Создание аппаратной платформы для развивающих игр с RFID-полем

Актуальность

В современном мире дети часто проводят время за экранами своих гаджетов. Задумавшись над этой проблемой, авторы решили создать интерактивную игровую платформу на основе RFID-технологии. С помощью представленного устройства можно реализовать любую игру.

Игровая платформа — это уникальный синтез реального и виртуального мира. Поэтому именно создание аппаратной части было так необходимо для авторов.

Используя игровую платформу, можно предложить решение математических примеров, изучение шрифта Брайля, иностранных языков, игры в шахматы и многое другое.  

Концепция проекта помогает развивать тактильную, зрительную и слуховую память, а также мелкую моторику, тем самым человек улучшает своё внимание и координацию движений. 

Платформу можно адаптировать под обучение абсолютно любой целевой аудитории, в том числе людей с ограниченными возможностями здоровья.

Цель

Создать аппаратную интерактивную игровую платформу для развивающих игр с RFID-полем.

Задачи

1. Изучить принцип работы RFID, доступные аппаратные решения для микроконтроллеров Arduino.
2. Собрать стенд, чтобы убедиться в возможности использования нескольких считывателей на небольшом расстоянии.
3. Создать принципиальную схему и печатную плату для коммутации узлов устройства, в том числе большого количество считывателей RFID.
4. Припаять необходимые разъёмы и элементы к разработанной печатной плате.
5. Научиться программировать работу модулей, входящих в макет, в среде Arduino IDE.
6. Написать или исправить используемые библиотеки с учётом большого количества RFID-модулей в устройстве.
7. Провести промежуточные и окончательные испытания макета.
8. Внести изменения по результатам испытаний.
9. Описать функционирование частей устройства, этапов разработки в виде документации, создать презентацию.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

• Паяльная станция Lukey 852D+
• Логический анализатор LA2016
• Метки RFID-модуля RC522
• Плата микроконтроллера с Wi-Fi ESP8266
• Плата микроконтроллера Arduino Nano
• Плата расширения ввода-вывода PCF8574
• Цифровой осциллограф INSTRUSTAR   1SDS205B
• Компьютер с установленным ПО 
  • для программирования (Arduino IDE)
  • моделирования (Fusion 360)

Описание

Первым этапом создания проекта стали изучение принципа работы метки RFID-модуля, поиск доступных аппаратных решений для микроконтроллеров Arduino, подключение одного модуля. На этом этапе были подобраны все комплектующие проекта и составлен механизм аппаратной платформы.

Второй этап – работа с электроникой. На этом этапе были найдены способы подключения нескольких меток. Для подключения потребовалось изучить язык программирования С/ С++, а также исправить библиотеку для работы с несколькими RFID-модулями. Ещё были разработаны принципиальная электронная схема и печатная плата, которая соединяет 8 RFID-модулей с микроконтроллером. Эта плата имеет возможность объединения до 8 плат (ограничение адресации модуля расширения портов ввода-вывода PCF8574) в горизонтальном и/или вертикальном направлении. Кратность в горизонтальном направлении – 4, в вертикальном – 2 модуля.

Проведено тестирование работоспособности платы.

Во время тестирования были обнаружены проблемы, поэтому на третьем этапе работы был проведён поиск ошибок и их устранение. Внесены коррективы в печатную плату, для этого пересоздана принципиальная электрическая схема и трассировка печатной платы.

Четвёртым этапом велись монтаж электрических цепей на плате второй версии, а также тестирование платы, незначительная доработка недочётов и подключение двух плат.

Результаты работы/выводы

В результате работы была создана аппаратная платформа, которая подразумевает печатную плату, соединяющую 8 RFID-модулей с микроконтроллером. Эта плата имеет возможность объединения до 8 плат в горизонтальном или вертикальном направлении. Также была изменена библиотека для общения с RFID-модулем через I2C расширитель портов.

Перспективы использования результатов работы

1. Подключение, тестирование 8 плат для формирования поля RFID-меток размером 8х8.
2. Проработка протокола сообщения о местоположении и идентификаторе метки от микроконтроллера к смартфону, компьютеру или серверу.
3. Реализация сценария выбранной игры с использованием языка высокого уровня.
4. Подключение голосовых помощников.
5. Создание корпуса для платформы.

Награды/достижения

1. Открытая городская научно-практическая конференция «Наука для жизни» по направлению «Многообразие науки» 2022 года – призёр;
2. Конкурс исследовательских и проектных работ школьников «Высший пилотаж» по направлению «Технические и инженерные науки» 2022 года – призёр

Мнение автора

«Мы довольны нашей работой и хотим продолжать разработку аппаратной платформы, т. к. считаем актуальным развитие смешанной реальности.

Нам очень понравилась Открытая городская научно-практическая конференция «Инженеры будущего». Мы встретили много заинтересованных людей и удивительных проектов. Нам доставило удовольствие выступать с нашей работой, рассказывать о своей идее. Это определённый толчок к дальнейшим действиям, хороший опыт и вклад в наше будущее»