XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Умная розетка

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Дешина А.С. 1

---

1МБОУ «Гимназия № 11 г. Ельца»

Австриевских Н.М. 1

---

1МБОУ «Гимназия № 11 г.Ельца»

Работа в формате PDF

1.6 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Проблема:

В нашей повседневной жизни бывают случаи, когда люди забывают о включенных потенциально опасных электроприборах, которые впоследствии могут привести к пожару. В результате они должны возвращаться домой и это крайне неудобно. А так же, к возвращению домой можно подогреть воду в бойлере или включить систему полива, не покидая помещения. На помощь приходит элемент «умного» дома– «умная» розетка. Она включает в себя блок, который может переводить устройство в необходимое положение, используя сетевое подключение. В этом проекте, я бы хотела рассмотреть одно из решений данной проблемы.

Актуальность:

Прогресс не стоит на месте и всё сильнее входит в нашу жизнь. Теперь же, наши дома и квартиры становятся умнее и помогают делать нашу жизнь комфортнее. В нашей повседневной жизни бывают моменты, когда мы забываем выключать электрические приборы дома, на помощь нам приходит идея «умного» дома. Ключевой идеей, считается автоматическое управление, различными элементами в квартире.

Умная розетка позволит не только включать чайник по приезду, а так же есть возможность настройки времени работы. Например, настроить систему внешнего освящения, чтобы оно самостоятельно включалось вечером, а утром гасло. Их использование в частном доме или квартире не только способствует увеличению качества жизни, но и существенно сокращает затраты на оплату электроэнергии. Проект создан для повышения безопасности вашего жилья и оптимизации различных электрических сетей для увеличения комфорта.

Цель проектной работы: создание умной розетки.

Задачи проекта:

Изучить базовый уровень электроники и программирования;

Узнать, какие бывают виды умных розеток и чем они отличаются;

Выбрать наиболее подходящий вариант;

Создать алгоритм и устройство;

Разработать программное обеспечение;

Собрать умную розетку и привести в работу, с помощью программы;

Проверить устройство в действии.

1.Теоретическая часть

1.1 Основная концепция

Arduino — аппаратная вычислительная платформа, содержит в себе микроконтроллер, который программируется с помощью языка C++. Программы обрабатываются с помощью препроцессора, а затем компилируется с помощью AVR GCC.

Arduino может использоваться как для создания автономных интерактивных объектов, так и подключаться к программному обеспечению, выполняемому на компьютере. Концептуально это электронный конструктор, который позволяет создавать бесконечное число девайсов. Наличие контактов на контроллере дает возможность подключать различные компоненты: датчики, лампы, моторы и любые устройства, работающие от электричества. Программы для «Ардуино» называются скетчами. Они создаются и прошиваются в специальной среде разработки. Наиболее популярная версия — Arduino IDE.

Изначально Arduino создавалось преподавателями для вовлечения студентов в электротехнику, но идея обрела успех и вышла дальше учебных заведений.

Существует несколько версий платформ Arduino: Leonardo, Uno, Nano, Due. На данный момент доступны 15 версий плат. Arduino Nano –работает на чипе ATmega328P.Из-за своих габаритных размеров плата часто используется в проектах, в которых важна компактность.

Тактирование осуществляется на частоте 16 или 8 МГц кварцевым резонатором.

Питание платы может осуществляться двумя способами:

Через mini-USB или microUSB при подключении к компьютеру;

Через внешний источник питания, имеющий напряжение 6-20 В;

Таблица 1

1.2Сравнение с аналогами

Проблема данной проектной работы осуществляется с помощью технических решений, которые можно классифицировать на следующие распространенные разновидности.

Радиоуправляемые

Принцип действия устройств состоит в получении приёмником радиосигнала от передатчика, расположенного мобильном пульте управления. Использование «умных» розеток с радиоуправлением категорически запрещено в медицинских учреждениях и в местах возможного появления людей с электрокардиостимуляторами.

К преимуществам данной модели относится:

возможность управления несколькими розетками с одного пульта;

доступная стоимость;

возможность радиосигналам проходить через деревянные, кирпичные и железобетонные стены;

К недостаткам данной модели относится:

возможно ложное срабатывание контролируемых бытовых приборов;

управляющий радиосигнал может негативно сказываться на работе электронных систем, находящегося в зоне его действия.

GSM розетка

Принцип действия состоит в том, что устройстве присутствует сим-карта, через которую он подключается в электрическую сеть. Если управление будет осуществляться с помощью SMS, то в телефонную книгу следует заранее внести номер карты, который используется в умной розетке. Подключение к стационарной розетке может осуществляться с помощью вилки или через шнур, имеющий на конце штепсельный разъем. GSM-розетки могут быть укомплектованы температурными датчиками, датчиками задымления, утечки газа, положения дверей и окон жилища.

Плюсы данной модели:

Простота в использовании;

Возможность дистанционно устанавливать конкретный микроклимат в доме;

Уведомление о событиях;

Рациональное использование электроэнергии.

Минусы данной модели:

Доступные модели могут обслуживать только один прибор;

Перед установкой необходима грамотная настройка;

При частых скачках модуль может выйти из строя;

Затраты на мобильную связь.

WI-FI-розетки

При соединении розетки с роутером прибор получает уникальный IP-адрес. Закрепленный адрес позволяет связываться с другими объектами через интернет. Сигнал кодируется, что позволяет защитить устройство от несанкционированного доступа. Программы находятся в свободном доступе и устанавливаются на любой современный гаджет.

Плюсы данной модели:

Контроль одной точки с 40 гаджетов;

Простота эксплуатации и монтажа;

Оптимальные размеры;

Дальность приема от 50 метров;

Простота в использовании;

Доступная стоимость;

2. Практическая часть

2.1 Разработка модели

Для сборки системы, изначально необходимо было создать схему цепи (Рисунок 1).

Рисунок 1 – схема

2.2 Описание комплектующих

Плата Arduino Nano v3 - это полнофункциональное миниатюрное устройство на базе микроконтроллера ATmega328;

Розетка - стационарно установленный разъём электрических сетей;

Шнур с вилкой;

ESP8266 - это китайский микроконтроллер от производителя Espressif с поддержкой WiFi-интерфейса;

Модуль реле - позволяет соединить вместе электрические цепи с совершенно разными параметрами;

Понижающий преобразователь - представляет собой преобразователь постоянного тока в постоянный , который понижает напряжение (при повышении тока) от входа (источника питания) до выхода (нагрузки).;

Макетка - универсальная печатная плата для сборки и моделирования прототипов электронных устройств;

USB-кабель;

Блок питания - устройство, предназначенное для формирования напряжения, необходимого системе, из напряжения электрической сети;

Комплект проводов - электротехническое изделие, служащее для соединения источника электрического тока с потребителем, компонентами электрической схемы;

Резисторы (6 шт) - пассивный элемент электрических цепей, обладающий определённым или переменным значением электрического сопротивления, предназначенный для линейного преобразования силы тока в напряжение и напряжения в силу тока, ограничения тока, поглощения электрической энергии и др ;

Кнопка;

2.3 Алгоритм устройства

Приложение №1

Рисунок 2 – блок -схема

2.4 Код устройства

Приложение №2

Скетч программы:

#include <ESP8266WiFi.h> // Подключаем библиотеку для работы с модулем

const char* ssid = "Arduino"; // Здесь указывается твой ssid (название WiFi сети к которой будет поключатся esp)

const char* password = "12345678"; // Указывается пароль от WiFi

IPAddress ip(172,20,10,10);

IPAddress geteway(172,20,10,1);

IPAddress subnet(255,255,255,0);

int RelayPin = 2; // Пинподключенияреле (GPIO2 of ESP8266)

WiFiServer server(80); // Портсервера

void setup() {

Serial.begin(115200); // Инициализируем соединение со скоростью 115200

delay(10);

pinMode(RelayPin, OUTPUT); // Устанавливает режим порта на OUTPUT

digitalWrite(RelayPin, HIGH); // Устанавливаем значение HIGH на порте (тк модель реле работает инвертно сигналу 1 на входе -> реле выключено, 0 на входе -> реле включено)

//Подключаемся к WiFi сети

Serial.println();

Serial.print("Подключениек ");

Serial.println(ssid);

WiFi.mode(WIFI_STA); // Говорим что мы будем клиентом WiFi, а раздавать его не будем (Другие варианты WIFI_AP, WIFI_STA, WIFI_AP_STA)

WiFi.begin(ssid, password);

WiFi.config(ip, geteway, subnet);

// Пока не доключимся выводим "." каждые 500 миллисекунд

while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {

delay(500);

Serial.print(".");

}

Serial.println("");

Serial.println("Подключение успешно установлено");

//Запуск сервера

server.begin();

Serial.println("Сервер запущен");

//Выведем ip адресс esp

Serial.print("Используте этот URL для подключения: ");

Serial.print("http://");

Serial.print(WiFi.localIP());

Serial.print("/");

}

void loop() {

// Проверяем подключился ли клиент

WiFiClient client = server.available();

if (!client) {

return;

}

// Ждём пока клиент отправит данные

Serial.println("Новыйклинт");

while(!client.available()){

delay(1);

}

// Читаемпервуюстрокузапроса

String request = client.readStringUntil('\r');

Serial.println(request);

client.flush();

// Проверяем запросс

int value = LOW;

if (request.indexOf("/Relay=ON") != -1) {

digitalWrite(RelayPin, LOW);

value = LOW;

}

if (request.indexOf("/Relay=OFF") != -1){

digitalWrite(RelayPin, HIGH);

value = HIGH;

}

// Вернём ответ клиенту (Это страница которую он увидит при подключение к esp)

client.println("HTTP/1.1 200 OK");

client.println("Content-Type: text/html");

client.println("");

client.println("<!DOCTYPE HTML>");

client.println("<html>");

client.println("<head>");

client.println("<title>Управлениереле</title>");

client.println("<meta http-equiv='content-type' content='text/html; charset=utf-8' />");

client.println("<head>");

client.print("Пин реле сейчас в состоянии: ");

if(value == LOW) {

client.print("On");

} else {

client.print("Off");

}

client.println("<br><br>");

client.println("Нажми <a href=\"/Relay=ON\">здесь</a> , чтобывключитьрелена 2 контакте<br>");

client.println("Нажми <a href=\"/Relay=OFF\">здесь</a> , чтобывыключитьрелена 2 контакте<br>");

client.println("<br><br>");

//client.println("Client by andreu5547 ;)");

client.println("</html>");

delay(1);

Serial.println("Клиентотключился");

Serial.println("");

}

.

2.5 Результат работы

Подключив «Умную розетку» к источнику, я удостоверилась в правильности написания скетча.

Рисунок 3 - модель в сборке Рисунок 4

Когда мы подключаем устройство к wi-fi телефона, то он приобретает уникальный IP-адрес, который нужен для включения/выключения. При включении реле он будет находится в состоянии «On» и электрический прибор, который подключен к розетке будет работать. При выключении реле, он будет находится в состоянии «Off» и электрический прибор перестанет работать.

Рисунок 5 – прибор в состоянии «On» Рисунок 6 – прибор в состоянии «Off»

2.6 Анкетирование

Для изучения проблемы я провела анкетирование в местах массового скопления людей. Всего количество опрошенных составило – 45 человек.

Я задала 2 вопроса:

Полезно ли будет для вас данное устройство?

Где необходимо использование прибора?

Результаты опроса – в таблицах № 2 и № 3 и диаграммах № 1 и № 2

Таблица 2

Диаграмма № 1

Таблица 3

Диаграмма № 2

Заключение

Цель и задачи, поставленные в работе, выполнены. В результате данной работы исследован принцип работы Arduino. На основе сравнения выбрана подходящая розетка, которая сделана при небольших затратах и относительно не сложно. Проведено анкетирование в местах массового скопления людей относительности актуальности данного прибора.

В процессе создания самого устройства была составлена схема, написана программа для работы умной розетки и собрана сама модель.

В конце работы умная розетка был проверена в действии.

Таким образом, можно сделать вывод, что данное устройство достаточно легкое в изготовлении и оно необходимо в целях безопасности людей.

Список литературы

2.Аппаратная платформа: http://arduino.ru/

3. «Создание умного дома на базе Arduino» Петин В.А.

4.Что такое умная розетка?: https://ru.wikipedia.org/wiki/Умная_розетка