Олександра Бохан, Михайло Бохан, викладачі Калуського політехнічного фахового коледжу
Анотація. До вашої уваги методична розробка відкритого бінарного практичного заняття з навчальних дисциплін «Проєктування інтернет-речей» та «Організація промислових комунікацій». Сучасні проблеми потребують сучасних рішень, тому зараз гостро постає питання використання ресурсів інтернету речей, які можуть бути безпосередньо включені в освітній процес, а також стають найважливішим інструментом на етапі підготовки до заняття.
З метою опанування здобувачами освіти цілісного знання із дисциплін, бачення майбутньої професії, використання в освітньому процесі інтегрованих, бінарних занять є обов’язковою умовою. Особливістю інтегрованого заняття є його відповідність вимогам сучасної освіти, це створення передумов для розвитку всебічно інформованого фахівця, який сприймає світ цілісно та здатен зайняти активну позицію в соціальній і професійній сферах.
Abstract: Modern problems require modern solutions, so the issue of using the resources of the Internet of Things network, which can be directly incorporated into the educational process, and also become an important tool at the stage of preparation for the class, is now acute.
In order for students to acquire a holistic knowledge of the disciplines, a vision of their future profession, the use of integrated, binary classes in the educational process is a prerequisite. The peculiarity of an integrated class is its compliance with the requirements of modern education, creating the prerequisites for the development of a fully informed specialist who perceives the world holistically and is able to take an
Мета роботи: навчитися створювати та налаштовувати підключення пристроїв інтернету речей, використовуючи середовище моделювання Cisco Packet Tracer.
Завдання для практичної роботи
У середовищі Cisco Packet Tracer змоделювати топологію для домашньої мережі згідно зі сценарієм за варіантом та запрограмувати пристрої для їх функціонування у мережі та взаємодії з мережевими пристроями. Усі пристрої, домашні планшети та сервери IoT підключені до домашньої бездротової мережі. Кожен пристрій підключений до бездротового маршрутизатора. Налаштувати DHCP, WLAN. Усі бездротові пристрої необхідні для використання однакових ідентифікаторів SSID, пароля та стандартних налаштувань DHCP, крім локального сервера, що використовує статичні IP. Також потрібно налаштувати DNS-сервер для перекладу URL-адреси домашньої сторінки IoT у власну IP-адресу сервера IoT. Виконати тестування запрограмованих пристроїв.
Теоретичні відомості
Інтернет речей (англ. Internet of Things, IoT) – це концепція мережі, яка є системою взаємопов’язаних обчислювальних пристроїв, механічних і цифрових машин, об’єктів, тварин або людей, які мають програмне забезпечення, що дозволяє здійснювати передачу та обмін даними між фізичним світом та комп’ютерними системами за допомогою стандартних протоколів зв’язку. Така мережа може мати датчики та виконавчі пристрої, вбудовані у фізичні об’єкти і пов’язані між собою через дротові чи бездротові мережі. Ці взаємопов’язані пристрої можуть зчитувати та приводити в дію, програмувати та ідентифікувати пристрої без участі людини за рахунок використання інтелектуальних інтерфейсів.
Основною концепцією протоколу ІР є можливість підключення різних об’єктів (речей), які людина може використовувати у повсякденному житті. Це можуть бути такі пристрої, як кавоварка, холодильник, кондиціонер, автомобіль. Ці об’єкти (речі) повинні мати вбудовані сенсори для обробки інформації, що надходить з навколишнього середовища, обмінюватися нею і виконувати різні дії залежно від отриманої інформації. Прикладом є система «розумний будинок», «розумна теплиця» або «розумна ферма». Ця система аналізує дані навколишнього середовища і, наприклад, залежно від показників, регулює температуру в приміщенні. У зимовий період регулюється інтенсивність опалення, у спеку будинок має механізми відкривання і закривання вікон, завдяки чому будинок провітрюється, при чому все це відбувається без втручання людини.
Для об’єднання побутових речей у мережу необхідно використати декілька технологій. Система унікальної ідентифікації дозволяє збирати та накопичувати інформацію про предмети. Це можна забезпечити за допомогою мікросхем RFID (Radio-Frequency IDentification). Вони здатні без власного джерела струму передавати інформацію приладам зчитування. Кожна мікросхема має індивідуальний номер. Альтернативою цієї технології для ідентифікації об’єктів може бути використання (Quick Response Code). Для визначення точного місцерозташування пристрою використовується технологія GPS (Global Positioning System). Для відслідковування змін у стані елемента або навколишнього середовища об’єкти оснащуються сенсорами.
Для обробки та накопичення даних з сенсорів використовується вбудований комп’ютер (наприклад, Raspberry Pi, Intel Edison тощо). Для обміну інформацією між пристроями можуть бути використані технології бездротових мереж (Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee, 6LoWPAN).
Інтеграція з інтернетом передбачає використання IP-адреси як унікального ідентифікатора. Через обмеження адресного простору в IPv4 пристроям потрібно використовувати IPv6, який забезпечує унікальними адресами мережевого рівня не менше 300 млн пристроїв на одного жителя Землі.
Об’єктами в ІР будуть не тільки пристрої із сенсорними можливостями, але й пристрої, які виконують дії (наприклад, лампочки або замки, якими можна керувати через інтернет).
Важливими характеристиками бездротової передачі даних для побудови ІoТ є ефективність, відмовостійкість, адаптивність та можливість самоорганізації. Стандарт IEEE 802.15.4 керує доступом для організації енергоефективних персональних мереж. Наприклад, сонячне випромінювання заряджає сонячний акумулятор, що надсилає електроенергію на акумулятор для зберігання та розподілу енергії. Вимірювач потужності, з’єднаний між ними, зчитує та відображає кількість енергії, яку захоплює сонячна панель. Оскільки усі пристрої підключені, вони реєструються на сервері реєстрації, дозволяючи користувачеві контролювати всю систему з веббраузера. Коли пристрої належним чином підключені, вони мають бути налаштовані. Оскільки система покладається на IP-мережу, пристрої повинні бути налаштовані з правильною інформацією про IP-адреси. Оскільки сервер налаштований також на роль сервера DHCP, пристрої IoT мають бути налаштовані як клієнти DHCP, щоб автоматично вивчати інформацію IP. Користувач може контролювати енергоспоживання системи не тільки локально, але і дистанційно. Ще один крок – підключити мікроконтролер та написати код для вимкнення одного або декількох світлодіодів, коли рівень заряду акумулятора стане нижчим заздалегідь визначеного порогу. Цей режим енергозбереження дозволить батареї деякий час перезаряджатись.
Середовище моделювання Cisco Packet Tracer (СРТ) має наступні можливості для створення та налаштування ІoТ рішень:
– підтримка SPAN / RSPAN;
– підтримка L2NAT;
– підтримка PTP;
– підтримка REP;
– підтримка LLDP;
– підтримка розподілу адрес на основі портів DHCP-сервера;
– PoEsupport;
– підтримка протоколу ІоТSwitch.
Cisco Packet Tracer дозволяє використовувати різні фізичні середовища, «розумні пристрої», датчики і активатори, Smart Home, Smart City, Industrial, Power Grid, редагувати існуючі або програмувати власні пристрої, використовуючи технології Python, Javascript, Blockly, SBC та MCU, Home Gateway та RegServer, налаштовувати правила роботи пристроїв. Cisco Packet Tracer містить приклади файлів, навчальні посібники та підручники для моделювання ІoТ рішень
Блок мікроконтролера MCU (multipoint control units) – це невеликий комп’ютер, побудований на чіпі SoC (System on a Chip). Він містить ядро процесора, пам’ять та периферійні пристрої введення/виведення.
Мікроконтролери призначені для вбудованих програм або програм, які не потребують багато ресурсів комп’ютера.
Мікропроцесори, що використовуються в персональних комп’ютерах, зазвичай використовуються для підтримки інших програм загального призначення, що вимагають більших ресурсів комп’ютера.
Прикладами програм, що використовують мікроконтролери, є системи керування автомобільними двигунами, медичні пристрої, пульти дистанційного керування, офісні машини, електричні інструменти, іграшки.
Мікроконтролери змішаного типу також є інтегруючими аналоговими компонентами, вони необхідні для управління нецифровими електронними системами. Cisco Packet Tracer забезпечує підтримку емулятора MCU. Користувач може запрограмувати PT MCU для виконання завдань, подібних до MCU у реальному світі. Щоб спростити процес, PT MCU може бути запрограмований за допомогою Java і Python.
PT MCU – це плата, що має порт USB, шість цифрових портів вводу-виводу та чотири аналогові порти вводу-виводу. Цифрові входи/виходи на PT MCU дозволяють користувачеві підключати цифрові датчики та виконавчі пристрої.
Аналогові порти вводу-виводу дозволяють користувачеві підключати аналогові датчики та виконавчі пристрої. Python працює на різних комп’ютерних платформах. Cisco Packet Tracer використовує цю перевагу та реалізує пристрої ІоТ, що підтримують Python.
Список використаних джерел
1. Introduction to IoT (Cisco Networking Academy) // Електронний ресурс. Режим доступу : https://www.netacad.com.
2. Flavio Bonomi, Rodolfo Milito, Jiang Zhu, Sateesh Addepalli. Fog Computing and Its Role in the Internet of Things // Електронний ресурс. Режим доступу : http://conferences.sigcomm.org/sigcomm/2012/paper/mcc/p13.pdf
3. Leading the IoT // Електронний ресурс. Режим доступу : https://www.gartner.com/imagesrv/books/iot/iotEbook_digital.pdf
4. Сhanging the programming paradigm for the embedded in the ІоТ domain // Електронний ресурс. Режим доступу : http://ieeexplore.ieee.org/document/7389059/?arnumber=7389059
5. IoT Fundamentals Connecting Things (Cisco Networking Academy) // Електронний ресурс. Режим доступу : https://www.netacad.com.
6. Things and Components available in Packet Tracer 7.2 // Електронний ресурс.
Режим доступу : https://www.packettracernetwork.com/internet-of-things/pt7-iot-devices-configuration.html
Автор публікації
