Проекта за алармена система е един от най-популярните, които учениците разработват с комплектите Тинузавър. Ето няколко от причините:

• Всеки разбира нуждата и предназначението на подобен проект-продукт, всеки има нужда да пази личната си собственост;
• Лесно за разбиране задание, а изискванията към проекта могат да бъдат както  на базово ниво (т.е. лесни) така и разширени за по-напредналите;
• Лесно се разработва както кода така и макета на продукта;
• Има възможност за подобрения – всеки може да добави нови функции към продукта според собствените си амбиции и възможности;
• За разработката на проекта може да се използва всеки от базовите комплекти Тинузавър.
• Проекта е приложим за много широк възрастов диапазон – от 4. до 12. клас.

От гледна точка на STEM проекта за алармена система позволява комбиниране на знания и умения от няколко учебни дисциплини, като програмиране, математика, физика и др., както и демонстриране практическото им приложение.

В тази статия проекта за алармена система е разгледан в контекста на платформата Тинузавър, но основните принципи могат да бъдат приложени с почти всяка друга популярна микроконтролерна или микропроцесорна платформа – Arduino, micro:bit и мн. др.

1. Комплекти-проекти

Нека най-напред да си отговорим на следния въпрос …

С кои комплекти Тинузавър може да разработим алармената система?

Отговора на този въпрос ще ни помогне да разберем за кои възрастови групи какви комплекти могат да се ползват, както и как те се усложняват с времето.

За ученици от 6. до 12. клас

По време на курс Ниво-1 (първа година) това може да стане с комплект Тинузавър Стартер ЕДУ и добавъчната платка Shield EDUx3IO. В този случай сензора за задействане на алармата е фоторезистор.

По време на курс Ниво-2 (втора година) работим с Тинузавър Стартер СЛД и добавъчна платка Shield MAGx3IO. В тази конфигурация имаме вече магнитен сензор на Хол, който може да бъде използван за задействане на алармата.

В следващите Ниво-3, Ниво-4 (трета/четвърта година) и т.н., когато работим с комплекти-проекти вече имаме специализирани платки за алармена система, които включват добавъчната платка Shield ALRx4, към която можем да включим няколко вида сензори за активиране на алармата. Това може да са (1) PIR сензор; (2) лазерен сензор; (3) микровълнови сензор; и др.

По-горе споменатите нива на курсовете са предназначени за ученици от 6. до 12. клас

За най-малките

За курс предназначен за най-малките ученици от 4. до 6. клас постановката е сходна. 

За курс Мини-1 (първа година), когато ползваме комплект Тинузавър Кидс.Микро сензора за задействане на алармата е фоторезистор.

За следващото ниво Мини-2 (втора година) комплекта Тинузавър Кидс.Мини и сензора за задействане на алармата е също фоторезистор.

Нека сега да разгледаме в хронологичен ред как създаваме алармената система.

2. Сглобяване на платките

Всички комплекти Тинузавър се сглобяват от участника в курса с помощта на поялник и други инструменти. Това се отнася за всички нива – както за стандартните (за по-големите ученици) така и за тези от тип “мини” (за по-малките ученици).

По време на сглобяването участниците се запознават с различните електронни компоненти, как те функционират, какво представляват от гледна точка на физиката, какви са физичните явления, които са свързани с тях и мн. др. теми.

На по-късен етап тези компоненти и физични явления намират приложението си при създаване на програмния код, който ги управлява и използва. Така се прави връзката между физичния свят, в който живеем и виртуалния свят на софтуера.

Следващия въпрос, на който ще си отговорим е …

С какви входно-изходни устройства разполагаме?

Отговора на този въпрос ще ни даде информация за това с какво ще разполагаме, като възможности, когато започнем да пишем код.

Всички комплекти Тинузавър, които разглеждаме, разполагат със следните основни входно-изходни устройства:

• Бутон за включване, изключване, смяна на режимите на работа и др.;
• Светодиод (или два) за индикация на режима на работа или други функции;
• Бъзер за генериране на звук – за аларма или друга индикация;
• Сензори за задействане на алармата – различни видове според комплекта.

При всички комплекти с изключение на Тинузавър Кидс.Микро има възможност за включване на серво мотор за реализиране на някаква механична функция. Това дава възможност на разработчика да добави своя уникална функция към проекта.

Нека сега разгледаме самия проект за алармена система на принципа на еволюционната разработка, т.е. започваме от най-елементарния вариант и постоянно разширяваме изискванията, а от там и сложността на проекта. Това ще направим, като разгледаме всеки един от основните компоненти на системата – най-напред с базовите му функции и приложими алгоритми, а след това и по-сложните.

3. Проект алармена система

Започваме с най-характерния елемент от проекта – това е сензора, който засича събитието или ситуацията, при която алармата трябва да се задейства.

Сензорен модул

В зависимост от това какъв комплект ползваме и кое ниво на курса караме в момента, сензора може да бъде фоторезистор, специализиран модул или друго.

Нека да разгледаме най-често използваните.

Фоторезистор

Фоторезистора е най-лесния за разбиране сензор. Той представлява светлочувствителен електронен компонент, който си променя електрическото съпротивление според количеството светлина, което попада върху него.

От гледна точка на софтуера, това е входно устройство, което дава стойности от 0 до 1023, като 0 отговаря на абсолютна (или близка до нея) тъмнина, а 1023 – на много силна осветеност.

Тук е идеалното място да намесим физиката и електричеството. Фоторезистора е свързан в делител на напрежение (прил. закона на Ом).

Входния порт на микроконтролера приема стойностите чрез АЦП (аналогово-цифров преобразувател, анг. ADC – Analog-to-digital converter), с резолюция 10 бита. Темата за АЦП може да бъде разширена, а в училището се изучава. 

Алгоритми

Как да задействаме алармата, как да разберем, че някой е влязъл в охранявания периметър?

Най-лесния начин е чрез измерване на стойността на фоторезистора (осветеността) и когато стане по-тъмно значи има нарушение на периметъра. Този метод го наричаме засичане по абсолютна стойност.

Метода е лесен за разбиране, но има редица недостатъци. Например: ако около нас стане прекалено светло или прекалено тъмно (напр. денем и нощем), рискуваме да вдигнем фалшива тревога.

Тук може да въведем по-съвършен метод. Той се изразява в следното – през определен период от време (части от секундата) правим две последователни измервания на осветеността и пресмятаме разликата между тях. Ако тази разлика е достатъчно голяма (установяваме го експериментално – част от задачата) значи е настъпило критично събитие и трябва да задействаме алармата. Този начин на засичане наричаме диференциален метод.

В тази статия няма да имаме възможност да се спрем по-подробно на алгоритмичната част, но трябва да споменем, че това прави задачата много интересна в часовете по математика и информатика.

Лазерен сензор

Има няколко начина по които може да бъде изпълнен този вариант, но основната идея е следната: Лазерен излъчвател (маломощен лазерен диод) е насочен към светлочувствителен елемент (може да е фоторезистор или друг електронен компонент) и когато някой/нещо пресече пътя на лазера, алармата се задейства.

Практическото изпълнение може доста да се усложни. Например – лазера да се отразява в огледало (или повече огледала) преди да стигне до сензора за светлина. Това дава свобода за творчество на разработчика на проекта.

Алгоритмично също може да постигнем разнообразие подобно на постановката с обикновен фоторезистор.

Тук може да намесим и оптиката. Ето как: ако искаме да направим насочването на лазера към фотосензора по точно и надеждно, трябва да използваме определен вид оптични лещи.

PIR сензор

PIR сензора е специализиран модул, който е създаден специално за да засича присъствие на човек или друго тяло. Изключително популярен е особено за алармени системи.

PIR модула дава дискретна стойност, т.е. 0 или 1 – съответно отсъствие или присъствие на тяло в обсега му.

Тук можем да се задълбочим и във физиката на процесите и явленията, които този сензор ползва.

Микровълнов сензор

Това е сравнително нов и модерен модул, който използва микровълни – радиочестоти в гигахерцовия диапазон, за да засича присъствие.

Този модул е изключително интересен от гледна точка на физиката защото използва доплеров ефект.

Много е надежден, може да работи дори и когато има прегради пред него, стига да не са от метал, а също и на тъмно.

PIR сензора и Микровълновия сензор имат едно голямо предимство – могат да работят както на светло така и на тъмно, като (почти) не се влияят от странична светлина.

Магнитен сензор

Когато работим с Тинузавър Стартер СЛД и добавъчна платка Shield MAGx3IO имаме магнитен сензор на Хол, който може да бъде използван за задействане на алармата. Например: може да монтираме малък магнит на вратата, която искаме да охраняваме.

При нужда може да разгледаме сензор на Хол по-подробно – какви физични явления протичат от гледна точка на физиката.

Други сензори

Могат да се използват и други сензори включително и механични, например: обикновен бутон или рид ампула. Това дава възможност на разработчика да импровизира и създава уникално решение за конкретен практически проблем.

Управление на режимите на работа

Това се постига с един бутон, който присъства на всички платки Тинузавър.

Алгоритми

Можем да реализираме основно два начина за използване на бутона.

Първия начин с отчитане на най-обикновено натискане и отпускане на бутон и това да превключва режимите на работа на алармената система.

Другия по-усъвършенстван и сложен начин е отчитане, ако бутона е бил задържан за по-дълго време или пък е натиснат няколко пъти бързо (клик или двоен клилк). При този вариант е необходимо да бъде разработен по-сложен алгоритъм, което прави задачата интересна в часовете по математика и информатика.

Индикация

Ще разгледаме двата стандартни начина за индикация – светлинен и звуков.

Светлинна индикация

Светодиода, който присъства във всички комплекти Тинузавър, може да се ползва за индикация в системата. Това може да е режима, под който работи, алармено събитие или друго.

Звукова сигнализация

Всички комплекти споменати в началото на тази статия включват бъзер, който може да се ползва за самата аларма, като сирена например.

Генерирането на звук може да се разгледа и от гледна точка на физиката. Бъзера се състои от бобина, сърцевина и мембрана. Използва се електричество и магнетизъм, както и други физични явления.

Разгледайте статията С какво комплект-проект паркинг система е интересен в STEM среда? за повече информация свързана с бъзера.

Когато използваме специализиран комплект-проект за алармена система, който включва добавъчната платка Shield ALRx4, може да използваме допълнителен модул за пиезо бъзер. Това е много интересен модул и от гледна точка на физиката защото включва пиезоефект, а също и схема с транзистор и автотрансформатор за създаване на високо напрежение – около 60 волта. В този вариант генерирания звук е изключително силен.

В контекста на звука може да намесим и биологията във връзка със слуха и възприемането на звука.

4. Усъвършенстване

Проекта за алармена система може да се разшири с допълнителни функции, както и да се направи максимално близък до един реален продукт.

Нека разгледаме няколко идеи.

Механика

Повечето комплекти споменати в началото на тази статия (с изключение на Кидс.Микро) включват разширителен порт за серво мотор, който може да се ползва за някаква функция, която изисква механично движение. Това може да е (в зависимост от идеята на проекта) отваряне/затваряне на врата, преместване на обект и др.

Погледнете статията Серво мотор – как работи и как се ползва с ATtiny85 за повече информация как работи серво мотора.

Серво мотора е сравнително сложно устройство и може да е доста обширна тема, която да включва елементи от физика – електричество, магнетизъм, механика и др.

Изработка на макет

Практическата изработка на макет на истинска алармена система е много важна. В много случай това може да ни подскаже за потенциални проблеми или нови идеи за които не сме се сещали докато сме работили по проекта.

Допълнително, това дава възможност за придобиване и демонстриране на сръчности за работа с инструменти и материали. Това е нещо, което напълно липсва при работа във виртуална симулирана среда.

По време изработката на макета можем да усвоим знания и умения за 3D дизайн и прототипиране, да разработим 3D модели, които да създадем с помощта на 3D принтер.

Представяне на проекта

Всеки практически ориентиран проект трябва да бъде разглеждан и като бъдещ продукт с потенциал да бъде произвеждан и предлаган на пазара. Това добре демонстрира практическото приложение на всичко, което изучаваме не само докато работим по конкретния проект, а и по принцип – за дисциплини, като математика, физика, програмиране и др.

Затова в края на курса разработчиците на проектите трябва да представят идеята си, като предприемачески проект.

Предприемачеството е много обширна тема и ще бъде разгледана в друга бъдеща публикация.

4. Заключение

Работата по сравнително прост проект, като дадения за пример на алармена система, спомогна за придобиване на знания по няколко учебни дисциплини и умения в различни области, като едновременно с това демонстрира практическото им приложение.

Проекта има потенциал да да се разширява и усложнява, както и да се приложи за други популярни микроконтролерни платформи.

Предимството на използването на Тинузавър е пълната интеграция между хардуер, софтуер, среда за разработка Блоктину, учебно съдържание и обучение за преподаватели, което гарантира гладко протичане на учебния процес.