«Ελεγχόμενη είσοδος και έξοδος στο χώρο του σχολείου με Arduino &Raspberry Pi»

Περίληψη

Το project πραγματοποιείται με τη χρήση Internet of Things, Arduino και Raspberry Pi. Αφορά την ελεγχόμενη είσοδο και έξοδο μαθητών, καθηγητών και επισκεπτών στο χώρο του σχολείου με τη χρησιμοποίηση καρτών RFID. Στην είσοδο θα υπάρχει οθόνη όπου θα αναγράφεται η ώρα και το όνομα του σχολείου. Όταν μέσω αισθητήρα θα αναγνωρίζεται άτομο να πλησιάζει, στην οθόνη θα αναγράφεται ένα μήνυμα καλωσορίσματος και η προτροπή της εισαγωγής της κάρτας του. Ένας RFID sensor θα αναγνωρίζει την κάρτα και θα ανοίγει ή όχι την πόρτα του σχολείου. Οι κάρτες είναι δύο ειδών, μία για τους καθηγητές και μία για τους μαθητές για διαφορετικούς χρόνους εισόδου. Η ώρα εισόδου και εξόδου στον χώρο θα καταγράφεται. Στην εισόδου του σχολείου θα υπάρχει κάμερα που θα παρακολουθεί και θα φωτογραφίζει τα άτομα που εισέρχονται στο χώρο. Για την είσοδο των επισκεπτών στο σχολείο θα υπάρχει κουδούνι. Για την υλοποίηση ως προς το Software χρησιμοποιείτε η Τεχνολογία Internet of Things MQTT Broker.

Λέξεις κλειδιά: Arduino, Raspberry Pi, κάρτα RFID..

Εισαγωγή

Το ενδιαφέρον μας για την ρομποτική και τις μελλοντικές εξελίξεις στο Internet of Things μας ώθησαν να ασχοληθούμε πιο ενεργά με τον τομέα. Αυτό είχε ως αποτέλεσμα τη δημιουργίας μιας ομάδα με το όνομα «Διαστημική Ρομποτική». Μέσα από αυτή την ομάδα και μετά από καταιγισμό ιδεών καταλήξαμε στη δημιουργία ενός ολοκληρωμένου έργου, τη κατασκευή δηλαδή μιας μακέτας, που αφορά την ελεγχόμενη είσοδο και έξοδο μαθητών, καθηγητών και επισκεπτών στο χώρο του σχολείου με τη χρησιμοποίηση καρτών RFID. Χρησιμοποιήθηκε τεχνολογία IoT, Arduino και Raspberry Pi.

2.Γενικά

Η Τάξη αποφάσισε να συμμετέχει στο 11ο Μαθητικό Συνέδριο Πληροφορικής Κεντρικής Μακεδονίας με κατασκευή που εξομοιώνει την ελεγχόμενη είσοδο και έξοδο στο χώρο του σχολικού κτηρίου με τεχνολογίες RFID, WIFI, ARDUINO ESP32, RASPBERRY PI, IoT. Η κατασκευή αποτελείται από την πόρτα με μηχανισμό που ανοίγει αφού πιστοποιηθεί ο χρήστης μέσω κάρτας με RFID τεχνολογία. Επίσης θα υπάρχει οθόνη που θα αναγράφεται η ώρα και το όνομα του σχολείου. Ένας αισθητήρας θα αναγνωρίζει εάν πλησιάζει κάποιο άτομο και τότε στην οθόνη θα αναγράφεται ένα μήνυμα καλωσορίσματος καθώς και η προτροπή για την εισαγωγής της κάρτας του. Η κάρτα θα αναγνωρίζεται από έναν RFID αισθητήρα. Η πόρτα του σχολείου θα ανοίγει ή όχι ανάλογα τα στοιχεία του κατόχου της κάρτας. Θα υπάρχου κάρτες καθηγητών και μαθητών που θα ανοίγουν σε διαφορετικό ωράριο την είσοδο. Θα υπάρχει καταγραφή της ώρας εισόδου και εξόδου στον χώρο. Μέσω μιας κάμερας θα ελέγχεται η είσοδος του σχολείου. Για την είσοδο των επισκεπτών στο σχολείο θα υπάρχει κουδούνι.

MQTT (Message Queuing Telemetry Transport)

Το λογισμικό χρησιμοποιεί πρωτόκολλα που βασίζονται πάνω στο φιλοσοφία Ιnternet Of Things. Ένα από αυτά είναι το MQTT (Message Queuing Telemetry Transport). Το MQTT πρωτόκολλο χρησιμοποιείται για την επικοινωνία μηχανής με μηχανή χωρίς την ανθρώπινη παρέμβαση. Ανταλλάσει μηνύματα για την μεταφορά δεδομένων σε απομακρυσμένες τοποθεσίες όπου απαιτείται “αποτύπωμα μικρού κώδικα”.

Βασικά χαρακτηριστικά του πρωτοκόλλου MQTT:

Ασύγχρονο πρωτόκολλο
Συμπαγή μηνύματα
Λειτουργία σε συνθήκες ασταθούς σύνδεσης της γραμμής μετάδοσης των δεδομένων

Υποστήριξη διαφόρων επιπέδων ποιότητας υπηρεσιών (QoS)
Εύκολη ενσωμάτωση νέων συσκευών

Εικόνα 1: MQTT πρωτόκολο

Arduino ESP32

Το Arduino είναι ένας μικροελεγκτής μονής πλακέτας (Single Board), δηλαδή μια απλή μητρική πλακέτα ανοικτού κώδικα με ενσωματωμένο μικροελεγκτή και εισόδους/εξόδους, η οποία μπορεί να προγραμματιστεί με τη γλώσσα Wiring (ουσιαστικά πρόκειται για τη γλώσσα προγραμματισμού C++ και ένα σύνολο από βιβλιοθήκες, υλοποιημένες επίσης στην C++). Το Arduino μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανάπτυξη ανεξάρτητων διαδραστικών αντικειμένων αλλά και να συνδεθεί με υπολογιστή.

Στην εργασία χρησιμοποιούμε το Arduino ESP32. Το Arduino ESP32 είναι ένας χαμηλού κόστους και εξαιρετικά χαμηλής κατανάλωσης μικροελεγκτής με ενσωματωμένο Wi-Fi, Bluetooth, Touch Sensor και αισθητήρα θερμοκρασίας. Έχει δημιουργηθεί και αναπτυχθεί από την εταιρία Espressif Systems, μια κινεζική εταιρεία που εδρεύει στη Σαγκάη.

Εικόνα 2: Arduino ESP32

Raspberry Pi

Το Raspberry Pi είναι ένας υπολογιστής σε μικρός μέγεθος (πιστωτικής κάρτας). Δημιουργήθηκε στο Ηνωμένο Βασίλειο από το Raspberry Pi Foundation για την ευκολότερη εκμάθηση της επιστήμης των υπολογιστών στα σχολεία. Κυκλοφόρησε για πρώτη φορά τον Φεβρουάριο του 2012. Τον Απρίλιο του 2014 η εταιρία κυκλοφόρησε τον μικρότερο και οικονομικότερο υπολογιστή τσέπης. Το μοντέλο ονομάστηκε Raspberry Pi Zero και είχε κόστος μόλις 5$. Τον Φεβρουάριο του 2016, κυκλοφόρησε στο Raspberry Pi 3 Model B το οποίο έχει ενσωματωμένο WiFi και Bluetooth και ακριβώς το ίδιο μέγεθος με το προηγούμενο και είναι το μοντέλο που χρησιμοποιούμε και εμείς στην εργασία μας.

Εικόνα 3 : Rapberry PI 3 Model B+

Το δημοφιλέστερο λειτουργικό σύστημα ονομάζεται Raspbian και φυσικά βασίζεται στο Linux. Επίσης υπάρχουν και άλλα λειτουργικά συστήματα ειδικά σχεδιασμένα για το Raspberry Pi όπως Ubuntu, Windows 10 IOT Core, RISC OS καθώς και διάφορες άλλες εκδόσεις που προσομοιάζουν πλήρως ένα media center σύστημα.

Node RED

Το Node-RED είναι ένα εργαλείο προγραμματισμού για τη διασύνδεση συσκευών υλικού, APIs και online υπηρεσιών με νέους και ενδιαφέροντες τρόπους. Παρέχει έναν επεξεργαστή διασύνδεσης ροών μεταξύ συμβάντων και συσκευών.

Εικόνα 4:Node-RED

6. Eclipse Mosquitto message broker

Το Eclipse Mosquitto είναι ένας διαμεσολαβητής μηνυμάτων ανοιχτού κώδικα που υλοποιεί τις εκδόσεις 3.1 και 3.1.1 του πρωτοκόλλου MQTT. Το Mosquitto είναι ελαφρύ και είναι κατάλληλο για χρήση σε όλες τις συσκευές χαμηλής ισχύος single-board (Arduino ΙοΤ), αισθητήρες για επικοινωνία με υπολογιστές ή κινητές συσκευές.

Εικόνα 5: Eclipse Mosquitto message broker

Τρόπος Λειτουργίας

Το Raspberry Pi εκτελεί το Node-RED που βοηθά στο σχεδιασμό των ροών δεδομένων από τους αισθητήρες, το Mosquito το οποίο είναι υπεύθυνο για την επικοινωνία μηχανής-σε-μηχανή, το MQTT Client που δέχεται και στέλνει δεδομένα στους αισθητήρες (Arduino ESP32), το WIFI AP για την ασύρματη σύνδεση των συσκευών, τον DHCP server για την επικοινωνία με το ΙΝΤΕΡΝΕΤ.

8.Κατασκευή Μακέτας

Η μακέτα είναι προσομοίωση της σχολικής εισόδου του κτηρίου μας. Η πόρτα ανοίγει και κλείνει με SERVO μετά από επιτυχή ανάγνωση της κάρτας εισόδου/εξόδου. Οι μηχανισμοί που χρησιμοποιήσαμε είναι για τη λειτουργία της πόρτας είναι SERVO.