Als ich in meinem ersten Jahr an der High School war (von März bis Dezember 2016), war ich sehr verärgert über die Situation, die sich in unserer Schulkantine entwickelte.
Problem eins: Zu lange in der Schlange stehen
Welches Problem habe ich beobachtet? So was:
Viele Studierende versammelten sich am Ausgabeplatz und mussten lange stehen (fünf bis zehn Minuten). Dies ist natürlich ein häufiges Problem und ein faires Servicesystem: Je später Sie ankommen, desto später werden Sie bedient. Sie könnten also verstehen, warum Sie warten müssen.
Problem zwei: Ungleiche Bedingungen für die Wartenden
Aber das ist natürlich noch nicht alles, ich musste auch noch ein anderes, schwerwiegenderes Problem beobachten. So ernst, dass ich mich schließlich dazu entschloss, einen Ausweg aus der Situation zu finden. Oberstufenschüler (also alle, die mindestens eine Klassenstufe höher lernen) und Lehrer gingen zur Ausgabe, ohne in der Schlange zu stehen. Ja, ja, und Sie als Grundschüler konnten ihnen nichts sagen. Unsere Schule hatte eine ziemlich strenge Richtlinie bezüglich der Beziehungen zwischen den Klassen.
Deshalb kamen meine Freunde und ich, als wir noch Neulinge waren, als erstes in die Cafeteria, wollten gerade Essen holen – und dann kamen Oberstufenschüler oder Lehrer und schoben uns einfach beiseite (einige, die freundlicher waren, erlaubten uns, drinnen zu bleiben). unser Platz in der Schlange). Wir mussten weitere fünfzehn bis zwanzig Minuten warten, obwohl wir früher als alle anderen ankamen.
Besonders schlimm ging es uns zur Mittagszeit. Tagsüber stürmten wirklich alle in die Mensa (Lehrer, Schüler, Mitarbeiter), so dass für uns Grundschüler das Mittagessen nie eine Freude war.
Gemeinsame Lösungen für das Problem
Da die Neulinge aber keine Wahl hatten, haben wir uns zwei Möglichkeiten ausgedacht, um das Risiko, ins Hintertreffen zu geraten, zu verringern. Die erste besteht darin, sehr früh in den Speisesaal zu kommen (d. h. buchstäblich bevor das Essen überhaupt serviert wird). Die zweite besteht darin, absichtlich die Zeit mit Tischtennis oder Basketball totzuschlagen und sehr spät anzukommen (ungefähr zwanzig Minuten nach Beginn des Mittagessens).
Bis zu einem gewissen Grad hat es funktioniert. Aber um ehrlich zu sein, hatte niemand Lust, so schnell wie möglich ins Esszimmer zu eilen, nur um etwas zu essen, oder die kalten Reste nach den anderen aufzuessen, weil sie zu den Letzten gehörten. Wir brauchten eine Lösung, die uns benachrichtigt, wenn die Cafeteria nicht überfüllt ist.
Es wäre toll, wenn uns eine Wahrsagerin die Zukunft vorhersagen und uns genau sagen würde, wann wir ins Esszimmer gehen sollen, damit wir nicht lange warten müssten. Das Problem war, dass jeden Tag alles anders kam. Wir konnten nicht einfach Muster analysieren und den Sweet Spot identifizieren. Wir hatten nur eine Möglichkeit herauszufinden, wie es im Speisesaal zuging: zu Fuß dorthin zu gelangen, und der Weg konnte je nach Aufenthaltsort mehrere hundert Meter lang sein. Wenn Sie also kommen, sich die Schlange ansehen, zurückkommen und im gleichen Sinne weitermachen, bis sie kurz wird, verschwenden Sie viel Zeit. Im Allgemeinen war das Leben für die Grundschulklasse ekelhaft und man konnte nichts dagegen tun.
Eureka – die Idee, ein Kantinenüberwachungssystem zu schaffen
Und plötzlich, schon im nächsten Studienjahr (2017), sagte ich mir: „Was wäre, wenn wir ein System entwickeln würden, das die Länge der Warteschlange in Echtzeit anzeigt (also einen Stau erkennt)?“ Wenn es mir gelungen wäre, hätte sich das Bild so entwickelt: Grundschüler würden einfach einen Blick auf ihr Handy werfen, um aktuelle Informationen über den aktuellen Stand der Arbeitsbelastung zu erhalten, und daraus Rückschlüsse ziehen, ob es für sie sinnvoll ist, jetzt zu gehen .
Im Wesentlichen gleicht dieses System die Ungleichheit durch den Zugang zu Informationen aus. Mit seiner Hilfe könnten Grundschulkinder selbst entscheiden, was für sie am besten ist – in die Schlange zu gehen (wenn es nicht zu lange dauert) oder die Zeit sinnvoller zu verbringen und später einen passenderen Zeitpunkt zu wählen. Dieser Gedanke hat mich sehr aufgeregt.
Entwurf eines Kantinenüberwachungssystems
Im September 2017 musste ich ein Projekt für einen objektorientierten Programmierkurs einreichen und habe dieses System als mein Projekt eingereicht.
Erster Systemplan (September 2017)
Ausrüstungsauswahl (Oktober 2017)
Ein einfacher Tastschalter mit Pull-up-Widerstand. Schema mit fünf Schildern in drei Reihen, um die Warteschlange entlang dreier Linien zu erkennen
Ich habe lediglich fünfzig Membranschalter, ein Wemos D1-Miniboard auf ESP8266-Basis und einige Ringklemmen bestellt, an denen ich die Lackdrähte befestigen wollte.
Prototyping und Entwicklung (Oktober 2017)
Ich begann mit einem Steckbrett, baute darauf eine Schaltung zusammen und testete sie. Da ich in der Anzahl der Materialien eingeschränkt war, habe ich mich auf ein System mit fünf Trittbrettern beschränkt.
Für die Software, die ich in C++ geschrieben habe, habe ich mir folgende Ziele gesetzt:
- Arbeiten Sie kontinuierlich und senden Sie Daten nur während der Essensausgabe (Frühstück, Mittagessen, Abendessen, Nachmittagssnack).
- Erkennen Sie die Warteschlangen-/Verkehrssituation in der Cafeteria mit solchen Frequenzen, dass die Daten dann in Modellen für maschinelles Lernen verwendet werden können (z. B. 10 Hz).
- Senden Sie Daten auf effiziente Weise (Paketgröße sollte klein sein) und in kurzen Abständen an den Server.
Um sie zu erreichen, musste ich Folgendes tun:
- Nutzen Sie das RTC-Modul (Real Time Clock), um die Uhrzeit kontinuierlich zu überwachen und festzustellen, wann in der Cafeteria Essen serviert wird.
- Verwenden Sie eine Datenkomprimierungsmethode, um den Schildstatus in einem Zeichen aufzuzeichnen. Ich behandelte die Daten als Fünf-Bit-Binärcode und ordnete die verschiedenen Werte ASCII-Zeichen zu, sodass sie die Datenelemente darstellten.
- Verwenden Sie ThingSpeak (ein IoT-Tool für Analysen und Online-Diagramme), indem Sie HTTP-Anfragen mit der POST-Methode senden.
Natürlich gab es einige Fehler. Ich wusste zum Beispiel nicht, dass der Operator sizeof( ) für ein char *-Objekt den Wert 4 zurückgibt und nicht die Länge der Zeichenfolge (da es sich nicht um ein Array handelt und der Compiler daher die Länge nicht berechnet). und war sehr überrascht, warum meine HTTP-Anfragen von allen URLs nur vier Zeichen enthielten!
Außerdem habe ich im #define-Schritt keine Klammern eingefügt, was zu unerwarteten Ergebnissen führte. Sagen wir mal:
#define _A 2 * 5
int a = _A / 3;Hier würde man erwarten, dass A gleich 3 (10 / 3 = 3) wäre, aber tatsächlich wurde es anders berechnet: 2 (2 * 5/ 3 = 2).
Ein weiterer bemerkenswerter Fehler, mit dem ich mich befasst habe, war schließlich das Zurücksetzen des Watchdog-Timers. Ich hatte sehr lange mit diesem Problem zu kämpfen. Wie sich später herausstellte, versuchte ich auf falsche Weise auf die Low-Level-Registrierung auf dem ESP8266-Chip zuzugreifen (ich habe versehentlich einen NULL-Wert für einen Zeiger auf eine Struktur eingegeben).
Ein Fußschutz, den ich entworfen und gebaut habe. Als das Foto entstand, hatte er bereits fünf Wochen Trampeln überlebt
Hardware (Trittbretter)
Damit die Schilde den harten Bedingungen in der Kantine standhalten, habe ich folgende Anforderungen an sie gestellt:
- Schilde müssen stark genug sein, um das menschliche Gewicht jederzeit zu tragen.
- Die Abschirmungen sollten dünn sein, um die Menschen in der Schlange nicht zu stören.
- Der Schalter muss beim Betreten aktiviert werden.
- Schilde müssen wasserdicht sein. Das Esszimmer ist immer feucht.
Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, habe ich mich für ein zweischichtiges Design entschieden – lasergeschnittenes Acryl für die Basis und die obere Abdeckung und Kork als Schutzschicht.
Ich habe das Schildlayout in AutoCAD erstellt; Abmessungen – 400 x 400 Millimeter.
Links ist das Design, das in Produktion ging. Rechts ist eine Option mit einer Lego-Verbindung
Übrigens habe ich das rechte Design irgendwann aufgegeben, weil sich bei einem solchen Befestigungssystem herausstellte, dass zwischen den Schilden ein Abstand von 40 Zentimetern liegen sollte, was bedeutete, dass ich die erforderliche Distanz (mehr als zehn Meter) nicht zurücklegen konnte.
Um alle Schalter zu verbinden, habe ich Lackdrähte verwendet – insgesamt waren es mehr als 70 Meter! Ich habe in der Mitte jedes Schildes einen Membranschalter angebracht. Aus den seitlichen Schlitzen ragten zwei Clips heraus – links und rechts vom Schalter.
Nun, zum Abdichten habe ich Isolierband verwendet. Viel Isolierband.
Und alles hat funktioniert!
Zeitraum vom fünften November bis zum zwölften Dezember
Foto des Systems – hier sind alle fünf Schilde sichtbar. Links ist die Elektronik (D1-mini / Bluetooth / RTC)
Am XNUMX. November um acht Uhr morgens (Frühstückszeit) begann das System mit der Erfassung aktueller Daten über die Situation im Speisesaal. Ich konnte meinen Augen nicht trauen. Noch vor zwei Monaten skizzierte ich das allgemeine Schema, saß zu Hause im Schlafanzug und nun funktionierte das ganze System reibungslos ... oder auch nicht.
Softwarefehler beim Testen
Natürlich gab es viele Fehler im System. Hier sind die, an die ich mich erinnere.
Das Programm hat beim Versuch, den Client mit der ThingSpeak-API zu verbinden, nicht nach verfügbaren WLAN-Punkten gesucht. Um den Fehler zu beheben, habe ich einen zusätzlichen Schritt zur Überprüfung der WLAN-Verfügbarkeit hinzugefügt.
In der Setup-Funktion habe ich immer wieder „WiFi.begin“ aufgerufen, bis eine Verbindung erschien. Später fand ich heraus, dass die Verbindung über die ESP8266-Firmware hergestellt wird und die Startfunktion nur beim Einrichten von WLAN verwendet wird. Ich habe die Situation korrigiert, indem ich die Funktion während des Setups nur einmal aufgerufen habe.
Ich habe festgestellt, dass die von mir erstellte Befehlszeilenschnittstelle (sie sollte die Uhrzeit einstellen und Netzwerkeinstellungen ändern) im Ruhezustand (also außerhalb von Frühstück, Mittagessen, Abendessen und Nachmittagstee) nicht funktioniert. Ich habe auch gesehen, dass die interne Schleife übermäßig schnell wird und die seriellen Daten zu schnell gelesen werden, wenn keine Protokollierung erfolgt. Deshalb stelle ich eine Verzögerung ein, damit das System darauf wartet, dass zusätzliche Befehle dann eintreffen, wenn sie erwartet werden.
Ode an den Wachhund
Oh, und noch etwas zu diesem Problem mit dem Watchdog-Timer: Ich habe es genau in der Testphase unter „Feldbedingungen“ gelöst. Ohne Übertreibung war das alles, woran ich vier Tage lang gedacht habe. In jeder Pause (die zehn Minuten dauerte) eilte ich in die Cafeteria, um die neue Version des Codes auszuprobieren. Und als die Verteilung eröffnet wurde, saß ich eine Stunde lang auf dem Boden und versuchte, den Virus einzufangen. An Essen habe ich gar nicht gedacht! Vielen Dank für all die guten Dinge, ESP8266 Watchdog!
Wie ich WDT herausgefunden habe
Codeausschnitt, mit dem ich zu kämpfen hatte
Ich habe ein Programm bzw. eine Erweiterung für Arduino gefunden, das bei einem Wdt-Reset die Datenstruktur der Software analysiert und dabei auf die ELF-Datei des kompilierten Codes zugreift (Korrelationen zwischen Funktionen und Zeigern). Dabei stellte sich heraus, dass der Fehler wie folgt behoben werden kann:
Verdammt! Wer hätte gedacht, dass es so schwierig ist, Fehler in einem Echtzeitsystem zu beheben? Ich habe den Fehler jedoch entfernt und es stellte sich heraus, dass es sich um einen dummen Fehler handelte. Aufgrund meiner Unerfahrenheit habe ich eine While-Schleife geschrieben, in der das Array über die Grenzen hinausging. Pfui! (index++ und ++index sind zwei große Unterschiede).
Probleme mit der Hardware während des Tests
Natürlich war die Ausrüstung, also die Fußschilde, alles andere als ideal. Wie zu erwarten ist, klemmt einer der Schalter.
Am XNUMX. November, während der Mittagspause, blieb der Schalter am dritten Panel hängen
Oben habe ich einen Screenshot eines Online-Diagramms von der ThingSpeak-Website bereitgestellt. Wie Sie sehen können, passierte gegen 12:25 Uhr etwas, woraufhin Schild Nummer drei versagte. Als Ergebnis wurde die Warteschlangenlänge mit 3 ermittelt (der Wert ist 3 * 100), auch wenn sie tatsächlich nicht den dritten Schild erreichte. Die Lösung bestand darin, dass ich mehr Polsterung (ja, Klebeband) hinzugefügt habe, um dem Schalter mehr Platz zu geben.
Manchmal wurde mein System buchstäblich entwurzelt, wenn das Kabel in der Tür hängen blieb. Karren und Pakete wurden durch diese Tür ins Esszimmer getragen, so dass sie den Draht mit sich führte, ihn schloss und aus der Steckdose zog. In solchen Fällen bemerkte ich einen unerwarteten Fehler im Datenfluss und vermutete, dass das System von der Stromquelle getrennt war.
Verbreitung von Informationen über das System in der gesamten Schule
Wie bereits erwähnt, habe ich die ThingSpeak-API verwendet, die Daten auf der Website in Form von Diagrammen visualisiert, was sehr praktisch ist. Im Allgemeinen habe ich im Grunde nur einen Link zu meinem Stundenplan in der Facebook-Gruppe der Schule gepostet (ich habe eine halbe Stunde lang nach diesem Beitrag gesucht und ihn nicht gefunden – sehr seltsam). Aber ich habe einen Beitrag auf meiner Band, einer Schulgemeinschaft, vom 2017. November XNUMX gefunden:
Die Reaktion war wild!
Ich habe diese Beiträge gepostet, um Interesse an meinem Projekt zu wecken. Allerdings ist schon das bloße Anschauen an sich schon recht unterhaltsam. Nehmen wir an, Sie können hier deutlich sehen, dass die Anzahl der Personen um 6:02 Uhr stark anstieg und um 6:10 Uhr praktisch auf Null sank.
Oben habe ich ein paar Grafiken angehängt, die sich auf das Mittagessen und den Nachmittagstee beziehen. Interessant ist, dass der Höhepunkt der Arbeitsbelastung zur Mittagszeit fast immer um 12:25 Uhr auftrat (die Schlange erreichte den fünften Schild). Und für einen Nachmittagssnack ist es in der Regel untypisch, dass sich eine große Menschenmenge versammelt (die Schlange ist höchstens eine Tafel lang).
Weißt du, was lustig ist? Dieses System lebt noch (https://thingspeak.com/channels/346781)! Ich habe mich bei dem Konto angemeldet, das ich zuvor verwendet habe, und Folgendes gesehen:
In der Grafik oben habe ich gesehen, dass der Zustrom am dritten Dezember deutlich geringer war. Kein Wunder, es war Sonntag. An diesem Tag geht fast jeder irgendwo hin, denn in den meisten Fällen darf man das Schulgelände nur am Sonntag verlassen. Es ist klar, dass man am Wochenende in der Mensa keine Menschenseele sehen wird.
Wie ich für mein Projekt den ersten Preis vom koreanischen Bildungsministerium erhielt
Wie Sie selbst sehen können, habe ich an diesem Projekt nicht mitgearbeitet, weil ich versucht habe, irgendeine Auszeichnung oder Anerkennung zu erlangen. Ich wollte einfach meine Fähigkeiten nutzen, um ein chronisches Problem zu lösen, mit dem ich in der Schule konfrontiert war.
Doch eines Tages fragte mich unsere Schulernährungsberaterin, Frau O., mit der ich bei der Planung und Entwicklung meines Projekts sehr eng zusammenkam, ob ich von einem Wettbewerb für Cafeteria-Ideen wüsste. Dann dachte ich, es wäre eine seltsame Idee, Ideen für das Esszimmer zu vergleichen. Aber ich habe die Informationsbroschüre gelesen und erfahren, dass das Projekt bis zum 24. November eingereicht werden muss! Gut gut. Ich habe schnell das Konzept, die Daten und Grafiken fertiggestellt und die Bewerbung abgeschickt.
Änderungen gegenüber der ursprünglichen Idee für den Wettbewerb
Das System, das ich letztendlich vorgeschlagen habe, unterschied sich übrigens geringfügig von dem bereits implementierten. Im Wesentlichen habe ich meine ursprüngliche Methode (Messung der Warteschlangenlänge in Echtzeit) für viel größere koreanische Schulen angepasst. Zum Vergleich: In unserer Schule gibt es dreihundert Schüler, in manchen anderen sind es so viele Leute in nur einer Klasse! Ich musste herausfinden, wie ich das System skalieren kann.
Deshalb habe ich ein Konzept vorgeschlagen, das eher auf „manueller“ Steuerung basiert. Heutzutage haben koreanische Schulen bereits einen Essensplan für alle Klassen eingeführt, der strikt eingehalten wird, daher habe ich ein anderes „Signal-Reaktions“-Framework erstellt. Die Idee dabei war, dass die Gruppe, die vor Ihnen die Cafeteria besucht, eine bestimmte Grenze in der Länge der Leitung erreicht (d. h. die Leitung kürzer wird), manuell über einen Knopf oder Schalter an der Wand ein Signal an Sie sendet . Das Signal wird auf den Fernsehbildschirm oder über LED-Lampen übertragen.
Ich wollte einfach ein Problem lösen, das in allen Schulen des Landes auftrat. Ich wurde noch mehr in meiner Absicht gestärkt, als ich eine Geschichte von Miss O hörte – ich erzähle es Ihnen jetzt. Es stellt sich heraus, dass in einigen großen Schulen die Warteschlange auch im Winter zwanzig bis dreißig Meter über die Cafeteria hinaus auf die Straße reicht, weil niemand den Prozess richtig organisieren kann. Und manchmal kommt es vor, dass mehrere Minuten lang überhaupt niemand im Esszimmer erscheint – und das ist auch schlimm. In Schulen mit vielen Schülern hat das Personal kaum Zeit, alle zu bedienen, selbst wenn keine einzige Minute Essenszeit verschwendet wird. Daher haben diejenigen, die als letzte bei der Verteilung ankommen (meist Grundschüler), einfach nicht genug Zeit zum Essen.
Obwohl ich meine Bewerbung also in Eile einreichen musste, habe ich sehr sorgfältig darüber nachgedacht, wie ich sie für eine breitere Nutzung anpassen könnte.
Nachricht, dass ich den ersten Preis gewonnen habe!
Um es kurz zu machen: Ich wurde eingeladen, mein Projekt Regierungsbeamten vorzustellen. Also habe ich all meine Power-Point-Fähigkeiten eingesetzt und bin vorbeigekommen und habe präsentiert!
Beginn der Präsentation (ganz links – Minister)
Es war eine interessante Erfahrung – ich habe mir gerade etwas für das Cafeteria-Problem ausgedacht und bin irgendwie unter den Gewinnern des Wettbewerbs gelandet. Selbst als ich auf der Bühne stand, dachte ich ständig: „Hmm, was mache ich überhaupt hier?“ Aber im Allgemeinen hat mir dieses Projekt großen Nutzen gebracht – ich habe viel über die Entwicklung eingebetteter Systeme und die Umsetzung von Projekten im wirklichen Leben gelernt. Nun, ich habe natürlich einen Preis erhalten.
Abschluss
Hier liegt eine gewisse Ironie: Egal wie oft ich an allen möglichen Wettbewerben und Wissenschaftsmessen teilgenommen habe, für die ich mich bewusst angemeldet habe, es ist nichts Gutes dabei herausgekommen. Und dann hat mich die Gelegenheit gefunden und mir gute Ergebnisse beschert.
Dies brachte mich dazu, über die Gründe nachzudenken, die mich motivieren, Projekte anzunehmen. Warum beginne ich mit der Arbeit – um zu „gewinnen“ oder ein echtes Problem in der Welt um mich herum zu lösen? Wenn in Ihrem Fall das zweite Motiv am Werk ist, empfehle ich Ihnen dringend, das Projekt nicht aufzugeben. Mit diesem Geschäftsansatz können Sie unterwegs auf unerwartete Chancen stoßen und verspüren nicht den Druck, gewinnen zu wollen – Ihr Hauptmotivator wird die Leidenschaft für Ihr Unternehmen sein.
Und das Wichtigste: Wenn Sie es schaffen, eine anständige Lösung umzusetzen, können Sie sie sofort in der realen Welt ausprobieren. In meinem Fall war die Plattform eine Schule, aber mit der Zeit sammeln sich Erfahrungen an, und wer weiß – vielleicht wird Ihre Anwendung vom ganzen Land oder sogar der ganzen Welt genutzt.
Jedes Mal, wenn ich an diese Erfahrung denke, bin ich irgendwie stolz auf mich. Ich kann nicht erklären, warum, aber die Umsetzung des Projekts hat mir einfach große Freude bereitet und der Preis war ein zusätzlicher Bonus. Darüber hinaus freute ich mich, dass ich für meine Klassenkameraden ein Problem lösen konnte, das ihnen jeden Tag das Leben ruinierte. Eines Tages kam einer der Studenten auf mich zu und sagte: „Ihr System ist sehr praktisch.“ Ich war im siebten Himmel!
Ich denke, auch ohne Auszeichnungen wäre ich allein schon deshalb stolz auf meine Entwicklung. Vielleicht war es die Hilfe für andere, die mich so befriedigte … Im Allgemeinen liebe ich Projekte.
Was ich mit diesem Artikel erreichen wollte
Ich hoffe, dass Sie durch die Lektüre dieses Artikels dazu inspiriert wurden, etwas zu tun, das Ihrer Gemeinschaft oder auch nur Ihnen selbst zugute kommt. Ich ermutige Sie, Ihre Fähigkeiten (Programmieren ist sicherlich eine davon, aber es gibt noch andere) zu nutzen, um die Realität um Sie herum zum Besseren zu verändern. Ich kann Ihnen versichern, dass die Erfahrungen, die Sie dabei sammeln werden, mit nichts anderem zu vergleichen sind.
Es kann auch Wege eröffnen, mit denen man nicht gerechnet hat – das ist mir passiert. Also bitte, tun Sie, was Sie lieben, und hinterlassen Sie Ihren Eindruck in der Welt! Das Echo einer einzigen Stimme kann die ganze Welt erschüttern, also glaube an dich.
Hier sind einige Links zum Projekt:
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Source: habr.com