24. Практическая работа «Разработка мобильной станции экологического мониторинга»

Модуль: Прикладная робототехника

Тема урока: 24. Практическая работа «Разработка мобильной станции экологического мониторинга»

Цель урока: Сформировать практические навыки создания робототехнической системы для сбора экологических данных, их визуализации и передачи на компьютер.

Планируемые результаты:

Предметные:

• Знать принципы работы датчиков экологического мониторинга
• Уметь подключать и программировать различные типы сенсоров
• Владеть навыками сбора и обработки данных с датчиков
• Понимать основы передачи данных между робототехническими системами и компьютером

Метапредметные:

• Регулятивные УУД: умение планировать этапы создания роботизированной системы, контролировать качество сбора данных
• Познавательные УУД: обработка и анализ информации с датчиков, применение знаний из разных предметных областей
• Коммуникативные УУД: работа в команде, распределение обязанностей, представление результатов

Личностные:

• Формирование экологического мышления и бережного отношения к окружающей среде
• Развитие инженерного подхода к решению практических задач
• Воспитание ответственности за качество собираемых данных

Задачи урока:

1. Закрепить знания о типах датчиков для экологического мониторинга
2. Сформировать навыки конструирования мобильной платформы с набором сенсоров
3. Научить калибровать датчики для повышения точности измерений
4. Развить умения программировать сбор, отображение и передачу данных
5. Создать функционирующую модель мобильной станции экологического мониторинга

Тип урока: Практическая работа

Учебно-методическое и материально-техническое обеспечение:

• Робототехнические наборы с контроллерами (по количеству групп)
• Датчики: температуры, влажности, освещенности, качества воздуха, и др.
• Дисплеи для отображения данных
• Модули беспроводной связи (Bluetooth, Wi-Fi)
• Компьютеры с установленной средой программирования
• Программное обеспечение для приема и визуализации данных
• Инструкционные карты по подключению и программированию датчиков
• Материалы для калибровки датчиков (термометр, люксметр и др.)
• Карта местности для планирования маршрута мониторинга
• Зарядные устройства и дополнительные аккумуляторы

Образовательные технологии: Проектная деятельность, работа в малых группах, практико-ориентированное обучение

Межпредметные связи:

• Информатика: сбор, хранение и визуализация данных датчиков, программирование
• Физика: калибровка сенсоров, учет внешних факторов при измерениях
• География: геолокация собираемых данных, построение карт экологических параметров
• Экология: понимание экологических параметров и их значимости

Arduino UNO/MEGA <-> Датчики и периферия:

1. Датчик температуры и влажности DHT22:
   - VCC -> 5V
   - GND -> GND
   - DATA -> Digital Pin 2
   
2. Датчик освещенности BH1750:
   - VCC -> 3.3V
   - GND -> GND
   - SCL -> SCL (Arduino Uno: A5, Mega: 21)
   - SDA -> SDA (Arduino Uno: A4, Mega: 20)

3. Датчик качества воздуха MQ-135:
   - VCC -> 5V
   - GND -> GND
   - AOUT -> Analog Pin A0

4. GPS-модуль (опционально):
   - VCC -> 5V
   - GND -> GND
   - TX -> Digital Pin 10 (RX на Arduino)
   - RX -> Digital Pin 11 (TX на Arduino)

5. Дисплей LCD I2C:
   - VCC -> 5V
   - GND -> GND
   - SCL -> SCL (Arduino Uno: A5, Mega: 21)
   - SDA -> SDA (Arduino Uno: A4, Mega: 20)

6. Bluetooth модуль HC-05/HC-06:
   - VCC -> 5V
   - GND -> GND
   - TX -> Digital Pin 8 (RX на Arduino)
   - RX -> Digital Pin 9 (TX на Arduino)

7. SD Card модуль (для локального хранения данных):
   - VCC -> 5V
   - GND -> GND
   - MOSI -> Digital Pin 11 (MOSI)
   - MISO -> Digital Pin 12 (MISO)
   - SCK -> Digital Pin 13 (SCK)
   - CS -> Digital Pin 4

// Библиотеки для работы с датчиками
#include <DHT.h>
#include <Wire.h>
#include <BH1750.h>
#include <LiquidCrystal_I2C.h>
#include <SoftwareSerial.h>

// Определение пинов и констант
#define DHTPIN 2          // Пин для датчика DHT22
#define DHTTYPE DHT22      // Тип датчика DHT
#define MQ135_PIN A0       // Аналоговый пин для датчика качества воздуха
#define BT_RX 8            // RX для Bluetooth модуля
#define BT_TX 9            // TX для Bluetooth модуля

// Инициализация объектов
DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);
BH1750 lightMeter;
LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 16, 2);  // Адрес 0x27, 16 столбцов, 2 строки
SoftwareSerial bluetooth(BT_RX, BT_TX);

// Переменные для хранения данных
float temperature = 0;
float humidity = 0;
float light = 0;
int airQuality = 0;

// Коэффициенты калибровки
float tempCalibration = 1.0;
float humidityCalibration = 1.0;
float lightCalibration = 1.0;
float airQualityCalibration = 1.0;

// Интервал между измерениями (мс)
const long interval = 3000;
unsigned long previousMillis = 0;

void setup() {
  // Инициализация последовательных портов
  Serial.begin(9600);
  bluetooth.begin(9600);
  
  // Инициализация датчиков
  dht.begin();
  Wire.begin();
  lightMeter.begin();
  
  // Инициализация дисплея
  lcd.init();
  lcd.backlight();
  lcd.print("Eco Monitor");
  lcd.setCursor(0, 1);
  lcd.print("Initializing...");
  
  delay(2000);
}

void loop() {
  unsigned long currentMillis = millis();
  
  // Проверяем, прошел ли интервал для нового измерения
  if (currentMillis - previousMillis >= interval) {
    previousMillis = currentMillis;
    
    // Считываем данные с датчиков
    readSensors();
    
    // Отображаем данные на дисплее
    displayData();
    
    // Отправляем данные через Bluetooth
    sendData();
  }
}

void readSensors() {
  // Считываем температуру и влажность
  temperature = dht.readTemperature() * tempCalibration;
  humidity = dht.readHumidity() * humidityCalibration;
  
  // Считываем освещенность
  light = lightMeter.readLightLevel() * lightCalibration;
  
  // Считываем качество воздуха
  airQuality = analogRead(MQ135_PIN) * airQualityCalibration;
  
  // Выводим данные в консоль для отладки
  Serial.print("Temperature: ");
  Serial.print(temperature);
  Serial.print(" °C, Humidity: ");
  Serial.print(humidity);
  Serial.print(" %, Light: ");
  Serial.print(light);
  Serial.print(" lx, Air Quality: ");
  Serial.println(airQuality);
}

void displayData() {
  // Очищаем дисплей
  lcd.clear();
  
  // Выводим температуру и влажность на первую строку
  lcd.setCursor(0, 0);
  lcd.print("T:");
  lcd.print(temperature, 1);
  lcd.print("C ");
  lcd.print("H:");
  lcd.print(humidity, 0);
  lcd.print("%");
  
  // Выводим освещенность и качество воздуха на вторую строку
  lcd.setCursor(0, 1);
  lcd.print("L:");
  lcd.print(light, 0);
  lcd.print("lx ");
  lcd.print("A:");
  lcd.print(airQuality);
}

void sendData() {
  // Формируем строку с данными в формате CSV
  String dataString = String(temperature) + "," + String(humidity) + "," + 
                     String(light) + "," + String(airQuality);
  
  // Отправляем данные через Bluetooth
  bluetooth.println(dataString);
}

import serial
import time
import matplotlib.pyplot as plt
from datetime import datetime
import csv

# Настройки последовательного порта (порт и скорость нужно настроить под ваше устройство)
PORT = 'COM5'  # для Windows, для Linux будет что-то вроде '/dev/ttyUSB0'
BAUD_RATE = 9600

# Инициализация переменных для хранения данных
timestamps = []
temperatures = []
humidities = []
light_levels = []
air_qualities = []

# Настройка графика
plt.ion()  # Включаем интерактивный режим
fig, ((ax1, ax2), (ax3, ax4)) = plt.subplots(2, 2, figsize=(10, 8))
fig.suptitle('Мониторинг окружающей среды в реальном времени')

# Функция для обновления графиков
def update_plots():
    # Очистка графиков
    ax1.clear()
    ax2.clear()
    ax3.clear()
    ax4.clear()
    
    # Настройка графиков
    ax1.set_title('Температура (°C)')
    ax1.plot(timestamps, temperatures, 'r-')
    
    ax2.set_title('Влажность (%)')
    ax2.plot(timestamps, humidities, 'b-')
    
    ax3.set_title('Освещенность (lx)')
    ax3.plot(timestamps, light_levels, 'y-')
    
    ax4.set_title('Качество воздуха')
    ax4.plot(timestamps, air_qualities, 'g-')
    
    # Форматирование
    for ax in [ax1, ax2, ax3, ax4]:
        ax.grid(True)
        if len(timestamps) > 0:
            ax.set_xlim(max(0, timestamps[-1] - 60), timestamps[-1] + 5)  # Показываем последние 60 секунд
    
    plt.tight_layout(rect=[0, 0, 1, 0.95])
    plt.draw()
    plt.pause(0.1)

# Функция для сохранения данных в CSV
def save_to_csv():
    with open(f'eco_data_{datetime.now().strftime("%Y%m%d_%H%M%S")}.csv', 'w', newline='') as file:
        writer = csv.writer(file)
        writer.writerow(['Timestamp', 'Temperature', 'Humidity', 'Light', 'Air Quality'])
        for i in range(len(timestamps)):
            writer.writerow([timestamps[i], temperatures[i], humidities[i], light_levels[i], air_qualities[i]])

try:
    # Открываем последовательный порт
    ser = serial.Serial(PORT, BAUD_RATE)
    print(f"Подключено к {PORT} со скоростью {BAUD_RATE}")
    
    # Время начала
    start_time = time.time()
    
    while True:
        # Читаем строку данных
        if ser.in_waiting:
            data = ser.readline().decode('utf-8').strip()
            try:
                # Парсим полученные данные
                temp, hum, light, air = map(float, data.split(','))
                
                # Добавляем данные в списки
                current_time = time.time() - start_time
                timestamps.append(current_time)
                temperatures.append(temp)
                humidities.append(hum)
                light_levels.append(light)
                air_qualities.append(air)
                
                # Выводим значения в консоль
                print(f"Время: {current_time:.1f}s, Температура: {temp}°C, Влажность: {hum}%, Освещенность: {light}lx, Качество воздуха: {air}")
                
                # Обновляем графики
                update_plots()
            except ValueError:
                print(f"Ошибка при парсинге данных: {data}")
        
        time.sleep(0.1)

except KeyboardInterrupt:
    print("\nЗавершение работы...")
    save_to_csv()
    print("Данные сохранены в CSV файл")

except Exception as e:
    print(f"Ошибка: {e}")

finally:
    try:
        ser.close()
    except:
        pass
    plt.close()

1. Датчик температуры:

   • Сравните показания датчика с эталонным термометром в различных условиях
   • Вычислите среднее отклонение
   • Внесите коэффициент коррекции в код (tempCalibration)

2. Датчик влажности:

   • Для калибровки при низкой влажности: поместите датчик в герметичный контейнер с сухим силикагелем (относительная влажность около 10%)
   • Для калибровки при высокой влажности: поместите датчик над водой в герметичном контейнере (относительная влажность около 90-95%)
   • Вычислите коэффициент коррекции и внесите в код (humidityCalibration)

3. Датчик освещенности:

   • Сравните показания с профессиональным люксметром при разных условиях освещения
   • Определите корректирующий коэффициент
   • Внесите коррекцию в код (lightCalibration)

4. Датчик качества воздуха:

   • Проведите измерения на свежем воздухе для установления базового уровня
   • Сравните показания в различных условиях (проветриваемое помещение, закрытое помещение)
   • Внесите корректирующие коэффициенты в код (airQualityCalibration)

Таблица калибровки датчиков

Группа: _________   Дата: __________

|---------------|--------------|---------------|----------------|----------------|
| Датчик        | Показание    | Эталонное     | Отклонение     | Коэффициент    |
|               | датчика      | значение      |                | калибровки     |
|---------------|--------------|---------------|----------------|----------------|
| Температура   |              |               |                |                |
| (DHT22)       |              |               |                |                |
|---------------|--------------|---------------|----------------|----------------|
| Влажность     |              |               |                |                |
| (DHT22)       |              |               |                |                |
|---------------|--------------|---------------|----------------|----------------|
| Освещенность  |              |               |                |                |
| (BH1750)      |              |               |                |                |
|---------------|--------------|---------------|----------------|----------------|
| Качество      |              |               |                |                |
| воздуха       |              |               |                |                |
|---------------|--------------|---------------|----------------|----------------|

Примечания:
_______________________________________________________
_______________________________________________________

Конструкция мобильной станции (0-5 баллов):

• Функциональность и надежность конструкции (0-2)
• Правильное размещение датчиков (0-2)
• Эстетика и аккуратность исполнения (0-1)

Электроника и подключение (0-5 баллов):

• Правильность подключения датчиков (0-2)
• Качество калибровки сенсоров (0-2)
• Энергоэффективность и автономность (0-1)

Программирование (0-5 баллов):

• Корректность алгоритма сбора данных (0-2)
• Реализация отображения данных на дисплее (0-1)
• Реализация передачи данных на компьютер (0-2)

Функциональность системы (0-5 баллов):

• Точность и достоверность собираемых данных (0-2)
• Стабильность работы системы (0-1)
• Удобство использования и информативность (0-1)
• Возможность расширения функционала (0-1)

Максимальный балл: 20 Шкала перевода в оценку:

• 18-20 баллов - “5”
• 14-17 баллов - “4”
• 10-13 баллов - “3”
• менее 10 баллов - “2”

Фамилия, имя: _________________________
Группа: _______

Что было самым интересным в проекте?
_________________________________________________
_________________________________________________

Какие трудности возникли при создании системы?
_________________________________________________
_________________________________________________

Какие знания из других предметов вы применили в данной работе?
_________________________________________________
_________________________________________________

Как можно улучшить созданную систему?
_________________________________________________
_________________________________________________

Какой вклад в защиту окружающей среды может внести ваша система?
_________________________________________________
_________________________________________________

Оцените свой вклад в работу группы (от 1 до 5): _______