Полярная ночь, водокачка и умный сейф: 5 студенческих проектов в сфере IoT

Как может выглядеть студенческий учебный проект в сфере IoT? Чему реально научить студента за год, если раньше с этой тематикой он не сталкивался?

Каждый из проектов, вышедших в финал, был интересен по-своему, и ниже я предлагаю познакомиться с ними. Первый год программы «IoT Академия Samsung» завершился финалом конкурса, проведенного между выпускниками в пилотных вузах (МФТИ и МИРЭА). Это по сути демонстрация диапазона возможных тем, которые можно затронуть, основываясь на знаниях, полученных в нашей программе.

О конкурсе программы «IoT Академия Samsung»

12 июля впервые состоялось событие, завершающее учебный год IoT Академии Samsung – финал межвузовского конкурса проектов. После первого полугодия, посвященного изучению учебных кейсов, слушатели курса в МИРЭА и МФТИ весь второй семестр делали свои прототипы устройств «Интернета вещей». Идеи проектов студенты определяли по своему усмотрению, консультантами выступили преподаватели.

У участников было всего 5 минут на выступление. На финал мы выбрали 10 лучших проектов. Полную видеозапись того, что получилось, можно посмотреть на YouTube:

Проекты оценивало жюри, состоящее как из специалистов-инженеров, так и из представителей академического сообщества и бизнеса. Председатель жюри – Станислав Полонский, начальник управления перспективных исследований и разработок Исследовательского центра Samsung, физик по образованию, кандидат наук, инженер и учёный: он более 20 лет проработал в США, а его исследовательские интересы невероятно широки – от квантовой химии до медицинской кибернетики. Ваша покорная слуга была секретарем жюри.

Номинации конкурса были следующие:

• Техническое совершенство
• Бизнес и общество
• Абсолютный победитель
• Выбор пользователей

Победители получили вот такие шайбы и призы от нашей компании.

Кроме того, победа оказалась на стороне МИРЭА в номинациях «Бизнес и общество» и «Выбор пользователей». Вуз-победитель года, который определяется по номинации «Абсолютный победитель», был награжден кубком. Студент из МФТИ победил в номинации «Техническое совершенство».

Обзор проектов

MotoGuard. Дмитрий Файчук, МИРЭА

Этот проект единогласным решением жюри получил приз «Абсолютный победитель». Автор проекта Дмитрий Файчук закончил третий курсе в Институте ИТ МИРЭА.

И многие подростки мечтают о своем мопеде или скутере. В нашей стране права младших категорий “А1” и “М” разрешено выдавать, начиная с 16 лет. Дмитрий решил помочь в разрешении таких ситуаций. Для родителей же это источник переживаний, прежде всего за безопасность ребенка. Прототип представляет собой картонную коробочку, внутри которой: плата STM32 Nucleo L152RE (это плата в Arduino-совместимом форм-факторе, но на базе микроконтроллера STM32 L1), модули акселерометра, GPS-трекера, датчика вибрации и GSM-связи. Задача его устройства – отслеживать местоположение и предоставлять родителю информацию об опасных событиях, таких как резкое торможение, удар, падение, выход за пределы разрешенной зоны.

Стоит отметить, что проект Дмитрия — достаточно сложный по своей архитектуре: здесь и облако, и мобильное приложение, и самостоятельно написанная программа для микроконтроллера под операционную систему RIOT OS.

Однако, автор справедливо заметил, что отдельное устройство имеет ряд преимуществ: его можно закрепить на шлеме или транспортном средстве, сделать его несъёмным, оптимизировать питание от батареи, сделать его всепогодным и так далее. На конкурсе у жюри возник очевидный вопрос: «Почему не использовать для решения задачи современный смартфон, ведь все необходимые сенсоры (акселерометр, гироскоп, мобильная связь) уже в нем есть?».

Администрирование системы умных сейфов. Владислав Молодцов, МФТИ.

Проект был признан лучшим в номинации «Техническое совершенство». Судьи были впечатлены степенью технической реализации прототипа. Особенно поразило то, что Владислав был самым юным участником финального тура конкурса.

Он сделал самый красивый демонстрационный прототип. Да, Владислав Молодцов — студент 1 курса, но многим старшекурсникам недостает такого упорства и трудолюбия. Его сейф выглядит совершенно, как настоящий, если не знать, что он деревянный.

Один простой факт: он даже собрал собственную электромеханическую защелку на сервомашинке для дверцы, просто потому что иначе «было бы не так интересно». Мы и раньше знали, что студенты Физтеха отличаются основательным подходом и не ищут легких путей!

Владислав не смог присутствовать очно, поэтому выступление проходило по видеосвязи

Есть динамик для поднятия тревоги в случае взлома. Сейф обладает ЖК-дисплеем, матричной клавиатурой, индикацией на светодиодах, показывающей состояние сейфа (открыт/закрыт), для чего были использованы геркон и магнит. Всю периферию подключал сам, без использования сторонних библиотек.

Он показывает состояние каждого сейфа: открыт, закрыт, заблокирован, идет взлом. Графический интерфейс к программе бесхитростный, но понятный.

У системы не до конца проработаны вопросы безопасности, что, очевидно, должно быть предметом дальнейшего развития проекта. Предполагается, что такая система могла бы быть востребована отелями, спортивными клубами, и просто любыми компаниями, где у сотрудников есть личные шкафчики.

Система симуляции погодных условий и времени суток в условиях полярной ночи. Полина Рожицкая, МИРЭА

Этот проект получил приз в номинации «Бизнес и общество». Данная номинация, несомненно, сложна для студентов и преподавателей, которые не обладают необходимым опытом работы в бизнесе, а уж тем более на пока только складывающемся рынке Интернета вещей. Обсуждение жюри было бурным, но в итоге мнения членов жюри сошлись на том, что проект Полины обладает реальным бизнес-потенциалом.

Формулировка не совсем корректная, потому что речь идет о вреде холодного «синего» света экрана смартфона. Возможно вы слышали такой совет: не пользоваться смартфоном перед сном? Вот почему, например, в смартфонах Samsung есть опция включения фильтра синего света по расписанию. Известно, что такой свет снижает в человеческом организме синтез мелатонина, который еще называют гормоном сна.

Можно ведь перестроить и окружающее нас искусственное освещение так, чтобы оно имитировало естественный ход солнца. А если взглянуть на проблему шире? И не только! Задача особенно актуальна для тех регионов нашей страны, где «белые ночи» потрясающе красивы, но вот уснуть совсем непросто. Спектр освещения может влиять не только на режим сна, но и на уровень работоспособности.

А на рабочем месте сотрудника в течение дня менять цветовую температуру динамически, чтобы не нарушать наши естественные биоритмы. В проекте Полины предлагается сделать в офисе «комнату релаксации», в которой человек может уединиться и включить себе освещение, оптимальное с точки зрения его биоритмов. Да ещё и с учетом индивидуальных особенностей: жаворонки, совы…

На отборочном этапе конкурса из представленных материалов было сложно догадаться, что реализована автоматическая регулировка освещения. Вообще, этот проект из разряда тех историй, когда неумение презентовать свою работу может привести к неудаче. И только дополнительные комментарии от руководителя проекта позволили оценить объем работы. На видео была форма с «ползунками», и создалось впечатление, что это всего лишь тривиальная «умная лампочка».

Эти совершенно необходимые навыки ребята продемонстрировали на своем выступлении и, верим, будут использовать в будущем. Позже на финальном туре были организованы тренинги по мастерству презентаций.

Мониторинг грузов. Александр Филатов, МИРЭА

Этот проект победил в голосовании зрительских симпатий. С его автором мы знакомы уже давно: ровно год назад он был участником первого мероприятия IoT Академии — Летней школы по Интернету вещей, которая проходила в МФТИ.

Данная система может быть полезной как для страховых компаний, так и для грузоперевозчиков. Сейчас Александр представил свою систему для «умной логистики», которая позволит решать задачи отслеживания и мониторинга условий транспортировки грузов, сбора данных о нарушениях. IoT-устройство предлагается оснастить следующими сенсорами: акселерометром, датчиками влажности, вибрации, наклона, температуры, а также GPS-модулем. Реализация проекта простая: дистанционный сбор показателей сенсоров с трекера, прикрепленного к конкретному грузу, анализ этих показателей на сервере и выдача их клиенту в удобной форме.

Из достоинств проекта можно отметить пользовательский интерфейс, уместное использование API Яндекс-Карт, мобильное приложение, грамотный подсчет энергопотребления и стоимости комплектующих системы.

Одним из высказанных предложений от жюри было разработать конструкцию, которая крепится не внутри, а снаружи контейнера. Проект вызвал дискуссию по нескольким важным вопросам: как гарантировать беспроводную передачу данных, если устройство будет находиться вместе с грузом внутри металлического контейнера? Также обсуждались юридические аспекты: можно ли использовать показания такого устройства в суде, в случае спора об ответственности за повреждение груза?

Надо признаться, что мои симпатии были на стороне этого проекта и я очень рада, что зрители отдали свои голоса именно за него.

Удаленное управление и мониторинг группы промышленных насосов. Вячеслав Старовойтов и Кирилл Комаров, МИРЭА

Проект от студентов кафедры промавтоматики Института информационных технологий МИРЭА. Проблема, которую решали студенты, очень простая: есть несколько деревень, удаленных от районного центра, с непостоянным сотовым сигналом. Для их обеспечения водоснабжением установлены водонапорные башни. Вода в них закачивается с помощью напорных станций. Для управления напорными станциями используются промышленные логические контроллеры (ПЛК). Чтобы контролировать их работу, требуется оператор.

Главная сложность такого типа проектов — разобраться со сторонним оборудованием и интерфейсами. В проекте через беспроводное подключение к ПЛК было реализовано дистанционное управление насосами. Для этого потребовалось серьезно разобраться с программированием на низком уровне, чтобы управлять«железом».

Ребята на конкурсе представили целый демонстрационный стенд в составе:

• Программируемый логический контроллер (ПЛК) Omron CJ1M
• Частотный преобразователь Omron VS mini J7
• Двигатель Siemens 1LA7050-2AA60
• Микроконтроллерные модули Unwired Devices для удаленного управления насосами, соединяющиеся с базовой станцией по LoRa

Все желающие могли убедиться, что система исправно перекачивает воду из контейнера в бутылку.

В них поместили конечные устройства «Интернета вещей» из учебного комплекта – микроконтроллерные модули с кнопками (для ручного управления насосом), транзисторы (для коммутации нагрузки). Эта команда проявила наклонности к промышленному дизайну, сделав симпатичные разноцветные корпуса на 3D-принтере.

И в этот раз, его дизайн приложения для управления насосами выглядел лаконично и стильно: Старовойтов Вячеслав уже доказал на весеннем хакатоне в МИРЭА, что он талантливый дизайнер интерфейсов.

Другие проекты

Для статьи я выбрала, с моей точки зрения, самые интересные проекты, «за бортом» остались еще несколько десятков студенческих работ, среди которых можно отметить, к примеру:

1. Умная баня. Проект отличался оригинальной идеей и вызвал неподдельный интерес и оживление не только у жюри, но и среди гостей конкурса. Наверное, потому, что «баня» — это понятная всем тема. Суть проекта была в том, чтобы сигнализировать о превышении допустимых порогов в помещении, и отслеживать состояние посетителя бани: двигается ли он, или уже лежит без сознания?
2. Индикатор местоположения сотрудников для начальника отдела, сделанный как программа для «умных часов» Samsung Gear S3. Крепкий учебный проект с большим объёмом самостоятельного изучения веб-программирования на JavaScript.
3. Система адаптивной вентиляции – практическая задача, идущая из реальной жизни, и интересный работающий прототип — но решение, к сожалению, не проработано с точки зрения системы в целом, и очень энергозатратно.
4. «Умный магазин» — выстраивание световой дорожки от полки к полке, исходя из текущей загруженности отделов и маркетинговой политики магазина.
5. Система мониторинга нагрузки на блочных тренажерах: добавляем сенсоры к подвижным частям тренажеров и считаем, сколько раз человек делает упражнение.
6. Математическая модель предсказания отказа датчика вибрации на фрезерном станке – очень известная задача в мире IoT, которая часто решается с помощью методов машинного обучения. У нас в России практически нет публикаций на эту тему, а вот за рубежом вы сходу найдете штук 20 статей
7. Построение карты водоема на основании данных с ультразвуковых сенсоров, размещенных на небольших подвижных суднах. Этот проект мы отклонили по причине того, что ребята сосредоточились на решении задачи в рамках компьютерной модели, а мы всё же отдавали предпочтение именно реальным устройствам.

Заключение

Что можно сказать в завершение статьи?

Исторически информатика и инженерия были одной областью знаний: величайшие успехи делали люди, которые одинаково хорошо разбирались в математике и схемотехнике, как, к примеру, мой любимый ученый Клод Шеннон. Широкий спектр подходов и разнообразие проектов делает область Интернета вещей крайне интересной. Вот почему для меня и наших преподавателей этот курс особенно ценен: здесь каждый может найти границу своих знаний и попробовать за неё выйти. Такой синтетический курс по Интернету вещей –это способ преодоления ограничений специализации.

Этой весной в МФТИ и МИРЭА проходил свой дополнительный курс по микроконтроллерам. Был замечен следующий факт: проекты студентов каждого вуза имели свое характерное «лицо». Ребята двигались «снизу вверх», то есть изучали микроконтроллер с точки зрения регистров, сложно и глубоко погружаясь в материал. И было интересно со стороны наблюдать, как Физтех в итоге продемонстрировал подход, наиболее приближенный к «железу». А в МИРЭА изучение шло «сверху вниз», то есть с работы в операционной системе реального времени RIOT на микроконтроллере к погружению «вниз».

На хакатоне по Интернету вещей в МФТИ весной этого года

В итоге это различие отразилось на большинстве студенческих проектах: выпускники нашей программы в МФТИ больше всего внимания уделяли конечному устройству на микроконтроллере, добиваясь максимальной эффективности и скорости работы, тогда как студенты МИРЭА делали более высокоуровневые системы, как правило с более удобным интерфейсом, мобильным приложением, серверной частью.

В целом мы довольны техническим уровнем работ, программу курса ребята освоили. Каждый из подходов имеет право на существование, потому что может быть полезен для работы в качестве разных специалистов и для разных целей, будь то быстрое прототипирование и производство. В МИРЭА несколько студентов настолько хорошо освоили материал и увлеклись тематикой, что в этом году вызвались ассистировать преподавателям. Всего лишь за год они погрузились в совершенно новую для себя тематику и добрали недостающих по их профилю знаний.

И наконец, приятный результат опроса по итогам учебного года:

Например, некоторые авторы очень смутно представляли, кто мог бы быть продавцом подобного рода устройства, а кто покупателем, как устройство может быть интегрировано с существующими на рынке решениями. Для представленных проектов была характерна недостаточная проработанность бизнес-аспектов. Многим недоставало умения презентовать проект.
Справедливости ради надо заметить, что эти системные проблемы характерны далеко не только для проектов студенческого уровня, мои коллеги сталкиваются с этим в своей каждодневной работе.

Мы, засучив рукава, примемся за них в наступающем учебном году. Прошедший финал конкурса позволил нам увидеть результаты программы и, как лакмусовая бумажка показал те моменты, над которыми стоит поработать.

С началом учебного года, товарищи!

Волкова Татьяна
Сотрудник Исследовательского центра Samsung
Автор учебной программы проекта IoT Академия Samsung