Bộ thiết bị học tập lập trình lĩnh vực STEM AIoT theo các chủ đề

"1. Giới thiệu

Bộ thiết bị học tập lập trình lĩnh vực STEM AIoT theo các chủ đề là hệ thống học tập tích hợp giữa lập trình, điện tử, cảm biến, Internet vạn vật, điều khiển tự động và mô hình kỹ thuật.

Bộ thiết bị cho phép học sinh xây dựng các mô hình trường học thông minh, kết hợp bộ điều khiển trung tâm với hệ thống cảm biến, thiết bị hiển thị, thiết bị nhận dạng, camera, động cơ và các cơ cấu chấp hành để thực hiện các bài học về thu thập dữ liệu, giám sát môi trường, cảnh báo, kiểm soát ra vào, điều khiển từ xa và tự động hóa.

Thông qua quá trình lắp ráp – kết nối – lập trình – vận hành – kiểm tra – đánh giá – cải tiến, học sinh tiếp cận nguyên lý hoạt động của hệ thống AIoT, đồng thời phát triển tư duy logic, năng lực giải quyết vấn đề, kỹ năng thực hành và năng lực thiết kế kỹ thuật.

2. Đặc điểm và chức năng chính

• Nền tảng điều khiển IoT: sử dụng bo mạch phát triển tích hợp vi điều khiển ESP32, hỗ trợ Wi-Fi và Bluetooth.
• Thu thập dữ liệu môi trường: hỗ trợ cảm biến ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm, chất lượng không khí, chuyển động và phát hiện vật cản.
• Nhận dạng và kiểm soát: có module nhận dạng thẻ không tiếp xúc phục vụ các bài học kiểm soát ra vào.
• Giám sát hình ảnh: có camera phục vụ các mô hình quan sát và giám sát.
• Hiển thị dữ liệu: có màn hình hiển thị để thể hiện thông số cảm biến và trạng thái hệ thống.
• Cảnh báo: có đèn LED đa màu, LED chiếu sáng và thiết bị phát âm thanh.
• Điều khiển cơ cấu chấp hành: có động cơ DC, servo và động cơ bước phục vụ các mô hình chuyển động.
• Điều khiển tự động: thiết bị đầu ra có thể phản ứng theo dữ liệu cảm biến và các điều kiện được thiết lập trong chương trình.
• Điều khiển và giám sát từ xa: hỗ trợ các bài thực hành kết nối mạng, điều khiển thiết bị và giám sát dữ liệu từ xa.
• Lập trình đa cấp độ: hỗ trợ lập trình đồ họa dạng khối kéo-thả và lập trình mã lệnh.

3. Bo mạch điều khiển trung tâm

Bo mạch điều khiển được phát triển trên nền tảng ESP32, tích hợp Wi-Fi và Bluetooth, phù hợp cho các ứng dụng IoT và hệ thống thông minh.

• Nền tảng vi điều khiển: ESP32.
• Kết nối không dây: Wi-Fi và Bluetooth.
• Giao tiếp hỗ trợ: UART, I2S, I2C, SPI/SDIO.
• Điện áp đầu ra: 3,3V – 5V.
• Dòng điện đầu ra: tối đa 1,2A.
• Công suất đầu ra tối đa: 10W.
• Nhiệt độ hoạt động: -10°C đến 50°C.
• Tiêu chuẩn môi trường: RoHS.

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 LED RGB đa màu: 01.
• Thiết bị phát âm thanh/còi: 01.
• Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm: 01.
• Module LED trắng: 01.
• Module nút nhấn: 01.
• Cảm biến ánh sáng: 01.
• Module RFID: 01.
• Servo góc quay khoảng 180°: 01.
• Cảm biến phát hiện vật cản: 01.
• Cảm biến chất lượng không khí: 01.
• Module màn hình hiển thị: 01.
• Cảm biến chuyển động PIR: 01.
• Động cơ bước: 01.
• Bo điều khiển động cơ bước: 01.
• Động cơ DC: 01.
• Bo điều khiển động cơ DC: 01.
• Module điều khiển servo: 01.
• Camera: 01.
• Khay pin: 01.
• Thẻ nhận dạng: 01.

Nhóm dây kết nối

Bộ thiết bị được trang bị đầy đủ dây kết nối phù hợp với các module và cơ cấu trong hệ thống, bao gồm:

• Dây kết nối 2 chân.
• Dây kết nối 3 chân.
• Dây kết nối 4 chân.
• Dây kết nối nhiều chân.
• Dây kết nối đầu đực – đầu cái.
• Dây kết nối đầu cái – đầu cái.

Các dây kết nối có nhiều chiều dài khác nhau, đáp ứng yêu cầu liên kết giữa bộ điều khiển trung tâm, cảm biến, thiết bị hiển thị và các cơ cấu chấp hành.

Nhóm dụng cụ và vật liệu lắp ráp

• Tua vít Phillips.
• Tua vít đầu dẹt.
• Nhíp.
• Dây đai truyền động.
• Nhãn dán.
• Giấy/bìa tạo chi tiết mô hình.
• Tấm gỗ dùng chế tạo mô hình.
• Tấm acrylic.
• Vật liệu và phụ kiện trang trí.

Nhóm phụ kiện cơ khí

• Vít các loại.
• Đai ốc.
• Trụ liên kết.
• Bánh đai.
• Trục truyền động.
• Phụ kiện giữ và bảo vệ trục.
• Đinh tán nylon các loại.
• Chi tiết truyền động.
• Chi tiết hỗ trợ lắp ráp.
• Bóng rổ mini.
• Các phụ kiện 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.

• Chủ đề: Đèn tiết kiệm năng lượng thông minh.
• Chủ đề: Giám sát chất lượng không khí lớp học.
• Chủ đề: Đo và hiển thị nhiệt độ – độ ẩm.
• Chủ đề: Cảnh báo môi trường lớp học.
• Chủ đề: Hệ thống kéo cờ tự động.
• Chủ đề: Bảng điểm bóng rổ thông minh.
• Chủ đề: Hệ thống kiểm soát ra vào bằng RFID.
• Chủ đề: Hệ thống cảnh báo xâm nhập.
• Chủ đề: Hệ thống giám sát an ninh.
• Chủ đề: Rèm cửa tự động theo cường độ ánh sáng.
• Chủ đề: Điều khiển đèn từ xa qua mạng.
• Chủ đề: Điều khiển rèm cửa từ xa.
• Chủ đề: Giám sát nhiệt độ – độ ẩm từ xa.
• Chủ đề: Điều khiển cổng từ xa.
• Chủ đề: Giám sát cường độ ánh sáng từ xa.
• Chủ đề: Mô hình trường học thông minh tích hợp.

Mỗi chủ đề kèm mục tiêu, yêu cầu cần đạt, sơ đồ kết nối, 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.
• Lập trình mã lệnh: hỗ trợ phát triển các bài thực hành nâng cao liên quan đến cảm biến, điều kiện, vòng lặp, xử lý dữ liệu và IoT."