ESP32のIoT授業計画：8週間で学ぶモノのインターネット

高校や職業教育でESP32のIoT授業計画を立てるときは、単元を4つの層に分けます。まずボードが周囲を感じ取り（GPIOとセンサー）、次にネットワークにつながり（Wi-Fi）、続いてデータを共有し（Webサーバー、HTTPクライアント、メッセージ）、最後に電池で動くことと身を守ることを学びます（ディープスリープとセキュリティ）。週2コマなら、この4つの層は8週間に無理なく収まります。ハードウェアに2週、ネットワークとサーバーに2週、データのやり取りに2週、電源とセキュリティに1週、そして最終プロジェクトの週です。単元の終わりに生徒が提出するのは、センサーを読み取り、その値をスマホで開くページに表示するか、何かが起きたときにスマホへメッセージを送り、電池の持続時間が計算されていて、パスワードがコードの中に丸見えになっていないデバイスです。

この記事は「ESP32の初回授業の計画」の続きです。セットアップ、ドライバ、BOOTボタン、最初のLEDはそちらで扱ったので、ここでは繰り返しません。ここで紹介するのは、週ごとの目標、BlueGraysの実際のプロジェクト、考え方、成果物をまとめた表、毎週80分の授業の骨組み、学校のネットワークがたいていESP32を受け入れない理由とその対処法、ICT担当者に聞く5つの質問、そのままコンパイルできるWi-FiのWebサーバーのコード、セキュリティと倫理、8グループ分の材料リスト、最終プロジェクトの評価基準です。例は次の前提で組み立てました。生徒は24人で、3人ずつ8グループに分かれ、授業は週2コマ（2 × 40分）です。クラスの条件が違う場合は、時間配分を比例させて調整してください。

単元のしくみ：感じ取る、つながる、共有する、節電する

モノのインターネット（IoT）の授業で教えるのはインターネットそのものではなく、デバイスがネットワーク上のほかのデバイスとどのように会話するかです。そのためには、まず測るものが必要です。Wi-Fiにはつながっても何も測らないボードには、ネットワーク上で伝えることがありません。だから最初の2週間はあえてWi-Fiを使いません。生徒はボタン、LDR、温湿度センサーを使い、ピンの選び方と読み取り間隔を固めます。3週目にボードがネットワークにつながり、4週目にはサーバーになり、5週目にはほかのサーバーにデータを要求するクライアントに変わり、6週目には出来事をメッセージで知らせます。7週目は、短いIoTワークショップの多くが飛ばしてしまう2つのテーマ、電池の持続時間とセキュリティに充てます。各層は前の層の上に積み上がるので、順番は変えないでください。Wi-Fiの週がうまくいかなかったら、次へ進む前に接続の問題を解決します。

ESP32で学ぶ8週間のIoT授業計画

表のプロジェクトはどれも、回路図、部品リスト、コードがそろった状態でBlueGraysに用意されています。最初の4週間のプロジェクトは、Wi-Fi接続とWebサーバーのプロジェクトも含めて完全に無料です。5週目以降に使うHTTPクライアント、Telegram、WebSocket、ディープスリープのプロジェクトはプレミアムです。つまり最初の1か月は、どの生徒もプレミアムを必要としません。プレミアムが必要になったときの対応は、この記事の最後にあります。

表について3つの注意点があります。1つ目に、アプリには既製のMQTTプロジェクトがありません。6週目はMQTTを考え方として黒板で説明し（デバイス同士は直接やり取りせず、仲介役のサーバーであるブローカーにトピック付きでメッセージを発行（パブリッシュ）し、関心のあるデバイスがそのトピックを購読（サブスクライブ）する）、実習はTelegramの通知とWebSocketのページで行います。Telegram側の詳細は「ESP32のTelegramボット」の記事にあります。2つ目に、4週目のAsync Web ServerのプロジェクトにはAsyncTCPとESPAsyncWebServerのライブラリが必要です。授業前にすべてのパソコンにインストールしておかないと、コンパイルが最初の行で止まります。3つ目に、5週目の隣のグループとの演習にはインターネットが要りません。グループAのESP32が、グループBが4週目に作ったサーバーの/degerというアドレスを読み取ります（degerはトルコ語で「値」）。学校にインターネット接続がなくても、この週は成り立ちます。

毎週の授業の骨組み：80分

毎週を同じ骨組みで進めると、生徒は新しい進め方に慣れることではなく、新しい考え方にエネルギーを使えます。2コマを続けて取れるなら以下の流れを1つのブロックとして、取れないなら40分ずつの2つに分けて使います。後者の場合は、1コマ目の終わりに回路を分解せず、組んだまま箱にしまいます。ネットワーク記録は、各グループが付ける1ページの記録です。日付、ボードのIPアドレス、MACアドレス、電波の強さ、出合ったエラーとその解決方法を書きます。3週目以降、デバッグの半分はこの記録を見ながら行います。

学校のネットワークの現実：ESP32が学校のWi-Fiにつながらない理由

IoTの単元の多くは、コードではなくネットワークのせいでつまずきます。無印ESP32は2.4 GHz帯でしか動かないので、5 GHzだけで電波を出すアクセスポイントはまったく見えません。学校のネットワークは、家庭のネットワークのように共通のパスワード1つで接続するのではなく、ユーザー名とパスワードを使うエンタープライズ認証（WPA2-Enterprise）を使っていることがよくあります。ESP32はコードを追加すればこれに対応できますが、そのためには生徒や先生の個人アカウントのパスワードをコードに書く必要があり、授業では受け入れられません。ゲストネットワークでは、接続後にブラウザで承認ページ（キャプティブポータル）が開きます。画面もブラウザもないESP32はこのページを通過できず、つながっているように見えてもインターネットには出られません。事前に登録したMACアドレスのデバイスしか許可しない学校もあります。最後の落とし穴は、いちばん知られていないものです。ゲストネットワークでは、たいていデバイス同士が互いに切り離されています（クライアント分離）。この場合、ESP32はネットワークにつながってIPアドレスも表示しますが、同じネットワークのスマホからそのアドレスにアクセスできず、4週目のWebサーバーはいつまでも開きません。

対処法：スマホのテザリングか別のルーター

いちばん手っ取り早いのは、先生のスマホのテザリングです。iPhoneでは「インターネット共有」の設定で「互換性を優先」をオンにすると、電波が2.4 GHzに切り替わります。Androidではテザリングの設定で2.4 GHz帯を選びます。この方法ならインターネットにもつながりますが、スマホが同時に受け入れるデバイスの数には限りがあり、8グループに生徒のスマホも加わると、すぐに上限に達します。実用的なルールは次のとおりです。8台のESP32を先生のスマホにつないだ場合、ブラウザを開く8台の生徒のスマホを別のスマホにつないではいけません。スマホとESP32は同じネットワークにいる必要があるからです。そこで3週目と4週目は、1つのテザリングに4グループ、もう1つのテザリングに残りの4グループをつなぎ、各グループは1台のスマホでテストします。

この単元を毎年繰り返すなら、恒久的な対処法はこの授業専用の別の2.4 GHzルーターです。ルーターは学校のネットワークにつながなくても動きます。ESP32とスマホは同じローカルネットワーク上にあるので、3週目と4週目、そして隣のグループとの演習はインターネットなしでできます。インターネットが必要なのは5週目と6週目（天気、NTP、Telegram）だけです。この2週間はテザリングを使うか、ルーターを学校のネットワークにつなぐ方法をICT担当者と一緒に計画します。ネットワーク名とパスワードは学期ごとに変え、ルーターの管理者パスワードも初日に変更します。物理的なネットワークがまったくない場合は、アプリのWi-Fiプロジェクトのコードにある既定のネットワーク名がWokwi-GUESTなので、同じコードをブラウザで動くWokwiシミュレーターでこのネットワークを使って試せます。単元が始まる少なくとも2週間前に、ICT担当者に次の5つの質問をしてください。

1. 学校に、2.4 GHzで電波を出し、共通のパスワード1つで接続するネットワーク（WPA2-PSK）はありますか？あれば、授業用のデバイスで使えますか？
2. ゲストネットワークにキャプティブポータルとクライアント分離はありますか？同じネットワーク上の2台のデバイスは互いにアクセスできますか？
3. デバイスをMACアドレスで事前に登録する必要はありますか？必要なら、9台のボードのリストをいつまでに提出すればよいですか？
4. 実習室で、学校のネットワークにつながない別のルーターや、先生のスマホのテザリングを使うことは、学校のルールで認められていますか？
5. 5週目と6週目にESP32がインターネットに接続する必要がある場合、ファイアウォールではどの接続が許可されていますか（Webサイト、時刻サーバー、メッセージサービス）？

コード：Wi-Fiにつながり、センサーの値をページに表示するESP32

以下のコードは4週目の中心となるもので、ESP32のボードパッケージに付属するWiFi.hとWebServer.hのライブラリだけを使うため、追加のライブラリは要りません。回路は2週目のままです。LDRモジュールのVCCピンを3V3に、GNDをGNDに、AOをGPIO34につなぎます。GPIO34はADC1にあるので、Wi-Fiがオンでも読み取れます。書き込む前に、AG_ADI（ネットワーク名）とAG_SIFRESI（パスワード）の2つのプレースホルダーを自分の2.4 GHzネットワークの情報に置き換えるか、7週目に行うように、この2行をsecrets.hという別ファイルに移します。コードはそのファイルが見つかれば、そちらを使います。

1// ESP32 Wi-Fi + web sunucu: LDR değerini tarayıcıda göster / ESP32 Wi-Fi + web server: show the LDR value in a browser
2#include <WiFi.h>
3#include <WebServer.h>
4
5// Ağ bilgileri: secrets.h varsa oradan gelir / Network credentials: taken from secrets.h if it exists
6#if __has_include("secrets.h")
7#include "secrets.h"
8#else
9const char* WIFI_SSID = "AG_ADI";       // 2,4 GHz ağın adı / Name of the 2.4 GHz network
10const char* WIFI_PASS = "AG_SIFRESI";   // Ağ şifresi / Network password
11#endif
12
13const int LDR_PIN = 34;   // ADC1 pini, Wi-Fi açıkken de okunur / ADC1 pin, still readable while Wi-Fi is on
14
15WebServer server(80);     // 80 numaralı portta web sunucu / Web server on port 80
16
17// Ana sayfa: ölçümü HTML olarak gönder / Home page: send the reading as HTML
18void handleRoot() {
19  int raw = analogRead(LDR_PIN);              // 0-4095 ham değer / Raw value 0-4095
20  int percent = map(raw, 4095, 0, 0, 100);    // Modülde ışık arttıkça değer düşer / On the module the value drops as light rises
21  String html = "<!DOCTYPE html><html><head><meta charset='utf-8'>";
22  html += "<meta name='viewport' content='width=device-width'>";
23  html += "<script>setTimeout(() => location.reload(), 5000);</script>";   // 5 saniyede bir yenile / Reload every 5 s
24  html += "<title>ESP32 Grup 1</title></head><body>";
25  html += "<h1>Isik: %" + String(percent) + "</h1>";
26  html += "<p>Ham deger: " + String(raw) + "</p>";
27  html += "<p>Sinyal: " + String(WiFi.RSSI()) + " dBm</p>";
28  html += "</body></html>";
29  server.send(200, "text/html", html);        // 200 = istek başarılı / 200 = request OK
30}
31
32// Yalnız sayıyı döndüren adres / Address that returns only the number
33void handleValue() {
34  server.send(200, "text/plain", String(analogRead(LDR_PIN)));
35}
36
37void setup() {
38  Serial.begin(115200);
39  analogReadResolution(12);                   // 12 bit: 0-4095
40  WiFi.mode(WIFI_STA);                        // İstasyon modu: var olan ağa katıl / Station mode: join an existing network
41  WiFi.begin(WIFI_SSID, WIFI_PASS);
42  Serial.print("Baglaniliyor / Connecting");
43  unsigned long start = millis();
44  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED && millis() - start < 20000) {   // En fazla 20 sn bekle / Wait up to 20 s
45    delay(500);
46    Serial.print(".");
47  }
48  if (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
49    Serial.println("\nBaglanamadi, yeniden basliyor / No connection, restarting");
50    delay(2000);
51    ESP.restart();
52  }
53  Serial.print("\nIP: ");
54  Serial.println(WiFi.localIP());             // Telefonda bu adresi aç / Open this address on the phone
55  server.on("/", handleRoot);                 // Ana sayfa: IP/ / Home page: IP/
56  server.on("/deger", handleValue);           // Yalnız sayı: IP/deger / Number only: IP/deger
57  server.begin();
58}
59
60void loop() {
61  server.handleClient();                      // Gelen istekleri karşıla / Serve incoming requests
62}

書き込んだら、シリアルモニタを115200ボーで開きます。点の表示が終わるとIPの行が現れます。たとえば192.168.43.57です。ESP32と同じネットワークにつないだスマホでブラウザを開き、このアドレスを入力します。ページには光の割合（%）、生の値、電波の強さが表示され、ページは5秒ごとに自動で再読み込みされます。LDRを手で覆うと割合が下がります。アドレスの末尾に/degerを付けると生の数値だけが返ってきます。5週目には、隣のグループのESP32がHTTPクライアントでまさにこのアドレスを読み取ります。ボードは20秒以内に接続できないと自動で再起動するので、生徒がフリーズしたと思い込むことはありません。いつまでも接続できない場合は、「ESP32がWi-Fiにつながらないとき」の記事でステータスコードの意味を確認してください。

セキュリティと倫理：飛ばしてはいけない週

IoTの授業では、セキュリティを別のスライド資料として教えるのではなく、生徒が自分のコードに加える変更として教えます。この単元の生徒は、すでに3か所で本物の秘密の情報を扱っています。Wi-Fiのパスワード、6週目のボットのトークン、そして自分たちで測ったデータです。7週目の後半を次の5つのテーマに充て、テーマごとに各グループのプロジェクトで具体的な変更を求めます。

• パスワードをコードに直接書かない：Wi-Fiのパスワードとボットのトークンはsecrets.hという別ファイルに移し、コードを共有したりスクリーンショットを撮ったりするときはそのファイルを外します。プロジェクターに映ったコードの1行で、部屋にいる全員がパスワードを知ることになります。
• 初期パスワードを変更する：ルーターの管理画面、ESP32自身のアクセスポイント（AP）モード、既製のサンプルコードにあるパスワードは、誰もが知っている値です。授業用ルーターのパスワードは初日に変更し、生徒にもプロジェクトにサンプルのパスワードを残さないよう求めます。
• ページはネットワーク上の全員に開かれている：この記事のWebサーバーにはログイン画面がありません。同じネットワークにいる人なら、アドレスを知っていれば誰でもページを開けますし、/onのアドレスがあるプロジェクトならLEDを切り替えることもできます。そのため授業でWeb経由で操作するのは、LED、ブザー、ディスプレイのような害のない出力だけにします。商用電源につながるリレーは、この単元では使いません。
• 個人データの収集：温度や光は個人データではありませんが、廊下を人が通った時刻を記録する人感センサーや、カメラ、マイクは個人データになりえます。最終プロジェクトのアイデアが人の動き、声、映像を記録するものなら、まずクラスで「誰が見るのか、どのくらいの期間保存するのか、許可は得たのか？」に答えさせます。
• 更新と責任：インターネットにつながるデバイスは、一度設定したら忘れてよいものではありません。単元の終わりに授業用ルーターの電源を切り、ボットのトークンを無効にし、ボードをリセットするところを生徒に見せ、デバイスの寿命全体を通して誰が責任を持つのかを話し合います。

材料リスト：1グループあたりと8グループ分

リストは生徒24人、3人ずつ8グループを想定しています。予備1セットを含めて9セットあれば十分です。部品の多くは最初の週に購入し、その後の週でも使い回します。たとえばLCDは2週目から5週目までの4つのプロジェクトで使います。はんだ付けは不要です。I2C LCDやOLEDのようなモジュールはオス・メスのジャンパーワイヤーでつなぎます。LDRモジュールの代わりにLDR単体を使う場合は、各グループに10 kΩの抵抗を1本加え、2週目に分圧回路を一緒に組みます。

評価：最終プロジェクトの評価基準

最終プロジェクトのルールはシンプルにします。センサー1つ、Wi-Fi接続1つ、共有の方法1つ（Webページかメッセージ）です。グループは6週目の終わりにアイデアを1文で書き、7週目に部品リストを作り、8週目の1コマ目で組み立て、2コマ目で3分ずつ発表します。採点は以下の6つの観点で行います。各観点1〜3点、合計18点です。ルーブリックの全体的な考え方、提出シート、ポートフォリオについては、「Arduinoプロジェクト評価のルーブリック」の記事のテンプレートをそのまま使えます。

毎週のまとめの質問と単元前のチェックリスト

1. 1週目：INPUT_PULLUPに設定したピンで、ボタンを押している間digitalRead()は何を返しますか？それはなぜですか？
2. 2週目：Wi-FiがオンのときにGPIO4につないだポテンショメーターを読み取れないのはなぜですか？どのピンを選ぶべきですか？
3. 3週目：WiFi.status()が未接続を示しているとき、最初に確認する2つのことは何ですか？
4. 4週目：ブラウザに入力したIPアドレスが、翌週には違っているかもしれないのはなぜですか？
5. 5週目：今週のESP32はサーバーでしたか、クライアントでしたか？ステータスコード200と404は何を表していますか？
6. 6週目：ボットのトークンがスクリーンショットに写り込んだらどうなりますか？MQTTでのブローカーの役割は何ですか？
7. 7週目：同じ電池で、ESP32は常時動作なら数日、ディープスリープなら数か月動くことがあります。この違いを生むのは何ですか？
8. 8週目：自分たちのデバイスはどんなデータを集め、誰が見られて、どのくらいの期間保存されますか？

• 単元の2週間前：ICT担当者に5つの質問をし、答えに応じてテザリングかルーターかを決める。
• 単元の2週間前：ボードを数え、各ボードのMACアドレスをラベルに書く（登録が必要ならリストをICT担当者に渡す）。
• 単元の1週間前：すべてのパソコンにESP32のボードパッケージと、DHT、LiquidCrystal I2C、AsyncTCP、ESPAsyncWebServerのライブラリをインストールし、ボード1台でテストする。
• 単元の1週間前：テザリングを2.4 GHzに設定し、ネットワーク名とパスワードを変更し、ESP32を1台つないでスマホからそのページを開く。
• 単元の1週間前：グループごとにネットワーク記録のページをコピーし、センサーとLCDをテストしてから箱に入れる。
• 5週目の前：プレミアムのプロジェクト用のコードを用意し、生徒のどの情報が共有されるかを伝える。

単元の中でのBlueGraysの使いどころ

• ESP32のプロジェクト：「発見」›「プロジェクト」の「絞り込み」でプラットフォームにESP32を選びます。Wi-Fi接続からディープスリープまで、約50件のESP32プロジェクトがあります。どのプロジェクトにも回路図、数量付きの部品リスト、コピーできるソースコードがあります。パソコンでコードを開くには「リンクをコピー」が便利です。
• 「コードを理解」：毎週20〜30分目はこのタブを使います。「このコードの働き」の要約、「ステップごとの解説」、「困ったときは」、「自分で試す」の課題です。最初の4週間のプロジェクトでは無料で、プレミアムのプロジェクトではプレミアムで利用できます。
• ピン配置ツール：「ピン配置」ツールでESP32のピンを選ぶと、その種類と注意点が表示されます。ADC2のピンを選ぶとWi-Fiがオンの間はアナログ読み取りができないこと、ADC1のピンを選ぶとWi-Fiがオンでも読み取れることが示されます。2週目にピンを選ぶとき、プロジェクターに映すのに最適です。ピン配置はプレミアムのツールです。
• 電池の持続時間ツール：「電池の持続時間」ツールで既製のプロファイル「ESP32・ディープスリープ」を選びます。電池の容量、動作中の電流と時間、スリープ中の電流と周期を入力すると、推定動作時間と平均電流が計算されます。7週目の「常時動作とスリープの比較」はこの画面で行います。このツールはプレミアムで、無料ユーザーは計算例を見られます。
• 教育者向けパッケージ：5週目からはプレミアムのプロジェクトが必要なので、グループごとに1つのアカウントをプレミアムにします。8グループと先生の分は、年額の10個パックでまかなえます。1回限りの支払いで自動更新はなく、生徒はカードを登録しません。各コードを誰が使ったかは「マイコード」で確認でき、コードを次の学期のグループに移行することもできます。5週目の1コマ目に配る30日間の1か月コードでは、最後の4週間をぎりぎりカバーするだけで、途中に休みが入ると足りなくなります。詳しくは「クラス向けプレミアムコード」の記事をご覧ください。

8週間が終わると、生徒の手元にあるのは動作するデバイスだけではありません。デバイスがネットワーク上でどう会話するのか、なぜつながらないのか、どれだけのエネルギーを使うのか、誰のデータを集めているのかを考える習慣が身についています。それこそが職業教育で求められているものです。各週のプロジェクト、回路図、「コードを理解」の解説を授業前に確認しておきたい場合は、BlueGraysアプリでESP32の絞り込みを開くだけです。