XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Домашняя метеостанция

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Усачев В.Д. 1

---

1ГБОУ ИТШ № 777

Грибанова Е.А. 1

---

1ГБОУ ИТШ № 777

Работа в формате PDF

1.4 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Современная жизнь требует понимания процессов, происходящих вокруг нас. В учебнике “Окружающий мир” я познакомился с природными явлениями. Эта тема меня заинтересовала и я записался на дополнительный кружок “Юный метеоролог” в школе. Наблюдения за изменениями климата вызывает большой интерес. Именно поэтому разработка собственного прибора для наблюдения за изменениями окружающей среды становится актуальной задачей.

Целью нашего проекта стало создание простой в эксплуатации домашней метеостанции, позволяющей собирать и анализировать данные о температуре, влажности, атмосферном давлении, содержании углекислого газа в воздухе. Эти данные будут полезны не только для научных исследований, но и для повседневной жизни семьи и школьников.

Этот проект представляет собой отличный пример интеграции науки и технологий. Учащиеся смогут глубже понять принципы работы электронных устройств и научиться применять современные технологии для решения реальных жизненных задач.

Актуальность проекта: Актуальность разработки собственной метеостанции обусловлена несколькими факторами:

- Возможность мониторинга погодных условий дома и в помещениях школы.

- Получение начальных практических навыков работы с электронными компонентами и программирования.

- Повышение интереса учащихся к естественным наукам и технологиям.

ГЛАВА 1. Теоретическая часть

1.1. Понятие микроклимата

Микроклимат — это климатические условия, которые существуют в ограниченном пространстве, например, в помещении, и влияют на самочувствие и работоспособность человека.

Некоторые ключевые параметры микроклимата:

- Температура воздуха – комфортная для человека в помещении 20-24°C.

- Влажность – оптимальный уровень 40–55%. Слишком высокая влажность способствует росту плесени и аллергии, а низкая — вызывает сухость кожи и дыхательных путей.

- Уровень углекислого газа (CO2) - Чем больше углекислого газа в воздухе, тем сложнее сосредоточиться и справиться с учебной нагрузкой.

Для создания оптимального микроклимата в помещении рекомендуется:

- Регулярно проветривать или вентилировать. Обеспечивать приток свежего воздуха, открывая окна или используя системы вентиляции, особенно в помещениях с большим количеством людей.

- Контролировать температуру и влажность. Использовать термометры для мониторинга параметров микроклимата. При необходимости применять увлажнители или осушители воздуха.

- Заботиться о растениях. Комнатные растения не только украшают пространство, но и способствуют улучшению качества воздуха и поддержанию оптимального микроклимата.

1.2. Кто и когда начал изучать микроклимат в доме

Микроклимат в доме изучался учеными и инженерами постепенно, начиная с древности, но четкого конкретного ученого, который первым предложил изучать этот аспект, назвать сложно. Рассмотрим ключевые моменты развития идеи изучения микроклимата дома:

Античность и Средневековье. Древнегреческие философы и врачи, такие как Гиппократ, уделяли внимание влиянию жилищных условий на здоровье человека.

Архитекторы средних веков также рекомендовали учитывать особенности климата при строительстве жилых помещений. Они предлагали строить здания с продуманными системами вентиляции и отопления, полагаясь на научные расчеты и наблюдения.

Французские ученые начала XIX века (например, Антуан Лавуазье и Жозеф Луи Гей-Люссак) начали активно исследовать воздухообмен и циркуляцию воздушных масс в помещениях, что положило начало современным исследованиям микроклимата.

В XX веке инженеры-конструкторы начали детально изучать внутренние условия жилых пространств, включая температурные режимы, относительную влажность и чистоту воздуха. Особенно важное значение приобрели труды советских инженеров-градостроителей, среди которых Николай Иванович Иванов, Леонид Владимирович Горшков и др. Они разрабатывали нормы проектирования жилой застройки.

Теория микроклимата была существенно развита датским профессором - Питер Олфа Фангер. Хотя понятия микроклимата существовали ранее, именно теория Фангера дала мощный толчок развитию новых направлений в архитектурной науке, отопительно-вентиляционной отрасли и дизайне интерьеров, ориентированных на повышение качества жизни и улучшение самочувствия человека в замкнутых пространствах.

1.3. Классификация устройств

Отслеживать микроклимат дома можно с помощью специальных устройств, датчиков и приложений. Эти варианты позволяют контролировать температуру, влажность, атмосферное давление и другие параметры, а также управлять климатической техникой (кондиционером, обогревателем, увлажнителем и др.).

1. Метеостанции

Отслеживают микроклимат в помещении и получают информацию о погоде за окном.

- Могут быть встроенными - для мониторинга микроклимата внутри помещения, или внешними - для наблюдений за погодой

- Современные модели объединяют показания всех датчиков и передают их по Wi-Fi или Bluetooth в центр управления «умным домом»

- Многие модели можно подключить к смартфону и удалённо наблюдать за параметрами через приложение.

2. Термостаты

Автоматически регулируют температуру в помещении в зависимости от различных параметров: времени суток, погоды на улице, присутствия людей в доме и других.

Функции:

- программируемое расписание - создание температурных профилей по времени и дням недели;

- автоматическое отключение/включение - по факту присутствия людей или по заданному времени;

- управление через приложение - настройка параметров с любого устройства: смартфона, планшета или ПК.

3. Датчики

Отслеживают показатели микроклимата в помещении. Могут быть проводными или беспроводными, что позволяет интегрировать их в «умный дом».

Например:

- Датчик температуры и влажности - следит за температурой и влажностью, передаёт данные на центр управления «умным домом».

- Датчики, которые анализируют не только температуру, но и влажность, качество воздуха - такие устройства могут автоматически настраивать микроклимат, основываясь на предпочтениях пользователя.

4. Приложения

Позволяют управлять системой контроля микроклимата через мобильное приложение. Например:

- Приложение для датчика температуры и влажности - позволяет отследить показатели и настроить сценарии использования (например, включать обогреватель, как только датчик зафиксирует температуру ниже определённого значения).

- Приложение для системы умного микроклимата - измеряет температуру, влажность и показывает их в смартфоне, автоматически управляет климатической техникой.

1.4. Выбор типа разрабатываемого устройства

На основе анализа существующих устройств, решено разработать прибор для наблюдения за микроклиматом в учебном помещении. Метеостанция будет построена на основе Arduino Nano, а на основе показания датчиков в помещении будет выводить результат на ЖК-дисплей.

ГЛАВА 2. Практическая часть

2.1. Выбор оборудования

2.1.1. Подбор набора датчиков для измерения температуры, влажности и уровня CO2 (углекислого газа)

- датчик температуры, давления и влажности BME280:

- датчик углекислого газа MH-Z19:

2.1.2. Определение необходимых компонентов для сборки

1 ) дисплейный модуль 2) микросхема часов 3) плата Arduino Nano

4 ) сенсорная кнопка 5) RGB светодиод 6) модуль USB

2.2. Создание прибора

2.2.1. Мы с папой исследовали существующие схемы подключения датчиков к микроконтроллеру Arduino Nano и создали свою

2.2.2. Мы собрали и спаяли устройства из выбранных компонентов

2.2.3. Создание корпуса устройства

Корпус для устройства был распечатан на 3D принтере.

2.2.4. Программирование устройства для сбора данных с датчиков на Arduino IDE

2.2.5 Разработка интерфейса

Мы продумали удобное расположение показаний датчиков на ЖК-дисплее.

2.3. Испытания

2.3.1 Я наблюдал за изменением показателей с течением времени дома и записывал их в таблицу

Т ак же были построены графики изменения отслеживаемых показателей за сутки. Данные за сутки сохраняются в памяти устройства.

2.3.2 Сравнение собранных данных с нормами микроклимата

Для городских квартир норма содержания CO²- не выше 800 ppm

Температура воздуха t°C - 20-25

Влажность воздуха - 40%-55%

Заключение

Работа над проектом «Домашняя метеостанция» позволила мне достичь поставленных целей и реализовать задуманную идею. Мы с папой создали прибор, способный измерять основные климатические характеристики окружающей среды: температуру, влажность, атмосферное давление, содержание углекислого газа в воздухе.

В ходе реализации проекта я получил ценные теоретические и практические знания:

- Изучил принцип работы датчиков различного типа и научился подбирать подходящие комплектующие;

- Научился наблюдать за изменением параметров микроклимата.

Созданная метеостанция станет полезным инструментом для дома и в классе для поддержания комфорта и здоровья учащихся.

Список используемых источников и литературы

1. Интернет-ресурс https://alexgyver.ru/lessons/ - "Уроки Arduino"

2. Интернет-ресурс https://alexgyver.ru/meteoclock/ - "Часы-метеостанция на Arduino своими руками"

3. Интернет-ресурс https://microkontroller.ru/arduino-projects/ - "Простая метеостанция на датчике BME280 и Arduino"

4. Arduino для детей / Шернич Э.; пер. с нем. М.М.Степаненковой. - М.: ДМК Пресс, 2019.-170с.: ил.

5. Изучаем Arduino. 65 проектов своими руками. 2-е изд. / Бокселл Джон; СПб.: Питер, 2022. - 448с.: ил.

6. Статьи в интернете на тему исследование микроклимата воздуха жилых помещений.