XXVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Новое умное устройство «Мотя»

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Сучков С.А. 1

---

1МАОУ «Лицей №97 г. Челябинска»

Степанов И.В. 1

---

1МАОУ «Лицей №97 г. Челябинска»

Работа в формате PDF

1.1 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Сегодняшние технологии позволяют нам создавать умные дома, которые обладают автоматизацией управления устройствами и эффективным использованием энергии. Умный дом и голосовой помощник от VK Маруся используют современные технологии для управления различными устройствами и сенсорами, которые собирают информацию о доме и его жителях.

Актуальность данной темы в том, что новые технологии, которые лежат в основе умных устройств, плотно вошли в жизнь человека. И мы используем их для обустройства своей жизни. В настоящее время существуют умные устройства, которые уже обладают достаточно большим количеством навыков, но их можно расширить.

Проблемой современного мира является то, что люди мало проводят времени дома, занимая активную жизненную позицию. Такое устройство актуально для людей, которые хотели бы знать, что происходит дома в их отсутствие. Такой умный робот будет гарантировать домашнюю безопасность во время отсутствия владельца дома.

Цель данной работы заключается в создании инновационного умного устройства под названием Мотя, которое объединит возможности голосового помощника и системы Умный дом для решения повседневных задач.

В работе планируется рассмотреть теоретические и практические аспекты разработки устройств и приложений, а также выявить возможные проблемы и найти способы их решения.

Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:

1. Изучить имеющиеся возможности существующих голосовых помощников и систем Умный дом;

2. Определить ключевые функции, которые должны быть реализованы в устройстве и подобрать необходимые компоненты для создания устройства

3. Разработать модуль для управления различными устройствами, такими как освещение, отопление, системы безопасности и т. д.

4. Создать модель Нового умного устройства Мотя с использованием 3D принтера;

5. Создать прототип устройства;

6. Разработать мобильное приложение для управления устройством и настройки его параметров с интуитивно понятным интерфейсом

Разработка нового умного устройства Мотя с интеграцией голосового помощника и системы Умный дом имеет потенциал не только для улучшения качества жизни, но и для повышения уровня безопасности в домах пользователей. Этот проект станет основой для создания инновационного продукта, отвечающего современным требованиям и запросам пользователей.

Глава 1. Теоретическая часть

1.1Умное устройство как домашняя автоматизация

Умные домашние устройства – система домашних устройств, способных выполнять действия и решать определенные задачи без участия человека. Наиболее распространенные примеры таких действий – автоматическое включение или выключение света, автоматическая коррекция работы отопительной системы или кондиционера и автоматическое уведомление о вторжении, возгорании или протечке воды.

Домашняя автоматизация в современных условиях – чрезвычайно гибкая система, которую пользователь конструирует и настраивает самостоятельно в зависимости от собственных потребностей. Это предполагает, что каждый владелец умного дома самостоятельно определяет, какие устройства и где установить и какие задачи они будут исполнять.

1.2Конструкция системы умного устройства

Система умных домашних устройств включает три типа устройств:

1. Контролёр (хаб) – управляющее устройство, соединяющее все элементы системы друг с другом и связывающее его с внешним миром;

2. Датчики (сенсоры) – устройства, получающие информацию о внешних условиях;

3. Акуаторы – исполнительные устройства, непосредственно исполняющие команды. Это самая многочисленная группа, в которую входят автоматические выключатели, автоматические розетки, автоматические клапаны для труб, сирены, климат-контроллеры и так далее. В большинстве современных умных устройств контроллер общается с остальными устройствами системы через радиосигналы. Для связи с внешним миром контроллер как правило подключается к интернету.

1.3Системы безопасности

В систему безопасности умных устройств входят:

1. Датчики движения, датчики присутствия, датчики вибрации, датчики разбития стекла, датчики открытия окна или двери;

2. Видеонаблюдение;

3. Видеодомофоны и видеоглазки;

4. Электронные замки (умные замки, смартлоки) и модули управления воротами;

5. Сирены.

Эти устройства позволяют сконструировать подходящую систему безопасности от сравнительно простой до достаточно сложной.

Среди основных алгоритмов работы можно выделить:

1. Регистрация нежелательного проникновения;

2. Уведомление владельцев;

3. Включение сирены;

4. Запуск видеосъёмки;

5. Запирание входных и межкомнатных дверей.

Кроме того, системы безопасности умных устройств интегрируются с охранными системами, по тревоге высылающими группы быстрого реагирования. В большинстве стран рынок охранных систем существует достаточно давно, в то время как системы умных устройств стали широко распространены лишь в 2010-х годах. Отдельные поставщики охранных услуг позволяют интегрировать свою сигнализацию с умными устройствами, которые устанавливает сам пользователь, либо соглашаются высылать группы быстрого реагирования по сигналам тревоги с таких устройств.

Электронные замки, видеодомофоны и видеоглазки позволяют также организовать систему контроля доступа с возможностями дистанционного управления, видеозаписи и так далее.

1.4 Управление климатом

Основная задача умных устройств в этом случае это:

1. Датчики влажности;

2. Датчики температуры;

3. Термостаты для поддержания постоянной температуры или её автоматического регулирования;

4. Терморегуляторы для управления мощностью батарей управления;

5. Климат – контроллеры, передающие команды умных устройств на технику предыдущих поколений, которая управляется обычным дистанционными пультами, прежде всего на кондиционеры;

6. Гигростаты для поддержания постоянной влажности и её регулирования;

7. Автоматически регулировать работу климатических систем так, чтобы одновременно обеспечить комфортный микроклимат и сократить расходы на его поддержание;

8. Автоматически поддерживать комфортную температуру в помещениях, где находятся люди;

9. Автоматически снижать мощность батарей и кондиционеров в отсутствии людей и ночью;

10. Автоматически поддерживать влажность, комфортную для людей и щадящую для помещений и предметов обстановки;

11. Автоматически вентилировать помещения и очищать воздух, поддерживая комфортное качество воздуха.

1.5 Датчики движения для умных устройств

Датчики движения – это устройства, которые используются для обнаружения движения внутри помещения или на улице. Они широко применяются в системах безопасности и умных устройствах для автоматического контроля и управления другими устройствами.

Основная функция датчика движения – это обнаружение движения в определённой зоне и передача этой информации контроллеру умного устройства, который может принять соответствующие меры в ответ на это событие. Например, при обнаружении в комнате, умное устройство может автоматически включить свет или настроить температуру в комнате.

Существует несколько типов датчиков движения для умного устройства:

1. Инфракрасные датчики движения – используют инфракрасные лучи для обнаружения движения. Они особенно полезны для обнаружения людей, животных и других объектов, которые выделяют тепловое излучение;

2. Ультразвуковые датчики движения – используют высокочастотные звуковые волны для обнаружения движения. Они работают в широком диапазоне температур и не чувствительны к свету, что делает их идеальными для использования вне помещений.

3. Микроволновые датчики движения – используют радиоволновой сигнал для обнаружения движения. Они могут работать в условиях низкой видимости и надёжны при обнаружении движения на дистанции.

Датчики движения для умных устройств обычно подключаются к контроллеру устройства через беспроводную сеть Internet. Они могут быть установлены на стенах или потолках, а также на специальных кронштейнах и настенных панелях.

В целом датчики движения являются важной частью умного устройства, так как они обеспечивают автоматизацию процессов и повышают уровень безопасности в доме.

Глава 2. Практическая часть

Для того чтобы воплотить свой задуманный проект были изучены различные интернет-ресурсы, собраны сведения о работе и возможностях существующей системы Умный дом и голосового помощника Маруся, а после начата работа по выполнению поставленных задач проекта.

Для реализации проекта было необходимо придумать новые возможности Нового умного устройства Моти, они должны были быть уникальными и нужными для человека.

Возможности системы Новое умное устройство Мотя поистине многогранны. Устройство может не только измерять температуру в помещении, воспроизводить голосовые сообщения от членов семьи, уведомлять об экстренных ситуациях, выполнять голосовые команды, но и совершать видеозвонки, запускать просмотры видеоархивов, наблюдать за состоянием пожилых людей, присматривать за домашними питомцами в отсутствии хозяина.

Мотя должен полностью контролировать состояние жилища пока никого нет дома, для этого лишь необходимо задать нужные и важные для каждого владельца настройки, которые устанавливаются в специально разработанном приложении к смартфону.

При создании компьютерной модели были учтены все задачи, которые поставлены перед данным устройством. Мотя должен быть маневренным, обтекаемой формы (без возможности зацепиться за какие-либо препятствия), с наличием микрофона, датчиков и со встроенными камерами видеонаблюдения.

Компьютерная модель Нового умного устройства Мотя создана в специальной программе Tinkercad (приложение 1, рис.1,2,3). Для того, чтобы напечатать данную модель на 3D принтере было необходимо разбить ее на слои, для этого была использована программа слайсер Ultimaker Cura. Далее запущена печать в 3D принтере Anet A8.

Для того чтобы Мотя полностью контролировал состояние жилища в момент отсутствия хозяина, необходимо задать нужные и важные для каждого владельца настройки, которые устанавливаются в специально разработанном приложении к смартфону. Визуальный макет данного приложения разработан с помощью онлайн-сервиса Figma, который используется для разработки интерфейсов и прототипирования (приложение 2, рис.4,5).

Чтобы реализовать такой широкий функционал устройства, нужен надежный и гибкий программно-аппаратный комплекс.

Прототип, который можно увидеть в приложении 3, рис.6., построен на базе Arduino UNO, в состав которой входят узлы:

• центральная плата

• литиевый аккумулятор 2 000 мАч

• 4 мотора

• ультразвуковые датчики

• датчик дыма

• Bluetooth модуль

• датчик температуры и влажности

• видеокамера

Устройство собрано из недорогих компонентов, что делает его доступным для массового пользователя. В данном устройстве разместились не все необходимые датчики, дополнительно потребуются, например, микрофон и динамик.

В таблице, которая расположена в приложении 4, представлен набор компонентов, которые планируется использовать для создания моего устройства и их стоимость.

Благодаря тому, что программирование ведется через программную оболочку Arduino IDE это позволит создавать уникальные алгоритмы.

При создании мобильного приложения на Android и iOS (приложение 5, рис.7), для управления устройством и получения информации о состоянии дома, была использована система remoteXY.com, которая показалась наиболее удобной и функциональной. Данный сервис позволяет создать интерфейс мобильного приложения, а также код на базе языка C++ для Arduino IDE обеспечивающий взаимодействие между мобильным приложением и управляемым устройством. Часть программного кода по интеграции с мобильным устройством и управлению двигателями вы можете увидеть в приложении 6 (рис.8).

В рамках домашнего тестирования, проведенного на собранном устройстве, были выявлены положительные результаты. Прототип успешно справляется с задачами передвижения, мониторинга климата и определения состояния задымлённости помещения, а также с помощью видеокамеры позволяет контролировать, что происходит в помещении.

Также сейчас стоит задача определить оптимальный размер устройства, что бы с одной стороны в него поместилось все необходимое оборудование и оно имело достаточный запас автономной работы, с другой стороны, чтобы оно не было слишком громоздким.

Работа над данным проектом обширная и трудоёмкая, которая требует много времени, новых знаний и новых умений. На данный момент впереди много работы, и сейчас выделены основные этапы плана по развитию продукта:

• создание прототипа:

  • разработка аппаратной части

  • разработка ПО для управления устройством

• разработка мобильного приложения

• тестирование

• поиск инвестора

• запуск серийного производства

• улучшение функционала и организация поддержки пользователей

На базе данного устройство можно разработать устройства для складских помещений, а также версию для оранжерей и больших теплиц Мотя-агро. В этом направлении сейчас начата работа.

Помимо всего вышеперечисленного происходит отслеживание появления новых функций ИИ. Эта сфера сейчас развивается достаточно динамично, поэтому в ближайшем будущем можно использовать функционал, предоставляемый ИИ для данного устройства.

Заключение

Работая над данной темой, сделан вывод, что если вы не имеете времени на решение бытовых вопросов и у вас нет возможности обеспечить безопасность ваших близких и питомцев в ваше отсутствие, то вам помогут в этом новейшие технологии. На мой взгляд, Умное устройство Мотя - лучший выбор.

Разработка малобюджетных проектов, которые позволяют использовать систему умных устройств с минимальными денежными вложениями, является большим плюсом в данном вопросе.

Главное отличие предлагаемого решения от существующих – устройство планируется сделать подвижным, а не стационарным, что позволит в перспективе расширить функционал устройства и снизить его стоимость.

В результате проектной работы был создан макет Умного устройства Мотя, собран прототип устройства для тестирования, разработан интерфейс приложения для его использования, изучена платформа Arduino IDE, разработана версия приложения для управления существующим на сегодняшний день прототипом устройства и продолжается работа над развитием системы.

Проект устройства «Мотя» продемонстрировал возможность создания доступного и функционального помощника для дома. В настоящее время идет работа над окончательной версией устройства и приложения

Тема проекта про данное устройство очень интересна и в дальнейшем, при изучении спец дисциплин, реализация данной системы будет продолжена.

Список источников

1. База знаний Амперки. https://wiki.amperka.ru/

2. Кузнецова, Е. Н. (2023). «Безопасность в умных домах: проблемы и решения». «Технические системы и безопасность», 15(1), 78-85.

3. Петин В.А. Проекты с использованием контроллера Arduino. — БХВ-Петербург,

4. Сидорова, И. А., Петров, В. Р. (2022). «Технологии умного дома: современное состояние и перспективы развития». «Журнал современных технологий», 12(4), 45-56.

5. Смирнов, Д. В. (2021). «Голосовые помощники и их роль в автоматизации домашнего управления». «Научный вестник информационных технологий», 8(2), 22-30.

6. Рот, В. (2020). «Умный дом: технологии, устройства и решения для автоматизации». Москва: Эксмо.

7. Шевченко, А. (2019). «Голосовые помощники: как они меняют наш мир». Санкт-Петербург: Питер.

8. Что такое умный дом и из чего он состоит. Объясняем простыми словами. Сайт Секрет фирмы. https://secretmag.ru/enciklopediya/chto-takoe-umnyi-dom-i-iz-chego-on-sostoit-obyasnyaem-prostymi-slovami.htm

Приложение 1

Рисунок 1.

Рисунок 2.

Рисунок 3.

Приложение 2

Рисунок 4.

Рисунок 5.

Приложение 3

Рисунок 6.

Приложение 4

Приложение5

Рисунок 7.

Приложение6

Рисунок 8.