9Кл. Параграф: Система «Интернет вещей». Практическая работа «Создание системы умного освещения»

Интернет вещей (Internet of Things, IoT) — одна из ключевых технологий современного цифрового мира, стремительно проникающая во все сферы жизни — от бытовых приборов до промышленного производства. Понимание принципов её работы и практические навыки создания простейших IoT-устройств становятся неотъемлемой частью технологического образования.

1. Система «Интернет вещей»: понятие, структура и применение

1.1. Что такое Интернет вещей?

Интернет вещей (IoT) — это глобальная сеть физических объектов («вещей»), оснащённых встроенными датчиками, программным обеспечением и другими технологиями, которые позволяют им собирать, обмениваться данными и взаимодействовать друг с другом или с внешней средой через Интернет -1-8. Главное отличие IoT от обычного Интернета в том, что связь осуществляется не только между людьми, но и преимущественно между устройствами автоматически, без участия человека -4.

Термин «Интернет вещей» был впервые использован британским исследователем Кевином Эштоном в 1999 году для описания системы, где физические объекты могут быть связаны с Интернетом через радиочастотные метки -4. Однако массовое развитие технология получила лишь в последнее десятилетие благодаря удешевлению микропроцессоров, повсеместному распространению беспроводной связи и развитию облачных вычислений -1-8.

1.2. Как устроен IoT: ключевые компоненты

Любая система IoT, от простого «умного» светильника до сложного промышленного комплекса, строится по единому принципу и включает четыре основных этапа работы -8:

1. Сбор данных. Устройства с помощью датчиков (сенсоров) получают информацию из окружающей среды. Это могут быть данные об освещённости (фоторезисторы), температуре, влажности, движении, качестве воздуха и т.д.

2. Передача данных. Собранная информация отправляется в вычислительный центр. Передача может осуществляться по различным протоколам и каналам связи: Wi-Fi, Bluetooth, сотовые сети (4G/5G), специализированные сети для IoT (NB-IoT) -6.

3. Обработка данных. Данные анализируются программным обеспечением. Обработка может происходить как в облаке (на удалённых серверах), так и локально на самом устройстве (периферийные вычисления) или на промежуточном шлюзе.

4. Действие. На основе анализа принимается решение. Это может быть автоматическая реакция самого устройства (например, включение света), отправка уведомления пользователю или предоставление аналитики для принятия бизнес-решений.

В структуре системы можно выделить три ключевых компонента -1:

• Умные устройства («вещи»): Физические объекты (лампочка, датчик, замок), которые умеют собирать данные и выполнять команды.

• IoT-приложение: Набор программ и сервисов, которые анализируют данные и принимают решения. Часто использует технологии искусственного интеллекта и машинного обучения.

• Графический интерфейс пользователя: Способ взаимодействия человека с системой — обычно это мобильное приложение или веб-сайт для управления и мониторинга.

1.3. Примеры применения Интернета вещей

Технологии IoT сегодня применяются повсеместно -1-8:

• «Умный дом»: Автоматическое управление освещением, отоплением, системами безопасности. Например, «умные» розетки, контролирующие расход электроэнергии, или датчики протечки воды, отправляющие предупреждение на телефон.

• «Умный город»: Интеллектуальное управление уличным освещением для экономии энергии, мониторинг качества воздуха, управление парковочным пространством.

• Промышленный Интернет вещей (IIoT): На производстве — прогнозирование поломок оборудования (превентивное обслуживание), отслеживание логистических цепочек, контроль параметров в режиме реального времени.

• Подключённый транспорт: Современные автомобили собирают данные о стиле вождения, состоянии узлов, могут автоматически вызывать помощь при аварии -1.

1.4. Преимущества IoT

Внедрение Интернета вещей даёт множество преимуществ -4:

• Повышение комфорта и качества жизни: автоматизация рутинных задач (например, приготовление кофе к пробуждению).

• Экономия ресурсов: оптимизация потребления электроэнергии, воды, топлива.

• Безопасность: автоматический мониторинг протечек, задымлений, несанкционированного проникновения.

• Новые возможности для бизнеса: анализ поведения клиентов, оптимизация производства, создание новых услуг.

2. Практическая работа «Создание системы умного освещения»

Создание прототипа системы «умного» освещения — идеальная учебная задача для знакомства с IoT. Она включает в себя все ключевые компоненты: датчики (света и движения), исполнительное устройство (светодиод или лампу), микроконтроллер для обработки данных и программируемую логику работы.

Цель работы: разработать и реализовать прототип системы, способной автоматически регулировать освещение в зависимости от внешних условий и присутствия человека -2.

2.1. Принцип работы «умного» освещения

В основе работы лежит считывание данных с датчиков и принятие решения согласно заданному алгоритму -5-9:

1. Датчик освещённости (фоторезистор или фотодиод) измеряет уровень естественного света в помещении.

2. Датчик движения (инфракрасный или ультразвуковой) определяет, есть ли в комнате человек.

3. Микроконтроллер (Arduino Uno, ESP32 и др.) получает сигналы от датчиков.

4. По заданной программе (скетчу) контроллер принимает решение: например, если освещённость низкая и есть движение — включить свет.

5. Сигнал управления подаётся на исполнительное устройство (светодиод или лампу через реле или силовой ключ).

6. При наличии модуля связи (Wi-Fi, Bluetooth) состояние системы может отображаться в мобильном приложении или веб-интерфейсе, и пользователь может управлять светом дистанционно -3-7.

2.2. Пример простого алгоритма работы

text

ЕСЛИ датчик_движения = ИСТИНА И датчик_освещённости < ПОРОГ
    ТО включить светодиод
ИНАЧЕ
    выключить светодиод

Более сложные сценарии могут включать плавную регулировку яркости (диммирование) в зависимости от уровня освещённости -5-9, изменение цветовой температуры, работу по расписанию или следование за человеком по комнате (подсветка пути) -5.

2.3. Варианты выполнения практической работы

В зависимости от наличия оборудования, практическая работа может быть выполнена в двух вариантах -2:

• Вариант 1 (с практической реализацией):
  Учащиеся собирают электрическую схему на базе микроконтроллера (например, Arduino Uno или ESP32), подключают датчики и светодиод, пишут или загружают готовую программу, тестируют работу прототипа. При использовании ESP32 можно реализовать управление через веб-интерфейс -3.

• Вариант 2 (теоретическая разработка концепции):
  Если возможности собрать устройство нет, учащиеся разрабатывают концепцию системы умного освещения. Они описывают её функциональность, алгоритм работы, выбирают необходимые компоненты (какие датчики, контроллер, исполнительные устройства потребуются), создают блок-схему алгоритма и эскиз интерфейса пользователя -2. Этот вариант развивает навыки проектирования и системного мышления.

2.4. Оборудование и компоненты

Для физической реализации потребуются:

• Микроконтроллер: Arduino Uno, Arduino Nano или ESP32 (последний предпочтительнее для изучения IoT, так как имеет встроенный Wi-Fi) -3-9.

• Датчики: фоторезистор (датчик освещённости), инфракрасный датчик движения (HC-SR501) -5.

• Исполнительное устройство: светодиод (обычный или RGB), для управления мощной нагрузкой — реле или твердотельный ключ -7.

• Резисторы, соединительные провода, макетная плата.

• Программное обеспечение: среда разработки Arduino IDE, при необходимости — платформы для облачного IoT (например, Tuya, Home Assistant) -5-7.

2.5. Результаты работы

В результате выполнения практической работы учащиеся -2:

• формируют понимание архитектуры и компонентов систем Интернета вещей;

• приобретают навыки разработки алгоритмов для автоматических устройств;

• (при наличии оборудования) получают опыт сборки электрических схем и программирования микроконтроллеров;

• создают реально действующий прототип или проработанную концепцию современного IoT-устройства.

Вывод: Интернет вещей — это не просто технологическая тенденция, а новая реальность, в которой привычные объекты обретают «цифровой голос» и способность к автономным действиям. Практическая работа по созданию системы «умного» освещения позволяет на конкретном, понятном примере освоить ключевые принципы IoT: сбор данных с датчиков, их обработку по заданному алгоритму и управление исполнительными устройствами. Такие навыки — от программирования до системного проектирования — становятся базовыми для будущих специалистов в самых разных областях: от инженерии и IT до городского планирования и энергосбережения.

7Кл. Параграф: Контроль и оценка качества изделия из конструкционных материалов. Оценка себестоимости изделия. Подготовка проекта «Изделие из конструкционных и поделочных материалов» к защите

Завершающий этап работы над творческим проектом включает три ключевые составляющие: объективную оценку качества изготовленного изделия, экономическое обоснование затрат на его производство и тщательную подготовку к публичной защите. Эти компоненты в совокупности определяют итоговую оценку проекта и демонстрируют уровень сформированных компетенций.

1. Контроль и оценка качества изделия из конструкционных материалов

Контроль качества — это система проверки соответствия готового изделия установленным требованиям, зафиксированным в чертежах и техническом задании. Для конструкционных материалов (металлов, древесины, пластиков) применяются различные методы контроля, которые делятся на две основные группы: неразрушающие и разрушающие -1.

1.1. Неразрушающие методы контроля

Эти методы позволяют проверить качество изделия, не нарушая его целостности, что особенно важно для готовой продукции -1.

Визуально-измерительный контроль — самый доступный и распространенный метод. Он включает:

• осмотр изделия невооруженным глазом или с помощью лупы для выявления поверхностных дефектов (трещин, царапин, вмятин, коррозии);

• измерение геометрических параметров инструментами (линейкой, штангенциркулем, угольником, шаблонами) для проверки соответствия чертежу;

• контроль отклонений формы (непрямолинейности, неплоскостности, неперпендикулярности поверхностей) -1.

Ультразвуковой контроль основан на способности ультразвуковых волн проникать в металл и отражаться от границ раздела сред. Этот метод позволяет выявлять внутренние дефекты — трещины, пустоты, раковины, непровары в сварных швах -1.

Магнитный контроль применяется для ферромагнитных материалов (стали, чугуна). Изделие намагничивают, и в местах дефектов возникают магнитные поля рассеяния, которые фиксируются специальными приборами или магнитным порошком -1.

Капиллярный контроль (контроль проникающими веществами) позволяет выявлять мельчайшие поверхностные трещины, невидимые глазу. На поверхность наносят проникающую жидкость, которая затекает в дефекты, а затем проявитель "вытягивает" ее, делая трещины видимыми -1.

1.2. Разрушающие методы контроля

Эти методы требуют вырезки образцов из изделия или использования специальных проб. Они дают точные количественные характеристики, но после испытаний образцы разрушаются -1.

Метод микропроб — малоинвазивный способ оценки качества металла, при котором с помощью корончатого сверла диаметром 15-20 мм отбирается микропроба размером 1,5-2,0 × 3,0-5,0 × 15-20 мм. Это позволяет определить химический состав стали, твердость, параметры микроструктуры, временное сопротивление и предел текучести. Образовавшееся отверстие заделывается болтом или прутком с последующей заваркой -1.

Механические испытания включают:

• испытания на растяжение (определение предела прочности, предела текучести, относительного удлинения);

• испытания на твердость (методы Бринелля, Роквелла, Виккерса);

• испытания на ударную вязкость -8.

1.3. Типичные дефекты конструкционных материалов

Для различных материалов характерны специфические дефекты. В металлах могут встречаться трещины, раковины, неметаллические включения, неоднородность структуры, коррозионные поражения. В сварных соединениях возможны непровары, подрезы, поры, шлаковые включения. В полимерных композиционных материалах (ПКМ) дефекты классифицируются по видам и выявленным несоответствиям для последующего анализа причин брака -4-10.

Современные системы контроля качества предполагают не только обнаружение, но и анализ причин брака с последующей разработкой мероприятий по повышению качества продукции -10.

2. Оценка себестоимости изделия

Себестоимость продукции — это важнейший показатель экономической эффективности производства, отражающий все стороны хозяйственной деятельности и результаты использования производственных ресурсов -8.

2.1. Структура себестоимости

В себестоимости изделия выделяют две основные группы затрат:

• Постоянные затраты — расходы, которые не зависят от объема выпуска продукции (амортизация оборудования, арендная плата, заработная плата административного персонала);

• Переменные затраты — расходы, изменяющиеся пропорционально объему выпуска (материалы, комплектующие, сдельная заработная плата) -8.

2.2. Калькулирование себестоимости

Калькулирование — это процесс исчисления себестоимости продуктов различной степени готовности. Для учебного проекта применяется упрощенная схема расчета, включающая следующие статьи затрат -5:

• Материальные затраты — стоимость основных и вспомогательных материалов с учетом транспортных расходов;

• Энергетические затраты — расходы на электроэнергию для работы оборудования;

• Затраты на оплату труда — если проект выполняется в рамках учебного процесса, эта статья может не учитываться;

• Амортизация оборудования — износ используемых станков и инструментов;

• Прочие расходы — затраты на отделочные материалы, крепеж, клей и т.д.

Факторный анализ себестоимости позволяет выявить причины изменения затрат и определить резервы их снижения -8.

2.3. Оценка брака и отходов

При расчете себестоимости необходимо учитывать затраты на забракованную продукцию и стоимость отходов производства. Для учебного проекта брак оценивается по фактическим затратам на его изготовление, а отходы могут быть оценены по цене возможной реализации -5.

3. Подготовка проекта к защите

Подготовка к защите — ответственный этап, от которого во многом зависит итоговая оценка проекта. Умение представить результаты своей работы, выделить главное и грамотно ответить на вопросы демонстрирует глубину погружения в тему -6.

3.1. Структура защитной речи

Устное выступление должно быть четко спланировано и включать следующие элементы -3-6:

1. Введение — приветствие, название проекта, обоснование актуальности выбранной темы.

2. Основная часть — краткое изложение этапов работы: анализ аналогов, обоснование выбора материалов и технологии, описание процесса изготовления, возникшие трудности и способы их преодоления.

3. Демонстрация результатов — представление готового изделия, его характеристик и функциональных возможностей.

4. Заключение — выводы о соответствии изделия поставленным задачам, самооценка проделанной работы, возможные направления развития проекта.

3.2. Подготовка презентации

Презентация должна быть заранее подготовлена и тщательно продумана, так как от четкого представления работы зависит её результат. При создании презентации рекомендуется учитывать следующие моменты -3:

• использование изобразительных средств (фотографии этапов работы, чертежи, схемы, графики);

• наглядность и лаконичность каждого слайда;

• логическая последовательность представления материала;

• соответствие презентации тексту защитной речи.

3.3. Дополнительные материалы

Для успешной защиты рекомендуется подготовить -9:

• раздаточный материал для членов комиссии (краткое описание проекта, технические характеристики изделия);

• демонстрационные образцы (при возможности — несколько вариантов или промежуточные модели);

• план ответов на возможные вопросы.

3.4. Критерии оценки проекта

При оценке проекта учитываются -3:

• обоснованность выбора темы и ее актуальность;

• качество проектирования (полнота исследования, проработка конструкторской документации);

• технологичность изготовления (правильность выбора методов и материалов);

• качество исполнения (аккуратность, отсутствие дефектов, эстетичность);

• качество защиты (четкость выступления, грамотность речи, полнота ответов на вопросы).

Вывод: Контроль качества и оценка себестоимости — необходимые этапы завершения работы над проектом, позволяющие объективно оценить результат своего труда. Грамотная подготовка к защите, включающая структурированную речь, наглядную презентацию и продуманные ответы на вопросы, обеспечивает успешное представление проекта и демонстрирует уровень сформированных профессиональных и коммуникативных компетенций. Эти навыки — от технических до презентационных — являются важной составляющей подготовки современного специалиста.