Arduino, ESP32 или Raspberry Pi Pico для школы: какую плату выбрать?

Короткий ответ на вопрос Arduino, ESP32 или Raspberry Pi Pico для школы: большинству школ стоит начинать с Arduino Uno. Если в целях курса есть интернет вещей (IoT), то есть устройства, которые отправляют данные по Wi-Fi или управляются с телефона, добавь вторым шагом ESP32; если в школе уже преподают Python, второй платой пусть станет Raspberry Pi Pico. Вместо того чтобы пытаться провести весь год на одной плате, думай слоями: в первом полугодии Uno на 5 V, устойчивая к ошибкам и с огромным количеством материалов, закладывает основы электроники и программирования, а во втором полугодии те же проекты повторяются и расширяются на второй плате, подходящей под твою цель.

Это не руководство по покупке для себя: какую плату выбрать одному человеку, мы разобрали в статьях какую Arduino купить и Arduino или ESP32, а познакомиться с каждой платой можно в статьях что такое ESP32 и что такое Raspberry Pi Pico. Здесь мы смотрим на вопрос глазами школы: 24 ученика, 8 групп, компьютеры, на которых нужны права администратора, уроки по 40–45 минут и шкаф с оборудованием, которым будут пользоваться несколько лет. Сначала идёт техническая таблица для решения, затем рекомендации по цели курса и возрасту учеников, различия в установке и пример плана на год.

Чем школьное решение отличается от личного?

Для того, кто покупает одну плату домой, главный вопрос звучит так: «что можно собрать на этой плате?». В школе вопрос меняется: «чему 24 ученика смогут научиться на этой плате одновременно, на одном уроке и с наименьшим количеством проблем?». Если ученик не находит порт дома, теряется 5 минут; если в классе порт не находят три группы из восьми, урок окончен. Поэтому в школе мегагерцы и килобайты уходят на второй план. Важны другие вопросы: сколько шагов занимает установка, повредит ли плату неправильно вставленный провод, можно ли подключать датчики напрямую и найдёт ли педагог готовые материалы для уроков?

Есть ещё и время. Школьными платами обычно пользуются не один год, а несколько, и каждый год новый класс открывает тот же шкаф. Поэтому выбирать стоит не по принципу «какая плата мощнее?», а по принципу «какая последовательность плат ведёт учеников к следующему шагу?». Логика программ, освоенная на Uno, продолжается на ESP32 на том же языке, а на Pico с теми же понятиями; в этом и сила поэтапного плана. Провести весь год на одной плате можно, но тогда либо первые недели становятся неоправданно сложными, либо к концу года ученики так и не увидят важного шага вроде беспроводной связи или второго языка программирования.

Таблица для решения: чем Uno, ESP32 и Pico отличаются в школе?

В таблице ниже платы сравниваются по критериям, которые действительно важны в школе. В столбце ESP32 — 30-пиновая ESP32 DevKit (с модулем ESP32-WROOM-32), самая распространённая в школах; столбец Pico охватывает Raspberry Pi Pico и её беспроводную версию Pico W. Столбец Uno относится к классической Uno R3; отличия Uno R4 ты найдёшь в нашей статье Arduino Uno R4.

Обрати особое внимание на две строки: рабочее напряжение и устойчивость к ошибкам. Поскольку пины Uno работают на 5 V, большинство модулей датчиков на рынке подключаются к ней напрямую, а провод, вставленный учеником не в то гнездо, обычно означает лишь то, что схема не работает. Пины ESP32 и Pico рассчитаны на 3,3 V; если на них попадёт сигнал 5 V, пин или вся плата могут выйти из строя. Для одного ученика это мелочь, но в классе из 8 групп это напрямую влияет на бюджет запасных плат. Строка стоимости тоже не должна решать всё сама по себе: цена платы — лишь небольшая доля общей суммы, когда к ней добавляются макетные платы, провода, датчики и запас.

Какая плата для какой цели курса?

Прежде чем выбирать плату, запиши одним предложением, что ученики должны уметь в конце курса. «Объяснить на основе измерений, зачем светодиоду резистор» и «видеть данные о температуре на телефоне» требуют разных плат. Все стартовые проекты из таблицы ниже бесплатны в BlueGrays и открываются со схемой, списком деталей и кодом.

Чаще всего неправильно понимают две строки: Python и IoT. Выбрать Pico для обучения Python — значит дать ученикам применить цикл for и оператор if, которые они пишут на компьютере, к светодиоду с тем же синтаксисом; одна строка, набранная в окне Shell в Thonny, сразу зажигает светодиод на плате. Для IoT преимущество ESP32 не только в том, что Wi-Fi есть на самой плате, но и в том, что проекты на ESP32 пишутся на Arduino C++, как и на Uno: pinMode(), digitalRead() и if, освоенные в первом полугодии, во втором используются без изменений, и ученики учатся только подключаться к Wi-Fi и отдавать веб-страницу. Pico W тоже умеет подключаться к Wi-Fi; если школе нужны и Python, и IoT, Pico W закрывает обе задачи на одной плате.

Рекомендации по возрасту учеников

Один только возраст ничего не решает: из двух классов одного возраста один мог уже заниматься блочным программированием, а у другого не было ни одного урока информатики. И всё же длительность урока, привычка учеников работать с клавиатурой и файлами и школьное расписание заметно меняются от ступени к ступени. Таблица ниже подытоживает эти различия; столбец «следующий шаг» показывает шаг, который стоит сделать, когда ученики будут готовы, и не обязательно в том же году.

Начало с блоков в средней школе облегчает чтение программ, но не меняет выбор платы: большинство проектов с блоками в BlueGrays — это проекты на Arduino, и блоки нужны для чтения программы; на плату всегда загружается настоящий код проекта. Если хочется увидеть эквиваленты блоков на C++ и MicroPython рядом, загляни в таблицу перехода от блоков к C++. В старшей школе и профессиональном обучении знакомство с двумя платами уже само по себе достижение: ученик, у которого один и тот же датчик работал и на плате 5 V, и на плате 3,3 V, больше не забудет об уровнях напряжения. На курсы для взрослых большинство участников приходят с конкретной целью; спросить на первом занятии «что хочется собрать?» и выбрать плату под ответ работает лучше, чем вести всех одной дорогой.

Установка на школьные компьютеры: драйверы, пакет плат, Thonny и права администратора

Скрытая цена выбора платы в школе — это установка. То, что дома делается один раз, в школе повторяется на 8 ученических компьютерах и одном компьютере педагога, а в большинстве школ устанавливать программы может только школьный системный администратор. Нагрузка на установку у трёх плат заметно разная:

Одна особенность пакета плат ESP32 часто создаёт проблемы в школе: пакет ставится не для всего компьютера, а в папку пользователя, который вошёл в систему. Если ученики входят под общей учётной записью, проблем нет; если у каждого своя учётная запись, пакет скачивается заново для каждой. На компьютерах, которые при каждой перезагрузке возвращаются в исходное состояние, установка на следующий день исчезает; в этом случае попроси школьного системного администратора добавить пакет в защищённый образ системы. У Pico такой проблемы нет, потому что MicroPython хранится на самой плате: плату достаточно подготовить один раз, и весь год Thonny распознаёт её на любом компьютере, к которому она подключена.

К школьному системному администратору иди с чётким списком: вместо «нужно установить Arduino» передай пункты ниже. Список можно отправить с пунктами для Uno перед первым полугодием и с пунктами для ESP32 или Pico перед вторым:

1. Настольная версия Arduino IDE 2 на 8 ученических компьютерах и 1 компьютере педагога.
2. Драйвер CH340, CP210x или CH9102 в зависимости от USB-микросхемы совместимых плат Uno или ESP32; посмотри маркировку микросхемы на плате, когда придёт заказ.
3. Если используется ESP32: пакет esp32 by Espressif Systems из «Менеджера плат» и библиотеки, нужные на уроках; они должны быть видны и в ученических учётных записях.
4. Если используется Pico: Thonny. Если политика безопасности блокирует USB-накопители, диск RPI-RP2, который Pico показывает в режиме BOOTSEL, тоже не появится; в начале полугодия один раз запиши MicroPython на платы на своём компьютере.
5. Доступ ученических учётных записей к последовательным USB-портам не должен быть ограничен.
6. После установки 10-минутная проверка под ученической учётной записью: подключить плату, выбрать порт, загрузить пример кода.

Поэтапный план: пример на год

Допустим, у тебя 2 урока в неделю, в классе 24 ученика, и они работают в 8 группах по три человека. Предположим, что в каждом полугодии на практику можно выделить около 14 недель. В первом полугодии все закладывают одинаковую основу на Uno; во втором полугодии в зависимости от цели школы выбирается путь A (ESP32, IoT) или путь B (Pico, Python). Оба пути намеренно начинаются со знакомого проекта: ученики заново собирают первый проект первого полугодия на новой плате и сами видят разницу. Все проекты в таблице бесплатны.

В первую неделю второго полугодия не объясняй новую тему: пусть ученики соберут знакомый проект со светодиодом на новой плате, а ты спроси только «что изменилось?». Номера пинов, 3,3 V, выбор пакета плат для ESP32 или то, что код на Pico написан на Python, — вот ответы, а различия, найденные самостоятельно, ученики не забывают. Первый урок пути A мы расписали по минутам в плане первого урока по ESP32, а продолжение по неделям — в 8-недельном модуле ESP32 IoT; для пути B можно сразу использовать 6-недельный план по Pico и MicroPython.

Поэтапный план ещё и делит бюджет. В первый год вложения идут только в наборы Uno; поскольку вторая плата работает со светодиодами, резисторами, кнопками, фоторезисторами (LDR) и датчиками из этих наборов, обычно это означает лишь платы, кабели и несколько дополнительных деталей. В статье как организовать Arduino-лабораторию в школе мы советовали несколько плат ESP32 и Pico для демонстраций; если на вторую плату переходит весь класс, считай платы по числу групп, а не по демонстрационному комплекту. Список второго слоя на 8 групп и 1 запасную плату:

• Путь A: по 1 ESP32 DevKit на группу, 9 штук на класс; 9 кабелей с передачей данных под USB-разъём платы. Большинство ESP32 DevKit занимают почти всю одну макетную плату; если соединить две макетные платы рядом и поставить плату посередине, подключать провода станет проще.
• Путь B: по 1 Raspberry Pi Pico H или Pico WH (с припаянными гребёнками) на группу, 9 штук на класс; 9 кабелей micro USB с передачей данных. Если покупать Pico без гребёнок, придётся отдельно выделить время на пайку 9 плат.
• Для обоих путей: если используется HC-SR04 на 5 V, по одному резистору 1 kΩ и 2 kΩ на группу, по 9 штук на класс; или версия датчика на 3,3 V.
• Для недель с беспроводной связью: вместо школьной сети точка доступа на телефоне, вещающая на 2,4 GHz, или отдельный роутер (путь A, а также путь B с Pico W).

5 частых ошибок школ при выборе платы

• Покупать IoT-плату без IoT-цели: раз ESP32 мощная, хочется в первый же год купить ESP32 всем. Но если Wi-Fi не используется, ученики живут с ограничением 3,3 V и лишними шагами установки, ничего не получая взамен.
• Смешивать платы на одном уроке: если четыре группы работают с Uno, а четыре с Pico, ты ведёшь два урока одновременно. Меняй плату в конце полугодия или раздела; в классе с разным уровнем подготовки разницу задавай сложностью заданий, а не платой.
• Путать Pico и Pico W: Wi-Fi есть только у версии W. Если планируется беспроводной раздел, при заказе проверь букву W; для знакомства с Python хватит обычной Pico.
• Приходить на урок с кабелями только для зарядки: такие USB-кабели питают плату, но порт не появляется, и ученики долго ищут несуществующую проблему с драйвером. В начале полугодия проверь кабели по одному на плате и пометь кабели с передачей данных.
• Считать совместимые платы точной копией оригинала: совместимые платы Uno и ESP32 разумны для школьного бюджета, но USB-микросхемы у них бывают другими, и может понадобиться драйвер. Перед оптовым заказом проверь образец платы на школьном компьютере под ученической учётной записью.

Как три платы представлены в BlueGrays

BlueGrays делит проекты на три платформы, и это деление подходит для поэтапного плана: для Arduino проектов больше 110, для ESP32 около 50, для Raspberry Pi Pico больше 30. Из них 60 полностью бесплатны: 20 для Arduino, 20 для ESP32 и 20 для Pico. В бесплатных проектах открыты схема, список деталей, код и раздел Разбор кода; все проекты из таблицы плана выше выбраны из них. Код проектов для Arduino и ESP32 написан на Arduino C++, для Pico — на MicroPython. В разделе Обзор › Проекты выбери платформу через Фильтр, а в Цена — бесплатные, и получишь список проектов под плату твоего курса.

• Подбор проекта: второй вопрос звучит как «Какая у тебя плата?», варианты: Arduino Uno / Nano, ESP32, Raspberry Pi Pico и «Платы пока нет». Ученики выбирают свою плату и получают предложения, а подсказка СНАЧАЛА РАЗМИНКА · БЕСПЛАТНО на экране результатов показывает бесплатный проект, с которого можно начать с теми же деталями. Подробнее в статье о «Подборе проекта».
• Справочник по коду: в Справочнике по коду в разделе Учёба два курса, Arduino C++ и MicroPython, по 18 карточек в каждом. Пример на каждой карточке есть на вкладках «Блоки», «Arduino» и «MicroPython», так что ученик на пути B видит C++- и Python-версии одной и той же команды рядом. Список карточек — в статье о справочнике по коду.
• Вопросы дня: в настройке Язык кода в вопросах можно выбрать «Оба», «Arduino» или «MicroPython»; класс на пути B во втором полугодии может перейти на вопросы по MicroPython.
• Собираем вместе: шаг 3. Загрузи код пошагового режима меняется в зависимости от платы: в проектах для Arduino и ESP32 плата и порт выбираются в меню «Инструменты» (Tools) Arduino IDE, в проектах для Pico в Thonny выбирается интерпретатор MicroPython. Если пройти этот шаг вместе на проекторе на первом уроке, вопросов по установке станет меньше.
• Premium и пакеты для педагогов: Premium привязан к аккаунту и открывает проекты всех трёх платформ сразу; чтобы во втором полугодии перейти на ESP32 или Pico, ученикам больше ничего покупать не нужно. Для всего класса: как работают пакеты на 5 и 10 кодов без автопродления в разделе Профиль › Пакеты для педагогов, мы объяснили в статье коды Premium оптом для класса.

6 вопросов перед решением: возьми их на заседание методического объединения

1. Что ученики должны уметь в конце курса: объяснять схему, писать код, отправлять данные в сеть?
2. Преподают ли в школе Python или C++, и если да, то в каких классах?
3. Сколько групп будет работать и сколько запасных плат оставить?
4. У кого есть права на установку программ на компьютеры и сколько времени займёт установка?
5. Датчики в наличии рассчитаны на 5 V или 3,3 V и подходят ли они ко второй плате?
6. Разрешает ли школьная сеть подключать устройства или понадобится точка доступа на телефоне?

Если ответы на первые два вопроса ясны, плата определяется сама: Uno для основ электроники и алгоритмов, ESP32 для связи, Pico для Python. Прежде чем принимать решение, открой бесплатные проекты из этого плана в приложении BlueGrays со схемами и кодом и просмотри их за один вечер: это самый быстрый способ понять, какой путь подходит твоему классу.