АППАРАТНО-ПРОГРАММНАЯ ПЛАТФОРМА ARDUINO В ПРОЕКТНОЙ

ДЕЯТЕЛЬНОСТИ СТУДЕНТОВ

Сливнова Н.В., преподаватель

Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение

«Волжский политехнический техникум»

Появление

аппартно-программной

платформы Arduino привело к новому витку

массового

технического

творчества

среди

студентов

Волжского

политехнического

техникума. Дешевизна и доступность, наличие нескольких видов контроллера под разные

задачи,

огромное

число

дополнений

и

расширений,

появление

которых

и

является

следствием той самой открытой архитектуры устройства, удобные монтажные платы для

прототипирования беспаечным способом – все это обеспечило огромную популярность

схемотехнике на базе Arduino. Доступность аппаратной части умножается на доступность

программной. Программируется платформа на специальном языке программирования,

который основан на C/C++. Работу созданного алгоритма можно наглядно проверить на

физическом уровне.

Все

это

позволило

использовать Arduino в образовательном процессе студентов

специальностей

09.02.01

Вычислительные

системы

и

комплексы

при

выполнении

курсовых проектов и для создания учебно-лабораторных комплексов для проведения

лабораторно-практических занятий.

Предлагаемая

автоматизированная

система

контроля

и

управления

приборами

бытовых помещений дополняет ранее созданную интеллектуальную систему «Умный

дом», которая уже включает в себя:

1)

автоматизированную

систему

включения

инфраструктурных

объектов

жилого помещения;

2)

автоматизированную систему полива.

Система

«Умный

Дом»

является

наиболее

прогрессивная

концепция

развития

взаимодействия

человека

(пользователей)

с

жилым

пространством,

когда

в

автоматизированном

режиме

в

соответствии

с

внешними

и

внутренними

условиями

задаются и отслеживаются режимы работы всех

инженерных систем

и

электроприборов

,

обеспечивается безопасность, комфорт и энергоэффективность используемых ресурсов.

Система «Умный дом» является совокупностью нескольких подсистем разделенных

в первую очередь по технологическому признаку и функциональности, объединенных

единой системой управления зданием:



системы управления и объединения подсистем;



система управления бытовыми и электромеханическими устройствами;



система связи;



система

отопления

,

вентиляции

и

кондиционирования

;



система освещения;



система электропитания здания;



система безопасности и мониторинга

.

В свою очередь каждая из вышеперечисленных систем может включать в себя свои

подсистемы,

объединенные

единым

центром

у

правления

уже

на

уровне

данной

подсистемы.

Разработанное

устройство,

на

данный

момент,

является

автономным

исполнительным

устройством

реализующим

отдельные

функции

таких

подсистем

«Умного

дома»,

как

система

отопления

,

вентиляции

и

кондиционирования

и

система

безопасности и мониторинга.

Основным

элементом

устройства

автоматизированной

системы

контроля

и

управления приборами бытовых помещений является:

Arduino UNO - аппаратная вычислительная платформа, основными компонентами

которой

являются

микроконтроллер

ATmega328,

устройство ввода-вывода и

среда

разработки. Arduino, применяется для создания электронных устройств с возможностью

приема сигналов от различных цифровых и аналоговых датчиков, которые могут быть

подключены к нему, и управления различными исполнительными устройствами.

Для

обеспечения

работоспособности

данного

комплекса

устройств

разработана

программа

управления

(в

программной

среде

разработке

Arduino

IDE)

данной

платформой, датчиками и исполнительными устройствами.

Состав устройства:

1.

Блок питания ~220В, 50Гц – 5В, постоянного тока.

2.

Плата Arduino UNO.

3.

Датчик газа MQ2.

4.

Цифровой датчик температуры и влажности DHT11.

5.

Датчик пламени.

6.

Светодиоды индикации режимов работы и срабатывания блокировок.

7.

Кнопки включения-выключения питания, вентиляторов

8.

Предохранитель 220В, 1А.

9.

Корпус.

Функциональная схема автоматизированной системы представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Функциональная схема автоматизированной системы контроля и

управления приборами бытовых помещений.

Алгоритм

работы

устройства

основан

на

постоянном

периодическом

опросе

состояния датчиков и подачи управляющих сигналов на каналы релейного модуля в

зависимости от их состояния.

По

анализу

информации

поступающей

с

датчиков

микроконтроллер

Arduino

на

основе загруженной программы и принимает решение о включении или отключении

периферийных устройств.

Программное обеспечение реализует:

1.

Задание соответствия подключенных датчиков и устройств входам Arduino.

2.

Автоматическое включение или выключение вентиляторов притока и вытяжки.

3.

Ручное включение-выключение кнопкой вентиляторов притока и вытяжки.

4.

Включение-выключение производится повторным нажатием, для чего введен

флаг состояния.

5.

Для исключения ложных срабатываний в помещении кухни, ввиду наличия

открытого

пламени,

в

программу

введена

дополнительная

проверка

величины

температуры,

при

ее

возрастании

более

40°С

и

срабатывания

датчика

пламени

производится включение сирены, принудительное отключение вентиляторов притока и

вытяжки, перекрытие электромагнитного газового клапана.

Также в данном случае программными методами блокируется любое включение

указанных вентиляторов, и звуковое оповещение отключается по истечении 5 секунд.

Данное время может быть увеличено для реальной эксплуатации.

6.

Аналогичные

действия

производятся

при

обнаружении

превышения

концентрации бытового газа в помещении. За исключением того, что вентиляторы притока

и

вытяжки

наоборот

включаются

в

режим

постоянной

работы

для

увеличения

воздухообмена и соответственно уменьшения концентрации в помещении бытового газа.

Программирование

производится

в

менеджере

проектов

Arduino

IDE

(среда

разработки). Рабочее окно программной оболочки представлено на рисунке 2.

Менеджер

проекта

Arduino

IDE

имеет

нестандартный

механизм

добавления

библиотек. Библиотеки в виде исходных текстов на стандартном C++ добавляются в

специальную папку в рабочем каталоге IDE. При этом название библиотеки добавляется в

список библиотек в меню IDE. Программист отмечает нужные библиотеки и они вносятся

в список компиляции.

Arduino IDE не предлагает никаких настроек компилятора и минимизирует другие

настройки, что упрощает начало работы для новичков и уменьшает риск возникновения

проблем.

Программирование

ведется

целиком

через

собственную

программную

оболочку

(IDE) Arduino IDE, бесплатно доступную на сайте Arduino. Оболочка написана на

Java

на

основе проекта

Processing

, работает под

Windows

,

Mac OS X

и

Linux

.

Рисунок 2 - Рабочее окно менеджера проекта Arduino IDE

Среда разработки Arduino представляет собой текстовый редактор программного

кода, область сообщений, окно вывода текста(консоль), панель инструментов и несколько

меню. Для загрузки программ и связи среда разработки подключается к аппаратной части

Arduino.

Тестирование

устройства

на

данном

этапе

производилось

с

использованием

самостоятельного

изготовленного

испытательного

стенда,

включающим

в

себя

само

устройство,

датчики,

вентиляторы,

газовый

клапан

и

сирену.

И

включало

в

себя

моделирование различного рода ситуаций возможных в реальной жизни.

Повышение

концентрации

бытового

газа

в

помещении

моделировалось

с

использованием

туристического

газового

баллона

с

массой

газа

220г.

Использование

такого типа баллона позволило создать в непосредственной близости от датчика газа, на

короткое время необходимую концентрацию газа, для того чтобы обеспечить его порог

срабатывания, при безусловном соблюдении мер противопожарной безопасности.

Возникновение очага пожара моделировалось с использованием простой зажигалки,

а повышение температуры с помощью бытового фена.

Повышение

уровня

влажности

достигалось

путем

распыления

пульверизатором

воды.

Тестирование

показало

надежную

работу

данного

устройства,

уверенное

определение превышения концентрации бытового газа и обнаружение очага возгорания.

Направления дальнейшей работы:

1.

Совершенствование

алгоритмов

распознавания

очага

пожара,

с

использованием различных датчиков.

2.

Уточнение мест расположения датчиков для оптимальной работы устройства.

3.

Совершенствование программного обеспечения, с созданием собственных

функций и библиотек, обеспечивающих минимизацию и оптимизацию программного кода.

4.

Доработка

данного

устройства

с

включением

в

его

состав

газового

электромагнитного

вентиля

(клапана)

и

четырехканального

релейного

модуля

для

включения/выключения различных периферийных устройств.

Таким

образом,

использование Arduino

на

этапе

курсовых

работ

позволяет

студентам сформировать системный подход к техническому проектированию, используя в

данном случае, сквозные технологии и пройдя путь от «идеи» до ее «реализации».

Список литературы

1.

Джереми Блум. Изучаем Arduino. Инструменты и методы технического волшебства.

ISBN: 978-5-9775-3585-4 Издательство "BHV". 2015г.

2.

Виктор Петин. Проекты с использованием контроллера Arduino. ISBN: 978-5-9775-

3337-9 Издательство "BHV". 2014 г.

3.

Монк С.

Программируем Arduino: Основы работы со скетчами. ISBN: 978-5-496-

01956-9 Издательство "Питер". 2015 г.

4.

У.Соммер.

Программирование микроконтроллерных плат Arduino/Freeduino

. ISBN: 978-

5-9775-3680-6 Издательство "BHV". 2015г.

5.

СНиП 23-01-99. Строительная климатология.

6.

СНИП 2.04.05-91. Отопление, вентиляция и кондиционирование.

7.

СНиП 2.04.08-87. Газоснабжение.

8.

ГОСТ 12.1.004-91. Пожарная безопасность. Общие требования