Đề tài Phòng học thông minh

Nội dung tài liệu: Đề tài Phòng học thông minh

1. ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC TÊN ĐỀ TÀI: PHÒNG HỌC THÔNG MINH Giáo viên hướng dẫn: Triệu Thị Chín Học sinh: 1. Nguyễn Thị Ngọc Anh – Lớp 11A5 2. Hoàng Anh Minh – Lớp 11A5 I. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI Quên tắt điện, quạt ở các phòng học là vấn đề rất thường xuyên xảy ra của học sinh. Dẫn đến việc lãng phí điện năng, có thể gây chập và cháy rất nguy hiểm. Bác bảo vệ mất rất nhiều công sức và thời gian để có thể bật tắt các thiết bị điện, mở đóng cửa Bên cạnh đó, trường đang tiêu thụ một lượng điện năng lớn, gây tốn kém chi phí. Việc sử dụng nguồn năng lượng này quá lớn sẽ làm trái đất nóng lên, tầng ozon xuất hiện nhiều lỗ thủng. Gây ra nhiều bệnh nguy hiểm cho con người như bệnh về da, về mắt, đường hô hấp, Hình 1. cháy minh họa Biện pháp tiết kiệm điện hiệu quả nhất dành cho trường học đang được người người quan tâm và đón đọc trong thời gian qua. Những cách làm đơn giản hay chỉ
2. 2 là thay đổi thói quen hàng ngày cũng sẽ giúp bạn tiết kiệm chi phí sinh hoạt cũng như bảo vệ môi trường, tiết kiệm nguồn tài nguyên cho đất nước cũng như nhân loại. Tiết kiệm điện luôn được nhà nước khuyến khích để góp phần bảo vệ môi trường, bảo vệ trái đất. Bởi điện năng đóng vai trò rất quan trọng trong cuộc sống. Theo chúng em được biết ở hầu hết các trường học hiện nay, công nghệ chủ yếu tập trung vào các thiết bị dạy học thông minh, chứ chưa chú trọng vào cơ sở vật chất. Sản phẩm của chúng em tập trung vào cải tiến những thiết bị: Cửa phòng học, thiết bị cảm biến, các thiết bị điện tự động đóng, ngắt hiện đại. Trước những yêu cầu thực tiễn khách quan đó, nhóm chúng em chọn đề tài “Phòng học thông minh” làm đề tài nghiên cứu. 1.1. Tổng quan về phòng học thông minh Thiết kế mô hình hệ thống lớp học thông minh sử dụng cảm biến hồng ngoại, cảm biến lửa, điều khiển các thiết bị mô phỏng như quạt, đèn, bơm, servo sử dụng mạch chính điều khiển là arduino. Đối với đối tượng là phòng học cho học sinh, sinh viên thì ở đây ta sẽ có các thiết bị như cửa, quạt, đèn, từ những thiết bị trên thì sẽ có sử dụng kèm với các loại cảm biến như cảm biến chuyển động, cảm biến nhiệt độ, cảm biến ánh sáng, đi kèm với hệ thống thì ta có thể bật tắt thiết bị theo ý muốn người dùng. Hình2. Hình 3. 1 Ý tưởng thiết kế ban đầu 1.2. Nguyên tắc hoạt động, vận hành của các mô hình, sản phẩm dự thi * Nguyên tắc hoạt động Cảm biến vật cản hồng ngoại có khả năng thích nghi với môi trường, có một cặp truyền và nhận tia hồng ngoại. Tia hồng ngoại phát ra một tần số nhất định, khi phát hiện 2
3. 3 hướng truyền có vật cản (mặt phản xạ), phản xạ vào đèn thu hồng ngoại, sau khi so sánh, đèn màu xanh sẽ sáng lên, đồng thời đầu cho tín hiệu số đầu ra (một tín hiệu bậc thấp). * Vận hành của các mô hình, sản phẩm dự thi Để kiểm chứng xem mạch báo cảm biến ánh sáng ta chỉ cần học sinh vào phòng học thiết bị sẽ nhận cảm biến sẽ tự bật bóng điện và bật quạt. khi học sinh ra khỏi phòng cảm biến sẽ tự tắt điện II. GIẢ THUYẾT KHOA HỌC VÀ MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU 1. GIẢ THUYẾT NGHIÊN CỨU * Giả thuyết 1: Tạo ra một sản phẩm tiện lợi trong nhà trường nhằm tiết kiệm điện và an toàn khi bảo vệ quên tắt điện. * Giả thuyết 2: Việc chế tạo ra thiết bị cảm biến ánh sáng thông minh sẽ rất hữu ích tại gia đình và khu dân cư khi hệ thống tự động bật và tắt điện. 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Thiết kế mô hình “Phòng học thông minh” gồm mô hình một phòng học, nguồn điện, an toàn và tiết kiệm. Cải thiện kinh tế cho cho người dân và trường học. Giúp tiết kiệm điện ra môi trường, an toàn cho các em học sinh và mọi người. Đặc biệt việc bật tắt bằng công tắc sẽ không an toàn khi tiếp xúc với ổ điện. 3. ĐỐI TƯỢNG VÀ KHÁCH THỂ NGHIÊN CỨU 3.1. Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu phòng học thông minh, phục vụ cho sự an toàn trong trường THPT Giáp Hải - TP Bắc Giang. 3.2. Khách thể nghiên cứu Các vấn đề sử dụng thiết bị cảm biến ánh sáng thông minh theo đúng chức năng thiết kế. 4. CÂU HỎI NGHIÊN CỨU Câu hỏi 1: Mục đích của việc tạo ra sản phẩm mô hình lớp học thông minh này là gì ? Câu hỏi 2: Khả năng áp dụng và tính hiệu quả của mô hình như thế nào 5. PHẠM VI NGHIÊN CỨU Thời gian nghiên cứu từ tháng 9/2024 đến tháng 11/2024. Áp dụng cho phòng học thông minh trong trường học và nhà ở tại khu dân cư. 6. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Nhằm đáp ứng mục tiêu nghiên cứu nêu trên và có cơ sở bảo vệ đề ra, thực hiện các nhiệm vụ chính sau: Phân tích và xử lí thông tin: Tổng quan có chọn lọc những nguồn tư liệu thông tin để chế tạo sản phẩm nghiên cứu. 3
4. 4 Làm rõ, đánh giá, xác định khả năng tác dụng của sản phẩm “Phòng học thông minh” đối với người sử dụng. Có khả năng ít hay nhiều, thường xuyên hay gián đoạn. Đề xuất những giải pháp: Bảo đảm hiệu quả vai trò của sản phẩm. Tối ưu hóa tài nguyên: Hệ thống thông minh có thể quản lý năng lượng và tài nguyên vật lý của phòng học, giúp tiết kiệm chi phí và làm giảm tác động đến môi trường. 7. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Phương pháp điều tra khảo sát. Phương pháp thu thập thông tin. Phương pháp phân tích xử lí số liệu thông tin. Phương pháp quan sát. Phương pháp chuyên gia. Phương pháp khoa học thực nghiệm. Phương pháp đánh giá nhanh có sự tham gia của người sử dụng sản phẩm. 8. CẤU TRÚC ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU Nội dung của báo cào này có bố cục được chia thành 7 phần: Phần I: Giới thiệu tổng quan về vấn đề nghiên cứu Giới thiệu về đề tài nghiên cứu. Phần này trình bày lý do chọn đề tài, mục tiêu nghiên cứu, đối trượng và khách thể nghiên cứu, câu hỏi, giả thuyết và phạm vi nghiên cứu, nhiệm vụ nghiên cứu, phương pháp của đề tài và bố cục nghiên cứu. Phần II: Giả thuyết khoa học và mục đích nghiên cứu Tổng quan về cơ sở lí luận và thực trạng về vấn đề nghiên cứu. Từ đó đề xuất các biện pháp, giải pháp và mô hình nghiên cứu. Phần III: Giới thiệu tóm tắt nội dung Chương này trình bày kết quả thử nghiệm và khuyến nghị kết quả nghiên cứu. Phần IV: Phân tích số liệu – kết quả và thảo luận Phân tích dữ liệu qua các lần thử nghiệm Phần V: Kết luận Kết luận – khuyến nghị Phần VI: Tài liệu tham khảo Tài liệu tham khảo nghiên cứu Phần VII: Phụ lục III. GIỚI THIỆU TÓM TẮT NỘI DUNG A. CƠ SỞ KHOA HỌC TÁC DỤNG CỦA SẢN PHẨM ĐỐI VỚI NGƯỜI SỬ DỤNG Sản phẩm nhỏ gọn thuận tiện có thể để đúng nơi quy định trong hệ thống trường học, khu chung cư, hộ gia đình, đáp ứng đủ điều kiện về việc cảm biến ánh sáng và nhiệt độ môi trường để bật quạt. 4
5. 5 Dòng điện nhỏ không gây nguy hiểm, phục vụ tối đa cho người sử dụng khi có hoả hoạn một cách hiệu quả nhất. Sử dụng điện áp vào 5VDC từ USB nên rất an toàn khi sử dụng. Có thanh điều chỉnh để phù hợp với kích thước của nhiều loại pin. Có hiển thị đèn báo trạng thái khi sạc Pin (pin này có thể sạc được và tái sử dụng). * Nguyên tắc hoạt động Cảm biến vật cản hồng ngoại có khả năng thích nghi với môi trường, có một cặp truyền và nhận tia hồng ngoại. Tia hồng ngoại phát ra một tần số nhất định, khi phát hiện hướng truyền có vật cản (mặt phản xạ), phản xạ vào đèn thu hồng ngoại, sau khi so sánh, đèn màu xanh sẽ sáng lên, đồng thời đầu cho tín hiệu số đầu ra (một tín hiệu bậc thấp). Cảm biến ánh sáng sẽ cảm nhận khi không có người sẽ tự động mở cửa, bật đèn, bật quạt .Khi không có người sẽ tự động tắt đèn tắt quạt. * Vận hành của các mô hình, sản phẩm dự thi Để kiểm chứng xem mạch báo cảm biến ánh sáng ta chỉ cần học sinh vào phòng học thiết bị sẽ nhận cảm biến sẽ tự bật bóng điện và bật quạt. khi học sinh ra khỏi phòng cảm biến sẽ tự tắt điện khi học sinh bước ra khỏi phòng cảm biến sẽ tự tắt điện và tắt quạt. B. ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG TÁC DỤNG CỦA SẢN PHẨM ĐẾN NGƯỜI DÙNG 1.Vật liệu làm sản phẩm 5
6. 6 STT Tên vật liệu SL STT Tên vật liệu SL Phòng mô hình (tấm fomex + 1 1 10 1 gỗ) Dây cắm borad mạch. 2 Contac nguồn 3A 1 11 Đoạn dây điện 10cm. 5 3 Cảm biến hồng ngoại 1 12 Dây thép 1 4 Cổng usb sạc Pin 1 13 Tua vít 1 Ổ pin 3a điện áp vào 5VDC 5 1 14 Kiềm 1 (nguồn usb – DC) 6 Mạch cảm biến 1 15 Mạch bảo vệ sạc cho pin 1 7 Bóng đèn led 1 16 Keo 502 1 Relay 1 kênh 5v Điều khiển 8 1 đóng ngắt điện 9 Quạt gió 1 a. Arduino nano Board Arduino Nano V3.1 LGT8F328P đây là phiên bản chip nội địa kế thừa và cải tiến từ phiên bản Nano v3.0 Atmega328 Board mạch này có đầy đủ các chức năng chính trong thế giới arduino vì vậy có thể thoải mái sử dụng các thư viện được thiết kế cho nền tảng arduino. Sơ đồ, code, giao diện lập trình giống nhau không thay đổi nhiều. Hình 3. 2Arduino nano 6
7. 7 b. Cảm biến ánh sáng quang trở Hình 3. 3 Cảm biến ánh sáng quang trở Cảm biến cường độ ánh sáng quang trở rất nhạy cảm với cường độ ánh sáng môi trường thường được sử dụng để phát hiện độ sáng môi trường xung quanh và cường độ ánh sáng. Khi cường độ ánh sáng môi trường xung quanh bên ngoài vượt quá một ngưỡng quy định, ngõ ra của module D0 là mức logic thấp. Ngoài ra còn có ngõ ra Analog ở chân A0 để xử lí mức độ ánh sáng. Cảm biến cường độ ánh sáng phát hiện cường độ ánh sáng, sử dụng bộ cảm biến photoresistor loại nhạy cảm, cho tín hiệu ổn định, rõ ràng và chính xác hơn so với quang trở độ nhạy có thể tùy chỉnh. Thiết kế đơn giản nhưng hiệu quả và độ tin cậy cao, độ nhiễu thấp do được thiết kế mạch lọc tín hiệu trước khi so sánh với ngưỡng. Thân thiện với người dùng hơn khi hổ trợ cả 2 dạng tín hiệu ngõ ra dạng số (tín hiệu 0 1) và dạng analog. c. Cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11 Hình 3. 4 Cảm DHT11 Cảm biến độ ẩm nhiệt độ DHT11 ra chân được tích hợp sẵn điện trở 5,1k giúp người dùng dễ dàng kết nối và sử dụng hơn so với cảm biến DHT11 chưa ra chân, module lấy dữ liệu thông qua giao tiếp 1 wire (giao tiếp 1 dây). Bộ tiền xử lý tín hiệu tích hợp trong cảm biến giúp bạn có được dữ liệu chính xác mà không cần phải qua bất kỳ tính toán nào. Module được thiết kế hoạt động ở mức điện áp 5VDC. Thông số kỹ thuật: Điện áp hoạt động: 5VDC Chuẩn giao tiếp: TTL, 1 wire. Khoảng đo độ ẩm: 20%-80%RH sai số ± 5%RH Khoảng đo nhiệt độ: 0-50°C sai số ± 2°C 7
8. 8 Tần số lấy mẫu tối đa 1Hz (1 giây / lần) Kích thước: 28mm x 12mm x10m Ổn định khi sử dụng trong thời gian dài b. Ổ pin 3a (nguồn usb – DC). Hình 3. 5 . Ổ pin 3a (nguồn usb – DC). Sử dụng điện áp vào 5VDC từ USB nên rất an toàn khi sử dụng Có thanh điều chỉnh để phù hợp với kích thước của nhiều loại pin Có hiển thị đèn báo trạng thái khi sạc Pin Thông số kỹ thuật Điện áp vào: 5VDC (1-3A) Điện áp ra: 4.2V 1000mA SKU:7MU5 o Model: YH-18650-2 o Sạc cùng lúc 2 pin o Trọng lượng: 60g SKU: KLEB o Model: YH-18650-4 o Sạc cùng lúc 4 pin o Trọng lượng: 80g Kiểu cấp nguồn: dây USB 30cm Sử dụng sạc pin: 18650/ 14500 / 23500 và các loại pin Lithium khác Nhiệt độ làm việc: <70°C 8
9. 9 c. Relay 1 kênh 5v Hình 3. 6 Relay 1 kênh 5v Thông số kỹ thuật Mức logic : 0v (gnd) Điều khiển đóng ngắt điện dc hoặc ac, bạn có thể điều khiển tải ac 220 v 10a Có tiếp điểm thường mở và thường đóng: o no : thường mở (khi kích tiếp điểm đóng lại) o Com : chung Nc : thường đóng (khi kích tiếp điểm mở ra) Đầu vào: - điện áp nuôi : 5vdc - tín hiệu vào điều khiển: 0v + tín hiệu là 0: thì relay đóng + tín hiệu là 1 : thì relay mở Đầu ra: + tiếp điểm relay 220v 10a (lưu ý tiếp điểm , không phải điện áp ra) + nc : thường đóng + no: thường mở + com: chân chung d. Quạt Hình 3. 7 Quạt hút 9
10. 10 Thông số kỹ thuật Điện áp: 5VDC / 12VDC (tùy chọn) Đòng điện: o 5VDC: 0.27A o 12VDC: 0.26A Tốc độ: o 5VDC: 5000RPM o 12VDC: 6000RPM Bạc lót đồng Độ ồn: ~ 28 dBA Kích thước: 50x50x20mm (dài x rộng x dày) Trọng lượng: 30g 3.4. Khả năng áp dụng của sản phẩm - Sản phẩm có dễ áp dụng - Không cần nhiều kinh phí thực hiện - Các linh kiện và vật liệu rất dễ mua - Công nghệ chế tạo có sẵn trong nước - Sản phẩm có khả năng được mở rộng sang các nhóm đối tượng khác hoặc địa phương khác Có thể áp dụng ở chính ngôi nhà chúng ta đang ở hay những nơi công cộng như trường học, công sở, các trung tâm thương mại đến các vùng nông thôn. 3.5. Hiệu quả đạt được (kết quả) của sản phẩm Mô hình phòng học thông minh sau khi được thử nghiệm thì đạt được hầu hết các kết quả ta mong muốn như các cảm biến hoạt động liên tục đạt độ chuẩn xác cao các thiết bị hoạt động tốt. Dựa trên nguyên lý ta thiết kế chạy thử nghiệm nhiều lần. Khi học sinh đi qua cảm biến sẽ mở cửa và bật đèn, quạt 2. Những điểm mới của đề tài, tính ứng dụng, tính sáng tạo và tính hiệu quả * Tính ứng dụng cao - Sản phẩm có thể dễ dàng ứng dụng. + Không cần nhiều kinh phí thực hiện. + Các linh kiện và vật liệu rất dễ mua, một số vật liệu có thể tận dụng từ vật liệu phế thải, thân thiện với môi trường. + Công nghệ chế tạo có sẵn trong nước. + Sản phẩm có khả năng được mở rộng sang các nhóm đối tượng khác hoặc địa phương khác. 10
11. 11 Có thể áp dụng ở chính ngôi nhà chúng ta đang ở, ngay tại trường THPT Giáp Hải của chúng em, hay những nơi công cộng khác như, công sở, các trung tâm thương mại đến các vùng nông thôn hay những khu rừng có nguy cơ dễ cháy. * Tính mới Đối với đối tượng là phòng học cho học sinh, sinh viên thì ở đây ta sẽ có các thiết bị như cửa, quạt, đèn, máy chiếu, từ những thiết bị trên thì sẽ có sử dụng kèm với các loại cảm biến như cảm biến chuyển động, cảm biến nhiệt độ, cảm biến ánh sáng, đi kèm với hệ thống thì ta có thể bật tắt thiết bị theo ý muốn người dùng. * Tính sáng tạo + Tạo ra những giá trị mới về vật chất hoặc tinh thần; Có thể triển mạnh mẽ hệ thống giáo dục; Sự sáng tạo mà đề tài này mang lại là có thể giúp cho tiếp cận được hệ thống có tính ứng dụng cao mà không cần phải bỏ ra quá nhiều chi phí. + Từ ý tưởng sản phẩm này chúng ta có thể phát triển thêm nhiều tính năng mới dựa trên hệ thống có sẵn. * Tính hiệu quả của sản phẩm - Vấn đề mà sản phẩm giải quyểt được chính là tạo ra một hệ thống thiết bị cảm biến đơn giản mà học sinh có thể làm được, cảm biến có thể phát hiện được học sinh và đưa ra quyết định bật hoặc tắt đèn, quạt. - Khả năng áp dụng của sản phẩm này khá hiệu quả, kết quả đã được kiểm chứng qua các lần thử nghiệm. - Giải quyết được khó khăn và thách thức trong việc quên tắt quạt, điện, đóng cửa phòng học, hạn chế tối đa các vấn đề liên quan tới hoả hoạn. Sản phẩm trước khi sử dụng Sản phẩm khi sử dụng Hình 12. Phòng học thông minh 3. Hướng phát triển - Từ ý tưởng sản phẩm này chúng ta có thể phát triển mở rộng thêm nhiều tính năng mới dựa trên hệ thống có sẵn, như là có thể tự tắt điện khi phòng đủ ánh sáng và tự tắt quạt khi phòng học dưới 250C - Sản phẩm tiến tới nhân rộng và phát triển rộng rãi trong đời sống. IV. PHÂN TÍCH SỐ LIỆU - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN - Phân tích dữ liệu qua các lần thử nghiệm (lần 1, lần 2, lần 3) Lần 1: Lắp pin vào mô hình, hệ thống được khởi động Thử mô hình bằng cách đưa tay trước cánh cửa có gắn cảm biến quang, mô hình sẽ phát hiện có người làm servo trên cánh cửa quay và mở cửa. 11
12. 12 Tiếp tục đưa tay vào mô hình, một cảm biến quang khác được gắn trong phòng sẽ phát hiện có người trong phòng và tiếp tục khởi động chạy quạt và đèn trong phòng học, khi lấy tay ra ngoài thì đèn và quạt sẽ ngừng chạy. Lần 2 và 3 cũng tiếp tục thử y chang như vậy và cho ra cùng 1 kết quả. V. KẾT LUẬN 1. KẾT LUẬN - Chế tạo thành công sản phẩm “Phòng học thông minh.” Hệ thống thông minh có thể quản lý năng lượng và tài nguyên vật lý của phòng học, giúp tiết kiệm chi phí và làm giảm tác động đến môi trường. Những lợi ích này cùng nhau tạo nên một môi trường học tập hiện đại, hiệu quả và tương tác, đáp ứng nhu cầu của cả học sinh và giáo viên trong thế kỷ 21. Ngoài ra, hệ thống trên còn có những ưu điểm sau. - Góp phần tận dụng nguồn phế thải từ công nghiệp để làm sản phẩm. - Chi phí thấp, tiết kiệm, hỗ trợ được cho trường học, nhà ở khu dân cư rất tiện lợi. 2. KHUYẾN NGHỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO - YouTube : DIY Chế tạo hay. - Sách hướng dẫn đọc sơ đồ mạch điện(NXB: Khoa học và Kĩ thuật - Tác giả: Trần Thế San, Phan Văn Mùi). - Sách hướng dẫn tự lắp ráp 100 mạch điện điện tử(NXB: Khoa học và Kĩ thuậtTác giả: Châu Ngọc Thạch, Trịnh Xuân Thu). - Giáo trình điện tử, linh kiện điện tử Transistor(NXB: Thanh Niên - Tác giả: Nguyễn Văn Phôi, Phạm Quang Huy). - Kỷ yếu cuộc thi khoa học kỹ thuật dành cho học sinh trung học năm học 2013-2014 ( Nhà xuất bản giáo dục Việt Nam). - Nghị quyết 29 NQ/TW “ về đổi mới căn bản, toàn diện giáo dục và đào tạo, đáp ứng yêu cầu công nghiệp hoá, hiện đại hoá trong điều kiện kinh tế thị trường định hướng xã hội chủ nghĩa và hội nhập quốc tế” 12
13. 13 13