges Werkzeug für Hobbybastler, Maker und Ingenieure. Von einfachen LED-Blinkschaltungen bis hin zu komplexen Roboterprojekten ist alles möglich. Eine häufig benötigte Funktion ist die Erzeugung von Zufallszahlen. Doch Vorsicht: Die Arduino-Funktion random() liefert keine echten Zufallswerte, sondern Pseudozufallszahlen. In diesem Artikel zeigen wir dir, wie du echtere Zufallszahlen generierst und damit ein zufälliges Element aus einem Array auswählst. Mit ausführlichen Code-Beispielen und Erklärungen wirst du zum Arduino-Zufallszahlenmeister!

Das Problem mit random()

Die Arduino-Funktion random(min, max) ist praktisch, um schnell eine Zahl innerhalb eines bestimmten Bereichs zu erzeugen. Allerdings basiert sie auf einem Algorithmus, der immer die gleiche Sequenz von Zahlen erzeugt, wenn er mit dem gleichen „Seed” (Startwert) initialisiert wird. Das ist zwar für manche Anwendungen in Ordnung, aber für sicherheitskritische Anwendungen oder Spiele, bei denen wirklich zufällige Ergebnisse benötigt werden, ist das ungeeignet. Diese Pseudozufälligkeit macht Vorhersagen möglich, was unerwünscht ist.

Stell dir vor, du programmierst ein Glücksspiel auf deinem Arduino. Wenn der Zufallsgenerator vorhersagbar ist, könnte jemand das Spiel manipulieren und gewinnen! Deshalb brauchen wir eine bessere Lösung.

Echte Zufälligkeit mit analogRead()

Eine einfache, aber effektive Methode, um „echtere” Zufallszahlen auf dem Arduino zu generieren, ist die Verwendung von analogRead() auf einem nicht angeschlossenen oder rauschenden analogen Pin. Analoge Pins messen Spannungen. Wenn ein Pin nicht angeschlossen ist, „schwebt” er und empfängt elektromagnetisches Rauschen aus der Umgebung. Dieses Rauschen ist zufällig und kann als Quelle für Zufälligkeit verwendet werden.

Hier ist der grundlegende Ansatz:

1. Lies den Wert von einem nicht angeschlossenen analogen Pin mit analogRead(A0) (oder einem anderen ungenutzten Pin)
2. Verwende diesen Wert als Seed für den Zufallsgenerator.

Dieser Ansatz macht den Zufallsgenerator weniger vorhersagbar, da der Seed von einem externen, zufälligen Faktor beeinflusst wird.

Code-Beispiel: Zufallszahl-Seed mit analogRead()

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  randomSeed(analogRead(A0)); // Initialisiere den Zufallsgenerator mit dem Rauschen von A0
}

void loop() {
  int randomNumber = random(100); // Erzeuge eine Zufallszahl zwischen 0 und 99
  Serial.print("Zufallszahl: ");
  Serial.println(randomNumber);
  delay(1000);
}

In diesem Code wird die Funktion randomSeed() mit dem Wert von analogRead(A0) aufgerufen, um den Zufallsgenerator zu initialisieren. Jedes Mal, wenn der Arduino neu gestartet wird, erhält der Zufallsgenerator einen anderen Seed, was zu einer anderen Sequenz von Zufallszahlen führt. Das delay(1000) verlangsamt die Ausgabe, damit du die Ergebnisse im Serial Monitor beobachten kannst.

Zufälliges Element aus einem Array auswählen

Jetzt, wo wir eine Methode haben, um „echtere” Zufallszahlen zu generieren, können wir diese verwenden, um ein zufälliges Element aus einem Array auszuwählen.

Der allgemeine Ansatz ist folgender:

1. Generiere eine Zufallszahl zwischen 0 und der Länge des Arrays minus 1.
2. Verwende diese Zufallszahl als Index, um auf ein Element im Array zuzugreifen.

Code-Beispiel: Zufälliges Array-Element auswählen

String meinArray[] = {"Apfel", "Banane", "Kirsche", "Dattel", "Erdbeere"};
int arrayLaenge = sizeof(meinArray) / sizeof(meinArray[0]); // Berechne die Länge des Arrays

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  randomSeed(analogRead(A0));
}

void loop() {
  int zufallsIndex = random(arrayLaenge); // Erzeuge einen zufälligen Index innerhalb der Array-Grenzen
  String zufaelligesElement = meinArray[zufallsIndex]; // Greife auf das Element mit dem zufälligen Index zu

  Serial.print("Zufälliges Element: ");
  Serial.println(zufaelligesElement);
  delay(1000);
}

In diesem Code:

• meinArray[] ist ein String-Array, das verschiedene Früchte enthält.
• arrayLaenge berechnet die Anzahl der Elemente im Array. sizeof(meinArray) gibt die Gesamtgröße des Arrays in Bytes zurück, während sizeof(meinArray[0]) die Größe eines einzelnen Elements (in diesem Fall eines Strings) in Bytes zurückgibt. Durch Division der Gesamtgröße durch die Größe eines einzelnen Elements erhalten wir die Anzahl der Elemente.
• zufallsIndex speichert einen zufälligen Index zwischen 0 und arrayLaenge - 1.
• zufaelligesElement speichert das Array-Element, auf das durch den zufälligen Index zugegriffen wird.
• Schließlich wird das zufällige Element im Serial Monitor ausgegeben.

Verbesserungen und Überlegungen

• Mehrere analogRead()-Messungen: Du kannst die Genauigkeit erhöhen, indem du mehrere analogRead()-Messungen durchführst und diese kombinierst (z.B. summierst oder mit XOR verknüpfst), bevor du randomSeed() aufrufst.
• Verwende den A/D-Wandler-Rauschpegel: Einige Arduinos haben einen integrierten Rauschpegel, der für analogRead() aktiviert werden kann, um das Rauschen zu erhöhen und die Zufälligkeit zu verbessern. Informationen dazu findest du im Datenblatt deines Arduinos.
• Externe Zufallsquellen: Für wirklich anspruchsvolle Anwendungen kannst du einen externen Hardware-Zufallszahlengenerator (RNG) verwenden, der an den Arduino angeschlossen wird. Diese bieten in der Regel eine viel höhere Qualität der Zufälligkeit.
• Initialisierungsprobleme: Stelle sicher, dass der Arduino genügend Zeit hat, den Seed zu generieren, bevor du die Zufallszahlen verwendest. Ein kurzes delay() direkt nach dem Aufruf von randomSeed() kann helfen.

Fazit

Das Generieren von Zufallszahlen auf dem Arduino ist etwas knifflig, aber mit den hier vorgestellten Techniken kannst du die Qualität deiner Zufallszahlen erheblich verbessern. Die Verwendung von analogRead() zur Initialisierung des Zufallsgenerators ist eine einfache und effektive Methode, um vorhersagbare Sequenzen zu vermeiden. Indem du diese Methode mit der Array-Manipulation kombinierst, kannst du eine Vielzahl von interessanten Anwendungen erstellen, von einfachen Würfelspielen bis hin zu komplexen Datengenerierungsalgorithmen. Experimentiere mit den Code-Beispielen und passe sie an deine eigenen Projekte an. Viel Spaß beim Programmieren!