МИНИ-СЕЙФ С БИОМЕТРИЧЕСКИМ ЗАМКОМ

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

МИНИ-СЕЙФ С БИОМЕТРИЧЕСКИМ ЗАМКОМ

Михеев А.Е. 1
1МОУ Лицей № 10
Чеснокова Т.С. 1
1МОУ Лицей № 10
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Для любого человека огромную важность составляют его документы, деньги, ценные бумаги, информация на различных носителях, драгоценности.

Сейф (от английского "safe","безопасный", "надежный") - прочный несгораемый металлический ящик или шкаф для хранения документов и материальных ценностей. Сейф – это изделие, обладающее регламентированными защитными свойствами, предназначенное для хранения ценностей [1].

Все сейфы можно разделить на три категории: взломостойкие, огнестойкие и универсальные сейфы (сочетающие огнестойкость и взломостойкость).

Изучая интернет-источники и литературу по данной теме, я не нашел готовых программ для создания мини-сейфа, поэтому в моем исследовании есть новизна.

Актуальность. Наша семья много путешествует, поэтому я решил сделать специальный переносной сейф, который бы отличался малыми размерами и удобством в переноске и при этом имел дополнительную защиту, так как оснащен биометрическим замком ZFM-20. Изучение программ, необходимых для создания и программирования сейфа очень актуально и не только позволит создать его максимально компактным и защищенным, но самое главное - пригодится мне в будущем.

Гипотеза. Возможно, самостоятельно сконструировать и запрограммировать мини-сейф с биометрическим замком.

Цель проекта: изучение и создание мини-сейфа для безопасного хранения и перевозки ценных вещей.

Задачи:

ознакомиться с различными приемами создания сейфов;

выбрать материалы и инструменты для создания сейфа;

приобрести необходимые материалы и электронные компоненты для создания сейфа;

создать модель корпуса в программе 123D;

распечатать необходимые детали с помощью 3Dпринтера и программы Cura;

собрать конструкцию сейфа;

закрепить внутри сейфа электронные компоненты;

запрограммировать Плату Arduino UNO, что позволит управлять всей системой сейфа;

программировать с помощью Arduino IDE на основе языка C++ серводвигателя;

написать программу для модуля отпечатков пальцев ZFM-20;

осуществить доступ к собственности по отпечатку пальца в качестве пароля;

познакомить одноклассников с данной темой;

сформулировать практические советы.

Основная часть

Готовимся к работе

Моя работа началась с анализа рынка сейфов и их характеристик. Проводя сравнительный анализ цен заводских сейфов и собранного мной образца я могу утверждать, что он имеет существенное ценовое преимущество. Для создания своего сейфа я выбрал:

В качестве биометрического ключа - модуль отпечатков пальцев ZFM-20. Он доступен по цене, обладает высокой скоростью обработки изображений и легок в использовании.

Выбирая между серводвигателем с рейкой и электромагнитами - я решил использовать электромагниты, потому что они мощные в качестве замка (взломостойкие) и очень прочные.

Серводвигатель SG90, так как он мощнее и прочнее других подобных устройств.

Для управления всей конструкцией -плата Arduino NANO, так как она доступна и имеет все нужные характеристики для проекта.

аккумулятор Fullymax- он имеет большую емкость, это важно так как мини сейф должен работать без подключения к сети.

Чтобы сделать корпус, мне понадобился 3D принтер, программа, в которой можно смоделировать корпус (123D), программа для настройки принтера (CURA) и пластик PLA для печати корпуса. Безусловно, без проводов нельзя было обойтись.

Комплектующие с их стоимостью представлены в таблице Приложения 1, а его существенное ценовое преимущество в таблице Приложения 2.

Технология работы

При рассмотрении вариантов конструкции я руководствовался принципами – легкость и простота изготовления мини-сейфа, универсальность материалов и интересный дизайн конструкции сейфа.

1. Создание 3D модели в программе 123D.

Существует много программ, в которых можно создать 3D модели, например, 3ds Max или OPEN SCAD, я в своей работе использовал программу 123D, так как эта программа позволяет и новичкам и опытным инженерам быстро создать модель любой сложности.

На этапе создания 3D модели в программе 123D я помнил, что важно спроектировать конструкцию, учитывая размер готовой модели, в том числе толщину стенок, технологические отверстия. Каждая ошибка в моделировании в программе 123D на этом этапе может привести к негативным последствиям и необходимости исправления 3D модели, а значит, всю работу придется проводить заново.

По задумке мой мини-сейф должен был состоять из 2-х частей, которые имели бы размеры 180х180х30мм и 176х176х2 мм, в одной из частей будущего сейфа уже на этапе проектирования я запланировал технологическое отверстие размером 20х23мм для биометрического замка, вторая часть должна была выполнять функцию крышки. В последующем эти детали соединялись бы и размер готового мини-сейфа составил 180х180х30 мм. Однако после изготовления обеих частей я решил, что создаваемая мной модель будет демонстрационной, а значит было бы интересно показать, как приводится в движение и открывается или закрывается сейф при срабатывании биометрического замка, для этой цели деталь крышки я изготовил из органического стекла (оргстекла).

2. Печать заготовок на 3D принтере при помощи программы Cura.

Созданную в программе 123D модель в формате STL я залил в программу-слайсер Cura, генерирующую управляющий код для принтера, то есть обрабатывающую 3D модель и создающую некую кодовую инструкцию для принтера, как слои разместятся на платформе для печати. Cura совместима с большим количеством 3D принтеров и в случае необходимости позволяет исправлять ошибки в 3D моделях.

В программе Cura я выставил настройки печати, такие как:

режим печати -  Solid (сплошной). Я выбрал этот режим потому что, несмотря на то, что печать будет более длительной, чем например, в режиме «Полный», но это позволит провести печать модели с дополнительными опорами и сделает модель более прочной.

высоту слоя печати 0,2 мм - это дает высокое качество печати, но при этом и делает ее долгой по времени.

плотность заполнения детали – 50 %, от этого показателя зависит сколько материала используется и на сколько напечатанная модель будет прочной.

Скорость печати – 60 мм/с

Модель создания мини-сейфа с биометрическим замком в программе 123D представлена и настройки печати в Приложении 3 и 4.

Время печати нижней части моего мини-сейфав соответствии с выбранными мной настройками 9 часов 10 минут.

При работе с 3D принтером я помнил главное правило, полученное мной на личном опыте, а именно, что следует всегда проверять печать первого слоя, ведь от него зависит печать всего изделия. Приложения 5.

3. Устанавливаем все электронные компоненты.

После того, как наш корпус мини-сейфа полностью готов, приступаем к установлению всех комплектующих внутри него согласно ранее запланированным технологическим отверстиям. Основным связующим звеном между всеми компонентами является плата Arduino NANO. Рабочее напряжение платы – 5 В, на плате установлен стабилизатор напряжения, питание на нее я подаю с помощью аккумулятора. Изначально я планировал использовать аккумулятор robiton, однако его мощности 3,6 В не хватило для работы механизма, и я заменил его на более мощный Fullymax ( 7,4 В) .

Я соединил проводами плату Arduino NANO с модулем отпечатков пальцев ZFM-20, серводвигателем SG90, электромагнитами и аккумулятора Fullymax проводами с помощью пайки. Приложения 6.

4. Программирование в программе Arduino IDE на основе языка C++.

Многие считают, что Arduino это один из самых удобных способов программирования устройств на микроконтроллерах. Я полностью согласен с этим высказыванием.

Как я говорил ранее программу Arduino IDE можно скачать бесплатно на официальном сайте Arduino. Я использую версию 1.8.9. [7]

Фактически для Arduino нет особого языка, в программе Arduino IDE все написанные скетчи компилируются с минимальными изменениями в программу на языке С++.[5] Все особенности заключаются в том, имеется некий набор библиотек, в котором есть свои функции и объекты.

Процесс программирования платы состоит из 2 основных частей – написания скетча и загрузки его в контроллер, память контроллера будет хранить скетч и запускать его автоматически при каждом включении платы. Размер Flash-памяти используемой мной платы составляет 32 КБ (ATmega328), из которых 0.5 КБ используются загрузчиком.

При написании скетча я понимал, что при срабатывании сканера отпечатка пальца программа должна выполнить последовательно ряд заданий, алгоритм выполнения которых будет зависеть от того, кто открывает сейф:

Произвести считывание отпечатка пальца, определить, что он зарегистрирован, отключить электромагниты, включить серводвигатель, который откроет крышку.

Произвести считывание отпечатка пальца, определить, что он не зарегистрирован, не открывать мини-сейф.

Произвести считывание отпечатка пальца, включить серводвигатель, который закроет крышку, включить электромагниты.

Понимание такого алгоритма работы механизма мини-сейфа позволило мне составить концепцию программы и организовать ее с помощью использования библиотек в скетчах для Arduino.

В моей программе подключены следующие библиотеки:

Servo.h – библиотека для управления серводвигателем.

SoftwareSerial.h

Adafruit_Fingerprint.h

SoftwareSerial.h и Adafruit_Fingerprint.h - библиотеки работы модуля отпечатков пальцев.

Модуль отпечатков пальцев ZFM-20 может хранить в базе модуля до 10 отпечатков, каждый из которых имеет свой идентификационный номер. Для подключения модуля и для начала работы с ним необходимо через программу SFG demo (программа для работы со сканером отпечатков пальцев) загрузить в датчик изображения отпечатков пальцев.

Затем я подключил электромагниты, мощность которых контролируется драйвером L298. В программе я прописал, в каких случаях включается или выключается электромагнит.

За управление серводвигателем отвечает библиотека Servo.h, в которой я прописал к какому порту на плате привязан сервопривод, а затем на какой градус и в каких случаях повернуть рычаг серводвигателя.

В приложении 7 я полностью отобразил написанную мной программу работы мини-сейфа с биометрическим замком.

Отладка системы.

В результате работы над проектом возникло несколько проблем, связанных с отладкой системы и работой электронных комплектующих. Так, например, с подключением электромагнита – после запуска программы он не срабатывал. Я перебрал этот блок модели, поменял провода и заменил аккумулятор. Замена аккумулятора потребовалась также из-за нехватки мощности всей системы.

Возникли проблемы с настройкой модуля отпечатка пальцев. В интернете практически нет информации, связанной с настройкой системы работы используемого мной модуля, поэтому после того, как модуль перестал обрабатывать изображения, мне самостоятельно пришлось разбираться в чем причина неполадки. Я перезапустил его работу, перепаял провода, перезапускал программу SFG demо, которая видела датчик, но не обрабатывало изображение с него.

Кроме того, следует отметить, что у данной модели есть отличительная особенность, о которой так же практически нигде не указано - желтый и зеленый провода поменяны местами, мне пришлось прочитать много источников, чтобы разобраться с подключением модуля из-за этого.

Так же при отладки системы был выявлен еще один проблемный момент - при разрядке аккумулятора сейф открывается. Теоретически данную проблему можно решить при помощи wifi или gsm модуля (стоимость сейфа при этом вырастет на 300-500 руб.) который будет отправлять сообщение на телефон в случае низкого заряда аккумулятора, при неверном введённом отпечатке пальца или при попытке несанкционированного вскрытия защитного механизма. На текущий момент у меня недостаточно знаний для решения данной проблемы, но останавливаться на достигнутом результате я не планирую.

6. Работа над финальным дизайном мини-сейфа.

Как я говорил ранее, каждый человек стремится сохранить свои ценности, поэтому важное значение имеет не только защищенность сейфа, но и его внешний вид - я решил, что мой сейф внешне будет похож на книгу. Я сделал переплетную обложку, которую прикрепил к своему мини-сейфу. Приложение 3.

Заключение

Создание мини-сейфа с биометрическим замком стало для меня неоценимым опытом в рамках изучения программирования. В ходе подготовки к проекту я изучил различные варианты возможных комплектующих, возможности их программирования, работу в программах, с помощью которых можно создать 3Dмодель и выбирать те, которые я мог осилить в изучении. Мне приходилось всегда помнить, эта модель должна быть малогабаритной и при этом отвечать требованиям безопасности. На первых этапах я создавал проекты из бумаги, чтобы более точно спроектировать 3D модель. Приложение 8. Конечно, изготовление макета на 3D принтере тоже получилось не с первого раза, пришлось пробовать разные варианты печати толщины стенок и другие настройки, чтобы добиться нужного мне качества готовой модели. Создание модели достаточно длительный и трудоемкий процесс, но основную часть работы над проектом занимает именно программирование, ведь без отлаженной системы мой мини-сейф превращается в обычную коробку и теряет свою значимость.

В ходе работы над проектом я ознакомился с различными способами производства сейфов;

приобрел необходимые материалы для создания собственного небольшого переносного сейфа с биометрическим замком, который будет актуален не только в поездках, но и в домашних условиях;

Изучил программы, которые будут мне полезны в будущем, провел работу по программированию и отладке системы, в результате чего, мой сейф открывается только при использовании моего отпечатка пальца, или моих родителей.

Познакомил лицеистов с моей работой над проектом и основами работы в программах Arduino IDE, Cura, 123D, SFG demo. Приложение 9. Было очень приятно, что многие заинтересовались данной темой, задавали вопросы.

Принял участие и стал финалистом Муниципального Дня науки

Принял участие в областном конкурсе научно-исследовательской и проектной деятельности «Юный исследователь»

В результате работы над проектом создано устройство, которое подходит для повседневного использования дома, в поездках и в организациях, он предназначен для хранения и защиты ценных вещей, небольших документов, лекарств и т.д. Контроль основан на дактилоскопической идентификации.

Я достиг цели и всех поставленных задач. Останавливаться на достигнутом результате я не планирую. в будущем внутри сейфа запланировано установить устройство, отправляющее смс-сообщение на телефон собственника при неверном введённом отпечатке пальца или при попытке несанкционированного вскрытия защитного механизма.

Библиографический список использованной литературы и электронных ресурсов

Большая иллюстрированная энциклопедия. В 32 томах. Т. 25. СВЯ ‑ СОД – М.: АСТ: Астрель; 2010. - 501

Литвиненко Н.А. Технология программирования на С++. С-Пб, БВХ-Петербург; 2010. - 281

https://3dpt.ru/blogs/support/tags/uroki

http://docs.cntd.ru/document/gost-r-50862-2012

https://pro-prof.com/books-cplusplus

http://slovariki.org/tolkovyj-clovar-ozegova/31291

https://www.arduino.cc/

 

Приложения

Приложение 1. Таблица. Комплектующие (и их стоимость) для создания мини-сейфа с биометрическим замком

п/п

Наименование комплектующих

Стоимость, руб.

1.

Модуль отпечатков пальцев ZFM-20

450

2.

Серводвигатель SG90

328

3.

Плата Arduino NANO

990

4.

Электромагниты

189

5.

Пластик.

150

6.

Провода.

50

7.

Программы на ПК Arduino IDE, Cura, 123D, SFG demo

0 (находятся в свободном доступе в интернете)

8.

Аккумулятор Fullymax

253

Итоговая стоимость

2410

Приложение 2. Таблица. Цены на различные сейфы

п/п

Наименование сейфа

Тип замка

Стоимость, руб.

1

СЕЙФОФИСНЫЙBURG–WACHTERCOMBI-LINECL 10-EFS

Биометрический электронный

76 320

2

СЕЙФОФИСНЫЙ BURG–WACHTER COMBI-LINE CL 20-E FS

Биометрический электронный

94 720

3

СЕЙФ KLESTO DF45

Биометрический электронный

19 500

4

Сейф мебельный MBG 23 с биометрическим замком

биометрический + мастер-ключ

28.200

5

Сейф маленький AIKO T-17 EL для пистолета и дома

электронный, ключевой, механический, биометрический.

3 390

6

Мини сейф, собранный в рамках проекта

биометрический

2410

Приложение 3.Модель создания мини-сейфа с биометрическим замком в программе 123D

Приложение 4. Настройки печати мини-сейфа с биометрическим замком в программе Cura

Приложение 5. Процесс печати мини-сейфа с биометрическим замком на 3D принтере и процесс корректировки печати.

Приложение 6. Процесс сборки электронных комплектующих мини-сейфа с биометрическим замком.

П
риложение 7. Программа работы мини-сейфа с биометрическим замком с комментариями.

Приложение 8. Пробная модель из картона и процесс изготовления переплетной обложки для мини-сейфа с биометрическим замком.

П риложение 9. Знакомство учащихся старших классов и одноклассников с работой над проектом.

Приложение 10. Выступление на Муниципальном дне науки.

Просмотров работы: 15