Цифровые технологии в быту

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

Цифровые технологии в быту

Жаков Ф.А. 1
1МАОУ "Гимназия № 33"
Короткова Е.П. 1
1МАОУ "Гимназия №33"
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

Облик современного мира меняется каждый день: если прошлые два столетия стали этапом стремительного развития промышленности, то XXI век – время расцвета информационных технологий и цифровизации. Информатизация — это инструментарий в виде компьютеров, программ и информационных кабельных сетей, которые облегчают работу человека. Цифровизация – это преобразование информации в цифровую форму, которое приводит к повышению эффективности экономики и улучшению качества жизни. Цифровая система обладает независимостью действий. Она умеет анализировать и прогнозировать, самостоятельно выбирая оптимальный способ решения. Она выполняет задачи, которые перед ней ставит пользователь. Иными словами, цифровая система – более развитый объект, чем машина, но менее, чем искусственный интеллект.

Цифровые технологии окружают людей со всех сторон: они есть в каждом современном доме, учреждении, на предприятиях, заводах, в больницах, школах, университетах. Основной сферой, где активно проходит цифровизация в России и в мире, является экономика. Цифровая экономика – экономическая деятельность, основанная на цифровых технологиях, связанная с электронным бизнесом и электронной коммерцией и производимыми и сбываемыми ими электронными товарами, и услугами.

В конце 2018 года была утверждена Государственная программа «Цифровая экономика РФ», в соответствии с которой были утверждены ведомственные проекты: «Цифровое сельское хозяйство», «Цифровая промышленность», «Цифровой транспорт и логистика», «Цифровая энергетика».

Тема цифровизации очень интересна, потому что она еще не изучена и перспективна, важно научиться подчинять себе машины, научить их выполнять поставленные человеком задачи.

Цель работы: создать и отработать схему дистанционного управления различными приборами, то есть оцифровать информацию о некоторых действиях с бытовыми приборами («Интернет вещей»).

Задачи:

1.Познакомиться с перечнем цифровых технологий в экономике.

2.Изучить возможности платформы Arduino и микроконтроллера ESP8266.

3.Создать систему дистанционного управления приборами для нагрева воды, полива растений, как элементов создания в последующем проекта «Умная теплица».

Объект исследования: система предметов, объединенных между собой в сеть посредством цифровых технологий «Интернет вещей» на платформе Arduino.

Предмет исследования: процесс дистанционного управления приборами для нагрева воды и полива растений.

Гипотеза. Предположим, что можно самостоятельно создать систему дистанционного управления приборами с помощью цифровых технологий. Я полагаю, что, отработав применение цифровых технологий в системе дистанционного управления приборами, я смогу в дальнейшем реализовать проект «Умная теплица».

Методы исследования

1. Изучение и анализ литературы (теоретический способ).

2. Проведение экспериментов (опытный или экспериментальный способ).

Глава 1 Основные сведения

1.1 Виды цифровых технологий

Цифровые технологии – это технологии, использующие электронно-вычислительную аппаратуру для записи кодовых импульсов в определенной последовательности и с определенной частотой. Цифровые технологии в основном используются в вычислительной цифровой электронике, прежде всего, в компьютерах, а также в различных областях электротехники и др.

Перечень основных сквозных цифровых технологий приведен в федеральном проекте «Цифровые технологии». Это:

большие данные;

нейротехнологии и искусственный интеллект;

системы распределенного реестра;

квантовые технологии;

новые производственные технологии;

промышленный интернет;

компоненты робототехники и сенсорика;

технологии беспроводной связи;

технологии виртуальной и дополненной реальностей.

Каждая из этих технологий имеет свои перспективные направления развития. Для реализации своего проекта мне необходимо применить технологии беспроводной связи, поэтому рассмотрим подробнее данное направление.

Исследовательская и консалтинговая компании «Gartner» представила 10 перспективных беспроводных технологий, которые, в ближайшие годы будут развиваться в корпоративных и бытовых сетях. Это:

1) сети Wi-Fi;

2) сотовые сети пятого поколения (5G);

3) беспилотные автомобили «Сети «Автомобиль, подключенный ко всему»;

4) беспроводная зарядка большого радиуса действия;

5) энергоэффективные сети дальнего радиуса действия. Беспроводные дистанционные сети с низким энергопотреблением LPWAN, которые являются идеальным решением для приложений и техники Интернета вещей;

6) беспроводное зондирование. Беспроводные технологии будут применяться в качестве систем зондирования и навигации, например, как автономный радар у роботов и беспилотного транспорта;

7) улучшенный беспроводной трекинг - развитие технологий для определения местоположения устройств, подключенных к этим сетям;

8) сети миллиметрового диапазона волн. Подразумевается использование частот в диапазоне от 30 ГГц до 300 ГГц – с длинами волн от 10 мм до 1 мм соответственно. Этот диапазон носит название «экстремально высоких частот» (Extremely high frequency, EHF);

9) сети с обратным рассеянием (Backscatter). Устройства используют энергию Wi-Fi для питания и саму сеть Wi-Fi – для передачи собственных данных через нее. Эти устройства могут стать основой для относительно простых решений интернета вещей – таких как датчики и сенсоры в умных домах и офисах.

10) программно-определяемое радио (Software-Defined Radio, SDR) – одна из наиболее свежих и перспективных беспроводных технологий, где подавляющее число операций по обработке радиосигнала переносится с микросхем на программное обеспечение.

В своей работе я буду использовать технологию «Интернетвещей»(англ. Internet of Things, IoT). Идея, что устройства могут обмениваться информацией друг с другом без участия человека появилась достаточно давно. Еще в конце 70-х обсуждалась возможность полной автоматизации передачи данных. Тогда подобный подход назывался «повсеместные вычисления» (pervasive computing). Технологиям потребовалось несколько десятилетий развития для того, чтобы наконец стало возможным заговорить об Интернете вещей.

Во второй половине девяностых британец Кевин Эштон работал на компанию Procter and Gamble и занимался оптимизацией производства. Он заметил, что оптимизация напрямую зависит от скорости передачи и обработки данных. Когда сбором и обработкой данных занимаются люди, то на это могут уйти дни. Использование радиочастотной идентификации (RFID) позволило ускорить процесс передачи данных непосредственно между устройствами. Именно тогда у него и появилась идея — а что, если вещи будут собирать, обрабатывать и передавать данные без участия человека? Как бы это называлось? «Интернет вещей», подумал Эштон, и оказался провидцем.

Потребовалось почти десятилетие для того, чтобы словосочетание «Интернет вещей» вошло в повседневную жизнь. Вместе с искусственным интеллектом IoT стал передовым направлением развития информационных технологий. Так, в 2008 году IPSO Alliance создал союз компаний, которые поддержали разработку технологий, связанных с Интернетом вещей. Это послужило сигналом для крупных корпораций. Одним из основных направлений развития IoT являются системы управления зданиями «Умный дом». Сегодня Интернет вещей используется фактически во всех сферах жизни человека. Например, он очень востребован в медицине. Это привело к созданию нового термина – Интернета медицинских вещей (Internet of Medical Things). На нем основываются «умные города» (Smart Cities). Он также используется в разработке гаджетов для «умного дома». Еще одна область применения – сельское хозяйство. Интернет вещей представляет собой совокупность нескольких видов беспроводной связи. В различных проектах Интернета вещей IoT-соединение может строиться на базе таких технологий, как Wi-Fi, Bluetooth, RFID, LPWAN, LTE, 3G, 2G, NFC, ZigBee, Li-Fi, Z-wave, LoRa и др.

Значимое место в IoT-проектах занимают собирающие информацию (о городской среде, о здоровье человека, о состоянии оборудования на заводе) датчики – давления, влажности, света, движения, теплового потока, уровня и др. Благодаря беспроводной связи и различным протоколам они способны взаимодействовать между собой, и отправлять собранную информацию для её последующего анализа человеком или искусственным интеллектом.

Интернет вещей— концепция вычислительной сети физических объектов («вещей»), оснащённых встроенными технологиями для взаимодействия друг с другом или с внешней средой, рассматривающая организацию таких сетей как явление, способное перестроить экономические и общественные процессы, исключающее из части действий и операций необходимость участия человека. Интернет вещей – это система предметов, объединенных между собой в сеть. Интернет вещей – это полностью автоматизированный цикл работы приборов и систем за счет их подключения к беспроводной сети.

1.2. Знакомство с Arduino

Arduino — торговая марка аппаратно-программных средств для построения простых систем автоматики и робототехники. Она представляет из себя электронную плату, в которую можно воткнуть множество разных устройств и заставить их работать вместе с помощью программы, написанной на языке C++ в специальной среде программирования. В этом случае Arduino — это инфраструктура и среда, в которой можно собирать совместимые между собой электронные и механические компоненты в единое устройство, а потом через обычный компьютер за две минуты запрограммировать поведение этих самых железок так, как нам нужно.

Написав программу на обычном компьютере, мы управляем с ее помощью не виртуальными объектами, а вполне себе реальными датчиками, двигателями, экранами. Программная часть состоит из программной оболочки (IDE) для написания программ, их компиляции и программирования аппаратуры. Аппаратная часть представляет собой набор смонтированных печатных плат. Arduino может использоваться как для создания автономных объектов автоматики, так и подключаться к программному обеспечению на компьютере через стандартные проводные и беспроводные интерфейсы.

Язык программирования Arduino является стандартным C++ (используется компилятор AVR-GCC).

Также существует возможность создавать и подключать к проекту стандартные файлы C++.

Простейшая Arduino-программа состоит из двух функций:

• setup(): функция вызывается однократно при старте микроконтроллера.

• loop(): функция вызывается после setup () в бесконечном цикле все время работы микроконтроллера.

Таким образом, благодаря Arduino мы меняем мир вокруг себя.

Глава 2. Выполнение проекта

Вся работа над проектом разбивается на следующие этапы:

I этап. Определение актуальности темы, гипотезы, изучение литературы. Результат этого этапа описан в главе 1.

II этап. Приобретение необходимых деталей для создания макета. Нам понадобились следующие детали, которые были приобретены в магазинах «Электронные компоненты» и «Аrduino.ru»: 2 платы Ардуино, Микроконтроллер ESP8266, датчик влажности почвы, датчик температуры, электропомпа, 2 реле, провода, электрочайник.

III этап. Написание программы и сборка электронных систем.

2.1 Устройство и принцип работы удаленного доступа нагревом

Обычные электрические чайники есть почти в каждом доме, поэтому я решил модифицировать имеющийся дома электрический чайник и сделать из него WiFi-чайник. Поскольку у меня уже был опыт работы с Ардуино, я выбрал плату Аrduino. Главной составляющей wifi-чайника является, конечно же, wifi-модуль, я использовал микроконтроллер ESP8266 китайского производителя Espressif Systems с интерфейсом Wi-Fi. Микроконтроллер привлек внимание в 2014 году в связи с выходом первых продуктов на его базе по необыкновенно низкой цене. Из-за соотношение низкой цены и производительности микроконтроллер имел огромную популярность. Для контроля температуры я использовал водонепроницаемый термодатчик (цифровой) DS18B20. Так как чайник должен включаться программно, то ещё понадобилось 1-канальное реле - электромеханическое коммутационное устройство, принцип действия которого основан на воздействии магнитного поля, сдвигающего контакт.

Из этих элементов я собрал электрическую схему, подключил её к компьютеру, написал скетч. Саму электрическую схему смонтировал в чайник.

Работа скетча(программы):

Подключение к Wi-Fi сети

Запуск локального сервера

Ожидание пользователя

Ожидание запроса от пользователя (ждёт, пока пользователь
даст команду)

При получении запроса (например, на чайник) отправляет сигнал на реле, которое замыкает контакты чайника

Отослать пользователю ответ: «Чайник включён»

Если температура воды достигает 100 (Температура кипения) ТО:

Выключить чайник, отослать ответ пользователю, «Чайник отключён»

Для демонстрации схемы использован макет печатной платы, спроектированной в EasyEDA.

Скриншот работы программы на экране имеет вид:

2.2 Устройство и принцип работы удаленного доступа поливом

Правильный и регулярный полив всех садовых культур на участке – залог их хорошего роста и плодоношения. Вода жизненно необходима растениям, без нее они просто завянут и погибнут. Но если у вас не всегда есть возможность приехать на дачу и вовремя полить свои насаждения, то вас выручит система автоматического полива.

Для этого проекта мы использовали следующие компоненты:

• Микро контролер ESP8266;

• Датчик влажности почвы

• Электропомпа (насос)

•Сосуд с водой и сосуд с землей

• реле (электромеханическое коммутационное устройство, принцип действия которого основан на воздействии магнитного поля сдвигающего контакт)

• Линии связи

• Шланг

Работа скетча (программы):

Подключение к Wi-Fi сети

Запуск локального сайта(сервера)

Ожидание пользователя

Ожидание запроса от пользователя (ждёт, пока пользователь даст команду)

При получении запроса (например, на полив) отправляет сигнал на реле, которое замыкает контакты электропомпы(насос)

Отослать пользователю ответ: «Полив включён»

Подождать 30 секунд, отключить полив

Отослать пользователю ответ, “Полив выключен”.

Заключение

Таким образом, цель достигнута, задачи решены, гипотеза доказана. Создана система дистанционного управления приборами с помощью цифровых технологий беспроводной связи на платформе Arduino.

Благодаря проведенной работе я освоил способ дистанционного управления приборами нагрева воды и полива и далее смогу по этому же принципу создавать другие системы.

Кроме мониторинга состояния, подключение к сети позволит управлять системой. Это бывает важно когда, например, пошёл дождь и нужно отменить запланированный по расписанию полив, или менять длительность полива в зависимости от погоды.

Создание аналогичных проектов своими руками весьма увлекательное и полезное занятие. Для этого необходимо понимание базовых принципов управления электроприборами и систем автоматики, знание техники безопасности при работе с током, опыт сборки электросхем, навыки программирования и понимание общих алгоритмов работы.

Перспективой развития проекта будет изучение ведомственного проекта «Цифровизация сельского хозяйства» и макетная установка «Умная теплица», а также выявление условий применения дистанционного управления в реальной практике.

Список информационных источников

Белайчук А. Топ-10 технологических трендов 2019 года по версии Гартнер // Сайт bmps.ru. (http://bpms.ru/post/20190102-gartner-top-10-trends/). Просмотрено 10.11.2019.

Датчики газов. Принципы работы. (2018) // Портал Arduino-kit. (https://arduino-kit.ru/blogs/blog/project_22). Просмотрено: 06.11.2019.

Петин В. А. Проекты с использованием контроллера Arduino. – СПб.: БХВ-Петербург, 2015.

Программа Цифровая экономика Россия 2024. // Сайт https://data-economy.ru// Просмотрено 20.11.2019.

Ревич Ю. В. Занимательная электроника. – СПб.: БХВ-Петербург, 2015.

Цифровизация и ее место в современном мире. // Сайт gd.ru (https://www.gd.ru/articles/10334-tsifrovizatsiya)/) Просмотрено 10.11.2019.

Чтотакое Arduino? // Сайт Arduino.cc (www.arduino.cc). Просмотрено: 12.11.2019.

Просмотров работы: 43