XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Домашняя метеостанция с возможностью вывода информации через приложение на мобильное устройство

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Безделин М.Д. 1

---

1Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение городского округа Тольятти "Лицей № 67"

Гурова Н.А. 1Кузьмин В.И. 2

---

1Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение городского округа Тольятти "Лицей № 67"

2Тольяттинский Филиал Детского Технопарка «Кванториум 63-регион»

Работа в формате PDF

1.4 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение.

Знать точный прогноз погоды очень важно. И если примерную информацию о погоде за окном можно получить из сети Интернет и различных мобильных приложений, то узнать точные значения температуры, влажности и давления в комнате не получится. Семьям с детьми очень важно знать точные значения температуры и влажности в помещении, где будут находиться дети во время сна. Особенно это важно во время повышенной заболеваемости вирусными инфекциями. Также метеочувствительным людям необходимо знать информацию об атмосферном давлении, чтобы заранее предотвратить ухудшение самочувствия. Информация об атмосферном давлении пригодится так же людям, увлекающимся рыбалкой. Чтобы не просидеть весь день у водоема зря, лучше заранее узнать значение атмосферного давления. Знать прогноз погоды тоже не будет лишним.

Обоснование проекта.

Актуальность данного проекта определяет отсутствие на рынке устройств с заданными характеристиками. Как показал анализ существующих аналогов, подобных устройств, производящихся в России нет совсем. Устройство будет востребовано у покупателей.

Цели проекта:

Интерес. Мне нравится заниматься программированием микроконтроллеров. Я еще никогда не работал с платой Arduino Nano, но она очень компактная и удобная, поэтому я буду использовать ее. Так же, раньше я работал с датчиком температуры и влажности DHT11, но в этом проекте мне интересно использовать другой намного более точный датчик BME280. Так же я создам в среде App Inventor приложений для работы с Arduino.

Я хочу изучить и закрепить на практике полученные знания. В программе Fusion 360 я разработаю корпус своего устройства и сделаю 3D-модель.

Я хочу создать удобное и функциональное устройство, которое будет отличаться от существующих аналогов. К тому же, все аналоги изготавливают в Китае. Я хочу, чтобы умные высокотехнологичные устройства производились в России.

Я восхищаюсь Олегом Кивокурцевым, создателем компании Promobot, Денисом Ефремовым, создателем компании Стратонавтика и создателями компании «Моторика». Я мечтаю создать свой стартап, который будет приносить прибыль и пользу людям и моей стране. Самостоятельная разработка проектов приближает меня к моей мечте.

Задачи проекта:

Создать устройство, способное показывать значения температуры, влажности и давления.

Создать удобное мобильное приложение.

Вывести информацию о погоде через приложение на мобильное устройство, имеющее привлекательный вид и эргономичную форму.

В проекте представлено устройство с контроллером Arduino Nano, датчиками температуры, влажности, давления, жидкокристаллическим дисплем LCD 2004, Bluetooth модулем НС-05, RGB светодиодом и питанием по USB.

В программе Autodesk Fusion 360 создана удобная эргономичная модель корпуса, которая напечатана на 3D-принтере. В редакторе Microsoft Word создана инструкция к метеостанции и буклет для продавца метеостанции.

Глава I. Изучение темы проекта.

Описание целевой аудитории:

Метеозависимые люди, гипертоники. Для того, чтобы при резких скачках атмосферного давления заблаговременно принять меры.

Семьи с детьми. При наличии домашней метеостанции поддерживать оптимальные параметры (+18 до + 23 градусов, а влажность воздуха – 40-60%) в помещении будет проще.

Цветочники и садоводы. Им необходимо следить за температурой и влажностью в помещении, где выращиваются растения.

Люди, ответственно относящимся к своему здоровью. Так как параметры температуры, влажности и давления влияют на самочувствие, на частоту ОРВИ, на качество кожных покровов и волос.

Люди, увлекающимся рыбалкой. Так как им необходимо знать значения атмосферного давления и скорость ветра.

Устройство будет интересно людям со средним и высоким уровнем достатка. Так как вышеперечисленные категории встречаются во всех возрастных группах, то возраст целевой аудитории может быть любым.

Исследование проблемы:

Девять из десяти стартапов терпят неудачу. В 34% случаев продукт компании не соответствует потребностям пользователей, а 22% стартапов не удаётся построить прибыльный маркетинг. Снизить риск неудачи поможет Customer Development — маркетинговая концепция, разработанная для новых продуктов.

Принципы CustDev:

Экономия времени. В основе технологии — серия коротких интервью, цель которых — получить инсайты от клиентов. Я искал потенциальных покупателей, общаясь с ними я нашел информацию, которая помогла улучшить продукт. Я опросил знакомых (30 человек) нужна ли им метеостанция дома. В 82% получен положительный ответ.

Agile-подход. Работа разбита на циклы, каждый из которых приносит мини-результат.

Сначала я создал устройство и показал знакомым, получил положительные отзывы. Далее создал мобильное приложение и так же получил положительные отзывы.

Я задавал вопросы:

Есть ли у вас необходимость знать параметры температуры, влажности, давления в помещении?

На какие параметры устройства вы обращаете внимание?

Имеет ли значение внешний вид устройства?

Какие функции вы бы хотели добавить? Некоторые пожелали иметь лунный календарь в приложении и он был добавлен.

Является ли важным для вас, что устройство произведено в России. Почти во всех случаях получен ответ «да».

Существующие аналоги устройств.

Механические метеостанции.

При изучении аналоговых метеостанций, я выяснил, что они чаще всего выполняются в деревянном полированном корпусе и могут быть настенными или настольными. В них используются циферблаты аналогового типа с механическим действием. Для отображения температуры применяются еще и спиртовые термометры. Такие приборы способны показывать атмосферное давление (барометр), влажность воздуха (гигрометр) и температуру (термометр). У моделей с барометрами есть функция предсказания погоды, где станция определяет ближайшее приближение дождя, ветра, шторма, засухи или жары.

По внешнему виду это очень красивые приборы, которые могут стать отличным подарком и послужить украшением любой комнаты. Премиальные варианты могут быть отделаны камнем и резьбой по дереву.

Достоинства аналоговых (механических) метеостанций.

Точность показаний и измерений.

Привлекательный внешний вид, способный вписываться в классический интерьер жилого помещения.

Более длительный срок эксплуатации по сравнению с цифровыми устройствами (это вызвано отсутствием источников питания).

Недостатки механических метеостанций.

Малый функционал – в устройство могут быть встроены только термометр, барометр и гигрометр.

Механические установки тяжелые по весу.

Высокая цена из-за используемых для изготовления корпуса материалов.

Варианты исполнения аналоговых метеостанций(Приложение 1, рисунок 1)
Примерная стоимость таких метеостанций 2000-120000 рублей

Цифровые метеостанции.

В цифровых метеостанциях используется база с дисплеем. В ней обрабатываются сигналы, поступающие от датчиков, и информация выводится на экран. Размер последнего может достигать 10 дюймов, позволяя смотреть на дисплей с расстояния 10 метров. За счет электронного принципа работы обеспечивается высокая точность показаний. Внешне - это современные девайсы, органично вписывающиеся в квартиру или дом, наполненные гаджетами. Среди разновидностей цифровых метеостанций есть модели с датчиками и без них.

Варианты исполнения цифровых метеостанций (Приложение 1, рисунок 2).

Примерная стоимость таких метеостанций 500-30000 рублей

Преимущества цифровых метеостанций.

Значительный набор функций для адекватной оценки метеорологических условий и прогнозирования погодных явлений.

Выносные контроллеры анализируют данные о погоде с различных точек для составления наиболее точной картины.

Стильный и современный дизайн.

Компактность устройства.

Недостатки цифровых метеостанций.

Обязательное наличие источника питания.

Неправильный монтаж внешних датчиков приводит к передаче искаженных данных.

Бюджетный вариант устройства не способен максимально точно отображать информацию о погодных условиях.

Глава II. Описание этапов проекта.

Этап 1.

Я ознакомился с информацией о метеостанциях в Интернете по уже существующим промышленным образцам и различным самодельным устройствам, определился с необходимыми элементами устройства. Изначально в качестве датчика температуры и влажности был выбран DHT11. Он был подключен к макетной плате, написан код, датчик работал. Но испытания (нагревал феном, помещал в холодильник, размещал рядом с увлажнителем или в комнате без увлажнителя и рядом с батареей) показали, что датчик является очень неточным. В качестве замены был выбран датчик BME280, который прекрасно себя показал во всех испытаниях. BME280 – высокоточный метеодатчик, измеряющий такие параметры микроклимата как температура, влажность и атмосферное давление. В зависимости от модуля может подключаться к I2C и SPI шинам микроконтроллера и работать от 3-5V, если на плате есть стабилизатор, или 3V, если его нет.

Далее на макетной плате подключены все устройства: контроллер Arduino Nano, датчик температуры, влажности, давления, жидкокристаллический дисплей LCD 2004, Bluetooth модуль HC-05, RGB светодиод. Создана функциональная схема устройства (Приложение 1, рисунок 3) Создана электрическая принципиальная схема устройства (Приложение 1, рисунок 4).

HC-05 – это модуль беспроводной связи, позволяющий передавать и принимать данные по радиоканалу на разрешённом ISM (Industry, Science and Medicine) диапазоне частот, от 2,4 ГГц до 2,5 ГГц, предназначенном для использования в индустриальных, научных и медицинских целях – метод адаптивной скачкообразной перестройки несущей частоты. RGB-светодиод – это три одноцветных кристалла совмещенные в одном корпусе. Название RGB расшифровывается, как Red – красный, Green – зеленый, Blue – синий соответственно цветам, которые излучает каждый из кристаллов. Эти три цвета являются базовыми, и на их смешении формируется любой цвет, такая технология давно применяется в телевидении и фотографии.

Этап 2.

На языке Arduino IDE написан программный код. На экран LCD дисплея выводятся показатели температуры, влажности и давления с датчика BME280. Если показания температуры и влажности находятся в пределах комфортной, то RGB светодиод горит зеленым. Если температура повышается выше 30 градусов – RGB светодиод загорается красным, если температура опускается ниже 18 градусов – RGB светодиод загорается синим. При повышении влажности выше 80 процентов (при температуре в пределах комфортной) RGB светодиод светится фиолетовым цветом. При понижении влажности ниже 40 процентов (при температуре в пределах комфортной) RGB светодиод светится оранжевым цветом.

Файл bme280_LCD_HC05_RGB.ino доступен по ссылке: https://drive.google.com/drive/folders/11m5jOOJKI6lSyocEz6StnS9DWPZVO0iR?usp=share_link

Создание 3D моделей корпуса устройства и чертежей в среде Autodesk Fusion. 360 (Приложение 1, рисунок 5, рисунок 6). Файлы 3D моделей в формате .stl (housing for a weather station_down.stl, housing for a weather station_up.stl) доступны по ссылке https://drive.google.com/drive/folders/11m5jOOJKI6lSyocEz6StnS9DWPZVO0iR?usp=share_link

В программе Autodesk Fusion 360 выполнен чертеж корпуса. Адрес .f2d чертежа https://a360.co/3tC6KYH. Прилагается .jpg файл чертежа (Приложение 1, рисунок 7).

Для печати деталей будет использован PLA пластик.PLA-пластик (полилактид, ПЛА) – является биоразлагаемым, биосовместимым, термопластичным полиэфиром. ПЛА-пластик производят из кукурузы или сахарного тростника. Натуральное природное сырье в составе PLA-пластика позволяет без угрозы для здоровья человека применять его для различных целей. При изготовлении ПЛА-пластика значительно сокращаются выбросы углекислого газа в атмосферу по сравнению с изготовлением «нефтяных» полимеров.

Этап 3.

Создание приложения для мобильного устройства. Тестирование устройства. Приложение создано в среде App Inventor. Приложение имеет 2 активных экрана, которые можно переключать между собой. Первый экран – показывает данные с сервера Google о погоде, второй экран – данные температуры, влажности и давления с датчиков, установленных внутри устройства. (Приложение 1, рисунок 8). В программе в блоках первого экрана использовано расширение с сайта https://community.kodular.io/t/weather-mate/139787/29 (Приложение 1, рисунок 9, рисунок 10).

Файлы Weather.aia, Weather.apk доступны по ссылке https://drive.google.com/drive/folders/11m5jOOJKI6lSyocEz6StnS9DWPZVO0iR?usp=share_link

Совершенствование программного кода. Подсчет стоимости изделия, оценка ёмкости рынка. Подготовка финальной презентации проекта. Я занимаюсь в математическом клубе и знаю, как важна экономическая часть любого проекта. В прошлом году я изучил, как считать коммерциализацию проекта, фактическую и доступную ёмкость рынка. Свои знания я применил для расчета возможной выгоды в денежном эквиваленте.

В программе Microsoft Word создана инструкция к метеостанции и буклет для продавца метеостанции. Файл инструкции доступен по ссылке https://drive.google.com/file/d/1Vn62BO4cz34CVn9r4yZThffHkjYvpfNe/view?usp=share_link

Файл буклета доступен по ссылке https://drive.google.com/file/d/1CaT3W4XCuQp3wqZtZ_FoXFrpEkywGni1/view?usp=share_link

Коммерциализация и емкость рынка.

Очень важной частью моей работы является экономический расчет. Потому что очень важно заранее определить стоимость готового изделия, возможную продажную стоимость, доступную емкость рынка.

Посчитаем Потенциальную емкость рынка. Так как продавать мы изначально хотим в России, то будем считать Потенциальную емкость российского рынка.

Узнаем статистику. Население России (данные на 1 января 2022 год) 145 478 097 человек. Так как метеостанция покупается не на каждого человека, а на семью, узнаем, сколько семей в России. Последняя перепись населения свидетельствует о том, что общее число семей в России 42 000 000, значит потенциально можно продать 42 миллиона метеостанций.

Фактическая емкость.

Узнаем статистику продаж домашних метеостанция. Получаем, что каждая 18 семья покупает домашнюю метеостанцию.

Фактическая ёмкость: 42 000 000/18 =2333 333

Посчитаем доступную емкость рынка. 

Т.к. Интернет-запрос выдает 6 моделей домашних метеостанций в ценовом диапазоне от 4000р до 5000р. Всего же находится около 200 различных моделей домашних метеостанций. Стоимость большинства из них в несколько раз превосходят по стоимости моё устройство. Значит, за доступную емкость рынка возьмемодну шестую часть от посчитанной фактической емкости рынка. 2333 333/6 =388 888 штук возможно продать.

Переводим в денежный эквивалент:

388 888 штук * 4 000 рублей (стоимость 1-ой метеостанции) = 1 555 555 333 (1 миллиард 555 миллионов. 555 тыс. 333 рубля).

Планы по дальнейшему развитию проекта.

В будущем я планирую продумать возможность собирать информацию с датчиков и передавать в систему «умный дом», чтобы система регулировала работу климатического оборудования. В дополнение к метеостанции я уже разработал программируемый таймер, который может включать и выключать электрические приборы в определенное время.

Так же я занимался разработкой модуля орбитальной станции и лунной базы для проекта Space Pi и сделал вывод, что для поддержания жизнеобеспечения космических станций и баз необходимо поддерживать в норме значения температуры, влажности и давления, а значит их необходимо постоянно измерять.

Выводы.

Новизна проекта.

Компактные размеры.

Возможность выводить данные в мобильное устройство.

Возможность получения информации о времени, температуре, влажности, наличии осадков, скорости ветра в любом населенном пункте Земли.

Красивый и прочный корпус из экологического PLA пластика.

Полученные навыки в ходе выполнения проекта.

Усовершенствовал навык работы с контроллером Arduino Nano, датчиком температуры, влажности, давления, жидкокристаллическим дисплеем LCD 2004, модулем часов реального времени, Bluetooth модулем HС-05, RGB светодиодом.

Усовершенствовал навык работы в среде Autodesk Fusion 360:

создание 3D-модели;

создание чертежа.

Приобрел навык работы с паяльным оборудованием.

Усовершенствовал навык написания скетчей в программе Arduino IDE:

работа с функцией map;

работа с условными операторами if, else, else if ;

работа с логическими операторами;

работа с циклами;

работа со сложными условиями;

работа с функцией setColor.

Усовершенствовал навык работы в текстовом редакторе.

Усовершенствовал навык работы в программе Power Point.

Приобрел навык создания схем в программной среде EasyEda.

Научился не боятся трудностей и не сдаваться.

Список используемой литературы.

25 крутых проектов с Arduino / Марк Геддес ; [пер. с англ. М.А. Райтмана]. – Москва : Эксмо, 2019. – 272 с. – (Электроника для начинающих).

Мейкерство. Arduino и Raspberry Pi. Управление движением, светом и звуком: Пер. с англ. – СПб.: БХВ-Петербург, 2017. – 336 с.

Джереми Блум. Изучаем Arduino, Пер — СПб.: БХВ-Петербург, 2017. — 336 с.

Бокселл Д. «Изучаем Arduino 65 проектов своими руками», — СПб.: Питер, 2017. — 400 с.

Петин В.А. Беняковский А.А. Практическая энциклопедия Arduino. - М.: ДМК Пресс, 2017. - 152 с.

Список используемых Интернет-источников.

https://alexgyver.ru/

https://community.kodular.io

https://www.youtube.com/channel/UC7aH7HVqDvwB1xNHfSl-fDw

https://www.arduino.cc/

https://arduino.ru/

https://ru.wikipedia.org/wiki/Arduino

Приложение 1

Рисунок 1. Варианты исполнения аналоговых метеостанций.

Рисунок 2. Варианты исполнения цифровых метеостанций.

Рисунок 3. Схема устройства

Рисунок 4 (Схема устройства в программной среде EasyEda)

Рисунок 5. Корпус (работа в программе Autodesk Fusion 360)

Рисунок 6. Корпус (работа в программе Autodesk Fusion 360)

Рисунок 7. Чертеж корпуса (работа в программе Autodesk Fusion 360)

Рисунок 8. Внешний вид мобильного приложения

Рисунок 9. Программный код в виде блоков App Inventor. Блоки Экрана 1 (Screen 1).

Рисунок 10. Программный код в виде блоков App Inventor. Блоки Экрана 2 (Screen 2).