РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНО-АППАРАТНОГО КОМПЛЕКСА ОХРАННО-ПОЖАРНАЯ СИГНАЛИЗАЦИЯ КАК СТУДЕНЧЕСКИЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ПРОЕКТ

Студенческие образовательные проекты представляют собой комплексы поисковых, исследовательских, расчетных, графических и других видов работ, выполняемые студентами самостоятельно или с методической поддержкой с целью практического решения значимой проблемы, либо приобретения опыта практической деятельности в данном направлении [1].

Вместе с тем Суслонова М.Л. отмечает значимость студенческих IT-проектов для решения задач по подготовке кадров для развития цифровой экономики в России.  Студенческие образовательные проекты в целом, по мнению Краснощекова В.В. и Трапицына С.Ю. способствуют повышению уровня удовлетворенности результатами образовательной деятельности, как самих студентов, так и будущих работодателей.

Мы видим, что инновационные формы образовательной деятельности в виде студенческих образовательных проектов в процессе подготовки будущих инженеров программистов приводят к увеличению ценности результатов образовательной деятельности, повышается качество образовательного процесса, основанное на синергетическом эффекте.

Один из эффективных образовательных проектов – разработка программно-аппаратных комплексов на микроконтроллерах с обязательным выполнением стандартов проектирования и разработки. Например, студенту выдается однополюсный датчик магнитного поля на эффекте Холла (A3144),датчик движения, датчика MQ-2(газа, дыма), любая доступная микроконтроллерная платформа (в нашем случае ArduinoUNO) и модуль для работы с сетью (GSM-модуль). Задача студента в рамках проекта соединить компоненты в единый программно-аппаратный комплекс и написать программу, позволяющую при срабатывании одного из датчиков отправлять SMS сообщение пользователю.

Разработка любого проекта начинается с обоснования актуальности и значимости разработки. В данном проекте актуальность связана с развитием Интернета вещей (IoT) и новыми техническими возможностями, которые позволяют вывести, например, безопасность на новый уровень.

Последние достижения в области Интернета вещей (IoT) превратили данную сферу в одну из самыхперспективныхдля исследований и внедрения инновационных технологий в будущем. Одна из многих обсуждаемых тем в IoT   это недорогиерешения в области безопасностина основе гибких интеллектуальных систем. В рамках данной работы мы, руководствуясь концепциями IoT, разрабатываеминтеллектуальную систему безопасности, для постоянного мониторинга датчиков контроля параметров внутри жилых помещений или офисов используя мобильную технологию GSM.

Безопасность в доме или офисе впоследнее время приобретает все большую значимость. На основе недорогих IoT решенийможно эффективно снижать такие риски, как утечка газа, пожар. Вместе с тем, дорабатывая систему путем увеличения датчиков можно противодействовать кражам и в целом проникновению в помещения. Обнаружение вторжения или опасности является вторичным фактором, однако, оперативное принятие необходимых мер немедленно является первичным. Автоматизациюна основе IoT можно охарактеризовать как внедрение технологий обеспечивающих удобство, комфорт, энергоэффективность и безопасность окружающего пространства.

До недавнего времени основным недостатком систем охранной и пожарной сигнализации (ОПС) было использование проводных телефонных линий для централизованной охраны объектов.

На настоящий момент на предприятиях GSM/GPRS-технологии внедряются в различные свободно программируемые контроллеры. Простота и легкость управления мобильным телефоном, делает  работу на современной автоматизированной системе управления намного проще. Теперь перед операторами появляется новый интерфейс, созданный на базе GSM/GPRS –технологий.

Концепция IoT сегодня представлена сенсорами (датчиками),  назначение которых состоит в фиксации различных внешних условий и преобразовании их в электрический сигнал; актуаторами (исполнительными механизмами) предназначенными для воздействия на окружающую среду, или на определённый объект в ней; интеллектуальными устройствами обработки (гейтами) на которые обычно возлагают логику поверхностного анализа информации, поступающей от подключенных к ним сенсоров; и средств связи (транспорт сигналов) – в виде Wi-fi/GSM/Bluetoothи т.п.

Итак, проектируемая охранно-пожарная система в соответствие с требованиями (требования всегда, исходя из образовательных задач, формирует преподаватель) регистрации наличия задымления и загазованности, а также утечки воды и проникновения в помещение, будет состоять из следующих ниже компонентов: модуль AI-THINKER A6 mini GPRS/GSM (IOT-GA6);ArduinoUNO; датчик газа для Arduino MQ-2; датчик газа для Arduino MQ-4 (природных газов); датчик уровня воды; инфракрасный датчик движения (Pir-sensor); датчик открытия двери.

Основой проекта сигнализации (Гейтом) выступит ArduinoUNO‑ это микропроцессор, способный контролировать и взаимодействовать с большим количеством интерактивных компонентов, используя входные данные из широкого спектра переключателей, датчиков, элементов управления и других физических выходов. Arduino может работать как автономно, так и во взаимодействии с программами, запущенными на компьютере или смартфоне.

Язык программирования Arduino‑Wiring, представляющий вариант языка программирования Си и ориентированный на среду программирования ArduinoIDE.

Датчики ‑ это электронные устройства, которые измеряют физическиепараметры среды, такие, например, как свет или температура, и преобразуют их внапряжение.

Конструкция программно-аппаратного комплекса представлена модулем удаленного мониторинга и контроля на основе GSM и платформы ArduinoUno. Эта система использует микроконтроллер на базе ATmega328 в качестве MCU, датчик MQ-2 для обнаружения пропан-бутана, изо-бутана, дыма, датчик MQ-4 для обнаружения метана, природного газа, сжатого природного газа, датчик влажности для обнаружения протечки воды в помещении. Также в проекте задействован датчик Холла (фиксируется их на дверях и окнах), датчик движения. Одно из требований к проекту, при входе в помещение необходимо ввести пароль через клавиатуру для отключения системы. Затем микроконтроллер отключает датчики двери, окон и датчик движения. Все остальные датчики работают постоянно. Как только происходит регистрация события от одного из работающих датчиков, MCU немедленно получает сигнал тревоги, и система отправляет(SMS) для информирования о тревоге.

Аппаратно система состоит из следующих блоков:

1. Датчики. Мы собираемся внедрить модуль обнаружения людей с использованием 1 датчика движения и датчика открытия двери.Эти датчики будут работать только при постановке на сигнализацию. Так же в системе будут датчики газа, дыма, влажности.

2. Микроконтроллер. В данном проекте мы остановились на ArduinoUNO. Его основные функции: чтение данных с аналоговых и цифровых датчиков; определение правильности пароля введенного с помощью клавиатуры; отправка данных на модем GSM через последовательный порт.

3. GSM-модем: мы собираемся использовать AI-THINKERA6 mini. Он появился не так давно, и отличается от предшественников SIM800 и SIM900 большим функционалом и стабильностью в работе. У него своя библиотека для Arduino. Необходимо учесть, что изучение студентом принципов работы, подключения и программирования данного модема занимает значительное время.

Датчики воды, газа и дыма аналоговые принцип их работы одинаковый, меняются только выводы. Единственное отличие датчика воды – он питается напряжением в 3,3 Вольта. Это необходимо учесть при сборке.

Алгоритм работы системы:

1. Инициализация микроконтроллера и модема. Если запуск прошел успешно то система пришлет смс «инициализация прошла успешно»

2. Включение сигнализации. При постановке на сигнализацию загорается светодиод и приходит сообщение об успешной постановке.

3. Если срабатывает один из датчиков, то система отправляет SMSсообщение, в тексте указан датчик, который сработал.

Разработанная система потенциально имеет широкую сферу применения и может быть адаптирована под практически любые задачи мониторинга и управления, а применение канала связи GSMпозволяет взаимодействовать с данной системой практически из любой точки мира где есть удовлетворительное радио покрытие мобильной сети.

Практическая значимостьсамого проекта заключается в том, в том, что проектохранно-пожарной сигнализации на базе микроконтроллера Arduino с передачей данных по каналам GSM можно в дальнейшем адаптировать и / или модернизировать под другие задачи удаленного управления и мониторинга, практически любых, включая промышленные, объектов.

В итоге мы представили разбор студенческого образовательного проекта, позволяющего в процессе выполнения развивать профессиональные и личностные качества в направлениях: программирование Си, микроэлектроника, мобильные сети. Спроектировав программно-аппаратный комплекс охранно-пожарной сигнализации на базе микроконтроллера Arduino с передачей данных по каналам GSM, мы показали дидактические возможности и значимость студенческих проектов для будущих инженеров программистов в процессе подготовки в вузе.

Список литературы:

1. Гордиевских, В.М. Разработка программно-аппаратного комплекса ARDUINOMETEO как студенческий образовательный проект / В.М. Гордиевских, О.И. Кутыгин // Образовательная робототехника в научно-техническом творчестве школьников и студенческой молодѐжи: опыт, проблемы, перспективы : Материалы IV Всероссийской научно-практической конференции с международным участием (25-26 апреля 2019 г.) / науч. ред. А. Р. Галустов ; отв. ред. Н. В. Зеленко ; техн. ред. И. В. Герлах. – Армавир : РИО АГПУ, 2019 – 216 с.
2. Дюкин, И.А. Применение Микроконтроллера Arduino и Датчика Влажности Для Автоматического Полива Растений [Текст] / Дюкин И.А., Крестьянникова А.В., Мочалов А.О., Гурков И.А., Волков Н.М. – EURASIASCIENCE Сборник статей XVI международной научно-практической конференции. – 2018. – С. 67-70.- Режим доступа: https://elibrary.ru/item.asp?id=35640582 – 31.08.2018   
3. Кораблев, А.А. Особенности работы Arduino UNO с EthernetShield W5100 [Текст] ] // Форум Шадринского государственного педагогического университета – Режим доступа: https://shgpi.edu.ru/forum/viewtopic.php?f=157&t=1542 – 13.03.2017 
4. Роганов, С.А. Программирование микроконтроллеров как альтернативное содержание курса информатики для технических специальностей [Текст] / С.А. Роганов, А.И. Рыжков // Вестник педагогических инноваций. – Изд-во: Новосибирский государственный педагогический университет (Новосибирск).  № 3 (47). – 2017. – С. 73-79