Software and Hardware Platforms for the Internet of Things and Embedded Systems

2019/2020

Academic Year

RUS

Instruction in Russian

4

ECTS credits

Delivered at:

School of Electronic Engineering

Course type:

Compulsory course

When:

1 year, 1, 2 module

Instructor

Artamonov, Oleg

Программа дисциплины

Аннотация

В процессе освоения дисциплины «Программно-аппаратные платформы Интернета вещей и встраиваемые системы» студент развивает следующие компетенции: способен разрабатывать и применять встраиваемое программное обеспечение на языке C для сбора, обработки и передачи данных с использованием современных микроконтроллеров; способен разрабатывать проекты систем сбора данных, включая подбор датчиков физических величин, средств обработки и средств передачи данных; способен самостоятельно выполнять экспериментальные исследования для решения научно-исследовательских и производственных задач с использованием современной аппаратуры и методов исследования, участвовать в научных исследованиях в группе, ставить задачи и выбирать методы экспериментальных исследований.

Цель освоения дисциплины

• Целью освоения дисциплины «Программно-аппаратные платформы Интернета вещей и встраиваемые системы» является формирование понимания принципов построения, навыков использования и разработки компонентов систем сбора и беспроводной передачи данных на основе микроконтроллеров STM32 и nRF52 в среде операционной системы RIOT OS. В процессе освоения дисциплины «Программно-аппаратные платформы Интернета вещей и встраиваемые системы» студент развивает следующие компетенции: способен разрабатывать и применять встраиваемое программное обеспечение на языке C для сбора, обработки и передачи данных с использованием современных микроконтроллеров; способен разрабатывать проекты систем сбора данных, включая подбор датчиков физических величин, средств обработки и средств передачи данных; способен самостоятельно выполнять экспериментальные исследования для решения научно-исследовательских и производственных задач с использованием современной аппаратуры и методов исследования, участвовать в научных исследованиях в группе, ставить задачи и выбирать методы экспериментальных исследований.

Планируемые результаты обучения

• Знать: общую структуру, состав, возможности современных микроконтроллеров, основные отличия в подходах в работе по сравнению с традиционными ПК. Уметь: осуществлять обоснованный выбор компонентов и настройку среды программирования. Владеть: базовыми навыками программирования микроконтроллеров.
• Знать: принципы работы с основными периферийными устройствами микроконтроллера: портами ввода-вывода общего назначения, прерываниями и таймерами. Уметь: обоснованно и корректно выбирать режимы работы портов микроконтроллера; писать программные процедуры работы с портами ввода-вывода. Владеть: навыками разработки встраиваемого ПО с использованием портов ввода-вывода общего назначения в различных режимах.
• Знать: основные возможности, компоненты и принципы применения встраиваемых операционных систем в платформах Интернета вещей; Уметь: обоснованно и корректно выбирать программный инструментарий для решения задач Интернета вещей. Владеть: навыками использования программных компонентов и разработки алгоритмов обработки данных во
• Знать: основные типы цифровых и аналоговых интерфейсов микроконтроллера, предназначенных для обмена информацией с различными типами датчиков и систем управления; Уметь: обоснованно и корректно выбирать интерфейс ввода-вывода в зависимости от типа используемого датчика. Владеть: навыками использования типовых компонентов встраиваемых ОС для работы с интерфейсами ввода-вывода
• Знать: основные типы датчиков различных физических величин, понятия дискретности и погрешности измерений; Уметь: обоснованно и корректно выбирать тип датчика и способ его подключения для решения практических задач сбора данных в системах Интернета вещей. Владеть: навыками использования типовых компонентов встраиваемых ОС для работы с различными типами цифровых и аналоговых датчиков.
• Знать: основные принципы повышения энергоэффективности микроконтроллерных систем сбора и обработки данных. Уметь: обоснованно и корректно выбирать режимы работы и уметь оценивать энергопотребление проектируемых систем сбора данных, выбирать тип питания системы. Владеть: навыками использования типовых компонентов встраиваемых ОС для обеспечения энергоэффективной работы систем сбора данных, базовыми методиками оценки энергопотребления.
• Знать: основные используемые протоколы беспроводной передачи данных, их особенности, достоинства и недостатки, понимать основные проблемы обеспечения безопасности передачи данных. Уметь: обоснованно и корректно выбирать протокол беспроводной передачи, удовлетворяющий требований конкретной задачи. Владеть: навыками использования основных протоколов беспроводной передачи данных.
• Знать: основные принципы организации сбора, накопления,. нализа и визуализации данных в системах Интернета вещей. Уметь: корректно и обоснованно применять выбирать платформы и методы накопления и обработки данных применительно к конкретной задаче. Владеть: базовыми навыками работы с протоколами и средствами

Содержание учебной дисциплины

• Основы работы с микроконтроллерными системами сбора данных.
  Особенности построения систем Интернета вещей, в том числе в промышленных применениях. Роль различных компонентов в построении комплексной системы. Роль микроконтроллерных систем сбора, обработки и передачи данных. Понятие о современном состоянии рынка микроконтроллеров, основные отличия от процессоров персональных компьютеров, характерные особенности программирования и работы с микроконтроллерами.
• Работа с операционной системой. Многозадачные приложения на микроконтроллерах.
  Причины использования операционных систем реального времени. Понимание структуры ОСРВ, целей её применения, основные навыки по работе с ОС реального времени и написанию пользовательских приложений по сбору и обработке данных.
• Датчики физических величин.
  Понимание многообразия используемых в приложениях Интернета вещей датчиков физических величин, различия в используемых интерфейсах и характеристиках датчиков. Диапазоны измеряемых величин, дискретность, точность, кросс-чувствительность, влияние внешних условий на результаты измерений, энергопотребление датчиков.
• Протоколы беспроводной передачи данных в системах Интернета вещей.
  Основные протоколы беспроводной связи в Интернете вещей: LoRa/LoRaWAN, 6LoWPAN, NB-IoT, GSM, Wi-Fi, Bluetooth. Понимание физических основ, основных параметров и условий применения. Дополнительные возможности систем передачи данных: трилатерация, триангуляция, определение расстояния между приёмопередатчиками. Понимание принципов защиты данных в беспроводных системах и основных видов угроз, характерных для систем Интернета вещей.
• Порты ввода-вывода общего назначения, прерывания, таймеры.
  Базовые навыки разработки встраиваемого ПО для микроконтроллеров, работа с портами ввода-вывода общего назначения, прерываниями на портах ввода-вывода, встроенными таймерами микроконтроллера.
• Цифровые и аналоговые интерфейсы ввода-вывода микроконтроллера.
  Изучение цифровых сигналов и приёмов разработки приложений цифрового и аналогового ввода и вывода с использованием портов SPI, I2C, UART, встроенных АЦП микроконтроллера.
• Энергосберегающие режимы работы устройств Интернета вещей.
  Понимание особенностей различных способов питания устройств Интернета вещей в зависимости от способа их эксплуатации. Основные способы обеспечения энергосбережения в микроконтроллерных системах сбора, обработки и передачи данных, способы оценки энергопотребления систем Интернета вещей.
• Платформы и средства накопления, визуализации и обработки данных в системах
  Интернета вещей. Понимание целей и задач накопления, обработки и визуализации данных в системах Интернета вещей. Понимание многообразия платформ и средств обработки данных: локальные и облачные платформы, платформы-конструкторы, средства машинного обучения и статистического анализа.

Элементы контроля

• Мини-тесты
• Контроль работы на практических занятиях
• Проект
  Приветствуется выполнение заданий, встроенных в проектную работу, в которой принимает участие студент. Возможно выполнение заданий по инициативным темам, предложенным студентом и согласованным с преподавателем. Темы заданий для каждого студента или группы студентов утверждаются преподавателем в индивидуальном порядке.
• Экзамен
  В ходе освоения дисциплины формируются следующие компетенции: УК-1, УК-7, ОПК-3, ОПК-4, ПК-2, ПК-13, ПК-4

Промежуточная аттестация

• Промежуточная аттестация (1 модуль)
  0.25 * Контроль работы на практических занятиях + 0.2 * Мини-тесты + 0.25 * Проект + 0.3 * Экзамен
• Промежуточная аттестация (2 модуль)
  0.25 * Контроль работы на практических занятиях + 0.2 * Мини-тесты + 0.25 * Проект + 0.3 * Экзамен

Список литературы

Рекомендуемая основная литература

• Авдеев В.А. - Периферийные устройства: интерфейсы, схемотехника, программирование - Издательство "ДМК Пресс" - 2009 - 848с. - ISBN: 978-5-94074-505-1 - Текст электронный // ЭБС ЛАНЬ - URL: https://e.lanbook.com/book/1087
• Болл С.Р. - Аналоговые интерфейсы микроконтроллеров - Издательство "ДМК Пресс" - 2010 - 354с. - ISBN: 978-5-94120-142-6 - Текст электронный // ЭБС ЛАНЬ - URL: https://e.lanbook.com/book/60985
• Ли П. - Архитектура интернета вещей - Издательство "ДМК Пресс" - 2019 - 454с. - ISBN: 978-5-97060-672-8 - Текст электронный // ЭБС ЛАНЬ - URL: https://e.lanbook.com/book/112923

Рекомендуемая дополнительная литература

• Антти Суомалайнен - Интернет вещей: видео, аудио, коммутация - Издательство "ДМК Пресс" - 2019 - 120с. - ISBN: 978-5-97060-761-9 - Текст электронный // ЭБС ЛАНЬ - URL: https://e.lanbook.com/book/123717
• Жуков, В. Г. Беспроводные локальные сети стандартов IEEE 802.11 a/b/g [Электронный ресурс] : учеб. пособие / В. Г. Жуков. - Красноярск : Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т, 2010. - 128 с. - Режим доступа: http://znanium.com/catalog/product/463047
• Макаров С. Л. - Arduino Uno и Raspberry Pi 3: от схемотехники к интернету вещей. - Издательство "ДМК Пресс" - 2018 - 204с. - ISBN: 978-5-97060-730-5 - Текст электронный // ЭБС ЛАНЬ - URL: https://e.lanbook.com/book/116131
• Пролетарский А.В., Баскаков И.В.. Федотов Р.А.. Бобков А.В. - Беспроводные сети Wi-Fi - Национальный Открытый Университет "ИНТУИТ" - 2016 - 284с. - ISBN: 978-5-94774-737-9 - Текст электронный // ЭБС ЛАНЬ - URL: https://e.lanbook.com/book/100578