IoT laboratoř není omezena na specifický HW. Studenti mohou pro vlastní řešení použít jakýkoliv HW, omezením je jen finanční náročnost - HW pro prototyp řešení by neměl přesahovat 3 000 Kč.

Pro vzdělávací část IoT laboratoře jsme museli vybrat jeden hardware, na kterém jsme postavili materiály. Vzhledem k široké dostupnosti, jednoduchosti a snadné rozšiřitelnosti jsme vybrali platformu kompatibilní se systémem Arduino - konkrétně mikrokontroler WEMOS D1 MINI LITE, který je levný a splňuje účely základního pochopení jak IoT funguje. Díky spolupráci s ARDUINO-SHOP.CZ lze nyní všechny součástky nakoupit na jednom místě a IoT laboratoř dostala slevu, takže nám to umožní podpořit více týmů. Jedna sada součástek se vejde do 900 Kč.

Konkrétně v materiálech využíváme tyto součástky

IoT laboratoř je roční vzdělávací zážitek pro středoškoláky.

Studenti jsou šikovní a dokážou úžasné věci, pokud je práce baví. Proto jsme nadesignovali program IoT laboratoře (IoT = Internet of Things = internet věcí) jako vzdělávací i praktický zároveň a dali studentům příležitost makat na svém vlastním projektu, který je bude bavit.

IoT laboratoř je o možnostech, kreativitě a schopnosti realizovat své nápady.

IoT laboratoř není jen o internetu věcí a technice, ale stejnou měrou i o schopnostech potřebných k dotažení projektu do úspěšného konce. Proto je část věnována i sestavení týmu, nastavení komunikace, marketingu řešení, prezentacím nebo designování životaschopného řešení.

Nečekejte, že laboratoř je fyzický prostor. Jde spíše o mix hardwaru, vzdělávacích materiálů, workshopů a nadšených lidí, které to baví.

Učíme se hrou. Nepřestáváme si hrát, protože stárneme, ale stárneme, protože si přestáváme hrát.

Z pohledu institucí je program vhodný pro školy, spolky a vzdělávací organizace, které se nevyhýbají technice a podnikavosti. Ideální je mít namixované týmy studentů z různých ročníků, nejlépe si vedou studenti třetího ročníku střední školy a výš. Pokud to škola umožňuje, mohou výstup z IoT laboratoře využít jako maturitní projekt.

Autoři materiálů

Zapojené školy

Harmonogram

IoT laboratoř má dvě části - vzdělávací a projektovou. Části můžou být různě dlouhé, podle vstupních znalostí studentů a rychlosti s jakou se nové věci učí.

Hlavní myšlenkou vzdělávací části je ukázat na jednoduchém příkladu celý koncept IoT - od řídící jednotky (mikrokontroleru), jejího zapojení, lokálnímu naprogramování, až po napojení na cloud a ovládání přes internet. Studenti se seznámí s různými čidly, aktivními prvky i cloudovým prostředím, a sestaví si svůj první jednoduchý projekt.

Druhá, projektová část se odvíjí od potřeb každého týmu. Formou má blíže ke konzultacím a z pohledu materiálů jde především o metodiky používané ve světě startupů. Části však nejsou striktně odděleny, ale prolínají se - formování týmů a definování vlastního projektu probíhá již během prvního pololetí.

Doporučená časová dotace je 2-3 vyučovací hodiny týdně (ideálně v celku).

Jak laboratoř probíhá

Milníky

• září: školení vyučujících

• říjen: start IoT laboratoře, nábor studentů

• říjen - listopad: hrajeme si s internetem věcí

• prosinec - leden: příprava na den D

• leden: den "D" - prezentace studentských projektových záměrů porotě v IBM (přihláška projektů k nahlédnutí zde: ibm.biz/iotprojekt)

• únor - květen: tvoříme vlastní projekty

• červen - Maker Faire veletrh studentských projektů

Osnova

Plán prvního pololetí

Plán druhého pololetí (projektové části): Druhé pololetí je přizpůsobeno potřebám jednotlivých projektů. K dispozici je využití různých metodik podle stádia projektu. Garant/vyučujíí na škole v této části funguje jako "parťák" studentských týmů a pomáhá je navigovat, překlenout překážky.

Výstupy

1. funkční prototyp (včetně webového/mobilního rozhraní, využívající cloudové služby)

2. webová stránka (anebo leták) prezentující řešení

3. jednoduchá dokumentace projektu (struktura k dipozici zde: https://github.com/iot-laborator/projekty)

4. krátké video (2-3 min) představující projekt

5. Senzory - teplota a vlhkost

Z minulých lekcí víme, jak k našemu systému připojit základní prvky uživatelského rozhraní (tlačítka, LED, LCD displej, sériová linka), jak detekovat přiblížení uživatele, měřit úroveň osvětlení. V dnešní lekci náš systém rozšíříme o to, co můžete využít při sestavování vlastní meteostanice, tedy o měření atmosférických veličin. Konkrétně se bude jednat o dvě veličiny – TEPLOTU VZDUCHU a jeho RELATIVNÍ VLHKOST.

Měření teploty vzduchu digitálním senzorem

Pro měření teploty existuje velká spousta různých analogových i digitálních senzorů. Jednotlivé senzory se liší zejména citlivostí, rozsahy teplot, rozhraním atd.

Obdobně, jako v případě analogových senzorů, existuje i u digitálních senzorů řada rozhraní, přes která se data ze senzorů dají vyčítat. Mezi nejpopulárnější rozhraní patří například rozhraní SPI, I2C a 1-Wire. SPI (Serial Peripheral Interconnect) je synchronní sběrnice využívající čtyři vodiče. Sériový vstup a výstup jsou použity pro přenos dat, jeden vodič je pak použit k vedení hodinového signálu (a tedy k synchronizaci komunikace) a jeden vodič pak slouží k výběru prvku na sběrnici (tedy například konkrétního senzoru). I2C (Inter-Integrated Cicruit) je, obdobně jako SPI, synchronní sběrnice, která ale využívá pouze 2 vodiče. Jeden pro přenos dat a jeden k vedení hodinového signálu.

1-Wire je komunikační rozhraní založené na podobném principu, jako I2C, nicméně využívá pouze jediný vodič. Toto rozhraní se typicky používá u low-cost senzorů.

Bez ohledu na použité rozhraní se s digitálním senzorem pracuje většinou velmi podobně. Senzory často měří více veličin a ke zjištění přesné hodnoty je mnohdy potřeba vyčíst ze senzoru více údajů (např. kalibrační data). Veškeré informace bývají v senzoru uložené v tzv. registrech. V typickém případě je tedy nejprve nutné specifikovat, se kterým senzorem chceme komunikovat a poté určit, co (tedy jaký registr) chceme ze senzoru vyčíst. V jednodušších případech senzor při vyčítání vrátí všechna data najednou. V případě, že se senzor nachází ve větších vzdálenostech od měřícího systému, je třeba využít průmyslové sběrnice, jako například EIA485.

Měření relativní vlhkosti

K měření relativní vlhkosti využijeme senzor DHT11 (také označovaný jako AM2303). Jedná se o kombinovaný digitální senzor relativní vlhkosti a teploty vzduchu využívající 1-Wire rozhraní. Z pouzdra senzoru jsou vyvedeny čtyři kontakty. Napájecí pin (VDD), zemnící pin (GND) a datový pin (DATA) senzoru budeme potřebovat. Jeden z pinů (NULL) nemá žádný účel a můžeme ho tedy ignorovat.

Různé typy DHT senzoru

Zapojení senzoru

Připojení senzoru k našemu systému je jednoduché. 1-Wire rozhraní vyžaduje pull-up rezistor na datové lince (10 kΩ). Některé senzory mají již rezistor zabodovaný na desce. Lze tedy zapojit senzor třemi způsoby:

1. Zapojit přes nepájivé pole, kde využiji 10 kΩ rezistor jako pull-up.

2. Zapojit pomocí pull-up rezistoru zabudovaného na vybraných pinech mikrokontroleru.

3. Využít senzor, který má již u sebe na desce zabudovaný rezistor.

Pro vyčítání dat ze senzoru přes 1-Wire rozhraní použijeme dostupnou knihovnu DHT (nainstalujte v Arduino IDE přes Spravovat knihovny/Library Manager). Knihovna je určena pro příbuzné senzory DHT11 a DHT22 a rovnou nám dává k dispozici funkci vyčtení teploty a vyčtení vlhkosti.

#include <DHT.h>
#define dhtPin D3
#define dhtType DHT11

DHT myDHT(dhtPin, dhtType); //inicializace knihovny

void setup() {
    pinMode(dhtPin, ???); //nastavení pinu
    myDHT.begin(); //inicializace senzoru
    Serial.begin(9600);
    }

void loop() {
    ??? temp = myDHT.???;
    ??? humi = ???;
    Serial.print("Teplota(C): ");
    Serial.println(???); //vypsání teploty
    Serial.print("Vlhkost(%): ");
    Serial.println(???); //vypsání vlhkosti

    
    // Pridame overeni, ze se vycteni podarilo.
    if (isnan(temp)) {
        Serial.println(“Vycitani selhalo!”);
        return;
        }
    delay(2000);
    }
    

pinMode(dhtPin, ???);

float temp = myDHT.???;

Po nahrání do mikrokontroleru by měl program každé 2 sekundy do sériové konzole vypsat aktuální hodnotu naměřené teploty a relativní vlhkosti vzduchu.

Co jsme zvládli?

• umíme zapojit digitální čidlo teploty a vlhkosti

• víme o 3 nejpopulárnějších rozhraní pro digitální čidla

• umíme si z knihovny vyčíst potřebné funkce

• zlepšujeme se v debuggování kódu 😎