Створення «розумної» лабораторії ІКТ в університеті засобами Arduino

11.05.2023

Створення «розумної» лабораторії ІКТ в університеті засобами Arduino

Вступ. У сучасному суспільстві, де інформація є ключовим ресурсом, необхідно постійно вдосконалювати процес навчання інформатики в університетах, щоб формувати кваліфікованих фахівців. Використання інформаційно-комунікаційних технологій та смарт-технологій в навчальному процесі може підвищити пізнавальну активність студентів, сформувати їх інформаційну культуру та значно покращити зміст освіти.

У наш час, коли розумні пристрої стали частиною нашого життя, важливо, щоб студенти, що вивчають комп'ютерні науки, отримали знання про останні технологічні тенденції та мікроелектроніку. Використання плати Arduino, WiFi модуля ESP8266-12E та одноплатних комп'ютерів може стати відмінним інструментом для навчання програмування та робототехніки. Це може стимулювати студентів до групової роботи та створення інтелектуальних пристроїв, які можна використовувати для досліджень та покращення освіти з інформатики у вищих навчальних закладах.

Таким чином, використання Arduino та інших сучасних технологій може допомогти значно поліпшити процес навчання інформатики в університетах, що стане корисним як для студентів, так і для підготовки кваліфікованих фахівців.

 

Аналіз останніх досліджень і публікацій показує, що створення "розумного" кабінету інформатики в університеті за допомогою Arduino може бути ефективним інструментом для навчання комп'ютерної грамотності студентів інженерних спеціальностей. Датчики, що використовуються в смарт-лабораторії, та зібрані з них дані можуть бути використані для демонстрацій та експериментів на уроках інформатики. Важливими умовами реалізації міжпредметних зв'язків є: виконання певних вимог до встановлення зв'язків між фізико-математичними дисциплінами та процесом вивчення прикладного програмування; реалізація принципів професійної спрямованості змісту фізико-математичних дисциплін; формування міжпредметних знань, умінь та навичок. Вміле поєднання мікроелектроніки та загальних методів вивчення фізики з елементами програмування має високу ефективність: високий рівень засвоєння знань з фізики та усвідомлення їх практичного застосування, а також оволодіння основними прийомами та методами програмування [1 -3]. Згідно з аналізом технічної та іншої літератури [3-6] та власним досвідом використання інформаційно-комунікаційних технологій у навчальному процесі, створення "розумного" кабінету інформатики та впровадження його можливостей у навчання студентів вищих навчальних закладів є актуальною проблемою, яка потребує експериментально-методичних досліджень та подальшого вивчення.

 

Мета дослідження полягає в розробці самостійно створеного "розумної" лабораторії вищого навчального закладу та представленні деяких аспектів компонування мікроелектронних елементів задля створення загального алгоритму управління ресурсами кабінету інформатики. Дослідження базується на припущеннях щодо інтеграції датчиків та показань індикаторів у просторі кабінету інформатики, використанні сучасних методів програмування та дослідження процесу, використання створених програм для роботи "розумної" лабораторії. Отримані результати підтвердили, що самостійна розробка та реалізація проектів з інформатики сприяє розвитку пізнавальної активності студентів та формуванню їх поглядів на технології. Використання навчального простору як інструменту під час лекцій та лабораторних робіт допомагає покращити умови для підвищення рівня знань з інформатики та алгоритмізації, що є важливим для майбутніх програмістів та робототехніків.

У дослідженні були використані різноманітні мікроелектронні елементи, такі як датчики температури, вологості, освітленості та інші. Ці елементи були інтегровані в систему керування, яка дозволяє зібрати та обробляти інформацію про стан кабінету інформатики.

Для створення "розумної" лабораторії були використані сучасні методи програмування, зокрема мова програмування C++ та бібліотеки для роботи з мікроконтролерами. Було розроблено загальний алгоритм управління ресурсами кабінету інформатики, який дозволяє автоматично контролювати рівень освітленості, температуру, вологість та інші параметри приміщення.

Отримані результати підтвердили, що реалізація проектів з інформатики допомагає студентам розвивати пізнавальну активність та формувати їх погляди на технології. Використання навчального простору як інструменту під час лекцій та лабораторних робіт допомагає покращити умови для підвищення рівня знань з інформатики та алгоритмізації. Крім того, це дослідження може бути корисним для майбутніх програмістів та робототехніків, які мають більш глибокі знання в галузі мікроелектроніки та програмування.

 

Виклад основного матеріалу. Розумна лабораторія ІКТ - це спеціально обладнане навчальне середовище з вбудованими сенсорами, яке може працювати в різних режимах, залежно від потреб користувача. Його основна функція полягає в забезпеченні комфортних та безпечних умов для роботи комп'ютерів та інших електронних пристроїв наявних у кабінеті.

У лабораторії встановлені різноманітні датчики, які дозволяють збирати інформацію про навколишнє середовище, такі як температура, рівень вологи, тиск, рівень освітлення, рівень вуглекислого газу та інших газів у повітрі. Ці дані обробляються системою та можуть бути використані для дистанційного керування периферійними пристроями в кабінеті, такими як телевізор, проектор, освітлення, розетки, кондиціонер та штори.

Керування класом можливе за допомогою ПК, смартфона або інфрачервоного пульта дистанційного керування. Лабораторія складається з трьох модулів: інформаційного, виконавчого та демонстраційного, кожен з яких управляється мікроконтролером.

Датчики тиску, температури, вологості та барометр використовуються для підтримки комфортних умов в приміщенні, а датчики струму, напруги, магнітного поля та інші електронні елементи (резистори, котушки, світлодіоди, двигуни, транзистори) служать для створення безпечних умов для роботи електроніки та забезпечення стійкої роботи пристроїв під час можливих перепадів напруги.

Відмінною особливістю створеного "розумного" кабінету інформатики є його оснащення сенсорами, які забезпечують збір інформації про навколишнє середовище та дозволяють дистанційно керувати периферійними пристроями, такими як телевізор, проектор, освітлення, розетки та штори. Кабінет може працювати в різних режимах, залежно від потреб користувачів, включаючи автоматизований, стандартний, автоматичний та енергозберігаючий. Управління класом можливе за допомогою ПК, смартфона або інфрачервоного пульта дистанційного керування.

Загалом, "розумна" лабораторія ІКТ є інтелектуальним середовищем, що дозволяє оптимізувати управління класом, створити комфортні та безпечні умови для роботи техніки та сприяє підвищенню ефективності навчального процесу.

Першим етапом стало планування "смарт" лабораторії, включаючи формулювання її майбутніх можливостей та функцій. Потрібно визначити, які датчики і пристрої потрібні для забезпечення необхідного функціоналу, наприклад, вимірювання температури, вологості, освітленості, управління пристроями, які підключаються до плати Arduino тощо. Також важливо розробити дизайн лабораторії та визначити розміщення пристроїв і засобів в ній.

Другим етапом є придбання плати Arduino та необхідних електронних компонентів для забезпечення функціональності "смарт" лабораторії. Потрібно визначити, які датчики та пристрої необхідні для вимірювання температури, вологості, освітленості, шуму тощо, та придбати їх. Крім того, необхідні компоненти для з'єднання датчиків та пристроїв з платою Arduino. Ми зупинилися на двох контролерах Arduino Uno, Arduino Nano, WiFi модулі ESP8266-12E та датчиках котролю навколишнього середовища.

Третій етап - розробка схеми з'єднання компонентів. Після придбання необхідного обладнання потрібно розробити схему підключення всіх компонентів до плати Arduino та між собою.

У схемі використовуються такі компоненти:

• Arduino Uno та Arduino Nano - контролери для зчитування даних від датчиків та керування виводами;
• WiFi модуль ESP8266-12E - модуль зв'язку для бездротового передавання даних;
• DHT22 Sensor - датчик температури та вологості повітря;
• LDR Sensor - датчик освітленості;
• MQ-135 Sensor - датчик якості повітря;
• Buzzer - активний динамік для створення звукових сигналів;
• 5V Power Supply - джерело живлення для всіх компонентів.

Датчики DHT22, LDR та MQ-135 підключені до вхідних пінів контролерів Arduino Uno та Arduino Nano. За допомогою програмного забезпечення, що працює на контролерах, дані з датчиків зчитуються та обробляються. Виведення результатів можна здійснити через виводи контролерів або за допомогою WiFi модуля ESP8266-12E.

Четвертий етап - написання програмного коду на мові C++, який буде включати в себе функції зчитування даних з датчиків, управління периферійними пристроями та обробку отриманої інформації.

Після написання програмного коду необхідно перевірити роботу системи та налагодити її параметри. Для цього можна використати спеціальні інструменти для тестування, наприклад, симулятори з'єднань Arduino. Після успішного тестування необхідно налаштувати параметри системи, які можуть бути змінені через зміну значень в програмному коді.

Для того, щоб мати можливість віддаленого керування системою та отримання даних про її стан, необхідно підключити "розумний" кабінет інформатики до комп'ютерної мережі. Для цього можна використати Ethernet-модуль або Wi-Fi модуль, що дозволить віддалено керувати системою через веб-інтерфейс або спеціальну програму.

Для зручного керування "розумною" лабораторією ІКТ необхідно розробити користувацький інтерфейс. Це може бути веб-інтерфейс або спеціальна програма, яка буде дозволяти виконувати різні функції та отримувати інформацію про стан системи. Розробку користувацького інтерфейсу слід проводити з урахуванням потреб користувачів, щоб забезпечити зручність та простоту використання. Для реалізації веб-сервера на контролері можна використати бібліотеку ESP8266WebServer для ESP8266 або EthernetWebServer для Arduino Uno/Nano, яка дозволить швидко та просто розробити веб-інтерфейс для керування системою. Додатково можна використати бібліотеку WebSocket для забезпечення більш ефективного обміну даними між контролером та клієнтом. Крім веб-інтерфейсу, можна реалізувати віддалене керування системою через мобільний додаток, використовуючи бібліотеки для з'єднання з контролером за протоколом WiFi. Для розробки додатку можна використовувати такі платформи, як App Inventor, MIT App Inventor або Android Studio.

Для забезпечення подальшої розробки та підтримки "розумного" кабінету інформатики необхідно створити документацію. Документація повинна містити опис функцій та принципів роботи системи, схеми з'єднання, програмний код та його опис, параметри системи та інші необхідні дані.

«Розумна» лабораторія ІКТ дозволяє поєднати різноманітні датчики та пристрої в єдину інформаційну систему. Кабінет оснащений різними датчиками, індикаторами та пристроями, що керуються контролерами Arduino Uno, Arduino Nano та WiFi модулем ESP8266-12E.

Показання вбудованих датчиків та індикаторів використовуються для демонстрацій в класі та лабораторних досліджень. Цей метод має перевагу в наявності демонстраційного модуля, що дозволяє створювати електричні схеми, використовувати різні датчики, передавати дані вимірювань та виводити результати досліджень на великий екран. У "розумній" лабораторії використовується мережева топологія з виконавчими модулями, які керують Arduino Nano та ESP8266-12E через I2C. Цифрові виходи цих модулів керують усіма пристроями та обладнанням в кабінеті. Arduino Nano керує всіма реле та може зчитувати дані з датчиків освітленості, ІЧ-датчиків та датчиків, які знімають показання із зовнішнього модуля. ESP8266-12E керує жалюзі. Дані передаються синхронно на всі модулі "розумної" лабораторії, що дозволяє підключити комп'ютер до будь-якого з модулів через USB і використовувати те саме програмне забезпечення для керування кабінетом. У даному випадку, комп'ютер підключений до інформаційного модуля.

 

Висновки. Узагальнюючи, проект "Розумна" лабораторія ІКТ допомагає студентам комп'ютерної інженерії отримати повне уявлення про фізичні явища та їх можливе використання в робототехніці. Використання цієї технології в навчальних закладах сприяє формуванню професійної компетентності студентів та збільшує їх зацікавленість у вивченні робототехніки та суміжних галузей.

Крім того, залучення студентів до проектування та встановлення інтелектуальної комп'ютерної лабораторії допомагає їм набути практичних навичок, таких як збирання електричних схем, паяння, прокладання проводів та програмування мікроконтролерів. Це розширює кругозір студентів технічних спеціальностей та допомагає їм створювати творчі проекти, що вимагають навичок і знань з фізики та програмування.

Класи інтелектуальних обчислень, використовувані в проекті, є запорукою підготовки висококваліфікованих фахівців з програмування, фізики, комп'ютерної електроніки та робототехніки. Використання датчиків дозволяє студентам збирати дані в реальному часі та брати участь у розробці власної робототехніки.

Проект "Розумна" лабораторія ІКТ може бути реалізований у будь-якому кабінеті інформатики в різних навчальних закладах (середніх школах, коледжах, університетах тощо). Використання цієї технології на лабораторних і лекційних заняттях з інженерних матеріалів сприяє більш ефективному вивченню робототехніки та збільшує зацікавленість студентів до цієї галузі. Залучення студентів до проектування та встановлення інтелектуальної комп'ютерної лабораторії також допомагає їм набути практичних навичок, таких як збирання електричних схем, паяння, прокладання проводів та програмування мікроконтролерів.

Назва конкурсу:  Конкурс передових ідей та технологій «Інтернет речей»
ПІБ Керівника/Куратора:  Уманець Володимир Олександрович
ПІБ конкурсанта:  Розпутня Богдан
Країна:  Україна
Область:  Вінницька область
Назва НЗ:  Вінницький державний педагогічний університет імені Михайла Коцюбинського
Учасник фіналу:  Так
Файл статті (pdf):  Завантажити