Аппаратно-программный комплекс для проведения контрольных, проверочных, самостоятельных работ и викторин

1.

Конференция по проектной деятельности учащихся
6-7 классов “Горизонты открытий”
“Аппаратно-программный комплекс
для проведения контрольных,
проверочных, самостоятельных
работ и викторин”
Автор: Шлегель Никита
Андреевич, 7-2 класс
Руководитель: Александр
Сергеевич Бурдин

2.

Содержание
01
Введение
02
Глава 1
03
Глава 2
Микроконтроллеры
Компоненты системы
04
Глава 3
05
Глава 4
Блоки управления
Этапы изготовления
06 Заключение
07 Приложение (1-3)

3.

Введение
Задачи:
• Изучить требования к функциональности и интерфейсу
пользователя для аппаратно-программного комплекса.
• Разработка и сборка главного блока управления, а также
дополнительных модулей для взаимодействия с главным блоком
управления.
• Разработка программного кода для основного устройства
управления на базе ESP32С3.
• Разработка программного кода для устройств взаимодействия с
главным блоком управления на базе ESP32С3.
• Создать удобный пользовательский интерфейс для управления
процессом тестирования и отображения результатов.
• Протестировать работоспособность комплекса в условиях
реальной образовательной среды.
Актуальность: Cовременная образовательная среда
нуждается в инновационных подходах к улучшению
эффективности обучения и контроля знаний учащихся.
Внедрение аппаратно-программного комплекса на базе
микроконтроллеров ESP32С3 для анализа скорости
выполнения работ и проведения викторин значительно
повысит интерес учащихся к учебному процессу и
обеспечит более эффективный контроль и оценку
знаний.
Тема: Разработка аппаратно-программного комплекса на
базе сети микроконтроллеров ESP32С3 для анализа
скорости выполнения контрольных, самостоятельных,
проверочных работ и проведения викторин в
образовательной среде.
Цель: Разработать аппаратно-программный комплекс на
базе сети микроконтроллеров ESP32C3 для повышения
эффективности обучения и контроля знаний учащихся с
1-го по 11-й класс, путём анализа времени выполнения
заданий и организации интерактивных викторин в
образовательном процессе.

4.

Основные характеристики микроконтроллера
включают:
Глава 1
Память: ОЗУ и ПЗУ
Микроконтроллер — это интегрированный
микрочип, который функционирует как
самодостаточный компьютер,
специализированный для управляющих и
автоматизированных задач в различных
устройствах.
ОЗУ (Оперативная память) используется для временного
хранения данных и переменных во время работы
программы.
ПЗУ (Постоянная память) используется для
долгосрочного хранения программы и важных данных.
ОЗУ и ПЗУ совместно поддерживают выполнение и
функционирование программ в микроконтроллере.
Интерфейсы:
Обеспечивают коммуникацию с другими устройствами,
например, с датчиками или другой периферией.
Интеграция:
Микроконтроллер сочетает на одном кристалле процессор и
необходимые периферийные устройства, такие как
устройства ввода-вывода, таймеры, АЦП, ЦАП.
Микроконтроллеры часто встраивают в потребительскую
электронику и промышленное оборудование.

5.

Виды микроконтроллеров:
В последние годы микроконтроллеры стали неотъемлемой
частью современной электроники, обеспечивая управление и
обработку данных в широком спектре электронных систем.
Среди множества производителей и типов контроллеров
особняком стоят такие как ESP32, STM32, ATMEL (теперь
часть Microchip Technology), и TEXAS INSTRUMENTS.
Давайте кратко рассмотрим особенности каждого из них:
ESP32. Производитель: Espressif Systems.
Особенности:
• Интегрированный Wi-Fi и Bluetooth модули.
• Низкое энергопотребление.
• Хорошо подходит для разработки IoT-приложений (систем
умного дома).
STM32. Производитель: STMicroelectronics.
Особенности:
• Высокая производительность при низком потреблении
энергии.
• Использование: подходит для промышленных
приложений, в том числе для управления двигателями,
автомобильной электроники, сложных систем
управления.
ATMEL (Microchip). Производитель: Microchip Technology.
Особенности:
• Удобство программирования и доступность инструментов
разработки.
• Поддерживает множество интерфейсов ввода/вывода.
• Использование: идеально подходит для образовательных
проектов, DIY-проектов, начинающих разработчиков.
TEXAS INSTRUMENTS. Производитель: Texas Instruments.
Особенности:
• Мощная поддержка со стороны компании в виде ПО,
документации и разработки.
• Отлично подходят для разработки профессиональных
встроенных и промышленных систем.

6.

Микроконтроллер ESP32C3
Основные преимущества данного микроконтроллера
заключаются в следующем:
• Интегрированный модуль беспроводной связи Wi-Fi и
Bluetooth.
• Низкое энергопотребление.
• Малые габариты.
• Встроенный программатор.
• Низкая стоимость.
• Высокая производительность, обеспечиваемая двумя 32битными ядрами с частотой 160 МГц.
• Совместимость с программной средой Arduino IDE.
• Отсутствие западных санкций на использование и
приобретение данных микроконтроллеров.
• Наличие системы беспроводной связи ESP-NOW.
Платформа ESP32C3 (Super Mini) на базе микроконтроллера
ESP32C3 была выбрана для использования в этом проекте,
исходя из вышеперечисленных преимуществ. Ключевой
особенностью модели ESP32C3 является наличие системы
беспроводной связи ESP-NOW. Данный тип связи использует
радиоканал на частоте 2.4ГГц по типу Wi-Fi. Данные от одного
устройства к другим передаются по средством сканирования
конкретных MAC-адресов устройств находящихся в режиме
работы беспроводной связи ESP-NOW, что позволяет быстро и
безошибочно отправлять данные между устройствами без
ограничения количества подключений конечных устройств.
Преимущества системы ESP-NOW перед Wi-Fi:
ESP-NOW потребляет меньше энергии.
Легко настраивается без маршрутизаторов.
Обеспечивает высокую скорость передачи информации.
Низкая задержка и устойчивость к внешним помехам.
В отличие от Wi-Fi система ESP-NOW позволяет
организовывать связь без ограничений по количеству
устройств в сети.
Эти преимущества делают ESP-NOW привлекательным
выбором для различных беспроводных устройств и
приложений.

7.

Глава 2
Компоненты системы
Система состоит из главного блока управления и 6
дополнительных модулей для взаимодействия с главным блоком.
Компоненты главный блока управления
Пластиковый корпус (130x65x45мм).
Цветной LCD экран (320x240 пикселей).
Платформа на базе микроконтроллера ESP32C3.
2 кнопки управления.
Тумблер включения питания.
Аккумулятор Li-ion (3600мА/ч) с модулем заряда.
Компоненты дополнительных блоков (всего 6 шт)
Пластиковый корпус (80x55x30мм).
Платформа на базе микроконтроллера ESP32C3.
2 кнопки управления.
Тумблер включения питания.
2 батарейки (AA).
2 светодиода (RGB).

8.

Глава 3
Этапы изготовления
Подбор корпусов, исходя из внутренних компонентов
системы.
Сверление отверстий под тумблер, светодиоды, кнопки,
отверстия под разъёмы программирования, зарядного
устройства, фрезеровка отверстия под LCD экран.
Сборка и пайка всех компонентов.
Написание программ для микроконтроллеров ESP32C3 в
среде Arduino IDE.
Тестирование всех компонентов системы.
Отладка программного обеспечения на готовых
устройствах.

9.

Глава 4
Режимы работы
Главный блок управления.
2 3 4 5
1
6
7
8
9
Кнопка (1) - “Старт/Стоп” - запускает и останавливает таймер
выполнения заданий учащимиcя.
Номер блока (2) - Порядковый номер блока управления
учащегося (1-6), закончившего выполнение задание за
определённое время.
Номер учащегося (3) - Порядковый номер учащегося (1-2),
закончившего выполнение задание за определённое время.
Время выполнения (4) – Индикатор времени выполнения
заданий определённым учеником.
Индикатор заряда (5) - Индикатор заряда аккумулятора
главного блока управления.
Индикатор устройств (6) - Индикатор устройств,
сопряжённых с главным блоком управления по средством
беспроводной связи ESP-NOW.
Кнопка (7) – Запуск сканирования дополнительных блоков
для сопряжения с главным блоком управления по средством
радио-канальной связи ESP-NOW.
Индикатор режима (8) – Индикация режимов работы
системы (Start/Stop)
Таймер (9) – Главный таймер для проведения контрольных
работ, викторин.

10.

Режимы работы
Дополнительные блоки управления (6шт.)
2
3
1
4
6
5
Кнопка (1) – Кнопка для завершения выполнения заданий
учащимся под номером 1 и передача параметров в главный
блок управления по средством связи ESP-NOW
LED (2) – Индикатор режимов работы для учащегося под
номером 1.
LED (3) – Индикатор режимов работы для учащегося под
номером 2.
Кнопка (4) – Кнопка для завершения выполнения заданий
учащимся под номером 2 и передача параметров в главный
блок управления по средством связи ESP-NOW.
USB-type-C (5) – разъём для программирования
микроконтроллера ESP32C3.
Тумблер (6) – тумблер включения питания блока
управления.
Режимы светодиодной индикации (LED1, LED2):
Синий – Устройство сопряжено с главным блоком
управления по средством беспроводной связи ESP-NOW.
Зелёный – Устройство в режиме проведения викторины
(таймер отсчёта времени запущен)
Красный – Викторина закончена, текущий таймер
остановлен. Параметры переданы в главный блок
управления.
Белый – Завершена викторина, таймеры на всех
устройствах остановлены.

11.

Заключение
В результате разработки аппаратно-программного комплекса на базе сети
микроконтроллеров ESP32C3 для анализа скорости выполнения работ и проведения
викторин в образовательной среде видна значительная перспектива в области улучшения
эффективности обучения и контроля знаний учащихся. Этот проект представляет собой
инновационный шаг к созданию интерактивной среды обучения, способствующей
повышению интереса учащихся к учебному процессу, а также обеспечению более
эффективного контроля и оценки знаний учащихся.
Реализация поставленных целей и задач позволит не только оценивать и анализировать
время выполнения заданий учащимися, но и поможет в проведении интерактивных
викторин, способствуя интересу и вовлеченности учащихся в учебный процесс. Создание
удобного пользовательского интерфейса позволит учителям легко управлять процессом
тестирования и получать точные результаты времени выполнения заданий каждым
учеником.
Дальнейшее тестирование работы комплекса в условиях реальной образовательной
среды поможет улучшить его функциональность и гарантировать эффективность
внедрения данного инновационного подхода в образовательный процесс. В целом,
разработка данного аппаратно-программного комплекса на базе микроконтроллеров
ESP32C3 представляет собой важный шаг в направлении современной цифровизации
образования и повышения его качества.

12.

Приложение 1
Листинг программы в среде
ARDUINO IDE
главного блока управления

13.

Приложение 1.1
Листинг программы в среде
ARDUINO IDE
главного блока управления

14.

Приложение 2
Листинг программы в среде
ARDUINO IDE
дополнительных блоков

15.

Приложение 3
Схемы электрические
принципиальные главного блока
управления и дополнительно модуля
взаимодействия

16.

Спасибо за внимание