Dự án STEM: Hệ thống cảnh báo an toàn trong Ngôi nhà thông minh (Tin học 8 - Công nghệ 8)

1. Bối cảnh và ý nghĩa thực tiễn

Trong chương trình Giáo dục phổ thông 2018, môn Công nghệ 8 dành thời lượng quan trọng cho chủ đề Ngôi nhà thông minh (Smart Home), trong khi môn Tin học 8 phát triển năng lực tư duy giải thuật với các Cấu trúc điều khiển lặp và rẽ nhánh.

Dự án STEM này tích hợp kiến thức liên môn, sử dụng thiết bị thuộc danh mục khung Thông tư 86/2026/TT-BGDĐT (nhóm thiết bị học tập IoT và công nghệ số cấp THCS - mã chủng loại thcs-18), giúp học sinh chế tạo một mô hình hệ thống giám sát và phát tín hiệu cảnh báo sớm khi phát hiện nồng độ khí gas vượt ngưỡng hoặc nhiệt độ môi trường tăng bất thường.

2. Mục tiêu bài học (Bám sát yêu cầu cần đạt GDPT 2018)

• Kiến thức Công nghệ: Hiểu được vai trò của cảm biến đầu vào, bộ xử lý trung tâm và thiết bị chấp hành đầu ra trong hệ thống tự động hóa gia đình.
• Kỹ năng Tin học: Vận dụng được cấu trúc rẽ nhánh (khối lệnh điều kiện if...else) để xử lý tín hiệu analog/digital từ cảm biến và điều khiển các thiết bị ngoại vi (còi buzzer, đèn LED cảnh báo).
• Phẩm chất & Năng lực chung: Phát triển tư duy kỹ thuật, năng lực giải quyết vấn đề thực tế, ý thức tuân thủ an toàn phòng cháy chữa cháy và kỹ năng làm việc nhóm.

3. Thiết bị và vật liệu yêu cầu

• Bo mạch điều khiển: Bo mạch vi điều khiển nhúng hỗ trợ Wi-Fi/Bluetooth (nền tảng ESP32 IoT).
• Cảm biến đầu vào:
• Module cảm biến khí gas (MQ-2) phát hiện khói và khí dễ cháy.
• Module cảm biến nhiệt độ & độ ẩm môi trường.
• Thiết bị đầu ra: Còi báo động (Active Buzzer), module đèn LED báo hiệu 2 màu (Xanh/Đỏ), màn hình hiển thị OLED hoặc LCD 1602.
• Vật liệu chế tạo: Khung mô hình ngôi nhà cắt laser bằng gỗ hoặc bìa mô hình cứng, dây cắm breadboard.
• Phần mềm: Môi trường lập trình khối trực quan hỗ trợ nạp code trực tiếp xuống bo mạch ESP32.

4. Tiến trình tổ chức hoạt động dạy học (Thời lượng: 90 phút - 2 tiết)

Hoạt động 1: Xác định vấn đề (15 phút)

• Giáo viên chiếu video tình huống về nguy cơ rò rỉ khí gas và cháy nổ trong sinh hoạt gia đình khi không có người ở nhà.
• Đặt câu hỏi kích thích tư duy: Làm thế nào để ngôi nhà có thể tự động phát hiện nguy cơ nguy hiểm và cảnh báo ngay lập tức cho các thành viên?
• Giao nhiệm vụ cho các nhóm: Thiết kế mô hình hệ thống cảnh báo sớm rò rỉ khí gas cho căn bếp của ngôi nhà thông minh.

Hoạt động 2: Nghiên cứu kiến thức nền và đề xuất giải pháp (20 phút)

• Học sinh thảo luận nguyên lý làm việc của cảm biến khí gas: nồng độ khí thay đổi làm biến thiên điện áp đầu ra.
• Thiết kế sơ đồ khối của hệ thống: [Cảm biến MQ-2] -> [Bộ xử lý ESP32] -> [Còi Buzzer + Đèn Đỏ + Màn hình]
• Xác định thuật toán: Nếu Giá trị cảm biến > Ngưỡng nguy hiểm thì bật còi kêu liên tục và nhấp nháy đèn đỏ; ngược lại duy trì đèn xanh an toàn.

Hoạt động 3: Lắp ráp phần cứng và lập trình mô hình (30 phút)

• Lắp ráp: Các nhóm tiến hành cắm dây kết nối cảm biến vào chân analog A0 của ESP32, còi báo vào chân digital D18, đèn cảnh báo vào chân D19.
• Lập trình khối: Học sinh sử dụng phần mềm lập trình kéo thả:

1. Khởi tạo đọc giá trị liên tục từ chân cảm biến theo chu kỳ 500ms.
2. Ghép khối lệnh điều kiện so sánh giá trị đọc được với giá trị ngưỡng thực nghiệm.
3. Thiết lập lệnh bật/tắt tín hiệu còi và đèn cảnh báo.

• Nạp chương trình vào bo mạch và quan sát hoạt động ở trạng thái bình thường.

Hoạt động 4: Thử nghiệm và đánh giá sản phẩm (15 phút)

• Tạo môi trường thử nghiệm an toàn: Dùng bật lửa xì một lượng nhỏ khí gas vào gần cảm biến (không bật tia lửa).
• Kiểm tra độ nhạy và thời gian phản hồi của còi buzzer khi phát hiện khí.
• Điều chỉnh biến trở trên module cảm biến hoặc hiệu chỉnh ngưỡng số trong mã lệnh để tối ưu độ chính xác, tránh báo động giả.

Hoạt động 5: Báo cáo và thảo luận mở rộng (10 phút)

• Đại diện từng nhóm thuyết minh về sản phẩm và chia sẻ các khó khăn gặp phải trong quá trình nối dây hoặc gỡ lỗi lệnh.
• Giáo viên gợi ý hướng nâng cấp mở rộng: Tận dụng kết nối Wi-Fi của ESP32 để gửi tin nhắn cảnh báo trực tiếp về điện thoại thông minh của phụ huynh qua ứng dụng hoặc dịch vụ tin nhắn tự động.