🚀 Экосистема IoT. Как устройства общаются друг с другом

Понять принципы сетевого взаимодействия в IoT и познакомиться с основными протоколами связи через практические эксперименты

• Учащиеся различают типы сетей: PAN, LAN, WAN
• Понимают разницу между WiFi, Bluetooth, сотовой связью, NFC
• Проводят эксперимент по измерению дальности и скорости разных протоколов
• Создают карту IoT-протоколов по характеристикам
• Понимают понятия: пропускная способность, задержка, энергопотребление
• 🆕 Могут выбрать оптимальный протокол для конкретной IoT-задачи
• 🆕 Понимают экономические аспекты выбора протоколов

Быстрая проверка домашнего задания:

• “Поднимите руку, кто нашел 5+ IoT устройств дома”
• “Назовите самое неожиданное устройство, которое оказалось IoT”
• 🆕 “Кто исследовал IoT-приложение? Что удивило больше всего?”
• “Какие вопросы возникли при выполнении задания?”

Связка с новой темой: “Вы нашли много устройств, но КАК они общаются? Сегодня станем сетевыми детективами и проведем настоящие эксперименты!”

Задача: Создать проблемную ситуацию, показать важность понимания протоколов

🆕 Улучшенный демо-эксперимент “Битва протоколов”:

1. Учитель показывает: Смартфон подключается к WiFi роутеру
2. Засекает время: Сколько времени нужно для подключения?
3. Включает Bluetooth: Подключает беспроводные наушники
4. 🆕 Добавляет NFC: Прикладывает карту к телефону
5. 🆕 Показывает 4G: Загружает сайт через мобильный интернет

Вопрос классу: “Почему для разных задач используются разные протоколы? В чем секрет?”

🆕 Формулировка проблемы: “У нас есть 10+ способов подключения устройств. Как инженер IoT выбирает правильный для конкретной задачи? Давайте это выясним экспериментально!”

 1🏠 PAN (Personal Area Network) - 1-10 метров
 2   Примеры: Bluetooth, NFC
 3   Задача: Подключить наушники, умные часы
 4   💰 Стоимость: Бесплатно после покупки устройства
 5
 6🏢 LAN (Local Area Network) - 10-100 метров  
 7   Примеры: WiFi, Ethernet
 8   Задача: Интернет дома, умный дом
 9   💰 Стоимость: Абонплата за интернет
10
11🌍 WAN (Wide Area Network) - километры
12   Примеры: 4G/5G, LoRaWAN, спутниковая связь
13   Задача: Мониторинг на больших расстояниях
14   💰 Стоимость: Плата за трафик или подписка

🆕 Интерактив с экономикой: “Какой тип сети дешевле для умного дома на 50 устройств?”

1🎯 ДАЛЬНОСТЬ - на каком расстоянии работает?
2⚡ СКОРОСТЬ - сколько данных передает в секунду?
3🔋 ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕ - как быстро садится батарея?
4💰 СТОИМОСТЬ - дорого ли подключение?
5🏗️ СЛОЖНОСТЬ - легко ли настроить?
6⏱️ 🆕 ЗАДЕРЖКА - как быстро доходит сигнал?
7🛡️ 🆕 БЕЗОПАСНОСТЬ - можно ли перехватить данные?

🆕 Улучшенная аналогия с транспортом:

• NFC = пешком - очень близко, мгновенно, бесплатно, безопасно
• Bluetooth = велосипед - близко, медленно, дешево
• WiFi = автомобиль - средне, быстро, умеренно
• 4G = самолет - далеко, быстро, дорого

🆕 Расширенная таблица протоколов:

🆕 Мини-кейс: “Какой протокол выбрать для умного ошейника собаки?”

4 исследовательские лаборатории:

• 🔵 Лаборатория BLUETOOTH (команда синих)
• 🔴 Лаборатория WIFI (команда красных)
• 🟢 Лаборатория CELLULAR (команда зеленых)
• 🟡 Лаборатория NFC (команда желтых)

🆕 Роли в каждой лаборатории:

• Главный исследователь - координирует эксперименты
• Аналитик данных - записывает и анализирует результаты
• Техник-измеритель - проводит измерения
• Экономист - оценивает стоимость и практичность

🆕 Улучшенная структура задания для всех лабораторий:

 1🔬 ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЕ ЗАДАНИЕ
 2
 3ПРОТОКОЛ: [название]
 4ВРЕМЯ: 30 минут
 5
 6ГИПОТЕЗА: Мы предполагаем, что наш протокол лучше всего подходит для _______
 7
 8ИССЛЕДУЙТЕ:
 91. ДАЛЬНОСТЬ: На каком максимальном расстоянии работает?
102. СКОРОСТЬ: Как быстро передаются данные?
113. ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕ: Как влияет на батарею?
124. 🆕 СТОИМОСТЬ: Сколько стоит использование?
135. 🆕 НАДЕЖНОСТЬ: Влияют ли препятствия?
146. ПРИМЕНЕНИЯ: Где используется в IoT?
15
16МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ:
17✓ Практические эксперименты (обязательно)
18✓ Измерения с помощью приложений
19✓ Анализ характеристик устройств
20✓ 🆕 Экономическая оценка
21✓ Поиск информации в интернете
22
23РЕЗУЛЬТАТ:
24📊 Постер с характеристиками протокола
25🎯 3-минутная презентация для других лабораторий
26💡 🆕 Рекомендация для конкретного IoT-применения

🔵 ЛАБОРАТОРИЯ BLUETOOTH:

 1ОБОРУДОВАНИЕ:
 2• Смартфоны участников
 3• Bluetooth-наушники/колонка (если есть)
 4• Приложение "Bluetooth Scanner"
 5• 🆕 Секундомер для измерения времени подключения
 6
 7ЭКСПЕРИМЕНТЫ:
 81. Измерить максимальную дальность соединения
 9   - Подключить наушники к телефону
10   - Медленно отходить, пока связь не пропадет
11   - Зафиксировать расстояние
12   - 🆕 Повторить 3 раза для точности
13
142. Проверить влияние препятствий
15   - Закрыть устройства разными материалами
16   - Протестировать через стену, дверь
17   - 🆕 Измерить влияние на дальность в процентах
18
193. Энергопотребление и скорость
20   - Засечь процент батареи до и после 10 минут работы
21   - 🆕 Измерить время передачи файла
22   - Сравнить с выключенным Bluetooth
23
244. 🆕 ЭКОНОМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ:
25   - Стоимость Bluetooth-модуля для IoT устройства
26   - Преимущества для производителя
27
28ДОПОЛНИТЕЛЬНО:
29• Найти все Bluetooth устройства в радиусе
30• Определить версии Bluetooth (4.0, 5.0, etc.)
31• 🆕 Оценить: подходит ли для умного дома на 20 устройств?

🔴 ЛАБОРАТОРИЯ WIFI:

 1ОБОРУДОВАНИЕ:
 2• Смартфоны/планшеты
 3• Приложение "WiFi Analyzer" 
 4• Школьный WiFi роутер
 5• 🆕 Рулетка для точных измерений
 6
 7ЭКСПЕРИМЕНТЫ:
 81. Картирование покрытия WiFi
 9   - Измерить силу сигнала в разных точках класса
10   - Создать карту покрытия
11   - 🆕 Найти "мертвые зоны"
12
132. Тест скорости и стабильности
14   - Использовать Speedtest.net в разных точках
15   - Зафиксировать скорость загрузки/отдачи
16   - 🆕 Провести 5 измерений и найти среднее
17
183. Влияние препятствий и нагрузки
19   - Измерить сигнал через стены, двери
20   - 🆕 Проверить влияние количества подключенных устройств
21   - Сравнить 2.4 ГГц vs 5 ГГц
22
234. 🆕 ЭКОНОМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ:
24   - Стоимость WiFi роутера для умного дома
25   - Абонплата за интернет
26   - Стоимость WiFi-модулей для устройств
27
28ДОПОЛНИТЕЛЬНО:
29• Сканирование всех WiFi сетей в округе
30• Определение каналов и частот
31• 🆕 Оценка: сколько камер видеонаблюдения выдержит сеть?

🟢 ЛАБОРАТОРИЯ CELLULAR (4G/LTE):

 1ОБОРУДОВАНИЕ:
 2• Смартфоны с мобильным интернетом
 3• Приложение "Network Cell Info"
 4• Приложение для проверки скорости
 5• 🆕 Калькулятор для расчета стоимости
 6
 7ЭКСПЕРИМЕНТЫ:
 81. Тест скорости в разных местах
 9   - В классе, во дворе, на улице
10   - Зафиксировать различия
11   - 🆕 Измерить задержку (ping)
12
132. Качество сигнала и стабильность
14   - Проверить уровень сигнала в dBm
15   - Влияние местоположения на качество
16   - 🆕 Измерить в разное время для проверки загруженности сети
17
183. Энергопотребление
19   - Сравнить расход батареи 4G vs WiFi
20   - Влияние качества сигнала на энергопотребление
21   - 🆕 Замерить точное время разряда
22
234. 🆕 ЭКОНОМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ:
24   - Стоимость передачи 1 ГБ данных
25   - Расчет месячной стоимости для IoT датчика
26   - Сравнение тарифов операторов
27
28ДОПОЛНИТЕЛЬНО:
29• Определить оператора и тип сети (4G, LTE)
30• Найти ближайшие вышки сотовой связи
31• 🆕 Оценка: сколько стоит подключить 100 датчиков в городе?

🟡 ЛАБОРАТОРИЯ NFC:

 1ОБОРУДОВАНИЕ:
 2• Смартфоны с NFC
 3• NFC-метки (если есть)
 4• Банковские карты с чипом
 5• Приложение "NFC Tools"
 6• 🆕 Линейка для точных измерений
 7
 8ЭКСПЕРИМЕНТЫ:
 91. Измерение дальности и точности NFC
10   - Максимальное расстояние для считывания карты
11   - Влияние угла поднесения
12   - 🆕 Точность позиционирования
13
142. Скорость передачи данных
15   - Время передачи контакта через Android Beam
16   - Сравнение размеров передаваемых файлов
17   - 🆕 Измерить время инициализации соединения
18
193. Практические применения и безопасность
20   - Чтение банковской карты (безопасно!)
21   - Программирование NFC-метки (если есть)
22   - 🆕 Проверить: можно ли считать карту через кошелек?
23
244. 🆕 ЭКОНОМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ:
25   - Стоимость NFC-чипа
26   - Применение в платежных системах
27   - Экономия для торговых точек
28
29ДОПОЛНИТЕЛЬНО:
30• Поиск NFC-устройств в школе
31• Изучение NFC-платежей
32• 🆕 Оценка: подходит ли NFC для системы пропусков в школе?

🆕 Улучшенные требования к постеру (формат А3):

 1📋 ШАБЛОН ПОСТЕРА:
 2
 3[НАЗВАНИЕ ПРОТОКОЛА]
 4==================
 5
 6🔬 НАША ГИПОТЕЗА: _______________
 7
 8📊 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ:
 9🎯 ДАЛЬНОСТЬ: ______ метров (измерено)
10⚡ СКОРОСТЬ: ______ Мбит/с (измерено)
11🔋 ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕ: ______ %/час (измерено)
12💰 СТОИМОСТЬ: ______ руб/месяц (рассчитано)
13⏱️ ЗАДЕРЖКА: ______ мс (измерено)
14
15🔬 ЧТО МЫ ОТКРЫЛИ:
16• Эксперимент 1: [результат + неожиданность]
17• Эксперимент 2: [результат + неожиданность] 
18• Эксперимент 3: [результат + неожиданность]
19
20🏭 ЛУЧШЕ ВСЕГО ПОДХОДИТ ДЛЯ:
21• Применение 1 (+ почему)
22• Применение 2 (+ почему)
23• Применение 3 (+ почему)
24
25💡 НАША РЕКОМЕНДАЦИЯ:
26"Этот протокол идеален для _______, потому что _______"
27
28✅ ПЛЮСЫ          ❌ МИНУСЫ          🔮 ЧТО НАС УДИВИЛО
29• ___________     • ___________      • ___________
30• ___________     • ___________      • ___________

🆕 Улучшенный формат: “Международная конференция IoT-протоколов 2025”

• Время на лабораторию: 3 минуты
• Вопросы от “коллег”: 30 секунд

🆕 Структура презентации:

1. Наша гипотеза была… (30 сек)
2. Мы провели эксперименты и выяснили… (90 сек)
3. Что нас удивило больше всего… (30 сек)
4. 🆕 Экономический анализ показал… (30 сек)
5. Этот протокол лучше всего подходит для… (60 сек)

🆕 Роль других лабораторий:

• Слушают как “коллеги-ученые”
• Задают технический или экономический вопрос
• Голосуют за “Открытие конференции” (самый неожиданный результат)
• Оценивают по критериям

🆕 НОВЫЙ БЛОК

Мини-кейсы для всего класса:

 1🎯 КЕЙС 1: "Умная теплица на даче (нет WiFi, нет электричества)"
 2Какой протокол выберете? Почему?
 3
 4🎯 КЕЙС 2: "Система видеонаблюдения в офисе (50 камер)"
 5Какой протокол выберете? Почему?
 6
 7🎯 КЕЙС 3: "Фитнес-браслет (работает неделю без зарядки)"
 8Какой протокол выберете? Почему?
 9
10🎯 КЕЙС 4: "Оплата в кафе (быстро и безопасно)"
11Какой протокол выберете? Почему?

Формат: Команды дают быстрые ответы, другие могут возразить или дополнить

🆕 Создание общей карты IoT-протоколов:

1           ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕ →
2                    ↑
3            ДАЛЬНОСТЬ
4                    
5[Высокое потребление, короткая дистанция] - WiFi (высокая скорость)
6[Низкое потребление, короткая дистанция] - Bluetooth (умеренная скорость)
7[Очень низкое потребление, очень короткая] - NFC (низкая скорость)
8[Среднее потребление, длинная дистанция] - 4G/5G (высокая скорость)

🆕 Вопросы для обсуждения:

1. Какой протокол удивил вас больше всего?
2. Для каких IoT-задач теперь знаете, какой протокол выбрать?
3. 🆕 Какой протокол самый недооцененный? Переоцененный?
4. 🆕 Если бы вы создавали свой IoT-протокол, какие характеристики были бы у него?
5. Что хотите исследовать глубже на следующем спринте?

Сценарий: Вы IoT-архитектор в технологической компании. Клиенты принесли 4 проекта:

1. Мониторинг качества воздуха в городе (датчики по всему городу, данные каждые 30 минут)
2. Умная система полива теплицы (10 датчиков в почве + 5 клапанов полива, работа от солнечной батареи)
3. Система отслеживания домашних животных (GPS-ошейник для кота, уведомления владельцу)
4. Умная парковка у торгового центра (200 датчиков на парковочных местах, отображение на табло)

🆕 Задание:

• Выберите один проект для детального анализа
• Проанализируйте требования по всем характеристикам
• Выберите основной и резервный протокол
• Обоснуйте выбор технически и экономически
• Рассчитайте примерную стоимость

🆕 Расширенный формат ответа:

 1ПРОЕКТ: [название]
 2
 3АНАЛИЗ ТРЕБОВАНИЙ:
 4• Дальность: _____ (почему именно такая?)
 5• Скорость передачи: _____ (сколько данных в секунду?)
 6• Энергопотребление: _____ (есть ли ограничения по питанию?)
 7• Надежность: _____ (критично ли если сигнал пропадет?)
 8• Стоимость: _____ (какой бюджет у проекта?)
 9
10ВЫБОР ПРОТОКОЛА:
11• Основной протокол: _____
12• Резервный протокол: _____
13
14ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ:
15"Я выбрал _____ потому что _____"
16
17ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ:
18• Стоимость одного устройства: _____ руб
19• Месячная стоимость связи: _____ руб/устройство
20• Общие затраты на проект: _____ руб
21
22СХЕМА: [нарисовать с указанием протоколов]
23
24🆕 ПЛАН Б: "Что если основной протокол не работает?"

🔍 Исследователь: Найти дома устройство, которое использует несколько протоколов одновременно (например, смартфон). Объяснить, зачем нужно столько протоколов и когда устройство переключается между ними.

💰 Экономист: Рассчитать: сколько стоит передать 1 мегабайт данных через разные протоколы (WiFi, 4G, передача файла по Bluetooth). Учесть стоимость оборудования, абонплату, электроэнергию.

🔬 Изобретатель: Придумать новый IoT-протокол для специфической задачи (например, связь под водой, в космосе, для роботов). Описать его характеристики и применение.

• Engagement в экспериментах: Все ли участвуют в измерениях?
• Quality of questions: Задают ли технические вопросы другим лабораториям?
• Scientific thinking: Понимают ли связь между характеристиками и применением?
• 🆕 Economic awareness: Учитывают ли стоимость при выборе протокола?
• 🆕 Real-world connection: Связывают ли теорию с практическими примерами?

• 🔬 Network Researcher - за качественные эксперименты
• 📊 Data Analyst - за точные измерения и выводы
• 🎯 Protocol Expert - за понимание применений протоколов
• 🗣️ Science Communicator - за четкую презентацию результатов
• 💰 IoT Economist - за качественный экономический анализ
• 💡 Discovery Award - за самое неожиданное открытие
• 🏗️ System Architect - за лучшие рекомендации по применению

Для всех групп:

• Смартфоны/планшеты учащихся (BYOD)
• WiFi роутер школы (убедиться, что работает)
• Секундомер или таймер
• Рулетка для измерения расстояний
• 🆕 Калькуляторы для экономических расчетов

Специфическое оборудование:

• Bluetooth-наушники или колонка (для демо)
• NFC-метки (опционально, 2-3 штуки)
• Банковская карта с чипом для NFC-экспериментов
• 🆕 Образцы IoT устройств для демонстрации (если есть)

🆕 Приложения (подготовить инструкции по установке):

• WiFi Analyzer (Android) / WiFi Explorer (iOS)
• Speedtest by Ookla
• Bluetooth Scanner
• Network Cell Info Lite
• NFC Tools
• 🆕 Приложение для мониторинга батареи

• Листы А3 для постеров (4 штуки)
• Маркеры разных цветов
• Линейки, карандаши
• Стикеры для голосования за лучший постер
• 🆕 Шпаргалки с примерными ценами на оборудование и услуги связи
• 🆕 Бланки для записи результатов измерений

Если нет мобильного интернета у учащихся:

• Группа Cellular работает с теоретическими данными + анализ тарифов операторов
• Больше времени на WiFi и Bluetooth эксперименты

Если нет NFC в телефонах:

• Группа NFC исследует банковские карты + теоретический анализ
• Демонстрация NFC через подготовленные видео/фото

Если WiFi школы не работает:

• Создать точку доступа с телефона учителя
• Группа WiFi работает с домашними роутерами (теоретически)

• За день до: Протестировать все приложения на разных типах телефонов
• За час до: Проверить работу школьного WiFi, подготовить резервную точку доступа
• За 15 минут: Разложить оборудование по группам, включить демо-устройства

• Безопасность: Напомнить о правилах работы с чужими устройствами
• Научная точность: Поощрять повторные измерения
• Ротация помощи: Проверять каждую группу каждые 7 минут
• Документирование: Фотографировать интересные результаты

Проблема: Приложение не работает на конкретном телефоне Решение: Использовать телефон товарища по команде или перейти к альтернативным методам измерения

Проблема: Результаты “неправильные” (слишком большие/маленькие) Решение: “Отлично! А почему так получилось? Давайте разберемся!” - превратить в исследовательский вопрос

Проблема: Группа не понимает экономическую часть Решение: Привести аналогию: “Сколько стоит ваш мобильный интернет в месяц? А если устройств будет 100?”

Проблема: Команда закончила все эксперименты рано Решение: Дать дополнительные исследовательские вопросы: “А что будет в плохую погоду? А ночью? А если людей много?”

• Гипотезы: “Как вы думаете, что получится?” (перед экспериментом)
• Анализ данных: “Что вас удивило в результатах?”
• Выводы: “Что это означает для реальных IoT-систем?”
• Критическое мышление: “А можно ли доверять этим измерениям? Как проверить?”

Мостик от теории к практике:

• “Вы знаете, как устройства общаются. Теперь создадим свое устройство!”
• Применение знаний о WiFi для настройки Pi
• Выбор протокола для первых IoT-проектов

1Спринт #2 → Спринт #3 → Спринт #4
2Изучили WiFi → Настроили WiFi на Pi → Создали веб-сервер
3Измерили Bluetooth → Подключили Bluetooth датчик → Передали данные
4Поняли энергопотребление → Оптимизировали код → Создали автономное устройство
5Экономика протоколов → Стоимость компонентов → Бюджет проекта

• Протоколы связи → MQTT, HTTP API в будущих спринтах
• Измерения и анализ → Работа с реальными датчиками
• Экономическое мышление → Оптимизация IoT-решений
• Научный подход → Тестирование собственных проектов

🆕 Спринт считается успешным, если:

• ✅ Все группы провели минимум 3 эксперимента с повторными измерениями
• ✅ Учащиеся понимают компромиссы между протоколами (скорость vs энергия vs стоимость)
• ✅ Могут выбрать протокол для конкретной IoT-задачи с техническим и экономическим обоснованием
• ✅ Проявляют интерес к техническим измерениям и получают удовольствие от “открытий”
• ✅ 🆕 Понимают связь между техническими характеристиками и стоимостью решения
• ✅ 🆕 Задают вопросы типа “А что если…” и “А можно ли…”

🆕 Индикаторы глубокого понимания:

• Используют технические термины в правильном контексте
• Связывают характеристики протоколов с реальными применениями
• Понимают экономические последствия технических решений
• Предлагают компромиссные решения для сложных задач
• Проявляют скептицизм к “идеальным” решениям

🆕 Долгосрочные эффекты:

• Увеличение интереса к техническим специальностям
• Развитие аналитического мышления
• Понимание междисциплинарности современных технологий
• Готовность к самостоятельному техническому творчеству

🚀 КЛЮЧЕВЫЕ УЛУЧШЕНИЯ:

1. ✅ Добавлен экономический анализ во все эксперименты
2. ✅ Усилена научная методология (гипотезы, повторные измерения)
3. ✅ Добавлен блок практического применения (Protocol Selector)
4. ✅ Улучшено домашнее задание (роль IoT-архитектора)
5. ✅ Расширена система оценивания (новые критерии и badges)
6. ✅ Добавлены продвинутые troubleshooting сценарии
7. ✅ Усилена связь с будущими спринтами