XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Электронный кодовый замок, или посторонним вход воспрещен
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Электронные замки являются эффективным средством предотвращения доступа посторонних лиц к охраняемым помещениям. Их главными достоинствами является простота в обращении, надёжность, возможность обеспечить высокую степень защиты. Важной особенностью электронных замков считается возможность управлять ими дистанционно. Эта возможность все чаще используется человеком при создании технологии «умного дома». Умный дoм — этo cиcтeмa автоматизации домашних устройств, которые выполняют свои действия и могут решать определённые задачи без участия человека. Электронные замки встраиваются в общую систему умного дома, которая как правило привязана к телефону владельца, что дает человеку возможность с телефона управлять замком, удаленно открывая и закрывая его, когда возникает необходимость. Прародителем разработки умного замка является простейший ключевой замок, в котором нет какой-либо электроники. Основным достоинством и одновременно недостатком является ключ: ключом открыть замок можно быстрее и проще, но ключ также можно потерять, в следствие чего замок открыть замок будет труднее. В современном мире существуют различные способы решения проблем, создаваемых при использовании обычного ключевого замка. Создание электронного замка является одним из этих способов.
Цель работы: создать простейший электронный кодовый замок
Практическую значимость такого проекта сложно недооценить, поскольку такой замок существенно повышает безопасность объекта, удобный и простотой в использовании.
Я сделал предположение, что в домашних условиях возможно создать модель электронного кодового замка с использованием платы Arduino UNO.
Задачи:
Изучить виды и устройство кодовых замков
Создать виртуальную модель кодового замка в онлайн программе TinkerСad
Создать код для замка типа Scratch с помощью специальных блоков
Собрать реальную модель устройства и проверить ее в действии.
Методы исследования: изучение и анализ литературных источников, систематизация и обобщение полученных данных, моделирование и программирование устройства в виртуальной среде, сборка модели устройства.
Глава 1 «Замок. От простого к сложному»
1.1. История появления запирающих устройств (замков)
Сегодня все чаще используются электронные кодовые запирающие устройства, которые снабжены различными датчиками и открываются карточками, но и привычные нам замки по – прежнему охраняют наши квартиры, дачи, кабинеты и прочее. У каждого в кармане найдётся ключ с зазубринами, вставляющийся в замочную скважину. Но так было не всегда.
Замки и ключи - ровесники ранних цивилизаций. Появление у людей собственных вещей привело и к появлению замков и ключей.
Первые механические замки из дерева были созданы несколькими цивилизациями одновременно. Первые такие замки появились в Египте около 4000 лет назад. В этих деревянных замках, которые крепили вертикально к дверному косяку, находились подвижные штыри, которые благодаря собственному весу опускались в отверстия в крестовине и запирали дверь. Замок открывался деревянным ключом с выступами или зубцами.
Уже в древности запорные устройства – замки имели множество разновидностей.
Многие замки прежних времен принципиально не отличались от нынешних, только материалами.
Древнеегипетские замки изготавливались из твердой древесины и закреплялись на двери с внутренней стороны, блокируя засов. Так запирали гробницы фараонов от посторонних глаз. Интересно, что у египетского замка не было замочной скважины, а открывался он через отверстие в двери. Причем, через него нужно было просунуть руку с деревянным ключом. (Приложение А).
Узкая замочная скважина была придумана древними греками, которые первыми стали применять металл для изготовления ключей и деталей замков.
Древние римляне отнеслись к замкам со всей серьезностью. Они внесли много усовершенствований в конструкцию замка. Римляне первыми стали использовать неподвижные выступы в замке. А делали их для того, чтобы чужой ключ не мог повернуться в замке. (Приложение А).
Европейцы продолжили использовать принцип римских замков, но таких сложных конструкций уже не делали.
В 14 веке появляются вертикальные замочные скважины. Некоторые замки, изготовленные по особому заказу, открывались одновременно тремя или пятью ключами. Чтобы пресечь доступ посторонних к своему добру, в замках часто устанавливались специальные травмирующие устройства, например, стальные дротики, неожиданно впивающиеся в руку незваного гостя. (Приложение А).
Первые цельнометаллические замки изготовили английские ремесленники где-то в 870-900 годах. Это были обыкновенные железные засовы с выступами вокруг замочной скважины для того, чтобы предотвратить взлом.
В Росси был свой чудо – замок, сделанный полностью вручную. Ключ не вставлялся, а ввинчивался в замочную скважину. (Приложение А).
В наше время существует большое множество замков самых разных конструкций. Разные виды замков обычно разделяют и объединяют по общим для них характерным чертам.
1.2. Современные кодовые замки
Современные кодовые замки можно классифицировать по нескольким признакам:
- по типу установки
- способу управления механизмом запирания двери
- возможности изменять кодовую комбинацию.
По типу установки кодовые замки подразделяются на навесные и врезные замки. Навесные замки используется в основном для гаражей, складских помещений и в других подобных случаях, но для жилых домов и квартир лучше использовать врезные кодовые замки, которые надежней навесных из-за того, что рабочие механизмы такого замка располагаются внутри дверного полотна, защищая его от возможности разбора и взлома извне. Навесные замки можно использовать в качестве дополнительно защиты.
По принципу управления запирающим механизмом замки можно разделить на механические, и электронные. Механические замки имеют свои недостатки, например, они быстрее выходят из строя, также серьезной проблемой является то, что к данным замкам достаточно легко подобрать нужную комбинацию для открытия, по сравнению с другими видами. Механические замки имеют кнопочный кодовый механизм или поворотный. Существуют также электронные кодовые замки, которые заслуживают отдельного внимания. Электронные кодовые замки имеют одно существенное преимущество перед механическими – блок управления может находиться в удалении от основного устройства. Его можно установить в любом месте – это основа принципа замка – невидимки. Когда нет возможности видеть то, с чем придется иметь дело, становится проблематично вскрыть такое устройство. Кроме того, современный кодовый замок – это высокотехнологичное устройство, управляемое при помощи микропроцессора, а это миллионы различных комбинаций.
Все электронные кодовые замки можно разделить на 3 категории. Фото представлено в (Приложение Б).
1. Кнопочные кодовые замки с электронным управлением. Они получили наибольшее распространение, но, в то же время, это уязвимая группа запирающих устройств. Причина, как и в случае механических замков, та же – стирающиеся и западающие кнопки. В основном их устанавливают там, где не требуется хранить особо ценные предметы. Их используют для предотвращения проникновения в помещение, например, в подъезды, складские и подсобные помещения в небольших предприятиях или магазинах. В большинстве случаев пульт управления и сам замок изготавливаются одним блоком, но имеются модели с раздельным оснащением. С развитием технологий кнопочные кодовые замки получили свое логическое продолжение в виде замков с сенсорной панелью. Преимущества перед кнопками здесь очевидны, но есть серьезная проблема с тем, что на марких сенсорных экранах при нажатии остаются отпечатки пальцев, которые становятся заметны под определенным углом обзора. Для избегания взлома комбинации по отпечаткам, требуются различные ухищрения, на которые идут производители замков с сенсорной панелью. Одним из способов сокрытия комбинации является ввод дополнительных ненужных символов вначале или в конце основного кода.
2. Кодовые замки с магнитным носителем комбинации. Это очень надежные замки, вскрыть которые можно, если заполучить сам магнитный носитель. В этой роли могут выступать: пластиковая карточка, небольшой брелок, пульт дистанционного управления, передающий код приемнику радиосигналом или сигналом в инфракрасном спектре, легко перехватываемый и декодируемый.
3. Комбинированные замки. Данный вид замков наиболее распространен на сегодняшний день. Попасть внутрь помещения можно только при использовании последовательно нескольких различных открывающих устройств, например, кодовой комбинации и пластиковой карты, что делает комбинированные замки очень надежной системой. Их особенностью является то, что разблокировать дверь невозможно только при помощи одного ключа, потребуется пройти все последовательные действия, необходимые для открытия, а также то, что ключи от других производителей будут игнорироваться при попытке их использования.
1.3. Устройство электронного кодового замка
Устройство электронного замка состоит четырех частей:
1. Запирающий механизм. Чтобы он открылся или закрылся, на него подают короткий электрический импульс. Когда кодовая комбинация совпадет с заданной, замок откроется.
2. Считыватель кода или пульт управления. Это считывающее устройство – электроники управления в нем нет. С помощью этого устройства вводится код и направляется в блок управления.
3. Блок управления. Он распоряжается вопросом, подавать или не подавать импульс для срабатывания запирающего механизма.
4. Источник бесперебойного питания (ИБП). С его помощью кодовый электронный замок проработает автономно несколько суток, в случае отключения электричества.
Глава 2 «Создание электронного кодового замка»
Цель моей работы - создание простого электронного кодового замка. Стоит отметить, что в современных электронных замках может использоваться сразу несколько типов открывания:
1. Электронный замок с NFC - картой — это замок, который открывается при помощи смартфона, в котором имеется чип.
2. Электронный биометрический замок — замок, который располагает сканером отпечатка пальца. В его памяти могут содержаться отпечатки пальцев сразу нескольких людей, что позволяет пользоваться замком большому количеству людей.
3. Замок, открытие которого происходит через приложение и с помощью распознавания лиц, снабжен искусственным интеллектом.
4. Замок с PIN-кодом – замок, который открывается при введении определенной комбинации на панели управления.
Я принял решение создать замок, который будет открываться с помощью PIN-кода.
Для изготовления электронного кодового замка, мне потребовалось:
Плата Arduino с LCD дисплеем и кнопками (я выбрал такую плату, чтобы использовать меньше проводов).
Arduino – это плата, которая является связующим звеном между пользователем и микроконтроллером, позволяя удобно загружать в нее прошивку прямо из среды программирования. Плата может работать через USB вход, но для того, чтобы сделать привод автономным, необходимо подключить внешний источник питания.
2. Сервопривод — это привод, позволяющий точно управлять параметрами движения. К сервоприводу тянется три провода: два из них отвечают за питание мотора (красный и коричневый), третий (желтый) доставляет управляющий сигнал, который используется для выставления положения устройства.
3. Пьезоэлемент (зуммер);
4. Шпингалет и крепёж к нему
5. Инструменты: паяльник, клеевой пистолет, дрель, сверло для отверстий, канцелярский нож, компьютер с программой Arduino IDE и TinkerCAD. (Приложение В).
Как действует замок? Задумка состоит в том, чтобы я мог открывать или закрывать шпингалет не касаясь его. Рычаг сервопривода, соединенный со шпингалетом, будет закрывать его и открывать, с помощью кода, данное действие будет сопровождаться звуковым сигналом. В случае верного ведения кода на дисплее будет появляться надпись «open», при закрытии «close». Если код будет введен неверно, то появится надпись «Error».
2.1. Создание виртуальной модели кодового замка в онлайн программе TinkerСad
На первом этапе я решил создать виртуальную модель своего замка в онлайн программе TinkerCAD - простой и одновременно мощный эмулятор Arduino (Приложение Г. Рис 1).
В виртуальной среде я создал электрическую цепь, вытащив нужные элементы на рабочее поле и соединив их проводниками. Создавая схему, я выполнил такой порядок действий: выбирал нужные компоненты из библиотеки компонентов внизу экрана и разместил их в поле редактора; соединил компоненты с помощью виртуальных проводников, рисуя их мышкой; редактировал параметры компонентов (например, величину сопротивления у резисторов или цвет проводов).
Операция выбора из библиотеки достаточно проста. Список элементов находится справа. Выбрав элемент, я кликал на нем, затем перемещал в нужное место на схеме и кликал повторно.
Таким образом, я получил графическое изображение своей будущей модели. После того, как собрал схему, нажал на кнопку «Начать моделирование» и проверил работоспособность. При нажатии на кнопку светодиод засветился. Это означало, что схема собрана верно и все работает. Программа удобна еще тем, что она показывает список компонентов необходимых для создание собираемой модели.
2.2. Создание кода для замка типа Scratch с помощью специальных блоков
Следующим шагом было программирование кода (Приложение Г. Рис 2). Все инструменты для кода стали доступны после перехода в соответствующий режим при нажатии на кнопку «Code Editor». После переключения в визуальный редактор кода типа Scratch с помощью специальных блоков я создал код, который затем перевел в текстовый редактор кода С++ и скопировал его на свой компьютер.
2.3. Сборка простейшего электронного кодового замка
После того, как была разработана рабочая виртуальная модель, я приступил к сборке модели реальной (Приложение Г. Рис 3–6). Сначала подключил сервопривод, который выполняют функцию движущего механизма, к плате Arduino. Затем установил лопасть для замка, для этого насадил лопасть на шестерёнку, чтобы деталь была расположена перпендикулярно длинной части сервопривода. Дополнительно прикрепил пьезоэлемент (зуммер) для сопровождения действия звуковым сигналом. Далее я подсоединил плату Arduino к компьютеру и с помощью программы Arduino IDE загрузил на нее ранее созданный код.
Теперь, когда у меня оказались все действующие части, я решил удостовериться в том, что сервопривод сможет двигать шпингалет. Прежде чем монтировать шпингалет, я собрал пробный образец, и убедился в том, что сервопривод достаточно мощный. После успешно пройденного испытания шпингалет, плату и сервопривод я прикрепил к деревянной доске с помощью клеевого пистолета и дрели. Соединил сервопривод и шпингалет проволокой. Плата при помощи провода осталась присоединена к компьютеру (как к источнику питания). Модель электронного кодового замка выполнена. На табло высвечивается надпись ЗАКРЫТО. (Приложение Г Рис.7)
Проверим его работу (Приложение Г. Рис 8):
Устройство просит ввести код (ENTER PASSWORD). Вводим четырёхзначный код. Его ввод сопровождается звуковым сигналом.
Сигнал поступает на сервопривод. Лопасть на нём поворачивается, щеколда отодвигается.
При правильно введённом коде загорается табло с надписью OPEN.
Если код введён неверно, то загорается табло с надписью ERROR (ошибка).
Устройство работает.
Вывод: результатом проделанной работы стало создание простого в реализации электронного кодового замка, который выполняет свою функцию защиты только при правильно набранном коде. Такая схема может помочь в сокрытии своих секретов от чужих глаз. (Видеоматериал по работе устройства можно посмотреть, перейдя по ссылке [6]).
Заключение
Изучив литературу по выбранной теме, изготовив модель и проверив её в действии, обобщив полученные результаты, были сделаны следующие выводы:
Главная функция замка – это защита от проникновения посторонних.
Все электронные кодовые замки можно разделить на 3 категории: кнопочные, кодовые, комбинированные.
Устройство электронного замка состоит из четырех частей: запирающий механизм, считыватель кода, блок управления, источник бесперебойного питания (ИБП).
Простейшую модель электронного кодового замка можно изготовить в домашних условиях.
Цель работы достигнута. Гипотеза нашла своё подтверждение: я в домашних условиях создал простейший электронный кодовый замок. В дальнейшем, я планирую продолжить изучение процессов бытовой автоматизации.
Список литературы
Монк С., Шерц П. пер. с англ. Таранушенко С. Электроника. Теория и практика - Спб: БХВПетербург, 2017г. – 1168 с.
Салахова А.А. Конструируем роботов на Arduino. Умный замок – Москва: Из-во Лаборатория знаний, 2021 г. – 60 с.
Ситников А.В., Ситников И.А. Электротехнические основы источников питания - Москва: Изд-во Центр Академия, 2022 г. – 240 с.
Юревич Е.И. Основы робототехники: учебник для ВУЗов .- Спб: БХВПетербург, 2005г. – 420 с.
Замки. Запирающие устройства. История замков - http://www.i-kiss.ru/rubrika/zamki
Видеоматериал по работе устройства https://youtu.be/qZfQo6GIpfI
Умный электронный замок на Ардуино, работающий по Bluetooth - https://masterclub.online/topic/15074-elektronnyi-zamok-na-vhodnuyu-dver
Электронные замки: виды, преимущества и недостатки - https://dzen.ru/media/torex_official/elektronnye-zamki-vidy-preimuscestva-i-nedostatki-6202151b4335941dce5da7f8
Электронный кодовый замок на Ардуино УНО. Необычный кодовый замок на Ардуино - https://rsrub.ru/the-device-roof-attic/elektronnyi-zamok-na-arduino-uno-neobychnyi-kodovyi-zamok-na-arduino.html
Приложение А
История появления запирающих устройств
Деревянный замок с опускающимися стержнями
Навесной замок древнего Рима Замки XIV – XVII века
Русский висячий замок
Приложение Б
Категории кодовых электронных замков
Кнопочные кодовые замки с электронным управлением
Кодовые замки с магнитным носителем комбинации
Комбинированный замок
Приложение В
Подготовка к созданию электронного кодового замка
Для изготовления электронного кодового замка необходимы:
Плата Arduino с LCD дисплеем и кнопками
Сервопривод
Пьезоэлемент (зуммер)
Шпингалет и крепёж к нему
Инструменты: паяльник, клеевой пистолет, дрель, сверло для отверстий, канцелярский нож, компьютер с программой Arduino IDE и TinkerCAD.
Плата Arduino с LCD дисплеем и кнопками
Сервопривод
Пьезоэлемент (зуммер) Шпингалет
Инструменты: паяльник, клеевой пистолет, дрель, сверло для отверстий, канцелярский нож, компьютер с программой Arduino IDE и TinkerCAD.
Приложение Г
Создание простейшего электронного кодового замка
Рис.1 Создание виртуальной модели замка
Рис.2 Написание кода типа Scratch с помощью специальных блоков
Сборка модели
Подключил сервопривод к плате Arduino. Затем установил лопасть для замка, для этого насадил лопасть на шестерёнку, чтобы деталь была расположена перпендикулярно длинной части сервопривода. Дополнительно прикрепил пьезоэлемент (зуммер) для сопровождения действия звуковым сигналом. Шпингалет, плату и сервопривод я прикрепил к деревянной доске с помощью клеевого пистолета и дрели. Соединил сервопривод и шпингалет проволокой. Плату при помощи провода подключил к источнику питания (компьютеру).
Рис 3 Рис 4
Рис 5 Рис 6
Готовое устройство
Рис.7
Проверка работы устройства
На табло высвечивается надпись ЗАКРЫТО.
1. Устройство просит ввести код (ENTER PASSWORD). Вводим четырёхзначный код.
2. Сигнал поступает на сервопривод. Лопасть на нём поворачивается, щеколда
отодвигается.
3. При правильно введённом коде загорается табло с надписью OPEN
4. Если код введён неверно, то загорается табло с надписью ERROR (ошибка).
Рис 8
Работа устройства. Ссылка на видеоматериал. https://youtu.be/qZfQo6GIpfI
Вывод: мне удалось в домашних условиях создать простую модель электронного кодового замка, на основе платыArduino. Я смог продемонстрировать в действии процесс бытовой автоматизации.