Numer projektu: 249
Kategoria projektu: Szkoła ponadpodstawowa

Elektroniczny Asystent Rodziny Pszczelej

Grant Jury

Grant Jury

Przyznawany przez Kapitułę Konkursową.

Dziękujemy za oddanie głosu
Opis pomysłu

Opis pomysłu

Pszczoły są owadami, które odgrywają bardzo ważną rolę w przyrodzie. Rozwój przemysłu i zmiany klimatyczne niekorzystnie wpływają jednak na te owady powodując realne zagrożenie ich wyginięcia. Człowiek za wszelką cenę musi zapobiec wyginięciu pszczół by uchronić środowisko od katastrofy. Trwające  próby zastąpienia tych pożytecznych owadów przez roboty czy sztuczne zapylanie roślin, jak na razie, nie przynoszą zadawalających efektów. 
Na przełomie ostatnich lat powstało kilka rozwiązań wspierających pszczelarzy w ich pracy. Są gotowe rozwiązania monitorujące stan ula w postaci temperatury, wilgotności, a nawet masy ula dając pszczelarzowi informację o kondycji owadów czy zebranym miodzie przez rodzinę pszczelą. Na podstawie analizy istniejących, na rynku polskim oraz zagranicznym rozwiązań oraz rozmowami z pszczelarzami, można stwierdzić, że posiadanie takich systemów znacznie ułatwiłoby pracę jednak mają one wysoką ceną, która niejednokrotnie stanowi barierę finansową zwłaszcza dla pszczelarzy posiadających niewielkie pasieki. Ponadto dane i systemy do statystyk przechowywane są na zewnętrznych serwerach za które pszczelarz musi ponosić dodatkowe koszty. 
Postanowiliśmy zbudować taki system monitoringu różniący się jednak od rozwiązań komercyjnych.  Głównym celem projektu jest stworzenie systemu monitorującego stan rodziny pszczelej przy minimalizacji kosztów przypadających na jeden ul. Ponadto stworzenie systemu do przesyłania tych danych na serwer lokalny z dostępem do sieci Internet w celu zdalnego monitorowania pasieki.
W pierwszej fazie projektu założono, że dane takie jak temperatura, wilgotność, poziom natężenia dźwięku będą pobierane  z czujników przetwarzane za pomocą mikroprocesora do postaci pozwalającej na przesłanie przez sieć wifi do komputera lokalnego gdzie będą gromadzone i przetwarzane do postaci umożliwiającej dokonania statystyk. Ze względu na dostępność bibliotek obsługujących różnego rodzaju czujniki wybór padł na platformę arduino najprawdopodobniej zaimplementowanego na autorskiej płytce dopasowanej rozmiarami i kształtem do zaplanowanego miejsca montażu w ulu. Przetworzone dane będą przesyłane przez sieć wifi do komputera centralnego raspberry gdzie będą gromadzone i przetwarzane. Do komputera gramadzącego dane będzie dostęp z Internetu umożliwiając monitoring ula w czasie rzeczywistym. Nowym rozwiązaniem w projekcie, nie występującym w żadnym z komercyjnych rozwiązań, będzie zastosowanie czujników siły pomiędzy uchwytem ramki i miejscem jej montażu pozwoli to wyznaczyć masę pszczół zlokalizowanych na ramkach dając pszczelarzowi w czasie zimy informację czy pszczoły, jak się mówi w żargonie pszczelarskim  "nie spadły" (nie zdechły) - obecne rozwiązania pozwalają ustalić masę tylko całego ula i nie wiadomo ile pszczół jest na ramkach. Ponadto na podstawie ubytku masy można określić ilość pokarmu w ulu i ewentualnie uzupełnić braki pokarmu bardzo wczesną wiosną (po rozmowach z pszczelarzami okazuje się, że jest to technicznie wykonalne ponadto czas po pierwszym oblocie pszczół jest dla nich niebezpieczny ze względu na zwiększone zapotrzebowanie na pokarm w porównaniu z okresem hibernacji). Ciekawym pomysłem, podsuniętym przez pszczelarzy,  jest też określenie momentu ucieczki roju z możliwością wysłania alertu do właściciela pasieki, co w przypadku niewielkiej odległości od pasieki może uchronić go od straty rójki.
Istnieje wiele aspektów, w których odpowiednio zinterpretowane dane mogą dać realną informację dla pszczelarza i zmniejszyć koszty obsługi pasieki, nie tylko finansowe ale też te związane z kondycją rodziny pszczelej.
Plan działania

Plan działania

Projekt jest obszerny pod względem realizacji dlatego został podzielony na etapy:
  1. Przegląd istniejących rozwiązań
  2. Rozmowy ze znajomymi pszczelarzami dotyczące istniejących rozwiązań, ich funkcjonalności wykorzystania przez pszczelarzy, a także ewentualne zapotrzebowania na nowe funkcje.
  3. Przeanalizowanie zdobytej wiedzy rozmowa z zawodowym pszczelarzem z Jasielskiego Koła Pszczelarskiego dotycząca sprecyzowania celów.
  4. Ustalenie planu działania.
  5. Kampania reklamowa przed etapem głosowania przez internautów.
  6. Implementacja obsługi czujników (wilgotności, temperatury, czujnika siły oraz mikrofonu) w systemie arduino 
  7. Implementacja połączenia wifi pomiędzy arduino a raspberry (z systemem raspbian), a także sposobu i formy przesyłania danych.
  8. Zaprogramowanie systemu prezentowania zgromadzonych danych na stronie WWW lub w aplikacji mobilnej.
  9. Obsługa alertów i powiadomienia SMSowe.
  10. Testy systemu (bez ula)
  11. Zaprojektowanie autorskiej płyty z systemem arduino, która łatwo da się zamontować w ulu oraz ograniczy liczbę przewodów.
  12. Zamontowanie systemu w ulu do testów. Zbieranie i interpretacja danych we współpracy z członkami Powiatowego Koła Pszczelarzy w Jaśle.
  13. Zakończenie projektu. Udostępnienie dokumentacji, filmów instruktażowych, kodów źródłowych i obrazów systemu Polskiemu Związkowi Pszczelarskiemu ewentualnie innym instytucjom związanym z pszczelarstwem.
Początkowy etap zostanie zrealizowany całym zespołem. Zakłada się także wzięcie udziału w głosowaniu internautów dlatego, już odbyło się kilka spotkań, także spotkanie z pszczelarzami, w ramach których dopracowywane były szczegóły projektu oraz kampanii reklamowej.
W przypadku wyróżnienia projektu po zrealizowaniu zadań z pkt. 1 do pkt. 4 powyższego harmonogramu zespół podzieli się na sekcje odpowiedzialne za: obsługę czujników przez mikrokontroler, komunikację pomiędzy mikrokontrolerem a serwerem, archiwizacji i prezentacji danych itd. Zamiarem jest realizacja projektu równolegle co znacznie przyspieszy prace oraz modułowa budowa urządzenia, dzięki której można będzie ograniczyć projektowanie nowych części i wykorzystać już istniejące.
Zapraszamy serdecznie na nasz fanpage na Facebooku gdzie szerzej będziemy prezentować nasze postępy w pracy nad projektem.
Miejsce i czas realizacji

Miejsce i czas realizacji

Zdecydowaną większość czasu pomysł będzie realizowany w pracowni komputerowej Zespołu Szkół nr 4 w Jaśle. Ze względu na  liczebność grupy (około 10 osób) postaramy się zaprosić gości (pszczelarzy) do szkoły gdyż odpadnie nam problem transportu do siedziby związku. Jeżeli uda się pozyskać nieużywany ul to część pomiarów będzie odbywać się w szkole w pracowni, dopiero ostatnia faza projektu będzie realizowana w pasiece w ulu zamieszkałym przez pszczoły. Do interpretacji danych skorzystamy z pomocy doświadczonych pszczelarzy.
Pomysł na realizację w sytuacji zawieszenia zajęć w szkołach

Pomysł na realizację w sytuacji zawieszenia zajęć w szkołach

W przypadku nauki zdalnej lub hybrydowej nastąpi modyfikacja planu działania tak by w tym czasie realizować część projektu dotyczącą oprogramowania na zasadzie pracy online
Korzyści dla uczniów

Korzyści dla uczniów

Zespół jako całość będzie brał czynny udział w opracowaniu strategii realizacji projektu (doprecyzowania założeń konstrukcyjnych i funkcjonalności rozwiązania). Wspólnie zostanie przygotowany scenariusz filmu oraz forma materiałów promocyjnych. W przypadku gdyby projekt został pozytywnie oceniony przez jury konkursu i został uznany jako nadający się do realizacji, każdy będzie mógł znaleźć miejsce dla siebie w zadaniach, w których będzie się czuł dobrze gdyż potrzebni są: programiści C/C++, java script, PHP , MySQL, graficy, osoby z polotem edytorskim, elektronicy.
Uczniowie będą mogli rozwinąć swoją wiedzę i umiejętności z wielu dziedzin, o których wspomniano powyżej jak i wiedzę z zakresu pszczelarstwa, która w przyszłości może wpłynie na decyzję z założeniu własnej pasieki.   
Wykorzystanie grantu

Wykorzystanie grantu

Za zdobyte z grantu pieniądze chcielibyśmy zakupić:
  1. Komputer jednopłytkowy Raspberry Pi wraz z obudową i zasilaczem
  2. Płytki arduino (ewentualnie Node MCU)
  3. Zestaw czujników (temperatury, wilgotności, akcelerometr, czujnik siły, itp.)
  4. Lutownicę na gorące powietrze wraz z osprzętem i materiałami eksploatacyjnymi, która będzie wykorzystana w tym i następnych projektach.
  5. Multiszlifierkę modelarską wraz z zestawem oprzyrządowania
  6.  Multimetry 
  7. Zestaw wkrętaków i  szczypców. 
Przy ewentualnej dodatkowej nagrodzie zakupilibyśmy:
  1. Akumulatory
  2.  Przetwornice napięcia, 
  3. Panel fotowoltaiczny
Powyższe elementy zostaną wykorzystane w projekcie w testach bez zasilania z sieci gdyż pasieka może być zlokalizowana w miejscu pozbawionym zasilania w energię elektryczną. W przyszłości planujemy skupić się na projektach związanych z ochroną środowiska i mamy już nawet kilka pomysłów dlatego zakupiony sprzęt znajdzie zastosowanie w naszych kolejnych pracach.
Elementy unikatowe

Elementy unikatowe

Do atutów realizowanego projektu można zaliczyć:
  1. Wspiera ochronę środowiska poprzez wsparcie pszczelarzy w hodowli pszczół
  2. Jednym z założeń jest ograniczenie ceny rozwiązania przy zachowaniu funkcjonalności rozwiązań komercyjnych
  3. Opracowanie będzie udostępnione pszczelarzom za darmo
  4. Elementem innowacyjnym (nie znalezionym w żadnym innym rozwiązaniu) jest pomiar masy ramek co w zimie daje informację o ilości pszczół znajdujących się na ramkach (a nie ogólnie w ulu, także martwych na dnie ula jak w przypadku innych rozwiązań) oraz informację o ilości pokarmu. Latem natomiast informację o ilości miodu do zebrania. Kolejnym elementem unikatowym jest algorytm określenia czy rójka z ula uciekła i powiadomienie pszczelarza z pomocą SMSa.
  5. Współpraca ze środowiskiem pszczelarzy Polski Związek Pszczelarski (Powiatowe Koło Pszczelarzy w Jaśle) oraz Pogórzański Związek Pszczelarski.
  6. Wzbudzenie zainteresowania wśród uczniów tematyką pszczelarstwa.
Filmy

Filmy

https://www.youtube.com/watch?v=BASRIUMkDKA
Opis realizacji

Opis realizacji

Docenienie projektu przez jury konkursu było olbrzymim motorem do rozpoczęcia prac nad projektem, a otrzymane wsparcie finansowe w postaci grantu pozwoliło zakupić niezbędne podzespoły do realizacji zadania. 
Na wstępie zespół pracujący nad projektem postawił przed sobą cele do realizacji i ustalił  harmonogram prac. Z racji tego, że w czasie prac nad projektem odbywała się nauka zdalna uczniowie podzielili między sobą zadania:   
  • koordynator projektu, zaprogramowanie aplikacji współpracującej z bazą danych w której przechowywane są dane pomiarowe - Zuzanna Gomuła
  • Przygotowanie platformy testowej zbierającej dane, zbieranie i wysyłanie danych do bazy danych MySQL - Jakub Frączek
  • Współpraca Python’a z bazą MySQL - Jakub Batycki
  • Analiza zebranych danych, tworzenie alertów w czasie rzeczywistym  - Jakub Batycki, Kamil Kras
  • Strona WWW, obsługa projektu przez przeglądarkę -  Hubert Zając, Wojciech Lupa
  • Dokumentacja projektu (modele, rysunki, opisy) - Bartosz Królikowski,  Kamil Kras.
Ogólnie mówiąc celem II etapu było przygotowanie projektu aby platforma testowa zbierała dane przesyłała za pomocą wifi do bazy danych znajdującej się na serwerze pracującym niestety za NATem - takie było jedno z założeń w celu obniżenia kosztów obsługi systemu i przesyłanie przykładowego alertu do zaprogramowanej aplikacji i zainstalowanej na telefonie (docelowo pszczelarza). Telefon z  serwerem tworzą kanał w połączeniu VPN.
Większość postawionych, w tym etapie,  celów udało się zrealizować: 
  • została zbudowana platforma testowa wyposażona w zestaw sensorów takich jak: zestaw czterech belek tensometrycznych do odczytu masy ula, czujniki temperatury i wilgotności, czujnik natężenia dźwięku, akcelerometr z żyroskopem. Dane są pobierane z czujników za pomocą arduino wyposażonego  w ESP 8266 i wysyłane poprzez lokalną sieć wifi do bazy danych MySQL  znajdującej się na komputerze Raspberry Pi, a także do kopii tej bazy danych znajdującej się na specjalnie utworzonej subdomenie earp.ekonomik.org.pl. Na serwerze lokalnym (Raspberry Pi) dane są przetwarzane w celu uzyskania alertów, które są obecnie przesyłane do bazy danych znajdującym się na serwerze z zewnętrznym IP - jest to problem, który pozostał do rozwiązania.
  • została napisana aplikacja mobilna, za pomocą której obecnie użytkownik otrzymuje przykładowy alert 
  • przygotowano platformę  internetową do obsługi systemu EARP za pomocą przeglądarki internetowej. Na obecnym etapie łączy się ona z bazą danych, wyposażona jest w system logowania oraz wyświetla przykładowe statystyki w formie wykresów 
Wyzwania i/lub napotkane problemy

Wyzwania i/lub napotkane problemy

Podczas prac nad projektem pojawiło się kilka problemów. Niektóre z nich zostały przewidziane na etapie powstawania koncepcji projektu, ale większość pojawiła się na etapie realizacji. Można tutaj wymienić:
  • utrudniony kontakt ze względu na epidemię koronowirusa. Z problemem tym zespół poradził sobie bardzo szybko  indywidaualizując zadania ponadto członkowie mają już ponad roczne doświadczenie z pracą zdalną. Ponadto została uruchomiona sieć VPN bazująca na RealVNC oraz użyto platformy GitHub w celu ułatwienia pracy zespołowej.
  • problem zbierania danych i obsługa niektórych sensorów. Początkowo projekt zakładał wykorzystanie nodeMCU w roli urządzenia agregującego i wysyłającego dane do serwera. Okazało się, że urządzenie to posiada niewystarczającą liczbę portów analogowych by obsłużyć wszystkie czujniki przesyłające dane w formie napięć. Konieczna okazała się zmiana na Arduino UNO z modułem ESP 8266. Największy problem z odczytem danych naprężeń w celu wyznaczenia masy znajdującej się na platformie (docelowo ula). Koniecznym okazało się przerobienie platformy ze względu na początkowe przesztywnienie konstrukcji.
  • problem postawienia serwera za NATem. O tej sytuacji wiadomo było jeszcze przed przystąpieniem do pracy jednak zespołowi zależy na tym by nie było konieczności wykupienia hostingu, a istniejące rozwiązania darmowe nie zawsze odpowiadają wymaganiom projektu ponadto z założenia projekt ma być autonomiczny. Rozważano użycie rozwiązań takich jak TeamViewer lub Hamachi pojawiły się jednak problemy z interpretacją licencji darmowej oraz konfiguracji rozwiązań obecnie projekt bazuje na RealVNC jednak rozwiązanie to na tym etapie jeszcze wymaga użycia zewnętrznego hostingu.
Korzyści dla uczniów

Korzyści dla uczniów

Oczywistą rzeczą jest, że praca w formie projektów jest jedną z najlepszych metod zdobywania wiedzy i stosowania jej w sytuacjach problemowych. Uczniowie w takim przypadku nie otrzymują wiedzy “podanej na tacy” tylko samodzielnie muszą jej poszukiwać w celu rozwiązania pojawiających się nieustannie problemów. Według wielu taki sposób zdobywania nowych wiadomości wymaga dużego zaangażowania ze strony młodego człowieka, ale  jest też najbardziej efektywny. 
Realizacja projektu Elektroniczny Asystent Rodziny Pszczelej realizowany jest w większości przez uczniów, którzy zamierzają wybrać informatykę na egzaminie maturalnym. Większość z realizowanych, podczas projektu, kwestii takich jak umiejętność zapisywania algorytmów w postaci kodu, systemy operacyjne, serwery, sieci komputerowe itp., zawarta jest w wymaganiach egzaminacyjnych z informatyki rozszerzonej. Ponadto uczniowie:
  • nabyli umiejętności pracy w grupie,
  • rozwinęli umiejętności wykorzystania współczesnych narzędzi komunikacji na odległość,
  • rozwinęli umiejętności manualne podczas budowy platformy prototypowej,
  • poznali podstawy dotyczące hodowli pszczół i uświadomili sobie jakie zagrożenie niesie wyginięcie pszczół na Ziemi,
  • podjęte działania być może zaowocują pogłębieniem zainteresowania pszczelarstwem i sprawią, że ktoś z grupy założy własną pasiekę.
Korzyści dla lokalnej społeczności

Korzyści dla lokalnej społeczności

Z założenia Elektroniczny Asystent Rodziny Pszczelej jest projektem, który ma mieć zastosowanie praktyczne wśród pszczelarzy nie tylko wśród lokalnych pszczelarzy, lecz będzie mógł być powszechnie przez każdego chętnego. Podczas wielu rozmów z przedstawicielami tej profesji, czy to grupą jeszcze we wrześniu czy podczas rozmów telefonicznych, na pytanie - czy korzystają z podobnych systemów odpowiadali że nie ze względu na wysoką cenę, która nie jest adekwatna do materialnej wartości rodziny pszczelej. Dlatego głównym kryterium podczas tworzenia koncepcji projektu była niska cena rozwiązania finalnego - taka aby nawet pszczelarze posiadający niewiele uli mogli sobie pozwolić na wdrożenie naszego projektu. Równolegle z powstawaniem projektu powstaje szczegółowa dokumentacja dzięki której, każdy będzie mógł wdrożyć samodzielnie to rozwiązanie w swojej pasiece. Link do dokumentacji znajduje się pod adresem http://earp.ekonomik.org.pl/dokumentacja/dokumentacja.pdf
Projekt jest bardzo obszerny można powiedzieć, że został zakończony jeden z etapów, który był zaplanowany po uzyskaniu środków finansowych w postaci grantu, za co jesteśmy niezmiernie wdzięczni wydawnictwu Nowa Era. 
Obecnie zbudowana platforma prototypowa wyposażona w sensory zbiera dane i zapisuje je do bazy danych na komputerze Raspberry Pi. Skrypty napisane w językach python i C++ interpretują niektóre dane i wysyłają przykładowe komunikaty na telefon użytkownika (docelowo pszczelarza). Można powiedzieć, że system jest gotowy do fazy testów w prawdziwym ulu, które niestety nie zostały jeszcze wykonane z kilku powodów: nie dysponujemy na razie prawdziwym ulem do zamontowania systemu, jest wczesna wiosna ingerencja w rodzinę pszczelą w tym momencie jest zbyt niebezpieczna, epidemia COVID-19 uniemożliwiła nam spotkania w szerszym gronie.
Poza tym jest kilka innych korzyści dla lokalnej społeczności:
  • dzięki projektowi i jego promocji została zwrócona uwaga na problem ginięcia pszczół,  
  • promocja szkoły poprzez prowadzone działania.
Szczególne osiągnięcia

Szczególne osiągnięcia

Najlepszą rzeczą dla zespołu projektowego jest fakt, że ich praca zostanie wykorzystana w konkretnych sytuacjach oraz że wiedza zdobyta w szkole i poza nią jest angażowana do rozwiązania sytuacji problemowych z jakimi młodzież spotyka się podczas prac nad projektem. Bardzo budującym okazało się także wiele pozytywnych opinii czy to od osób związanych ze środowiskiem pszczelarskim czy innych osób postronnych, którzy dowiedzieli się o realizacji takiego projektu.
Młodzież na tyle zaangażowała się w projekt że pragnie go rozwijać w dalszym ciągu poprzez:
  • zaimplementowanie systemu monitoringu wizyjnego pasieki zintegrowanego z projektem (w tym analiza optyczna zdjęć - uczniowie posiadają już pewne doświadczenie w tym gdyż brali udział w projekcie dotyczącym przetwarzania obrazów i ich analizy),
  • rozszerzenie rozwiązania na kompleksową obsługę pasiek w różnych lokalizacjach,
  • opracowania problemu zasilania pasieki gdyż często się zdarza że znajdują się one w miejscach pozbawionych zasilania w energię elektryczną.
  • zastosowanie sztucznej inteligencji w analizie danych pozyskanych z uli oraz cyfrowej analizy obrazów .
 Plany są bardzo ambitne wymagające ogromnego nakładu pracy ale też niestety dodatkowych środków finansowych na zakup kamer, panelu słonecznego, przetwornicy, akumulatorów itp. mamy jednak nadzieję, że uda się pokonać tę barierę i kontynuować projekt.


Wnioski z realizacji

Wnioski z realizacji

W opinii zespołu na tym etapie nie wymagałoby zmiany.
Zmiany w stosunku do zgłoszonego pomysłu

Zmiany w stosunku do zgłoszonego pomysłu

Ten etap projektu jest realizowany zgodnie z założonym planem z drobną zmianą w oryginalnym projekcie pszczelarz miał otrzymywać alerty z w postaci SMSów natomiast zmiana dotyczyła zaprojektowania aplikacji, która nie tylko wyświetla alerty ale także posiada pełną funkcjonalność obsługi pasieki taką jak witryna internetowa. Zmianie uległo także przeniesienie wydatków z racji pozyskanego komputera Raspberry Pi w ramach innego realizowanego wcześniej projektu. Natomiast pojawiło się wiele pomysłów na kontynuację projektu o czym zostało wspomniane wcześniej.
Wykorzystanie grantu

Wykorzystanie grantu

Uzyskany grant pozwolił nam na zakup części i urządzeń potrzebnych do realizacji projektu w postaci: zestaw do lutowania HotAir, zasilacz warsztatowy, mikrokontrolery Arduino UNO, Arduino ProMini, nodeMCU, czujniki temperatury i wilgotności, czujniki poziomu natężenia dźwięku, akcelerometry z żyroskopami, belki tensometryczne ze wzmacniaczami, moduły komunikacji bluetooth, kable połączeniowe, rezystory, diody LED, płyta ze sklejki i inne drobne elementy.
Efekty: filmy

Efekty: filmy

Link do prezentacji projektu - https://youtu.be/MkScQrM3uS4
Link do dokumentacji projektu - https://earp.ekonomik.org.pl/dokumentacja/dokumentacja.pdf

Szkoła

Zespół Szkół nr 4 im. Jana Pawła II w Jaśle

Adres

Sokoła 6, 38-200 Jasło

Dziękujemy za oddanie głosu
<< Wróć do listy projektów