🐍 Python для IoT - от кнопок до датчиков

Освоить основы программирования GPIO на Python для чтения входных сигналов и управления выходными устройствами

• Понимают разницу между входными (INPUT) и выходными (OUTPUT) GPIO пинами
• Программируют чтение состояния кнопок с обработкой дребезга
• Создают интерактивные программы: кнопка управляет светодиодом
• Реализуют ШИМ (PWM) для плавного управления яркостью LED
• Понимают принципы подтяжки резисторов (pull-up/pull-down)
• Создают первую полноценную IoT-программу с логикой и взаимодействием

Проверка домашней лаборатории:

1🏠 СТАТУС ДОМАШНИХ Pi:
2- "Поднимите руку, кто успешно подключился к Pi из дома"
3- "У кого возникли проблемы с SSH? Какие?"
4- "Кто попробовал дополнительные задачи?"
5- "Самое интересное открытие в работе с Pi дома?"

Техническая готовность:

• Быстрая проверка: все ли Pi загружаются и доступны по SSH
• Есть ли у всех доступ к GPIO компонентам
• Работают ли программы с прошлого спринта

Мостик к новой теме: “На прошлом спринте мы научились управлять LED. Сегодня научим Pi СЛУШАТЬ нас через кнопки и РЕАГИРОВАТЬ умнее!”

Демонстрация проблемы:

1. “Глупый” LED (3 мин):

   • Учитель запускает программу мигающего LED с фиксированным интервалом
   • “Этот LED мигает всегда одинаково, как робот”
   • “Он не знает, нужен ли нам свет или нет”

2. “Умный” LED (3 мин):

   • Подключается кнопка к Pi
   • Демонстрация: кнопка включает/выключает LED
   • “Теперь LED реагирует на наши команды!”

3. Проблемный вопрос (2 мин):

   1🤔 "Чем отличается IoT-устройство от обычной электроники?
   2Почему 'умность' - это взаимодействие?"
   

 1📤 OUTPUT (ВЫХОД):
 2Компьютер → Внешний мир
 3• LED (свет)
 4• Мотор (движение)  
 5• Динамик (звук)
 6• Реле (включение приборов)
 7
 8📥 INPUT (ВХОД):
 9Внешний мир → Компьютер
10• Кнопки (нажатие)
11• Датчики (температура, свет)
12• Микрофон (звук)
13• Камера (изображение)
14
15🧠 ЛОГИКА:
16if input_changed:
17    do_something_with_output

Аналогия с человеком:

• OUTPUT = руки, рот (мы воздействуем на мир)
• INPUT = глаза, уши, кожа (мы чувствуем мир)
• GPIO пины = нервная система Pi

 1⚡ ПРОБЛЕМА "ВИСЯЩЕГО" ПИНА:
 2Когда кнопка не нажата, пин не подключен ни к чему
 3→ Пин читает случайные значения (0 или 1)
 4→ Программа работает непредсказуемо
 5
 6🔧 РЕШЕНИЕ - ПОДТЯЖКА:
 7Pull-UP: пин подтягивается к +3.3V через резистор
 8• Кнопка НЕ нажата: пин читает 1 (HIGH)  
 9• Кнопка нажата: пин читает 0 (LOW)
10
11Pull-DOWN: пин подтягивается к земле через резистор
12• Кнопка НЕ нажата: пин читает 0 (LOW)
13• Кнопка нажата: пин читает 1 (HIGH)
14
15💡 В Pi подтяжка встроенная программно!

 1🔲 ОБЫЧНЫЙ GPIO:
 2Только ВКЛ (1) или ВЫКЛ (0)
 3LED либо горит на 100%, либо не горит
 4
 5🌊 PWM (Pulse Width Modulation):
 6Быстрое включение/выключение создает иллюзию аналогового сигнала
 7
 8Примеры:
 9• 0% скважность → LED выключен
10• 50% скважность → LED горит в полсилы  
11• 100% скважность → LED горит на полную
12
13ПРИМЕНЕНИЯ:
14• Регулировка яркости LED
15• Управление скоростью моторов
16• Генерация звука

Псевдокод PWM:

1pwm_pin = setup_pwm(pin=18, frequency=1000)
2for brightness in range(0, 101):
3    pwm_pin.duty_cycle = brightness  # 0-100%
4    sleep(0.05)  # плавное изменение

Подключение компонентов:

1🔌 СХЕМА ПОДКЛЮЧЕНИЯ:
2LED: GPIO 18 → Резистор 330Ом → LED → GND
3Кнопка: GPIO 2 → Кнопка → GND (pull-up включен программно)
4
5⚠️ БЕЗОПАСНОСТЬ:
61. Выключить Pi перед подключением
72. Проверить полярность LED
83. Обязательно использовать резистор
94. Аккуратно вставлять провода в breadboard

Цель: Научиться читать состояние кнопки и выводить результат

Алгоритм программы:

 1🔄 ПСЕВДОКОД:
 2setup_gpio()
 3button_pin = 2 (с pull-up резистором)
 4
 5while True:
 6    button_state = read_pin(button_pin)
 7    if button_state == 0:  # кнопка нажата (pull-up)
 8        print("Кнопка НАЖАТА!")
 9    else:
10        print("Кнопка отпущена")
11    sleep(0.1)  # небольшая задержка

Ожидаемый результат:

• При нажатии кнопки в терминале появляется сообщение
• Программа работает стабильно без ложных срабатываний

Цель: Создать интерактивную систему: кнопка включает/выключает LED

Алгоритм программы:

 1🔄 ПСЕВДОКОД:
 2setup_gpio()
 3button_pin = 2
 4led_pin = 18
 5led_state = False
 6
 7while True:
 8    if button_pressed() and not previous_button_state:
 9        led_state = not led_state  # переключить состояние
10        set_led(led_pin, led_state)
11        print(f"LED теперь: {'ВКЛ' if led_state else 'ВЫКЛ'}")
12    
13    previous_button_state = button_pressed()
14    sleep(0.05)  # защита от дребезга

Ожидаемый результат:

• Каждое нажатие кнопки переключает LED
• Нет ложных срабатываний от дребезга контактов
• Система реагирует быстро и предсказуемо

Цель: Использовать ШИМ для плавного изменения яркости LED

Алгоритм программы:

 1🔄 ПСЕВДОКОД:
 2setup_gpio()
 3setup_pwm(pin=18, frequency=1000)
 4brightness = 0
 5direction = 1  # 1 = ярче, -1 = тусклее
 6
 7while True:
 8    set_pwm_duty_cycle(brightness)
 9    
10    brightness += direction * 2  # шаг изменения
11    
12    if brightness >= 100:
13        direction = -1  # начать затемнение
14    elif brightness <= 0:
15        direction = 1   # начать осветление
16    
17    sleep(0.05)  # скорость изменения

Ожидаемый результат:

• LED плавно меняет яркость от 0% до 100% и обратно
• Переход выглядит естественно без рывков
• Понимание принципов PWM на практике

Цель: Объединить все навыки в полноценном IoT-устройстве

Алгоритм программы:

 1🔄 ПСЕВДОКОД:
 2setup_gpio()
 3modes = ["ВЫКЛ", "ТУСКЛО", "ЯРКО", "МИГАНИЕ"]
 4current_mode = 0
 5
 6while True:
 7    if button_pressed():
 8        current_mode = (current_mode + 1) % len(modes)
 9        print(f"Режим: {modes[current_mode]}")
10        wait_for_button_release()
11    
12    if current_mode == "ВЫКЛ":
13        led_off()
14    elif current_mode == "ТУСКЛО":
15        led_pwm(30)  # 30% яркости
16    elif current_mode == "ЯРКО":
17        led_pwm(100)  # 100% яркости  
18    elif current_mode == "МИГАНИЕ":
19        led_blink(frequency=2)  # 2 раза в секунду
20    
21    sleep(0.1)

Ожидаемый результат:

• Кнопка переключает между 4 режимами работы
• Каждый режим работает корректно
• Система запоминает текущий режим
• Полноценное IoT-устройство готово!

Формат: “Выставка IoT-устройств”

Структура демо (1.5 мин на пару):

1. Название устройства (15 сек)

   • “Представляем: Умная настольная лампа v1.0”

2. Демонстрация функций (60 сек)

   • Показать все режимы работы
   • Объяснить логику переключения

3. Техническая “фишка” (15 сек)

   • Что было самым сложным в реализации
   • Какую проблему решает устройство

Критерии оценки зрителями:

• 🏆 Самое стабильное устройство (работает без сбоев)
• 🎨 Самое красивое решение (плавные переходы, хорошая логика)
• 💡 Самая креативная функция (необычный режим работы)
• 🔧 Лучшее техническое решение (хорошо написанный код)

Техника “Градусник прогресса”:

1🌡️ ОЦЕНИТЕ СВОЙ ПРОГРЕСС:
2❄️ Спринт #3: "Я умею включать Pi и запускать код"
3🌤️ Спринт #4: "Я умею программировать взаимодействие с реальным миром"
4🔥 Спринт #5: "Готов создавать сложные IoT-системы!"

Вопросы для обсуждения:

1. Какая часть программирования показалась самой интересной? (1 мин)
2. Что было неожиданно сложным? (1 мин)
3. Какие идеи для IoT-устройств появились? (1 мин)

User Story: Как творческий разработчик, я хочу создать собственное IoT-устройство, которое решает реальную проблему в моей жизни.

 1🎯 СОЗДАЙТЕ УСТРОЙСТВО НА ВЫБОР:
 2
 31. "УМНЫЙ НОЧНИК"
 4   - Кнопка переключает: ВЫКЛ → ТУСКЛО → ЯРКО → АВТО-ВЫКЛ через 30 сек
 5   - Дополнительно: разные цвета LED (если есть RGB)
 6
 72. "СИСТЕМА ОПОВЕЩЕНИЯ"
 8   - Длинное нажатие: SOS сигнал (3 коротких + 3 длинных + 3 коротких)
 9   - Короткое нажатие: обычное мигание
10
113. "ТАЙМЕР ПОМИДОРА" (Pomodoro Timer)
12   - Нажатие запускает 25-минутный таймер
13   - LED показывает прогресс (яркость уменьшается)
14   - В конце - мигание "время вышло"
15
164. "СЧЕТЧИК СОБЫТИЙ"
17   - Каждое нажатие увеличивает счетчик
18   - LED мигает столько раз, сколько нажатий было
19   - Долгое нажатие сбрасывает счетчик

1🚀 ДОПОЛНИТЕ ВАШЕ УСТРОЙСТВО:
2
31. Добавьте вторую кнопку для дополнительных функций
42. Реализуйте сохранение состояния в файл
53. Добавьте звуковые сигналы (если есть buzzer)
64. Создайте "режим настройки" (например, изменение времени таймера)
75. Добавьте индикацию состояния батареи (симуляция)

1🌐 ПОДКЛЮЧИТЕ К СЕТИ:
2
31. Отправка уведомлений на email при срабатывании
42. Веб-интерфейс для управления устройством
53. Логирование всех событий с timestamp
64. API для интеграции с другими системами
75. Мобильное приложение (Telegram бот)

 1📋 ОБЯЗАТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ:
 2✅ Минимум 1 кнопка + 1 LED
 3✅ Минимум 3 различных режима работы
 4✅ Обработка дребезга кнопки
 5✅ Использование PWM хотя бы в одном режиме
 6✅ Понятный код с комментариями
 7✅ Демонстрационное видео (30-60 сек)
 8
 9📝 ДОКУМЕНТАЦИЯ:
10✅ Описание проблемы, которую решает устройство
11✅ Инструкция по использованию
12✅ Схема подключения компонентов
13✅ Объяснение алгоритма работы

 1ПРОЕКТ: [Название вашего устройства]
 2=====================================
 3
 4👤 АВТОР: [ваше имя]
 5📅 ДАТА: [дата завершения]
 6
 7🎯 ПРОБЛЕМА:
 8[Какую реальную проблему решает ваше устройство?]
 9
10⚙️ ФУНКЦИИ:
11[Список всех режимов работы и их описание]
12
13🔌 ОБОРУДОВАНИЕ:
14[Список компонентов и схема подключения]
15
16💻 АЛГОРИТМ:
17[Краткое описание логики работы программы]
18
19🎬 ДЕМОНСТРАЦИЯ:
20[Ссылка на видео или описание тестирования]
21
22🔍 СЛОЖНОСТИ:
23[Что было трудно реализовать и как решили]
24
25🚀 РАЗВИТИЕ:
26[Какие улучшения планируете добавить]

• Code Quality: Читаемость и структура программ
• Problem Solving: Подход к решению технических проблем
• Hardware Understanding: Понимание электронных компонентов
• Creativity: Оригинальность в решениях
• Persistence: Настойчивость при отладке

• 🎛️ GPIO Master - за успешную работу со всеми типами пинов
• 🐍 Python Programmer - за качественный и понятный код
• 🔲 PWM Expert - за освоение аналогового управления
• 🎯 Interaction Designer - за создание интуитивных интерфейсов
• 🔧 Hardware Debugger - за успешное решение технических проблем
• 💡 IoT Inventor - за творческий подход к проектам
• 🏆 Demo Star - за лучшую презентацию устройства

Для каждой пары:

• Raspberry Pi 4 (настроенный с прошлого спринта)
• Breadboard (макетная плата)
• Компоненты для GPIO:
  • 2-3x LED разных цветов
  • 2x кнопки (тактовые переключатели)
  • 5x резисторы 330 Ом (для LED)
  • 2x резисторы 10 кОм (для кнопок, если нужно)
  • 10x соединительные провода папа-мама
  • 10x соединительные провода мама-мама

Дополнительное оборудование (опционально):

• RGB LED для продвинутых заданий
• Buzzer для звуковых сигналов
• Потенциометр для аналогового ввода
• Мультиметр для диагностики

1📦 PYTHON БИБЛИОТЕКИ:
2✅ RPi.GPIO (основная работа с пинами)
3✅ gpiozero (упрощенная работа с компонентами)  
4✅ time (задержки и таймеры)
5✅ threading (для продвинутых задач)

• Справочник GPIO пинов Raspberry Pi
• Шпаргалка по библиотеке RPi.GPIO
• Примеры схем подключения компонентов
• Гид по отладке GPIO проблем
• Калькулятор резисторов для LED

Если компоненты не работают:

• Запасные LED, кнопки, резисторы
• Мультиметр для диагностики
• Симуляция в программе (виртуальные компоненты)

Если Pi не загружается:

• Запасные SD карты с системой
• Работа через симулятор GPIO на ПК
• Парная работа с работающими Pi

Если нет достаточно компонентов:

• Работа в группах по 3-4 человека
• Поочередное использование оборудования
• Больше времени на симуляцию и планирование

За день до спринта:

• Проверить работу всех Pi
• Протестировать GPIO компоненты
• Подготовить запасные детали
• Создать готовые схемы для демонстрации

Перед началом:

• Разложить компоненты по наборам
• Подготовить схемы подключения на доске
• Проверить освещение для работы с мелкими деталями

Безопасность работы:

1⚠️ ПРАВИЛА РАБОТЫ С ЭЛЕКТРОНИКОЙ:
21. Всегда выключать Pi перед изменением схемы
32. Проверять полярность LED перед подключением
43. Использовать резисторы с LED (защита от сгорания)
54. Аккуратно вставлять провода в breadboard
65. Не замыкать пины питания напрямую

Поддержка отладки:

1🔍 АЛГОРИТМ ДИАГНОСТИКИ:
21. Проверить физические подключения
32. Проверить код на синтаксические ошибки
43. Добавить print() для отладки
54. Измерить напряжения мультиметром
65. Заменить подозрительные компоненты

Проблема: LED не загорается Диагностика: Полярность? Резистор? Напряжение на пине? Решение: Проверить схему → заменить LED → проверить код

Проблема: Кнопка срабатывает хаотично Причина: Дребезг контактов или отсутствие подтяжки Решение: Добавить программную задержку → включить pull-up

Проблема: PWM не работает плавно Причина: Неправильная частота или диапазон значений Решение: Изменить частоту PWM → проверить диапазон duty cycle

Проблема: Программа зависает Причина: Бесконечный цикл без задержек Решение: Добавить sleep() → проверить условия выхода из циклов

Для разных типов учащихся:

• Перфекционисты: “Сначала сделайте рабочую версию, потом улучшайте”
• Торопыги: “Тестируйте каждый шаг отдельно”
• Неуверенные: “Отлично! Теперь попробуйте добавить…”
• Опытные: Дополнительные вызовы и исследовательские задачи

Празднование успехов:

• Первое успешное чтение кнопки
• Первое переключение LED кнопкой
• Первый рабочий PWM
• Завершение полноценного устройства

Логический переход:

• “Сегодня мы писали много низкоуровневого кода”
• “Следующий раз изучим готовые библиотеки для быстрой разработки”
• “От ручного управления пинами к объектно-ориентированному программированию”

1Спринт #4 → Спринт #5 → Проект "Умная лампа"
2Основы GPIO → Продвинутые библиотеки → Комплексная система
3Простые взаимодействия → Сложная логика → Завершенное устройство
4Обучение → Практика → Творчество

• Техническая база: Уверенная работа с GPIO и электроникой
• Программистские паттерны: Обработка событий, состояния, циклы
• Системное мышление: Планирование и структурирование кода
• Творческий подход: От технической задачи к пользовательскому опыту

Спринт считается успешным, если:

• ✅ 90%+ учащихся создали работающие интерактивные устройства
• ✅ Понимают разницу между INPUT и OUTPUT программированием
• ✅ Успешно используют PWM для аналогового управления
• ✅ Могут отлаживать простые hardware/software проблемы
• ✅ Проявляют творчество в домашних проектах

Индикаторы технического роста:

• Самостоятельно находят и исправляют ошибки в схемах
• Понимают важность обработки дребезга и других edge cases
• Предлагают улучшения и дополнительные функции
• Связывают технические возможности с реальными применениями
• Уверенно работают с документацией библиотек

Признаки готовности к сложным проектам:

• Структурируют код в логические блоки
• Тестируют функциональность по частям
• Понимают принципы взаимодействия hardware/software
• Могут объяснить свой код другим учащимся

🚀 Этот спринт - ключевая веха в превращении из “пользователей” в “создателей” IoT. Учащиеся получают все основные навыки для создания интерактивных устройств и готовы к серьезным проектам!

Главный результат: “Я могу создавать устройства, которые реагируют на мир и изменяют его!” 🎛️💡🔧