ТЕСТОВЫЙ ПРОЕКТ
КОМПЕТЕНЦИИ
ИНТЕРНЕТ ВЕЩЕЙ
WSR2016_UM_IoT
«Умное сельское хозяйство»
Разработан:
Е. Кривцова, Е. Чабаненко,
А. Корнилов, Т. Идиатуллов,
А. Петрик
специально для Всероссийского межвузовского чемпионата «Молодые профессионалы» (WorldSkills Russia)
Город Москва, 30 марта – 1 апреля, 2016 год
Содержание
ВВЕДЕНИЕ 3
Актуальность задания 3
ОПИСАНИЕ ПРОЕКТА И ЗАДАНИЙ 4
Объект автоматизации 4
Площадка соревнований 4
Оборудование площадки соревнований 4
Работа на площадке 5
Порядок выполнения задания 6
План подготовки и выполнения тестовых заданий в ходе соревнований 8
Задание первого дня (С1), первый оценочный модуль 8
Задание первого дня (С1), второй оценочный модуль 9
Задание второго дня (С2), третий оценочный модуль 9
Задание третьего дня (С3), четвертый оценочный модуль 11
Инструкции для участников 11
Содержание и порядок демонстрации презентации 11
Требования к оборудованию, материалам и программному обеспечению 12
КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ 13
Требование к составу команды 14
ДЕМОНСТРАЦИИ И ПРЕЗЕНТАЦИИ ДЛЯ ЗРИТЕЛЕЙ 15
ВВЕДЕНИЕ
Тестовый проект «Умное сельское хозяйство» состоит в том, что:
участникам соревнований следует автоматизировать процесс контроля и анализа климатических условий в тепличном хозяйстве путем установки в теплице датчиков и исполнительных механизмов контроля климата, а также с выполнением подключения к облачному сервису обработки данных и разработке веб-приложения для управления данными. Клиенту должна быть предоставлена возможность удаленно контролировать процесс поддержания климатических условий в теплице, а также выполнения прогнозных действий по работе тепличного хозяйства.
За время, отведенное для выполнения тестового проекта, участники должны:
реализовать систему сбора и анализа информации о климате в теплице, используя имеющиеся датчики и оборудование;
осуществить удаленный доступ через облачный сервис, в том числе к системе контроля климата с целью управления условиями роста растений;
провести анализ и построить прогноз работы тепличного хозяйства;
подготовить и провести презентацию своего проекта автоматизации, оценив его целевую направленность, себестоимость, окупаемость, прибыльность и другие факторы, которые могут оказаться интересными для инвесторов.
Процесс оценки результатов выполнения Тестового проекта фактически соответствует процедуре сдачи реального внедренческого проекта потенциальным инвесторам, где судейская коллегия (экспертная группа) выступает в качестве «инвесторов».
Важно: выполнение Тестового проекта не предполагает решения изобретательских, инновационных задач или разработки новых технологий.
Примечание: документ является рамочным, он дорабатывается главным экспертом и экспертной группой чемпионата с учетом имеющихся организационных и материальных возможностей, интересов партнеров, специфики местных условий и утверждается главным/национальным экспертом в ходе аккредитации чемпионата. Кроме того, принципы организации соревнований WorldSkills предусматривают правило 30% изменений заданий непосредственно на период соревнований.
Актуальность задания
Данный способ автоматизации ориентирован на домашние и небольшие тепличные фермы и агротехнические хозяйства, где комплексная автоматизация с применением крупных автоматических систем мелиорации промышленного уровня не является рентабельной. Также важным требованием является доступность применённых программно-аппаратных решений широкому кругу специалистов. Выполнение подобных заказов на автоматизацию может осуществляться небольшими проектными командами при небольших необходимых ресурсах.
ОПИСАНИЕ ПРОЕКТА И ЗАДАНИЙ
До приезда на соревнования участники должны:
Провести анализ возможностей конечного оборудования (определяется комплектом участника) и облачной платформы ThingWorx.
Подготовить вспомогательные материалы для выполнения прогнозных действий по работе тепличного хозяйства с системой управления климатом.
Создать компьютерную презентацию (PowerPoint), которая показывает деятельность участника по подготовке к соревнованиям.
Примечание: Презентации участников должны включать:
(а) Описание проблемы с указанием целевой аудитории, предполагаемой для использования проекта;
(б) Изображения и минимальное количество текста, представляющие стратегию выполнения задачи, предполагаемое решение по автоматизации тепличного хозяйства, а также использованные решения, касающиеся конкретных систем (электрика / механика / программирование) с использованием необходимых для понимания схем и изображений;
(с) Экономические расчеты и обоснование эффективности предлагаемого решения.
Объект автоматизации
Площадка соревнований
Рабочая зона представлена ровной горизонтальной площадкой, с размещенным на ней рабочим полем размером 60 х 70 см с размещенной на ней компактной теплицей. В теплице установлен ящик под рассаду с грунтом. Рассада для посадки предоставляется отдельно.
Кроме того в рабочей зоне находится стол, размером не менее 50 х 120 х 70 см для установки персонального компьютера и размещения инструментов.
Примерный вид элементов площадки соревнований (соревновательного оборудования):
|
|
|
Теплица
|
Ящик под рассаду
|
Рассада – лук севок
|
Примечание: общий вид теплицы, ящика под рассаду и рассады (в том числе посевная культура) могут отличаться от представленных на изображениях выше.
Климат в теплице характеризуется пятью показателями: температурой и влажностью воздуха, освещённостью, температурой и влажностью почвы.
Оборудование площадки соревнований
На установленном в рабочей зоне столе может быть установлен персональных компьютер (в том числе, ноутбук), размещены компоненты системы управления и исполнительных устройств, а также инструменты и канцелярские принадлежности.
Рядом со столом или на нём размещается теплица.
Внутри теплицы размещается ящик под рассаду, а теплица укрывается подходящим укрывным материалом.
Для установки компонент системы сбора данных и управления могут использоваться незадействованные элементы конструкции теплицы.
Во время демонстрации системы она должна работать автономно. Никакой элемент системы сбора данных и управления не должен нарушать целостность теплицы.
В зоне соревнований также обеспечивается подвод электропитания (2 розетки) и разъем Ethernet для подключения к локальной сети с доступом в Internet.
Настройки сетевого оборудования для обеспечения доступа в сеть Internet сообщаются организаторами.
Установленное соревновательное оборудование сохраняется на поле весь соревновательный день.
Примечание: для фиксации оборудования могут использоваться винтовые (болтовые) соединения и клеевые поверхности.
Примечание: конкретный тип используемого оборудования и мебели участникам до начала соревнований неизвестны; использованное оборудование остается неизменным в течение всего времени проведения соревнования, его расположение - в течение соревновательного дня.
Участники сами определяют стратегию выполнения задания и то, какая информация, доступная на рабочем поле, используется.
Работа на площадке
Площадка соревнований представляет собой модель тепличного хозяйства, на котором работает автоматическая климатическая система в соответствии с заданием в пределах регламента соревнований.
При демонстрации выполнения заданий прямое управление (нажатие кнопок на системе управления, подключение-отключение устройств, включение-выключение электропитания) может использоваться только для активации стартовых процедур и для экстренной (аварийной) остановки работы. По окончании демонстрации система должна продолжить работу в автоматическом режиме.
Согласно требованиям безопасности, с системой сбора данных и управления исполнительными устройствами, в том числе с самими устройствами (и датчиками), не допускается физический контакт при включённом питании системы.
Во время тренировок и презентаций участники самостоятельно отвечают безопасность при работе с системой управления.
Во время выполнения зачётных попыток участникам команд и зрителям запрещено касаться систем управления и оснащения поля, в том числе поправлять объекты, сдвинутые или поврежденные в процессе работы.
Демонстрация работоспособности системы проводится в течение 5 минут (если иное не оговорено конкретным заданием).
При нештатных ситуациях, возникающих во время зачетного запуска системы (замена батареек, корректировка и настройка датчиков и т.п.) остановка времени зачетного запуска не предусмотрена.
Если в задании не оговорено иное, участник сам определяет стратегию выполнения задания и то, какой информацией, из доступной на поле и объектах, он для этого воспользуется.
В случае если команда решает не использовать предоставленную ей возможность для выполнения запуска системы на отведенной площадке, она должна информировать об этом эксперта, закрепленного за данной площадкой, после чего имеет право продолжить работу в течение отведенного расписанием демонстраций временем на своем рабочем месте.
Порядок выполнения задания
С целью упрощения организации работы участников и процедур оценивания, задания тестового проекта разбиты на отдельные модули. Для выполнения заданий каждого модуля в плане соревнований отводится определенное рабочее время.
Перед началом выполнения задания одного модуля назначенный эксперт раздаёт задание с указанием параметров системы и выполненных работ. Как правило с этой целью проводится брифинг участников и экспертов, на котором члены команд могут задать экспертам уточняющие вопросы по содержанию заданий.
После окончания брифинга от участников принимаются лишь текущие вопросы организационного и обеспечивающего характера, например, по возможности замены неисправного модуля управления, параметрам подключения к Internet или запросы медицинского обслуживания.
Все действия по выполнению заданий одного модуля выполняются в рамках одного или двух временных блоков (рабочего времени), согласно плану проведения соревнований. Во время рабочего времени, согласно предварительной жеребьевке, экспертная комиссия оценивает функционирование разработанной системы либо заслушивает презентацию команды.
Оценка функционирования системы проводится в виде устного выступления с показом презентации и работающей системы. Если это необходимо, то эксперт может выполнить действия, меняющие внешние условия для работающей системы, например, затенить датчик освещенности.
Сбор и анализ информации, если это необходимо для представления, ведется в течение 5 минут. Эксперты могут предложить воспользоваться собранными ранее данными.
При нештатных ситуациях, возникающих во время зачетного запуска системы (замена батареек, корректировка и настройка датчиков и т.п.) остановка времени зачетного запуска не предусмотрена.
При равном результате при выполнении заданий победителем признается тот, кто затратил на выполнение задания меньшее время.
Для выполнения тестового или оценочного запуска системы, участникам дается 10 минут для того, чтобы настроить систему и выполнить ее запуск, однако участники могут использовать только 5 минут для проведения тестового или оценочного запуска.
Таким образом, график представления результатов выполнения задания на площадке включает:
• 5 минут - для подготовки, проверки, настройки системы;
• 5 минут - для выполнения задания и демонстрации аспектов работы системы.
Все тестовые и оценочные запуски одинаковы по времени.
Командам не разрешается прикасаться к системе управления и сбора данных, а также к системе полива, во время демонстрации выполнения задания.
В случае, если команда решает не использовать предоставленную ей возможность для выполнения запуска системы на отведенной площадке, она должна информировать об этом эксперта, закрепленного за данной площадкой, после чего имеет право продолжить работу в течение этих 10 минут на своем рабочем месте.
Расписание оценочных запусков оставляется методом жеребьёвки с определением точного времени начала временного интервала проведения демонстрации (для каждой команды). Если команда в течении 5 минут от начала временного интервала не является на площадку, то ей может быть отказано в другой попытке представления проекта.
План подготовки и выполнения тестовых заданий в ходе соревнований
Для выполнения тестовых заданий участникам дается три соревновательных дня (обозначаемых С1, С2, С3) с общим объемом рабочего времени от 17 до 22 часов. Задания представлены в виде 4 модулей, направленных на оценивание разных стадий выполнения тестового проекта. Данный объем времени включает как время, предоставляемое участнику для работы над проектом, так и время, необходимое для тестирования и демонстрации проекта.
ЗАДАНИЕ ПЕРВОГО ДНЯ (С1). Первый оценочный модуль:
Монтаж умной теплицы
Описание задания
Необходимо разработать систему сбора данных и управления умной теплицей.
Порядок выполнения задания
В рамках выполнения заданий модуля участникам необходимо:
Ознакомиться с объектом автоматизации;
При необходимости, собрать теплицу, провести засыпку грунта, выставить рассаду, произвести первичный полив;
Собрать систему управления умной теплицей, включая датчики;
Выполнить разработку и настройку программного обеспечения сбора данных о климатических условиях в теплице;
Провести калибровки датчиков;
Провести демонстрацию функционирования системы сбора данных (локальная версия) экспертам.
Фактически, в рамках данного модуля должен быть представлен законченный аппаратный комплекс сбора данных для мониторинга климата в теплице. Программная составляющая системы мониторинга рассматривается в других модулях. Из программных решений оцениваются только функции диагностики установленных аппаратных компонент комплекса.
Оптимальным, для демонстрации функционирования устройства, является вывод текущей информации с датчиков на жидкокристаллический дисплей. Информация должна выводиться в понятном, неподготовленному человеку виде, например, в виде текстового сообщения «Температура почвы +21 С».
Должна производиться индикация работы системы с сигнальной лампы.
Базовый тест работоспособности системы включает:
Показ информации о температуре воздуха в теплице;
Показ информации о влажности воздуха в теплице;
Показ информации об освещенности в теплице;
Показ информации о температуре почвы в теплице;
Показ информации о влажности почвы в теплице;
Индикацию работы системы в автономном режиме.
Контрольный светодиод платы Arduino может быть использован как «Сигнальная лампа системы сбора данных и управления».
ЗАДАНИЕ ПЕРВОГО ДНЯ (С1). Второй оценочный модуль:
Мониторинг условий окружающей среды для растений
Описание задачи
Необходимо создать веб-приложение на облачной платформе ThingWorx для мониторинга условий, в которых выращиваются растения. Данные о растении должны включать в себя название, изображение, описание.
Данное приложение для каждого растения должно отслеживать температуру воздуха, влажность воздуха, температуру почвы, влажность почвы и освещенность.
Порядок выполнения задания
Исходя из исходных данных определить логику работы приложения и выделить все необходимые объекты, определить для каждого объекта набор атрибутов, продумать взаимосвязь между объектами.
В приложении Composer ThingWorx создать профили всех необходимых объектов, создать необходимые параметры и шаблоны. Создать необходимые сервисы и назначить статичные параметры для объектов. Создать главную страницу веб-приложения.
Настроить взаимосвязь (обмен данными) между системой сбора данных и управления (аппаратным комплексом) и платформой ThingWorx. Убедиться в получении данных.
Добавить виджет обновления страницы и назначить период обновления в 2 секунды.
Запустить просмотр для проверки правильности отображения данных.
Подготовить и провести демонстрацию работоспособности системы мониторинга.
Тест работоспособности системы включает:
Показ информации всех датчиков на форме приложения;
Проверку реакции системы на изменение внешних условий, например, затенение датчика освещенности и полив почвы;
Получения сообщения по электронной почте;
Отсчёт времени реакции системы на изменение условий.
ЗАДАНИЕ ВТОРОГО ДНЯ (С2). Третий оценочный модуль:
Часть 1. Обеспечение соблюдения условий окружающей среды, рекомендованных для выращивания растения. Управление рекомендованными условиями выращивания. Управляемый полив.
Описание задачи
Необходимо создать веб-приложение, которое управляет рекомендованными условиями выращивания (температура воздуха, влажность воздуха, влажность почвы, освещенность).
При нарушении рекомендованных значений, веб-приложение должно высылать предупредительное сообщение по электронной почте.
Приложение должно отслеживать влажность почвы и при необходимости инициировать полив в автоматическом режиме. Также должен поддерживаться режим принудительного полива и запрета полива с формы приложения.
Приложение должно содержать функционал ретроспективного просмотра данных мониторинга и выполняемых действий по управлению теплицей.
Порядок выполнения задания
Исходя из исходных данных определить логику работы приложения и выделить все необходимые объекты, определить для каждого объекта набор атрибутов, продумать взаимосвязь между объектами, определить характер модификации имеющейся системы.
В приложении Composer ThingWorx выполнить необходимые доработки. Добавить вспомогательную веб-страницу для настройки рекомендованных значений. Настроить систему навигации в приложении.
Подключить систему полива к системе сбора данных и управления умной теплицей.
Внести изменения в программный код системы для управления помпой и настроить связь системы полива с платформой ThingWorx. Удостовериться, что принудительный полив выполняется.
Доработать систему для выполнения автоматического полива.
Запустить просмотр для проверки работоспособности системы.
Подготовить и провести демонстрацию работоспособности системы мониторинга.
Работоспособность системы соблюдения условий окружающей среды включает:
Работа системы принудительного полива;
Работа системы показа ретроспективных данных.
Часть 2. Проведение презентации разработанной системы управления умной теплицей
Описание задачи
Необходимо создать и провести презентацию системы управления умной теплицей.
Порядок выполнения задания
Исходя из собранной информации подготовить презентацию и провести представление созданного приложения. Оценить потенциальные возможности использования системы.
ЗАДАНИЕ ТРЕТЬЕГО ДНЯ (С3). Четвертый оценочный модуль:
Разработка системы прогнозирования применения системы управления умной теплицей для расчёта параметров эффективности аграрного хозяйства
Описание задачи
Необходимо создать веб-приложение, которое может быть использовано для проведения расчётов (прогнозирования) параметров эффективности аграрного хозяйства при использовании системы умных теплиц в различных режимах.
Эффективность хозяйства оценивается для заданного набора данных о климатических условиях и списка выращиваемых культур.
Эффективность оценивается как по контролю расходов (электроэнергия, вода, стоимость внедрения), так и по результатам сбора урожая после его реализации.
Порядок выполнения задания
Исходя из исходных данных по климатическим условиям и списку выращиваемых культур, собрать информацию, необходимую для выполнения прогнозных действий.
Определить логику работы приложения и выделить все необходимые объекты, определить для каждого объекта набор атрибутов, продумать взаимосвязь между объектами, определить характер модификации имеющейся системы.
Разработать приложение на платформе ThingWorx.
Подготовить и провести презентацию решения в формате коммерческого предложения по внедрению умного тепличного хозяйства.
Инструкции для участников
Участникам будет выделено рабочее место для эксклюзивного использования, где они будут проводить всю свою деятельность по сборке стенда и программированию.
Участники могут использовать два компьютера на своем рабочем месте, но они могут иметь и использовать ТОЛЬКО ОДИН компьютер во время выполнения задания (для демонстрации функционирования системы и презентации).
Участники должны продемонстрировать истинно честную игру и сотрудничество во всё время соревнований.
Содержание и порядок демонстрации презентации
Презентации используются участниками при общении с судейской коллегией (экспертами), а также для представления команды зрителям соревнований.
Презентации участников должны соответствовать следующим требованиям:
Должны быть представлены в формате файлов Microsoft PowerPoint.
Должны запускаться в режиме автоматического воспроизведения.
Время автопроигрывания презентации не должно превышать 10 минут.
На каждом слайде презентации должно быть указано время, в течение которого он демонстрируется.
Все презентации участников должны использовать минимальное количество текста.
Презентация участников должна идентифицировать команду / регион либо только на титульной странице, либо на верхних / нижних колонтитулах всех слайдов.
Файлы презентаций должны быть предназначены не только для демонстрации судьям, но также могут демонстрироваться посетителям мероприятия или иным образом использоваться публично. Поэтому, согласно политике брендирования WSI, в презентацию не должна быть включена рекламная информация.
Для подготовки и демонстрации презентаций участникам отводится 20-минутный блок времени.
По окончанию презентации: участникам могут быть заданы вопросы, если это предусмотрено регламентом мероприятия.
Требования к оборудованию, материалам и программному обеспечению
Примечание: полный перечень разрешенного и обязательно оборудование определяется регламентом конкретного мероприятия и утверждается в ходе его аккредитации.
В конструкции стенда (системы управления теплицей) могут использоваться следующие датчики в указанном максимальном количестве:
Наименование
|
Количество, не более
|
Примечание
|
Датчик освещенности
|
1
|
Рекомендуется использование
Digilent PmodALS
|
Датчик температуры
|
1
|
Рекомендуется использование
Digilent PmodTMP3
|
Датчик влажности
|
1
|
Рекомендуется использование
Digital relative humidity & temperature sensor AM2302/DHT22
|
Датчик влажности почвы
|
1
|
Рекомендуется использование Moisture Sensor
|
Герметичный датчик температуры (почвы)
|
1
|
|
Используемое программное обеспечение: Arduino IDE, LabVIEW, Visual Studio, Internet Explorer, Microsoft Office и их функциональные аналоги.
На системе управления обязательно должна быть установлена сигнальная лампа, вспышки которой будут идентифицировать ситуации, когда система работает. В роли сигнальной лампы может использоваться встроенные светодиоды на контроллере управления.
Все цепи системы управления объектом должны соответствовать промышленным стандартам безопасности.
Все силовые электрические цепи (ток свыше 2 А) системы управления и исполнительных механизмов должны быть защищены предохранителями.
Не допускается использование в системе управления компонентов, которые:
потенциально могут привести к рабочей зоны или объекта управления;
содержат опасные материалы (например, ртутные выключатели, свинцовые грузы и пр.);
представляют собой чрезмерный риск запутывания;
имеют острые грани или углы;
содержат материалы животного происхождения;
содержат жидкие или гелевые материалы;
содержат узлы и компоненты, требующие заземления;
содержат узлы и компоненты, создающие электрические и радиопомехи;
создают излишний шум, мешающий работе других участников, экспертам или зрителям.
Участники должны предусмотреть возможность полного контроля соответствия конструктивных решений и параметров системы управления, датчиков и исполнительных механизмов требованиям Тестового проекта в результате визуальной инспекции.
При возникновении спорных ситуаций в отношении используемого оборудования, главный эксперт соревнований является единственным лицом, принимающим окончательное решение на этот счет.
КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ
Поскольку соревнования по системе WorldSkills направлены на оценку профессионального мастерства, то оценке подлежат все действия участников команд в соревновательный период, а также подготовительная деятельность команды. Таким образом, помимо результатов выполнения заданий тестового проекта, оценке подлежат:
презентация команды и хода её подготовки;
общая организация и управление ходом выполнения работ;
организация подготовки и использования рабочего места;
навыки взаимодействия, коммуникации и командной работы;
навыки документирование работ и подготовки сопроводительной документации;
поведение на площадке и за её пределами.
Выполнение Тестового проекта (заданий проекта) оценивается по следующим критериям:
общая организация и управление ходом выполнения работ;
навыки взаимодействия, коммуникации и командной работы;
навыки создания конструкции системы мониторинга климата на базе типовых решений;
навыки сборки и отладки системы мониторинга климата;
навыки программирования системы мониторинга климатических параметров на основе типовых алгоритмов и программных решений;
навыки отладки и настройки мониторинга климатической системы;
навыки работы с платформой разработке приложений интернета вещей;
навыки маркетингового продвижения продукта;
результаты выполнения тестового задания.
Каждый критерий содержит несколько оцениваемых параметров, которые, насколько это возможно, являются измеримыми («объективными»). Параметры, которые не могут быть измерены, оцениваются по уровню качества их исполнения.
Оценка качества в этом случае производится в соответствии со следующей шкалой:
0 баллов – неприемлемо;
1 балл – приемлемо (допустимо в реальной практике);
2 балла – хорошо (соответствует стандартам качества и безопасности по «нижней границе»);
3 балла – превосходно.
Примечание: полный список критериев оценки команд до сведения участников не доводится. Указанные баллы приведены исключительно в целях пояснения принципов оценивания команд и могут не совпадать с используемыми в оценочной системе на соревнованиях.
Требование к составу команды
В соревновании принимают команды из двух человек, возраст которых на август 2016 года будет составлять от 17 до 23 лет. Предполагается, что участники будут студентами вузов, учащимися средне-специальных и средних учебных заведений или молодыми специалистами в профессии «Управление в технических системах».
ДЕМОНСТРАЦИИ И ПРЕЗЕНТАЦИИ ДЛЯ ЗРИТЕЛЕЙ
В ходе мероприятий чемпионата предполагаются следующие возможности для зрителей ближе познакомится с сутью профессии и происходящим на площадке соревнований:
Демонстрация на внешних мониторах и размещение на официальном сайте и в СМИ презентации/видеоролика о компетенции и сути соревнований;
Демонстрация на внешних мониторах и размещение на официальном сайте и в СМИ презентаций участников;
Демонстрация автономных систем мониторинга климатических параметров для посетителей в период между запусками (график определяет главный эксперт).
Участникам команд следует помнить, что соревнования направлены в первую очередь на популяризацию направления профессиональной деятельности, а потому готовность и характер взаимодействия со зрителями так же будет учитываться судейской коллегией (экспертами).
WSR2016_UM_IoT
|
