РОЗРОБКА НАВЧАЛЬНОГО ПРОЕКТУ «ІНТЕРНЕТ РЕЧЕЙ» ДЛЯ ШКОЛЯРІВ 12-16 РОКІВ - Наукові конференції

Вас вітає Інтернет конференція!

Вітаємо на нашому сайті

Рік заснування видання - 2011

РОЗРОБКА НАВЧАЛЬНОГО ПРОЕКТУ «ІНТЕРНЕТ РЕЧЕЙ» ДЛЯ ШКОЛЯРІВ 12-16 РОКІВ

11.09.2021 11:21

[1. Інформаційні системи і технології]

Автор: Гасько Р.Т., старший викладач, кафедра систем штучного інтелекту, Національний університет «Львівська політехніка», м. Львів; Кобзєва О.В., д.ф. діл. адмін., професор, директор, Львівська Академія СТАРТ_ІТ, м. Львів; Матюхін В.О., к.т.н., д.н.е., професор, виконавчий директор, Львівська Академія СТАРТ_ІТ, м. Львів; Петяк Ю.Ф., к.т.н., доцент, кафедра комп'ютерних наук та інформаційних технологій, Українська Академія друкарства, м. Львів


Вступ. Актуальність роботи. Інтернет речей (ІоТ) – це система, що об’єднує реальні речі у віртуальну мережу та дозволяє віддалено керувати з власного телефону або планшету великою кількістю різних гаджетів у побуті, на виробництві, в містах та населених пунктах.

Сьогодні інтернет речей – це один з актуальних  напрямків в IT, який набирає обертів. Станом на 2020-й рік до інтернету у всьому світі під'єднано понад 30 мільярдів різноманітних гаджетів [1]. Щосекунди підключається близько 127 керованих через інтернет пристроїв [2]. За прогнозами компанії International Data Corpotation, до кінця цього року на смарт-пристрої буде витрачено до 135 мільярдів доларів, а до 2025-го року світовий ринок інтернету речей сягне понад 10 трильйонів доларів [3].

Метою роботи є розробка навчального проекту «Інтернет речей»: створення прототипу робочого макету «Розумного будинку» з підключенням до ІоТ Cloud, швидкої розробки прототипів мобільних додатків у Blynk та Телеграм-бота для керування його компонентами зі смартфона на основі мобільних Android-застосунків на мові програмування Java.

Виклад суті дослідження. За навчальною програмою «Інтернет речей» проведена розробка робочого макету «Розумного будинку». Такі будинки мають ряд переваг, зокрема посилена економія ресурсів, безпека та комфорт. Як стверджує Американська Рада з енергоощадження, система розумного будинку може дозволити знизити витрати на утримання інфраструктури будівлі від 30 до 50% [4].

Розумний будинок – це дім, де з власного смартфону можна керувати практично всіма його компонентами, від жалюзі та брами до системи кондиціонування, освітлення, сигналізації та опалення. Відбулось практичне втілення концепції інтернету речей у робочому макеті будинку, коли його різними приладами та системами можна керували зі смартфону чи за допомогою Telegram-бота. На основі Інтернету речей та штучного інтелекту в ІоТ була опанована взаємодія окремих «речей» через хмару (Cloud) з побудовою мобільних додатків для керування 6-ма гаджетами макету «Розумного будинку».

В кожному було використано окремі комплекти запрограмованих власноручно мікроконтролерів ESP32 з сенсорами/актуаторами та мобільні застосунки на власних смартфонах для віддаленого керування через Інтернет (рис.1, 2).




Рис 1. Локальний ІоТ на ESP32 з світлодіодами, WiFi точкою доступу та веб сервером.

В результаті розробки:

⮚ підібрали та запрограмували периферійні пристрої ;

⮚ використали та запрограмували сучасні мікроконтролери ESP32;

⮚ запрограмували власні точки доступу для WiFi (Access Point);

⮚ створили прості веб-сервери для локального керування з Web UI;

⮚ використали серверну інфраструктуру Cloud (backend);

⮚ розробили архітектуру мобільних додатків для реалізації функціоналу Telegram-ботів та мобільний інтерфейс керування “Розумним будинком”;

⮚ реалізували взаємодію з сервісами Telegram та Blynk, та за допомогою REST-технології налаштували обмін даними на основі формату JSON;

⮚ налаштовували різні під’єднання до Інтернету та побачили їх відмінності;

⮚ продемонстрували роботу компонент «Розумного будинку» в комплексі ІоТ.

Макет «Розумного будинку» вмикає охорону сигналізацію, систему відкриття воріт та дверей, керує системою освітлення, жалюзі, опалення та кондиціонування.

 

Рис. 2 Принцип побудови ІоТ з керуванням через веб інтерфейс з кодом/функціоналом локалізованим на ESP32.

Для створення прототипів мобільних додатків та відлагодження інтерфейсу користувача (UI) використовувалась платформа Blynk IoT, яка спеціально розроблена для Інтернету Речей та дозволяє дистанційно керувати обладнанням, відображати дані датчиків, зберігати дані, візуалізувати їх і використовує спеціалізовану візуальну мову з можливостями Drag-n-Drop.

Була проведена розробка мобільних додатків для операційної системи Android на основі мови програмування Java. Відбувався процес створення додатку – від етапу ідеї до етапу тестування; розгорнули середовище розробки Android Studio. Теми проектів були сформовані для створення системи «Розумний будинок».

У проекті використовувались сучасні технології, які дозволили розробити функціональні та зручні мобільні додатки та Telegram-боти. Це, насамперед, API – можливість викликати функції інших систем у своїх програмних системах. Для передачі цих викликів використовувався прикладний протокол HTTP, який застосовується для роботи з веб-сайтами. Дані між нашими додатками, ботами і серверами Telegram та Blynk передавались за допомогою популярного формату обміну даними JSON.

  

Рис. 3 Робочий макет «Розумного будинку».

У середовищі розробки Android Studio були створені шість мобільних додатків на Java, кожен з яких складається з наступних модулів: Telegram-бот; мобільний додаток з графічним інтерфейсом; хмарний сервіс керування ESP-модулем Blynk; макет пристрою з встановленим ESP-модулем.

Мобільні додатки забезпечили керування 6-ма компонентами «Розумного будинку» (рис.3), серед них:

1. Система сигналізації. До функцій проекту входить автоматичне вмикання сигналізації при спрацюванні датчику руху з надсиланням повідомлень у чат-бот в Telegram.

2. Автоматичне відмикання дверей. До функцій проекту входить відмикання дверей за допомогою RFID-мітки та моніторингу за допомогою мобільного додатку.

3. Управління системою опалення. Використовується для вмикання системи опалення для створення комфортного середовища. Керування відбувається за допомогою мобільного додатку.

4. Автоматичне відкривання/закривання жалюзі. Проект призначений для керування жалюзі у ручному режимі чи автоматичному за допомогою визначення часу сходу/заходу сонця.

5. Відкривання/закривання воріт. До функції  проекту є керування воротами за допомогою безпровідного пульту. Управління та моніторинг реалізовано за допомогою додатку.

6. Керування освітленням. До функцій проекту відноситься можливість керування освітленням в приміщеннях будинку за допомогою мобільного додатку.

Крім того, застосовувались елементи штучного інтелекту для навчання чат-ботів виконувати вказівки для керування пристроями «Розумного будинку».

Було створено Telegram-бот – програмний модуль, який за командою користувача керував пристроями будинку (рис. 4).

        

Рис. 4 Управління компонентами «Розумного будинку» через смартфон за допомогою Telegram-бота.

Наприклад, закривав жалюзі, відчиняв двері, вмикав сигналізацію та керував системами опалення та освітлення. Також, за допомогою нього, можна в реальному часі отримувати повідомлення від систем «Розумного будинку»

В навчальному процесі застосовано інноваційний підхід Tripled Learning, вперше запропонований у [5] та [6], що поєднує традиційний виклад теоретичного матеріалу, адаптованого для школярів, з практичною роботою згідно методичних вказівок та додає третю, творчу компоненту – створення власних проектів у формі командної роботи з їх публічним захистом.

Висновки.

1. Результати розробки проекту «Інтернет речей» вперше у Львові та в Україні були впроваджені у навчальний процес Академії СТАРТ_ІТ [7] для школярів за програмою «Спеціалізована комп’ютерна підготовка». 

2. Дві групи слухачів успішно захистили випускні проекти за курсом ІоТ перед професіоналами ІТ-галузі та отримали навички, які допоможуть їм у майбутньому стати успішними та затребуваними фахівцями на ринку праці.

3. Набутий досвід створення інноваційного навчального комплексу для вивчення основ Інтернету Речей, включно з розробкою робочих лабораторних макетів для одночасної роботи багатьох команд та супроводом змішаним методом mixed learning, із залученням частини учасників онлайн в режимі відеоконференції, дозволяє поширити даний підхід на інші навчальні курси, а також ділитися ним через систему підвищення кваліфікації вчителів та викладачів.

Список використаних джерел:

1. 10 трендов Интернета вещей (IoT) в 2020 году. URL: https://cryptonews.net/ru/editorial/tekhnologii/10-trendov-interneta-veshchey-iot-v-2020-godu/  (дата звернення 4.09.2021).

2. 2020-й станет переломным для Интернета вещей. URL: https://www.itweek.ru/iot/article/detail.php?ID=210539 (дата звернення 4.09.2021).

3. Интернет вещей, IoT, M2M мировой рынок. URL: https://www.tadviser.ru/index.php/Статья:Интернет_вещей,_IoT,_M2M (дата звернення 4.09.2021)

4. Розумний будинок: очікування та реальність. URL: https://iotji.io/rozumnyi-budynok-ochikuvannya-ta-realnist/ (дата звернення 4.09.2021).

5. Tripled learning: conception and first steps. R Hasko, N Shakhovska 14th International Conference on ICT in Education, Research and Industrial Applications, Integration, Harmonization and Knowledge Transfer. 2018/5, 481-484pp. URL: https://scholar.google.com.ua/scholar?oi=bibs&cluster=10604365562003989902&btnI=1&hl=uk (дата звернення 4.09.2021).

6. A Mixed Fog/Edge/AIoT/Robotics Education Approach based on Tripled Learning. Roman Hasko, Nataliya Shakhovska, 2020, COAPSN, 227-236 pp. URL: http://ceur-ws.org/Vol-2616/paper19.pdf  (дата звернення 4.09.2021).

7. NEW! Вперше у Львові школярі розробили проект «Інтернет речей». URL: https://startit.ua/vpershe-u-lvovi-shkolyari-rozrobyly-proekt-internet-rechej (дата звернення 4.09.2021)



Creative Commons Attribution Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License
допомога Знайшли помилку? Виділіть помилковий текст мишкою і натисніть Ctrl + Enter
Конференції

Конференції 2022

Конференції 2021



Міжнародна інтернет-конференція з економіки, інформаційних систем і технологій, психології та педагогіки

Наукова спільнота - інтернет конференції

:: LEX-LINE :: Юридична лінія

Інформаційне суспільство: технологічні, економічні та технічні аспекти становлення