Реферат за темою випускної роботи

Зміст

• Вступ
• 1. Актуальність теми
• 2. Мета і задачі дослідження
• 3. Переваги даної платформи
• 4. Призначення і розміщення пристрою
• 5. Огляд досліджень та розробок
• 5.1. Огляд міжнародних джерел
• 5.2. Огляд національних джерел
• 5.3. Огляд локальних джерел
• 6. Вибір та характеристика апаратних засобів
• 6.1. Підключення елементів системи
• 6.2. Програмування системи
• Висновки
• Перелік посилань

Вступ

Компʼютерні технології активно використовуються в нашому житті. З їх допомогою можна спростити діяльність підприємства. Їх існує величезна безліч, що відрізняються призначенням і функціонуванням. Серед цієї безлічі виділяють системи спостереження, контролюючі прийом відвідувачів підприємства.

Відеоспостереження – ключовий елемент в складі системи охорони і безпеки підприємства. Установка системи охорони захистить матеріальні цінності організації від розкрадання, і посприяє контролю над діями персоналу в приміщеннях офісу, виробництва та складу. А також відстежити пересування клієнтів та відвідувачів по території обʼєкта [1].

У звʼязку з цим, виникла ідея проекту прийому відвідувачів підприємства на основі доступної і порівняно не дорогій платформі Arduino.

1. Актуальність теми

Це актуальна система, в якій поєднується зручність з безпекою. Головною перевагою таких систем є здатність здійснення цілодобового контролю входу на підприємство. Основним завданням подібних пристроїв є передача відео або фото зображень на службу охорони, яка, в свою чергу, буде на місці вирішувати, пускати чи ні.

В умовах регулярно погіршення кримінальної обстановки в країні, в місті, районі, все більше число юридичних осіб стали цікавитися рішенням проблем власної безпеки. І для вирішення цих завдань відбувається все більше звернень саме до пристроїв, простим і доступним, що дозволяють забезпечити безпеку. Зрослий попит на відеодомофони дозволив здійснити істотний технічний прогрес, розширивши функціональність цих пристроїв, і дав можливість говорити про можливість використання функцій відеодомофонів в якості обладнання для відеоспостереження. Хоча досі, домофони позиціонуються, як пристрої контролю доступу.

2. Мета і задачі дослідження

Метою роботи є дослідження і розробка системи прийому відвідувачів підприємства.

На початку роботи над проектом були визначені основні завдання, які необхідно було виконати при розробці проекту. До цих завдань відносяться:

• вибір і аналіз елементів платформи Arduino;
• розробка структурної схеми проекту;
• вибір оптимальних апаратних засобів.

Для реалізації моєї системи прийому відвідувачів я обрав платформу Arduino, так як вона є доступною, не дорогою, багатофункціональною і відмінно підходить для навчання. Ця платформа має широкий вибір плат з різними мікроконтролерами, датчиками, платами–розширювачами і т. д. Завдяки широкому спектру компонентів можна реалізувати різні керуючі системи, що відмінно підходить для мого проекту.

3. Переваги даної платформи

Виділимо основні позитивні сторони даної платформи:

• низька вартість [2]. У порівнянні зі схожими апаратними платформами, плати Arduino мають відносно низьку вартість. Готові модулі коштують не дорожче 50$, а можливість зібрати плату самостійно дозволяє максимально заощадити кошти і отримати Arduino за мінімальну ціну;
• кросплатформеність. Програмне забезпечення (ПО) Arduino працює на операційних системах (ОС) Windows, Macintosh OSX і Linux, в той час, як більшість подібних систем орієнтовані на роботу тільки в Windows;
• просте і зручне середовище програмування. Середовище програмування Arduino зрозуміле і просте для початківців, але при цьому досить гнучке для просунутих користувачів. Воно дуже зручне у навчанні, як для студентів, так і для викладачів;
• відкрите програмне забезпечення з відкритим вихідним кодом. Програмне забезпечення (ПО) Arduino має відкритий вихідний код, завдяки цьому досвідчені програмісти можуть змінювати та доповнювати його. Можливості мови Arduino також можна розширювати за допомогою C++ бібліотек;
• розширюване відкрите апаратне забезпечення. Пристрої Arduino побудовані на базі мікроконтролерів Atmel ATmega8 і ATmega368.

Завдяки тому, що всі схеми модулів Arduino знаходяться у відкритому доступі, досвідчені інженери і розробники можуть створювати свої версії пристроїв на основі існуючих. І навіть звичайні користувачі можуть збирати дослідні зразки Arduino для кращого розуміння принципів їх роботи і економії коштів.

Таким чином, Arduino, як відкрита програмована апаратна платформа для роботи з різними обʼєктами з допомогою компонентів, що розширюють можливості плати, може служити відмінним початком для роботи з мікроконтролерами (МК).

Існує кілька різновидів плат Arduino. В основному вони відрізняються між собою обсягами памʼяті, моделлю мікроконтролера (МК), кількістю входів/виходів і розмірами самої плати.

Мій проект реалізований на платі Arduino Uno – еталонна модель платформи Arduino. Вона є основою моєї системи прийому відвідувачів підприємства.

4. Призначення і розміщення пристрою

Дана система призначена для використання на підприємстві, де працює багато людей і велику кількість відвідувачів. На рис. 1 і рис. 2 подано схеми розміщення системи прийому відвідувачів підприємства. Ця система дозволяє службі охорони отримувати сповіщення з фотографією про людей які знаходяться біля вхідних дверей. На рис. 1 представлено розміщення системи в офісі. Принцип дії проекту наступний: людина, яка знаходиться перед вхідними дверима, повинен натиснути кнопку дверного дзвінка, після чого робиться знімок камерою, встановленою на вході, далі цей знімок відправляється з допомогою Arduino і компʼютера, підключеного до мережі Інтернет на пункт охорони, а далі через автоматизовану систему бази даних фотографія ідентифікується з усіма працівниками підприємства і постійних відвідувачів.

Але в даному випадку виникає питання з підключенням і розміщенням системи на вулиці. В такому випадку є можливий варіант, коли камера і основна плата Arduino, що відповідає за управління, розміщуються поруч, а компʼютер знаходиться в пункті охорони. Але так як плата Arduino і компʼютер зʼєднуються між собою за допомогою USB кабелю, а максимальна довжина такого кабелю згідно специфікації не більше 5 метрів, то таке розміщення може бути проблемним. Для того, щоб обійти це обмеження, можна зʼєднати декілька 5 метрових кабелів послідовно, використовуючи для зʼєднання USB хаби в якості повторювачів. Максимальна довжина такого складеного кабелю не повинна перевищувати 30 метрів [3].

5. Огляд досліджень та розробок

В даний час вже є багато розробок в області системи прийому відвідувачів. Щодня розробляються принципово нові системи або доопрацьовуються вже наявні для отримання кращого результату. Більшість розробок робиться в наукових центрах і застосовуються вони, в основному, в комерційних структурах. Отже, не вся інформація по новітнім розробкам знаходиться у вільному доступі з повним описом. Це ускладнює пошук інформації по досліджуваної темі [4].

5.1 Огляд міжнародних джерел

Міжнародні джерела в області систем відеоспостереження носять суто інформаційний характер. Отже, з них можна запозичити тільки ідеї для розробок даних систем.

В даному розділі ви знайдете різні цікаві схеми й проекти для платформи Arduino, їх клонів Freeduino, Seeeduino, а також плат RaspberryPi, Python та ін [5].

5.2 Огляд національних джерел

Національні джерела є більш інформативними, порівняно з зарубіжними. Величезна кількість проектів і напрацювань знаходиться у відкритому доступі і мають повний опис.

Данило Трабун Як конструктор для програмістів Arduino допомагає втілювати божевільні ідеї. У цій статті показані приклади використання Arduino – електронного конструктора для програмістів, який складно назвати просто іграшкою. З його допомогою сьогодні програмується одяг, супутники запускаються в космос і збираються дані з навколишнього середовища. Все це – з допомогою відкритого коду [6].

Портал, присвячений пристроям на платі Arduino, які люди роблять в домашніх умовах, наприклад кімнатний зволожувач з датчиком вологості, парктронік на Arduino з ручним регулюванням відстані, домашня метеостанція на базі Ардуїно, ультразвуковий далекомір [7].

Ардуїно, Андроїд або Айфон – що популярніше у світі?. Якщо Ви знаєте,що таке Айфон і Андроїд, але не знаєте, що таке Ардуїно, то ця стаття допоможе розібратися з цією платформою [8].

Всі свіжі новини про нові винаходи Arduino можна дізнатися тут. Це загальнодоступний портал про платформу апаратно-програмних засобів для побудови простих систем автоматики і робототехніки, орієнтований на непрофесійних користувачів [9].

5.3 Огляд локальних джерел

В рамках Донецького національного технічного університету (ДонНТУ) робіт в області Розробка системи прийому відвідувачів підприємства знайдено не було, але є статті, в яких студенти розробили свої пристрої на аналогічній платформі.

Денісюк Р. Е. Лазерний далекомір для систем машинного зору роботів/Збірник тез доповідей Другого регіонального науково-практичного семінару Теоретичні та практичні аспекти приладобудування. В цілому результати макетування підтверджують здатність запропонованого способу вимірювань, заснованого на техніці прямого перетворення частоти. Чутливість вимірювального каналу достатня для реєстрації відбитого лазерного сигналу. Рівень вихідного сигналу дозволяє надалі простими засобами визначати його фазу і обчислювати відстань до об'єкту [10].

Лоскутов Р. І. Створення квадрокоптера на основі Arduino. У цій статті Ви можете дізнатися о складових частинах і процесі складання літального апарату. Незважаючи на прохолодне ставлення з боку великої авіації, квадрокоптери здобули популярність серед авіамоделістів: простота в побудові та налагодженні, можливість серійного виготовлення простих і недорогих вузлів для складання, поява мікроконтролерів (спростили управління) зробили їх доступними кожному [11].

Горін Н. А. Розробка системи орієнтування в просторі з використанням модуля Arduino. У цій статті описана розробка електронного приладу, який відстежує за допомогою акселерометра і гіроскопа положення обʼєкта в просторі, що генерує керуючі сигнали для коригування роботи двигунів [12].

Павлій А. Н. Розробка пристрою реєстрації сигналів на основі апаратної обчислювальної платформи Аrduino. Такий пристрій зручно використовувати в якості цифрового осцилографа для сигналів датчиків напруги, струму, тахогенераторов [13].

6. Вибір та характеристика апаратних засобів

Для оптимальної роботи системи та її правильної функціональності необхідно вибрати апаратні засоби, які будуть відповідати поставленому завданню. Для системи прийому відвідувачів підприємства були обрані наступні апаратні засоби:

• Плата Arduino Uno;
• Модуль камери OV7670;
• Два резистора номіналом 4.7 кОм і три резистора – 10 кОм.

Дані елементи були обрані з ряду причин: низька собівартість, доступність і зручність в експлуатації. Розглянемо більш детально кожен елемент.

Ця плата була обрана з безлічі інших, так як є еталонною моделлю платформи Arduino. Її називають стандартною.

Опис основних елементів плати Arduino Uno представлено на малюнку 5.

Модуль камери OV7670

Наступним елементом розглянемо модуль камери OV7670, зображений на рис. 6. На даний момент ця камера є самим доступним модулем отримання зображення [14].

Модуль камери OV7670 формує зображення з максимальною роздільною здатністю 640 х 480 і може видати його зі швидкістю до 30 кадрів в секунду. Дана камера була обрана з співвідношення ціна-якість. Існують і інші камери для роботи з платформою Arduino, такі як VC0706, які по якихось параметрах краще, а за якими-то гірше обраної OV7670.

Інші елементи системи

До інших елементів, що використовуються в даній системі прийому відвідувачів відносяться набори перемичок мама-тато (рис. 7) і резисторів  (рис. 8), а так само кнопка (рис. 9). Для проекту знадобилося пʼять резисторів: два – 4,7 кОМ, три – 10кОм.

6.1 Підключення елементів системи

Для правильної роботи системи необхідно правильно підключити всі компоненти з урахуванням їх властивостей. Таким чином, розглянемо схему підключення модуля камери OV7670 до основної керуючої плати Arduino Uno на рис. 10. Слід зазначити, що напруга входів камери місцями відрізняється від напруги Arduino, тому потрібні резистори, які підключаються так, як показано на схемі. Це зʼєднання було реалізовано в програмі емуляторі Fritzing. Ця програма зручна у використанні, наочно показані всі входи/виходи плат і завдяки можливості вибирати кольори для провідників менше ймовірність заплутатися у фізичному підключенні, якщо використовувати цей емулятор. Крім того, існують ще декілька програм, які емулюють можливості плати. Наприклад, програма Virtual Breadboard [15]. Ця програма дозволяє писати код прямо в емуляторі і одразу дивитися, як він працює. Також, програма включає в себе відладчик і достатній набір компонентів для побудови різноманітних схем.

Можливість емуляції платформи Arduino дозволяє заздалегідь спроектувати систему і правильно обрати компоненти без покупки елементів.

На рис. 11 представлена фотографія із зображенням зібраної камери і Arduino. На ній видно, як всі 16 входів/виходів підключаються до основної керуючої платі Arduino Uno з допомогою перемичок мама-тато і чотирьох резисторів: два по 10 кОм і два по 4,7 кОм.

Далі розглянемо підключення кнопки до основної плати управління Arduino Uno, яке зображено на рис. 12.

При підключенні до кнопки Arduino необхідно використати резистор номіналом 10 кОм [16]. Справа в тому, що пін МК (у режимі входу) повинен мати заздалегідь відомий стан (1 0). Щоб привести пін у заздалегідь відомий стан, використовуються підтягаючі резистори. Вони бувають двох видів, верхньої та нижньої підтяжки. Верхня підтяжка (pull-up) підключається до плюса живлення, а нижня (pull-down) – до мінуса (GND). Слід зазначити, що в Arduino є вбудовані підтягуючі резистори, які можна включити програмно, але їх використовувати не радиться.

В даному випадку, коли кнопка відключена, пін буде підключений до землі через резистор, опір якого свідомо менше внутрішнього опору піна. У підсумку, при натиснутій кнопці, у нас буде стабільний сигнал (+5В), а при відпущеній кнопці буде стабільний нуль.

6.2 Програмування системи

Програми для Arduino пишуться на звичайній мові С/C++, доповненим простими і зрозумілими функціями для керування введенням/виведенням на контактах [17]. Для зручності роботи з Arduino існує безкоштовне офіційне середовище програмування Arduino IDE, яке не вимагає установки додаткового програмного забезпечення. Це спрощує роботу користувача з даною платформою. З її допомогою, завантаження нової програми Arduino стає дуже швидким, для цього необхідно підключити плату до компʼютера через USB. Також можлива робота через Visual Studio, Eclipse, інші IDE або командний рядок, але для цього потрібне використання додаткових плагінів.

Всі особливості зводяться до того, що мається набір бібліотек, що включає в себе деякі функції та обʼєкти. Код програми для Arduino називається скетч [18].

У скетчі обовʼязково повинні бути присутні дві основні функції setup() та loop(), без них програма не откомпилюється. Спрощено цикл програмування Arduino можна представити у наступній послідовності:

• підключення плати через USB порт до компʼютера;
• написання програми скетчу;
• вивантаження цього скетчу на плату через USB зʼєднання;
• виконання платою написаного скетчу.

Таким чином, використовуючи бібліотеки, функції та обʼєкти для програмування Arduino, реалізується необхідна система прийому відвідувачів підприємства. Крім того, для успішної роботи системи знадобилося розробити додаткову програму на мові Java в середовищі розробки Eclipse, яка виконує перетворення отриманої інформації з камери .bmp зображення.

Висновки

Проведено аналіз плат платформи Arduino і реалізована система прийому відвідувачів підприємства із застосуванням необхідних компонентів і плат, які оптимально підходять для даної системи з ряду причин. Вивчені і застосовані на практиці основи програмування під Arduino в середовищі розробки Arduino IDE. На практиці проведена перевірка працездатності даної системи. Поведено тестування проекту і отримані коректні результати.

При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: травень 2018 року. Повний текст роботи і матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.

Перелік посилань

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/...