IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Наш город
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
«Цифровые технологии - это не отдельная отрасль, по сути это уклад жизни, новая основа для развития системы государственного управления, экономики, бизнеса, социальной сферы, всего общества. Формирование цифровой экономики - это вопрос национальной безопасности и независимости любого государства, конкуренции отечественных компаний»
В.В. Путин
Цифровые технологии сегодня – это не миф, а реальность. Ярким примером этому могут служить достигнутые цифровой индустрией успехи в области систем централизованного управления всеми электронными приборами. Управлять такой системой довольно просто. Основой будет служить домашний компьютер. Например: управление светом, микроклиматом, инженерными системами, видеонаблюдением, охранно-пожарной сигнализацией, управление автоматикой и многое другое [7].
Тема работы «Наш город».
Волгоград — один из самых протяжённых городов России и вышеперечисленные параметры в разных районах города могут значительно отличаться друг от друга.
Одной из идей работы является создание интерактивных моделей на базе плат Arduino, которые будут реагировать с помощью датчиков на разные внешние факторы.
Было создано устройство для сбора и регистрации атмосферного давления, температуры, влажности воздуха города. Вся информация собирается на сервере и может использоваться в учебных целях на уроках физики, географии, математики и информатики (построение графиков, и диаграмм, нахождение средних значений величин, решение задач на влажность, давление и пр.). Данная информация может служить предупреждением о начавшемся дожде или высоком уровне влажности, а также атмосферном давлении выше или ниже нормы, не дожидаясь прогноза погоды.
Второе устройство предназначено для мониторинга школьных помещений: температуры, влажности, СО2, освещённости, уровня шума. Это позволит автоматически контролировать выполнение санитарно-эпидемиологических требований к условиям и организации обучения в общеобразовательных организациях и, в частности требований к воздушно-тепловому режиму.
Автоматический контроль за поддержанием определенного уровня комфорта школьных помещений – это очень важная задача по сбережению здоровья учащихся.
Гаджетов на базе Arduino можно создать много, но суть работы остается неизменной – обеспечение максимального комфорта, безопасности и экономии для учащихся нашей школы и жителей города в целом. В этом и состоит актуальность работы.
Вторая идея заключается в том, чтобы использовать цифровое оборудование (датчики) для проведения экспериментов на уроках физики.
Таким образом, предметом исследования стали цифровые технологии, а объектом– разработанные устройства на базе плат Arduino.
Цель работы – создание самодельных интерактивных моделей на базе плат Arduino для получения информации об окружающем мире и управления различными устройствами.
В работе проводятся исследования возможности использования цифровых технологий для жителей нашего города на примере самостоятельно созданной встроенной автоматической системы мониторинга на улицах и контроля/управления в помещениях воздушно-теплового режима на базе плат Arduino [1], а также при изучении на уроках физики темы «Тепловые явления».
Для достижения намеченной цели были поставлены следующие задачи:
изучить электронную платформу Arduino и возможность подключения различных датчиков (сенсоров) и внешних устройств;
изучить язык программирования Arduino и освоить методы получения и обработки информации с датчиков;
выполнить калибровку и поверку датчиков;
спроектировать устройство для сбора и регистрации атмосферного давления, температуры, влажности воздуха в различных районах города и устройство для мониторинга комфорта и безопасности школьных помещений: температуры, влажности, СО2, освещённости, уровня шума, встроив автоматическую систему контроля и управления;
создать сайт и сервер для сбора и анализа информации;
проанализировать работоспособность датчиков;
рассмотреть методы минимизации энергопотребления Arduino.
рассмотреть практическое использование датчиков при выполнении лабораторных работ по физике при изучении тепловых явлений.
В работе использовались следующие методы:
анализ и синтез информации из Internet-ресурсов, специальной литературы, раскрывающей суть данного вопроса; моделирование установок; проведение эксперимента.
Интерактивные модели на базе плат Arduino
1.1 Ардуино (Arduino)
Arduino–это электронная платформа с открытым исходным кодом, основанная на простом в использовании аппаратном и программном обеспечении. На плате расположены контакты, к которым можно подключать всё, что работает от электричества, например: лампочки, датчики, моторы, магнитные дверные замки и многое другое [5].
Если в плату Arduino загрузить программу, то возможно управлять всеми этими устройствами по заданному алгоритму. Таким образом, можно создать огромное количество устройств, сделанных своими руками и по собственному замыслу [2]. Эта платформа проста в освоении, и на данный момент Arduino — это, пожалуй, самый удобный способ программирования устройств на микроконтроллерах [4].
1.2
Описание самодельных интерактивных моделей на базе плат Arduino
Установка для сбора и регистрации атмосферного давления, температуры, влажности воздуха в различных районах города представляет собой 3 подключенных к универсальной монтажной плате датчика: температуры(LM35), влажности (DHT11) и давления (BMР180). Основная задача данной установки - измерение параметров окружающей среды. Информация, полученная датчиком, идёт на сервер[2]. Приложение 1. Установка состоит: датчик атмосферного давления ВМР180 позволяет получить текущие значения атмосферного давления окружающей среды. С помощью него можно определить высоту, которая зависит от давления и определяется по международной барометрической формуле. Приложение 2. Датчик температуры LM35 представляет собой интегральную схему, предназначенную для измерения температуры, используется в устройствах, так или иначе связанных с контролем температуры. LM35 является недорогой, надежной и достаточно точной микросхемой с погрешностью измерения около ± 0,5ºС.Приложение 3. Датчик температуры и влажности DHT11 измеряет влажность в диапазоне от 20% до 80%. Погрешность может составлять до 5%. Приложение 4.
Рассмотрим устройство, предназначенное для мониторинга школьных помещений: температуры, влажности, СО2, освещённости, уровня шума. Приложение 8. Датчик температуры и влажности DHT11, описание которого было дано выше. Датчик газа и дыма: модуль, построенный на базе газоанализатора MQ-2, позволяет обнаруживать в воздухе пропан, бутан, водород, метан и аммиак. Этот датчик определит концентрацию углеводородных газов (пропан, метан, н-бутан), дыма, т.е. взвешенных частиц, являющихся результатом горения и водорода в окружающей среде. Приложение 5. Модуль звука KY-037: датчик срабатывает при звуках громкостью выше установленного порога. Модуль датчика звука применяется в приборах содержащих аналоговую или цифровую электронику, в том числе и электронику на базе микроконтроллеров. Он может служить датчиком присутствия в охранных системах. Реагирует на шаги, щелчки замка и другие шумы. Также модуль KY-037 применяется в автоматике управления освещением. Реагирует на звук шагов, шум двигателя автомобиля, управляя при этом работой светильников [5]. Приложение 6. Датчики освещенности (освещения), построенные на базе фоторезисторов, довольно часто используются в реальных Arduino проектах. Фоторезистор Arduino позволяет контролировать уровень освещенности и реагировать на его изменение. В данной работе рассматривается использование обоих устройств: датчика и фоторезистора[3]. Приложение 7.
1.3 Создание сервера
Для того, чтобы создать сервер необходимо определить свой IP адрес, обычно он у всех белый. Белый адрес используется для общего пользования в интернете, то есть доступен во всем интернете, серый же используется локально, для устройств, подключённых к одной сети, следовательно, из этого-сервер с белым IP может существовать в общем интернете, а серый IP может существовать только между устройствами, которые подключены к одной сети[8]. Для того, чтобы определить какой адрес у нас, необходимо перейти по ссылке: http://myip.ru/.
Смотрим, в какой диапазон попадает адрес. Если адрес отличен от адресов, указанных ниже, то все прекрасно - продолжаем.
· От 10.0.0.0 до 10.255.255.255 с маской 255.0.0.0 или /8;
· От 172.16.0.0 до 172.31.255.255 с маской 255.240.0.0 или /12;
· От 192.168.0.0 до 192.168.255.255 с маской 255.255.0.0 или /16;
· От 100.64.0.0 до 100.127.255.255 с маской подсети 255.192.0.0 или /10.
После этого, независимо от вида подключения (проводное/беспроводное), заходим в панель администрирования роутера (в данном случае http://192.168.0.1/).
В пункте переадресация создаем новый виртуальный сервер, используя IP адрес своего ПК и 80 порт сервиса(именно это порт подходит для web-сервера). После его создания на компьютере заходим в брандмауэр защитника Windows и в правилах для входящих подключений добавляем новый порт с данными, схожими с теми, что вводили на сайте своего роутера. Далее выбираем способ передачи информации: домен, частный, публичный, и сохраняем. Сервер просто имеется и работает. Приложение 9.Если нужно, чтобы какой-либо сайт запускался через него, то необходимы некоторые плагины и web-сервера.
1.4 Создание сайта
Ресурс WIX является одним из самых популярных среди веб-программистов без опыта, поэтому мы решили воспользоваться им, чтобы сделать сайт, ничем не уступающий тем, что делают опытные программисты.
Конструктор WIX идеально подходит для создания маленьких и средних по объёму сайтов со сложным дизайном и функциональностью. С его помощью можно создать сайт, взяв за основу уже готовый шаблон. С тем же успехом WIX можно использовать для конструирования страниц любой сложности: с анимацией, эффектами, формами для сбора и упаковки информации в базы данных, интерактивными элементами, всплывающими окнами авторизаций разных этапов допуска к информации, всяческими опросами, табами, колонками и прочим. WIX можно использовать как для создания первого сайта или тренировочной площадки, так и в качестве коммерческого инструмента – разработки сложных и красивых клиентских сайтов.
Мы решили выбрать шаблон и создавать сайт почти с нуля. Выбрав один из простых шаблонов, вам откроется редактор, в котором вы и будете создавать дизайн сайта. Сначала вам даются 4 основные страницы сайта: «главная», «о нас», «услуги», «контакты». Вы можете поменять их местами, добавить новые или удалить старые. Также вам даётся около 100 задних фонов, даже анимированные, картинок в галерее WIX и разная анимация, которую вы можете добавить к любому элементу, что мы и сделали. Изменить фон, цвет, добавить элемент, страницу, даже собственную базу данных и код html. Любой элемент можно сделать так, что он привлечет ваше внимание. На сайт можно сразу добавить уже готовое приложение от WIX и вести блог. Мы воспользовались многими готовыми решениями, которые предложил сайт.
Краткое описание действий: создав шаблон сайта, мы назвали его, создали фотогалерею, точку входа и задний фон, который движется, пока вы находитесь на сайте; перешли на страницу «услуги», и добавили в неё раздел «галерея», «погода в Волгограде» и «для школы». Описав и дополнив разделы, мы анимировали все элементы сайта. Всё это мы сделали довольно быстро, ведь по левую часть редактора у нас была панель действий, с помощью которой можно добавлять и убирать любые элементы. После оставалось лишь опубликовать сайт и дать ему доменное имя, которое будет прикреплено к WIX. К счастью, даже здесь WIX предоставляет нам страницу управления, где пошагово описывается, что нужно для публикации, продвижения и улучшения сайта. Как и в любом ресурсе, даётся премиум аккаунт, с помощью которого Вы можете создать своё доменное имя, тем самым, отсоединиться от платформы WIX и многие дополнительные функции. Приложение 10.
Алгоритм сборки интерактивной модели на базе плат Arduino
(на примере установки для определения внешних параметров)
Для того чтобы собрать установку для определения и регистрации атмосферного давления, температуры, влажности воздуха города нам понадобятся следующие компоненты конструктора Arduino: плата разроботки NodeMCU на базе мк ESP8286, датчик влажности и температуры DHT11, датчик температуры LM35, давления BMР180.
Далее соединяем все эти элементы по следующей схеме: Приложение 11.
После того как установка собрана, необходимо заставить наш прибор функционировать. Для этого нам понадобится установить специальное ПО для работы с Arduino. Рабочий интерфейс выглядит следующим образом: Приложение 12.
Вся деятельность нашей установки программируется на языке C++. Для работы нашей установки требуется программный код.
Всё, теперь данные находятся на сервере сайта и могут быть использованы для проектных целей.
1.6 План хода отправки данных
1. Главное измерительное устройство отправляет по Wifi подключению сети POST-запрос на хост с данными бортовых датчиков.
2. Хост принимает запрос с данными и сохраняет их в базу данных сайта, размещенного на WIX, и в ответ отправляет сообщение об успешной отправке.
3. Сайт, размещенный на WIX, должен отобразить последние добавленные данные в БД (внутренние настраевымые механизмы).
1.7 Минимизации энергопотребления Arduino
Данная тема весьма актуальна при разработке устройств, которые должны работать от автономного источника питания. Это как раз наш случай.
Как можно заставить их работать дольше без подзарядки аккумуляторов и замены батарей?
Мы рассмотрели несколько вариантов.
Согласно закону Ома, сила тока в цепи прямо пропорциональна напряжению. Поэтому для уменьшения тока, потребляемого Arduino, необходимо уменьшить напряжение питания. Требуемое рабочее напряжение (5В или 3.3В(в нашем случае)) обеспечивают линейные стабилизаторы типа AMS1117, при этом входное напряжение должно быть несколько больше (6,5В и 4,8В). Чтобы запитать Arduino меньшим напряжением его следует подавать в обход стабилизатора: на пин +5V или через USB разъем.
Если использование стабилизатора все-таки необходимо, то вместо линейных стабилизаторов лучше использовать импульсные, так как они имеют больший КПД.
2. Управляя частотой МК, можно добиться значительного снижения потребляемого тока.
3.Режимы "сна" можно включить инструкцией: set_sleep_mode (SLEEP_MODE_PWR_DOWN).В режиме SLEEP_MODE_PWR_DOWN с отключенным brown-out, потребление снижается с 360 mA to 335 mA, что позволяет сэкономить 25 mA .
Использование датчиков при выполнении
лабораторных работ по тепловым явлениям на уроках физики
Исследование зависимости скорости теплопередачи.
Теплопередача - физический процесс передачи тепловой энергии от более горячего тела к более холодному либо непосредственно (при контакте), либо через разделяющую (тела или среды) перегородку из какого-либо материала. Когда физические тела одной системы находятся при разной температуре, то происходит передача тепловой энергии, или теплопередача от одного тела к другому до наступления термодинамического равновесия. Самопроизвольная передача тепла всегда происходит от более горячего тела к более холодному, что является следствием второго закона термодинамики.
Температура — характеристика теплового равновесия системы. Известно, что для определения температуры среды следует поместить в эту среду термометр и подождать до тех нор, пока температура термометра не перестанет изменяться, приняв значение, равное температуре окружающей среды. Другими словами, необходимо некоторое время для установления между средой и термометром теплового равновесия.
Для исследования зависимости температуры от времени потребуется датчиктемпературыDHT11, плата IskraNeo (русский аналог ArduinoLeonardo), предварительно программируем[6],[9],LCDдисплей 16Х2, горячая вода. Приложение 13.
Датчик температуры помещается в воду и по полученным данным строится график зависимости наблюдаемого процесса.
График показывает чётко, что скорость не постоянна и зависит от разности температур между термометром и водой. Приложение 14 .
Исследование изменения влажности и температуры с течением времени при нагревании воды в закрытой ёмкости.
Под абсолютной влажностью подразумевают содержание воды (в граммах) в одном кубометре воздуха. Соответственно, единица измерения этой величины – г/м3. Состояние, при котором содержание воды в газе достигает максимальной величины (100%), называется порогом максимального насыщения или влагоёмкостью. При достижении этого предела начинается процесс конденсации.
Необходимо заметить, что влагоёмкость прямо пропорциональна температуре: чем она выше, тем большее количество воды может содержаться в том же объеме газа. Именно поэтому цифровой или аналоговый модуль измерения влажности практически всегда снабжен датчиком температуры.
Относительная влажность- эта величина, которая показывает соотношение влагоёмкости и абсолютной влажности, соответствующие температурному режиму на момент измерения. Состояние, при котором эти величины сравняются, называется «точка росы».
Температура - физическая величина, характеризующая тепловое состояние тел.
В качестве исследуемого тела–вода. Под крышку закрытой ёмкости (калориметра) с водой, помещают датчик температуры и влажности датчик температуры DHT11, таким образом, чтобы вода не испортила датчик. Для исследования используются также: плата IskraNeo (русский аналог Arduino Leonardo),предварительно программируем[6],[9], LCD дисплей 16Х2.
Воду нагревают на электрической плитке(ПЭЛ), данные о температуре и влажности выносятся на дисплей, по которым легко можно определить характер зависимости влажности и температуры с течением времени при нагревании воды в закрытой ёмкости. Приложение 15.
Определение КПД установки предыдущего эксперимента
Коэффициент полезного действия - характеристика эффективности устройства в отношении преобразования или передачи энергии. Коэффициент полезного действия показывает, какая часть тепловой энергии, полученной телом, превратилась в полезную работу. При нагревании воды часть энергии расходуется бесполезно на нагревание самого сосуда, в котором находится вода, окружающего воздуха.
Т.к. в эксперименте используется электрическая плитка, зная ее технические параметры, можно рассчитать КПД установки.
При прохождении электрического тока через металлический проводник электроны сталкиваются то с нейтральными молекулами, то с молекулами, потерявшими электроны. При столкновении электронов с молекулами расходуется энергия, которая превращается в тепло. По закону сохранения энергии количество теплоты, выделяемое проводником численно равно работе, которую совершает протекающий по проводнику ток за это же время. В расчетах используем формулу закона Джоуля- Ленца:
A=Q= I2Rt, определив значения силы тока и напряжение, находим КПД.
КПД=cm∆t/ IU
Результаты проведенных экспериментов показали, что у данной установки КПД равен37%.Приложение 16.
Наблюдение изотермического процесса.
Изотермическим процессом называется процесс, протекающий при постоянной температуре Т.
Поведение идеального газа при изотермическом процессе подчиняется закону Бойля – Мариотта: при постоянной температуре и неизменных значениях массы газа и его молярной массы, произведение объёма газа на его давление остаётся постоянным: PV = const. График изотермического процесса на РV-диаграмме называется изотермой.
Для исследования зависимости давления от объёма используются датчик давления, регистратор и одноразовый шприц объемом 2,5 мл, находящийся при непосредственном контакте с датчиком давления BMР180,плата IskraNeo (русский аналог Arduino Leonardo),предварительно программируем [6],[9], LCD дисплей 16Х2.
Постепенно меняя объём воздуха в шприце (от 0,5 мл до 2,5 мл и назад). По показаниям изменения давления и объема строится график (изотерма).
График зависимости Р от V подтверждает закон Бойля – Мариотта. Приложение 17.
Вывод: датчики температуры, влажности, давления использовались при выполнении практических заданий по теме «Тепловые явления». Опыты очень наглядны, погрешность измерений не велика, время, затраченное на выполнение опытов с использованием датчиков гораздо меньше, чем с использованием традиционного оборудования.
Заключение
В процессе работы над проектом была рассмотрена возможность широкого применения автоматических систем для жителей нашего города и учащихся нашей школы.
На примере самостоятельно созданной встроенной автоматической системы мониторинга на улицах на базе плат Arduino было доказано, что такая система вполне имеет право на существование, она используется как в учебных целях, так и для предупреждения о дожде, высоком уровне влажности, а также атмосферном давлении, не дожидаясь прогноза погоды.
В школьных помещениях автоматический контроль за поддержанием определенного уровня комфорта - важная составляющая по сбережению здоровья учащихся.
Цифровые датчики усовершенствовали привычные эксперименты по физике при изучении тепловых явлений. Эксперименты стали намного нагляднее и явно сэкономили время их проведения.
Цель проекта была достигнута: были созданы интерактивные модели на базе плат Arduino для получения информации об окружающем мире и управления различными устройствами.
Для достижения этой цели были выполнены задачи:
изучен электронный конструктор Arduino и возможность подключения различных датчиков, сенсоров и прочее;
изучен язык программирования Arduino и запрограммированы датчики;
спроектированы устройство для сбора и регистрации атмосферного давления, температуры, влажности воздуха в различных районах города и устройство для мониторинга комфорта и безопасности школьных помещений: температуры, влажности, СО2, освещённости, уровня шума, встроив автоматическую систему контроля и управления;
созданы сайт и сервер для сбора и анализа информации;
проанализирована работоспособность датчиков;
рассмотрены методы минимизации энергопотребления Arduino;
рассмотрено практическое использование датчиков при выполнении лабораторных работ по физике при изучении тепловых явлений: были выполнены 4 практических работы с использованием датчиков.
Цифровое оборудование может быть не только средством, но и объектом изучения.
Цифровые технологии сегодня – это не миф, а реальность. Ярким примером этому могут служить широкое использование их в различных аспектах человеческой деятельности.
Литература
Джереми Блум Изучаем Arduino. Инструменты и методы технического волшебства:. —СПб.: БХВ-Петербург, 2015.,[электронный ресурс]
ПетинВ. А. Проекты с использованием контроллера arduino, 2014 г., 400с [электронный ресурс]
URL:http://edurobots.ru/kurs-arduino-dlya-nachinayushhix/ (дата обращения 02.11.19)
URL:https://arduinomaster.ru/program(дата обращения 18.10.19)
URL:http://arduino.ru/Guide/Windows(дата обращения16.02.20)
URL:https://www.kakprosto.ru/kak-920473-chto-takoe-arduino-i-chto-s-nimmozhno-sdelat#subheader-920473-0-1(дата обращения15.02.20)
URL:http://smages.com/stati/cifrovye-texnologii-u-vas-doma/ (дата обращения13.01.20)
URL:https://zen.yandex.ru/media/id/5c17239287f1e000ac197cf7/kak-sdelat-svoi-server-iz-domashnego-pk-5c20619acaa0bf00a994b9d7(дата обращения 24.10.19)
URL:https://iarduino.ru/file/227.html (дата обращения 23.02.20)
Приложение 1
Установка для сбора и регистрации атмосферного давления, температуры, влажности воздуха в различных районах города
Приложение 2 Приложение 3
Датчик атмосферного давления Датчик температуры LM35
Приложение 4 Приложение 5
Цифровой датчик температуры Датчик газа и дыма MQ-2
и влажности DHT11
Приложение 6 Приложение 7
М одуль звука KY-037 Готовый фотомодуль Фоторезистор
Приложение 8
Устройство, предназначенное для мониторинга школьных помещений
Приложение 9 Приложение 10
С крин сервера Скриншот сайта «Наш город»
Приложение 11
Схема установки для сбора и регистрации атмосферного давления, температуры, влажности воздуха в различных районах города
Приложение 12
Скриншот рабочего интерфейса
Приложение 13
Оборудование для исследования зависимости скорости теплопередачи
Приложение 14
Эксперимент
«Исследование зависимости скорости теплопередачи»
П риложение 15 Эксперимент «Исследование изменения влажности и температуры с течением времени при нагревании воды в закрытой ёмкости»
Приложение 16
|
с-удельная теплоёмкость воды ,Дж/кг С |
m- масса воды в калориметре, кг |
∆t-разность температур, С |
Сила тока, А |
Напряжение, В |
- время кипения воды, с |
КПД, % |
|
4200 |
0,2 |
79 |
1,4 |
220 |
600 |
37% |
Эксперимент «Определение КПД установки с помощью цифровых датчиков»
КПД=cm∆t/ IU
Приложение 17
Э ксперимент «Исследование изотермического процесса»
13