STEM освіта є надзвичайно актуальною у сучасному світі через швидкі зміни технологій і потреб ринку праці. Вона сприяє підготовці молоді до викликів XXI століття, де технології перетворюють всі сфери життя й економіки. Засвоєння STEM навичок у закладах фахової передвищої освіти дозволяє випускникам не лише адаптуватися до цих змін, а й активно впливати на майбутнє, розв'язувати глобальні проблеми та розробляючи інноваційні рішення. Тому впровадження STEM освіти в освітній процес є важливим кроком для підготовки компетентної, технологічно грамотної молоді, здатної до творчого й ефективного впливу на світову спільноту.
STEM освіта – це підхід до навчання, який акцентується на інтеграції науки, технологій, інженерії та математики в освітній процес. Освіта в галузі STEM спрямована на розвиток критичного мислення, проблемного вирішення, комунікаційних навичок і творчого підходу до вирішення завдань. Цей підхід стимулює здобувачів освіти до досліджень, експериментів та практичного застосування знань.
STEM освіта має велике значення в сучасному світі через швидкі технологічні зміни й виклики, з якими стикається суспільство. Вона підготовлює молодь до майбутніх професій, які потребують глибоких знань в науці, технологіях, інженерії та математиці. STEM освіта сприяє розвитку інновацій та конкурентоспроможності країни на міжнародному рівні, оскільки стимулює створення нових технологій, продуктів і рішень для сучасного глобального ринку.
Одним із способів залучення здобувачів освіти до STEM освіти є виконання практичної кваліфікаційної роботи, наприклад на тему «Розробка мікроконтролерного пристрою автоматичного поливу рослин»
Такий дипломний проєкт надає здобувачам освіти можливість застосувати знання з електроніки, програмування, сенсорних технологій та автоматизації у реальній ситуації. Це дозволяє їм побачити, як їхні теоретичні знання перетворюються на практичні навички.
У процесі розробки пристрою здобувачі освіти зіштовхуються з різноманітними технічними та програмними викликами, що спонукає їх до аналізу проблеми та пошуку оптимальних рішень.
Застосування таких проєктів, які мають практичний виховний елемент, сприяють підвищенню інтересу до науки й техніки серед студентів, особливо серед дівчат і молоді з менш розвиненими у STEM областях.
А найціннішим у реалізації таких проєктів є те, що здобувачі освіти, які беруть участь в подібних проєктах, набувають цінний досвід, який може виявитися корисним у майбутній кар'єрі в області інженерії, програмування, розробки технологій та управління проєктами.
Таким чином, виконання кваліфікаційно роботи на тему «Розробка мікроконтролерного пристрою автоматичного поливу рослин» відображає не лише технічний аспект, але й педагогічну цінність впровадження STEM освіти в освітній процес, сприяючи комплексному розвитку результатів навчання.
Автоматичні системи поливу рослин стають все більш популярними завдяки їхній ефективності та можливості зекономити воду. Розробка мікроконтролерного пристрою для автоматичного поливу рослин не лише сприяє автоматизації процесу, але і є відмінним прикладом впровадження STEM освіти в освітній процес.
Розробка мікроконтролерного пристрою для автоматичного поливу рослин вимагає комплексного підходу до вибору архітектури, що забезпечить надійність, масштабованість та енергоефективність системи. Розглянемо оптимальну архітектуру даного пристрою, що повинен включати такі ключові компоненти, як мікроконтролер, сенсори, актори, комунікаційні модулі, програмне забезпечення.
Мікроконтролер є центральним компонентом системи, який відповідає за збір даних від сенсорів, обробку інформації та керування акторами, наприклад Arduino Uno: простий у використанні, має велику кількість бібліотек і прикладів коду.
Сенсори вимірюють різні параметри, які впливають на полив, такі як вологість ґрунту, температура, вологість повітря та рівень освітленості.
Актори (помпа, клапани) здійснюють фізичний полив рослин на основі сигналів від мікроконтролера.
Також система потребує стабільного джерела живлення, яке може бути автономним для більшої мобільності. Як приклад можна використати або сонячні панелі з акумуляторами, або мережеве живлення.
Для віддаленого моніторингу та управління системою необхідно мати комунікаційний модуль. Можна обрати Wi-Fi модуль вбудований в ESP32 або окремий модуль ESP8266, або ж Bluetooth модуль, для локального управління через мобільний додаток.
Програмне забезпечення забезпечує логіку роботи системи, інтерфейс користувача та можливості моніторингу.
Вибір оптимальної архітектури системи для мікроконтролерного пристрою автоматичного поливу рослин включає використання сучасних мікроконтролерів, сенсорів, акторів та комунікаційних модулів. Це забезпечить надійну, економічну та енергоефективну систему, яка може працювати як автономно, так і з можливістю віддаленого управління та моніторингу.
Для розробки мікроконтролерного пристрою автоматичного поливу рослин, одним із оптимальних варіантів є використання Arduino Uno. Arduino Uno є популярною платформою серед любителів та професіоналів завдяки своїм простим у використанні функціям та широкому спектру доступних модулів.
Створення системи автономного поливу кімнатних рослин на базі Arduino Uno R3 потребує розглянути схемотехнічні рішення, які б охоплювали всі перераховані компоненти.
Система автономного поливу працюватиме таким чином: датчик вологості ґрунту постійно вимірюватиме рівень вологості ґрунту та передаватиме ці дані на мікроконтролер Uno R3. Коли рівень вологості стане нижчим за встановлений поріг, мікроконтролер активує реле, яке, своєю чергою, увімкне водяну помпу для поливу рослин. Коли рівень вологості досягне потрібного значення, мікроконтролер вимкне реле, зупиняючи помпу.
Рисунок 1. Структурна схема системи автоматичного поливу рослин
Було прийняте наступне схемотехнічне рішення:
1. З'єднання Arduino і компонентів: Arduino Uno R3 підключається до макетної плати. На макетній платі розміщуються всі електронні компоненти, включаючи датчик вологості, реле, і, за потреби, додаткові елементи для забезпечення стабільності й захисту.
2. Підключення датчика вологості: Датчик вологості підключається до входів аналогових або цифрових пінів Arduino залежно від моделі датчика.
3. Підключення реле і водяної помпи: Реле підключається до цифрового виходу Arduino. Водяна помпа підключається через реле, щоб керувати подачею води.
4. Живлення: Батарейний відсік забезпечує живлення для Arduino і всіх інших компонентів через макетну плату.
Така схема дозволяє створити просту, але ефективну систему поливу для кімнатних рослин, яка працює автономно і може бути легко адаптована для інших типів рослин або умов вирощування. Arduino Uno R3 разом з іншими компонентами забезпечують надійне та ефективне керування поливом, зберігаючи при цьому простоту у збиранні та налаштуванні системи.
Проєктування апаратної частини системи автоматичного поливу включає підключення всіх компонентів до мікроконтролера (Arduino Uno R3), забезпечення живлення системи та забезпечення керування помпою для поливу на основі даних від датчика вологості. Представимо апаратну схему, яка відображає всі необхідні з'єднання.
Пояснення до схеми підключення компонентів проєкту до плати Arduino Uno R3 (рис. 2.):
1. Живлення системи забезпечується батарейним відсіком (4xAA), який підключений до плати Arduino Uno R3 через Vin і GND.
2. Датчик вологості ґрунту постійно вимірює вологість ґрунту і передає аналоговий сигнал на вхід A0 плати Arduino Uno R3.
3. Arduino Uno R3 зчитує сигнал від датчика вологості й, якщо рівень вологості нижче заданого порогу, подає сигнал на цифровий вихід D7.
4. Реле 5 В отримує сигнал керування від плати Arduino Uno R3 через вхід IN і замикає контакт, включаючи водяну помпу.
5. Водяна помпа починає працювати й подає воду до рослин до тих пір, поки Arduino Uno R3 не вимкне сигнал на виході D7 (коли вологість ґрунту досягне необхідного рівня).
Рисунок 2. Принципова схема пристрою автономного поливу рослин
Ця апаратна схема забезпечує надійну та енергоефективну систему автоматичного поливу кімнатних рослин, яка легко монтується та може бути масштабована для більшого числа рослин або зон поливу.
У даному проєкті програма для мікроконтролера Atmega328 була створена в середовищі розробки Arduino IDE. Arduino IDE – це інтегроване середовище розробки, доступне для Windows, macOS та Linux. Вона заснована на мовах програмування C і C++ і призначена для створення та завантаження програм на платформи, сумісні з Arduino, а також на плати інших виробників.
Проєкт розробки мікроконтролерного пристрою для автоматичного поливу рослин є відмінним прикладом того, як здобувачі освіти можуть отримати цінний досвід, починаючи з базових принципів електроніки та програмування та закінчуючи практичним застосуванням цих знань.
Перше, що студенти навчаються у цьому проєкті, - це основи електроніки. Вони вивчають, як працюють різні компоненти, такі як резистори, конденсатори, транзистори та діоди, і як вони можуть бути зібрані разом для створення функціональних схем. Це надає їм можливість розуміти основні принципи, що лежать в основі багатьох електронних пристроїв, і розвиває їхні аналітичні та проблемно-орієнтовані навички.
Друге, що студенти вивчають, - це програмування. Вони отримують досвід у розробці програмного забезпечення для мікроконтролерів, що контролюють полив рослин. Вони вивчають основи програмування мовами, такими як C/C++ або Python, і навчаються створювати алгоритми для ефективного управління поливом залежно від вологості ґрунту, часу доби, інтенсивності сонячного світла тощо. Це сприяє розвитку їхніх логічного мислення та вміння розв'язувати складні завдання за допомогою програмування.
Третє, що надає цей проєкт, - це можливість практичного застосування отриманих знань. Студенти не лише теоретично знають, як працює їхній пристрій, а й можуть встановити його у реальному середовищі, взаємодіяти з ним і вдосконалювати його функціональність на практиці. Вони навчаються враховувати фізичні обмеження і вимоги до роботи пристрою в реальних умовах, що сприяє розвитку їхніх інженерних інтуїцій та навичок управління проєктами.
Отже, проєкт розробки мікроконтролерного пристрою для автоматичного поливу рослин не лише допомагає здобувачам освіти отримати технічні знання і навички у STEM областях, але й підтримує їхній розвиток в комплексі – від теоретичного розуміння до практичного застосування. Цей проєкт стає справжньою платформою для впровадження STEM освіти у сучасному освітньому процесі, сприяючи підготовці молодих людей до викликів технологічного світу.
Список літератури:
1. Software. Arduino - Home. URL: https://www.arduino.cc/en/software (date of access: 20.06.2024).
2. Программирование ардуино. Ардуино в Украине. URL: https://doc.arduino.ua/ru/prog/ (дата звернення: 20.06.2024).
|
Голосування 
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License
Знайшли помилку? Виділіть помилковий текст мишкою і натисніть Ctrl + Enter