CC BY
110
УДК 378.147.111
ПОКРОКОВА ПОБУДОВА СИСТЕМИ ДЛЯ 1НТЕРНЕТУ РЕЧЕЙ
Могильний С. Б., к.т.н., доц.
Нацюналъний техшчний ушверсистет УкраХни
«Кшвський полтехнiчний шститут», Кшв, УкраХна, [email protected]
STEP BY STEP BUILDING A SYSTEM FOR THE INTERNET OF THINGS
S. Mohylnyi
NTUU "KPI", Kyiv, Ukraine
Вступ
Kevin Ashton, автор введеного ще в 1999 р. термшу «1нтернет речей -the Internet of Things (IoT)», впевнений: "1нтернет речей мае потенщал, щоб змшити свгг, подiбно до того, як це зробив 1нтернет. Можливо, навiть 6i-льшою мiроюм. Початкове визначення IoT вже дещо змшилось, але IoT можна розглядати, як навколишне середовище, де фiзичнi пристро! з'еднанi мiж собою через 1нтернет для збору та обмiну даними, щоб формувати ро-зумну зворотну реакщю. Це високоiнтелектуальна технологiя взаемоди машина-машина (M2M), яка мае потенщал, щоб зробити револющю в тому, як ми живемо i працюемо. Офiцiйнi представники Cisco Systems Ltd. прогнозують, що до 2020 року у свт буде понад 50 мiльярдiв пристро!в, пiдключених до 1нтернету [1]. Це великий ринок пращ для вщповщних фа-хiвцiв.
Складовi IoT та термiни готовност технологи
Перш, нiж починати шдготовку фахiвцiв з нових технологiй, необхщ
Рис. 1. Цикл готовностi нових технологий, Gartner, 2015 р.
1 http://radap.kpi.ua/radiotechnique/article/view/1226
но отримати в1дпов1дь на декшька питань: коли технолопя вииде на «плато продуктивности», яким науковим напрямкам та спещальностям вона вщпо-вщае, наскшьки реально вона буде втшена в життя i чи е необхщш ресур-си.
Згiдно прогнозу анал^ично!' фiрми Gartner [2] вже в 2020 рощ можна очжувати вихщ технологи IoT на «плато продуктивность» (рис. 1):
Спещалюти Gartner в 2012 р. прогнозували вихщ технологи IoT на «плато продуктивности» лише шсля 2022 р. Це означае, що термiн мае тен-денцiю до скорочення, але нишшт студенти мають час, щоб стати фахiв-цями з впровадження технологи IoT.
Тепер треба визначити, наскшьки реальним е те, що ця технолопя дося-гне «плато продуктивность», адже мiж «шком ажiотажу», де вона знахо-диться сьогоднi, i «плато продуктивностi» е «прiрва розчарувань»? Для цього необхiдно поглянути, хто розвивае li i наскiльки багато фшанЫв вже вкладено в дослщження та впровадження.
Основнi прихильники ново!" технологii:
• Cisco (Cisco IoT Services Portfolio - портфель сервiсiв для IoT),
• Intel (Intel IoT Platform - платформа для IoT, лабораторiя 1нтернету речеИ Intel Ignition Lab),
• Microsoft (операцшна система Windows 10 IoT, фреймворк AllJoyn, хмарний сервю Azure),
• IBM (IBM Bluemix - понад 100 вiдкритих програмних iнструментiв i хмарних сервiсiв, IBM Cloud)
та багато шших не менш вщомих фiрм.
СЕРВ1СИ
MCU, MPU Hybrid MCU/MPU Network Process«
Сенсори Вбудоване
Акселерометр магнгтометр оброблення ripocnon, датчик теку -висотомф. датчик температури i т д
о в njm ^
NFC CPS, ВТ/ВНЕ 6I0PAN Wi-Fi Sub Gig RFID ZigBee Cellular
Рис. 2. Екосистема 1нтернету речей.
Цодатки
Технологи
ПЗ • программе здбезпечення
Так, японський конгломерат Hitachi швестуе в IoT $2,8 млрд. [4], а
International Data Corp. (IDC) стверджуе, що глобальш витрати на IoT до 2019 року досягнуть $1,3 трлн [3]. Тому нема жодного сумшву, що нова технолопя IoT завоюе свгт.
В екосистемi IoT [5] (рис.2), можна видшити 3 групи технологш, залу-них для збору та обмшу даними: рiзноманiтнi сенсори, пристро!" первинно-го оброблення даних (мжроконтролери та мiкрокомп'ютери), канали зв'язку.
Можна зробити висновок про вщповщтсть згаданих технологiИ спещ-альност «Телекомунiкацii та радiотехнiка». Варто також нагадати, що кш-цеве оброблення даних та прийняття обгрунтованого ршення виконуеться на хмарному сервiсi з використанням технологш Big Data.
B^ip апаратного та програмного забезпечення
Для реалiзацii функцш IoT необхiдне наступне:
• споЫб, за допомогою якого пристро!" будуть з'еднанi мiж собою;
• шлях для збору даних з пристро1в;
• споЫб для обробки отриманих даних, щоб прийняти вщповщш рь шення.
Сьогоднi на ринку пращ склалась ситуацiя, коли найбшьш затребуванi технiчнi фахiвцi, як можуть проектувати системи, а не лише конструювати окремi ii елементи. Це змушуе створювати вертикаль необхщних навчаль-них курсiв, щоб на виходi фахiвець мав необхiднi знання та навички для побудови ^е! чи шшо1 системи. Реалiзувати функци IoT - означае побуду-вати систему, складовi яко! вiдомi.
Вибiр апаратного забезпечення для навчання не викликае проблем i од-нозначний: новий Raspberry Pi 3 вiдрiзняеться однокристальною системою Broadcom BCM2837 з 64-бгтовим 1,2-ГГц процесором на основi чотирьох 1,2-ГГц ядер ARM Cortex-A53 i графiчною пiдсистемою VideoCore IV. Да-ний чiп забезпечуе ш прирiст продуктивностi 50-60%, порiвняно з Raspberry Pi 2 [6] (мова йде про роботу в 32-розрядному режим^. Вбудова-нi модулi Wi-Fi i Bluetooth без додаткових витрат забезпечують канал для збирання даних з сенсорiв i канал доступу в 1нтернет.
Цей мiкрокомп'ютер Microsoft обрав основним для впровадження сво1х розробок IoT.
Низька вартють Raspberry Pi (в УкраНш близько 40$) дозволила створи-ти в навчальному класi мiкрокомп'ютерiв 8 робочих мюць для студентiв.
Для оброблення даних, отриманих з сенсорiв, сьогоднi безкоштовно до-ступнi в режимi тестування таю хмарш сервiси: Azure, Freeboard, Grovestreams, developer.ibm, Thingspeak, Thingworx та шшь
Практична апробац1я покрокових KypciB з IoT
З метою апробаци покрокових навчальних курсiв на базi мережевох Академii МiкроТiк, створеноi в НТУУ «КП1» в 2013 р., працюють гуртки
(факультативи), як дозволяють за 5 навчальних ceMecTpiB додатково дати студентам необхщш знання для реалiзацiï вищеназваних функцiй IoT.
Заняття вiдрiзняються практичною направлешстю (36 год. лаборатор-них робгг в кожному Kypci), а ïx матерiали доступнi на сайт Академп (mikrotik.kpi.ua).
В 4-му навчальному семестрi вивчаються основи передачi даних вщ се-нсорiв (протоколи OneWire, SPI, I2C, Bluetooth та ш.) з використанням Arduino. Накопичений досвщ дозволяе стверджувати, що програмування для Arduino може вивчатися вже в 1-му семестрi в курс «Введення в спе-щальшсть», коли студенти отримують першi навички програмування на С, а практичне ïx застосування стае сильною мотиващею.
В 5-му семес^ студентам пропонуеться курс з використання мжро-комп'ютера Raspberry Pi, в якому вивчаються основш команди операщйноï системи Raspbian та оргашзащя роботи рiзниx периферiйниx пристро1'в в щй ОС.
В 6-му семестрi студенти вже створюють проекти з використанням мо-ви Python на Raspberry Pi. Мова сценарпв Python не лише вважаеться одш-ею з найлегших для вивчення, а водночас вона е дуже популярною. У на-шому випадку Python е шструментом, який дозволяе швидко вирiшити рiз-номанiтнi задачi шдключення датчикiв до мiкрокомп'ютера та оргашзаци ланцюгiв керування виконавчими меxанiзмами.
Виробнича практика студенлв пiсля 3-го курсу в Академи МiкроТiк дозволяе вивчити питання безпеки пристро1'в IoT, налаштовуючи фаерволи та VPN на маршрутизаторах МжроТж. Питання безпеки е чи не найбшьш суперечливим аспектом впровадження IoT, оскшьки значний рiст шдклю-чених пристро1'в та великий обсяг персонально:' шформаци, яка буде пере-даватися i оброблятися на хмар^ несуть в собi новi ризики. Глобальш ви-трати на безпеку IoT сягнуть $348 млн. в 2016 рощ, що на 23,7% бшьше, шж в минулому рощ, зпдно звггу Gartner [7]. Очжуеться, що вже в 2018 рощ витрати на безпеку IoT становитимуть $547 млн.
В 7-му семес^ розглядаються питання створення мобшьних гадже^в, а побудовi суцiльноï системи IoT присвячений 8-й семестр - для цього ви-користовуеться власний сервюний сайт (iot.kpi.ua) [8].
В 2016-17 роках на РТФ виконуеться шщативна НДР «Радютехшчш пристро1' та системи для 1нтернету речей», що дозволяе студентам викону-вати реальнi курсовi i дипломнi роботи в галузi нових теxнологiй.
Висновки
Майбутнiм спещалютам для того, щоб не стати спостер^ачами, а бути активними розробниками систем новоï теxнологiï IoT, необхщно вмiти:
• програмувати на C (С++) (для роботи з мжроконтролерами);
• використовувати протоколи шин OneWire, I2C, SPI, USART та ш.;
• працювати в ОС Linux (для роботи з мжромп'ютерами);
• програмувати на Python (для оргашзаци взаемоди сенсорiв i мжро-комп'ютерiв, використовуючи програмне забезпечення з вщкритим вихiд-ним кодом);
• створювати захищений канал для обмiну даними з хмарними сервь сами;
• створювати сервюи в Iнтернетi для оброблення даних та формування сигналiв керування шдключеними пристроями;
• створювати додатки для мобшьних пристро1в для передачi i отри-мання даних через Wi-Fi, Bluetooth, IR.
1нтернет речей е новим етапом розвитку 1нтернету, який значно роз-ширюе можливостi збору, аналiзу i розподiлу даних, як людина може пе-ретворити в шформащю та знання. В цьому сенс 1нтернет речей набувае величезного значення i пiдготовка спецiалiстiв з ново!" технологii е актуальною в чаЫ.
Пеpелiк посилань
1. Internet Of Things Will Deliver $1.9 Trillion Boost To Supply Chain And Logistics Operations. - Режим доступу: https://newsroom.cisco.com/press-release-content?articleId=1621819
2. Gartner's 2015 Hype Cycle for Emerging Technologies. Доступно на http://www.gartner.com/newsroom/id/3114217
3. Internet of Things Spending Forecast to Reach Nearly $1.3 Trillion in 2019 Led by Widespread Initiatives and Outlays Across Asia/Pacific. - Режим доступу: http://www.idc.com/getdoc.jsp?containerId=prUS40782915
4. Hitachi инвестирует 2,8 млрд долларов в "интернет вещей". - Режим доступа: http://www.dailycomm.ru/rn/35455
5. Найдич А. «Интернет вещей» - реальность или перспектива? // КомпьютерПресс. - 2013, № 12. - Режим доступа : http://compress.ru/ article.aspx?id=24290
6. Могильний С.Б. Мшрокомп'ютер Raspberry Pi - шструмент дослщника / С.Б. Могильний. - К. : Талком, 2014. - 340 с.
7. Spending On IoT Security To Reach $348 Mn In 2016: Gartner. - Режим доступа : http://news.siliconindia.com/technology/Spending-On-IoT-Security-To-Reach-348-Mn-In-2016-Gartner-nid- 194756-cid-2.html
8. Могильний С.Б. Технологи «1нтернету речей» - тдготовка фахiвцiв актуально в час / С. Б. Могильний // X мiжн. науково-техн. конф. «Проблеми телекомушкацш». -К. : НТУУ «КП1», 2016. - с. 131-133. - Режим доступу : http://konf.ive.kpi.ua/index.php/kpi_pt/2016/paper/view/3384
References
1. Internet Of Things Will Deliver $1.9 Trillion Boost To Supply Chain And Logistics Operations. Available on : https://newsroom.cisco.com/press-release-content?articleId=1621819
2. Gartner's 2015 Hype Cycle for Emerging Technologies. Available on : http://www.gartner.com/newsroom/id/3114217
3. Internet of Things Spending Forecast to Reach Nearly $1.3 Trillion in 2019 Led by Widespread Initiatives and Outlays Across Asia/Pacific. Available on : http://www.idc.com/getdoc.jsp?containerId=prUS40782915
4. Hitachi will invest $ 2.8 billion in the "Internet of Things". Available on :
http://www.dailycomm.ru/m/35455
5. Naidich A. (2013) "Internet veshchei" - real'nost' ili perspektiva? ["Internet of things" -reality or prospect?]. Computerpress, No 12.
6. Mohylnyi S.B. (2014) Mikrokomp'iuter Raspberry Pi - instrument doslidnyka [Miсrocomputer Raspberry Pi - tool for the researcher]. Kyiv, Talcom, 340 p.
7. Spending On IoT Security To Reach $348 Mn In 2016: Gartner. Available on : http://news.siliconindia.com/technology/Spending-On-IoT-Security-To-Reach-348-Mn-In-2016-Gartner-nid- 194756-cid-2.html
8. Mohylnyi S. B. (2016) Technology "Internet of Things" - timely specialist training. International Scientific Conference «Modern Challenges in Telecommunications», pp. 131133.
Могилъний С. Б. Покрокоеа побудоеа системи для 1нтернету речей. Запропоно-ваний покроковий nidxid до тдготовки фах1вц1в з новог технологи «1нтернету речей» в рамках сnецiалъностi «Телекомумкаци та радютехтка». Наведений досвiд оргатзацИ вертикальног структури тдготовки студентiв, яка дозволяе навчити гх проектувати цшсну систему 1нтернету речей. Особлив^тю таког структури е гг практична на-повнетстъ та орiентацiя на шнцевийрезультат.
Ключов1 слова: IoT, Internet of Things, 1нтернет речей, тдготовка фахiвцiв, нав-чалът курси, Raspberry Pi, мтрокомп'ютер.
Могильный С. Б. Пошаговое построение системы для Интернета вещей. Предложен пошаговый подход к подготовке специалистов по новой технологии «Интернета вещей» в рамках специальности «Телекоммуникации и радиотехника». Приведен опыт организации вертикальной структуры подготовки студентов, которая позволяет научить их проектировать целостную систему Интернета вещей. Особенностью такой структуры является ее практическая наполненность и ориентация на конечный результат.
Ключевые слова: IoT, Internet of Things, Интернет вещей, подготовка специалистов, учебные курсы, Raspberry Pi, микрокомпьютер.
Mohylnyi S. B. Professional training for Internet of Things technology.
Introduction. Proposed concept for training «Internet of Things» technology within the framework of the speciality "Telecommunications and Radio Engineering". It is given a practice of organization and sequencing courses for students, which allows to teach them to design an entire system using Internet of Things.
Main part.
Internet of Things technologies require a wide range of knowledge and skills, it's building a unified data collection, their processing and forming control signals to the feedback circuit. Only single-step study with practical application allows you to learn to build such a system. Programming languages for IoT technology is a tool that lets you collaborate sensors with basic microcomputers, perform data processing for cloud services, work control signals. At each stage of construction IoT systems can be used in various programming languages, but preference should be given to those who support open operating systems.
Conclusions.
The feature of such course sequence is its practical-value content and its final result orientation.
Keywords: IoT, Internet of Things, professional training, training courses, Raspberry Pi, microcomputer.
