1-урок

Цель

Создать собственную домашнюю «умную» метеостанцию, которая будет измерять точные показатели температуры, давления, влажности, уровня углекислого газа.

Ожидаемые результаты

После изучения проекта обучающиеся смогут:
— приобрести навыком сотрудничество с педагогом и работать в группе, в парах
— анализировать и обобщать полученную информацию
— будут сформированы ответственное отношение к учению
— будут сформированы коммуникативная компетентность в процессе образовательной деятельности
— научиться работать с устройством (плата) Arduino UNO
— приобрести базовые навыки автоматики и навыки работы с электронными приборами
— приобрести умение использовать готовые прикладные компьютерные программы
— ознакомятся термином метеорология, принципами работы метеостанций и основными показателями погодных условий
— самостоятельно строить логические рассуждения и делать выводы

Междисциплинарная связь: 

— Информатика (языки программирования, работа с ПК, Ардуино)
— Физика (работа с электроникой, автоматикой)
— Технология/Художественный труд (изготовление, установка и использование оборудования)
— География (основы работы метеостанций и ознакомления основными показателями погодных условий, основные показатели микроклимата в помещениях)

Руководство учителю

            В начале урока рекомендуется:
— для побуждения интереса к проекту, задать несколько «наводящих вопросов», таких как:
            — Вы знаете, что такое СМАРТ-функционалы? Перечислите
            — Что такое СМАРТ-метеостанция? Зачем она нужна? Есть ли у кого-то дома домашняя метеостанция?
            — Для чего нам нужно отслеживать прогноз погоды? Какие погодные условия в регионе, в котором Вы проживаете? и т.д.
— ознакомить учащихся с аспектами того, что такое метеостанция и принципом работы метеостанции
— ознакомить основными и базовыми показателями метеорологических измерений
— ознакомить учащихся с устройством Arduino UNO (описание, принцип работы)
— ознакомить программой Arduino IDE
— ознакомить учащихся основными Правилами техники безопасности при работе с электронными компонентами
— предоставить готовые кодовые значения и общие чертежи, и инструкцию того, как нужно соединить электронные узлы к плате Arduino
— после изготовления метеостанции, произвести проверку на исправность (работоспособность) уже готового устройства
— изготовить корпус для SMART-метеостанции с помощью:
            — 3D-принтера
            — Cтанок для работы с деревом и фанерами (перед началом работы объяснить учащимся основные правила техники безопасности работы со станком)
            — картонной или пластиковой коробки (рекомендуется)
— в заключение проведите всей командой метеорологические исследования на данном устройстве, и оцените учащихся по критериям оценок STEAM.KZ.

Введение

Глобальным фактором, который влияет на каждого человека – является погодные условия. В настоящее время, погодные условия можно посмотреть в интернете или посмотреть (прослушать) по ТВ. Но наиболее точную информацию вы можете получить через собственную SMART-метеостанцию.

            Почему бы и нет?!

Так давайте же, мы вместе сделаем компактный бытовой прибор – домашнюю SMART-метеостанцию. 

SMART-метеостанция – это будет ваш личный прибор, который позволит проводить метеорологические измерения и исследования, тем самым отслеживать текущую погоду на улице. SMART-метеостанция может проводить непрерывные наблюдение погодных условий.

Описание

Метеорология (от греч. metéōros — поднятый вверх, небесный, metéōra — атмосферные и небесные явления) — научно-прикладная область знания о строении и свойствах земной атмосферы и совершающихся в ней физико-химических процессах, другими словами наука об атмосфере и происходящих в ней процессах. [1]

Метеостанция — специальное учреждение, обладающее метеоплощадкой, удовлетворяющей определённым требованиям, на которой установлены стандартные приборы для непрерывных метеорологических измерений (наблюдений за погодой и климатом) в установленные сроки по единой методике в определённой последовательности, и передаче собранных данных в Гидрометцентр. [2]

Различают аналоговые и цифровые метеорологические станции.
На классической (аналоговой) метеостанции имеются:

Цифровые метеостанции:
1.      Дорожные метеорологические станции
2.      Лесные метеорологические станции
3.      Гидрологические метеорологические станции
4.      Бытовые домашние метеостанции

Бытовые домашние метеостанции появились на рынке сравнительно недавно. Функциональность домашней метеостанции схожа с метеорологической станцией, только обрабатывается гораздо меньше данных, которые поступают с одного или нескольких датчиков, устанавливаемых за окном и в других помещениях. Работают как от электрической сети, так и от сменных элементов питания.

            SMART-метеостанция – это интеграция домашней метеостанции с системой Smart Home.

Поскольку прогноз погоды от синоптиков не отличается большой точностью, и имеет значительные погрешности, а для корректной работы умного домашнего оборудования требуется точная и наиболее актуальная информация о состоянии погоды в данный момент времени. Только собственная метеостанция сможет обеспечить центральный мозг «умного дома» необходимыми сведениями в онлайн-режиме.

           Метеостанция для дома снабжена различными датчиками, которые устанавливаются в разных местах участка. Эти детекторы определяют следующие данные:
— Температуру воздуха
— Влажность
— Уровень углекислого газа
— Силу и направление ветра
— Уровень солнечного освещения
— Атмосферное давление.

Вся собранная внешними сенсорами информация отправляется на центральный блок, устанавливаемый внутри помещения. Он, в свою очередь, при помощи Wi-Fi или радиосвязи, соединяется с центральным хабом «умного дома». Внутри блока установлены специальные контроллеры, драйверы и программы для обработки получаемой информации. Электронный блок метеостанции отправляет переданные датчиками сведения на центральный хаб. На основании полученных от метеостанции сведений, главный контроллер «умного дома» самостоятельно, в соответствии с заложенным сценарием, отдаёт команды сопряжённым с ним приборам. При необходимости хаб зажигает освещение, включает или отключает сплит-системы, затеняет помещение шторами, и выполняет прочие команды. [3]

После того, как учащиеся соберут (сделают) собственную «умную» метеостанцию с помощью Ардуино, необходимо задать  оптимальные и допустимые нормы температуры, относительной влажности и уровня диоксида углерода в воздухе жилых помещениях. Для этого необходимо руководствоваться ГОСТ 30494-2011 РК. 

Согласно ГОСТ,  параметры микроклимата в помещениях:

Параметры на дисплее метеостанции	Температура воздуха, 0С (+/-30С)	Влажность воздуха, % (+/-15%)	Уровень углекислого газа, ppm
Оптимальные/допустимые параметры	не менее 18не более 28	не менее 30%и не более 60%	Качество воздуха высокое: менее 400 ppmКачество воздуха низкое: более 1000 ppmОптимальное: 800 ppm

При обеспечении показателей микроклимата в различных точках обслуживаемой зоны допускается:
— перепад температуры воздуха не более 2°С для оптимальных показателей, и 3°С — для допустимых;
— изменение относительной влажности воздуха — не более 7% для оптимальных показателей, и +(-)15% — для допустимых.

1.  Матвеев Л. Т. Основы общей метеорологии. Физика атмосферы. — 2-е изд. — Л.: Гидрометеоиздат, 1984. — С. 7–8. — 751 с.
2. Метеорологическая станция // Метеорологический словарь
3. https://newsmarthome.ru/umnye-gadzhety/umnaya-meteostantsiya

Экспериментальная часть

Вы сегодня ознакомились с такими понятиями как метеорология, метеостанция и Смарт-функционал.
Для изготовления собственного прибора на Ардуино, рекомендуем вам следовать инструкции.

Шаг 1. Изучить программу Arduino IDE

Шаг 2. Ознакомьтесь необходимыми материалами и инструментами:

№	Наименование	Рисунок
1	плата Аrduino UNO
2	датчик температуры и влажности DHT11
3	датчик барометрического давления GY-BMP180
4	датчик уровня углекислого газа MQ 135
5	GSM-модуль и действующая SIM-карта
6	блок питания 9V (2A)-2 шт
7	LCD дисплей 2004 с I2C
8	провода (папа-папа, мама-мама, мама-папа) — обратите внимание на различие