Rail-makers: Αυτόματη λειτουργία ισόπεδης διάβασης τρένου με το micro:bit – Πανελλήνιος Διαγωνισμός Ανοιχτών Τεχνολογιών στην Εκπαίδευση

Σύντομη περιγραφή

Αυτόματη λειτουργία μιας σιδηροδρομικής διασταύρωσης (μονής γραμμής) με τις μπάρες να κλείνουν αυτόματα μόλις περνά το τρένο.

Θα χρησιμοποιηθεί ένας αισθητήρας μαγνητικού πεδίου (hall sensor) στις γραμμές για την ανίχνευση της διέλευσης του τρένου.
Οι μπάρες μπροστά από τη διασταύρωση με το δρόμο ανεβοκατεβαίνουν με τη βοήθεια ενός micro servo. Όταν οι μπάρες κλείνουν θα υπάρχει ηχητική ειδοποίηση (beeper) και φανάρια που θα αναβοσβήνουν για να ειδοποιούν τους οδηγούς των αυτοκινήτων στη διασταύρωση.
Για τη δοκιμή λειτουργίας αλλά και την υλοποίηση του έργου θα χρησιμοποιηθεί ένα οποιοδήποτε κοινό τρενάκι “παιχνίδι” με γραμμές. Στη μηχανή του τρένου θα τοποθετηθεί στο κάτω μέρος ένας μικρός μαγνήτης ώστε όταν η μηχανή περνά από τον αισθητήρα ανίχνευσης μαγνητικού πεδίου (hall sensor), αυτός να ενεργοποιείται δίνοντας κατάλληλο σήμα στο micro:bit.

ΥΛΙΚΑ

microbit
microbit expansion board
breadboard
power supply 3.3V/5v module for breadboard
1 micro servo sg90
hall sensor (3.3V)
2x LEDs 5mm
2x Αντιστάσεις 220Ω
passive buzzer
set jumper cables (m-m)
μαγνητάκι
μπαταριοθήκη 4xAA
προαιρετικά 3D εκτυπωτής για την κατασκευή (μπάρας, θήκης servo, κολόνας φαναριών), διαφορετικά χοντρό χαρτόνι ή ξύλο και κόλλα

Αναλυτική περιγραφή

Στις γραμμές και λίγο πριν τη διάβαση, έχει τοποθετηθεί ένας αισθητήρας μαγνητικού πεδίου (hall sensor) που ανιχνεύει το μαγνητάκι που έχει κολληθεί στη μηχανή του τρένου. Όταν το τρένο περάσει πάνω από τον αισθητήρα, αυτός ενεργοποιείται από το μαγνητάκι στη μηχανή. Το micro:bit όταν πάρει σήμα σε μια από τις ψηφιακές εισόδους του από τον αισθητήρα (μαγνητικού πεδίου), τότε:

 α)  ανάβει τα φανάρια στη διάβαση
 β)  ύστερα από 1 δευτερόλεπτο δίνει σήμα στο servo για να κατεβούν οι μπάρες
 γ)  αρχίζει να παράγει μέσω του beeper (passive buzzer) ηχητικό τόνο
 δ)  αρχίζει να αναβοσβήνει διαδοχικά τα φανάρια στη διάβαση
 ε)  μετά τη συνολική παρέλευση 5 δευτερολέπτων από το αρχικό σήμα, παύει ο ήχος,
     τα φανάρια σβήνουν και οι μπάρες ανεβαίνουν ξανά.

Τρόπος εργασίας

Οι μαθητές χωρίζονται σε 3 ομάδες 3-4 ατόμων.  Μελετούν τα φύλλα 
εργασίας (διαθέσιμα online) και παραλαμβάνουν τα απαραίτητα υλικά
για τη διεξαγωγή των δραστηριοτήτων τους.
Στην αρχή της διδακτικής ώρας γίνεται μια σύντομη εισαγωγή με τους
στόχους των δραστηριοτήτων.  Με τη βοήθεια του εκπαιδευτικού
επιλύονται τυχόν τεχνικά προβλήματα και παρέχεται βοήθεια στις ομάδες.
Στο τέλος της ώρας συζητούνται τα αποτελέσματα των εργασιών των ομάδων.
Τα φύλλα εργασίας αναρτώνται στο δικτυακό τόπο (4dim-kalam.weebly.com)
ώστε να γίνεται η κατάλληλη προετοιμασία των μαθητών και από το σπίτι.
(παρουσιάζονται παρακάτω).

Εκτιμώμενος χρόνος διεξαγωγής: 6-8 διδ. ώρες

ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΕΣ ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΕΣ ΕΡΓΟΥ

Χαρακτηριστικά micro:bit

Το micro:bit έχει τα παρακάτω φυσικά χαρακτηρισιτκά:

25 ξεχωριστά – προγραμματιζόμενα LEDs
2 προγραμματιζόμενα κουμπιά
Ακίδες (pins) για φυσικές συνδέσεις
Αισθητήρα φωτός και θερμοκρασίας
Αισθητήρα κίνησης (επιταχυνσιόμετρο και πυξίδα)
Ασύρματη επικοινωνία μέσω ραδιοκυμάτων και Bluetooth
διασύνδεση USB

LEDs
Τα LEDs ( Light Emitting Diodes) δίοδοι εκπομπής φωτός, χρησιμοποιούνται ευρέως σε πολλές συσκευές ως ενδεικτικές λυχνίες ή για φωτισμό. Το micro:bit διαθέτει 25 ξεχωριστά προγραμματιζόμενα LEDs που μας επιτρέπουν να εμφανίσουμε κείμενο, αριθμούς και εικόνες

Κουμπιά (Buttons)
Υπάρχουν δύο κουμπιά μπροστά στο micro:bit (εμφανίζονται με την επιγραφή Α και Β). Μπορούμε να ανιχνεύσουμε πότε αυτά τα κουμπιά πατήθηκαν, ώστε να εκτελείται κάποιος κώδικας στη συσκευή.

Ακροδέκτες σύνδεσης (PINs)
Υπάρχουν 25 εξωτερικοί ακροδέκτες στο κάτω μέρος του micro:bit που τα ονομάζουμε pins. Μέσω αυτών το micro:bit μπορεί να επικοινωνήσει ενσύρματα με τον εξωτερικό κόσμο. Μπορούμε έτσι να συνδέσουμε κινητήρες, LEDs, αισθητήρες και άλλες ηλεκτρικές και ηλεκτρονικές διατάξεις.

Αισθητήρας φωτός (Light Sensor)
Το micro:bit μπορεί αντιστρέφοντας τη λειτουργία των LEDs, να τα χρησιμοποιήσει ως είσοδο, ανιχνεύοντας την παρουσία φωτός.

Αισθητήρας θερμοκρασίας (Temperature sensor)
Αυτός ο αισθητήρας επιτρέπει στο micro:bit να ανιχνεύει την τρέχουσα θερμοκρασία σε βαθμούς κελσίου.

Επιταχυνσιόμετρο (Accelometer)
Το επιταχυνσιόμετρο μετρά την επιτάχυνση του micro:bit, άρα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να ανιχνεύει πότε το micro:bit μετακινηθεί.

Πυξίδα (Compass)
Η πυξίδα (μαγνητόμετρο) είναι ένας αισθητήρας που μπορεί να ανιχνεύει το μαγνητικό πεδίο της γης, επιτρέποντας έτσι να προσδιορίζουμε την κατεύθυνση που το micro:bit δείχνει. Η πυξίδα θα πρέπει πριν χρησιμοποιηθεί να βαθμονομηθεί (calibration).

Ραδιοεπικοινωνία (Radio)
To micro:bit διαθέτει δυνατότητα ασύρματης επικοινωνίας (μέσω ραδιοκυμάτων) με άλλες συσκευές ή άλλα micro:bit επιτρέποντας έτσι να κατασκευάσουμε παιχνίδια με πολλούς χρήστες κ.α.

Bluetooth
To micro:bit διαθέτει μία κεραία BLE (Bluetooth Low Energy) που του επιτρέπει να στέλνει και να λαμβάνει σήματα Blutooth. Έτσι μπορεί να επικοινωνήσει ασύρματα με υπολογιστές, τηλέφωνα, tamplets. Μπορούμε έτσι για παράδειγμα να ελέγξουμε το τηλέφωνό μας από το micro:bit ή να στείλουμε δεδομένα και εντολές στο micro:bit από το κινητό μας τηλέφωνο.
Πριν την επικοινωνία μέσω Bluetooth θα πρέπει να γίνει κατάλληλη ζεύξη των δύο συσκευών.

Διασύνδεση USB
Η διασύνδεση USB επιτρέπει στο micro:bit να συνδεθεί με τον υπολογιστή μας μέσω ενός micro-USB καλωδίου. Μέσω αυτού, μπορούμε να μεταφέρουμε τα προγράμματά μας στο micro:bit αλλά ταυτόχρονα από το ίδιο καλώδιο παρέχουμε την κατάλληλη τάση τροφοδοσίας για τη λειτουργία του micro:bit.