Проєктування та конструювання платформ інтернет речей
Спеціальність: Системна інженерія (Інтернет речей)
Код дисципліни: 6.122.09.E.053
Кількість кредитів: 5.00
Кафедра: Комп'ютеризовані системи автоматики
Лектор: д.т.н., професор Бучма Ігор Михайлович
Семестр: 7 семестр
Форма навчання: денна
Завдання: Вивчення навчальної дисципліни передбачає формування у студентів необхідних компетентностей:
загальні компетентності: знання про вбудовувані комп’ютери, їх використання як платформи Інтернету речей (ІоТ), проектування і конструювання технічних засобів розширення їх можливостей при створенні ІоТ за новим призначенням;
фахові компетентності: рівень фахової компетентності повинен відповідати високому умінню використовувати набуті знання щодо проектування і конструювання засобів розширення можливостей вбудовуваних комп’ютерів при їх використанні як платформи ІоТ.
Результати навчання: У результаті вивчення навчальної дисципліни студент повинен бути здатним продемонструвати такі результати навчання:
знати:
-термінологію ІоТ;
-напрямки розвитку технічних галузей, що стали основою створення ІоТ;
-загальну структуру технічних рішень ІоТ;
-загальну інформацію про розвиток та типи вбудовуваних комп’ютерів та їх застосування як платформи ІоТ;
-підходи до проектування та конструювання засобів розширення можливостей платформ ІоТ;
- проектування та конструювання ІоТ на основі відомих платформи та засобів розширення;
- структуру моделей комп’ютерних мереж;
-підходи до розроблення простих програм та технічних засобів під’єднання і використання засобами ІоТ мережі Інтернет;
- приклади загальної структури ІоТ.
вміти:
-вибирати вбудовувані комп'ютери як основу платформи для конкретних ІоТ;
-вибирати базові протоколи ІоТ для конкретних рішень ІоТ;
-проектувати плати розширення платформ ІоТ;
-оцінювати необхідність програмного покращення для користувача форматів даних в шарі аплікації;
-розробляти загальну структуру ІоТ рішення.
Необхідні обов'язкові попередні та супутні навчальні дисципліни: Основи схемотехніки
Комп'ютерна електроніка, ч.2
Мікроконтролери
Алгоритмічні мови
Короткий зміст навчальної програми: У процесі вивчення дисципліни засвоюються знання та підходи пов'язані з проектуванням та конструюванням платформ ІоТ на основі вбудовуваних комп’ютерів та плат розширення, знання моделей комп’ютерних мереж, зокрема мережі Інтернет, знання протоколів ІоТ та їх використання в засобах ІоТ.
Формуються знання, необхідні для оцінки впливу різних факторів на вибір протоколів ІоТ для конкретних проектів ІоТ.
Набуваються знання з використання вбудовуваних комп'ютерів, розроблення засобів розширення для побудови платформ Інтернету речей, програмних середовищ, таких як IDE та Node.js, для створення програмних модулів мовою С чи JawaScript, що забезпечують функціонування платформи та ІоТ загалом, під’єднання платформи до Інтернету, покращення формату даних для користувача в шарі аплікації.
Опис: Тема І. Основні поняття та визначення Визначення речей, Інтернету речей, платформи ІоТ. Класифікація платформ. Функціональні блоки типового ІоТ рішення та їх призначення та коротка характеристика. Загальний стан в галузі ІоТ. Коротка історія становлення ІоТ. Попередники ІоТ – бездротові сенсорні мережі (WSN), як приклад мережа SoSuS та сфера їх застосування.
Архітектура WSN, види вузлів WSN. Напрямки розвитку ІоТ.
Тема ІІ. Технічні засоби ІоТ Категорії речей. Історія розвитку комп’ютерів. Вбудовувані комп’ютери, як платформи ІоТ. Спрощена структура комп’ютера з 3-х шинною організацією. Організація внутрішньої пам’яті комп’ютера. Поняття про паралельний та послідовний інтерфейс. Приклад технічного завдання на розроблення паралельного інтерфейсу. Розроблення принципової схеми паралельного інтерфейсу. Розхроблення алгоритмів роботи та керуючих програм інтерфейсу. Послідовний інтерфейс. Структура послідовного інтерфейсу. Засоби виявлення помилок.
Тема ІІІ. Платформи ІоТ та їх застосування Групи платформ ІоТ. Порівняння платформ за характеристиками. Опереційні системи платформ ІоТ. Моделі платформи Raspberry Pi та їх особливості. Порівняння платформ Рі 3 та Рі Zero. Політика фірми Raspberry Pi стосовно своєї платформи. Підходи до вибору версії Raspberry Pi. Приклад переліку компонентів, необхідних для створення ІоТ на Raspberry Pi.
Тема IV. Під’єднання сенсорів та інших елементів до платформи ІоТ Порти платформи GPIO та їх використання. Розподіл портів GPIO у платформах Рі 3 та Рі Zero Нумерація контактів (piniw) та GPIO версій Pi 3 та Pi Zero. Приклад плати розширення для електронних компонентів. Приклад під’єднання світлодіоду LED до платформи. Приклад під’єднання до платформи сенсора руху. Приклад під’єднання до платформи сенсора температури та вологості.
Тема V. Під’єднання Рі до мережі Інтернет Найпростіші способи під’єднання Рі до мережі Інтернет. Дистанційний доступ др мережі Інтернет. Під’єднання Рі до мережі Інтернет за допомогою комп’ютера РС. Програмна платформа Node.js. Використання програмної системи GitHub на Рі.
Тема VI. Принципи побудови мережі речей Сучасний стан мереж речей. Типи з’єднань платформ з Інтернентом. Мережеві топології. Топологія решітки.
Тема VII. Моделі комп’ютерних мереж Співставлення моделей OSI та ТСР/ІР. Класифікація мереж ІоТ. Інтернет протоколи та ІоТ. Транспортні протоколи Інтернету. Застосування ТСР та UDP в Інтернеті речей.
Тема VIII. Протоколи мереж ІоТ Протоколи персонадьних мереж ІоТ: ІЕЕЕ 802.15.4 та 6LoWPAN, ZigBee, Thread, Bluetooth, WiFi та Wi-Fi з низьким споживанням енергії, EnOcean. Підсумки огляду протоколів мережі PAN. Протоколи широких мереж ІоТ: Мережі сотової телефонії, LPWAN . Підсумки огляду мереж WAN. Протоколи фірм Apple та Google для ІоТ.
Тема ІХ. Вибір протоколів під конкретні завдання Вплив: 1) джерела живлення на вибір мережевих протоколів; 2) коштів на вибір платформи та протоколів: 3) досяжності сигналу, топології мережі та параметрів системи комунікації. Інтеграція з Інтернетом та відкритість. Приклад Інтернет електролампи.
Методи та критерії оцінювання: Поточний контроль здійснюється шляхом перевірки знань усним опитуванням та виконанням індивідуальних завдань.
Підсумкове оцінювання знань на екзамені складається з усної компоненти та письмового вирішення індивідуальних завдань.
Критерії оцінювання результатів навчання: Поточний контроль - перевірка знань шляхом усного опитування та виконання індивідуальних завдань:
- на лабораторних заняттях 30 балів;
Підсумкове оцінювання знань на екзамені:
- усна компонента 10 балів;
- письмова компонента 60 балів.
Порядок та критерії виставляння балів та оцінок: 100–88 балів – («відмінно») виставляється за високий рівень знань (допускаються деякі неточності) навчального матеріалу компонента, що міститься в основних і додаткових рекомендованих літературних джерелах, вміння аналізувати явища, які вивчаються, у їхньому взаємозв’язку і роз витку, чітко, лаконічно, логічно, послідовно відповідати на поставлені запитання, вміння застосовувати теоретичні положення під час розв’язання практичних задач; 87–71 бал – («добре») виставляється за загалом правильне розуміння навчального матеріалу компонента, включаючи розрахунки , аргументовані відповіді на поставлені запитання, які, однак, містять певні (неістотні) недоліки, за вміння застосовувати теоретичні положення під час розв’язання практичних задач; 70 – 50 балів – («задовільно») виставляється за слабкі знання навчального матеріалу компонента, неточні або мало аргументовані відповіді, з порушенням послідовності викладення, за слабке застосування теоретичних положень під час розв’язання практичних задач; 49–26 балів – («не атестований» з можливістю повторного складання семестрового контролю) виставляється за незнання значної частини навчального матеріалу компонента, істотні помилки у відповідях на запитання, невміння застосувати теоретичні положення під час розв’язання практичних задач; 25–00 балів – («незадовільно» з обов’язковим повторним вивченням) виставляється за незнання значної частини навчального матеріалу компонента, істотні помилки у відповідях на запитання, невміння орієнтуватися під час розв’язання практичних задач, незнання основних фундаментальних положень.
Рекомендована література: 1. Anand Tamboli. Build Your Own IoT Platform. Sydney, NSW, Australia. 2018.-221p.
2. Dominique D.Guinard, Vlad M. Trifa. Internet Rzeczy. Helion, Gliwice, Polska, 2017.-383Str.
3. І.М.Бучма. Мікропроцесорні пристрої. Львів: Видавництво НУ
“Львівська політехніка”, 2002. 234с.
4. І.М. Бучма. Платформи Інтернету речей. Львів: Растр-7, 2021.-147с.
Уніфікований додаток: Національний університет «Львівська політехніка» забезпечує реалізацію права осіб з інвалідністю на здобуття вищої освіти. Інклюзивні освітні послуги надає Служба доступності до можливостей навчання «Без обмежень», метою діяльності якої є забезпечення постійного індивідуального супроводу навчального процесу студентів з інвалідністю та хронічними захворюваннями. Важливим інструментом імплементації інклюзивної освітньої політики в Університеті є Програма підвищення кваліфікації науково-педагогічних працівників та навчально-допоміжного персоналу у сфері соціальної інклюзії та інклюзивної освіти. Звертатися за адресою:
вул. Карпінського, 2/4, І-й н.к., кімн. 112
E-mail: nolimits@lpnu.ua
Websites: https://lpnu.ua/nolimits https://lpnu.ua/integration
Академічна доброчесність: Політика щодо академічної доброчесності учасників освітнього процесу формується на основі дотримання принципів академічної доброчесності з урахуванням норм «Положення про академічну доброчесність у Національному університеті «Львівська політехніка» (затверджене вченою радою університету від 20.06.2017 р., протокол № 35).