Bộ thiết bị học tập lĩnh vực STEM Makerspace về các chủ đề môi trường, sức khỏe, nông nghiệp

"1. Giới thiệu

Bộ thiết bị học tập lĩnh vực STEM Makerspace về các chủ đề môi trường, sức khỏe, nông nghiệp là hệ thống học tập tích hợp giữa lập trình, điện tử, cảm biến, Internet vạn vật, năng lượng, cơ khí và mô hình kỹ thuật.

Bộ thiết bị cho phép học sinh xây dựng các mô hình thực hành về môi trường, điều kiện sống và nông nghiệp thông minh; kết hợp bộ điều khiển trung tâm với các cảm biến, thiết bị hiển thị và cơ cấu chấp hành để thực hiện các hoạt động đo lường, thu thập dữ liệu, cảnh báo, điều khiển tự động và kết nối không dây.

Thông qua quá trình thiết kế – lắp ráp – kết nối – lập trình – thu thập dữ liệu – vận hành – thử nghiệm – đánh giá – cải tiến, học sinh phát triển tư duy logic, kỹ năng thực hành, năng lực giải quyết vấn đề, khả năng sáng tạo và năng lực thiết kế kỹ thuật.

2. Đặc điểm và chức năng chính

• Nền tảng điều khiển IoT: sử dụng bo mạch điều khiển tích hợp kết nối Wi-Fi và Bluetooth, phù hợp cho các ứng dụng cảm biến, điều khiển và IoT.
• Giám sát môi trường: hỗ trợ đo nhiệt độ, độ ẩm không khí và cường độ ánh sáng.
• Giám sát đất và nguồn nước: có cảm biến độ ẩm đất, cảm biến mực nước và cảm biến nhận biết nước/độ ẩm trên bề mặt.
• Phát hiện chuyển động: có cảm biến chuyển động phục vụ các bài thực hành giám sát và cảnh báo.
• Đo khoảng cách: có cảm biến khoảng cách phục vụ phát hiện vật thể và các hoạt động điều khiển tự động.
• Điều khiển tưới: có bơm nước và module điều khiển công suất để xây dựng hệ thống tưới tự động.
• Điều khiển thông gió: có động cơ và cánh quạt phục vụ các mô hình thông gió, làm mát.
• Điều khiển chiếu sáng: có đèn LED kết hợp cảm biến ánh sáng.
• Điều khiển cơ cấu: có động cơ servo phục vụ các cơ cấu đóng/mở và chuyển động.
• Hiển thị dữ liệu: có màn hình hiển thị dữ liệu cảm biến và trạng thái hệ thống.
• Cảnh báo: có thiết bị phát âm thanh phục vụ các tín hiệu cảnh báo.
• Năng lượng tái tạo: có tấm pin năng lượng mặt trời phục vụ các hoạt động tìm hiểu và ứng dụng năng lượng sạch.
• Điều khiển tự động và không dây: cho phép thiết lập các điều kiện điều khiển dựa trên dữ liệu cảm biến và triển khai các hoạt động IoT.

3. Bo mạch điều khiển trung tâm và thông số kỹ thuật

Bo mạch điều khiển trung tâm sử dụng nền tảng vi điều khiển 32-bit, tích hợp kết nối không dây, phù hợp cho các hoạt động cảm biến, điều khiển tự động và Internet vạn vật.

• Nền tảng vi điều khiển: ESP32 hoặc tương đương.
• Kết nối không dây: Wi-Fi và Bluetooth.
• Điện áp làm việc của hệ thống: 5V.
• Nguồn pin: khoảng 9V.
• Dòng điện đầu ra tối đa: ≤ 1,5A.
• Công suất tiêu thụ tối đa: ≤ 10W.
• Wi-Fi: băng tần 2,4 GHz.
• Bluetooth: hỗ trợ kết nối Bluetooth.
• Kích thước mô hình hoàn thiện: khoảng 255 × 185 × 130 mm.
• Nhiệt độ hoạt động: khoảng -10°C đến +65°C.

4. Danh mục thành phần bộ thiết bị

Nhóm điều khiển, cảm biến và thiết bị điện tử

• Bộ điều khiển lập trình trung tâm: 01.
• Module nút nhấn: 01.
• Phụ kiện nút nhấn: 01.
• Thiết bị phát âm thanh/còi: 01.
• Động cơ DC: 01.
• Cánh quạt: 01.
• Cảm biến nhận biết nước/độ ẩm trên bề mặt: 01.
• Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm: 01.
• Cảm biến chuyển động: 01.
• Module relay: 01.
• Cảm biến độ ẩm đất: 01.
• Cảm biến mực nước: 01.
• Cảm biến khoảng cách siêu âm: 01.
• Module LED trắng: 01.
• Cảm biến ánh sáng: 01.
• Servo góc quay khoảng 180°: 01.
• Màn hình hiển thị giao tiếp I2C: 01.
• Khay pin: 01.
• Bơm nước DC: 01.
• Cáp kết nối USB: 01.
• Tấm pin năng lượng mặt trời: 01.

Nhóm dây kết nối

Bộ thiết bị được trang bị đầy đủ dây kết nối phù hợp với các cảm biến, module và cơ cấu chấp hành, bao gồm:

• Dây kết nối 3 chân.
• Dây kết nối 4 chân.
• Dây kết nối nhiều chân.
• Dây kết nối đầu đực – đầu đực.
• Dây kết nối đầu cái – đầu cái.
• Dây kết nối dạng liền và dạng tách rời.

Các dây kết nối có nhiều chiều dài khác nhau, đáp ứng yêu cầu liên kết giữa bộ điều khiển trung tâm, cảm biến, màn hình, module điều khiển, động cơ và các thiết bị đầu ra.

Nhóm dụng cụ và vật liệu lắp ráp

• Các tấm gỗ dùng chế tạo mô hình.
• Tấm gỗ có họa tiết.
• Tấm acrylic.
• Tua vít Phillips.
• Tua vít đầu dẹt.
• Dụng cụ hỗ trợ tháo/lắp.
• Hộp chứa.
• Ống dẫn nước.
• Nhãn dán.
• Các vật liệu phục vụ lắp ráp và hoàn thiện mô hình.

Nhóm phụ kiện cơ khí

• Vít tự ren các loại.
• Vít liên kết nhiều kích thước.
• Đai ốc.
• Đai ốc khóa.
• Trụ liên kết.
• Phụ kiện cố định.
• Các chi tiết cơ khí khác cần thiết để hoàn thiện mô hình.

5. Chương trình và học liệu theo CTGDPT 2018

Bộ thiết bị được xây dựng kèm chương trình, học liệu và các chủ đề thực hành theo định hướng CTGDPT 2018 cấp THCS, triển khai theo quy trình thiết kế kỹ thuật EDP – Engineering Design Process: xác định vấn đề, đề xuất giải pháp, thiết kế, lắp ráp, lập trình, thử nghiệm, đánh giá và cải tiến sản phẩm.

Nhóm chủ đề 1. Môi trường

• Chủ đề 1: Trạm đo nhiệt độ và độ ẩm môi trường.
• Chủ đề 2: Hệ thống đo cường độ ánh sáng và chiếu sáng tự động.
• Chủ đề 3: Hệ thống giám sát mực nước và cảnh báo.
• Chủ đề 4: Thiết bị phát hiện nước/độ ẩm trên bề mặt.

Nhóm chủ đề 2. Sức khỏe và môi trường sống

• Chủ đề 5: Hệ thống thông gió tự động cho không gian sống.
• Chủ đề 6: Hệ thống phát hiện chuyển động và cảnh báo khu vực.
• Chủ đề 7: Hệ thống phát hiện vật thể và điều khiển cơ cấu tự động.
• Chủ đề 8: Tìm hiểu và ứng dụng năng lượng mặt trời trong mô hình STEM.

Nhóm chủ đề 3. Nông nghiệp

• Chủ đề 9: Thiết bị đo độ ẩm đất.
• Chủ đề 10: Hệ thống tưới cây tự động theo độ ẩm đất.
• Chủ đề 11: Hệ thống quản lý nguồn nước tưới.
• Chủ đề 12: Mô hình nông trại thông minh tích hợp IoT.

Mỗi chủ đề kèm mục tiêu, yêu cầu cần đạt, kiến thức nền, sơ đồ kết nối, hướng dẫn lắp ráp, chương trình mẫu, phiếu học tập và tiêu chí đánh giá sản phẩm.

6. Phần mềm lập trình

Bộ thiết bị hỗ trợ hai hình thức lập trình:

• Lập trình đồ họa dạng khối kéo-thả: phù hợp với học sinh mới tiếp cận lập trình, hỗ trợ trực quan hóa thuật toán và quá trình điều khiển thiết bị.
• Lập trình mã lệnh: hỗ trợ các bài thực hành nâng cao liên quan đến biến, điều kiện, vòng lặp, cảm biến, xử lý dữ liệu, cơ cấu chấp hành và Internet vạn vật.