eng
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
Выпуск #1/2024
М.А.Мастерских, М.Г.Кноль, А.О.Роенко (Дудник)
РАЗРАБОТКА МОДУЛЬНОЙ ЛАБОРАТОРИИ SMARTLAB ДЛЯ ОБУЧЕНИЯ СТУДЕНТОВ ТЕХНИЧЕСКИХ ВУЗОВ ТЕХНОЛОГИЯМ IоT
РАЗРАБОТКА МОДУЛЬНОЙ ЛАБОРАТОРИИ SMARTLAB ДЛЯ ОБУЧЕНИЯ СТУДЕНТОВ ТЕХНИЧЕСКИХ ВУЗОВ ТЕХНОЛОГИЯМ IоT
Просмотры: 773
DOI: 10.22184/1993-8578.2024.17.1.32.42
Статья посвящена разработке "умной" модульной лаборатории SmartLab для университетов технической направленности. В работе представлены результаты разработки трех модулей лаборатории: модуль контроля показаний климата, управления жалюзи и модуль доступа в кабинет. Налажена передача данных с устройств на веб-сайт с использованием микрокомпьютера. Полученные материалы могут быть использованы для формирования методических пособий и дальнейшего обучения студентов практическим навыкам в рамках курсов IoT и других смежных дисциплин.
Статья посвящена разработке "умной" модульной лаборатории SmartLab для университетов технической направленности. В работе представлены результаты разработки трех модулей лаборатории: модуль контроля показаний климата, управления жалюзи и модуль доступа в кабинет. Налажена передача данных с устройств на веб-сайт с использованием микрокомпьютера. Полученные материалы могут быть использованы для формирования методических пособий и дальнейшего обучения студентов практическим навыкам в рамках курсов IoT и других смежных дисциплин.
Теги: access control module blinds control module climate control module internet of things microcomputer "smart" laboratory "умная" лаборатория technical university интернет вещей микрокомпьютер модуль контроля доступа модуль контроля показаний климата модуль управления жалюзи технический университет
Получено: 22.10.2023 г. | Принято: 30.10.2023 г. | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.1.32.42
Научная статья
РАЗРАБОТКА МОДУЛЬНОЙ ЛАБОРАТОРИИ SMARTLAB ДЛЯ ОБУЧЕНИЯ СТУДЕНТОВ ТЕХНИЧЕСКИХ ВУЗОВ ТЕХНОЛОГИЯМ IоT
М.А.Мастерских1, студент, ORCID: 0009-0006-2086-2347
М.Г.Кноль1, студент, ORCID: 0009-0004-3866-6331
А.О.Роенко (Дудник)1, ст. преп., ORCID: 0000-0001-7425-591X / dudnik@physics.msu.ru
Аннотация: Статья посвящена разработке "умной" модульной лаборатории SmartLab для университетов технической направленности. В работе представлены результаты разработки трех модулей лаборатории: модуль контроля показаний климата, управления жалюзи и модуль доступа в кабинет. Налажена передача данных с устройств на веб-сайт с использованием микрокомпьютера. Полученные материалы могут быть использованы для формирования методических пособий и дальнейшего обучения студентов практическим навыкам в рамках курсов IoT и других смежных дисциплин.
Ключевые слова: "умная" лаборатория, Интернет вещей, микрокомпьютер, модуль контроля показаний климата, модуль управления жалюзи, модуль контроля доступа, технический университет
Для цитирования: А.А. Мастерских, М.Г. Кноль, А.О. Роенко (Дудник). Разработка модульной лаборатории SmartLab для обучения студентов технических вузов технологиям IоT. НАНОИНДУСТРИЯ. 2024. Т. 17. № 1. С. 32–42. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.1.32.42
Received: 22.10.2023 | Accepted: 30.10.2023 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.1.32.42
Original paper
DEVELOPMENT OF A MODULAR SMARTLAB LABORATORY FOR TEACHING STUDENTS OF TECHNICAL UNIVERSITIES OF IOT TECHNOLOGIES
M.A.Masterskikh1, Student, ORCID: 0009-0006-2086-2347
М.G.Knol1, Student, ORCID: 0009-0004-3866-6331
A.O.Roenko (Dudnik)1, Senior Lecturer, ORCID: 0000-0001-7425-591X / dudnik@physics.msu.ru
Abstract. The paper is devoted to the SmartLAB "smart" modular laboratory development for technical universities. The paper presents the results of development of three laboratory modules: a module for monitoring climate readings, blinds control and an access module to the office. Data transfer from devices to the website using a microcomputer has been established. The materials obtained can be used for preparing the methodological manuals and further training of students in practical skills in the framework of IoT courses and other related disciplines.
Keywords: "smart" laboratory, Internet of Things, microcomputer, climate control module, blinds control module, access control module, technical university
For citation: M.A. Masterskikh, M.G. Knol, A.O. Roenko (Dudnik). Development of a modular SmartLab laboratory for teaching students of technical universities of IoT technologies. NANOINDUSTRY. 2024. Т. 17. No. 1. PP. 32–42. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.1.32.42
ВВЕДЕНИЕ
В последние десятилетия технологии Интернета вещей (Internet of Things, IoT) набирают все большую популярность в России и в мире в целом. Это дополнительно подтверждает результат открытого запроса Internet of Things – более 4 млн работ по данной тематике на платформе по поиску научной литературы [1]. Данные технологии позволяют создавать удобные и эффективные системы автоматизации в различных областях, связывая между собой многочисленные устройства, позволяя передавать данные внутри системы через Интернет. Область применения зависит только от поставленной задачи: в промышленности система из датчиков и управляющих механизмов может быть использована для мониторинга и управления производственными процессами, а в домашней среде управлять энергопотреблением, системами безопасности и оповещением о состоянии помещений.
На сегодняшний день существуют различные проекты в области IoT, и у каждого своя специфика применения. Платформа для автоматизации умных домов [2] и зданий [3], предприятий [4, 5], образовательные наборы для школ [6] и учебные заведения дополнительного образования [7]. Более сложные системы упакованы в готовое решение и направлены на узкоспециализированные задачи, а на дополнительных занятиях школьников обучают базовым навыкам работы с микроконтроллерами. Промежуточное звено остается незаполненным.
В связи с быстро развивающейся отраслью IoT возникает необходимость в подготовке квалифицированных специалистов, способных спроектировать, собрать и настроить такое оборудование. Одним из наиболее актуальных мест для такой подготовки являются университеты технической направленности. Нет сомнений в важности внедрения IoT в университеты на самых разных этапах – как для разработчиков, так и для пользователей [8].
На сегодняшний день лаборатории в технических университетах – это комплексы, состоящие из сложных технических систем, устройств и аппаратов, на согласование, закупку, установку и обслуживание которых уходит много ресурсов, а на списание устаревшего или вышедшего из строя оборудования – еще больше. Обновление парка технической лаборатории – это долгосрочная и дорогостоящая задача, так что не каждый университет может справиться со своевременной модернизацией. Стоит отметить, что несмотря на указанные сложности, требования работодателей к знаниям и умениям, которыми должны обладать выпускники вузов, с каждым годом только растут.
В данной работе предлагается гибкое решение на базе технологий IoT, которое можно легко модифицировать и/или конвертировать в другие устройства. "Умная" модульная лаборатория SmartLab – это набор открытых модулей, которые позволяют проводить лабораторные работы с целью изучения студентами технологий IoT и применять имеющиеся теоретические знания на практике. В качестве примера были выбраны и настроены модули, которые влияют на работоспособность (контроль показаний климата, освещенность), а также позволяют обеспечить контроль доступа к оборудованию (модуль контроля доступа в кабинет). В дальнейшем планируется расширить спектр функциональных модулей. Результаты работы представлены в дипломной работе и будут использованы для создания методического пособия в рамках изучения курса IoT и других смежных дисциплин. Стоит отметить, что в процессе реализации были выявлены навыки, необходимые студентам для работы с указанным оборудованием, а также проведено ранжирование сложности сборки и настройки модулей.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
В основе работы лежит создание модульной лаборатории SmartLab, которая могла бы улучшить практические навыки студентов посредством сборки, настройки и установки различных модулей в кабинет. Так, например, в процессе сборки и настройки студенты смогут применить на практике знания и умения, полученные в курсе по программированию на языке PHP и электротехнике. Далее готовыми модулями могут быть оборудованы лабораторные кабинеты для отслеживания показаний климата, фильтрации доступа и создания комфортной среды. При этом, что важно, к оснащаемому кабинету не предъявляется жестких требований, поэтому кабинетом, где может развернуться такая модульная лаборатория, может стать любое помещение вуза. Концепция лаборатории с описанием каждого модуля представлена в виде схемы на рис.1.
МИКРОКОМПЬЮТЕР
Первый и главный компонент модульной лаборатории – микрокомпьютер. Его принцип работы заключается в получении, хранении и выводе данных. Микрокомпьютер с помощью HTTP-запроса принимает параметры и благодаря скриптам на языке PHP обрабатывает их. Далее записывает данные в таблицу либо отказывает, если параметры были введены неверно. Микрокомпьютер выполняет функцию сервера и выводит веб-страницу, визуализируя таким образом необходимые данные в виде графиков или сообщений. Для отображения графиков была использована библиотека canvasjs [9].
После успешной настройки вводим адрес микрокомпьютера в браузере. Результат работы веб-страницы будет приведен в разделе "Результаты". Веб-страница будет содержать текстовые сообщения с информацией о климате в помещении и последнем успешном входе, а также графики, отображающие изменения состояния климата (температура, влажность и освещенность соответственно) за последние 24 ч. Для реализации данного модуля был выбран микрокомпьютер Raspberry Pi 4 Model B [10].
МОДУЛЬ ПОКАЗАНИЙ КЛИМАТА
Модуль контроля показаний климата собирает данные со всех подключенных к нему датчиков и посредством HTTP-запроса передает их на адрес микрокомпьютера, запуская PHP-скрипт, который записывает их в базу данных. Данный модуль записывает значения температуры, влажности и освещенности в базу данных с интервалом в 5 мин. Для реализации данного модуля были использованы следующие компоненты: микроконтроллер Iskra Nano Pro, датчик температуры и влажности DHT22, модуль беспроводной связи ESP-01 и фоторезистор VT90N2. Данный модуль представлен на рис.2.
МОДУЛЬ УПРАВЛЕНИЯ ЖАЛЮЗИ
Модуль управления жалюзи создает комфортное освещение для помещения, в котором он установлен. Работа устройства происходит за счет фоторезистора и изменения наклона ламелей жалюзи, которые приводятся в движение с помощью встроенного сервопривода. Данный модуль имеет несколько режимов управления.
В первом режиме при ярком освещении жалюзи автоматически будут закрываться благодаря фоторезистору. При нажатии на кнопку происходит смена режима с соответствующим звуковым сообщением.
Во втором режиме управление состоянием жалюзи осуществляется с помощью ИК-сигнала, отправляемого с пульта при нажатии на определенную кнопку. При повторном нажатии на ту же кнопку ничего не будет происходить, однако при нажатии на другую кнопку состояние жалюзи будет изменено с последующей отправкой записи в базу данных. Благодаря ИК-пульту есть возможность удаленного открытия или закрытия жалюзи. После каждой смены состояния на сервер отправляются данные о положении жалюзи и режиме, при котором произошла смена положения. На блок-схеме "1" условно обозначен возврат в начало цикла (рис.3). Схема и фотография готового модуля представлены на рис.4.
МОДУЛЬ ДОСТУПА В КАБИНЕТ
Модуль доступа в кабинет является наиболее интересным с точки зрения используемых технологий и имеющий больший функционал, чем у других, представленных в статье, модулей. Модуль работает с RFID-картами и метками. С помощью RFID-считывателя можно будет открывать или закрывать дверь в зависимости от уникального идентификационного номера.
Реализованы два варианта работы модуля:
Открытие двери происходит из базы данных, хранящейся на карте памяти, подключенной к модулю. При каждом запуске будет сверяться количество пользователей на карте памяти с базой данных. В случае, если количество не будет совпадать, на ЖК-экран будет выводится соответствующее сообщение.
Открытие двери и идентификация будет происходить при помощи HTTP-запроса на сервер с последующим запросом. После запуска той или иной функции программа вернется к ожиданию прикладывания карты. При такой работе главной проблемой может быть задержка, которая является нежелательной при большом потоке студентов. Данная проблема решается путем замены HTTP-запроса проводным соединением с сервером через интерфейс связи RS-485. Однако это делает решение проводным.
Как только карта будет приложена к считывателю, запускается функция формирования запроса с последующей отправкой и приемом ответа от сервера. Если ответ с сервера придет отрицательный, то загорится красный светодиод, и на табло появится текстовое сообщение с информированием о том, что доступ запрещен (рис.5, 1). В случае положительного ответа загорится зеленый светодиод, на LCD-дисплее отобразится "ПОЖАЛУЙСТА, ПРОХОДИТЕ", а пьезоэлектрический излучатель звука издаст специальный сигнал (рис.5, 2).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В ходе проделанной работы были собраны и настроены следующие модули: модуль контроля показаний климата, управления жалюзи и доступа в кабинет. Данные о состоянии модулей выводятся посредством микрокомпьютера RPi на сайт в следующем виде (рис.6).
Также в результате работы были выявлены и ранжированы по уровню сложности навыки, которые необходимы студентам для сборки и настройки данных модулей (табл. 1). Где 1 – это базовые знания программирования и прототипирования; 2 – понимание основ протокола HTTP дополнительно к знаниям 1; 3 – понимание основ работы узкоспециализированных компонентов модуля (прим., ИК-сигналы или радиочастотная идентификация) дополнительно к 2; 4 – умение работать с Linux-системами, базами данных и создавать веб-страницы на HTML/CSS. Полученные результаты планируется использовать для формирования методических пособий.
Таким образом, была разработана и спроектирована концепция модульной лаборатории (рис.7). Собраны и настроены следующие модули с использованием технологий IoT, а именно: модуль контроля показаний климата, доступа в кабинет и управления жалюзи. Данные модули являются простыми в сборке и настройке, эффективными в использовании и изучении IoT-технологий. Каждый из модулей выполняет свою заданную функцию.
Модуль контроля показаний климата позволяет автоматически считывать данные и вносить в базу данных показания температуры, влажности и освещенности. Модуль управления жалюзи позволяет оптимально использовать естественное освещение и контролировать уровень естественного света в лабораториях. Это не только снижает энергопотребление, но и способствует созданию комфортной рабочей атмосферы, что важно для продуктивности студентов и преподавателей. Модуль контроля доступа в кабинет обеспечивает безопасность, предотвращая несанкционированный доступ и защищая ценное оборудование. Это способствует сохранению собственности и личной безопасности в учебных заведениях.
Стоит отметить, что одной из ключевых задач данной работы была интеграция модулей в учебный процесс высших учебных заведений технической направленности. Модуль управления жалюзи прошел апробацию на студентах второго курса направления 15.03.04 "Автоматизация технологических процессов и производств" кафедры ИУТС ИСАУ Государственного университета "Дубна" в ее более простой модификации. Студентам удалось собрать и настроить модуль таким образом, чтобы управление осуществлялось с помощью пульта и ИК-приемника с последующей записью информации на сайт [11]. Сайт предоставляет возможность принимать значения, отправленные с "умных" устройств и хранить данные с возможностью дальнейшей визуализации. В дальнейшем планируется внедрить в образовательный процесс кафедры и другие разработанные модули.
ВЫВОДЫ
Модульная лаборатория SmartLab представляет собой перспективное решение для университетов технической направленности, которое сочетает в себе передовые технологии, оптимизацию ресурсов и создание комфортных условий для обучения и исследований. Ее внедрение будет способствовать развитию технической подкованности будущих специалистов и научит успешно справляться с вызовами современного мира.
В дальнейшем планируется модифицировать решение [12] для проведения удаленных измерений по Wi-Fi, а также разработать модуль для улучшения условий хранения различных веществ и экспериментальных образцов для химических и биологических лабораторий. Все полученные решения будут конвертированы в методические пособия с дальнейшей апробацией в рамках курсов IoT и смежных дисциплин, расширяя инструментарий модульной лаборатории и создавая гибкие решения для разных типов задач.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Электронный источник: Google Академия [Электронный ресурс] URL: https://scholar.google.com/
Платформа для создания системы Умный Дом MajorDoMo [Электронный ресурс]. URL: https://mjdm.ru/
Платформа для автоматизации умных домов и зданий [Электронный ресурс]. URL: https://iridi.com/ru/
Интеграционная платформа IoT/SCADA [Электронный ресурс]. URL: https://www.intelvision.ru/products/smartunity-iot
Грошиков Д., Рыбалко В. Умная лаборатория: испытания под контролем ИдеаЛаб // ВЕКТОР высоких технологий. 2019. № 1 (41).
MGBOT – интернет-магазин компонентов и наборов для обучения и радиолюбителей в области "Интернета вещей" и робототехники. [Электронный ресурс]. URL: https://mgbot.ru/
Центр молодежного инновационного творчества StartLab для детей и взрослых [Электронный ресурс]. URL: https://startlab-group.ru/
Internet of Things in Higher Education:
A Study on Future Learning. Hanan Aldowah and others // IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series 892 (2017) 012017.
CanvasJS [PHP Library]. URL: https://canvasjs.com/
Raspberry Pi OS [OS]. URL: https://www.raspberrypi.com/software/
Thingspeak [облачная платформа]. URL: https://thingspeak.com/
Роенко А.О., Армеев Г.А., Трофимчук Е.С., Яминский И.В. Портативная ячейка для качественной оценки паропроницаемости пленочных материалов // Наноиндустрия. 2022. Т. 15. № 5 (115). С. 308–320.
Научная статья
РАЗРАБОТКА МОДУЛЬНОЙ ЛАБОРАТОРИИ SMARTLAB ДЛЯ ОБУЧЕНИЯ СТУДЕНТОВ ТЕХНИЧЕСКИХ ВУЗОВ ТЕХНОЛОГИЯМ IоT
М.А.Мастерских1, студент, ORCID: 0009-0006-2086-2347
М.Г.Кноль1, студент, ORCID: 0009-0004-3866-6331
А.О.Роенко (Дудник)1, ст. преп., ORCID: 0000-0001-7425-591X / dudnik@physics.msu.ru
Аннотация: Статья посвящена разработке "умной" модульной лаборатории SmartLab для университетов технической направленности. В работе представлены результаты разработки трех модулей лаборатории: модуль контроля показаний климата, управления жалюзи и модуль доступа в кабинет. Налажена передача данных с устройств на веб-сайт с использованием микрокомпьютера. Полученные материалы могут быть использованы для формирования методических пособий и дальнейшего обучения студентов практическим навыкам в рамках курсов IoT и других смежных дисциплин.
Ключевые слова: "умная" лаборатория, Интернет вещей, микрокомпьютер, модуль контроля показаний климата, модуль управления жалюзи, модуль контроля доступа, технический университет
Для цитирования: А.А. Мастерских, М.Г. Кноль, А.О. Роенко (Дудник). Разработка модульной лаборатории SmartLab для обучения студентов технических вузов технологиям IоT. НАНОИНДУСТРИЯ. 2024. Т. 17. № 1. С. 32–42. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.1.32.42
Received: 22.10.2023 | Accepted: 30.10.2023 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.1.32.42
Original paper
DEVELOPMENT OF A MODULAR SMARTLAB LABORATORY FOR TEACHING STUDENTS OF TECHNICAL UNIVERSITIES OF IOT TECHNOLOGIES
M.A.Masterskikh1, Student, ORCID: 0009-0006-2086-2347
М.G.Knol1, Student, ORCID: 0009-0004-3866-6331
A.O.Roenko (Dudnik)1, Senior Lecturer, ORCID: 0000-0001-7425-591X / dudnik@physics.msu.ru
Abstract. The paper is devoted to the SmartLAB "smart" modular laboratory development for technical universities. The paper presents the results of development of three laboratory modules: a module for monitoring climate readings, blinds control and an access module to the office. Data transfer from devices to the website using a microcomputer has been established. The materials obtained can be used for preparing the methodological manuals and further training of students in practical skills in the framework of IoT courses and other related disciplines.
Keywords: "smart" laboratory, Internet of Things, microcomputer, climate control module, blinds control module, access control module, technical university
For citation: M.A. Masterskikh, M.G. Knol, A.O. Roenko (Dudnik). Development of a modular SmartLab laboratory for teaching students of technical universities of IoT technologies. NANOINDUSTRY. 2024. Т. 17. No. 1. PP. 32–42. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.1.32.42
ВВЕДЕНИЕ
В последние десятилетия технологии Интернета вещей (Internet of Things, IoT) набирают все большую популярность в России и в мире в целом. Это дополнительно подтверждает результат открытого запроса Internet of Things – более 4 млн работ по данной тематике на платформе по поиску научной литературы [1]. Данные технологии позволяют создавать удобные и эффективные системы автоматизации в различных областях, связывая между собой многочисленные устройства, позволяя передавать данные внутри системы через Интернет. Область применения зависит только от поставленной задачи: в промышленности система из датчиков и управляющих механизмов может быть использована для мониторинга и управления производственными процессами, а в домашней среде управлять энергопотреблением, системами безопасности и оповещением о состоянии помещений.
На сегодняшний день существуют различные проекты в области IoT, и у каждого своя специфика применения. Платформа для автоматизации умных домов [2] и зданий [3], предприятий [4, 5], образовательные наборы для школ [6] и учебные заведения дополнительного образования [7]. Более сложные системы упакованы в готовое решение и направлены на узкоспециализированные задачи, а на дополнительных занятиях школьников обучают базовым навыкам работы с микроконтроллерами. Промежуточное звено остается незаполненным.
В связи с быстро развивающейся отраслью IoT возникает необходимость в подготовке квалифицированных специалистов, способных спроектировать, собрать и настроить такое оборудование. Одним из наиболее актуальных мест для такой подготовки являются университеты технической направленности. Нет сомнений в важности внедрения IoT в университеты на самых разных этапах – как для разработчиков, так и для пользователей [8].
На сегодняшний день лаборатории в технических университетах – это комплексы, состоящие из сложных технических систем, устройств и аппаратов, на согласование, закупку, установку и обслуживание которых уходит много ресурсов, а на списание устаревшего или вышедшего из строя оборудования – еще больше. Обновление парка технической лаборатории – это долгосрочная и дорогостоящая задача, так что не каждый университет может справиться со своевременной модернизацией. Стоит отметить, что несмотря на указанные сложности, требования работодателей к знаниям и умениям, которыми должны обладать выпускники вузов, с каждым годом только растут.
В данной работе предлагается гибкое решение на базе технологий IoT, которое можно легко модифицировать и/или конвертировать в другие устройства. "Умная" модульная лаборатория SmartLab – это набор открытых модулей, которые позволяют проводить лабораторные работы с целью изучения студентами технологий IoT и применять имеющиеся теоретические знания на практике. В качестве примера были выбраны и настроены модули, которые влияют на работоспособность (контроль показаний климата, освещенность), а также позволяют обеспечить контроль доступа к оборудованию (модуль контроля доступа в кабинет). В дальнейшем планируется расширить спектр функциональных модулей. Результаты работы представлены в дипломной работе и будут использованы для создания методического пособия в рамках изучения курса IoT и других смежных дисциплин. Стоит отметить, что в процессе реализации были выявлены навыки, необходимые студентам для работы с указанным оборудованием, а также проведено ранжирование сложности сборки и настройки модулей.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
В основе работы лежит создание модульной лаборатории SmartLab, которая могла бы улучшить практические навыки студентов посредством сборки, настройки и установки различных модулей в кабинет. Так, например, в процессе сборки и настройки студенты смогут применить на практике знания и умения, полученные в курсе по программированию на языке PHP и электротехнике. Далее готовыми модулями могут быть оборудованы лабораторные кабинеты для отслеживания показаний климата, фильтрации доступа и создания комфортной среды. При этом, что важно, к оснащаемому кабинету не предъявляется жестких требований, поэтому кабинетом, где может развернуться такая модульная лаборатория, может стать любое помещение вуза. Концепция лаборатории с описанием каждого модуля представлена в виде схемы на рис.1.
МИКРОКОМПЬЮТЕР
Первый и главный компонент модульной лаборатории – микрокомпьютер. Его принцип работы заключается в получении, хранении и выводе данных. Микрокомпьютер с помощью HTTP-запроса принимает параметры и благодаря скриптам на языке PHP обрабатывает их. Далее записывает данные в таблицу либо отказывает, если параметры были введены неверно. Микрокомпьютер выполняет функцию сервера и выводит веб-страницу, визуализируя таким образом необходимые данные в виде графиков или сообщений. Для отображения графиков была использована библиотека canvasjs [9].
После успешной настройки вводим адрес микрокомпьютера в браузере. Результат работы веб-страницы будет приведен в разделе "Результаты". Веб-страница будет содержать текстовые сообщения с информацией о климате в помещении и последнем успешном входе, а также графики, отображающие изменения состояния климата (температура, влажность и освещенность соответственно) за последние 24 ч. Для реализации данного модуля был выбран микрокомпьютер Raspberry Pi 4 Model B [10].
МОДУЛЬ ПОКАЗАНИЙ КЛИМАТА
Модуль контроля показаний климата собирает данные со всех подключенных к нему датчиков и посредством HTTP-запроса передает их на адрес микрокомпьютера, запуская PHP-скрипт, который записывает их в базу данных. Данный модуль записывает значения температуры, влажности и освещенности в базу данных с интервалом в 5 мин. Для реализации данного модуля были использованы следующие компоненты: микроконтроллер Iskra Nano Pro, датчик температуры и влажности DHT22, модуль беспроводной связи ESP-01 и фоторезистор VT90N2. Данный модуль представлен на рис.2.
МОДУЛЬ УПРАВЛЕНИЯ ЖАЛЮЗИ
Модуль управления жалюзи создает комфортное освещение для помещения, в котором он установлен. Работа устройства происходит за счет фоторезистора и изменения наклона ламелей жалюзи, которые приводятся в движение с помощью встроенного сервопривода. Данный модуль имеет несколько режимов управления.
В первом режиме при ярком освещении жалюзи автоматически будут закрываться благодаря фоторезистору. При нажатии на кнопку происходит смена режима с соответствующим звуковым сообщением.
Во втором режиме управление состоянием жалюзи осуществляется с помощью ИК-сигнала, отправляемого с пульта при нажатии на определенную кнопку. При повторном нажатии на ту же кнопку ничего не будет происходить, однако при нажатии на другую кнопку состояние жалюзи будет изменено с последующей отправкой записи в базу данных. Благодаря ИК-пульту есть возможность удаленного открытия или закрытия жалюзи. После каждой смены состояния на сервер отправляются данные о положении жалюзи и режиме, при котором произошла смена положения. На блок-схеме "1" условно обозначен возврат в начало цикла (рис.3). Схема и фотография готового модуля представлены на рис.4.
МОДУЛЬ ДОСТУПА В КАБИНЕТ
Модуль доступа в кабинет является наиболее интересным с точки зрения используемых технологий и имеющий больший функционал, чем у других, представленных в статье, модулей. Модуль работает с RFID-картами и метками. С помощью RFID-считывателя можно будет открывать или закрывать дверь в зависимости от уникального идентификационного номера.
Реализованы два варианта работы модуля:
Открытие двери происходит из базы данных, хранящейся на карте памяти, подключенной к модулю. При каждом запуске будет сверяться количество пользователей на карте памяти с базой данных. В случае, если количество не будет совпадать, на ЖК-экран будет выводится соответствующее сообщение.
Открытие двери и идентификация будет происходить при помощи HTTP-запроса на сервер с последующим запросом. После запуска той или иной функции программа вернется к ожиданию прикладывания карты. При такой работе главной проблемой может быть задержка, которая является нежелательной при большом потоке студентов. Данная проблема решается путем замены HTTP-запроса проводным соединением с сервером через интерфейс связи RS-485. Однако это делает решение проводным.
Как только карта будет приложена к считывателю, запускается функция формирования запроса с последующей отправкой и приемом ответа от сервера. Если ответ с сервера придет отрицательный, то загорится красный светодиод, и на табло появится текстовое сообщение с информированием о том, что доступ запрещен (рис.5, 1). В случае положительного ответа загорится зеленый светодиод, на LCD-дисплее отобразится "ПОЖАЛУЙСТА, ПРОХОДИТЕ", а пьезоэлектрический излучатель звука издаст специальный сигнал (рис.5, 2).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В ходе проделанной работы были собраны и настроены следующие модули: модуль контроля показаний климата, управления жалюзи и доступа в кабинет. Данные о состоянии модулей выводятся посредством микрокомпьютера RPi на сайт в следующем виде (рис.6).
Также в результате работы были выявлены и ранжированы по уровню сложности навыки, которые необходимы студентам для сборки и настройки данных модулей (табл. 1). Где 1 – это базовые знания программирования и прототипирования; 2 – понимание основ протокола HTTP дополнительно к знаниям 1; 3 – понимание основ работы узкоспециализированных компонентов модуля (прим., ИК-сигналы или радиочастотная идентификация) дополнительно к 2; 4 – умение работать с Linux-системами, базами данных и создавать веб-страницы на HTML/CSS. Полученные результаты планируется использовать для формирования методических пособий.
Таким образом, была разработана и спроектирована концепция модульной лаборатории (рис.7). Собраны и настроены следующие модули с использованием технологий IoT, а именно: модуль контроля показаний климата, доступа в кабинет и управления жалюзи. Данные модули являются простыми в сборке и настройке, эффективными в использовании и изучении IoT-технологий. Каждый из модулей выполняет свою заданную функцию.
Модуль контроля показаний климата позволяет автоматически считывать данные и вносить в базу данных показания температуры, влажности и освещенности. Модуль управления жалюзи позволяет оптимально использовать естественное освещение и контролировать уровень естественного света в лабораториях. Это не только снижает энергопотребление, но и способствует созданию комфортной рабочей атмосферы, что важно для продуктивности студентов и преподавателей. Модуль контроля доступа в кабинет обеспечивает безопасность, предотвращая несанкционированный доступ и защищая ценное оборудование. Это способствует сохранению собственности и личной безопасности в учебных заведениях.
Стоит отметить, что одной из ключевых задач данной работы была интеграция модулей в учебный процесс высших учебных заведений технической направленности. Модуль управления жалюзи прошел апробацию на студентах второго курса направления 15.03.04 "Автоматизация технологических процессов и производств" кафедры ИУТС ИСАУ Государственного университета "Дубна" в ее более простой модификации. Студентам удалось собрать и настроить модуль таким образом, чтобы управление осуществлялось с помощью пульта и ИК-приемника с последующей записью информации на сайт [11]. Сайт предоставляет возможность принимать значения, отправленные с "умных" устройств и хранить данные с возможностью дальнейшей визуализации. В дальнейшем планируется внедрить в образовательный процесс кафедры и другие разработанные модули.
ВЫВОДЫ
Модульная лаборатория SmartLab представляет собой перспективное решение для университетов технической направленности, которое сочетает в себе передовые технологии, оптимизацию ресурсов и создание комфортных условий для обучения и исследований. Ее внедрение будет способствовать развитию технической подкованности будущих специалистов и научит успешно справляться с вызовами современного мира.
В дальнейшем планируется модифицировать решение [12] для проведения удаленных измерений по Wi-Fi, а также разработать модуль для улучшения условий хранения различных веществ и экспериментальных образцов для химических и биологических лабораторий. Все полученные решения будут конвертированы в методические пособия с дальнейшей апробацией в рамках курсов IoT и смежных дисциплин, расширяя инструментарий модульной лаборатории и создавая гибкие решения для разных типов задач.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Электронный источник: Google Академия [Электронный ресурс] URL: https://scholar.google.com/
Платформа для создания системы Умный Дом MajorDoMo [Электронный ресурс]. URL: https://mjdm.ru/
Платформа для автоматизации умных домов и зданий [Электронный ресурс]. URL: https://iridi.com/ru/
Интеграционная платформа IoT/SCADA [Электронный ресурс]. URL: https://www.intelvision.ru/products/smartunity-iot
Грошиков Д., Рыбалко В. Умная лаборатория: испытания под контролем ИдеаЛаб // ВЕКТОР высоких технологий. 2019. № 1 (41).
MGBOT – интернет-магазин компонентов и наборов для обучения и радиолюбителей в области "Интернета вещей" и робототехники. [Электронный ресурс]. URL: https://mgbot.ru/
Центр молодежного инновационного творчества StartLab для детей и взрослых [Электронный ресурс]. URL: https://startlab-group.ru/
Internet of Things in Higher Education:
A Study on Future Learning. Hanan Aldowah and others // IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series 892 (2017) 012017.
CanvasJS [PHP Library]. URL: https://canvasjs.com/
Raspberry Pi OS [OS]. URL: https://www.raspberrypi.com/software/
Thingspeak [облачная платформа]. URL: https://thingspeak.com/
Роенко А.О., Армеев Г.А., Трофимчук Е.С., Яминский И.В. Портативная ячейка для качественной оценки паропроницаемости пленочных материалов // Наноиндустрия. 2022. Т. 15. № 5 (115). С. 308–320.
Отзывы читателей
