Clover với thế mạnh làm chủ toàn bộ nền tảng phát triển, từ đó cung cấp một hệ thống toàn diện từ phần mềm phát triển lập trình đến ứng dụng điều khiển trên di động, từ đó giáo viên và[r]
Trang 1INTERNET VẠN VẬT
Trương Minh Đức1 Tóm tắt
Nền tảng STEM Clover là một nền tảng giáo dục STEM được phát triển bởi người Việt Nam Có thể nói rằng chúng tôi là một trong những doanh nghiệp đầu tiên tại Việt Nam tập trung vào nghiên cứu chế tạo những sản phẩm về STEM-ICT tại Việt Nam Hệ thống của chúng tôi bao gồm các sản phẩm sau: Phần cứng, Phần mềm lập trình (IDE), Ứng dụng di động (Bao gồm cả IOS và Android) CloverBlock (IDE)
là một phần mềm lập trình được phát triển từ nền tảng mã nguồn mở Ardublockly (Đây là một phần mềm mã nguồn mở được phát triển từ nền tảng của Google Blockly) Từ phiên bản Ardublockly chúng tôi tiến hành phát triển và tích hợp thành một phần mềm hoàn thiện thay vì phải sử dụng thêm các trình biên dịch ngoài như các phần mềm lập trình khác được phát triển từ Google Blockly Hiện tại, phần mềm CloverBlock hỗ trợ hai ngôn ngữ là: tiếng Anh và tiếng Việt Phần mềm CloverBlock
hỗ trợ lập trình dưới dạng kéo thả Mọi ngoại vi đều có thể được sử dụng bằng một khối lệnh đơn giản đã được tích hợp Ngoài ra, các học sinh muốn tìm hiểu sâu hơn
về ngôn ngữ lập trình có thể lập trình cho phần cứng của chúng tôi thông qua các phần mềm phổ biến như Arduino Về phần cứng, hệ thống của chúng tôi có 24 thiết
bị phần cứng được chia thành một số nhóm chính như: Board chủ, Đầu vào (Nút nhấn, Cảm ứng, Điều khiển hồng ngoại, Biến trở), Đầu ra (Loa, Điều khiển động cơ, LED đơn: Xanh, Đỏ, Vàng và RGB), Hiển thị: LED 7 thanh, LED matrận 8x16, LED vạch 12 mức), Cảm biến (Khoảng cách, Nhiệt độ & Độ ẩm, Ánh sáng, Độ ẩm đất, Khí Gas, Màu, Cảm biến vạch), Kết nối (Bluetooth, Wifi), Cơ khí (Động cơ thường, Động cơ Servo), Bộ điều khiển thiết bị điện dân dụng.
Tất cả các ngoại vi trên đều được phần mềm CloverBlock hỗ trợ bằng cách khối lệnh đơn giản Để lập trình sử dụng các ngoại vi này người dùng chỉ cần kéo ra các khối lệnh liên quan đã được nghiên cứu và tích hợp sẵn Ưu điểm của hệ thống phần cứng của chúng tôi là mọi ngoại vi đều được kết nối với Board chủ thông qua một kết nối duy nhất sử dụng cáp RJ11 thay vì sử dụng các kết nối phức tạp như sử dụng các Board Arduino thông thường Sử dụng sản phẩm này học sinh sẽ dành tối
đa thời gian vào học tập phát triển các ý tưởng, kỹ năng giải quyết vấn đề, tư duy logic thay vì dành quá nhiều thời gian để kết nối các phần cứng theo hướng dẫn một cách máy móc Hơn nữa, chúng tôi đã tạo ra một ứng dụng di động cho phép kết nối
1 Công ty TNHH Phát triển công nghệ số Minh Đức; Email: robolabcenter@gmail.com.
Trang 2không dây giữa điện thoại và Board chủ thông qua module Bluetooth Hiện tại, ứng dụng hỗ trợ 2 nền tảng Android và IOS Với ứng dụng này và phần cứng đã đề cập ở trên người dùng có thể điều khiển các robot bằng nhiều cách thức hiện đại như: điều khiển bằng giọng nói, tay cầm điều khiển, điều khiển bằng cảm biến góc nghiêng, điều khiển bằng mã lệnh tùy biến… Hiện tại, chúng tôi đang phát triển một nền tảng web hỗ trợ các ứng dụng về IoT (Internet of Thing) có tên gọi là Clover-Node Với việc sử dụng nền tảng này cùng với module wifi và các phần cứng đã được nhắc ở trên, học sinh có thể hiểu và chế tạo được một hệ thống IoT như: điều khiển thiết bị
từ xa qua Internet, cảm biến thông minh, nhà thông minh Mục tiêu của chúng tôi
là tạo ra một hệ sinh thái hoàn thiện để học sinh học tập và nghiên cứu về STEM lĩnh vực ICT một cách hứng thú và hiệu quả.
Từ khoá: STBM Clover; internet vạn vật; Clover Master.
Đặt vấn đề
Việt Nam hiện tại có khoảng 14,4 triệu người trẻ là học sinh, sinh viên, đây là thế hệ được thụ hưởng toàn bộ thành tựu phát triển của khoa học kĩ thuật, việc sử dụng mạng xã hội, điện thoại thông minh, và các thiết bị tiện ích công nghệ trong quá trình học tập, vui chơi giải trí là hết sức phổ biến Thế giới gọi tên đây là thế hệ Z, thế hệ của kỷ nguyên số Bên cạnh việc được thụ hưởng thành quả tiến bộ từ xã hội là thách thức của thời cuộc và làn sóng của cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư, trong tương lai cuộc sống cũng như định hướng nghề nghiệp của bộ phận thế hệ trẻ này sẽ chịu sự tác động rất mạnh mẽ từ công nghệ
Trang 3Xu hướng đẩy mạnh phát triển nguồn nhân lực công nghệ nói chung và phát triển định hướng ICT ngay từ giai đoạn học sinh nói riêng là xu hướng mang tính toàn cầu Các cường quốc như Mỹ, Trung Quốc, Nhật Bản… đầu tư nhiều tỷ đô la cho vấn đề này trong đó
tập trung mạnh vào phát triển STEM (Hiện phát triển thành STEAM khi thêm yếu tố Art-nghệ thuật) đặt biệt là nhấn mạnh vào đào tạo lập trình sớm và phát triển kĩ năng thông qua tư
duy “Hand-on, Mind-on” (thực hành là động não) Các nước phát triển trong khu vực Đông Nam Á cũng không đứng ngoài vấn đề thời sự này, nhất là khi chiến tranh thương mại làm xoay trục sang các nước đang phát triển, điển hình có thể kể tới là Thái Lan và Singapore đều phát triển chương trình STEM học lập trình sớm của riêng mình để phù hợp với đặc thù giáo dục nước nhà Thái Lan phát triển chương trình cung cấp miễn phí 20.000 bộ kit học lập trình sớm KidBright32 do Bộ Khoa học Công nghệ Thái Lan hợp tác với công ty công nghệ nội địa phát triển Nhật Bản quy định lập trình là môn học bắt buộc với học sinh lớp 5 trở lên từ năm 2020, nhận thấy ích lợi của việc học lập trình sớm, Singapore đã nhanh chóng xây dựng chương trình học lập trình từ tiểu học với mục tiêu cuối cùng là đảm bảo cho mọi người dân nước này dù già hay trẻ đều được trang bị những kĩ năng về công nghệ cơ bản để
từ đó sẽ có những đóng góp cũng như sẽ được thụ hưởng những thành quả mà cuộc cách mạng số mang lại Có thể thấy rằng các quốc gia thịnh vượng hay đang phát triển đều nhận thức rõ không thể đứng ngoài trong công cuộc phát triển đào tạo lập trình sớm
Tại Việt Nam, Chính phủ đã có những điều chỉnh thượng tầng nhằm tăng cường năng lực tiếp cận cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư bằng Chỉ thị 16/CT-TTg, hay việc đổi mới giáo dục toàn diện đã được soạn thảo và công bố chính thức cuối năm 2018 bằng Thông
tư số 32/2018/TT-BGDĐT Ở cấp cơ sở các đơn vị đi đầu trong đổi mới giáo dục cũng bắt đầu triển khai các hoạt động giáo dục STEM và học lập trình sớm, trong đó phải kể đến là các ngày hội STEM tại các tỉnh như Hà Nội, Thành phố Hồ Chí Minh, Đà Nẵng và cả Nghệ
An, Nam Định Các đơn vị khi triển khai chủ yếu sử dụng các hệ thống cho việc học lập trình sớm từ nước ngoài như LEGO (Đan Mạch), MakeBlock (Trung Quốc), RoboRobo (Hàn Quốc) Việc sử dụng các sản phẩm nước ngoài này sẽ giúp các đơn vị nhanh chóng có thiết
bị để thực hành Tuy nhiên, có thể thấy tài nguyên ngoại nhập chia làm hai nhóm phổ biến,
Trang 4nhóm từ châu Âu có chi phí rất đắt đỏ biến STEM trở thành môn học của “nhà giàu”, nhóm sản phẩm đến từ Đông Á giá thành thấp hơn nhưng mang đặc trưng quốc gia, các sản phẩm mang sang Việt Nam chỉ có giá rẻ khi đã ứng dụng đại trà ở quốc gia đó Đại bộ phận học sinh nước ta lại không phải tập trung ở các thành phố lớn, dù lựa chọn nhóm sản phẩm từ đâu thì việc phổ cập đại chúng cũng là một thách thức, hơn nữa việc sử dụng các thiết bị nước ngoài về lâu dài sẽ rất khó khăn trong tinh chỉnh để phù hợp với đặc thù giáo dục của Việt Nam và phát triển các sản phẩm định hướng theo vùng miền
Hiểu được những khó khăn và thách thức kể trên, nhóm nghiên cứu Clover đã ra đời, nhóm là tập hợp của các kĩ sư công nghệ người Việt đã từng công tác tại các tập đoàn công nghệ hàng đầu như Viettel, FPT, SamSung cùng các nhà khoa học tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Định dạng lại bảng dưới đây để thống nhất với các phần text của bài viết này
Sứ mệnh của Clover
Mục tiêu của nhóm nghiên cứu là phát triển một hệ thống giáo dục STEM trên nền tảng Internet vạn vật hoàn toàn của Việt Nam, phục vụ hữu hiệu cho trải nghiệm, học tập, đào tạo công nghệ nói chung và chú trọng phát triển học lập trình sớm nói riêng
2 Thành quả đạt được
Clover vinh dự được chọn làm đề tài cấp Bộ Thông tin và Truyền thông năm 2019, đề
án “Nghiên cứu xây dựng thử nghiệm hệ thống phục vụ giáo dục STEM thông minh dựa trên nền tảng ICT”
Trang 5Hệ thống STEM trên nền tảng Internet vạn vật Clover được CNX-Software trang tin
công nghệ uy tín thế giới về hệ thống nhúng và sản xuất điện tử đánh giá là sản phẩm nổi bật ở khu vực Đông Nam Á cùng với KidBright32 của Thái Lan và KB-IDE của Singapore trong lĩnh vực STEM và học lập trình sớm
Kết quả hệ thống Clover Phase 1
2.1 Phần mềm Clover
2.1.1 Môi trường lập trình kéo thả CloverBlock
Quan trọng nhất trong phát triển hệ thống học lập trình sớm là làm chủ môi trường
lập trình IDE (Integrated Development Environment – Môi trường phát triển tích hợp)
CloverBlock là một IDE được nhóm dự án phát triển độc lập hoàn toàn, phần mềm dựa trên
hệ thư viện chuẩn hóa của Google Education trong phát triển STEM về học lập trình sớm trên cơ sở tùy biến kịch bản như phần mềm Scratch, hiện tại CloverBlock đã phát triển đến phiên bản 1.6 với tích hợp 24 loại module cảm biến và còn tiếp tục cập nhật
Giao diện CloverBlock 1.6
Robot tự tránh vật cản
Robot dò line, robot biểu cảm
Robot điều khiển bằng smartphone
Robot Tank vượt địa hình
Robot cần cẩu
Nông nghiệp thông minh
module cảm biến
CloverBlock IDE 1.6
App mobile CloverMaster
Clover IoT Server
Khung chương trình Giáo trình
Bộ Slide
Sổ tay hướng dẫn
Trang 6Tính năng nổi bật của CloverBlock:
- Hỗ trợ tiếng Việt và tiếng Anh (Với giao diện và giải thích song ngữ CloverBlock có thế mạnh khi triển khai STEM ở các vùng xa trung tâm).
- Lập trình hoàn toàn bằng kéo thả dạng Block (Có thể hỗ trợ lập trình bằng ngôn ngữ lập trình C/C++ dành cho học sinh đã học ở mức độ cao hơn).
- Một Block là một khối lệnh tính năng (Đơn giản hóa các ràng buộc lập trình tương đương như sự đơn giản hóa về kết nối phần cứng, hỗ trợ đắc lực trong giảng dạy lập trình sớm).
- Hiển thị chương trình lập trình bằng ngôn ngữ C/C++ tương ứng với chương trình được lập trình bằng kéo thả phục vụ học tập và nghiên cứu nâng cao hơn
Trong phát triển hệ thống STEM Made in Vietnam định hướng ICT việc làm chủ công
cụ phát triển lập trình sớm là hết sức quan trọng, khi làm chủ phần mềm này việc tùy biến các phần cứng sẽ trở nên đơn giản hơn, từ đó việc phát triển những sản phẩm mang bản sắc địa phương sẽ rất dễ dàng Để phát triển STEM thì việc chú trọng cập nhật các công nghệ mới để giới thiệu đến học sinh là hết sức quan trọng, làm chủ phần mềm phát triển lập trình
sẽ đẩy nhanh quá trình ra đời của các sản phẩm mới này, đáp ứng nhanh nhu cầu giảng dạy
và học tập
2.1.2 Ứng dụng CloverMaster
Sau phần mềm phát triển lập trình sớm trên nền tảng lập trình kéo thả, hệ thống Clover phát triển bộ công cụ ứng dụng trên điện thoại thông minh CloverMaster cho phép giao tiếp giữa smartphone và phần cứng qua giao tiếp Bluetooth 4.0, ứng dụng hiện có mặt trên cả hai nền tảng di động phổ biến là Android và IOS
Giao diện chính của CloverMaster
Trang 7Bộ công cụ CloverMaster có các điểm nổi bật sau:
Sử dụng Bluetooth 4.0 tốc độ cao, tiết kiệm năng lượng, khoảng cách xa
Có mặt miễn phí trên cả hai kho ứng dụng Android, IOS (Các nền tảng dụng công nghệ bluetooth cũ sẽ không hỗ trợ chạy trên nền tảng IOS).
Bộ giao diện tích hợp cho phép điều khiển tất cả các loại robot trong hệ thống Clover Cung cấp thiết lập điều khiển giọng nói thông qua khai thác trợ lý ảo tương ứng của 2 nền tảng di động (Google Assistant và Siri)
Cho phép truyền nhận dữ liệu qua lại với bản tin đã mã hóa phục vụ các thiết lập mở rộng và nâng cao
Giai đoạn đầu của ứng dụng Clover trên mobile là cung cấp giao diện cơ bản để điều khiển robot và triển khai các bài toán điều khiển thông minh khác, với CloverMaster người
sử dụng có thể thiết lập các tính năng cho robot hay bật tắt thiết bị bằng giọng nói với các thao tác lập trình kéo thả hết sức đơn giản Giao diện truyền nhận dữ liệu với bản tin đã được mã hóa cũng góp phần làm phong phú trong quá trình giảng dạy về chuỗi dữ liệu và
các thiết bị PDA (Personal Digital Assistant- thiết bị kĩ thuật số cá nhân cầm tay) nói chung
Ở các giai đoạn phát triển tiếp theo của ứng dụng, CloverMaster sẽ tập trung chi tiết vào các
mô hình ứng dụng (Ví dụ: giao diện điều khiển nhà thông minh, nông nghiệp thông minh…) và
tiếp tục nâng cao trải nghiệm người dùng trong các thiết lập điều khiển robot
2.1.3 Clover IoT Server
Nhóm phát triển Clover xây dựng một phần mềm tích hợp cho phép nhanh chóng triển khai các giao diện IoT web brower bằng phương pháp kéo thả trên nền tảng chính là Node-Red và MQTT
Màn hình lập trình giao diện
Trang 8Giao diện sau khi deploy thành công
Nghiên cứu phân tích và xây dựng hệ thống IoT là hết sức cần thiết và quan trọng trong phát triển năng lực tiếp cận cách mạng công nghiệp 4.0, nhưng đây là một vấn đề tương đối phức tạp với người mới tìm hiểu nói chung, đặc biệt với các bạn học sinh lại càng khó khăn hơn nếu tiếp cận không có định hướng Mục tiêu khi phát triển học IoT lứa tuổi học sinh là thúc đẩy sự khám phá của học sinh đối với thế giới IoT, đẩy mạnh việc học lập trình sớm nhằm bước đầu nắm bắt dẫn đến làm chủ đối với nhóm thiết bị IoT Từ những yếu tố đó, nhóm dự án đã vạch rõ được nhiệm vụ cần phải làm là đơn giản hóa các thao tác lập trình của hệ thống IoT mà vẫn đảm bảo các ràng buộc mang tính thủ tục của việc lập trình Người
sử dụng có thể nhanh chóng tùy biến hệ thống từ đó dễ dàng tiếp cận với đối tượng là học sinh và các thầy cô giáo ở cấp độ trung học
2.2 Hệ thống phần cứng
Hệ thống Clover phát triển một chuỗi các module phần cứng gồm các cảm biến, các module điện tử tích hợp tương thích với nền tảng phần mềm kéo thả đã được đề cập ở mục
2.1 Các module được thiết kế bằng phương pháp tích hợp tương tự phần cứng Arduino nổi
tiếng, nhưng được nâng cấp theo triết lý đơn giản hoàn toàn các kết nối điện tử phức tạp Các module chức năng được kết nối với board mạch trung tâm chỉ bằng một kết nối với cáp RJ11, việc chọn cổng để kết nối được đánh dấu bằng các màu sắc kết nối riêng biệt và gợi mở
Kết nối nguyên bản trên Arduino Kết nối một dây trên Clover
Trang 9Hệ thống phần cứng Clover tập trung đơn giản hóa các ràng buộc về điện tử mà vẫn đảm bảo khả năng kết nối cũng như mô tả quá trình thực thi của phần cứng Triết lý phát triển phần cứng và phần mềm Clover bám sát triết lý phát triển STEM về ICT của thế giới, đó là
một hệ thống mà lập trình bằng cách lắp ghép các khối câu lệnh (Drag and Drop kéo thả các Block), kết nối các thành phần phần cứng bằng chỉ một thao tác lắp ghép (plug and play - cắm
và chạy), tất cả tạo nên một chỉnh thể thống nhất phục vụ đào tạo lập trình sớm Hệ thống
phần cứng được nghiên cứu phát triển và sản xuất hoàn toàn tại Việt Nam nên có ưu thế vượt trội về giá thành
Định dạng lại văn bản dưới đây
So sánh giá và tính năng của robot Clover với sản phẩm trên thị trường
Trang 10Bên cạnh các module đa dạng phục vụ xây dựng các bài toán điện tử từ cơ bản đến nâng cao, Clover phát triển hệ thống phong phú các robot có khả năng tích hợp các module phần cứng đã được thiết kế Nhóm robot rất đa dạng về kiểu dáng và cách thức ứng dụng, hoàn toàn có khả năng cạnh tranh với các nền tảng cung cấp mô hình robot học tập khác trên thế giới
Một vài mẫu robot trong hệ thống Clover
Các mẫu robot Clover có thể triển khai thành nhiều biến thể từ nền tảng khung vỏ có sẵn, người dùng có thể thỏa sức phối hợp các cảm biến có trong hệ thống để sáng tạo ra các chủng loại robot với nhiều tính năng khác nhau Clover với thế mạnh làm chủ toàn bộ nền tảng phát triển, từ đó cung cấp một hệ thống toàn diện từ phần mềm phát triển lập trình đến ứng dụng điều khiển trên di động, từ đó giáo viên và học sinh có thể triển khai nhanh chóng,
dễ hiểu các bài toán robot tự động hoặc có điều khiển, đây đều là những bài toán vốn được đánh giá là khó tiếp cận khi học tập về công nghệ nói chung và IoT nói riêng
2.3 Mô hình ứng dụng
Với mục đích xây dựng một hệ thống giáo dục trải nghiệm STEM trên nền tảng Internet vạn vật (IoT), nhóm phát triển Clover tập trung phát triển đa dạng nhóm module điện tử và tối ưu hóa môi trường lập trình kéo thả đồng thời nhóm cũng xây dựng các mô hình ứng dụng mô phỏng lại sát thực nhất các sản phẩm IoT phổ biến để học sinh và giáo viên có cái nhìn trực quan nhất về sự phát triển của công nghệ, đồng thời nắm bắt nhanh được các công nghệ mới
Các sản phẩm IoT như nông nghiệp thông minh, nhà thông minh, hệ thống quan trắc
và giám sát khí tượng, hệ thống giao thông đô thị… là những sản phẩm có tính hấp dẫn cao, có hàm lượng khoa học công nghệ lớn, cho phép người dùng tiếp cận những kiến thức công nghệ rất cập nhật Tuy nhiên, việc nghiên cứu học tập, thử nghiệm các sản phẩm này trong thực tế đòi hỏi chi phí lớn cũng như hệ thống kiến thức nền phức tạp Hiểu được khó