Проекты

Портативная интеллектуальная метеостанция с функцией управления «умным» домом

Работа победителя конкурса проектов и исследований «Инженеры будущего» открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» в секции «Приборостроение, микроэлектроника и схемотехника» среди работ учащихся 7–9 классов

Направление работы: Инженеры
Авторы работы: ГБОУ Школа № 1534 «Академическая»
Предметы: Физика, Информатика
Классы: 9 класс
Мероприятия: Конкурс проектов и исследований «Инженеры будущего» открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» 2021 года

Актуальность

В настоящее время влияние климатических и погодных условий на организм человека не вызывает сомнений. Доказано, что резкое повышение или понижение температуры окружающей среды, колебания атмосферного давления, повышение относительной влажности воздуха у людей с сердечно-сосудистыми заболеваниями могут привести к серьёзным проблемам со здоровьем. Кроме того, для комфортного существования человека необходимо, чтобы одежда и пространство внутри помещения соответствовали внешним климатическим условиям. Получить информацию о метеорологических параметрах окружающей среды помогает домашняя метеостанция с функцией управления «умным» домом.

Цель

Создать портативную интеллектуальную метеостанцию для получения климатических данных и управления «умным» домом.

Задачи

  1. Сделать модуль с погодными датчиками и контрейлер для него.
  2. Создать модули для сопряжения с «умным» домом.
  3. Написать программу для управления метеостанцией в «Arduino IDE».
  4. Освоить программу «EasyEDA» для создания электрической схемы и печатной платы для устройства.
  5. Создать приложение в графической среде разработки под Android «mit app inventor».
  6. Создать умную метеостанцию. 
  7. Самостоятельно собрать проект.
  8. Провести сравнение устройства с аналогами.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

  • Arduino MEGA и NANO
  • Датчик температуры и влажности HDC1080
  • Датчик давления BMP180
  • Радиомодуль nrf24l01
  • Лазерный инкрементальный энкодер (датчик угла)
  • Bluetooth-модуль HC-06
  • Микросхема часов реального времени DS3231
  • TFT LCD-матрица и контроллеры для неё
  • Персональный компьютер с установленным ПО (Arduino IDE, EasyEDA, MIT APP Inventor)

Описание

Создание первого прототипа метеостанции. За основу прототипа была взята плата Arduino Nano, модуль часов реального времени, ЖК-дисплей на 20 символов и 4 строки, датчик давления, датчик температуры и влажности. Метеостанция была собрана на беспаечной макетной плате и представляла собой ЖК-дисплей, на который выводились показания с датчиков и время.

Место расположения метеостанции должно находиться на улице. Главным недостатком такой конструкции стало проводное соединение дисплея и датчиков, так как для снятия показаний приходилось бы стоять с метеостанцией в руках и отслеживать показания на дисплее. Также небольшое разрешение дисплея не позволяло разместить на нём большое количество информации.

В ходе проектирования и сборки прототипа было определено, что портативная метеостанция должна включать в себя два отдельных модуля с датчиками и дисплеем, причём дисплей должен иметь хорошее разрешение.

Этапы работы над проектом

1. Создан макет второй версии прототипа метеостанции для выбора оптимальной конструкции. Создан макет модуля с датчиками и модуля контролёра метеостанции. Модуль с датчиками собран на беспаечной макетной плате и состоит из платы Arduino NANO, датчика температуры и влажности, датчика давления, датчика скорости и направления ветра и модуля радиосвязи.

2. Написание программы в «Arduino IDE». В ходе написания программы использование TFT-дисплея с высоким разрешением, по сравнению с ЖК-дисплеем, позволило добавить на него графики зависимости давления, температуры, влажности и скорости ветра от времени. На дисплее можно вывести один из этих графиков и указать промежуток времени от 40 минут до одних суток. Также на дисплей можно вывести розу ветров и отслеживать изменение направления ветра за месяц. Все эти параметры можно изменять в настройках метеостанции, которые оформлены на отдельной странице дисплея.

3. Создание приложения в графической среде разработки под Android «mit app inventor». Всё управление и навигация по меню осуществляются при помощи сенсорной кнопки. При выключении контрейлера все настройки сохраняются. Для модуля с датчиками была добавлена функция предсказания ближайшей погоды на основе показаний с датчика давления. Модуль проводил шесть измерений давления. Каждое измерение проводилось раз в десять минут. Далее измерения наносились на график. Затем модуль вычислял линию трендов этого графика и выводил разницу между конечной и начальной точками линии. При выходе на дисплей метеостанции выводились значения от -250 до +250. Если эти показания изменялись от -50 до +50, то погода в ближайшее время оставалась примерно такой же, если показания выше +50, то погода будет улучшаться, а если меньше -50 – ухудшаться.

Разработано приложение для метеостанции в графической среде разработки Android «mit app inventor». На данный момент через приложение можно осуществлять настройки метеостанции и получать актуальные показания с датчиков.

4. Черчение электрической схемы и разводка печатной платы в программе «EasyEDA».

5. Сборка метеостанции на печатной плате. Установка датчиков направления, скорости ветра и лазерного осадкомера. Окончательная сборка всех модулей метеостанции. По сравнению с другими аналогами метеостанция получилась компактной, а использование платформы Arduino позволило значительно уменьшить затраты на её изготовление.

В результате получилось создать «умную» портативную метеостанцию, имеющую выносной модуль с датчиками. Получилось устранить некоторые недостатки аналогичных устройств, такие как большой размер метеостанции, малое количество выводимой информации.

Результаты работы/выводы

  1. Удалось создать «умную» портативную метеостанцию.
  2. Были изучены новые программы для создания приложений, проектирования электрических схем и печатных плат.
  3. Удалось написать программу для управления метеостанцией.
  4. Создать приложение для сбора данных и настройки метеостанции.
  5. Была спроектирована печатная плата.
  6. Было проведено сравнение метеостанции с готовыми аналогами.

Перспективы использования результатов работы

В дальнейшем планируется создание новых датчиков для метеостанции, например, лазерного осадкомера. Также планируется сделать модули «умного» дома для поддержания микроклимата в помещении. Например, возможность метеостанции узнавать погоду позволит предсказать падение температуры и при помощи модулей «умного» дома заранее начать отопление дома.

Награды/достижения (в каких конкурсах и с какими результатами выставлялась ранее эта работа)

Открытая городская научно-практическая конференция «Курчатовский проект – от знаний к практике, от практики к результату» – победитель

Мнение автора

«Было интересно попробовать создать своё устройство и пройти все этапы работы над ним. В ходе работы над проектом получено много нового опыта, навыков и знаний.

Благодаря проекту «Инженерный класс в московской школе» была получена возможность проектировать и исследовать различные «умные» устройства. Спасибо за возможность представить свой проект на открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего»