Модуль IoT на ESP32: 8 недель интернета вещей

Когда составляешь курс IoT на ESP32 для старших классов или колледжа, раздели модуль на четыре слоя: сначала плата воспринимает окружение (GPIO и датчики), потом подключается к сети (Wi-Fi), затем обменивается данными (веб-сервер, HTTP-клиент, сообщения) и, наконец, учится работать от батареи и быть защищённой (глубокий сон и безопасность). При двух уроках в неделю эти четыре слоя спокойно укладываются в восемь недель: две недели на железо, две на сеть и сервер, две на обмен данными, одна на питание и безопасность и неделя на итоговый проект. В конце ученики сдают устройство, которое читает датчик, показывает значение на странице, открытой с телефона, или отправляет сообщение на телефон, когда что-то происходит, имеет рассчитанное время работы от батареи и не хранит пароль в коде на виду.

Эта статья продолжает план первого урока по ESP32; установка, драйверы, кнопка BOOT и первый светодиод разобраны там и здесь не повторяются. Здесь есть таблица по неделям с целями, реальными проектами BlueGrays, понятиями и результатами, скелет еженедельного урока на 80 минут, объяснение, почему школьная сеть обычно не пускает ESP32 и как это исправить, пять вопросов для IT-службы, компилируемый код веб-сервера по Wi-Fi, раздел о безопасности и этике, список наборов на 8 групп и критерии итогового проекта. Примеры построены на таком допущении: 24 ученика работают в 8 группах по три человека, в неделю два урока (2 × 40 минут). Если класс другой, масштабируй время.

Как устроен модуль: измерить, подключить, поделиться, сэкономить энергию

Урок по интернету вещей (IoT) учит не самому интернету, а тому, как устройство общается с другими устройствами в сети. Для этого сначала нужно что-то измерять: плате, которая подключается к Wi-Fi, но ничего не измеряет, нечего сказать в сети. Поэтому первые две недели намеренно проходят без Wi-Fi: ученики работают с кнопкой, LDR и датчиком температуры и влажности, разбираются с выбором пинов и интервалом измерений. На третьей неделе плата подключается к сети, на четвёртой становится сервером, на пятой превращается в клиента, который запрашивает данные у другого сервера, а на шестой сообщает о событии сообщением. Седьмая неделя отдана двум темам, которые пропускает большинство коротких IoT-мастер-классов: время работы от батареи и безопасность. Каждый слой строится на предыдущем, поэтому не меняй порядок; если неделя Wi-Fi пошла плохо, реши проблему с подключением, прежде чем идти дальше.

План уроков IoT на ESP32 на 8 недель

Каждый проект из таблицы есть в BlueGrays со схемой, списком деталей и кодом. Проекты первых четырёх недель, включая подключение к Wi-Fi и веб-сервер, полностью бесплатны; проекты с HTTP-клиентом, Telegram, WebSocket и глубоким сном, которые используются с 5-й недели, относятся к Premium. Так что в первый месяц Premium не нужен ни одному ученику; что делать, когда он понадобится, написано в конце статьи.

Три замечания к таблице. Во-первых, готового проекта с MQTT в приложении нет; на 6-й неделе объясни MQTT как понятие на доске (устройства не общаются друг с другом напрямую, а публикуют сообщения в теме на сервере-посреднике, брокере, а кому интересно, подписывается на эту тему), а практическую часть сделай с уведомлением в Telegram и страницей на WebSocket. Подробности о Telegram — в статье Telegram-бот на ESP32. Во-вторых, проекту Async Web Server на 4-й неделе нужны библиотеки AsyncTCP и ESPAsyncWebServer; установи их на каждый компьютер до урока, иначе компиляция остановится на первой же строке. В-третьих, упражнению с соседней группой на 5-й неделе интернет не нужен: ESP32 группы A читает адрес /deger на сервере, который группа B собрала на 4-й неделе. Если в школе нет доступа в интернет, эта неделя всё равно работает.

Скелет еженедельного урока: 80 минут

Если каждая неделя идёт по одному и тому же скелету, ученики тратят силы на новое понятие, а не на привыкание к новому распорядку. Если два урока можно поставить подряд, план ниже работает как один блок; если нет — как две половины по 40 минут, и тогда в конце первого урока не разбирай схему, а убери её в коробку собранной. Сетевой журнал — это одностраничная запись, которую ведёт каждая группа: дата, IP-адрес платы, MAC-адрес, уровень сигнала, с какой ошибкой столкнулись и как её исправили. С 3-й недели половина всей отладки сводится к просмотру этого журнала.

Реальность школьной сети: почему ESP32 не подключается к школьному Wi-Fi

Большинство IoT-модулей буксует из-за сети, а не из-за кода. Классическая ESP32 работает только в диапазоне 2,4 GHz; точку доступа, которая вещает только на 5 GHz, она просто не видит. Школьные сети часто используют не один общий пароль, как домашняя сеть, а корпоративную аутентификацию по логину и паролю (WPA2-Enterprise); ESP32 может её поддерживать с дополнительным кодом, но тогда в код придётся вписать пароль от личной учётной записи ученика или учителя, а на уроке это недопустимо. Гостевые сети после подключения открывают в браузере страницу подтверждения (captive portal); у ESP32 нет ни экрана, ни браузера, так что пройти эту страницу она не может: выглядит подключённой, но в интернет так и не выходит. Некоторые школы пускают только устройства, MAC-адрес которых зарегистрирован заранее. Последняя ловушка наименее известна: гостевые сети обычно изолируют устройства друг от друга (изоляция клиентов). В этом случае ESP32 подключается к сети и даже показывает свой IP-адрес, но телефон в той же сети не может достучаться до этого адреса, и веб-сервер 4-й недели так и не открывается.

Решение: точка доступа на телефоне или отдельный роутер

Самое быстрое решение — точка доступа на твоём телефоне. На iPhone включение Максимальная совместимость (Maximize Compatibility) в настройках «Режим модема» переводит раздачу на 2,4 GHz; на Android диапазон 2,4 GHz выбирается в настройках точки доступа. Так появляется и доступ в интернет, но телефоны принимают лишь ограниченное число устройств одновременно, и с 8 группами плюс телефонами учеников лимит быстро заполняется. Практическое правило: если 8 плат ESP32 подключены к телефону учителя, то 8 телефонов учеников, на которых откроют браузер, нельзя подключать ко второму телефону, потому что телефон и ESP32 должны быть в одной сети. Поэтому на 3-й и 4-й неделях подключи 4 группы к одной точке доступа, а остальные 4 — ко второй, и пусть каждая группа проверяет всё с одного телефона.

Если модуль будет повторяться каждый год, постоянное решение — отдельный роутер 2,4 GHz только для этого класса. Роутер работает без подключения к школьной сети; 3-я и 4-я недели и упражнение с соседней группой проходят без интернета, потому что ESP32 и телефон находятся в одной локальной сети. Интернет нужен только на 5-й и 6-й неделях (погода, NTP, Telegram); на эти две недели либо используй точку доступа на телефоне, либо заранее спланируй вместе с IT-службой подключение роутера к школьной сети. Каждую четверть меняй имя сети и пароль, а пароль администратора роутера смени в первый же день. Если физической сети нет совсем, в коде Wi-Fi-проектов приложения по умолчанию указано имя сети Wokwi-GUEST; тот же код можно попробовать с этой сетью в симуляторе Wokwi в браузере. Задай IT-службе эти пять вопросов не позже чем за две недели до начала модуля:

1. Есть ли в школе сеть, которая вещает на 2,4 GHz с одним общим паролем (WPA2-PSK), и если есть, можно ли подключать к ней учебные устройства?
2. Есть ли в гостевой сети captive portal и изоляция клиентов? Могут ли два устройства в одной сети достучаться друг до друга?
3. Нужно ли заранее регистрировать устройства по MAC-адресу? Если да, к какому сроку нужен список из 9 плат?
4. Допускают ли школьные правила отдельный роутер в лаборатории, не подключённый к школьной сети, или точку доступа на телефоне учителя?
5. Если платам ESP32 на 5-й и 6-й неделях нужен интернет, какие соединения пропускает межсетевой экран (сайты, серверы времени, мессенджеры)?

Код: ESP32 подключается к Wi-Fi и показывает значение датчика на странице

Код ниже — основа 4-й недели; он использует только библиотеки WiFi.h и WebServer.h, которые входят в пакет платы ESP32, так что дополнительные библиотеки не нужны. Схема остаётся со 2-й недели: пин VCC модуля LDR к 3V3, GND к GND, AO к GPIO34. GPIO34 находится на ADC1, поэтому читается и при включённом Wi-Fi. Перед загрузкой замени два заполнителя AG_ADI (имя сети) и AG_SIFRESI (пароль) данными своей сети 2,4 GHz или вынеси эти две строки в отдельный файл secrets.h, как это будет сделано на 7-й неделе; если код находит этот файл, он берёт данные из него.

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}

После загрузки открой монитор порта на скорости 115200 бод. Когда точки перестанут появляться, выводится строка с IP, например 192.168.43.57. На телефоне, подключённом к той же сети, что и ESP32, открой браузер и введи этот адрес: страница показывает процент освещённости, сырое значение и уровень сигнала и сама перезагружается каждые 5 секунд. Закрой LDR ладонью, и процент упадёт. Если добавить к адресу /deger, придёт только сырое число; на 5-й неделе ESP32 соседней группы будет читать именно этот адрес HTTP-клиентом. Если плата не может подключиться за 20 секунд, она сама перезагружается, чтобы ученикам не казалось, что она зависла. Если подключение так и не появляется, что означают коды статуса, смотри в статье ESP32 не подключается к Wi-Fi.

Безопасность и этика: неделя, которую нельзя пропускать

На уроке IoT безопасность изучают не отдельной презентацией, а как изменение, которое ученики вносят в собственный код. В этом модуле у учеников уже есть настоящие секреты в трёх местах: пароль Wi-Fi, токен бота с 6-й недели и данные, которые они измеряют сами. Отдай вторую половину 7-й недели этим пяти темам и по каждой попроси конкретное изменение в проекте каждой группы:

• Не вписывать пароли прямо в код: вынеси пароль Wi-Fi и токен бота в отдельный файл secrets.h и не включай этот файл, когда делишься кодом или делаешь скриншоты. Одна строка кода на проекторе — и пароль знает весь класс.
• Менять пароли по умолчанию: админ-панели роутеров, собственный режим точки доступа (AP) у ESP32 и пароли в готовых примерах кода — это значения, которые знают все. Смени пароль классного роутера в первый же день и попроси учеников не оставлять в проектах пароли из примеров.
• Страница открыта всем в сети: у веб-сервера из этой статьи нет экрана входа; любой в той же сети, кто знает адрес, может открыть страницу, а в проекте с адресом /on ещё и переключить светодиод. Поэтому на уроке через веб управляют только безобидными выходами вроде светодиодов, зуммеров и дисплеев; реле, подключённые к сетевому напряжению, в этом модуле не используются.
• Сбор персональных данных: температура и освещённость не персональные данные, но датчик движения, который записывает, когда люди проходят по коридору, камера или микрофон могут ими стать. Если идея итогового проекта записывает движение, голос или изображение людей, пусть класс сначала ответит: «Кто это видит, сколько это хранится, есть ли на это разрешение?»
• Обновления и ответственность: устройство, подключённое к интернету, нельзя настроить один раз и забыть. Покажи ученикам, что в конце модуля классный роутер выключают, токены ботов отзывают, а платы сбрасывают, и обсуди с ними, кто отвечает за устройство на протяжении всей его жизни.

Список наборов: на группу и на 8 групп

Список рассчитан на 24 ученика в 8 группах по три человека; хватает 9 наборов, включая один запасной. Большую часть деталей покупают для первых недель и потом используют снова; LCD, например, встречается в четырёх проектах со 2-й по 5-ю неделю. Пайка не нужна: модули вроде LCD с I2C и OLED подключаются перемычками «папа–мама». Если вместо модуля LDR используется голый LDR, добавь на каждую группу резистор 10 kΩ и на 2-й неделе собери делитель напряжения вместе с классом.

Оценивание: критерии итогового проекта

Правило итогового проекта держи простым: один датчик, одно подключение к Wi-Fi и один способ поделиться данными (веб-страница или сообщение). Группы записывают идею одним предложением в конце 6-й недели, составляют список деталей на 7-й, собирают на первом уроке 8-й недели и выступают с трёхминутными презентациями на втором. Оценивай по шести критериям ниже; каждый даёт 1–3 балла, всего 18. Общую логику критериев оценивания, форму сдачи и портфолио можно взять как есть из шаблона в статье критерии оценивания уроков Arduino.

Еженедельные вопросы на выходе и чек-лист перед модулем

1. Неделя 1: что возвращает digitalRead() на пине в режиме INPUT_PULLUP, пока кнопка нажата, и почему?
2. Неделя 2: почему потенциометр на GPIO4 нельзя прочитать, пока включён Wi-Fi? Какие пины стоит выбрать?
3. Неделя 3: если WiFi.status() сообщает, что подключения нет, какие две вещи стоит проверить первыми?
4. Неделя 4: почему IP-адрес, который вводится в браузере, на следующей неделе может оказаться другим?
5. Неделя 5: кем на этой неделе была твоя ESP32, сервером или клиентом? Что сообщают коды статуса 200 и 404?
6. Неделя 6: что будет, если токен бота попадёт на скриншот? Какую роль в MQTT играет брокер?
7. Неделя 7: от одной и той же батареи ESP32 работает несколько дней, если всё время включена, и несколько месяцев в глубоком сне. От чего зависит разница?
8. Неделя 8: какие данные собирает твоё устройство, кто может их видеть и сколько они хранятся?

• За две недели до модуля: задай IT-службе пять вопросов и по ответам выбери между точкой доступа на телефоне и роутером.
• За две недели до модуля: пересчитай платы и напиши MAC-адрес каждой платы на её наклейке (если нужна регистрация, передай список IT-службе).
• За неделю до модуля: установи на каждый компьютер пакет платы ESP32 и библиотеки DHT, LiquidCrystal I2C, AsyncTCP и ESPAsyncWebServer; проверь всё на одной плате.
• За неделю до модуля: переключи точку доступа на 2,4 GHz, смени её имя и пароль, подключи ESP32 и открой её страницу с телефона.
• За неделю до модуля: распечатай страницу сетевого журнала для каждой группы, проверь датчики и LCD и разложи их по коробкам.
• Перед 5-й неделей: подготовь коды для Premium-проектов и расскажи ученикам, какие их данные становятся видны.

Где в модуле пригодится BlueGrays

• Проекты на ESP32: в разделе «Обзор › Проекты» через Фильтр выбери платформу ESP32; там около 50 проектов на ESP32, от подключения к Wi-Fi до глубокого сна. У каждого есть схема, список деталей с количеством и исходный код, который можно скопировать. Копировать ссылку удобно, чтобы открыть код на компьютере.
• Разбор кода: минуты 20–30 каждой недели проходят на этой вкладке: сводка Что делает этот код?, объяснение Шаг за шагом, раздел Если не получается и задание Твоя очередь. В проектах первых четырёх недель он бесплатный, а в Premium-проектах открывается с Premium.
• Утилита распиновки: в утилите распиновки при выборе любого пина ESP32 показываются его тип и предупреждения; для пина ADC2 сказано, что аналоговое чтение при включённом Wi-Fi невозможно, а для пина ADC1 — что его можно читать и с включённым Wi-Fi. Идеально для проектора, когда на 2-й неделе выбирают пины. «Распиновка» — утилита Premium.
• Калькулятор времени работы от батареи: в калькуляторе времени работы от батареи выбери готовый профиль ESP32 · глубокий сон; введи ёмкость батареи, ток и время в активном режиме, ток во сне и длину цикла, и он посчитает ожидаемое время работы и средний ток. Сравнение «всегда включена или спит» на 7-й неделе делается на этом экране. Утилита относится к Premium; бесплатным пользователям доступен «Пример расчёта».
• Пакеты для педагогов: с 5-й недели нужны Premium-проекты, поэтому Premium должен быть хотя бы на одном аккаунте в каждой группе. Годовой пакет из 10 кодов покрывает 8 групп и учителя; это разовый платёж без автопродления, ученикам не нужно привязывать карту, в разделе Мои коды видно, кто использовал каждый код, а коды можно передать группе следующей четверти. Месячного кода на 30 дней, выданного на первом уроке 5-й недели, едва хватает на последние четыре недели; если между ними попадут каникулы, его не хватит. Подробности — в статье коды Premium для класса.

Через восемь недель у учеников есть не просто работающее устройство, а привычка думать о том, как устройство общается в сети, почему оно не подключается, сколько энергии потребляет и чьи данные собирает, а именно это и нужно в профессиональном обучении. Если хочется до урока пройтись по проектам, схемам и объяснениям «Разбора кода» каждой недели, просто включи фильтр ESP32 в приложении BlueGrays.