Μελέτη υπάρχουσας κατάστασης – Ορισμός προβλήματος και ανάγκης:

Με αφορμή τη συσσώρευση σκουπιδιών γύρω από τους κάδους και τον μεγάλο όγκο απορριμμάτων που πετιούνται κάθε μέρα, σκεφτήκαμε να δημιουργήσουμε έναν έξυπνο κάδο, ο οποίος θα έχει τις ακόλουθες λειτουργίες.

Αρχικά, για να ανοίξει ο κάθε πολίτης θα πρέπει να έχει ένα QR code, με το οποίο θα κατεβάζει μια εφαρμογή. Με τη βοήθεια αισθητήρα υπερύθρων αναγνωρίζει πότε κάποιος πλησιάζει, ώστε αν έχει την εφαρμογή και είναι εγγεγραμμένος χρήστης της, να ανοίξει το καπάκι αυτόματα. Καθώς ο πολίτης απομακρύνεται, ο κάδος κλείνει μόνος του, αυτόματα.

Για να ενθαρρύνουμε τους ανθρώπους να χρησιμοποιούν τους κάδους αυτούς και έτσι να μειώνουν τα απορρίμματά τους θα υπάρχει ένα σύστημα επιβράβευσης μέσω της εφαρμογής που φτιάξαμε. Όσο λιγότερα σκουπίδια πετάει κάποιος στον κάδο μας, τόσους περισσότερους πόντους θα παίρνει. Όταν συγκεντρώσει ένα συγκεκριμένο ποσό από πόντους, θα μπορεί να τους εξαργυρώσει και να κερδίσει κάποιο δώρο.

Τέλος, η ενέργεια που θα καταναλώνει θα είναι από το φωτοβολταϊκό πάνελ που διαθέτει και τις ημέρες που δεν υπάρχει ήλιος θα χρησιμοποιεί επαναφορτιζόμενες μπαταρίες.

Αξίζει να σημειωθεί, ότι το σύστημά μας μετράει τις σακούλες με έναν αισθητήρα υπέρυθρων. Πήραμε αυτή την απόφαση, επειδή οι αισθητήρες που μετράνε το βάρος είναι αρκετά δυσεύρετοι. Έτσι, αναγκαστήκαμε να σκεφτούμε out of the box. Έτσι, κάθε φορά που περνάει μια σακούλα από το πάνω μέρος του κάδου, ο μετρητής που έχουμε αυξάνεται, όπως μπορείτε να δείτε και στον αλγόριθμό μας.

Το project αυτό είναι μια πρωτότυπη ιδέα, η οποία έχει ερευνηθεί, σχεδιαστεί και υλοποιηθεί από την ομάδα μας.

Μπορείτε να παρακολουθήσετε το βίντεό μας εδώ.

Η Ομάδα μας:

Η ομάδα αποτελείται (αλφαβητικά) από τους/τις:

• Κατερίνα Τσιρίμπη (Α’ Λυκείου)
• Μιχάλη Γρίβα (Α’ Λυκείου)
• Σταματία Χατζή (Α’ Λυκείου)

Η καθοδήγηση έγινε από τις:

• Μαρία-Αναστασία Μουστάκα
• Αγγελική Νικολάου

Φορέας: Κοινωφελές Ίδρυμα Υποτροφιών Ρόδου Εμμανουήλ Χριστ. Σταματίου & Μαίρης Σταματίου

Τα υλικά που θα χρειαστούν είναι:

1. Arduino Nano

2. Καλώδια

3. 2 Αισθητήρες απόστασης

4. Κινητήρας

5. Πλακέτα Δοκιμών Mini

6. Φωτοβολταϊκό πάνελ 2W, 9V, 250mA

7. Μπαταρία 6V, 2400mAh

8. Ρυθμιστής φόρτισης

9. Μετατροπέας DC-DC Step-Down 1.2-37V 2.2A

10. Wi-fi module

Ενδεικτικοί σύνδεσμοι για υπολογισμό εκτιμώμενου κόστους:

1. Arduino Nano: 9.90€

2. Αρσενικά σε αρσενικά καλώδια: 1.80€ Θηλυκά σε θηλυκά καλώδια: 1.80€

3. 2 Αισθητήρες απόστασης: 3.60€ * 2 = 7.20€

4. Κινητήρας: 3.90€

5. Πλακέτα Δοκιμών Mini: 1.60€

6. Φωτοβολταϊκό πάνελ: 7.40€

7. Μπαταρία: 13.00€

8. Ρυθμιστής φόρτισης: 13.00€

9. Μετατροπέας DC-DC Step-Down 1.2-37V 2.2A: 2.20€

10. Wi-fi module: 5.80€

Εκτιμώμενο κόστος: 61.50€

Το κύκλωμά μας:

Κάποια εξαρτήματα στο παραπάνω σχέδιο, όπως για παράδειγμα το Wi-fi chip, δεν είναι ίδια με αυτά που χρησιμοποιήσαμε, καθώς δε βρήκαμε εκείνα στο Fritzing. Τοποθετήσαμε όμως στο σχέδιο αυτό εξαρτήματα που εξυπηρετούν τον ίδιο σκοπό και ακολουθήσαμε τη συνδεσμολογία που έχουμε και στο σύστημά μας.

Αξίζει να αναφέρουμε ότι η πλακέτα step-down, που είναι στο κέντρο, χρησιμοποιείται, ώστε να μετατρέψει τα 12V, της μπαταρίας σε 5V που χρειάζεται το υπόλοιπο κύκλωμα. Κάτω αριστερά, βρίσκεται η πλακέτα του διαιρέτη τάσης που λειτουργεί ως βολτόμετρο και πληροφορεί το Arduino για την κατάσταση φόρτισης της μπαταρίας.

Στο αρχείο waste-management/Code/Algorithm.md μπορείτε να βρείτε τον αλγόριθμο που χρησιμοποιούμε, για να καταλάβετε τη χρησιμότητα του κάθε εξαρτήματος

Το σύστημα φόρτισης του συστήματός μας:

Τα στοιχεία του project:

• Μπαταρία: 1300mAh
• Κατανάλωση κυκλώματος: <50mA
• Παραγωγή φωτοβολταϊκού: 180mA

Αυτονομία – Συνεχής λειτουργία χωρίς φόρτιση

t = 1300mAh / <50mA => t = >26h

Σημείωση: Ο χρόνος αυτός μας παρέχει αυτονομία για μία περίπου ημέρα, χωρίς ηλιοφάνεια. Σε μία ρεαλιστική υλοποίηση θα έπρεπε να υπάρχει μπαταρία μεγαλύτερης χωρητικότητας, η οποία θα έδινε την απαιτούμενη αυτονομία, ανάλογα με τα επίπεδα ηλιοφάνειας της περιοχής. Επίσης, θα έπρεπε να προβλεφθεί μεγαλύτερο φωτοβολταϊκό στοιχείο.

Χρόνος φόρτισης χωρίς λειτουργία του συστήματος

Χρόνος φόρτισης σε ώρες = ονομαστική χωρητικότητα σε mAh / ρεύμα φόρτισης σε mΑ

t = 1300mAh / 180mA => t = 7,2h

Αν δεν υπάρχει ο μικροελεγκτής και το κύκλωμα, ο χρόνος φόρτισης της μπαταρίας είναι 7,2 ώρες.

Φόρτιση με λειτουργία του συστήματος

t = 1300mAh / (180mA – 50mA) => t = 1300mAh / 130mA => t = 10h

Χρειάζονται 10 ώρες σε πραγματική λειτουργία, για να φορτίσει πλήρως η μπαταρία.

 

Ο αλγόριθμός μας:

Αρχικά, στον κώδικά μας βρίσκονται οι ενσωματώσεις των βιβλιοθηκών, οι αρχικοποιήσεις των μεταβλητών και οι ονοματοδοσίες των pins του Arduino.

Στη μέθοδο setup() ορίζουμε αν το κάθε pin του Arduino χρησιμοποιείται ως είσοδος ή ως έξοδος και γίνεται και η διαδικασία σύνδεσης με το Wifi.

Το βασικό τμήμα του αλγορίθμου μας βρίσκεται στη μέθοδο loop().

Εκεί, αρχικά θέτουμε το trig pin του ultrasonic στο LOW, ώστε να το “καθαρίσουμε” από προηγούμενες μετρήσεις. Στη συνέχεια, το θέτουμε στο HIGH για 10 μs, ώστε να παράξει τη συχνότητα που χρειάζεται.

Μετά, θέτουμε το echo pin του ultrasonic στο HIGH, ώστε να λάβει τη συχνότητα αυτή. Τότε, υπολογίζουμε την απόσταση που έχει διανύσει ο ήχος με τον τύπο απόσταση = (χρόνος * ταχύτητα του ήχου) / 2. Επιπλέον, βρήκαμε πως ο ήχος ταξιδεύει με περίπου 340 μέτρα ανά δευτερόλεπτο. Το “2” βρίσκεται στον τύπο επειδή ο ήχος πρέπει να ταξιδεύει εμπρός και πίσω.

Έπειτα, επαναλαμβάνουμε αυτή τη διαδικασία και για τον δεύτερο ultrasonic.

Στη συνέχεια, τοποθετήσαμε μια δομή switch, η οποία έχει δύο καταστάσεις, την OPEN και την CLOSE. Στην CLOSE ο κινητήρας είναι στις 0 μοίρες, ώστε ο κάδος να είναι κλειστός. Αν η απόσταση του χρήστη στον κάδο είναι μικρότερη των 50 εκατοστών, τότε ο κάδος ανοίγει και πηγαίνει στην κατάσταση OPEN.

Αντίθετα, στην κατάσταση OPEN ο κινητήρας είναι στις 120 μοίρες, ώστε ο κάδος να είναι ανοιχτός. Επίσης, αν η απόσταση του εσωτερικού ultrasonic είναι μικρότερη ή ίση με 13 εκατοστά, το currentState γίνεται ίσο με 1, αλλιώς παίρνει την τιμή 0. Αν το currentState και το previousState έχουν διαφορετικές τιμές και αν το currentState ισούται με 1, τότε ο μετρητής που μετράει πόσες σακούλες έχει τοποθετήσει ο χρήστης αυξάνεται κατά 1.

Αν η απόσταση του χρήστη στον κάδο είναι μεγαλύτερη των 50 εκατοστών, τότε ο κάδος ανοίγει και πηγαίνει στην κατάσταση CLOSE.

Τέλος, θέλουμε να γνωρίζουμε την τάση φόρτισης της μπαταρίας, για να ξέρουμε πόσο φορτισμένη είναι η συσκευή μας. Γνωρίζουμε πως, η αναλογική είσοδος δέχεται από 0-5V χρησιμοποιώντας τις τιμές από 0-1023 αντίστοιχα. Για τον λόγο αυτόν χρησιμοποιήθηκε ως μετατροπέας AD (αναλογικού σήματος σε ψηφιακό) – ο δικής μας κατασκευής – διαιρέτης τάσης, ο οποίος εφαρμόζεται στην μπαταρία των 12V του project και σε πλήρη φόρτιση στέλνει στην αναλογική είσοδο 5V.

Έτσι, για τον υπολογισμό της τάσης φόρτισης της μπαταρίας χρησιμοποιούμε τον τύπο (τιμή αναλογικής μέτρησης * 12)/1023 προκειμένου να μετατρέψουμε αντίστροφα την τιμή της αναλογικής μέτρησης (0-1023) σε volt (0-12).

Μερικά στιγμιότυπα από το Serial Monitor

 

Ο κώδικάς μας:

Ο κώδικάς μας, καθώς και εκπαιδευτικό υλικό βρίσκεται στο αποθετήριό μας στο GitHub.

Η εφαρμογή μας:

Η εφαρμογή μας σχεδιάστηκε από το open source πρόγραμμα MIT App Inventor.

Σύνοψη των σελίδων μας:

Ο κώδικας της οθόνης καλωσορίσματος:

Ο κώδικας της log-in οθόνης για την είσοδο του (πιλοτικού χρήστη):

Ο κώδικας της κύριας οθόνης:

Το ημερολόγιο των εργασιών μας:

Σάββατο 11 Δεκεμβρίου 2021

Το Σάββατο αυτό, μας ανακοινώθηκε το θέμα του διαγωνισμού και συζητήσαμε τι είναι η κυκλική οικονομία, πως επηρεάζει το περιβάλλον και πως εμείς ως άτομα, αλλά και ως μελλονικοί επιστήμονες/επιχειρηματίες/εργαζόμενοι μπορούμε να βοηθήσουμε το περιβάλλον χρησιμοποιώντας την.

Σάββατο 18 Δεκεμβρίου 2021

Σκεφτήκαμε περιβαλλοντικά προβλήματα, ανταλλάξαμε ιδέες και δώσαμε πιθανές λύσεις.

Σάββατο 8 Ιανουαρίου 2022

Καταλήξαμε στην τελική ιδέα για τον διαγωνισμό και αρχίσαμε να σκεφτόμαστε πως μπορούμε να την υλοποιήσουμε.

Σάββατο 15 Ιανουαρίου 2022

Καταλήξαμε σε τίτλο για το έργο και αρχίσαμε να γράφουμε την περιγραφή του.

Σάββατο 22 Ιανουαρίου 2022

Αναλύσαμε και καταγράψαμε πως ακριβώς θα πρέπει να δουλεύει το σύστημά μας.

Σάββατο 29 Ιανουαρίου 2022

Κάναμε έρευνα για κάθε ένα στοιχείο του συστήματος.

Σάββατο 5 Φεβρουαρίου 2022

Αφού καταλήξαμε στο υλικό που θα χρειαζόμασταν, κάναμε έρευνα για να υπολογίσουμε το εκτιμώμενο κόστος του πρότζεκτ μας.

Σάββατο 12 Φεβρουαρίου 2022

Ασχοληθήκαμε με το GitHub και φτιάξαμε λογαριασμούς.

Σάββατο 19 Φεβρουαρίου 2022

Κάναμε έναν τελευταίο έλγχο και μερικές αλλαγές στα παραδοτέα μας και είμαστε έτοιμοι για την κατάθεση του πρότζεκτ μας στον διαγωνισμό.

Σάββατο 26 Φεβρουαρίου 2022

Σχεδιάσαμε τη συνδεσμολογία των κυκλωμάτων, και πιο συγκεκριμένα του Arduino, με τους αισθητήρες και τα ηλεκτρονικά.

Σάββατο 5 Μαρτίου 2022

Αναπτύξαμε τον αλγόριθμο του συστήματος.

Σάββατο 12 Μαρτίου 2022

Αφού ήρθε ο εξοπλισμός, ασχοληθήκαμε με το κομμάτι των φωτοβολταϊκών κυκλωμάτων. Υ.Γ. Οι κολλήσεις στα κυκλώματα έγιναν από την προπονήτριά μας, λόγω των υψηλών θερμοκρασιών που χρειάζονται για να γίνουν.

Σάββατο 19 Μαρτίου 2022

Ασχοληθήκαμε με την συνδεσμολογία των αισθητήρων.

 

Σάββατο 26 Μαρτίου 2022

Προγραμματίσαμε το κυρίως μέρος του κώδικά μας στο Arduino.

Σάββατο 2 Απριλίου 2022

Συνεχίσαμε τον προγραμματισμό του Arduino.

  

Σάββατο 9 Απριλίου 2022

Σχεδιάσαμε την εφαρμογή των χρηστών, μέσω του MIT App Inventor.

Σάββατο 16 Απριλίου 2022

Προγραμματίσαμε την εφαρμογή των χρηστών στο MIT App Inventor.

 

Σάββατο 30 Απριλίου 2022

Συζητήσαμε τις ιδέες μας σχετικα με το βίντεο που πρέπει να φτιάξουμε για τον διαγωνισμό.

Σάββατο 7 Μαΐου 2022

Σε αυτό το μάθημα καταγράψαμε τα λόγια που θέλουμε να ακουστούν στο βίντεό μας.

Σάββατο 14 Μαΐου 2022

Συναντηθήκαμε σε ένα πάρκο στο κέντρο της Ρόδου για να γυρίσουμε το βίντεό μας.

Σάββατο 21 Μαΐου 2022

Στο μάθημα αυτό αναλύσαμε τη χρησιμότητα του WordPress και σχεδιάσαμε πως θα μοιάζει η σελίδα μας.

Σάββατο 28 Μαΐου 2022

Έχουμε έτοιμα όλα τα παραδοτέα μας και απλώς βρεθήκαμε για κάποιες μικρές αλλαγές και διορθώσεις.

Εκπαιδευτικό Υλικό

ΠΗΓΗ ΔΙΔΑΣΚΑΛΙΑΣ

Ποια πηγή πρέπει να αναπτυχθεί;

• Διαφάνειες για το Arduino
• Διαφάνειες για τα φωτοβολταϊκά
• Οδηγίες για τη χρήση των ηλεκτρονικών
• Οδηγίες για τη χρήση των αισθητήρων

Οδηγίες για τη χρήση των αισθητήρων

Ποιος θα διδαχθεί από την πηγή;

Μαθητές Α’ τάξης λυκείου.

Τι προηγούμενη γνώση απαιτείται;

• Βασικές γνώσεις προγραμματισμού
• Βασικές γνώσεις ηλεκτρονικών
• Βασικές γνώσεις σχεδιασμού

ΧΡΗΣΗ ΤΩΝ ΠΗΓΩΝ

Σε ποιο πλαίσιο;

Δημιουργία έργου για τη συμμετοχή στον 4ο Πανελλήνιο Διαγωνισμό Ανοιχτών Τεχνολογιών στην Εκπαίδευση στην κατηγορία Ανεξάρτητη Ομάδα Βαθμίδας Λυκείου.

ΑΔΕΙΑ ΧΡΗΣΗΣ ΠΗΓΩΝ

Υπάρχουν οι άδειες χρήσης των πηγών που χρησιμοποιούνται και αναφέρονται στο αντίστοιχο σημείο του αποθετηρίου, όπου χρειάζεται.

ΜΟΡΦΗ ΠΗΓΩΝ

• Κώδικας: .ino
• Πληροφορίες: .md
• Διαφάνειες: .pdf

ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΤΟΥ PROJECT

Μιας και η ομάδα αποτελούνταν από πολύ λίγους μαθητές, αποφασίσαμε να συμμετέχουν όλοι τους σε όλες τις εργασίες που έπρεπε να γίνουν.

Παρακάτω βρίσκεται ένας πίνακας στον οποίο παρατίθενται οι εργασίες που χρειάστηκαν να υλοποιηθούν.

ΠΟΤΕ	ΤΙ	ΕΡΓΑΛΕΙΟ	ΠΟΙΟΣ
11 Δεκεμβρίου	έρευνα για την κυκλική οικονομία	διαφάνειες	όλοι
18 Δεκεμβρίου	έρευνα για λύσεις	διαδίκτυο	όλοι
8 Ιανουαρίου	η ιδέα μας	συζήτηση	όλοι
15 Ιανουαρίου	η ιδέα μας	LibreOffice	όλοι
22 Ιανουαρίου	το πρότζεκτ μας	συζήτηση	όλοι
29 Ιανουαρίου	ηλεκτρονικά στοιχεία	διαδίκτυο	όλοι
5 Φεβρουαρίου	εκτιμώμενο κόστος	διαδίκτυο	όλοι
12 Φεβρουαρίου	GitHub	GitHub	όλοι
19 Φεβρουαρίου	τελευταίες αλλαγές πρώτης φάσης	τα αρχεία μας	όλοι
26 Φεβρουαρίου	σχεδιασμός κυκλωμάτων	Fritzing	όλοι
5 Μαρτίου	αλγόριθμος	Arduino	όλοι
12 Μαρτίου	φωτοβολταϊκά κυκλώματα	διαφάνειες	όλοι
19 Μαρτίου	αισθητήρες	Arduino	όλοι
26 Μαρτίου	προγραμματισμός	Arduino	όλοι
2 Απρίλιου	προγραμματισμός	Arduino	όλοι
9 Απρίλιου	σχεδιασμός εφαρμογής	MIT App Inventor	όλοι
16 Απρίλιου	προγραμματισμός εφαρμογής	MIT App Inventor	όλοι
30 Απρίλιου	βίντεο	συζήτηση	όλοι
7 Μαΐου	βίντεο	συζήτηση	όλοι
14 Μαΐου	βίντεο	κινητό	όλοι
21 Μαΐου	WordPress	WordPress	όλοι
28 Μαΐου	τελευταίες αλλαγές	τα αρχεία μας	όλοι

Τα μελλοντικά μας σχέδια:

Σίγουρα το πρότζεκτ μας, όπως και κάθε πρότζεκτ άλλωστε, έχει περιθώρια βελτίωσης. Επόμενο βήμα για το σύστημα που έχουμε φτιάξει θα ήταν να δημιουργήσουμε μια βάση δεδομένων για να δέχεται περισσότερους χρήστες και όχι έναν πιλοτικό χρήστη που έχει τώρα. Επίσης, θα ήταν ωραίο να επεκτείνουμε την εφαρμογή μας και εμφανίζει στους οδηγούς των απορριμματοφόρων ποιοι κάδοι χρειάζονται άδειασμα. Επιπλέον, θα μπορούσε να υπολογίζει το βέλτιστο δρομολόγιο για τα απορριμματοφόρα. Τέλος, θα μπορούσαν οι δήμοι να καταργήσουν τους κλασικούς κάδους και να τους αντικαταστήσουν με τους δικούς μας, για να υιοθετηθεί ένα σύστημα που ακολουθείται σε πολλές χώρες του εξωτερικού, κατά το οποίο ο κάδος θα μετράει πόσες σακούλες σκουπιδιών έχει προσθέσει ο πολίτης για να βάλει ανάλογο φόρο. Έτσι, ο κάθε πολίτης θα σκεφτόταν διπλά τι θα πετάξει και θα αυξανόταν η ανακύκλωση.

Οι δυσκολίες που αντιμετωπίσαμε:

Το πρότζεκτ πραγματοποιήθηκε κατά τη διάρκεια του covid-19, οπότε ήμασταν αναγκασμένοι να κάνουμε πολλά μαθήματα εξ αποστάσεως, τα οποία φυσικά δε συγκρίνονται με τα δια ζώσης. Επειδή ήμασταν μια ομάδα τριών ατόμων, οι απαιτήσεις ήταν αυξημένες για τον καθένα μας και κάποιες φορές “πνιγόμασταν” σε μια εκτενή λίστα υποχρεώσεων. Ακόμη, παρόλο που είχαμε γνώσεις προγραμματισμού, η φετινή εμπειρία ήταν μια πρόκληση, γιατί χρησιμοποιήσαμε εξαρτήματα αυξημένης δυσκολίας.

Το αποθετήριό μας στο GitHub:

Στο αποθετήριό μας στο GitHub μπορείτε να βρείτε όλες τις πληροφορίες που παραθέτουμε εδώ, αλλά και:

• Τον κώδικά μας
• Εκπαιδευτικό υλικό, όπως για παράδειγμα τις διαφάνειες κάποιων μαθημάτων