Взаимосвязь компьютерной техники, датчиков и исполнительных устройств в рамках реализацииосновных принципов «Умной аудитории»

ВЗАИМОСВЯЗЬ КОМПЬЮТЕРНОЙ ТЕХНИКИ, ДАТЧИКОВ И ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ В РАМКАХ РЕАЛИЗАЦИИ ОСНОВНЫХ ПРИНЦИПОВ «УМНОЙ АУДИТОРИИ»

В.В. Гриншкун

Институт математики, информатики и естественных наук Московский городской педагогический университет Шереметьевская ул., 29, Москва, Россия, 127521

В статье рассматриваются подходы к объединению в единую систему различного оборудования «умной аудитории» согласно принципам гетерогенности, кросс-платформенности, объектной ориентированности. Обсуждаются вопросы технической реализации и взаимодействия недостающих датчиков и исполнительных устройств.

Ключевые слова: «умная аудитория», датчик, исполнительное устройство, информатизация образования

На сегодняшний день существует множество технических устройств, которые постоянно совершенствуются, их функционал растет с каждым обновлением, а интерфейс становится все сложнее. В связи с этим в рамках образовательного процесса возникают проблемы, связанные с совместным использованием различной техники: преподаватель должен знать и помнить правила работы с каждым конкретным устройством, вручную обеспечивая взаимодействие работы таких устройств. Несмотря на новизну и эффективность применения технических приспособлений в образовательном процессе, в некоторых случаях приходится отказываться от их использования по причине достаточно сложного управления. Для решения подобных проблем был предложен подход к интегрированному использованию различных аппаратных и программных средств в рамках так называемой «умной аудитории» [1].

«Умная аудитория» — аудитория в образовательном учреждении, организованная для эффективного обучения при помощи электронных устройств, взаимодействующих между собой на основе единого подхода к управлению.

В данной статье описываются технические устройства и способы их функционирования, значимые для построения «умной аудитории» согласно принципам гетерогенности, объектной ориентированности, кросс-платформенности и методической проработки. Такие условия и принципы рассматриваются на примере компьютерного класса.

Для корректной работы «умной аудитории» стандартную компьютерную технику необходимо дополнить специально разработанной системой датчиков, которые позволяют собирать данные о состоянии окружающей среды (температуре, влажности, освещенности). Такие датчики соединяются с компьютером при помощи комплекса аппаратно-программных средств для построения систем автоматики и робототехники Intel Edison, базирующегося на стандартном USB-интерфейсе.

Грыншкун B.B. Взаимосвязь компьютерной техники, датчиков и исполнительных устройств.

К комплексу Intel Edison подключаются датчики по определенной схеме, которая зависит от типа датчика и используемого протокола работы: I2C, 1-wire или собственный протокол передачи данных. На рисунке 1 приведен пример схемы подключения к такому комплексу датчика освещенности.

I I

fl SCL

¿ SDA

I I I J

Рис. 1. Пример схемы подключения датчика освещенности к комплексу систем автоматики и робототехники Intel Edison

Кроме того, «умная аудитория» дополняется системой специальных исполнительных устройств, к числу которых, например, относятся электроприводы штор или жалюзи для регулирования уровня естественной освещенности, регуляторы искусственного освещения, системы полива растений, кондиционирования и увлажнения воздуха. При этом проблемой является не только разработка таких аппаратных устройств, но и поиск решений, связанных с их совместной работой.

1. Принцип гетерогенности. Для объединения компьютерной техники, датчиков и исполнительных устройств необходимо разделить их на модули — группы с общими свойствами и выбрать в качестве сервера одно из устройств, которое будет принимать, обрабатывать и посылать соответствующие команды датчикам и исполнительным устройствам, находящимся в единой компьютерной сети. Следующим шагом является физическое соединение и налаживание свободной передачи данных между всеми устройствами в аудитории (рис. 2).

В созданной таким образом компьютерной сети к серверу подключены:

— смартфон или планшет, соединяемый по сети Wi-Fi, который необходим для предоставления мобильного управляющего интерфейса;

— необходимое количество ученических компьютеров (подключение посредством проводной связи);

— комплекс Intel Edison, являющийся вспомогательным узлом для соединения сервера с описанными выше датчиками и исполнительными устройствами.

2. Принцип кросс-платформенности. Управление «умной аудиторией» осуществляется при помощи смартфона (планшета) или непосредственно с сервера. Для поддержки различных операционных систем как для мобильных устройств (IOS, Android, Windows Phone), так и для стационарных компьютеров (Windows, Mac OS, Linux) необходимо создание специального программного обеспечения.

VCC DVI

Кроме того, для обращения к каждому устройству, входящему в сеть, такому устройству необходимо присвоить уникальный идентификатор. Тем самым управление может осуществляться как посредством отправки команд модулю целиком, так и путем адресации к конкретному устройству с помощью идентификатора. При этом стираются функциональные различия между устройствами, работающими на базе разных компьютерных платформ. Например, преподаватель, отправляя единую команду, может включить все ученические компьютеры в аудитории вне зависимости от установленного на них программного обеспечения.

Рис. 2. Соединение компьютерной техники, датчиков и исполнительных устройств в рамках единой сети под управлением сервера

3. Принцип объектной ориентированности. Такой принцип предполагает автоматическое взаимодействие между устройствами без обязательного участия преподавателя [2]. Сервер получает данные о состоянии объектов, данные, полученные при помощи датчиков, и на основе их анализа вырабатывает и посылает необходимые команды исполнительным устройствам и компьютерной техники, работающей в единой сети. Например, если в аудитории уровень освещенности низок и не соответствует нормам СНиП 23-05-95 «Естественное и искусственное освещение», то сервер определяет это и посылает команду исполнительному устройству, открывающему жалюзи на окнах и (или) при помощи специального контроллера включает искусственное освещение.

4. Принцип методической проработки. Для эффективной реализации образовательного процесса в «умной аудитории» предлагаемое оборудование и программное обеспечение должно быть дополнено различными учебными, техническими и нормативными материалами. В описываемом примере настройки сер-

Гриншкун В.В. Взаимосвязь компьютерной техники, датчиков и исполнительных устройств.

вера, сети и других устройств должны опираться на сведения, содержащиеся в сопровождающей аудиторию нормативной (табл. 1) и технической (табл. 2) документации.

Таблица 1

Примеры норм освещенности и микроклимата в аудитории согласно СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03 «Гигиенические требования к персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы»

Нормы освещенности

Экрана 100—250 лк

Стола 300—500 лк

Яркость экрана должна быть не менее 35 кд/м2

Микроклимат

Температура 21—25 °С

Относительная влажность 40—60%

Скорость движения воздуха 0.1 м/с

Таблица 2

Перечень датчиков, используемых в «умной аудитории»

Тип измерения Модель датчика Диапазон измерений Протокол работы

Температура DS18B20 -55... + 125 °C 1-wire

Влажность DHT11 20—90% Собственный

Освещенность BH1750 1—65535 лк I2C

Несмотря на тот факт, что в данной статье предлагаемые технические и программные решения описывались на конкретном примере (компьютерном классе), они в полной мере могут быть применимы и в других школьных и вузовских аудиториях. Во многом это достигается благодаря соблюдению перечисленных принципов. Такие разработки подходят для всех типов аудиторий с самым различным техническим оборудованием, независимо от дисциплины, для обучения которой предназначена аудитория. Таким образом, последовательное поэтапное формирование «умной аудитории» в образовательных учреждениях является вполне реализуемой задачей.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Григорьев С.Г., Гриншкун В.В., Реморенко И.М. «Умная аудитория»: от интеграции технологий к интеграции принципов // Информатика и образование. 2013. № 10. С. 3—8.

[2] Гриншкун В.В. Создание объектно-ориентированных компьютерных программ как учебный проект по информатике для школьников // Электронное образование: от настоящего к будущему»: Сборник научных трудов Международного. Ижевск: РЦИОКО, 2013. С. 60-63.

INTERRELATIONSHIP BETWEEN COMPUTER TECHNICS, SENSORS AND EXECUTIVE DEVICES WITHIN THE FRAMEWORK OF IMPLEMENTATION OF THE BASIC PRINCIPLES OF A «SMART

AUDITORIUM»

V.V. Grinshkun

Chair of informatization of education Moscow city pedagogical university Sheremetyevskaya str., 29, Moscow, Russia, 127521

The article discusses the approaches to combining into one system various «Smart Auditorium» equipment in accordance with heterogeneity, cross-platform, object-orientation principles. Discusses issues of technical realization and interaction of the missing sensors and actuators.

Key words: "Smart Auditorium", sensor, executive device, informatization of education

REFERENCES

[1] Grigor'ev S.G., Grinshkun V.V., Remorenko I.M. «Umnaja auditorija»: ot integracii tehnologij k integracii principov ["Clever audience": from integration of technologies to integration of the principles]. Informatika i obrazovanie [Informatics and education]. 2013. no 10. pp. 3—8.

[2] Grinshkun V.V. Sozdanie obektno-orientirovannyh komp'juternyh programm kak uchebnyj proekt po informatike dlja shkol'nikov [Creation of object-oriented computer programs as the educational project on informatics for school students]. Jelektronnoe obrazovanie: ot nastojashhego k budushhemu»: Sbornik nauchnyh trudov Mezhdunarodnogo foruma [Electronic education: of the present to the future": Collection of scientific works of the International forum]. Izhevsk: RCIOKO, 2013. pp. 60—63.