Реферат по теме выпускной работы

Содержание

• Введение
• 1. Актуальность темы
• 2. Цель и задачи исследования
• 3. Преимущества данной платформы
• 4. Назначение и размещение устройства
• 5. Обзор исследований и разработок
• 5.1. Обзор международных источников
• 5.2. Обзор национальных источников
• 5.3. Обзор локальных источников
• 6. Выбор и характеристика аппаратных средств
• 6.1. Подключение элементов системы
• 6.2. Программирование системы
• Выводы
• Список источников

Введение

Компьютерные технологии активно используются в нашей жизни. С их помощью можно упростить деятельность предприятия. Их существует огромное множество, отличающихся назначением и функционированием. Среди этого множества выделяют системы наблюдения, контролирующие прием посетителей предприятия.

Видеонаблюдение – ключевой элемент в составе системы охраны и безопасности предприятия. Установка системы охраны оградит материальные ценности организации от хищения, и поспособствует контролю над действиями персонала в помещениях офиса, производства и склада. А также отследит передвижения клиентов и посетителей по территории объекта [1].

В связи с этим, возникла идея проекта приема посетителей предприятия на основе доступной и сравнительно не дорогой платформе Arduino.

1. Актуальность темы

Это актуальная система, в которой сочетается удобство с безопасностью. Главным достоинством таких систем является способность осуществления круглосуточного контроля входа на предприятие. Основной задачей подобных устройств является передача видео или фото изображений на службу охраны, которая, в свою очередь, будет на месте решать, пускать или нет.

В условиях регулярно ухудшающейся криминальной обстановки в стране, в городе, районе, все большее число юридических лиц стали интересоваться решением проблем собственной безопасности. И для решения этих задач происходит все больше обращений именно к устройствам, простым и доступным, позволяющих обеспечить безопасность. Возросший спрос на видеодомофоны позволил осуществить существенный технический прогресс, расширив функциональность этих устройств, и дал возможность говорить о возможности использования функций видеодомофонов в качестве оборудования для видеонаблюдения. Хотя до сих пор, домофоны позиционируются, как устройства контроля доступа.

2. Цель и задачи исследования

Целью работы является исследование и разработка системы приема посетителей предприятия.

В начале работы над проектом были определены основные задачи, которые необходимо было выполнить при разработке проекта. К этим задачам относятся:

• выбор и анализ элементов платформы Arduino;
• разработка структурной схемы проекта;
• выбор оптимальных аппаратных средств.

Для реализации моей системы приема посетителей я выбрал платформу Arduino, так как она является доступной, не дорогой, многофункциональной и отлично подходит для обучения. Данная платформа имеет большой выбор плат с различными микроконтроллерами, датчиками, платами–расширителями и т. д. Благодаря широкому спектру компонентов можно реализовать различные управляющие системы, что отлично подходит для моего проекта.

3. Преимущества данной платформы

Выделим основные положительные стороны данной платформы:

• низкая стоимость [2]. По сравнению с похожими аппаратными платформами, платы Arduino имеют относительно низкую стоимость. Готовые модули стоят не дороже 50$, а возможность собрать плату самостоятельно позволяет максимально сэкономить средства и получить Arduino за минимальную цену;
• кроссплатформенность. Программное обеспечение (ПО) Arduino работает на операционных системах (ОС) Windows, Macintosh OSX и Linux, в то время, как большинство подобных систем ориентированы на работу только в Windows;
• простая и удобная среда программирования. Среда программирования Arduino понятна и проста для начинающих, но при этом достаточно гибкая для продвинутых пользователей. Она очень удобна в обучении, как для студентов, так и для преподавателей;
• расширяемое программное обеспечение с открытым исходным кодом. Программное обеспечение (ПО) Arduino имеет открытый исходный код, благодаря этому опытные программисты могут изменять и дополнять его. Возможности языка Arduino можно также расширять с помощью C++ библиотек;
• расширяемое открытое аппаратное обеспечение. Устройства Arduino построены на базе микроконтроллеров Atmel ATmega8 и ATmega368.

Благодаря тому, что все схемы модулей Arduino находятся в открытом доступе, опытные инженеры и разработчики могут создавать свои версии устройств на основе существующих. И даже обычные пользователи могут собирать опытные образцы Arduino для лучшего понимания принципов их работы и экономии средств.

Таким образом, Arduino, как открытая программируемая аппаратная платформа для работы с различными объектами с помощью компонентов, расширяющих возможности платы, может служить отличным началом для работы с микроконтроллерами (МК).

Существует несколько разновидностей плат Arduino. В основном они отличаются между собой объемами памяти, моделью микроконтроллера (МК), количеством входов/выходов и размерами самой платы.

Мой проект реализован на плате Arduino Uno – эталонная модель платформы Arduino. Она является основой моей системы приема посетителей предприятия.

4. Назначение и размещение устройства

Данная система предназначена для использования на предприятии, где работает много людей и большое количество посетителей. На рис. 1 и рис. 2 представлены схемы размещения системы приема посетителей предприятия. Эта система позволяет службе охраны получать оповещения с фотографией о людях которые находятся у входной двери. На рис. 1 представлено размещение системы в офисе. Принцип действия проекта следующий: человек, который находится перед входной дверью, должен нажать кнопку дверного звонка, после чего делается снимок камерой, установленной на входе, далее этот снимок отправляется с помощью Arduino и компьютера, подключенному к сети Интернет на пункт охраны, а далее через автоматизированную систему базы данных фотография идентифицируется со всеми работниками предприятия и постоянных посетителей.

Но в данном случае возникает вопрос с подключением и размещением системы на улице. В таком случае есть возможный вариант, когда камера и основная плата Arduino, отвечающая за управление, размещаются рядом, а компьютер находится в пункте охраны. Но так как плата Arduino и компьютер соединяются между собой с помощью USB кабеля, а максимальная длина такого кабеля согласно спецификации не более 5 метров, то такое размещение может быть проблемным. Для того, чтобы обойти это ограничение, можно соединить несколько 5 метровых кабелей последовательно, используя для соединения USB хабы в качестве повторителей. Максимальная длина такого составного кабеля не должна превышать 30 метров [3].

5. Обзор исследований и разработок

В настоящее время уже есть много разработок в области системы приема посетителей. Ежедневно разрабатываются принципиально новые системы или дорабатываются уже имеющиеся для получения лучшего результата. Большинство разработок делается в научных центрах и применяются они, в основном, в коммерческих структурах. Следовательно, не вся информация по новейшим разработкам находится в свободном доступе с полным описанием. Это усложняет поиск информации по изучаемой теме [4].

5.1 Обзор международных источников

Международные источники в области систем видеонаблюдения носят сугубо информационный характер. Следовательно, из них можно позаимствовать только идеи для разработок данных систем.

В данном разделе вы найдете различные интересные схемы и проекты для платформы Arduino, их клонов Freeduino, Seeeduino, а также плат RaspberryPi, Python и др [5].

5.2 Обзор национальных источников

Национальные источники являются более информативными, по сравнению с зарубежными. Огромное количество проектов и наработок находится в открытом доступе и имеют полное описание.

Даниил Трабун Как конструктор для программистов Arduino помогает воплощать сумасшедшие идеи. В данной статье показаны примеры использования Arduino – электронного конструктора для программистов, который сложно назвать просто игрушкой. С его помощью сегодня программируется одежда, запускаются спутники в космос и собираются данные из окружающей среды. Всё это – с помощью открытого кода [6].

Портал, посвященный устройствам на плате Arduino, которые люди делают в домашних условиях, например комнатный увлажнитель с датчиком влажности, парктроник на Arduino с ручной регулировкой расстояния, домашняя метеостанция на базе Ардуино, ультразвуковой дальномер [7].

Ардуино, Андроид или Айфон – что популярней в мире?. Если Вы знаете,что такое Айфон и Андроид, но не знаете, что такое Ардуино, то эта статья поможет разобраться с этой платформой [8].

Все свежие новости и о новых изобретениях Arduino можно узнать здесь. Это общедоступный портал о платформе аппаратно-программных средств для построения простых систем автоматики и робототехники, ориентированный на непрофессиональных пользователей [9].

5.3 Обзор локальных источников

В рамках Донецкого национального технического университета (ДонНТУ) работ в области Разработка системы приема посетителей предприятия найдено не было, но есть статьи, в которых студенты разработали свои устройства на аналогичной платформе.

Денисюк Р. Э. Лазерный дальномер для систем машинного зрения роботов/Cборник тезисов докладов Второго регионального научно-практического семинара Теоретические и практические аспекты приборостроения. В целом результаты макетирования подтверждают способность предложенного способа измерений, основанного на технике прямого преобразования частоты. Чувствительность измерительного канала достаточна для регистрации отраженного лазерного сигнала. Уровень выходного сигнала позволяет в дальнейшем простыми средствами определять его фазу и вычислять расстояние до объекта [10].

Лоскутов Р. И. Создание квадрокоптера на основе Arduino. В этой статье Вы можете узнать о составных частях и процессе сборки летательного аппарата. Несмотря на прохладное отношение со стороны большой авиации, квадрокоптеры снискали популярность среди авиамоделистов: простота в постройке и наладке, возможность серийного изготовления простых и недорогих узлов для сборки, появление микроконтроллеров (упростивших управление) сделали их доступными каждому [11].

Горин Н. А. Разработка системы ориентирования в пространстве с использованием модуля Arduino. В этой статье описана разработка электронного прибора, отслеживающего при помощи акселерометра и гироскопа положение объекта в пространстве, генерирующего управляющие сигналы для корректировки работы двигателей [12].

Павлий А. Н. Разработка устройства регистрации сигналов на основе аппаратной вычислительной платформы Аrduino. Такое устройство удобно использовать в качестве цифрового осциллографа для сигналов датчиков напряжений, тока, тахогенераторов [13].

6. Выбор и характеристика аппаратных средств

Для оптимальной работы системы и ее правильной функциональности необходимо выбрать аппаратные средства, которые будут соответствовать поставленной задаче. Для системы приема посетителей предприятия были выбраны следующие аппаратные средства:

• Плата Arduino Uno;
• Модуль камеры OV7670;
• Два резистора номиналом 4.7 кОм и три резистора – 10 кОм.

Данные элементы были выбраны по ряду причин: низкая себестоимость, доступность и удобство в эксплуатации. Рассмотрим более детально каждый элемент.

Эта плата была выбрана из множества других, так как является эталонной моделью платформы Arduino. Ее так же называют стандартной.

Описание основных элементов платы Arduino Uno представлено на рисунке 5.

Модуль камеры OV7670

Следующим элементом рассмотрим модуль камеры OV7670, изображенный на рис. 6. В настоящий момент эта камера является самым доступным модулем получения изображения [14].

Модуль камеры OV7670 формирует изображение с максимальным разрешением 640 х 480 и может выдать его со скоростью до 30 кадров в секунду. Данная камера была выбрана из соотношения цена-качество. Существуют и другие камеры для работы с платформой Arduino, такие как VC0706, которые по каким–то параметрам лучше, а по каким-то хуже выбранной OV7670.

Остальные элементы системы

К остальным элементам, используемых в данной системе приема посетителей относятся наборы перемычек мама-папа (рис. 7) и резисторов (рис. 8), а так же кнопка (рис. 9). Для проекта потребовалось пять резисторов: два – 4,7 кОМ, три – 10кОм.

6.1 Подключение элементов системы

Для правильной работы всей системы необходимо верно подключить все компоненты с учетом их свойств. Таким образом, рассмотрим схему подключения модуля камеры OV7670 к основной управляющей плате Arduino Uno на рис. 10. Следует отметить, что напряжение входов камеры местами отличается от напряжения Arduino, поэтому нужны резисторы, которые подключаются так, как показано на схеме. Данное подключение было реализовано в программе эмуляторе Fritzing. Эта программа удобна в использовании, наглядно показаны все входы/выходы плат и благодаря возможности выбирать цвета для проводников меньше вероятность запутаться в физическом подключении, если использовать этот эмулятор. Кроме того, существуют еще несколько программ, которые эмулируют возможности платы. Например, программа Virtual Breadboard [15]. Эта программа позволяет писать код прямо в эмуляторе и тут же посмотреть, как он работает. Также, программа включает в себя отладчик и достаточный набор компонентов для постройки различных схем.

Возможность эмуляции платформы Arduino позволяет предварительно спроектировать систему и правильно выбрать компоненты без покупки элементов.

На рис. 11 представлена фотография с изображением собранной камеры и Arduino. На ней видно, как все 16 входов/выходов подключаются к основной управляющей плате ArduinoUno с помощью перемычек мама-папа и четырех резисторов: два по 10 кОм и два по 4,7 кОм.

Далее рассмотрим подключение кнопки к основной плате управления ArduinoUno, которое изображено на рис. 12.

При подключении кнопки к Arduino необходимо использовать резистор номиналом 10 кОм [16]. Дело в том, что пин МК (в режиме входа) должен иметь заранее известное состояние (1 или 0). Чтобы привести пин в заранее известное состояние используются подтягивающие резисторы. Они бывают двух видов, верхней и нижней подтяжки. Верхней подтяжки (pull-up) подключаются к плюсу питания, а нижней (pull-down) – к минусу (GND). Следует отметить, что в Arduino есть встроенные подтягивающие резисторы, которые можно включить программно, но их использовать не советуется.

В данном случае, когда кнопка отключена, пин будет подключен к земле через резистор, сопротивление которого заведомо меньше внутреннего сопротивления пина. В итоге, при нажатой кнопке, у нас будет стабильный сигнал (+5В), а при отпущенной кнопке будет стабильный ноль.

6.2 Программирование системы

Программы для Arduino пишутся на обычном языке С/C++, дополненным простыми и понятными функциями для управления вводом/выводом на контактах [17]. Для удобства работы с Arduino существует бесплатная официальная среда программирования Arduino IDE, которая не требует установки дополнительного программного обеспечения. Это упрощает работу пользователю с данной платформой. С ее помощью загрузка новой программы в Arduino становится очень быстрой, для этого необходимо подключить плату к компьютеру через USB. Также возможна работа и через Visual Studio, Eclipse, другие IDE или командную строку, но для этого требуется использование дополнительных плагинов.

Все особенности сводятся к тому, что имеется набор библиотек, включающий в себя некоторые функции и объекты. Код программы для Arduino называется скетч [18].

В скетче обязательно должны присутствовать две основных функции setup() и loop(), без них программа не откомпилируется. Упрощенно цикл программирования Arduino можно представить в следующей последовательности:

• подключение платы через USB порт к компьютеру;
• написание скетча программы;
• выгрузка этого скетча на плату через USB соединение;
• выполнение платой написанного скетча.

Таким образом, используя библиотеки, функции и объекты для программирования Arduino реализуется необходимая система приема посетителей предприятия. Кроме того, для успешной работы системы потребовалось разработать дополнительную программу на языке Java в среде разработке Eclipse, которая выполняет преобразование полученной информации с камеры в .bmp изображение.

Выводы

Проведен анализ плат платформы Arduino и реализована система приема посетителей предприятия с применением необходимых компонентов и плат, которые оптимально подходят для данной системы по ряду причин. Изучены и применены на практике основы программирования под Arduino в среде разработки Arduino IDE. На практике проведена проверка работоспособности данной системы. Поведено тестирование проекта и получены корректные результаты.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: май 2018 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

1. Видеонаблюдение на предприятии – особенности размещения камер, их характеристики и обработка информации [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://nabludau.ru/...
2. О платформе Arduino. Основные положительные стороны данной платформы [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://arduino/...
3. Максимальная длина USB кабеля [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://profhelp.com/...
4. Горин Н. А. Обзор исследований и разработок в области ориентирования робототехники в пространстве [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://masters.donntu.ru/...
5. Портал, посвященный различным интересным схемам и проектам на платформе Arduino, их клонам Freeduino, Seeeduino, а также платам RaspberryPi, Python и др [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://cxem.net/...
6. Даниил Трабун Как конструктор для программистов Arduino помогает воплощать сумасшедшие идеи/16 июля 2013 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.lookatme.ru/...
7. Портал, посвященный устройствам на плате Arduino, которые люди делают в домашних условиях [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://usamodelkina.ru/...
8. Ардуино, Андроид или Айфон – что популярней в мире? // gogabig 7 сентября 2013 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://mysku.ru/...
9. Все свежие новости и о новых изобретениях Arduino можно узнать в этом электронном журнале [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.rlocman.ru/...
10. Денисюк Р. Э. Лазерный дальномер для систем машинного зрения роботов/Cборник тезисов докладов Второго регионального научно-практического семинара Теоретические и практические аспекты приборостроения, 18 апреля 2013, Луганск, кафедра Приборы, ВНУ им. В.Даля. –  c. 20-21 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://masters.donntu.ru/...
11. Лоскутов Р. И. Создание квадрокоптера на основе Arduino [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://masters.donntu.ru/...
12. Горин Н. А. Разработка системы ориентирования в пространстве с использованием модуля Arduino // Материалы Международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых Информатика, управляющие системы, математическое и компьютерное моделирование 2016, Донецк [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://masters.donntu.ru/...
13. Павлий А. Н. Разработка устройства регистрации сигналов на основе аппаратной вычислительной платформы Аrduino [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://masters.donntu.ru/...
14. OV7670 VGA Camera Module Compatible With Arduino [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://duino.ru/...
15. Портал, посвященный программе Virtual Breadboard, которая позволяет писать код прямо в эмуляторе и тут же смотреть, как он работает // Arduino 1.6.5 / VirtualBreadBoard 5.34 [Симулятор Arduino] 2015 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://lk.ucoz.com/...
16. Работа с кнопками. В помощь новичку. Здесь описано, как подключить и запрограммировать кнопку к плате Arduino // nestandart 17 ноября 2012 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://arduino.ru/...
17. Блог о программе Arduino IDE для удобства работы с Arduino // DISEL5515 13 сентября 2012 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://7ba.ru/...
18. Что такое Arduino 2.0. В этой статье описан порядок действий с платой для успешного запуска [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://amperka.ru/...