XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Алиса и другие (элементы умного дома)
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Жилище, которое «понимает» и предугадывает желания своих хозяев, обеспечивает их безопасность и контролирует потребление энергоресурсов – такова основная концепция умного дома – реальность, граничащая с фантастикой, но уже ставшая обыденной для многих людей из разных стран мира. Умный свет, умное отопление, вентиляция и кондиционирование, умные приборы и гаджеты, всё это постепенно входит в жизнь простого обывателя, позволяя ощутить практическую пользу от использования высоких технологий.
Думаю, все из нас знакомы с Алисой – голосовым помощником, которая управляет бытовой техникой, лампочками и розетками в доме, настраивает разные сценарии. Вам лишь нужно дать команду Алисе, а дальше она все команды раздаст сама и работа в вашем доме закипит абсолютно без вашего участия. Например, после фразы «Хочется взбодриться» Алиса даст команду кофеварке приготовить вам латте, а колонке — включить зажигательную музыку. Для этого нужно связать ее с другими гаджетами в единую систему в приложении Яндекса — и дальше просить, о чем угодно: уменьшить яркость света, переключить кондиционер на интенсивный режим или включить мультиварку.
Все эти системы уже давно и успешно используют люди в своем быту. Однако, посоветовавшись с родителями, я решил попробовать автоматизировать другую сферу нашей жизни, связанную с уходом за комнатными растениями. Ведь всем известно, что это становится настоящей проблемой, когда необходимо оставить своих «зеленых питомцев» на долгий срок без ухода. Приходится просить родственников, соседей поливать растения с определенной периодичностью. Поэтому, считаю, что данное направление в автоматизации является актуальным для большинства людей.
Актуальность исследования:
Любые системы «умного дома» актуальны на сегодняшний день и за ними, безусловно, будущее. Благодаря этим системам жизнь современного человека может стать комфортнее, безопаснее, а главное – более экономичной.
Цель:исследование эффективной работы автоматической системы автополива комнатных растений от внешних факторов (в частности от высоты размещения системы автополива).
Задачи:
Изучить доступную информацию по теме проекта.
Познакомиться с различными элементами «умного дома».
Смоделировать собственное устройство для автополива комнатных растений, демонстрирующий. возможности «умного дома».
Определить исходные данные для разработки системы автоматического полива комнатных растений.
Изучить принцип работы автоматической системы полива комнатных растений на базе микроконтроллера АTtiny 85 с использованием помпы.
Изучить возможности программирования на базе микроконтроллера АTtiny 85 и создать программный код для автоматической системы.
Выбрать необходимые для функционирования устройства элементы.
Использовать устройство для автополива в реальных условиях.
Проанализировать результаты, подтвердить или опровергнуть гипотезу.
Предмет исследования: система автоматического полива комнатных растений, демонстрирующий возможности «умного дома»
Объект исследования: физические свойства автоматического полива - давление, сила тяжести.
Гипотеза: функционированиеавтоматической системы полива комнатных растений на базе микроконтроллера АTtiny 85 не зависит от высоты, на которой будет расположена система.
Методы исследования:
Анализ
Моделирование
Описание
Эксперимент
Наблюдение
Измерение
Проектным продуктом является автоматическая система полива комнатных растений на базе микроконтроллера АTtiny 85, демонстрирующая возможности "умного дома».
Практическая значимость моей работы заключается в том, чтобы показать, что возможно создать автоматическую систему полива, которые позволяют ухаживать за комнатными растениями без участия человека.
Глава 1.Теоретическая часть
1.1 Алиса и другие (элементы умного дома) – технологии будущего.
Умная лампа
Наиболее очевидный, востребованный и распространённый элемент умного дома. К умному свету относятся и всевозможные лампочки, которые меняют цвет, и световые ленты. Рассмотрим, такой гаджет, как Smart Change. Это энергосберегающая лампа для умного дома Яндекса с дистанционным управлением: через мобильное приложение или любое устройство с голосовым помощником Алисой. Вы можете настроить расписание работы, а также таймер включения или отключения. Еще можно выбрать, каким цветом будет гореть лампа или настроить режим, например, свидание, чтение, ночь, досуг и даже имитацию рассвета.
Рисунок 1 - Умная лампа
Умная розетка
Один из ключевых элементов умного дома и, пожалуй, самый универсальный – умная розетка. Она является «посредником» с Wi-Fi между обычной розеткой и любым электрическим прибором. Так можно включать/выключать голосом, например, вентилятор, торшер, подсветку аквариума и другие приборы, которые не имеют связи с интернетом. Работать всё будет не только из дома, но и удалённо, поэтому всегда можно со смартфона проверить, все ли приборы выключены, пока вас нет дома.
Рисунок 2 – Умная розетка
Робот-пылесос
Для умных роботов-пылесосов разработаны приложения, в которых можно настраивать график уборки, запретные зоны и другие особенности. Некоторые модели станут частью умного дома, и ими можно управлять голосом. А если у пылесоса есть динамик, можно записать в приложении смешные голосовые комментарии, и он будет ездить и ворчать: «Натоптали мне тут!»
Рисунок 3 – Робот – пылесос
Роботы – помощники по дому
На сегодняшний день все большую популярность приобретают Роботы – помощники по дому. Например, израильский робот ElliQ позиционируется в качестве «помощника для счастливой старости».
Рисунок 4 – Elliq – робот- компаньон для пожилых людей
Увы, он совсем не похож на человека – состоит из колонки и дисплея. ElliQ выполняет голосовые команды, напоминает о встрече или приеме лекарства, рассказывает новости, показывает забавные видео и даже делает вид, что рассматривает присланное хозяину фото. Большая часть пожилых людей находятся в определенной степени социальной изоляции, сталкиваясь с возрастными проблемами здоровья и неспособностью к активной жизни. Задача ElliQ в создании дополнительного круга общения и помощи в проведении досуга. Он понимает голосовые команды и поддерживает диалог. Кроме того, его обучили чтению писем, новостных заметок, рассказыванию анекдотов, загадыванию загадок, озвучиванию данных телевикторин.
Робот Bot Handy от компании Samsung(фото в приложение) – робот – манипулятор для домашней автоматизации. Он способен выполнять работу по дому, например, сервировать стол, складывать продукты в холодильник или загружать одежду в стиральную машину. Это возможно благодаря длинному манипулятору и встроенной камере для распознавания объектов разной формы и размера. Особенность робота в том, что он, понимая, какой именно предмет предстоит взять, регулирует силу захвата.
Рисунок 5 – Робот – манипулятор BotHandy
Умная кормушка для животных
Умная кормушка – важный компонент умного дома, ведь хозяевам не помешает помощь в уходе за своими четвероногими друзьями. Есть модели попроще, в которые можно засыпать корм на несколько раз, и он будет выдаваться по таймеру.
А есть более продвинутые решения с датчиком движения и камерой. С такой поилкой или кормушкой можно быть на связи со своим котом и даже «позвонить» ему по видеосвязи, выдав угощение за то, что он соблаговолил пообщаться с вами таким образом. Управление осуществляется со смартфона, так что связь поддерживается на любом расстоянии.
Рисунок 6 – Умная кормушка
Смарт – замки
Мы уже привыкли разблокировать смартфон с помощью дактилоскопического датчика, а как насчет открывания дверей без ключа – с помощью пальца? Думаете, что это фантастика? Нет же. У ряда производителей уже есть такие решения. Есть решения для разблокировки пальцем, а также с помощью смартфона или умного браслета.
Рисунок 7 – Смарт -замки
Глава 2. Практическая часть
2.1 Создание системы автоматического полива комнатных растений на базе микроконтроллера ATtiny 85 с использованием насоса.
Изучив историю вопроса, мы поняли, что наиболее востребованными сегодня являются системы, которые помогают людям в повседневной жизни. Так родилась идея самостоятельно собрать систему автоматического полива для комнатных растений, так как для нашего дома такая система очень актуальна. В своей работе я, как пользователь, определил следующие исходные данные для проектирования системы автоматического полива, на их основе я буду моделировать свою установку и организовывать сам процесс автополива.
Количество поливаемых растений – 1 растение
Способ забора воды – ёмкость с водой
Вид полива – струйный
Периодичность полива – 1 раз в сутки
Время полива – 10 секунд
Рисунок 8 – Принципиальная схема автополива комнатных растений
Ёмкость с водой является источником водоснабжения, именно она снабжает всю систему водой под определенным давлением. Центральный элемент системы – электрический датчик – таймер на базе микроконтроллера ATtiny 85, который является мозгом всей системы автоматизации. Устройство осуществляет подачу сигнала в определенный промежуток времени, которые задаются в программном коде. Для того, чтобы вода автоматически попала на растение, нужно, чтобы таймер на базе микроконтроллера подал электрический сигнал на насос. В результате этого насос заработает и начнет процесс выкачивания воды из емкости и подачи воды в грунт растения. Таймер на базе микроконтроллера ATtiny запускает электричество 1 раз в сутки. Источник питания (блок аккумулятора) – обеспечивает электроснабжение всей системы автополива.
Определившись с исходными данными и схемой работы системы, мы приобрели следующие элементы системы автополива: электрический датчик на базе микроконтроллера ATtiny 85, Mosfet (исполнитель – подает электричество), насос - помпа, блок – аккумулятора, элеткропровода, водопропускные трубки, регуляторы давления.
Рисунок 9 – Элементы системы автополива
Вначале мы прикрепили электрический датчик на базе микроконтроллера ATtiny 85 (заранее запрограмированный) и Mosfet к блоку – аккумулятора с помощью двустороннего скотча. Далее мы припаяли электропровода по следующей схеме:
- электропровод к области 5u на электрическом датчике и соединили с областью uin на Mosfet.
- электропровод к области gnd на электрическом датчике и соединили с областью gnd на Mosfet.
- электропровод на область p1 и припаяли к области sig на Mosfet.
После этого мы соединили красный электропровод от аккумулятора с областью uin на Mosfet, а черный электропровод от аккумулятора с областью gnd на Mosfet. Далее мы соединили красный провод от насоса с областью u+ и соединили черный провод с областью u-.
Рисунок 10 – Процесс сборки устройства
После этого мы вставили 4 батарейки с емкостью 1.2 Вт каждая в блок аккумулятора и присоединили водопроводную трубку. На конец водопроводной трубки были прикреплены регуляторы давления. Таким образом была собрана система автополива.
Рисунок 11 – Система автоматического полива комнатных растений
Но для того, чтобы она стала «умной», мы заранее перед сборкой системы запрограммировали электродатчик на базе микроконтроллера ATtiny 85.
2.2 Программирование на базе микроконтроллера АTtiny 85
Для создания нашего проекта была использована возможность программирования микроконтроллера ATtiny 85.
Рисунок 12 – Микроконтроллер ATtiny 85
После того, как был приобрел этот электродатчик, нам необходимо было его запрограмировать. Устройство программируется через USB. Аппаратная часть ATtiny 85 представлена чипом с постоянной памятью, набором из резисторов и трансзисторов. Эта конструкция позволяет пользователю самому добавлять «улучшения» в программу по мере необходимости.
Работа с микроконтроллером ATtiny 85 осуществляется через специальное бесплатное программное обеспечение. Программное обеспечение можно скачать в Интернет, нужно лишь выбрать необходимый вариант. На компьютер необходимо установить программу Arduino IDE. Его нужно запустить на выполнение с административными полномочиями, принять условия лицензии и согласиться с предложенным вариантом установки. Когда установщик предложит установить драйверы порта, также ответить утвердительно. При запуске установленной откроется окно, в котором уже содержится заготовка программы. В данной программе необходимо установить необходимы интервал времени. Согласно программе, датчик осуществляет подачу сигнала в определенный промежуток времени, который мы задали в программном коде (см. Приложение 1).
В нашем случаи (для удобства презентации проекта) было запрограмировано, что датчик будет срабатывать каждые 60 секунд. Далее мы запустили программу, а электродатчик был вставлен в порт USB. Программа автоматически загрузилась на электродатчик.
2.3 Исследование зависимости работы системы автополива от высоты
В нашем доме комнатные цветы находятся на разной высоте. В связи с этим я задумался на какую высоту сможет поднять уровень воды насос, установленный в нашей системе. Я провел исследование этого вопроса. Для этого я поднял водопропускную трубку на три контрольные точки: 50 см, 100 см и 200 см.
Рисунок 14 – Три контрольные точки: 50 см, 100 см, 200 см
На уровне 50см и 100 см система автополива исправно работала. Однако на уровне 200 см система начала работать, но вода в трубку не поступала. Тогда я начал медленно опускать трубку вдоль рулетки и на высоте 155 сантиметров вода из трубки снова стала вытекать.
Рисунок 15 – Максимальная высота подачи воды 155 см
Так опытным путем мною было установлено, что максимальная высота подачи воды моей системы автополива составляет 155 сантиметров, то есть выше этого уровня поднимать цветы нельзя, так как система автополива не будет работать. Это объясняется тем, что насос создает давление, которое противодействует давлению воды. Давление, которое генерирует помпа должно быть больше, чем давление столба жидкости.
Рисунок 16 – Схема давления
Таким образом, наша гипотеза не подтвердилась: функционированиеавтоматической системы полива комнатных растений на базе микроконтроллера АTtiny 85 зависит от высоты, на которой будет расположена система. Это необходимо учитывать при размещении «умной системы».
Заключение
В ходе моей исследовательской работы цели и задачи, поставленные в проекте были достигнуты. Был приобретен новый опыт, связанный с программированием микроконтроллера, который стал главным элементом всей системы автоматизации. Ведь именно благодаря этому устройству наша система автополива может полностью работать без участия человека. Также были приобретены новые навыки сборки устройства, пользование новыми аппаратами, например, паяльным аппаратом. Процесс сборки устройства стал наиболее запоминающимся для меня.
Были получены новые знания по теме исследования. В начале работы мы выдвинули гипотезу о том, что функционирование автоматической системы полива комнатных растений на базе микроконтроллера АTtiny 85 не зависит от высоты, на которой будет расположена система. Однако в ходе исследования опытным путем было установлено, что максимальная высота подачи воды нашей системы автополива составляет 155 сантиметров, то есть выше этого уровня поднимать цветы нельзя, так как система автополива не будет работать.
Мы видим, что технологии будущего и возможности автоматизации современного жилища поистине безграничны, поэтому я планирую продолжить исследовательскую работу в этом направлении и использовать свою систему автополива у себя дома.
Список источников и литературы
Бейктал, Джон. Конструируем роботов на Arduino. Первые шаги: монография/Джон Бейктал – Лаборатория знаний, 2019. – 320 стр.
Гололобов, В.Н. «Умный дом» своими руками: монография/ В.Н. Гололобов - М.: НТ Пресс, 2007. - 416 с.
Петин, В.А. Создание «умного дома» на базе Arduino: монография / В.А. Петин - ДМК Пресс, 2018. - 180 с.
Создание современной концепции системы "Умный дом" / Сандимиров С.А. // Молодой ученый. [Текст] : международный научный журнал/ "Издательство "Молодой ученый", о-во с ограниченной ответственностью. - Чита : Молодой ученый, 2018. - № 29 (215)
Тесля, Е.В. «Умный дом» своими руками. Строим интеллектуальную цифровую систему в своей квартире: монография/ Е.В. Тесля – Издательство Питер, 2008. – 360 с.
Черненко, Г.Т. Роботы и умные машины: детская энциклопедия/ Г.Т. Черненко – Аванта, 2020. – 96 с.
Википедия [Электронный ресурс]: свободная энциклопедия - Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/ (дата обращения: 12.02.2023).
Приложение 1. Программный код