בשנים האחרונות, שילוב של האינטרנט של הדברים (IoT) טכנולוגיה לחינוך פתח שדרה חדשה ללמידה אינטראקטיבית ומעשית.פיתוח פתרונות IoT זולים, קוד פתוח מאפשר מחנכים וסטודנטים לחקור טכנולוגיות ידיים ללא מכשולים פיננסיים משמעותיים.פתרונות אלה מאפשרים לבתי ספר, אוניברסיטאות, וסביבות למידה בלתי פורמליות ללמד מושגים באלקטרוניקה, תכנות, נתונים וניתוח באמצעות חומרה אמיתית ותוכנה פתוחה, קידום קוד פתוח, פיתוח מחדש של מערכות לימוד וקידום פתוח, תוכניות לימוד מתקדמות.

מקור פתוח-Source IoT בחינוך המודרני

פלטפורמות קוד פתוח מספקות שקיפות, התאמה אישית ותמיכה קהילתית.הם מאפשרים לתלמידים לבחון את רכיבי החומרה והתוכנה, לטפח הבנה עמוקה יותר של מערכות משובצות ותקשורת ברשת.בניגוד לפתרונות קנייניים אשר לעתים קרובות לנעול משתמשים לתוך מערכת אקולוגית מסוימת, חומרה קוד פתוח כגון Arduino ו ESP32, ותוכנות קוד פתוח כמו MicroPython ו- Node-RED, לתת את היכולת לכל שכבה של מכשיר מחובר, מעודד מיומנויות שקיפות חיוניות.

יתר על כן, האופי המשותף של קהילות קוד פתוח אומר כי מחנכים וסטודנטים יכולים לגשת לרצף עצום של הדרכות, פורומים, ודוגמאות לפרויקטים.רשת תמיכה זו מפחיתה את עקומת הלמידה למעלה ומסייעת לבתי הספר להתגבר על ההמולה המשותפת של צוות חסר מומחה.מחנכים רבים השתמשו בהצלחה ערכות קוד פתוח כדי ללמד מושגים בפיזיקה, מדעי הסביבה, מדעי המחשב, להפגין טכנולוגיה סביר יכול להניע דיסציפלינות רבות.

עיצוב מכשירים אלקטרוניים נמוכים-Cost Embedded IoT

יצירת מכשירים IoT יעילים בעלויות כרוכה בבחירת מיקרו-בקרים סבירים, חיישנים ומודולים תקשורתיים. אפשרויות פופולריות כוללות את Arduino, ESP8266, ו- Raspberry Pi Zero. מכשירים אלה נתמכים על ידי קהילות קוד פתוח נרחבות ומגיעים עם הרבה הדרכות ומשאבים.עם זאת, בניית מערכת חינוך מלאה של IoT דורשת תשומת לב זהירה לשילוב של רכיבים, ניהול חשמל, ועלויות הכוללות.

בחירת מיקרובקר

(ה) מיקרובקר (MCU) הוא המוח של כל מכשיר IoT.למטרות חינוכיות, קריטריונים לבחירתו כוללים עלות, קלות תכנות, זמינות של I/O pins, בנתה-in קישוריות ותמיכה קהילתית.ה-FLT:0Arduino UnoFLT נמוך יותר מ- 1032 $, אך לעתים קרובות יותר טיפול רפואי יעיל בשל סביבת התכנות הפשוטה שלה ומערכת אקולוגית גדולה של מדריכים ו-F2:

חיישנים ו Actuators

בחירת החיישנים תלויה במטרות הלמידה.חיישנים נפוצים עבור IoT חינוכי כוללים:

  • (FLT:0 חיישנים של טמפרל והלחות) 1 (למשל, DHT11, DHT22, BME280) - המשמש לתחנות מזג אוויר ול ניטור סביבתי.
  • (ב) ⁇ 0 (הראשונה) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ,0 חיישנים אור (LDR, BH1750) - עבור תאורה אוטומטית או מעקב סולארי.
  • (בשורה הראשונה) ,0) חיישנים של מגס (MQ) - עבור פרויקטים איכותיים.
  • (ב) חיישנים מרחק אטומי (Ultrasonic Distanceחיישנים) 1 (HC-SR04) - לאיתור מכשולים ורובוטיקה.

מפעילים כגון ממסרים, מנועים קטנים של DC, ומנועים של סרבו מאפשרים לתלמידים ליצור מערכות בקרה סגורות-לופ.בחירת חיישנים שניתן לרכוש ברובם עבור פחות משני דולרים, כל אחד עוזר לשמור על העלות החד-משמעית נמוכה תוך מתן מגוון רחב של ניסויים.

אפשרויות קישוריות

חיבור מכשיר לאינטרנט הוא חלק מרכזי של IoT. Wi-Fi הוא הבחירה הפשוטה ביותר עבור הגדרות בכיתה בשל מחסניות קיימות.מודולים כמו ESP8266 ו ESP32 נבנות ב-Wi-Fi, ביטול הצורך במגן חיצוני.עבור יישומים לטווח ארוך או בחוץ, FLT:0RaRaRaRaFalph 1 (טווח ארוך) כגון ה-SX1278 לספק תקשורת אלחוטית אחרת, כלומר, טווח תקשורת אלחוטית (טווח) לגנים קצרים, אם היא בעלת טווח נמוך יותר, או קיבולת תקשורת בין אם היא מורכבת מטווח נמוך יותר, או נמוכה יותר, אם היא בעלת טווח (טווח) של תקשורת בין אם היא בעלת טווח תקשורת בין אם היא בעלת טווח תקשורת בין אם היא מורכבת מ-כחול-גבולית (טווח) ל-גבולית (טווח נמוך יותר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, ל-כחול-טווח נמוך יותר, אם היא בעלת טווח) של תקשורת בין היתר, עם טווח) של תקשורת בין טווח מוקדם יותר, עם טווח נמוך יותר, עם מורכבות תקשורת בין היתר, ל-טווח נמוך יותר, ל-כחול-טווח נמוך של תקשורת בין אם היא מורכבת של תקשורת בין אם היא בעלת טווח נמוך של תקשורת בין אם היא בעלת טווח נמוך יותר, שימוש ב-טווח נמוך

כוח אספקה וניהול

מכשירים חינוכיים IoT לעתים קרובות צריך לרוץ על כוח סוללה להיות ניידת וכדי לדמות פריסות בעולם האמיתי. אפשרויות בעלות נמוכה כוללות שימוש בשניים או שלושה סוללות AA עם ממיר, או סוללה 3.7V Li-ion עם מודול טעינה TP4056. מיקרובקרים רבים, במיוחד ESP32 ו ESP8266, יש מצבי שינה עמוקים כי לצייר רק microamps, המאפשרים למעבדה שבועות אופטימיזציה של מערכת עיבוד יעיל של מחשבי שינה.

אסטרטגיות אופטימיזציה

כדי לשמור על העלות הכוללת של המכשיר מתחת לעשרה דולרים, יש לשקול אסטרטגיות אלה:

  • השתמש ב- PCB חשוף במקום לוחות פיתוח (למשל, ESP32-DevKitC עולה כ-6 דולרים, בעוד מודול ESP32 חשוף עולה תחת 4 דולרים, והוא יכול להיות נמכר לדירקטוריון מותאם אישית).
  • קניית רכיבים ברובם ממפיצים כמו LCSC או Aliexpress.
  • עיצוב לוח מעגלים מודפס יחיד (PCB) המשלב את המיקרובקר, ראשי חיישן, ותקנה כוח. שירותי ייצור PCB כמו JLCPCB ו- PCBWay מציעים מחירים נמוכים לכלי ראש עבור נבנים קטנים.
  • מטרות רכיבים משותפים כגון כבל USB עבור חשמל ונתונים, לוח קרטון או 3D מודפסת המתחם כדי להפחית את עלויות הדיור.

Software Stack for Education IoT

ערימה התוכנה לפרויקט IoT חינוכי כוללת בדרך כלל קושחה הפועלת על המיקרובקר, פרוטוקול תקשורת לשדר נתונים, וענן או שרת מקומי לאחסון ודמיון המידע. Open-source מסגרות כמו Arduino IDE, MicroPython, ו- Node-RED להקל תכנות מכשירים ודמיון. כלים אלה תומכים בפיתוח מהיר והתאמה אישית, המאפשרים לתלמידים להתנסות עם שיטות עיבוד שונות.

סביבת פיתוח

(ב) [ה]:0Arduino IDEFLT] הוא לעתים קרובות הבחירה הראשונה למתחילים בשל הפשטות והמערכת האקולוגית של הספרייה הגדולה שלו, הוא תומך במגוון רחב של לוחות, כולל ESP32 ו- ESP8266 באמצעות התקנת מנהל לוח.עבור הלומדים מוכנים לעבור מעבר C++, FLT:2MicroofthonFLT 3 מספק סביבה מבוססת פייתיתיתיתיתיתיתיתיתיתיתיתיתית אשר פועלת על ידי מעבדים מתקדמים (סימול-Facter) ו-D) כמו CLT:

פרוטוקול תקשורת

(ב) כאשר המכשיר קורא נתוני חיישן, יש לשלוח את הנתונים האלה במקום כלשהו:0 (MQTTIRFLT) 1 (Mesage Queuing Telemetry Transport) הוא פרוטוקול של בחירה עבור קל משקל, פרסום הודעות רשת ציבורית חינם (כגון תיבת חול של HiveMQ או Mosquitto) ניתן להשתמש בכיתות, או תלמידים יכולים להגדיר את התווך שלהם על ידי SP2F:

ויזואליזציה וענן Platforms

(ב) ויזואליזציה פשוטה, (FLT:0) Node-REDigFLT) 1 רץ על Raspberry Pi ומאפשר לתלמידים לבנות לוחות נתונים באמצעות ריצוף-and-drop nodes.It יכול לקבל נתונים מ-MQTT וגרפים תצוגה, מדפס וטקסט. עבור פרויקטים מבוססי ענן, טיים חופשיים של פלטפורמות כמו FLT:2ThingFLT3s (עבדים על ידי שרת אינטרנט פתוח) או קוד פתוח (מעודכן)

בקרת גרסאות ותיעוד

היבט של פיתוח קוד פתוח הוא תיעוד תקין ושליטה בגירסה. עודד תלמידים להשתמש ב- FLT:0GitigtureFLT 1 ו-FLT:2GitHubph3 כדי לנהל את הקוד שלהם, סכימטיות, ותיעוד.

פרויקטים חינוכיים מעשיים

יישום מכשירים זולים IoT בכיתות משפר את ההבנה של מערכות משובצות, סטודנטים יכולים לפקח על תנאים סביבתיים, ניסויים שותפים אוטומטית, או לפתח מערכות חכמות. גישה זו על הידיים משפרת את ההבנה של מערכות משובצות, רשתות וניתוח נתונים, הכנת תלמידים לקריירה בטכנולוגיה והנדסה. להלן הם שלושה רעיונות פרויקט שניתן ליישם עם עלות כוללת מתחת ל-15 דולר.

תחנת מזג אוויר

באמצעות חיישן טמפרטורה וטמפרטורת DHT22 ולחות, ו חיישן לחץ BMP280 ברומטרי, התלמידים יכולים לבנות תחנת מזג אוויר ששולחת נתונים כל דקה לערוץ מדבר.הם יכולים לאחר מכן לנתח מגמות במשך ימים ושבוע, ללמוד על נתונים של זמן וסטטיסטיקות בסיסיות. Extending את הפרויקט עם חיישן מהירות רוח (מטר) או עלייה של גשם עלות ועלות, אבל עדיין ניתן לשלב את הקוד הפתוח של 30.

מערכת טיהור צמחים חכמה

חיישן לחות אדמה (כגון ה-Facitive v1.2) המחובר ל- ESP8266 יכול לקרוא רמות לחות ולגרום משאבת מים קטנה באמצעות ממסר כאשר הקרקע יבשה.סטודנטים יכולים להוסיף מ"קTT" כדי להציג לחות הקרקע לאורך זמן ובאופן ידני על המשאבה.פרויקט זה מלמד כיבוד חיישן, בקרת כישרונות סגורה וניהול כוח.העלות הכוללת ליחידה אחת (לא כולל כוח ומשאבה) מתחת לעשר דולרים.

עקבו אחרי LoRa

עבור בתי ספר עם קמפוסים גדולים יותר, מערכת מעקב אחר נכסים מבוססת LoRa ניתן לבנות באמצעות ESP32 עם מודול LoRa (SX1278) ו מקלט GPS (NEO-6M) את המכשירים יכולים לדווח על המיקום שלהם למקלט מרכזי המעביר נתונים למודול Nde-RED. פרויקט זה מציג קואורדינטות GPS, מושגים של טריאנגלוציה ותקשורת אלחוטית ארוכת טווח.

אתגרים נכנסים ב- Low-Cost IoT Deployments

בעוד היתרונות של קוד פתוח, IoT בעלות נמוכה בחינוך הם ברורים, כמה אתגרים מעשיים יש לטפל כדי להבטיח הצלחה ארוכת טווח.

אחריות ויציבות

רכיבים זולים, במיוחד חיישנים ולוחמי לחם, יכולים להיות שבריריים ופרועניים לכישלון.בהגדרה בכיתה, מכשירים עשויים להיות מטופלים בערך או חשופים לפיצול אלקטרוסטטי.כדי להפחית את זה, לשקול חיבורים ממכרים על אבטיפוס PCB במקום להשתמש בלוחות לחם ברגע עיצוב מוכח גם, ללמד את התלמידים מיומנויות בסיסיות של ייצור וחשיבות של הקלה עבור כבלים.

קישוריות רשת וביטחון

רשתות Wi-Fi לעתים קרובות יש מגבלות שיכולות לעכב פרויקטים של IoT.מנהלי IT עשויים לחסום נמלים מסוימים (כמו 1883 עבור MQTT) או לדרוש אימות מורכב.זה מומלץ לעבוד עם מחלקת IT של בית הספר בשלב התכנון.עבור אבטחה, אפילו מכשירים חינוכיים צריכים לעקוב אחר שיטות בסיסיות: שימוש בפרוטוקולים מאובטחים (WPA2-Enterprise עבור Wi-Fi, TLS for MQ), שינוי ברירת מחדל, סיסמאות וקבצים אלה נמנעים מקבצי אבטחה או מקבצי אבטחה (הוראות)

סקלאלה ותחזוקה

בעוד פרויקט בכיתה יחיד עשוי לפעול בצורה חלקה עם קומץ מכשירים, קנה מידה למכשירים רבים על פני כיתות מרובות מציג אתגרים בעדכונים קושחה, ניהול נתונים, ועיקול מכשירים.שימוש בעדכונים אוויריים (טא) זמינים ב ESP32 ו- ESP8266, מאפשר לתלמידים לדחוף קוד חדש ללא חיבור פיזי של כבלים ניידים.

משאבים חיצוניים ותמיכה קהילתית

קהילת הקוד הפתוח מציעה שפע של משאבים עבור מחנכים המבקשים ליישם פתרונות IoT זולים.קישורים החיצוניים הבאים מספקים נקודות התחלה עבור רכש חומרה, הדרכות תוכנה, ורעיונות תכנית לימודים:

  • (ב) ,0) ,Arduino EducationFLT:1 - Kits and Lesson plan for School.
  • (ב) ,0) ,Raspberry Picio FoundationFLT:1 - מחשוב זול ומשאבים IoT עבור מחנכים.
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ,0)GitHubveFLT:1 - חיפוש אחר "IoT חינוכי" למציאת פרויקטים בקוד פתוח ותוכניות שיעור.

מסקנה

פיתוח פתרונות IoT זולים, קוד פתוח מפיץ גישה לחינוך טכנולוגי מתקדם.על ידי ניצול חומרה ותוכנה, מחנכים יכולים ליצור חוויות למידה מרתקות ומעשיות מעוררות השראה לחדשנות ומיומנויות טכניות בקרב התלמידים.העלות הנמוכה, בשילוב עם השקיפות והגמישות של כלי קוד פתוח, מאפשר לבתי ספר ללמד מושגים מודרניים ללא צורך בתקציבים גדולים או ברישיון קנייני.