Top.Mail.Ru
Научный мастер-класс с элементами инженерного
проектирования и киберфизического эксперимента.
Код безопасности: как наука защищает умные среды
Проект поддержан грантом Министерства науки и высшего образования РФ на проведение молодежного научного фестиваля “Гравитация будущего” в 2026 году.
наука в технологиях
серия научных популяризационных интерактивов
Инженер-схемотехник
Cпециалист по разработке и проектированию электрических принципиальных схем.
Он работает с активными и пассивными компонентами (резисторами, конденсаторами, транзисторами, микросхемами), подбирает их номиналы, обеспечивает согласование сигналов, минимизацию помех и правильное заземление. Он проектирует печатные платы, создаёт прототипы и отлаживает их работу, чтобы гарантировать стабильность и надёжность электронного устройства.
Инженер-схемотехник
Cпециалист по разработке и проектированию электрических принципиальных схем. Он работает с активными и пассивными компонентами (резисторами, конденсаторами, транзисторами, микросхемами), подбирает их номиналы, обеспечивает согласование сигналов, минимизацию помех и правильное заземление. Он проектирует печатные платы, создаёт прототипы и отлаживает их работу, чтобы гарантировать стабильность и надёжность электронного устройства.
Название научного направления
Киберфизические системы, автоматизация и основы информационной безопасности.
Научные законы, инструменты и методы
Закон теплового расширения газов (уравнение Клапейрона–Менделеева)
Где проявляется: Датчик DHT11 измеряет температуру и влажность воздуха. При нагревании плотность воздуха падает, что влияет на распространение звука и конвекцию.
За что отвечает: Связь между температурой и плотностью – важно для понимания работы датчика и корректировки показаний.
Формула: . При постоянном давлении .
Закон Архимеда для газов (выталкивающая сила)
Где проявляется: Горячий воздух поднимается вверх – этот эффект можно использовать для демонстрации работы конвекции (например, если рядом с датчиком поместить источник тепла).
За что отвечает: Понимание движения воздушных масс может помочь в калибровке датчика влажности.

Распространение звуковых волн и принцип эхолокации
Где проявляется: Ультразвуковой датчик HC-SR04 испускает импульс и принимает отражённый сигнал. Время задержки прямо пропорционально расстоянию.
За что отвечает: Определение расстояния до объекта; это основа для автоматического открытия двери.
Формула: , где – скорость звука в воздухе (~343 м/с при 20°C), – время распространения.
Закон Ньютона–Рихмана (конвективный теплообмен)
Где проявляется: Тепло от рук или окружающей среды передаётся датчику DHT11, что влияет на его показания.
За что отвечает: Понимание теплового шума и необходимости стабилизации температуры.
Законы электродинамики (закон Ома, принципы работы сервопривода)
Где проявляется: Сервопривод SG90 требует определённого тока и напряжения; неправильное питание может вызвать сбои.
За что отвечает: Обеспечение стабильной работы исполнительных механизмов.
Основы криптографии (симметричное шифрование, хэширование) – в игровой форме
Где проявляется: Вводится понятие «секретного ключа» – например, последовательность приближений к ультразвуковому датчику (два коротких, одно долгое) служит аналогом пароля.
За что отвечает: Демонстрация принципов аутентификации и защиты от несанкционированного доступа.
Развиваемые компетенции
Знания, умения, навыки, или типы мышления, характерные для научной деятельности
  • Понимание принципов работы цифровых и аналоговых датчиков (DHT11, HC-SR04)
  • Навыки сборки электрических цепей на макетной плате, работа с проводами «папа-мама»
  • Базовое программирование микроконтроллеров (Arduino IDE, язык C++)
  • Умение анализировать сигналы и применять простые алгоритмы фильтрации (медианная фильтрация, усреднение)
  • Знакомство с киберфизическими уязвимостями (шум, спуфинг, повтор) и методами защиты
    .
  • Развитие инженерного и алгоритмического мышления, навыков командной работы и распределения ролей
  • Умение формулировать гипотезы и проверять их экспериментально
Вы когда-нибудь задумывались, как «умные» системы в домах и на заводах принимают решения?
Как датчики видят нас, а двери открываются сами? За этими привычными действиями стоят физика, электроника и программирование. Но есть и обратная сторона: если система не защищена, злоумышленник может обмануть датчик (например, поднести ультразвуковой излучатель) и открыть дверь без вашего ведома.
В нашем интерактиве вы соберёте собственную «умную комнату» – миниатюрный макет из фанеры, оснащённый датчиками, сервоприводом, светодиодом и экраном. Вы запрограммируете Arduino так, чтобы дверь открывалась только при приближении руки, а на экране отображались температура и влажность. Вы также попробуете себя в роли хакера и инженера по безопасности: найдёте уязвимости (например, влияние внешнего шума на ультразвук) и защитите систему с помощью фильтрации сигналов и «секретного кода» – специальной последовательности жестов.
Этот интерактив – уникальное сочетание физики, электротехники и информатики, которое показывает, как научные знания превращаются в технологии, защищающие наш цифровой мир.
Для кого научный интерактив?
Для школьников 7–11 классов, интересующихся робототехникой, программированием и кибербезопасностью. Он будет полезен тем, кто:
  • хочет увидеть, как работают датчики и микроконтроллеры «изнутри»;
  • любит мастерить руками и собирать электрические схемы;
  • уже немного программировал (или только хочет попробовать) и хочет применить знания на практике;
  • задумывается о профессиях будущего – инженер-разработчик, специалист по безопасности, системный архитектор.
Особый интерес интерактив вызовет у тех, кто увлекается компьютерными играми и кино – ведь в них всё чаще используются физические симуляции и моделирование поведения объектов, а здесь вы сможете создать реальный действующий прототип.
Состав научной команды
Интерактив проводится в игровом формате, где участники имеют роли, как в команде НИОКР (научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы).
Отвечает за сборку электрической схемы: подключение датчиков, сервопривода, экрана к Arduino, проверка контактов.
Подробнее
Пишет и загружает код на Arduino, настраивает пороги срабатывания.
Подробнее
Ищет уязвимости в системе.
Подробнее
Разрабатывает контрмеры.
Подробнее
Для работы вам понадобится
  • Arduino Uno
    Контроллер
  • Макетная плата (breadboard)
    Для удобства монтажа
  • Провода «папа-мама»
    Соединение компонентов
  • Датчик DHT11

    Температура и влажность

  • Ультразвуковой датчик HC-SR04
    Измерение расстояния
  • Сервопривод SG90
    Привод двери
  • Светодиод (любой)
    Индикатор открытия
  • Резистор 220 Ом
    Для светодиода
  • LCD 1602 (без I2C)
    Дисплей для вывода данных
  • Потенциометр 10 кОм
    Регулировка контрастности дисплея
  • Фанера (стенд)
    Готовая конструкция домика с дверью
  • Внешний источник питания 5В/1А
    Для сервопривода (можно зарядку от телефона)
  • Ноутбук с Arduino IDE
    Для программирования
  • Смартфон (для атаки)
    С генератором частоты ~40 кГц
Полезные материалы
Изучите и скачайте нужные для интерактива материалы по ссылкам ниже
План работы
3 минуты
3 минуты
Вступление и мотивация
Приветствие, легенда о киберфизических системах. Постановка задачи: собрать и защитить «умную комнату». Показ слайдов с реальными системами (умные дома, промышленная автоматизация).
5 минут
5 минут
Мини-лекция: физика датчиков и принципы безопасности
Объяснение работы ультразвука, DHT11, сервопривода. Введение в уязвимости: шум, спуфинг, повтор. Кратко – про криптографию и аутентификацию. Используем проектор.
2 минут
2 минут
Инструктаж по технике безопасности
Правила работы с паяльником (если используется), с острыми предметами, с электричеством. Не касаться нагретых элементов. Зажигать свечи не требуется – у нас электропитание.
7 минуты
7 минуты
Раздача материалов и сборка конструкции
Выдать комплекты: Arduino, провода, датчики, макетную плату, стенд. Участники по схеме подключают компоненты. Ведущий помогает.
10 минут
10 минут
Программирование базовой логики
Загрузка готового скетча (или написание вместе). Настройка порогов срабатывания. Проверка – дверь открывается при поднесении руки, на экране – температура и влажность.
5 минут
5 минут
Тестирование и калибровка
Проверка работы при разных расстояниях. Регулировка потенциометра контрастности. Устранение ошибок.
8 минут
8 минут
Атака и защита (игровой раунд)
Команды меняются: Red Team пытается обмануть датчик (шум, отражение), Blue Team внедряет защиту (медианный фильтр, «секретный стук»). Запись результатов.
5 минут
5 минут
Анализ результатов и обсуждение
Сравнение работы системы до и после защиты. Выводы: какие методы эффективны, почему важна фильтрация.
5 минут
5 минут
Итоговая рефлексия
Ответы на вопросы, обмен впечатлениями. Вручение сертификатов или сувениров – бумажной спирали? (по желанию).
Этапы работы (подробная пошаговая инструкция)
Этап 1. Подготовка рабочего места и знакомство со стендом
  • Получите стенд (фанерный домик с дверью) и набор компонентов.
  • Осмотрите размещение: ультразвуковой датчик – над дверью, светодиод – выше, экран – справа, потенциометр – ниже экрана. За стеной – макетная плата с Arduino и DHT11.
Ссылка
Этап 2. Подключение компонентов (по схеме)
  • Arduino закрепите на макетной плате.
  • Подключите DHT11: VCC → 5V, GND → GND, DATA → цифровой пин 2.
  • Ультразвуковой датчик: VCC → 5V, GND → GND, TRIG → пин 4, ECHO → пин 3.
  • Светодиод: анод (длинная ножка) к пину 5, катод (короткая ножка) к GND.
  • Сервопривод: красный – к пину VIN, коричневый – к общему GND, жёлтый – к пину 6.
  • LCD 1602 (без I2C) подключите согласно порядку (RS→7, E→8, D4→9, D5→10, D6→11, D7→12, VCC→5V, GND→GND, V0 – на средний вывод потенциометра, крайние – 5V и GND). Подсветка (анод) к 5V, катод – к GND.
Ссылка
Этап 3. Настройка программного обеспечения
  • Откройте Arduino IDE, установите библиотеку DHT (через менеджер).
  • Скопируйте базовый скетч (предоставлен отдельно). Загрузите его в Arduino.
  • Откройте монитор порта, проверьте, что датчики читаются, а серво реагирует.
Ссылка
Этап 4. Подключение компонентов (по схеме)
  • Вращая потенциометр, добейтесь чёткого изображения на LCD.
  • В коде настройте пороги: открывать дверь при расстоянии от 5 до 20 см.
  • Проверьте, что светодиод загорается при открытии.
Ссылка
Этап 5. Проведение атаки (Red Team)
  • Возьмите смартфон, установите приложение-генератор частоты (40 кГц).
  • Направьте динамик на ультразвуковой датчик, включите генератор. Наблюдайте хаотичное открытие/закрытие двери (или зависание).
  • Попробуйте открыть дверь без руки, имитируя сигнал с помощью отражения от предметов (например, согнутой ладони).
Ссылка
Этап 6. Внедрение защиты (Blue Team)
  • Измените код: замените одиночное измерение на медиану из трёх или пяти значений.
  • |lcd.print("Ул:");
if (dist < 100) {
lcd.print(dist);
lcd.print("см");
} else {
lcd.print("---");
}
Добавьте проверку на скорость изменения расстояния – если оно меняется слишком быстро, игнорировать.
  • Serial.print("Расстояние: ");
  • Serial.println(dist);
  • delay(150);
}
Ссылка
Этап 7. Повторное тестирование
  • Проверьте, как система ведёт себя после защиты: устойчива ли к шуму, открывается ли по стуку.
  • Зафиксируйте время реакции и количество ложных срабатываний (в таблице).
Ссылка
Этап 8. Демонстрация и выводы
  • Покажите результат другим командам, обсудите, какой метод защиты оказался самым эффективным.
  • Сформулируйте общий вывод: киберфизическая система должна объединять правильную схемотехнику (физический уровень), грамотное программирование (логический уровень) и продуманные алгоритмы безопасности (уровень данных).
Ссылка
ФИНАЛ
Ваша умная комнота готова!
Поздравляем! Желаем дальнейших успехов в других наших интерактивах.
Вопросы для обсуждения
Ниже приведены примерные вопросы для рефлексии, которые помогут связать научную тему с технологией, практическими навыками и самореализацией
Разработчики
  • Жавнерович Георгий Викторович
    Педагог дополнительного образования
  • Алина Цвигун
    Методист
  • Люмила Ларина
    Научный координатор