Καινοτόμα Προγράμματα: Εσπερινό ΕΠΑ.Λ. Ιεράπετρας:”Αυτόνομος Μετεωρολογικός Σταθμός Με Δικτυακή Επικοινωνία PLC και Raspberry Pi”

Το Εσπερινό ΕΠΑ.Λ. Ιεράπετρας στα πλαίσια του προγράμματος "Μια Νέα Αρχή στα ΕΠΑ.Λ." υλοποίησε την κατασκευή του έργου με θέμα: "Αυτόνομος Μετεωρολογικός Σταθμός Με Δικτυακή Επικοινωνία Raspberry Pi και PLC S7-1200".
Το Εσπερινό ΕΠΑΛ Ιεράπετρας τα τελευταία χρόνια καινοτομεί στο χώρο της "Έξυπνης" Τεχνολογίας με καινοτόμες ιδέες στην ψηφιακή και τεχνολογική εξέλιξη, θέτοντας τον πήχη της εξέλιξης της τεχνογνωσίας των μαθητών ακόμα υψηλότερα.
Οι μαθητές από την αρχή της σχολικής χρονιάς είχαν εκφράσει την επιθυμία της δημιουργίας ενός μετεωρολογικού σταθμού και κατά πόσο αυτό είναι εφικτό με τη χρήση νέων τεχνολογιών και αυτοματοποιημένων βιομηχανικών συστημάτων.
Στα πλαίσια αυτής της επιθυμίας, συνεργαστήκαμε ο Τομέας Ηλεκτρολογίας, με τις γνώσεις στο κομμάτι των αυτοματισμών και της Ηλεκτρολογίας, με τον Τομέα Πληροφορικής, με τις γνώσεις των Δικτύων και την εγκατάσταση Εξυπηρετητών - Πελατών (Server - Client) για την υλοποίηση του έργου μας.
Στο έργο συμμετέχουν 24 μαθητές όπου τους χωρίσαμε σε 3 ομάδες των 8 ατόμων. Οι μαθητές που επιλέχτηκαν είναι κάποιοι από την Α τάξη, και οι μαθητές της Β και Γ Τάξης των τομέων Ηλεκτρολογίας και Πληροφορικής.
Η ολομέλεια της 1ης ομάδας αποφάσισε να σχεδιάσει πως φανταζόμαστε ότι θα είναι το έργο μας έτσι ώστε να δώσουμε το έναυσμα στις υπόλοιπες ομάδες να εργαστούν με τα υλικά μέρη του έργου.
Η 1η ομάδα φαντάστηκε και κατασκεύασε στο Google Drawings το σχέδιο του σταθμού μας:

Ο μετεωρολογικός σταθμός συνοπτικά περιλαμβάνει:

• Το Εξυπηρετητή (Server)
• Από ένα modem-router στον οποίο θα πρέπει να κάνουμε κάποιες βασικές ρυθμίσεις συνδεσμολογίας για τον Server μας και την VPN σύνδεσή μας
• Τον μετεωρολογικό σταθμό μας που θα είναι ένα Raspberry Pi και το PLC Siemens S7-1200 με τα αισθητήρια πάνω όπως είναι της βροχής, της θερμοκρασίας, της Υγρασίας, της Ατμοσφαιρικής Πίεσης, και του Ανεμόμετρου
• ΗΜΙ οθόνη απεικόνισης από το PLC S7-1200 τη γραφική απεικόνιση του ανέμου από το ανεμόμετρο
• GPS/GPRS Sim808 v3.3.2 για αποστολή στον server την θέση του μετεωρολογικού σταθμού
• Camera να μας δείχνει εικόνα από το σημείο.
• Οθόνη σύνδεσης με το Raspberry Pi για παρέμβαση στο σύστημά μας, και στο προγραμματιστικό κομμάτι του κώδικα

Πιο αναλυτικά  ο μετεωρολογικός σταθμός περιλαμβάνει:

• Τον Εξυπηρετητή (Server) : στον οποίο εγκατέστησαν:
  • τον Apache Server και
  • τον PHP Server για να δημιουργήσουμε την σελίδα μας που θα φιλοξενεί τα δεδομένα του μετεωρολογικού σταθμού.
  • MySQLi Βάση Δεδομένων μας που έχουμε δημιουργήσει την Βάση Δεδομένων Weather Station και τον Πίνακα data όπου θα αποθηκεύουμε τις μετρήσεις από τα αισθητήρια του Μετεωρολογικού Σταθμού
  • Δημιουργήσαμε μια VPN σύνδεση ανάμεσα στο Μετεωρολογικό Σταθμό και τον Server για να έχουμε αξιόπιστη σύνδεση χωρίς παρεμβολές από άλλους μέσω της σύνδεσής μας.
• Το Modem-Router στο οποίο συνδέετεαι ο Server μας:
  • Κάνουμε Port-forward για να ανοίξουμε κάποιες θύρες (ports) για να μπορέσουμε να επικοινωνήσουμε με τον Server μας
  • Ports 80, 1194, 22
  • Ανοίξαμε την πόρτα 1194 για το OVPN
  • Επίσης για να έχουμε πρόσβαση απομακρυσμένα από άλλες συσκευές ή υπολογιστές δημιουργήσαμε Dynamic DNS Server
  • no-ip --> δεσμεύσαμε ένα Domain Name για να βλέπουμε τη σελίδα του Server μας : espepaledu.ddns.net
• Ο Client (Μετεωρολογικός σταθμός) περιλαμβάνει:
  • Αισθητήρα SenseHat (Θερμοκρασία, Υγρασία, Ατμοσφαιρική Πίεση)
  • Αισθητήρα Βροχής - RainDrop Sensor
  • OVPN Client
  • SSH Client/Server
  • Σύνδεση με PLC S7-1200 μέσω MODBUS επικοινωνίας αποστολή δεδομένων στον Server
  • PLC S7-1200 με τον ασθητήρα Ανεμόμετρου
  • Απεικόνιση σε οθόνη HMI της γραφικής Παράστασης του Ανέμου
  • GPS/GPRS Sim808 v3.3.2 για αποστολή μέσω sms αλλά και στον server την θέση του μετεωρολογικού σταθμού
  • Camera να μας δείχνει εικόνα από το σημείο
  • Οθόνη σύνδεσης με το Raspberry Pi για παρέμβαση στο σύστημά μας
  • Βάση στήριξης με δύο (2) άξονες με βηματικούς κινητήρες για να ακολουθούν την κίνηση του ήλιου
  • Φωτοβολταϊκούς συλλέκτες ισχύος για την φόρτιση του συστήματος μας

Το Υλικό μέρος (Hardware)  για το στήσιμο του μετεωρολογικού σταθμού, μετά από έρευνα αγοράς και παραγγελίας από την 2η Ομάδα, αποτελείται από:

• 2 Raspberry Pi 3B+
• 1 PLC Siemens S7-1200
• 1 HMI οθόνη για το PLC
• 1 Camera
• SenseHat αισθητήριο για να πάρουμε την Θερμοκρασία, Υγρασία, Ατμ.Πίεση
• RainDropSensor
• Anemometer - Αισθητήρας ανεμόμετρου
• GSM/GPRS module και μια κάρτα σύνδεσης What;s up

Η 1η και 2η ομάδα μαθητών μας κατασκεύασαν το κουτί – βάση στήριξης με τα φωτοβολταικά πάνελ και τους άξονες κίνησης μέσω βηματικών μοτερ που θα ακολουθούν την κίνηση του ήλιου:
     

 

Η 3η ομάδα χωρίστηκε σε ομάδα 3 α και ομάδα 3 β. Η ομάδα 3 α έστησαν τον Server (Raspberry Pi) και προγραμμάτισαν τα αισθητήρια που θα έχουμε στο μετεωρολογικό σταθμό (2ο Raspberry Pi):

  

Σύνδεση SenseHat (Temperature, Humidity, Pressure) , Raindrop Sensor, GSM/GPRS module, Camera:

     

Η 3 β ομάδα δημιούργησε τις γραφικές απεικονίσεις των αισθητηρίων και τη σύνδεση του PLC με το Ανεμόμετρο και τη γραφική απεικόνιση του ανέμου στην οθόνη HMI του PLC:
     

       
Ο μετεωρολογικός σταθμός συνδέθηκε και οι ομάδες ολοκλήρωσαν τη συγγραφή του κώδικα σε γλώσσα προγραμματισμού Python για όλα τα αισθητήρια Θερμοκρασίας, Υγρασίας, Ατμ. Πίεσης, Βροχής, Ανεμόμετρου, για το GPS/GPRS module να μας δίνει την ακριβή τοποθεσία του σταθμού, για την κίνηση των βηματικών μοτέρ.
Η σελίδα στον Web Server που στέλνονται όλα τα δεδομένα από το σταθμό είναι η εξής:
Μετεωρολογικός Σταθμός Εσπερινού ΕΠΑΛ Ιεράπετρας
Το βίντεο στο Κανάλι του σχολείου μας:
https://www.youtube.com/watch?v=LsYtOuCaIZg
Η Αφίσα του έργου μας :
[caption id="attachment_9744" align="alignnone" width="225"] Αφίσα Εσπερινού ΕΠΑ.Λ. Ιεράπετρας "Μετεωρολικός Σταθμός Πομπός - Δέκτης Με Δικτυακή Συνεργασία PLC - Raspberry Pi"[/caption]

Μπορείτε να δείτε και το βίντεο παρουσίασης του Μετεωρολογικού σταθμού από τους μαθητές μας και στο Κανάλι μας στο Youtube - Αυτόνομος Μετεωρολογικός Σταθμός αλλά και από το μενού  Video της σελίδας μας