Система контроля уровня воды в кулере

Актуальность

Доступ к питьевой воде является одним из важнейших факторов для поддержания процесса жизнедеятельности человека. Поэтому практически во всех офисных и образовательных учреждениях доступ к питьевой воде осуществляется посредством кулеров. Люди ежедневно пользуются ими, и вода в кулерах быстро заканчивается. При использовании кулеров в крупных учреждениях начинают вставать вопросы логистики, связанные с оптимизацией закупок.

Долгое хранение воды в неприспособленном помещении может привести к её порче, не говоря уже о том, что вода в открытом виде хранится не более 20 дней.

С другой стороны, для оптимизации количества закупаемой воды требуется тратить человеческие ресурсы на проверку её расхода.

Цель

Создать прототип устройства, способного производить мониторинг количества воды в кулере.

Задачи

1. Провести анализ существующих кулеров и их применения.
2. Проработать дизайн устройства.
3. Провести анализ материальной базы для реализации.
4. Создать схему устройства.
5. Создать трёхмерную модель устройства.
6. Написать программный код для устройства.
7. Собрать прототип устройства.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

• Компьютер
• Плата Arduino
• Wemos D1 R1
• Датчик протечки LM393NG
• 3D-принтер

Описание

Для определения конечного вида разрабатываемого продукта были проведены изучение и анализ существующих решений. После рассмотрения существующих решений стало ясно, что доступного устройства для мониторинга количества воды в большом количестве кулеров на рынке не наблюдается. Для учёта особенностей существующих кулеров было решено разработать устройство, надеваемое как кольцо на бутылку, либо же на опускаемую в воду часть помпы. Для реализации мониторинга устройство будет измерять сопротивление между двумя контактами из медицинской или нержавеющей стали, опущенными в воду (рисунок 1).

Рисунок 1. Концепция разрабатываемого устройства: 1 – корпус устройства; 2 – горлышко ПЭТ бутылки; 3 – корпус кулера

Для работы устройства с помпами контакты заменялись стержнями, опускаемыми вместе с насосом в воду, что позволило измерять не только присутствие воды, но и её количество.

Для реализации было решено выбрать Аrduino, совместимый микроконтроллер, из-за доступности и простоты использования. Поскольку важной составляющей проекта является возможность дистанционного оповещения, применимого в условиях школы, было решено использовать передачу сообщений посредством WI-FI. Было решено использовать плату Wemos D1 mini. К сожалению, на момент разработки прототипа данная плата отсутствовала в продаже, в связи с чем для первой версии устройства был использован Wemos D1 R1, который имелся в свободном доступе.

В качестве датчика был выбран модуль протечки на основе двойного маломощного компаратора напряжения LM393NG.

Разработка корпуса устройства

Корпус устройства разрабатывался с применением технологий трёхмерного проектирования в программе blender. Для реализации проекта blender был выбран в связи с его доступностью, как бесплатное open-source-программное обеспечение. Помимо прочего важную роль в выборе сыграл имеющийся опыт в работе с данным приложением.

Корпус устройства состоял из корпуса для электронных компонентов и крышки, представленных на рисунке 2.

Рисунок 2. 3D-модель корпуса устройства

Проектирование схемы устройства

Для проведения этапа проектирования схемы использовалось программное обеспечение fritzing. Для сборки схемы были скачаны требуемые модули и собрана схема на основе макетной платы. На рисунке № 3 представлена схема прототипа, а также устройства, изначально запланированного в разработке.

Рисунок 3. Схема устройства на макетной плате в двух исполнениях

Прототипирование устройства

В соответствии с этапом проектирования на основе материальной базы был разработан прототип устройства.

Реализация корпуса устройства была выполнена с применением технологии трёхмерной печати. Корпус устройства распечатан из PLA-пластика.

Также был собран прототип устройства на основе микроконтроллера Wemos D1 R1. Для реализации функционала устройства было произведено программирование микроконтроллера. Был разработан программный код.

Результаты работы/выводы

Разработанное устройство удовлетворяет поставленным целям, однако требует дальнейших доработок как самого устройства, так и его обеспечения. В рамках проекта была произведена качественная работа по анализу аналогов и материальной базы. При реализации проекта были применены современные технологии проектирования, прототипирования устройства, а также получен опыт работы с ним.

Перспективы использования результатов работы

Устройство может быть применено во всех учреждениях, где установлены кулеры. Водостойкость будет улучшена изменением дизайна в последующих итерациях устройства. Помимо прочего для включения устройства требуется внешний источник питания. В качестве источника питания в дальнейших итерациях планируется использовать питание самого кулера либо разработать собственное устройство помпы, в которую будет интегрирован разработанный функционал устройства.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

НИУ ВШЭ

Награды/достижения

Городская конференция «Курчатовский проект – от знаний к практике, от практики к результату» – участник;

Городская конференция «Наука для жизни» – участник

Мнение автора

«На мой взгляд, проект довольно полезный и уникальный, с хорошими перспективами развития. Проект предпрофессионального образования  «Инженерный класс в московской школе» помогает ученикам узнать о мире проектантов и окунуться в него. Открытая городская научно-практическая конференция, в свою очередь, помогает развить ораторские навыки, открыть для себя новые направления»