Pametni predpražnik je naprava, ki bi zaznala človeka, ko bi ta stopil nanj. To omogoči prevodna nit, ki je nameščena pod predpražnik. Tej se upor spremeni ob pravokotni obremenitvi glede na ravnino v kateri je nit – torej ko bi človek stopil na predpražnik. Upor se pri taki obremenitvi (ko stopimo na predpražnik) spremeni dovolj, da spremembo upora zaznamo z detektorjem (npr. mikroračunalnik arduino). To bi bilo lahko uporabno pri npr. zvonjenju – ko bi človek stopil na predpražnik bi v hiši zazvonilo.
Ta kriterij se nam zdi pomemben, saj želimo da bi naprava delovala iz dneva v dan, ne da bi jo morali popravljati. Kar bi lahko šlo narobe je, da bi se upor pri obremenitvi (človek stopi na predpražnik) in razbremenitvi (človek ne stoji na predpražniku) tako spreminjal, da bi se vrednosti uporov obeh stanj prekrivali. To bi onemogočilo delovanje naprave, saj pri določenem uporu ne bi mogli vedeti ali je človek na predpražniku ali ne.
Pri tem kriteriju smo imeli v mislih, različno težo ljudi, ki bi lahko vplivala na delovanje naprave, saj človek bolj vitke postave upora morda ne bi spremenil dovolj, da bi ga naprava zaznala.
Zanimalo nas je ali je kateri predpražnik bolj primeren za našo napravo. Kakšni predpražniki imajo več in bolj trdne ščetine, ki bi lahko spremenili delovanje naprave v smislu, da bi povečali ali zmanjšali širino prepovedanega pasu.
Voda bi lahko v deževnem vremenu poslabšala ali onemogočila delovanje naprave. Lahko bi spremenila prevodnost in efekt spreminjanja upora niti, če bi se nit namočila in bi voda v niti onemogočila stik med prevodnimi vlakni, kar bi poslabšalo delovanje naprave.
V osnovi pametni predpražnik meri upor prevodne niti in ga primerja z vnaprej določenimi vrednostmi, da določi ali kdo stoji na njem ali ne. Odločili smo se da bomo upor prevodne niti izmerili preko napetosti na prevodni niti v električnem krogu skupaj z znanim fiksnim upornikom (Glej sliko spodaj, Vin je napetost vira (5V), Vout je pa izmerjena napetost)
Na dno predpražnika smo nalepili prevodno nit ter jo povezali na Arduino. Ta igra vlogo voltmetra in vira napetosti pri merjenju upora prevodne niti na način, opisan zgoraj. Poleg tega pa je tudi povezan na LED lučko, ki nam sporoča če kdo stoji na predpražniku ali ne. Potem smo opazovali napetost, ki jo je izmeril arduino, ko je predpražnik razbremenjen in obemenjen. Tako smo ga kalibrirali, da zazna človeka.
void setup(){
pinMode(A1,OUTPUT);
Serial.begin(9600);
digitalWrite(A1,LOW); //ugasnemo LED lučko
}
void loop(){
Serial.print(analogRead(A0)); //preberemo napetost in jo pošljemo računalniku
Serial.print("\n");
if(analogRead(A0)<600){
digitalWrite(A1,HIGH); //če je izmerjena napetost manjša od 2.93V, prižgemo LED lučko
}
else digitalWrite(A1,LOW); //drugače LED lučko ugasnemo
delay(10);
}
Pri poskusu smo ugotovili, da je ponovljivost ustrezna, saj obstaja jasno vidno območje med upornostjo v razbremenjenem stanju in obremenjenem stanju (glej graf). Ta pas poimenujemo prehodni pas.
Graf 2: Nad zgornjo rdečo črto (R = 265) so vrednosti upora prevodne niti v razbremenjenem stanju, pod spodnjo rdečo črto (R = 245) pa so vrednosti upora v obremenjenem stanju. Med rdečima črtama je prostor brez izmerkov (prehodni pas). Širina pasu je približno 25% največje razlike med izmerki. Linearni trendni črti za oba niza podatkov imata vodilne koeficiente nekoliko večje od 0 (obremenjeno: 0,31 in razbremenjeno 0,65). To ni zanemarljivo, kar opazimo tudi na grafu kot strmini premic, ki se nekoliko dvigujeta, vendar smo se odločili, da sta rezultata za naše potrebe dovolj majhna.
Ta poskus smo izvajali s prevodno nitjo v 7 cik-cak zankah med lesenima deskama s površino približno četrtine kvadratnega metra.
Poudariti je potrebno tudi, da je bil upor niti malo odvisen od tega kako in kam smo stopili na predpražnik/leseno podlago. Spreminjanje upora smo opazili tudi med prestopanjem po plošči – če smo stali le na eni nogi smo deformirali manj niti, kar je manj spremenilo upor. S premikanjem same plošče/predpražnika po tleh se upor spreminja za približno 10 Ω oz. 3% (na grafu razbremenjeno: št ponovitve 19-21) (verjetno posledica nategovanje niti, saj je bila ta prilepljena na koncih na podlago). Ko smo desko dvignili od podlage in jo položili nazaj se je upor povečal za približno 20 Ω (na grafu: št ponovitve 24). Pri rahlem premikanju vrvic, ko deska ni bila na podlagi, se je upor povečal iz 320 na 340 Ω (glej princip delovanja).
Problem pri daljši neuporabi: Ko smo za en teden pustili vrvico prilepljeno na desko to pa na mizi, se je upor v enem tednu povečal iz približno 300 na 360 Ω. Ko smo potem desko prvič obremenili je upor padel na približno 270Ω, pri razbremenitvi narastel na približno 310 Ω, pri naslednji obremenitvi na 240Ω in razbremenitvi na okoli 300 Ω(potrditev razlage). Če na desko ne bi stopili na primer en teden, bi za optimalno delovanje morali na desko stopiti vsaj dvakrat, da bi se vlakna v niti spet povezala in zmanjšala upor na optimalno raven delovanja.
Ta kriterij smo preverili le pri nas štirih. Naš razpon mase je približno 30 kg (60 - 90 kg) in pri vseh je naprava delovala brez težav. Pri otrocih (mase med 30 in 60 kg) bi se morali nekoliko bolj potruditi najti skupno spodnjo mejo prehodnega pasu, a žal otrok, ki bi pomagali pri poskusu, ni bilo na voljo.
Zdela se nam je pomembna tudi občutljivost na hišne ljubljenčke. Hoteli smo, da jih naprava ne bi zaznala (saj bi lahko kakšen maček sredi noči pozvonil). Osredotočili smo se na mačke in pse. Ugotovili smo, da je pri njih zaradi majhne površine stika nog s podlago v primerjavi s človekovim zelo težko preseči spodnjo mejo prehodnega pasu, ki je nastavljena za človeka. To smo preizkusili tako, da smo štiri majhne uteži pritisnili ob tla s silo, ki je bila zagotovo večja od teže mačke ali manjšega psa, in naprava nas ni zaznala, s čimer smo dosegli cilj.
To smo preizkusili s pomočjo 2 predpražnikov, prvega smo našli v drugega pa pred učilnico (Hejfast). Eden je bil debelejši, težji, imel je močnejše ščetine in manj upogljiv (v smeri pravokotno na predpražnik), drugi pa tanjši, lažji in bolj upogljiv.
Ugotovili smo da je širina prepovedanega pasu pri obeh približno enaka, vendar premajhna za zanesljivo delovanje. Kakor smo že omenili, je ključno koliko niti deformiramo oz. pohodimo. Pri obeh vrstah predpražnikov je to približno enako, a premalo, zato smo med predpražniki in niti dali plast pleksi stekla, ki je težo bolj prerazporedil, deformiral več niti in tako omogočil večjo razliko med stanjema. Pri debelejšem predpražniku se je upor niti spremenil iz 325 na 306 Ω, pri tanjšem pa iz 340 na 320 Ω. Torej vrsta predpražnika ne vpliva na delovanje naprave, saj je bila v obeh primerih potrebna nadgradnja predpražnika.
Ugotovili smo, da voda ne spremeni upornosti niti. Prav tako tudi ne vpliva na efekt spreminjanja upora. To smo poizkusili tako, da smo najprej na suhem izmerili upor določene dolžine napete in nenapete žice. Nato smo v lonec natočili vodo in nit za par minut postavili vanjo. Ko se je nit omočila smo ponovno na enaki dolžini izmerili upor napete in nenapete niti in ta se ni bistveno spremenil. Lahko omenimo tudi, da se je nit zelo težko omočila – bolj hidrofobna od navadnih bombažnih niti.