Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

ИНТЕРНЕТ-ВЕЩЬ «УМНАЯ БУТЫЛЬ»

Бондаренко Д.С. 1 Росляков А.В. 1
1 ФГБОУ ВО «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики»
Представлена практическая реализация интернет-вещи «умная бутыль» для «умного дома» или «умного офиса» в рамках концепции Интернета вещей в виде автономной беспроводной приставки для автоматического заказа бутыли с водой через Интернет, использующей современные инфокоммуникационные технологии. Произведен анализ и выбор датчика уровня воды в бутыли. Разработано аппаратное обеспечение приставки, в состав которого входит емкостной датчик уровня воды, контроллер, модуль Wi-Fi со встроенной антенной, аккумуляторная батарея, зарядный блок. Программное обеспечение контроллера приставки обеспечивает прием и обработку информации от датчика уровня воды, формирование информации об отсутствии воды в бутыли, организует энергоэффективный режим работы модуля беспроводной связи на базе технологии Wi-Fi для передачи информации через Интернет на сайт поставщика бутилированной воды для автоматического заказа новой бутыли. Приставка может использоваться совместно с диспенсерами/кулерами для воды любого типа, а также с обычными пластиковыми бутылями объемом 12 или 19 литров с ручной помпой. Изготовлен прототип приставки, определена продолжительность его работы от аккумуляторной батареи. Потенциальными потребителями приставки являются любые организации и фирмы, использующие в своих офисах и производственных помещениях бутилированную воду, а также население.
интернет-вещь
приставка «умная бутыль»
кулер/диспенсер для воды
датчик уровня воды
контроллер
сеть Wi-Fi
мобильное приложение
1. Росляков А.В., Ваняшин С.В., Гребешков А.Ю., Самсонов М.Ю. Интернет вещей. Самара: ПГУТИ, ООО «Издательство Ас Гард», 2014. 342 c.
2. Bevi. [Электронный ресурс]. URL: https://www.bevi.co/products/ (дата обращения: 01.09.2020).
3. Waterlogic. [Электронный ресурс]. URL: https://www.waterlogic.com/ (дата обращения: 01.09.2020).
4. Monolith – «умный» кулер для воды от российских разработчиков. [Электронный ресурс]. URL: https://vc.ru/flood/25584-monolith (дата обращения: 01.09.2020).
5. Умный Кулер. Комплексное решение по поставке питьевой воды в офисы. [Электронный ресурс]. URL: https://www.ibm.com/ru/watson-moscow-summit/assets/files/17.15_SmartCooler_IBM_18_april_final.pdf (дата обращения: 01.09.2020).
6. Умный кулер. [Электронный ресурс]. URL: https://homechain.ai/solutions/umnaya-kuhnya-wifi/umnyj-kuler (дата обращения: 01.09.2020).
7. Начало испытаний системы Умный кулер. [Электронный ресурс]. URL: http://internetofthings.ru/startups/51-nachalo-ispytanij-sistemy-umnyj-kuler (дата обращения: 01.09.2020).

Интернет вещей IoT (Internet of Things) [1], как новый этап развития Интернета и инфокоммуникационных технологий, в последние годы все чаще проявляется в виде реальных проектов «умного» офиса или «умного» дома, с помощью которых можно автоматизировать повседневные процессы управления офисным пространством или бытовыми приборами в жилом помещении. Технологии IoT объединяют офисную или бытовую технику, датчики и приборы в единую мультисистему, где они могут обмениваться информацией и взаимодействовать друг с другом, а также иметь выход на внешние интернет-приложения. И основой таких решений являются «умные» вещи, которые помогают человеку в его повседневной жизни как на работе, так и дома.

В настоящее время большинство работодателей для своих сотрудников вынуждены устанавливать в офисах водные охладители (кулеры) или дозаторы (диспенсеры) и систематически закупать для бутилированную воду. Все чаще кулеры/диспенсеры или просто бутыли с ручной помпой используют также в частных домах и квартирах. При этом одной из главных проблем являются возможные перебои с наличием в помещении питьевой воды. Для ее решения необходимо своевременно заказывать у поставщика новые бутыли с водой. В настоящее время эта задача решается в основном вручную с помощью телефонных звонков, СМС или электронных писем в адрес поставщика воды. При этом тратится время на заказ (часто трудно дозвониться до службы заказа), высока вероятность несвоевременного заказа, и, следовательно, возможны перебои с наличием питьевой воды в офисе/квартире.

Разработано аппаратно-программное решение «умной бутыли» в виде автономной беспроводной приставки к бутыли/кулеру/диспенсеру, которое позволяет полностью автоматизировать процесс контроля наличия бутилированной воды и обеспечить автоматический заказ новой бутыли у поставщика воды через Интернет. При этом осуществляется автоматическое уведомление пользователей об окончании воды в бутыли, упреждаются возможные перебои с наличием питьевой воды в офисе/квартире, полностью устраняются ручные операции при заказе воды, и тем самым освобождаются от этой работы административные непрофильные ресурсы организации. Приставка может служить основой для построения автоматической системы заказов бутылей для поставщиков бутилированной воды с возможностью для доступа к управлению поставками воды через мобильное приложение или веб-браузер, получения точных данных и формирования разнообразной статистики/аналитики/прогнозов потребления воды для точного планирования.

Общими недостатками известных конструкций простых водных кулеров/диспенсеров является отсутствие контроля за наличием воды в бутыли и автоматизации процесса заказа новой бутыли с водой. В то же время имеются зарубежные «умные» кулеры/диспенсеры для воды (например, Standup Bevi [2], Waterlogic [3] и др.), а также отечественные разработки [4-6], которые обеспечивают автоматический контроль наличия воды, а также заказ новых бутылей через Интернет. Однако такие промышленные продукты имеют высокую стоимость (иногда до десятков тысяч рублей), сложны в настройке и эксплуатации. Кроме этого, имеются технические предложения, основанные на дооборудовании существующих кулеров/диспенсеров с целью контроля наличия воды и автоматического заказа бутылей [7]. Эти решения более дешевые, но требуют конструктивного вмешательства в кулеры/диспенсеры, которое может быть выполнено только квалифицированными специалистами. К тому же они питаются от электросети 220 В или от блока питания кулера/диспенсера. Но самый главный их недостаток – они не могут работать с обычными пластиковыми бутылями емкостью 12 или 19 литров, оборудованными ручной помпой для воды.

Разрабатываемая приставка «умная бутыль» должна удовлетворять следующим требованиям:

1. Приставка должна выполнять автоматический заказ бутыли с водой через интернет-сайт поставщика бутилированной воды при понижении уровня воды в бутыли ниже установленного значения. Потребитель не должен принимать никакого участия в работе приставки, кроме установки ее на нужном уровне на бутыли и подключения внешнего источника питания при зарядке аккумуляторной батареи.

2. Приставка должна посылать оповещение пользователю о понижении уровня воды в бутыли ниже установленного значения через мобильное приложение.

3. Приставка должна иметь малые габариты и вес, чтобы не затруднять обычной эксплуатации пластиковой бутыли с ручной помпой для воды или промышленного кулера/диспенсера. Установка приставки не должна требовать вмешательства в конструкцию ручной помпы для воды или кулера/диспенсера.

4. Приставки должна иметь низкое энергопотребление, чтобы обеспечить возможность ее работы длительное время от внутренней аккумуляторной батареи. Аккумуляторная батарея приставки должна заряжаться от внешнего источника питания 5В.

5. Приставка не должна иметь никаких проводных соединений как с сетью связи, так и с сетью переменного тока 220В. Для выхода в сеть Интернет и связи с потребителем необходимо использовать беспроводное соединение по радиоканалу.

6. Приставка не должна иметь низкую стоимость для обеспечения ее коммерческой привлекательности для изготовителей и востребованности потребителями.

Материалы и методы исследования

Основной проблемой при разработке «умной бутыли» был выбор датчика, позволяющего измерять уровень воды в бутыли, так как он существенно влияет на конструкцию и принцип работы всей приставки в целом. При выборе типа датчика учитывались следующие требования:

1. Датчик должен определять понижение уровня воды в стандартных пластиковых бутылях объемом 12 или 19 литров ниже установленного значения.

2. Датчик не должен иметь прямого контакта с питьевой водой.

3. Датчик не должен нарушать целостности пластиковой бутыли с водой.

4. Датчик должен легко крепиться к бутыли.

5. Датчик не должен создавать помех в работе промышленно выпускаемых водных кулеров/диспенсеров и не требовать какого-либо соединения с ними.

6. Датчик должен иметь небольшое энергопотребление и работать от источника постоянного напряжения 3–5 Вольт.

7. Датчик должен иметь небольшие размеры и вес.

8. Датчик должен иметь небольшую стоимость.

Были проанализированы возможности использования для реализации «умной бутыли» датчиков 4 типов, с помощью которых можно определить уровень воды в бутыли: ультразвуковой, фотоэлектрический, тензометрический и емкостной.

1. Ультразвуковой датчик посылает ультразвуковые импульсы в направлении поверхности измеряемой среды, от которой они отражаются и снова принимаются приемником датчика. Встроенный в датчик микропроцессор измеряет промежуток времени между отправкой и приемом импульса, а затем по этому времени и скорости звука рассчитывает расстояние между мембраной сенсора и поверхностью измеряемой среды. При использовании с кулером/диспенсером такой датчик можно разместить на дно бутыли (рис. 1, а). При использовании бутыли с ручной помпой сложно разместить такой датчик (рис. 1, б). В любом случае звуковой волне понадобится два раза проходить через слой пластика, поэтому придется увеличивать мощность излучателя и чувствительность приемника. Вдобавок необходимо тщательно настраивать такое устройство, чтобы оно реагировало только на волну, отраженную от поверхности воды, а не от стенки бутыли.

2. Фотоэлектрический датчик прямого луча состоит из излучателя и приемника света, которые располагаются таким образом, чтобы максимальный объем излучаемого света попадал на приемник. Когда вода в бутыли перекрывает луч, приемник имеет один статус. Когда вода выходит за пределы луча, выходной статус сигнала приемника изменяется (рис. 1, в). Такие датчики сложны в реализации, требуют высокочувствительных приемников и могут работать некорректно при комнатном дневном освещении.

3. Тензометрический датчик может измерить вес установленной на него бутыли, через который косвенным образом можно измерять и объем воды в бутыли. Но такой датчик, размещаемый под бутылью, имеет большие габариты, и необходимо использовать две различные его конструкции для работы с кулером/диспенсером (рис. 1, г) и для бутыли с ручной помпой (рис. 1, д).

4. Емкостной датчик отслеживает изменение диэлектрической проницаемости и таким образом может определять наличие или отсутствие воды на уровне крепления его на бутыли (рис. 1, е). Такой датчик имеет малые габариты, дешевый, не требует сложных схем управления и позволяет создать полностью универсальную приставку, которая сможет работать с любыми кулерами/диспенсерами и даже просто с бутылями с ручной помпой.

missing image file missing image file

а) б) в)

missing image file missing image file

г) д) е)

Рис. 1. Варианты крепления различных типов датчиков уровня воды на бутыли с ручной помпой или кулере/диспенсере: а) и б) ультразвуковой; в) фотоэлектрический; г и д) тензометрический; е) емкостной

Результаты исследования и их обсуждение

Разработанная приставка представляет собой автономное устройство в виде аппаратно-программного комплекса, включающего емкостной датчик уровня воды, микроконтроллер с соответствующим программным обеспечением, модуль беспроводной связи Wi-Fi со встроенной антенной, аккумуляторную батарею и зарядный блок (рис. 2). Использование беспроводной технологии Wi-Fi обусловлено тем, что в настоящее время практически в каждом офисе или квартире имеется точка доступа Wi-Fi, подключенная к Интернету. Можно использовать и другие энергоэффективные технологии беспроводной связи (6LoWPAN, LoRaWAN, BLE и др.), но в этом случае потребуется наличие второго устройства этой же радиотехнологии, подключенного к сети Интернет, что усложнит и удорожит использование приставки в офисах и жилых помещениях.

missing image file

Рис. 2. Структурная схема приставки «умная бутыль»

Приставка, закрепленная на бутыли, периодически проверяет наличие воды на уровне своего крепления. Пользователь сам выбирает подходящую для него высоту измерения для обеспечения соответствующего упреждения опорожнения бутыли. Частота опроса датчика уровня воды контроллером может устанавливаться программно, и от нее зависит энергопотребление приставки. Как только датчик зафиксирует понижение уровня воды в бутыли ниже установленного значения, контроллер формирует http-сообщение и передает его с помощью модуля Wi-Fi через существующую в офисе/квартире точку доступа Wi-Fi в Интернет на сайт компании-поставщика бутилированной воды. Одновременно с этим передается сообщение об окончании воды в бутыли через специальное мобильное приложение пользователю.

Изготовлен прототип приставки с использованием бесконтактного датчика уровня жидкости XKC-Y25-NPN, платформы Arduino MKR1000 WI-FI, литий-полимерной аккумуляторной батареи 1700 мАч, 3,7 В. В состав платформы Arduino MKR1000 WI-FI входят микроконтроллер Atmel SAMD21 ARM Cortex-M0+, 48 МГц, 32 Кб SRAM, 256 Кб flash памяти, Wi-Fi-чип WINC1500, 2.4 ГГц, IEEE 802.11 b/g/n с низким энергопотреблением, внутренняя Wi-Fi-антенна PCB 1x1, крипточип ECC508 CryptoAuthentication для безопасной связи по Wi-Fi, схема зарядки, которая позволяет заряжать литий-полимерный аккумулятор с напряжением 3,7 В от внешнего источника питания с напряжением 5 В через встроенный порт USB. Программное обеспечение приставки реализовано с помощью среды программирования Arduino IDE. Проведенные теоретические расчеты и практические испытания подтвердили возможность автономной работы приставки от аккумуляторной батареи емкостью 1700 мАч в течение недели.

missing image file

Рис. 3. Крепление прототипа приставки на бутыли с водой

Корпус прототипа приставки имеет прямоугольную форму, внутри него находятся специальные места для крепления всех электронных компонентов. Приставка крепится к бутыли с водой с помощью эластичной ленты, к одному ее концу прикреплен крючок, который вставляется в паз на левой стенке корпуса (рис. 3). На правой стенке корпуса находится специальная выемка под крючок. Второй конец ленты закреплен на оси внутри корпуса, которая имеет зубчатое колесо, расположенное на нижней стенке, для ручного сматывания ленты внутрь корпуса приставки при ее транспортировке. Большинство элементов корпуса приставки напечатаны на 3D-принтере с использованием пластика PLA.

Выводы

Разработанная автономная беспроводная приставка к бутыли с водой удовлетворяет всем вышеперечисленным требованиям. Простота и дешевизна приставки позволяют реализовать интернет-вещь «умная бутыль», которая может быть использована совместно с различными решениями «умного дома» или «умного офиса». Потенциальными потребителями приставки являются любые организации и фирмы, использующие в своих офисах и производственных помещениях бутилированную воду, а также население. Приставка может использоваться совместно с диспенсерами/кулерами для воды любого типа, а также с обычными пластиковыми бутылями объемом 12 или 19 литров с ручной помпой.

Работа поддержана грантом по программе Фонда содействия инновациям «УМНИК-19» (Цифровая экономика) (117ГУЦЭС8-D3/56510 от 22.12.2019).


Библиографическая ссылка

Бондаренко Д.С., Росляков А.В. ИНТЕРНЕТ-ВЕЩЬ «УМНАЯ БУТЫЛЬ» // Современные наукоемкие технологии. – 2020. – № 10. – С. 22-26;
URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=38249 (дата обращения: 13.06.2024).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1,674