CC BY
134
ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ НАБОРЫ В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ НАПРАВЛЕНИЯ «ИНФОРМАЦИОННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ»
Геннадий Александрович Сырецкий
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, профессор кафедры наносистем и оптотехники СГГА, тел. 8-913-896-35-87, e-mail: sga-2002@mail.ru
В докладе рассмотрены элементы и компоненты образовательных робототехнических наборов различных фирм как средств, ориентированных на формирование ключевых компетенций студентов приоритетного образовательного направления «Информационная безопасность».
Ключевые слова: информационная безопасность, компетенция, микроконтроллер, Bluetooth, видеокамера, металлодетектор.
EDUCATIONAL ROBOTIC SETS IN EDUCATIONAL PROCESS OF THE «INFORMATION SECURITY» DIRECTION
Gennady A. Syretsky
Siberian state geodetic academy, 630108, Russia, Novosibirsk, street Plahotnogo, 10, the professor of chair nanosystems and optotechnics,tel. 8-913-896-35-87, e-mail: sga-2002@mail.ru
In the report elements and components of educational robotic sets of various firms as the means focused on formation of key competences of students of the priority educational direction «Information security» are considered.
Key words: information security, competence, microcontroller, Bluetooth, videocamera, the metal detector module.
В российских условиях подготовка высшими учебными заведениями востребованных на рынке труда выпускников различных профилей приоритетного направления «Информационная безопасность» по ФГОС 3 поколения нуждается в приобретении и использования ими разнообразного по применению и составу технического, технологического и программного обеспечения современного уровня как для реализации федеральной, так и вариативной частей образовательной программы.
В последние десять лет наблюдается использование образовательных робототехнических конструкторов, робототехнических платформ во множестве зарубежных учебных заведений. Это ныне стало проявляться и в российских учебных заведениях различного уровня.
В настоящее время робототехнические наборы различных зарубежных производителей удобны для активизации творческих креативных способностей обучаемых и повышения качества обучения по множеству дисциплин различных технических направлений. Автор считает целесообразным использование их и при подготовке студентов направления «Информационная безопасность».
Применение образовательных робототехнических платформ является значимым для изучения основ и моделирования измерительных и электромеханических преобразователей, электроники, радиотехники, проводных и беспроводных сетей связи, физической и инженерно-технической зашиты информации, средств мобильной охраны, программирования (низкоуровневого и высокоуровневого текстового и графического), мехатронных устройств, стационарных и мобильных роботов, управления группой мобильных роботов на мультиагентных кооперативных алгоритмах, интеллектуальных вычислениях, симбиозных и гибридных интеллектуальных технологиях, кинематики и схемотехники, а также симуляции работы как стационарных, так подвижных устройств в трехмерном виртуальном пространстве, в среде виртуальной реальности.
Необходимость Сибирской государственной геодезической академии (СГГА) в аккредитации специальности «Организация и технология защиты информации» направления «Информационная безопасность» способствовала приобретению технического обеспечения в осеннем семестре 2012 года, в том числе и нескольких образовательных робототехнических наборов трех разновидностей: POP-BOT и IE-Robo-PICA компании Inex Innovative Experiment, а также MindStorms NXT компании Lego Group.
Первое практическое использование образовательных робототехнических платформ началось в СГГА в осеннем семестре 2012 года с дисциплины «Искусственный интеллект» для натурного моделирования работы различных по назначению мобильных роботов, оснащенных нужными первичными измерительными преобразователями и сервоприводами на базе магнитоэлектрических двигателей постоянного тока. Примерами служат сконструированные обучаемыми на робототехнических платформах с разработанным встраиваемым программным обеспечением
• учебный гусеничный IE-Robo-PICA-робот-металлоискатель:
• учебный колесный POP-BOT-робот с ИК- дальномером:
Робототехнический конструктор IE-Robo-PICA. Он ориентирован на создание гусеничных мобильных робототехнических устройств. В состав набора IE-Robo-PICA компании Inex Innovative Experiment входят механические комплектующие (набор гусеничных деталей, универсальная монтажная плата с цветными пластиковыми крепежными пластинами, винты, гайки, шайбы, шурупы, стойки и втулки); приемопередающие устройства: инфракрасный приемник ZX-IRM и четырехкнопочный инфракрасный пульт дистанционного управленияER-4; плата программатора Innovative Experiment IE-PX-200 с интерфейсами обмена данными ICD2 и USB; два коллекторных микродвигателя постоянного тока с редуктором, IE-BO2-48M; типовой комплект датчиков, включающий ИК-рефлектор ZX-03 для обнаружения ИК-отражений в ближней зоне, цифровой ИК-дальномер на базе датчика Sharp модели GP2D120, контактный переключатель ZX-01; плата RBX-877 с электронными компонентами, ЖКИ-индикатором и отсеком питания:
Основные технические характеристики платы RBX-877:
• управление обеспечивается микроконтроллером PIC16F887 фирмы MicrochipTechnology (http: //www. microchip .com). 20 МГц — тактовая частота
микроконтроллер. Загружаемый в память микроконтроллера HEX-файл с микропрограммой не может превышать 8 кСлов; микропрограммы загружаются в память микроконтроллера из программатора IE-PX-200 по кабелю через разъем ICD2;
• поддерживается управление двумя коллекторными микродвигателями постоянного тока (с напряжением питания 4,5.. .6 В) и тремя сервомоторами RC типа (в диапазоне изменения питающего напряжения от 4,8 до 6 В);
• девять программируемых портов (на плате каждый представлен 3-контактным JST-разъемом), ориентированных как на аналоговый ввод, так и цифровой ввод/вывод;
• разъем шины I2C;
• два штыревых JST-разъема портов последовательного интерфейса UART.
Разработка встраиваемого программного обеспечения для натурных моделей различных устройств на базе PIC-микроконтроллера PIC16F887 обеспечивается инструментальной системой, поддерживающей текстовый язык программирования, и программным обеспечением программатора компании mikroElektronika (http://www.microe.com), среди них microC for PIC (интегрированная графическая среда разработки С-программ, ИСР) и PICkit2 Programmer соответственно:
Робототехнический конструктор РОР-ВОТ. Ориентирован на конструирование колесных мобильных робототехнических устройств, приводимых в движение встраиваемым программным обеспечением в память платы управления ЯВХ-168:
В настоящее время создание программного обеспечения робототехнических устройств на базе данного комплекта может быть организовано посредством инструментальных средств различных платформ, в их числе Агёшпо (свободной программно-аппаратной вычислительной платформы, базой которой служат микроконтроллеры АТше§а8, АТше§а168, ATmega328 и ATmega1280 с архитектурой АУЯ компании Atmel (http://www.atmel.com)) и Ма1ЬаЬ&81шиНпк 2012Ь с подключенными программными инструментами Агёшпо:
Образовательные робототехнические платформы IE-Robo-PICA и POP-BOT могут быть расширены за счет других средств фирмы Inex или оценочных плат множества компаний, например, Parallax (http://www.parallax.com) и Devantech Ltd (Robot Electronics) (http://www.robot-electronics.co.uk/index.html).
Для решения множества задач по организации защиты информации на оптической платформе предназначен комплект расширения IE-Robo-PICA и POP-BOT, включающий оценочную плату видеокамеры ZX-CCD и интерфейсную плату ZX-U2S USB для настройки и калибровки, а также miniUSB кабель и пару xJST3A-8 интерфейсных кабеля:
Оценочная плата ZX-CCD обеспечивает передачу цветных изображений в реальном времени, скорость съемки 17 кадров в секунду и разрешение 80х143 пикселей.
Для организации беспроводного двухстороннего обмена информацией компьютера, Android-устройств (например, мобильных телефонов и планшетных компьютеров) и различных робототехнических устройств, построенных на базе наборов компании Inex Innovative Experiment, СГГ А приобретено несколько встраиваемых модулей беспроводной связи ZX-Bluetooth:
Ключевые характеристики модуля: основной чип: CSR BlueCore-04; рабочая частота: 2.4 ГГц; стандарт ISM: Bluetooth 2.0; энергопотребление: class 2; мощность радиопередатчика: 0-4 dBm; антенна: внешняя; дальность действия: до 10 метров; чувствительность: не менее -80 dBm; профиль Bluetooth: SPP
(Serial Port Profile - профиль последовательного порта); скорость передачи: 9600 бод; формат: 8N1; питание: +5 В; встроенный преобразователь на +3.3 В для чипа Bluetooth; индикатор: синий светодиод для индикации включения питания, подключения и отключения к ведущему Bluetooth-устройству.
Для решения задач поиска металла на местности мобильные роботы, сконструированные из комплектующих наборов POP-BOT (IE-Robo-PICA), могут быть оснащены оценочными платами металлодетекторов ZX-Metal:
Робототехнический конструктор Lego MindStorms NXT. Он ориентирован на конструирование колесных, гусеничных и шагающих мобильных робототехнических устройств. В составе набора имеется следующее
• строительный набор сопрягаемых деталей для сборки механических конструкций;
• типовой комплект датчиков, определяемый моделью набора (например, в наборе типа 8527 - аналоговый контактный датчик касания (Touch Sensor), датчик звука (Sound Sensor), аналоговый датчик освещенности (Light Sensor) и цифровой ультразвуковой дальномер (Ultrasonic Sensor). В наборе типа 8547 датчик освещенности заменен на детектор цвета (Color Sensor), совмещающий функции датчика освещенности и определителя цвета). Любой набор конструктора может быть расширен периферийными устройствами как фирмы LEGO, так и других производителей;
• три интерактивных сервопривода, в корпусе каждого из которых содержится модифицированный разъем типа RJ-12, коллекторный двигатель постоянного тока с постоянными магнитами, понижающий редуктор с передаточным числом 48:1 и энкодер — фиксатор угла поворота вала (в градусах или полных оборотах). Скорость вращения задается параметрами широтно-импульсной модуляции тока питания сервопривода;
• USB-кабель для подключения персонального компьютера к контроллерному блоку NXT;
• контроллерный блок NXT (далее блок NXT) с разъемами для подключения периферийных устройств, кнопки управления и жидкокристаллический дисплей. С блоком NXT соединяются не только разнообразные периферийные
устройства (включая сервоприводы и датчики), но и осуществляется проводная и беспроводная связь с персональным компьютером типа РС или Мае:
Блок NXT содержит микроконтроллеры компании Atmel, обменивающиеся между собой данными по шине PC содержит: 32-разрядный микроконтроллер AT91SAM7S256 (рассматриваемый как главный процессор) и 8-разрядный RISC-микроконтроллер AVR семейства Mega (ATmega48); модуль беспроводного канала; четыре модифицированных разъема типа RJ-12 портов входов (входных портов) (пронумерованных как 1, 2, 3 и 4). Каждый разъем ориентирован на подключение 6-проводного кабеля цифровой платформы; графический LCD-дисплей; динамик с верхней частотой пропускания 8 кГц; четырех кнопочную мембранную клавиатуру.
Программное обеспечение Алгоритмы работы сконструированных электромеханических моделей на базе образовательной робототехнической платформы Lego MindStorms NXT можно описывать средствами различных графических или текстовых языков программирования в основном в специально ориентированных для этого интегрированных средах разработки (ИСР) либо в средах инженерных систем. В их числе, LabVIEW с модулем LabVIEW Module for Lego Mindstroms NXT, MS Visual C++ с подключенной библиотекой NXT++.lib ( либо NXT++d.lib), Microsoft Robotics Developer Studio 2008 R3,
MatLab&Simulink с приложением ECRobot NXT Blockset либо модулем RWTH-Mindstorms NXT Toolbox for MATLAB.
Различные по назначению управляемые конструкции, механизмы и машины пользователь конструктора LEGO MindStorms NXT способен собирать из набора строительных элементов конструктора. Он может проводить предварительную, виртуальную сборку в 3-мерной графической среде, формируемой коммерческими или свободно распространяемыми программными продуктами. Примерами такого программного обеспечения служат инструменты NI LabVIEW, интегрированной среды MatLab&Simulink компании MathWorks, некоммерческие продукты Microsoft Robotics Developer Studio 2008 R3 и LEGO Digital Designer:
• І.'ЧИМІ-ІГОООЧИОМЧ'* Е« ІОМЄ» У«< Ы» - га • • Е» Е« IoolBm vw- ИМ -еэ
т \ 5 X •! : \-ш ГГ
. И»»* >- 0 -—г|— * В; »
Ч/ ч в ‘ * ' V « ц S'4 V V" 'У 'Ч а 1 °og»-Q анвя с, •„ „ sssdi Э а
о • ' О '• -Є
Во многих случаях для моделирования, программирования и симуляции действий мобильных роботов целесообразно использовать программную инструментальную среду Webots швейцарской компании Cyberbotics Ltd, поддерживаемую множеством операционных систем, включая Windows (http: //www.cyberbotics.com/guide.pdf):
Поставляемые вместе с данным программным инструментарием библиотеки позволяют запускать написанные в симуляторе управляющие программы для исполнения реальными роботами.
В заключительной части доклада обсуждаются первые результаты использования приобретенных СГГА разновидностей образовательных робототехнических наборов как в учебном процессе специальности «Организация и технология защиты информации» направления «Информационная безопасность», так и в исследовательской работе студентов. Отмечаются пути дальнейшего расширения возможностей использования образовательных робототехнических платформ в учебно-исследовательской деятельности по направлению «Информационная безопасность».
© Г.А. Сырецкий, 2013
