CC BY
23
УДК 001.8 Проф. О.М. Березький1, д-р техн. наук проф. В.М. Теслюк2,
д-р техн. наук; викладач-стажист О.Ю. Борейко1; доц. А.Ю. Михайлюк3
ТЕХН1ЧНЕ ТА МЕТОДИЧНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ 1НЖЕНЕРНОГО НАВЧАННЯ ДЛЯ СПЕЦ1АЛЬНОСТ1 "КОМП'ЮТЕРШ СИСТЕМИ
ТА МЕРЕЖ1"
Розроблено техшчне та методичне забезпечення для навчання студентiв напряму комп'ютерна iнженерiя. Технiчне забезпечення представлено мшроконтролерами та од-ноплатними комп'ютерами, на основi яких розроблено цикл лабораторних робiт для вивчення дисциплш апаратного забезпечення та проектування сучасних спещ^зова-них комп'ютерних систем (СКС). Розроблений комплекс дасть змогу шдвищити ршень навченостi студентiв напряму "Комп'ютерна шженерш". Роботу виконано в рамках нав-чального проекту "Розроблення стендiв для автоматизованого проектування сучасних спещ^зованих комп'ютерних систем на базi мшроконтролерш i одноплатних комп'ютерiв.
Ключовi слова: комп'ютерна шженерш, методичне забезпечення, техшчне забезпечення, мшроконтролери, одноплатш комп'ютери, СКС.
Вступ. Спецiальнiсть "Комп'ютернi системи та мережГ е найбшьш уш-версальною та комплексною спецiальнiстю з напряму тдготовки " Комп'ютерна iнженерiя". Вона охоплюе вивчення нормативних дисциплш таких груп: прог-рамного забезпечення (прикладного та системного), апаратного забезпечення, комп'ютерних систем, мереж i телекомунiкацiйних систем. Питома вага техшч-ного забезпечення шд час вивчення дисциплiн апаратного забезпечення -комп'ютерно! електронiки, системотехнiки, комп'ютерних систем тощо - е до-сить великою. Останнiм часом спостертаеться негативна тенденция захоплення вiртуальними середовищами пiд час вивчення даних дисциплш. На наше глибо-ке переконання, вивчення дисциплiн апаратно! групи неефективне без фiзично-го обладнання. Вiртуальш середовища вiдiграють допомiжну роль в освоенш навчального матерiалу, слугують засобами автоматизацц при проектуваннi. Фь зичне проектування та макетування е вкрай необхщними етапами у навчаннi. Але шд час придбання технiчних засобш профiльнi кафедри обмеженi в фшан-сових ресурсах. Звiдси, постае задача мшгшзацп витрат на технiчнi засоби для вивчення низки дисциплш Крш цього, тшьки вивчення сучасно! елементно!' ба-зи, яка використовуеться в сучасних комп'ютерних системах, е необидною умовою шдготовки висококватфжованих спецiалiстiв i !'хнього успiшного по-дальшого працевлаштування.
Сьогоднi, перспективним i злободенним напрямом застосування СКС е проектування та експлуатащя "iнтелектуальних будинкiв" [1, 2], ят, крш комфорту проживания, мають основною метою економити енергетичш ресурси [24], робототехиiчних систем та нейроконтролерш [5, 6].
1 Тернопшьський НЕУ;
2 НУ "Львгвська полггехнка";
3 Ки1вський унгверситет ш. Бориса Гршченка
Техшчне забезпечення. Основу автоматизованих пiдсистем "штелекту-ального будинку" становлять керуючi пристро!, що взаемоддать i3 системами давачiв та актюаторiв [4]. Керуючими пристроями зазвичай е мiкроконтролери, якi програмуються для роботи з даними, що надходять i3 давачiв, i надсилають команди на виконання певним актюаторам. Вибiр такого обладнання мае забез-печувати низьку вартiсть системи та ц функцiональнiсть. Вiдповiдно навчальнi стенди реалiзовано на базi обладнання, до якого увшшли мiкроконтролернi плати, одноплатш комп'ютери, давачi та виконуючi пристро!', що максимально ввд-повiдають заданим вимогам.
Структура кожного стенду складаеться з набору кiлькох основних ком-понентiв. Цими компонентами е мшроконтролерна плата, одноплатний комп'ю-тер, макетна плата (breadboard), множина давачiв, актюаторiв, провiдникiв для складання схем.
Платформа Arduino. Як м^оконтролерш плати обрано обчислюваль-ну платформу Arduino Uno. Ця платформа працюе на мiкроконтролерi Atmega 328P фiрми Atmel [7]. Arduino - це шструмент для проектування електронних пристрогв (електронний конструктор), якi бшьше взаемодiють з навколишнiм фiзичним середовищем, нiж стандартнi персональнi комп'ютери, яш фактично не виходять за рамки вiртуальностi. Це платформа, призначена для "physical computing" з вщкритим програмним кодом, побудована на простiй друкованш платi з сучасним середовищем для написания програмного забезпечення. ("Physical computing" у широкому сена означае побудову фiзичних систем шляхом використання програмних та апаратних засобгв, яш можуть сприймати та реагувати на змши у навколишньому свiтi).
Arduino застосовуеться для створення електронних пристрогв з можли-вiстю прийому сигналов вiд рiзних цифрових i аналогових давачгв, якi можуть бути шдключеш до не!, i управлiння рiзними виконавчими пристроями. Проек-ти пристроив, заснованi на Arduino, можуть працювати самостiйно або взаемодь яти з програмним забезпеченням на комп'ютерi (наприклад Flash, Processing, MaxMSP). Ii вибiр пояснюеться низькою вартiстю, функцiональними можли-востями, а також розвинутою сшльнотою Arduino.
Комп'ютер Raspberry Pi. Одноплатш комп'ютери представлеш м^о-комп'ютерами Raspberry Pi B, побудованими на SoC (System on Chip) Broadcom BCM2835, що мктять процесор ARM iз тактовою частотою 700 МГц, графiч-ний процесор VideoCore IV, i 512 МБ оперативно! пам'ятi [8]. Присутш штер-фейси USB та Ethernet. Живлення 5В, 700мА через micro USB. Замкть жорстко-го диску використовуеться SD карта пам'ят! Особливктю цього комп'ютера е присутнш у ньому iнтерфейс GPIO (General-purpose input/output) - штерфейс вводу/виводу загального призначення. GPIO використовуеться для зв'язку мж-ропроцесора з рiзними перифершними пристроями [9]. Критерii вибору саме Raspberry Pi аналопчш до Arduino.
Набори давачiв та модулiв штерфейав. Набори цифрових та аналогових давачгв (давачi температури, вологостi, руху, вiдстанi, освiтлення, магштно-го поля i т. ш.), актюаторiв (електромагштш реле, сервоприводи, джойстики рiдкокристалiчнi диспле!) та модулi iнтерфейсiв (Ethernet, Wi-Fi, IrDA), якi пра-
цюють з Arduino i Raspberry Pi та формують автоматизованi пiдсистеми "ште-лектуального будинку". Зокрема, розроблення пiдсистеми керування давачами дае змогу рееструвати змши в оточуючому середовищi, а набiр актюаторiв -впливати на оточуюче середовище "штелектуального будинку" [10].
Методичне забезпечення. Для вивчення сучасно'* елементно'* бази, основ проектування сучасних СКС та 1*х програмування, розроблено методичне забезпечення: курс лабораторних робгг, теми курсових, дипломних проектiв i робiт для бакалаврiв, спецiалiстiв i магiстрiв. Методичне забезпечення забезпе-чуе викладання таких дисциплiн: "Дослщження i проектування комп'ютерних систем та мереж", "Моделювання комп'ютерних систем та мереж" i "Комп'ю-тернi системи".
Навчальн стенди разом iз методичним забезпеченням дали змогу ство-рити ефективн пiдходи до вивчення, проектування та програмування сучасних СКС на базi мкроконтролерно'* та мiкропроцесорноí технiки. Зокрема, для курсу "Моделювання комп'ютерних систем та мереж" такий тдхщ включае три етапи, виражених лабораторними роботами. Перший етап (Лаб. 1) - це етап формулювання технчного завдання (ТЗ), другий (Лаб. 2) - розроблення струк-тури пристрою (СП), третш етап (Лаб. 3-6) - побудова математичних (на основi мереж Петрi (МП) [11] та систем масового обслуговування (СМО) [12]), прог-рамних (ПМ) та фiзичних (ФМ) моделей проектованого пристрою (рис. 1).
Рис. 1. Структура методичного забезпечення
Формулювання техшчного завдання. У лабораторий po6oTÍ № 1 фор-мулюеться TexHÍ4He завдання для розробки проектованого пристрою. Для прикладу BÍ3bMeMO розроблення тдсистеми безпеки "штелектуального будинку", що працюе на основi одноплатного комп'ютера.
1. НАЙМЕНУВАННЯ ТА ОБЛАСТЬ ЗАСТОСУВАННЯ
1.1 Розроблення тдсистеми безпеки "штелектуального будинку" на ос-tobí одноплатного комп'ютера;
1.2 Область застосування - системи "iнтелектуального будинку".
2. П1ДСТАВА ДЛЯ РОЗРОБКИ
Шдставою для розробки е завдання на курс лабораторних робгг, затвер-джен кафедрою комп'ютерно'' iнженеpií факультету комп'ютерних шформа-цiйних технологiй Терноптьського нацюнального економiчного унiвеpситету.
3. МЕТА ТА ПРИЗНАЧЕННЯ
Метою виконання завдання е розроблення тдсистеми безпеки "штелектуального будинку".
4. ДЖЕРЕЛА РОЗРОБКИ
Джерелами ще! розробки е матеpiали навчально'' та реферативно'' науко-во'' лiтеpатуpи, технiчна документац1я, науково-дослiднi роботи, журнали.
5. ТЕХН1ЧН1 ВИМОГИ
5.1 Вимоги до апаратних 3aco6ÍB
5.1.1 Функщональш вимоги
Шдсистема безпеки призначена для вщеоспостереження, реeстрацií руху та оповщення про несанкцiонований доступ до примщень мiнтелектуального будинку" через мережу 1нтернет.
5.1.2 Умови роботи пiдсистеми безпеки - штатш;
5.1.3 Вимоги до napaMeTpiB:
5.1.3.1 Максимальне значення напруги живлення одноплатного комп'ютера - 5В;
5.1.3.2 Максимальне значення струму живлення одноплатного комп'ютера -
1 А;
5.1.3.3 Максимальний режим роботи вщеокамери - 1080 р (30fps);
5.1.3.4 Максимальне значення напруги живлення давача руху - 5 В;
5.1.3.5 Максимальна швидкють передачi даних через wifi модуль -300 Мбит/с.
5.2 Вимоги до програмноУ системи
5.2.1 Вимоги до програмного забезпечення:
5.2.1.1 Операцшна система амейства Linux;
5.2.1.1 Середовище для розробки програм керування шдсистемою безпеки.
6 ВИМОГИ НАД1ЙНОСТ1
6.1 Середнiй час безвщмовно!' роботи повинен складати не менше 10000 год.
7 УМОВИ ЕКСПЛУАТАЦП
7.1 Мiкроклiмат у примiщеннях повинен вщповщати нормам виробничого мiкроклiмату для обчислювальних центрiв (ГОСТ 12.1.005-88);
7.2 Для нормально!' роботи системи необхщно тдтримувати (по ГОСТ 23.865-85): температуру повпря в межах вiд +18°С до +28°С; вiдносну во-лопсть повiтря за +25 °С у межах вщ 40 % до 80 %; атмосферний тиск 760±25 мм рт. ст.
8 ВИМОГИ БЕЗПЕКИ, ОХОРОНИ ЗДОРОВ'Я I ПРИРОДИ
Техтчне забезпечення системи повинна вщповщати вимогам електро-безпеки (ГОСТ 25.861-85).
9 ПОРЯДОК КОНТРОЛЮ ТА ПРИЙМАННЯ
9.1 Представлення макету
Структура проектованого пристрою. Лабораторна робота № 2 дисцип-лши "Моделювання комп'ютерних систем та мереж" передбачае побудову структури пристрою, описаного у ТЗ. Ця лабораторна представляе другий етап побудови моделi пристрою з використанням зазначеного вище пiдходу до вив-чення дисциплiн з використанням навчальних стендiв. Приклад розроблено' структури тдсистеми безпеки "штелектуального будинку" на основi комп'ютера Raspberry Pi наведено на рис. 2.
У цш лабораторнш роботi вибираеться структура проектованого пристрою, яку необхщно детально описати та обгрунтувати згiдно з критер1ями вар-тостi, швидкодп та шшими.
Рис. 2. Структура пристрою
Модель пристрою. На третьому етапi здiйснюеться побудова матема-тичних моделей на основi апарату мереж Петрi [11] та СМО [12], розроблення програмно'1, а також реаизац1я фiзичноí моделi проектованого пристрою. Приклад моделi тдсистеми мiнтелектуального будинку" за наведеною вище структурою, реалiзованою засобами мереж Петр^ наведено на рис. 3.
видеофайл зберегти_на_сервер вщеоФайл_на_сервер!
Рис. 3. Структурна модель на основ/ мереж Петрг
Рис. 5. Навчальм стенди
Завдяки використанню запропонованого тдходу досягаеться максимально тiсна взаемод1я мiж теоретичною та практичною складовими тдготовки фа-хiвцiв та тдвищення рiвня навченостi студентiв.
Висновки. Реалiзовано навчальнi стенди та розроблено методичне за-безпечення, що дало змогу шдвищити рiвень знань i практичных навикгв бака-лаврiв, спещалктгв, магiстрiв i аспiрантiв спецiальностi "Комп'ютернi системи та мережГ" напряму "Комп'ютерна iнженерiя". Комплексний пiдхiд до викла-дання дисциплiн апаратного циклу на основi сучасного технiчного забезпечен-ня дае змогу оптимiзувати витрати на придбання обладнання.
Цю роботу виконано в рамках навчального проекту "Розроблення стен-дiв для автоматизованого проектування сучасних спецiалiзованих комп'ютер-них систем на базi мiкроконтролерiв i одноплатних комп'ютерiв" [13]. Автори висловлюють подяку за спонсорську допомогу фiрмi "Magnetic one" та ii директору Руслану Савчишину.
Лiтература
1. Лисицын Д.В. Система "Умный дом" и необходимость ее внедрения в условиях современного мира / Д.В. Лисицын и др. // Тезисы докладов межвузовской студенческой научной конференции. - 2011. - Ч. 3. - С. 34-35.
2. Teslyuk V.M. Development of smart house system model based on colored Petri nets (2013) Proceedings of International Seminar / V.M. Teslyuk, V.V. Beregovskyi, A.I. Pukach // Workshop on Direct and Inverse Problems of Electromagnetic and Acoustic Wave Theory, DIPED. - Pp. 205-208.
3. Richard Harper. Inside the Smart Home. - London. Springer; August, 2003. - 275 p.
4. Байгозин Д.В. Разработка принципов интеллектуального управления инженерным оборудованием в системе "Умный дом" / Д.В. Байгозин, Д.Н. Первухин, Г.Б. Захарова. // Известия Томского политехнического университета : сб. науч. тр. - 2008. - Т. 313, № 5. Управление, вычислительная техника и информатика. - С. 168-172.
5. Tsmots I. Hardware and software tools for motion control of mobile robotic system / I. Tsmots, V. Teslyuk, I. Vavruk // (2013) 2013 12th International Conference: The Experience of Designing and Application of CAD Systems in Microelectronics, CADSM 2013. - Pp. 368.
6. Pukach A. Implementation of neural networks for fuzzy and semistructured data / A. Pukach, V. Teslyuk, R. Tkachenko, R.-A. Ivantsiv // (2011) 2011 11th International Conference - The Experience of Designing and Application of CAD Systems in Microelectronics, CADSM 2011. - Pp. 350-352.
7. ARDUINO. [Electronic resource]. - Mode of access http://www.arduino.cc/.
8. RASPBERRY PI. [Electronic resource]. - Mode of access http://www.raspberrypi.org/.
9. Richardson M. Getting Started with Raspberry Pi. / M. Richardson, S. Wallace // Maker Media, Inc; December, 2012-176 p.
10. Jiang L. Smart home research / L. Jiang, D.Y. Liu, B. Yang // Proceedings of the 2004 International Conference on Machine Learning and Cybernetics, Shanghai, China, August. - 2004. - 723 с.
11. Котов В.Е. Сети Петри / В.Е. Котов. - М. : Изд-во "Наука", 1984. - 160 с.
12. Грушко И.И. Теория массового обслуживания : пер. с англ. / И.И. Грушко; пер. И.И. Грушко; ред. В.И. Нейман. - М. : Изд-во "Машиностроение", 1979. - 432 с.
13. Проект "1нтелектуальний будинок". [Електронний ресурс]. - Доступний з http://www.magneticone.org/main/proektintelektualnijbudinok.
Березкий О.Н., Теслюк В.Н., Борейко О.Ю., Михайлик А.Ю. Техническое и методическое обеспечение инженерного обучения для специальности "Компьютерные системы и сети"
Разработано техническое и методическое обеспечение для обучения студентов направления компьютерная инженерия. Техническое обеспечение представлено микроконтроллерами и одноплатными компьютерами, на основе которых разработаны циклы лабораторных работ для изучения дисциплин аппаратного обеспечения и проектирования современных специализированных компьютерных систем. Разработанный комплекс позволит повысить уровень обученности студентов направления "Компьютерная инженерия". Работа выполнена в рамках учебного проекта "Разработка стендов для автоматизированного проектирования современных специализированных компьютерных систем на базе микроконтроллеров и одноплатных компьютеров".
Ключевые слова: компьютерная инженерия, методическое обеспечение, техническое обеспечение, микроконтроллеры, одноплатные компьютеры, специализированные компьютерные системы.
Berezsky O.M., Teslyuk V.M., Boreyko O.Yu., MykhailiukA.Yu. Technical and Methodical Support for Engineering Training for Specialty "Computer Systems and Networks"
Technical and methodical support for training students of computer engineering was developed. Technical support is represented by microcontrollers and single board computers where a cycle labs for study subjects and hardware design of modern specialized computer systems. Designed complex will help improve the level of training of students of the direction "Computer Engineering". The work is carried out in the framework of the training project "Development of the stands for computer-aided design of modern specialized computer systems based on microcontrollers and single board computers".
Key words: computer engineering, methodical support, technical support, microcontrollers, single board computers, specialized computer systems.
УДК 340.12 Доц. В.С. Блгхар, д-р фтософ. наук;
ст. викл. В.В. Башук, канд. юрид. наук - Львгвський ДУ внутршнЪс справ
ФЫОСОФСЬКО-ПРАВОВИЙ I СОЦЮКУЛЬТУРНИЙ ВИМ1РИ НАЦЮНАЛЬНО'1 БЕЗПЕКИ
Проаналiзовано фшософсько-правовий i соцюкультурний вишри обгрунтування нацюнально! безпеки. З'ясовано, що сучасний вишр виршення мiжнародних проблем i тенденщя змщнення нового светового порядку створили неабияю загрози для безпеки держав, поставивши шд сумшв питання 1х суверенитету i теритс^ально! цiлiсностi та викликавши занепокоення у спроможностi сформованих мiжнародних структур ефек-тивно виршувати насущнi питання безпечного розвитку держав i народ1в у нових умо-вах. Обгрунтовано, що концептуальнi шдходи до сутностi нацюнально! безпеки сус-пiльства у фiлософсько-правовiй площиш характеризуются визнанням прiоритетностi захисту нацiональних штересш з одночасною шдтримкою трансформацн пол^ичних iнститутiв, розвитку громадянського суспiльства та змшою суспшьно! та шдивщуаль-но! свiдомостi в напрямку розвитку 1х правосвiдомостi.
Ключовi слова: громадянин, громадянське суспiльство, демократична i правова держава, нащональна безпека, суспiльна культура, фшософш права.
Постановка проблеми. 1сторичний перехвд вiд ХХ до ХХ1 ст. ознаменований появою нових тдходш i схем трактування безпеки держави. 1х поява зу-мовлена низкою об'ективних i суб'ективних чинниюв, серед яких, передовсш, треба назвати: переосмислення уявлень про глобальнi проблеми сучасностц ктот-нi змши в геополггичшй ситуаци i становлення нового свггового порядку; трансформация "холодно!' вшни" в новi форми свого вираження та розвитку; зростання загрози мiжнародного тероризму; змщення акценту суспiльноí свщомосп в бiк прiоритету полiтичних засобш у вирiшеннi мiжнародних проблем тощо.
Сучаснi теоретичнi пiдходи до вивчення нацiональноí безпеки, на жаль, вирiзняються невизначенiстю в поглядах на безпеку й недоощнкою низки мето-долопчних аспектов формування стратегií нацiональноí безпеки, яка передбачае единий алгоритм мислення, прийняття стратегiчних рiшень i д1яльносп у сферi безпеки. Зрозумшо, це вщображаеться i в офiцiйних державних документах, якi
