Το Εσπερινό ΕΠΑΛ Ιεράπετρας για ακόμα μια χρονιά καινοτομεί σχεδιάζοντας και εφαρμόζοντας έργα που στόχο έχουν οι μαθητές και οι μαθήτριες τους, να εξοικειωθούν με τις νέες τεχνολογίες και τους αυτοματισμούς συνδυάζοντας την έξυπνη τεχνολογία Internet of Things (IoT) το Διαδίκτυο των Πραγμάτων.
Το έργο μας απαρτίζεται από δύο (2) μέρη.
1ο Μέρος: Το Σχεδιασμό του Αυτοματισμού του Έξυπνου Εργαστηρίου της Πληροφορικής το οποίο θα συνεργαστεί και με το Έξυπνο Εργαστήριο Ηλεκτρολογίας και θα στέλνουν τα δεδομένα τους από τις συσκευές στον Web Server μέσω της εφαρμογής Node-RED και των δύο για την απομακρυσμένη διαχείρισή τους.
2ο Μέρος: Το στήσιμο του Εργαστηρίου Ανοιχτών Τεχνολογιών (Εργαστήριο Πληροφορικής) το οποίο θα παρέχει τις ιδανικές συνθήκες για τη διδασκαλία της πληροφορικής εμπλουτίζοντας έτσι τη διδασκαλία προγραμματισμού στο πεδίο του physical computing και της εκπαιδευτικής ρομποτικής.
Έτσι λοιπόν αγοράσαμε και εξοπλίσαμε το Εργαστήριο Πληροφορικής με τα Raspberry Pi 400 μαζί με LCD Touch Οθόνες, (στην μετέπειτα πορεία του εργαστηρίου μας θα τα χρησιμοποιήσουμε και ως ανεξάρτητα -φορητά PC’s με δυνατότητα αποσύνδεσης από το Δίκτυο για αυτονομία και χρήση τους μέσω Wifi).
Το Εργαστήριο Ηλεκτρικών Εγκαταστάσεων αγόρασε το έτοιμο κιτ αυτοματισμού Salus καθώς και το όργανο πιστοποίησης ηλεκτρολογικών εγκαταστάσεων.
ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΠΡΟΔΙΑΓΡΑΦΕΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟΥ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ
Ο εξοπλισμός που αγοράστηκε είναι ο εξής:
ΣΤΑΘΜΟΙ ΕΡΓΑΣΙΑΣ (x 3)
- Pi Display 7″ HDMI 1024×600 Resistive Touchscreen (x 3)
- USB Optical Mouse Raspberry Pi
- HDMI to MicroHDMI (x 3)
- Power Supply EU PLUG 5V 2A
- ΜΗΤΡΙΚΗ RASPBERRY PI 400 Personal Computer Kit
WEB SERVER
- Μητρική Raspberry Pi
- SD-Card Scandisk 32GB
- Power Supply – EU PLUG 5V 2A
ΔΙΚΤΥΟ
- 24 PORT GIGABIT ETHERNET RACKMOUNT SWITCH (το παρείχε ο εξοπλισμός του σχολείου μας)
ΣΤΗΣΙΜΟ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟΥ ΠΛΗΡΦΟΡΙΚΗΣ
Στα πλαίσια του μαθήματος της ειδικότητας Τεχνικός Η/Υ και Δικτύων Η/Υ του τομέα Πληροφορικής μιλώντας για τις τεχνικές προδιαγραφές του δικτύου του σχολικού εργαστηρίου καταφέραμε να κάνουμε τις καλωδιακές συνδέσεις για τα καλώδια UTP Cat 6, και να συνδέσουμε στο Gigabit Switch Ethernet τα Raspberry Pi 400 που θα λειτουργήσουν ως αυτόνομα PC για τις απαιτούμενες ανάγκες του Εργαστηρίου και τα συνδέσαμε στο Δίκτυο.
Σύνδεση καλωδίων
Rack – Κατανεμητής Σχολικού Εργαστηρίου
Σταθμοί Εργασίας – Raspberry Pi 400 (θα είναι κινητοί για να τοποθετούνται και σε άλλα εργαστήρια καθώς και σε αίθουσες διδασκαλίας για εργασίες με τους μαθητές)
Αναλυτική Περιγραφή για την Δημιουργία και Διαχείριση του Αυτοματισμού του Εργαστηρίου Πληροφορικής
Ο εγκέφαλος του συστήματος είναι το Raspberry Pi 4 που λειτουργεί ως Web Server. Το πρωτόκολλο επικοινωνίας με τα αισθητήρια Ανίχνευσης Κίνησης, Μαγνητική Επαφή, Φώτα, Θερμοκρασία – Υγρασία, και Σύστημα Συναγερμού, το οποίο θα χρησιμοποιήσουμε είναι το MQTT. ‘Ετσι, στο Raspberry λειτουργεί ένας mqtt broker μέσω του οποίου ανταλλάσσονται τα μηνύματα subscribe – publish από τους πελάτες. Επιπλέον λειτουργεί και το Node-RED που μας παρέχει την λογική και το όμορφο γραφικό περιβάλλον, μέσου του οποίου μπορούμε να αλληλεπιδράσουμε με το σύστημα.
Για να μπορέσει το Raspberry να δώσει εντολές σε διακόπτες ή να διαβάσει κάποιους αισθητήρες, απαιτείται ο μικροελεγκτής, ο οποίος θα δέχεται οδηγίες από το Raspberry Pi και θα βγάζει ή θα δέχεται τα κατάλληλα σήματα ώστε να επικοινωνεί με τις διάφορες συσκευές του Εργαστηρίου.
Για να υπάρχει επικοινωνία χωρίς καλωδιακή υποδομή, θα χρησιμοποιήσουμε ασύρματη επικοινωνία WiFi. Για τον λόγο αυτό, χρησιμοποιούμε το module Node-MCU το οποίο έχει τον ισχυρό μικροελεγκτή των 32bit ESP-32s με τον ακόμη πιο ισχυρό διπύρηνο επεξεργαστή. Μέσα στην Node-MCU υπάρχει ένα πρόγραμμα που λειτουργεί ως πελάτης mqtt και επιπλέον αποκωδικοποιεί τις εντολές και βγάζει τα κατάλληλα σήματα στους ακροδέκτες ή δέχεται δεδομένα σε ψηφιακή ή αναλογική μορφή και τα μεταφέρει στον broker. Όλα τα προηγούμενα προγραμματίζονται σε γλώσσα Wiring.
Το Node-MCU εξ’ ορισμού έχει εγκατεστημένη μια έκδοση της LUA. Επειδή το Node-MCU έχει περιορισμένο αριθμό ακίδων, χρησιμοποιούμε και ένα Arduino Uno, το οποίο συνδέεται με το Node-MCU μέσω του διαύλου I2C και λειτουργεί ως μονάδα επέκτασης θυρών (port expander). Το arduino μας δίνει επιπλέον 20 ακροδέκτες.
Σχεδίαση Έξυπνου Αυτοματισμού Εργαστηρίου Πληροφορικής
Οι μαθητές και μαθήτριες του Τομέα Πληροφορικής στην πρώτη φάση υλοποίησης του έργου κατάφεραν να σχεδιάσουν τη συνδεσμολογία των αυτοματισμών του έξυπνου εργαστηρίου Πληροφορικής.
Σχεδίαση Έξυπνου Αυτοματισμού Εργαστηρίου Ηλεκτρικών Εγκαταστάσεων
Συνδεσμολογία και Προγραμματισμός Αισθητηρίων για Εργαστήριο Πληροφορικής
Συνδεσμολογία πριν τις τελικές δοκιμές. Το ηλεκτρονικό κύκλωμα θα διοχετευτεί σε ένα ξεχωριστό κουτί στον τοίχο εισόδου του Εργαστηρίου Πληροφορικής για τον αυτοματισμό του.
ΤΟ ΕΞΥΠΝΟ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΩΝ
Μέσα από τον πίνακα διαχείρισης μπορούμε ανά πάσα στιγμή με την βοήθεια ενός υπολογιστή ή ενός smart phone , στην περίπτωση μας ένα raspberry pi να βλέπουμε την κατάσταση του εξοπλισμού μας και να την διαχειριζόμαστε. Οι συσκευές που προγραμματίστηκαν φαίνονται στο παρακάτω σχήμα και είναι όλες ασύρματης επικοινωνίας.
Το κομβικό υλικό του εξοπλισμού αποτελεί η πύλη UGE 600 που αποτελεί κόμβο επικοινωνίας για όλο τον εξοπλισμό. Συνδέεται αρχικά σε ένα router ώστε να ενεργοποιηθεί και μετέπειτα γίνεται προσθήκη του υπόλοιπου εξοπλισμού. Στο εργαστήριο μας θα γίνει έλεγχος των παρακάτω:
Α) παραβίαση χώρου με τον ανιχνευτή κίνησης.
Β) ένδειξη καπνού ή διαρροής νερού.
Γ) έλεγχος λέβητα θέρμανσης νότιου κτιρίου σχολείου με την βοήθεια του έξυπνου ρελέ που θα παρέμβει στον πίνακα του καυστήρα και θα συνδυαστεί με τον θερμοστάτη χώρου(με την δυνατότητα προγραμμάτων θερμοκρασιών που επιθυμούμε).
Δ) έλεγχος φωτισμού με την βοήθεια της έξυπνης πρίζας με προγράμματα χρονοδιακοπτών.
Εγκατάσταση Κεντρικής Πύλης στο Εργαστήριο Ηλεκτρικών Εγκαταστάσεων
ΒΗΜΑΤΑ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΚΕΝΤΡΙΚΗΣ ΠΥΛΗΣ UGE 600 ΣΕ ROUTER
ΕΝΕΡΓΟΠΟΙΗΣΗ ΠΥΛΗΣ UGE 600
ΕΙΚΟΝΑ ΠΙΝΑΚΑ ΕΛΕΓΧΟΥ ΜΕΤΑ ΤΗΝ ΕΝΕΡΓΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΗΣ ΠΥΛΗΣ UGE 600
ΣΑΡΩΣΗ ΓΙΑ ΝΕΟ ΕΞΟΠΛΙΣΜΟ ΣΥΝΔΕΣΗ ΑΙΣΘΗΤΗΡΙΩΝ-ΑΝΙΧΝΕΥΤΗΣ ΚΙΝΗΣΗΣ
ΑΝΙΧΝΕΥΤΗΣ ΚΑΠΝΟΥ
ΕΙΚΟΝΑ ΠΙΝΑΚΑ ΕΛΕΓΧΟΥ ΜΕΤΑ ΤΗΝ ΠΡΟΣΘΗΚΗ ΤΟΥ ΑΙΣΘΗΤΗΡΑ ΚΙΝΗΣΗΣ
ΠΡΟΣΘΗΚΗ ΑΣΥΡΜΑΤΟΥ ΘΕΡΜΟΣΤΑΤΗ
ΑΙΣΘΗΤΗΡΑΣ ΚΙΝΗΣΗΣ
Μερικά σημεία του προγράμματος τα δουλεύουμε ακόμα γιατί υπήρχε πρόβλημα με το κεντρικό switch του σχολείου μας, όσον αφορά το port forward που δεν μπορούσαμε να κάνουμε για τις συσκευές μέσα στο δίκτυο. Το πρόγραμμα Node-Red το δουλεύουμε αυτές τις ημέρες και ευελπιστούμε στον επόμενο διαγωνισμό να το ενσωματώσουμε κι αυτό το κομμάτι έργου για να μπορέσει όλη η εκπαιδευτική κοινότητα να έχει μια πλήρη εικόνα του έργου.
GitHub : https://github.com/esperinoepalierapetras/smartlaboratory