Умный холодильник на базе конструктора LEGO Mindstorms

XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Умный холодильник на базе конструктора LEGO Mindstorms

Сазонов Н.Е. 1Кудрявцев М.С. 1Седых П.А. 1Меркурьев К.А. 1
1Школа интеллектуального развития «Мистер Брейн»
Филинова А.В. 1
1Школа интеллектуального развития «Мистер Брейн»
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Роботы вошли в нашу жизнь в виде разнообразных умных гаджетов, бытовых приборов и смарт-систем. Большинство роботов не похожи на человека, однако способны выполнять многие «человеческие» работы намного лучше, чем мы с вами. Роботы очень выносливые, они могут работать сутками без сна и отдыха, им не нужно есть и пить.

Актуальность:

Основная цель создания роботов – избавление человека от выполнения тяжелой, опасной или рутинной работы. Мы изобрели «Умный холодильник», который не только экономит время и силы человека, а также заботиться о его здоровье путем контроля качества продуктов.

Контроль качества продуктов необходим для безопасности их употребления. Контроль за качеством готовой продукции значит очень много. Ведь еда, которую мы употребляем в пищу, должна быть не только вкусной и внешне привлекательной, но еще и безопасной для жизни и здоровья.

Цель: создание модели холодильника с функцией сканирования качества продукта.

Задачи:

Подробно изучить классификация роботов, систему управления и связи бытовыми приборами, методы проверки качества, приборы сканирования продуктов.

Собрать из конструктора LEGO Mindstorms модель «умного холодильника»

Создать программу, которая позволит наглядно продемонстрировать сканирование продуктов.

При оформлении проекта мы использовали идеи из большой книги LEGO MINDSTORMS EV3 [1], при создании программ мы руководствовались учебными пособиями по образовательной робототехнике. [2]

Глава 1. Бытовые роботы «Умный дом»

Классификация роботов в «Умном доме»

Ассортимент бытовых роботов сегодня довольно широк, и каждый человек наверняка найдет среди доступных сегодня на рынке именно то, что облегчит быт именно ему и сделает его дом «умным».

Основной задачей, «системы умный дом», является обеспечение безопасности и комфорта жильцов квартиры или частного коттеджа. Его функциональность позволяет управлять различным оборудованием, включая котел отопления, кондиционер, осветительные приборы, сигнализацию и данный перечень растет с каждым днем. [3]

Основными компонентами умного дома являются:

-датчики, анализирующие условия окружающей среды;

-хаб, или центральный контроллер, обрабатывающие данные и принимающие решения;

-электроприборы, осуществляющие различные бытовые задачи.

Это могут быть:

-Системы управления освещением (Умные лампочки оснащены опцией изменения яркости в зависимости от условий окружающей среды. Также для экономии электроэнергии встроенные детекторы движения включают свет только в присутствии людей. Включать и отключать световые приборы можно и с помощью голосовых команд, принимаемых смартфоном);

-Системы отопления вентиляции и кондиционирования (Встроенные микроконтроллеры позволяют системе умный дом: понижать температуру до комфортной в летний период; автоматически регулировать уровень влажности посредством увлажнителей, осушителей и ионизаторов; обеспечивать подачу свежего потока воздуха через кондиционеры, фанкойлы и вентиляторов);

-Системы безопасности (для автоматизации работы водопроводных систем, на них устанавливают современные запорные клапаны, которые перекрывают воду, когда все жильцы дома на работе или в отпуске, а также при обнаружении протечек. Умные замки автоматически откроют двери владельцу дома. Обнаружив задымленность, умный дом автоматически запустит систему дымоудаления и пожаротушения. Датчики открывания дверей или створок окон при несанкционированном доступе посторонних, вызовут охранные и прочие службы);

-Системы наблюдения (Пользователь может контролировать все происходящее в доме с помощью видеодомофонов, камер и датчиков. На устройство может поступать постоянный видеопоток через интернет соединение либо периодические дистанционные уведомления);

-Умные розетки (представляют собой наиболее простые элементы, которые управляются через wifi, gsm или Bluetooth соединение. Они позволяют контролировать использование бытовыми приборами электроэнергии дистанционно)

-Бытовая техника (Классические бытовые приборы, способные контролировать показатели и передавать данные) (Рисунок 1.1.2, Приложения) [4]

1.2. Система управления и связи бытовыми приборами

В конструкции автоматизированного комплекса автоматизации домашних процессов (например управление бытовыми приборами) входят три категории устройств:

• Контроллеры – они представлены администрирующими устройствами, которые объединяют все элементы системы в единый комплекс, и через которые жильцы управляют автоматизацией.

• Датчики – представлены разнообразными считывателями информации из окружающей среды, которые могут также производить замеры заданных параметров. Сигналы с датчиков направляются на контроллеры, которые осуществляют их обработку и запускают действие определенного сценария.

• Актуаторы – представлены исполнительными устройствами, которые непосредственно выполняют команды, поступающие с контроллеров. Примером актуатора могут служить: механический привод, выключатель, пожарная сирена, блокировочный клапан на труде, и т.д.

Отправка сигналов от датчиков и сенсоров к контроллерам в системах «умный дом» чаще всего осуществляется по радиоканалу и по протоколам Wi-Fi и Bluetooth. Связь системы с пультом охраны или владельцами здания осуществляется по средствам интернет-соединения или мобильной связи.[3]

Управлять бытовыми приборами можно при помощи приложения на смартфоне. Сигналы передаются через интернет. Среди преимуществ внедрения таких технологий выделяют:

1. Постоянный контроль за работоспособностью приборов. В случае неполадок, оборудование отправит уведомление на телефон владельца.

2. Возможность дистанционного включения. К примеру, можно запустить стиральную машину, находясь на работе или подать сигнал чайнику при приближении к дому.

3. Постоянное обновление ПО. Это даст возможность варочным панелям, посудомоечным машинам, мультиваркам и другой технике постоянно совершенствовать свои программы.

4. Возможность управления голосом.[4]

Глава 2. Контроль качества

2.1. Методы проверки качества продуктов питания

Существует несколько методов контроля безопасности и качества продукции в организациях общественного питания, которую потребитель может купить в магазине или в общепите (да в общем, где угодно):

-органолептический;

-измерительный;

-физико-химический;

-микробиологический.

Органолептический контроль предполагает оценку посредством органов чувств:

зрение (как товар выглядит внешне);

осязание (то есть продукт необходимо потрогать, если это возможно, например, молоко руками не потрогаешь);

обоняние (некачественные продукты чаще всего неприятно пахнут, особенно если у них истек срок годности);

вкус (данный пункт должен быть понятен без всяких объяснений);

слух.

Данный метод носит еще одно название – сенсорный анализ

Микробиологический контроль продукции является проверка эпидемиологической безопасности и микробиологическая стойкость. (Рисунок 2.1, Приложения)

Микробиологический контроль выявляет на соответствие установленным нормам наличие и количество следующих микроорганизмов:

-бактерии, вызывающие кишечную палочку;

-патогенные микроорганизмы;

-микроорганизмы, которые могут вызвать порчу продукции (плесень, например);

-факультативно – анаэробные организмы; потенциально патогенные организмы;

-мезофильные аэробные организмы.

Проводить данный вид контроля можно альтернативным способом или просто подсчитать количество микроорганизмов и сравнить с установленными показателями, принятыми нормой.

Измерительный контроль, физико – химический контроль. (Рисунок 2.1.2, Приложения)

Измерительные методы контроля включают в себя:

-физические исследования продукции;

-химические исследования продукции;

-биологические исследования продукции.

По большей части данный метод контроля проводится в специально оборудованных лабораториях, имеющих разрешение на проведение лабораторных анализов пищевых продуктов.

Данные метод контроля часто называют еще инструментальным из-за того, что его проведение невозможно без специализированного оборудования и опытных квалифицированных лаборантов.

Продукты питания оцениваются по единичным и комплексным показателям. К единичным относят: вкус, запах, цвет, упругость, консистенция и т.д.

К комплексным показателям относят разные виды ценности пищевых товаров:

-энергетическая;

-пищевая;

-биологическая.

Бракераж готовой продукции - оценка пищевой продукции на качество и безопасность посредством проб. Снятие пробы проводится органолептическим методом. То есть, оценивается внешний вид, запах и вкус. Для того чтобы осуществить бракераж должна быть создана комиссия, в которую очень часто помимо руководства и специалистов может быть включен медик. Результаты проверки фиксируются в одноименном журнале. [5]

2.2 Приборы сканирования продуктов

Сканер штрихкодов - это специальный прибор, который считывает и расшифровывает содержимое метки. Дальше он проводит моментальное опознание и выдает на экран множество информации об отсканированном объекте. (Рисунок 2.2.1, Приложения)

Штрихкод — это код, внутри которого зашифрована важная информация о товаре или оборудовании. Выглядит он как последовательные черно-белые полосы разной ширины или как геометрические символы, которые вместе составляют ключ. Сравнить его можно с уникальным номером, который присвоил производитель своей продукции. Внутри — коммерческие данные. Если делить этот сканер по конструкции и способностям, то существует 3 основных вида: контактный – снимает напечатанные ШК только хорошего качества, но значительно дешевле аналогов; лазерный или имиджевый — справится со считыванием плохо пропечатанных одномерных кодов; 2D-сканеры — считывают этикетки с алкогольной и табачной продукции.[6]

Помимо сканеров существуют еще прайс-чекеры и ТСД (Терминал сбора данных), которые также могут считывать информацию. Принцип их работы прост: следует просто поднести штрихкод к лазеру и посмотреть на экран, где будут все данные.(Рисунок 2.2.2, Рисунок 2.2.3, Приложения)

Продиагностировав продукт сканер посылает информацию на дисплей о сроке изготовлении, стране-изготовителе, сроке годности и о массе продукта.

Глава 3. Практическая часть

Модель «Умного холодильника» на базе конструктора Lego Mindstorms

Наша команда сконструировала модель умного холодильника на базе конструктора Lego Mindstorms. (Рисунок 3.1.1, Приложения) Создание нашей модели мы начали с корпуса холодильника. Мы создали прямоугольный каркас, после добавили на него стенки и установили дверцу. (Рисунок 3.1.2, Приложения)

В нижней части холодильника установлен датчик касания, при закрытой дверце он приходит в состояние «нажато». (Рисунок 3.1.3, Приложения)

В холодильнике три полки, каждая полка предназначена для определенной категории продукта. Продукты мы сделали из цветных кубиков. (Рисунок 3.1.4, Приложения)

Далее мы перешли к установке механизма. Изучив приборы сканирования, мы пришли к решению, что в холодильнике будет установлен сканер-шрихкодов. Роль сканера играет датчик цвета. Он перемещается по полкам с помощью вертикально установленного конвейера, для него мы использовали гусеницы из набора. (Рисунок 3.1.5, Приложения) В движение конвейер приводит средний мотор, установленный в верхней части холодильника. (Рисунок 3.1.6, Приложения)

Холодильник оснащен дисплеем, на котором отображается вся актуальная информация. Дисплеем являет экран программируемого блока EV3.

3.2. Демонстрация модели с помощью ПО Lego Mindstorms

Проект запускается с помощью программы Lego Mindstorms.

Механизм начинает работать исключительно при закрытой дверце. Для этого мы запрограммировали датчик касания, когда дверь закрыта, датчик приходит в состояние «нажато», после этого запускается мотор и приводит в движение конвейер, на конвейере установлен датчик цвета, перемещаясь вверх-вниз датчик считывает цвет продукта.

У каждого продукта свое цветовое обозначение:

Красный цвет – продукт испорчен

Желтый цвет – продукт скоро испортится

Зеленый цвет – продукт свежий

Данные выводятся на экран блока в виде текста: «will go bad soon», «good», «spoiled». Так же в зависимости от качества продуктов индикатор подсвечивается одним из цветов: зеленый, красный, оранжевый.

У каждой полки есть свое числовое обозначение. Это необходимо для того, чтобы знать, где находится продукт, о котором пришла информация. Таким образом на экране выводится текст о состоянии продукта и его местоположении, например: «spoiled(2)». Теперь мы знаем, что продукт на второй полке испорчен.

Программа находится в цикле, таким образом датчик постоянно опрашивается, и мы всегда можем узнать информацию о качестве продуктов.

Если дверца холодильника открыта, датчик касания переходит в режим «отпущено», цикл прерывается и сканирование продуктов останавливается, до тех пор, пока холодильник не будет закрыт. (Рисунок 3.2.1, Приложения)

Заключение

В своей работе мы исследовали и узнали как работает система «Умный дом», а так же изучили информацию о контроле качества продуктов. Основываясь на полученных знаниях, мы сконструировали свою демонстрационную модель с мотором и датчиками.

Модель «Умный холодильник» производит учет имеющихся продуктов, контролируя их качество. Система разделяет продукты на свежие, испорченные и те, у которых истекает срок годности. Данная система заботится о вашем здоровье и позволяет существенно экономить на продуктах питания.

В перспективе данную систему можно подключить к единой системе умный дом. Система умный дом имеет компьютер, в котором анализируются данные различных датчиков. Компьютер системы может отсылать уведомления на смартфоны пользователей через интернет, а также управлять устройствами.

Список использованных источников и литературы

Лоренс Валк: Большая книга LEGO MINDSTORMS EV3; [пер. с англ. Черников С.В]. Издательство «Эсмо», 2017. - 400 с.;

Овсяницкая, Л.Ю. Курс программирования робота EV3 в среде Lego Mindstorms EV3 / Л.Ю. Овсяницкая, Д.Н. Овсяницкий, А.Д. Овсяницкий. 2-е изд., перераб. и доп – М.: Издательство «Перо», 2016. – 300 с.

https://umniedoma.ru

https://newsmarthome.ru/smart-home/sistema-umnyj-dom

http://pravpotrebitel.ru/informaciya/kontrol-kachestva-produktov.html

https://www.cleverence.ru/articles/bukhgalteriya/kak-rabotaet-skaner-shtrikh-koda-i-chto-eto-takoe-kak-polzovatsya-schityvatelem-opredelenie-rabota-i/

Приложения

Рисунок 1.1.1, Умный дом

Рисунок 2.1.1, Микробиологический контроль качества продуктов

Рисунок 2.1.2, Измерительный, физико-химический контроль качества продуктов

Рисунок 2.2.1, Сканер штрихкодов

Рисунок 2.2.2, Прайс-чекер

Рисунок 2.2.2, Терминал сбора данных

 

Рисунок 3.1.1, Наша команда

Рисунок 3.1.2, Умный холодильник, построенный на базе конструктора Lego Mindstorms

Рисунок 3.1.3,Датчик касания

Рисунок 3.1.4, Холодильник внуттри

Рисунок 3.1.5, Устройство холодильника

Рисунок 3.1.6, Средний мотор

Рисунок 3.2.1, Демонстрационная программа

Просмотров работы: 64