Файл: Методическое пособие для преподавателей Обучение робототехническому программированию на основе комплексной платформы Arduino.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 27.04.2024
Просмотров: 53
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
умную планету». В самом общем виде с информационно - коммуникационной точки зрения Интернет вещей можно записать в виде следующей символической формулы:
IoT = Сенсоры (датчики) + Данные + Сети + Услуги.
Интернет вещей – это глобальная сеть компьютеров, датчиков (сенсоров) и исполнительных устройств (актуаторов), связывающихся между собой с использованием интернет протокола IP (Internet Protocol). Для решения определенной задачи компьютер связывается через публичный интернет сеть с небольшим устройством, к которому подключен соответствующий датчик (например, температуры), как это показано на рисунке 1.
Рис.1. Фрагмент интернет вещей.
При внедрении Интернета вещей вся наша повседневная жизнь кардинально изменится, уйдут в прошлое поиски нужных вещей, дефициты товаров или их перепроизводство, кражи автомобилей и мобильных телефонов, поскольку будет точно известно, что, в каком месте и в каком количестве находится, производится и потребляется. Поэтому концепция IoT играет определяющую роль в дальнейшем развитии инфокоммуникационной отрасли общесттва.
История Internet и IoT.
В конце XIX - начале XX века стали распространятся электрические телеграфы, которые позволяли осуществлять связь между двумя устройствами. В 1967 году исследователь Дональд Дэвис представил на симпозиуме в Англии свое изобретение пакетную коммутацию, суть которой состояла в том, что при передаче данных между вычислительными устройствами их необходимо разделять на небольшие фрагменты, эти фрагменты были названы словом пакет (англ. packet). Теперь в современной сети Интернет пакеты данных используются повсеместно.
В 1984 году Национальный фонд науки США, используя модель ARPANET, создает гражданскую межуниверситетскую сеть NSFNet. Появление NSFNet является началом развития сети Интернет.
В 1988 году был разработан протокол Internet Relay Chat (IRC), благодаря чему в Интернете стало возможно общение в реальном времени.
Реализация гиперссылок была разработана в 1989 году Тимом Бернерсем-Ли. Проект стал известен под названием «Всемирная паутина». Тим Бернерс-Ли с командой разработал и внедрил идентификаторы URI (URL,который можно наблюдать в адресной строке браузера это частный случай URI), протокол HTTP и язык HTML.В начале 1990-х Тим Бернерс-Ли публикует техническую документацию по протоколам и стандартам Всемирной паутины. Начинается быстрый рост количества интернет-ресурсов. В 1994 году появляется компания Yahoo, в 1997 году - Google и в 2001 году - Википедия.
Интернет Вещей.
Первым термин Интернет Вещей предложил Кевин Эштон во время презентации в компании Procter and Gamble в 1999 году. Кевин Эштон называл этот термин, как Internet for Things. Основатель термина был уверен, что концепция Интернет Вещей – это
возможность наделить компьютеры дополнительной информацией, собранной при помощи датчиков и RFID-меток [2].
В 2007 году появляется онлайн сервис “Пачбей”, который служил для сбора данных и их визуализации. Это решение позволило соединить данные от множества датчиков по всему миру в один сервис, при помощи которого стало возможно собирать и обрабатывать данные с удаленных устройств и предоставлять новые сервисы.
Следующим знаковым периодом стал 2008-2009 год, когда компания Cisco сделала заявление, что число устройств, подключенных к Интернет, превысило численность населения Земли.
В 2010 и 2011 годах появились знаковые научные проекты IoT-A и iCore. IoT-A предложил модель архитектуры Интернета Вещей с описанием всех функциональных блоков архитектуры. Проект iCore предложил ряд концепций и алгоритмов для разработки интеллектуального Интернета Вещей с рядом самонастраивающихся функций, которые по максимуму могли обеспечить запросы пользователя. Интернет вещей повлек за собой развитие, так называемых «туманных вычислений», смысл которых в переносе вычислений от единых ЦОДов (центров обработки данных) к большому количеству распределенных устройств, взаимодействующих друг с другом [4].
В рамках курса будет необходимо понимание следующих терминов:
Компьютерная или вычислительная сеть — любая система, позволяющая обмениваться данными между вычислительными устройствами. По архитектуре сети делятся на две больших категории сети с иерархией (клиент-сервер) и одноранговые (пиринговые) сети. Сети могут функционировать поверх существующих сетей.
Протокол связи — это система правил, позволяющая двум и более субъектам передавать информацию. Протокол определяет правила, син таксис, семантику и синхронизацию коммуникации, а также определяет возможные способы устранения ошибок или обозначает их отсутствие.
Сервер — аппаратное или программное обеспечение, которое обеспечивает функциональные возможности для других программ или устройств, так называемых “клиентов”. Один сервер может обслуживать несколько клиентов, а один клиент может использовать несколько серверов.
Web-сервер — серверное программное обеспечение
, которое принимает и обрабатывает запросы от клиентов, чаще всего клиентами выступают веб-браузеры. В ответ на запрос клиента web-сервер выдает данные, например, HTML-страницу, изображение, медиапоток.
IP-адрес — уникальный сетевой адрес узла в компьютерной сети, в 4-й
версии IP-адрес представляет собой 32-битное число. Распространена
форма записи IP-адреса (IPv4) в виде четырёх десятичных чисел значени-
ем от 0 до 255, разделенных точками, например, 192.178.1.3 (11000000.1011
0010.00000001.00000011).
MAC-адрес — уникальный идентификатор, присваиваемый оборудованию в компьютерных сетях Ethernet. При проектировании стандарта Ethernet было предусмотрено, что каждая сетевая карта (равно как и встроенный сетевой интерфейс) должна иметь уникальный номер,
состоящий из 6-ти байт, установленный в ней при изготовлении. Уникальность MAC-адресов достигается тем, что каждый производитель получает в координирующем комитете диапазон из адресов и, по мере исчерпания выделенных адресов, может запросить новый диапазон.
Поэтому по трём старшим байтам MAC-адреса можно определить производителя оборудования.
Доменные имена — символьное имя интернет-ресурса (например, yandex.ru). Доменные имена бывают: первого уровня, например, домены стран (.ru, .ua) или тематические домены (.edu, .org) второго уровня, например, sitename.com, yandex.ru, и так далее.
При помощи DNS (распределенной системы для получения информации о доменах) можно получить из доменного имени ip-адрес сервера. Таким образом, имя ресурса и его расположение в сети (ip-адрес) разделены, и можно изменять домен, не меняя сервера и наоборот.
Применение Интернета Вещей.
Основные понятия, рассматриваемые на занятии:
• Интеллектуальные устройства.
• Интеллектуальный дом.
• Интеллектуальный город.
Применение ноно Интернета Вещей.
• Миниатюрные нано -устройства.
• Нано компоненты.
• Нано сети.
Веб вещей WoТ
Составной частью Интернета вещей является Веб вещей (WEB of Things, WoT), который обеспечивает взаимодействие различных интеллектуальных объектов («вещей») с использованием стандартов и механизмов Интернет, таких как унифицированный (единообразный) идентификатор ресурса URI (Uniform Resource Identifier), протокол передачи гипертекста HTTP (HyperText Transfer Protocol), стиль построения архитектуры распределенного приложения REST (Representational State Transfer) и др. Фактически WoT предусматривает реализацию концепции IoT на прикладном уровне с использованием уже существующих архитектурных решений, ориентированных на разработку web-приложений.
Основные свойства WoT:
1. Использует протокол HTTP в качестве приложения, а не в качестве транспортного механизма передачи данных, как он применяется для традиционных WWW-услуг.
2. Обеспечивает синхронную работу интеллектуальных (смарт) объектов через прикладной программный интерфейс REST (также известный как RESTful API) и в целом соответствует ресурсно-ориентированной архитектуре ROA (Resource-Oriented Architecture).
3. Предоставляет асинхронный режим работы интеллектуальных объектов с использованием в значительной степени стандартных Web-технологий, таких как Atom, содержащей формат для описания ресурсов на веб-сайтах и протокол для их публикации, или Web-механизмов передачи данных, таких как модель работы веб-приложения Comet, при которой постоянное HTTP-соединение позволяет веб-серверу отправлять данные браузеру без дополнительного запроса со стороны браузера. Эти характеристики WoT обеспечивают простое взаимодействие интеллектуальных объектов через Интернет, кроме того они реализуют единообразный интерфейс для доступа и поддержки функциональности смарт-объектов. С концепцией WoT перекликается идея Семантической паутины (Semantic Web) – это направление развития Всемирной паутины WWW, целью которого является представление информации в виде, пригодном для машинной обработки. Термин «семантическая паутина» был впервые введѐн Тимом Бернерсом-Ли (изобретателем Всемирной паутины) в мае 2001 года. Концепция семантической паутины была принята и продвигается Консорциумом Всемирной паутины W3C (World Wide Web Consortium).
Нано - технологии привели к разработке миниатюрных устройств, размеры которых варьируются от одного до нескольких сотен нано - метров. На этом уровне нано -машины состоят из нано - компонентов и представляют себя отдельные функциональные блоки, способные выполнять простые измерительные, регулирующие или управляющие операции. Координация и обмен информацией между нано - устройствами позволяют образовывать так называемые нано - сети. В случае соединения нано - устройств с существующими сетями и Интернетом возникает новая сетевая парадигма, называемая Интернетом нано - вещей. Для взаимодействия нано - устройств с существующими сетями и Интернетом требуется разработка новых сетевых архитектур.
Нано -узлы - миниатюрные и простейшие нано - устройства. Позволяют выполнять простейшие расчеты, имеют ограниченную память и ограниченную дальность передачи сигналов. Примерами нано - узлов могут быть биологические нано – сенсоры на человеческом теле или внутри него или нано -устройства, встроенные в повседневные окружающие нас вещи – книги, часы, ключи и т.д.
Нано - шлюзы– данные нано - устройства имеют относительно высокую производительность по сравнению с нано -узлами и выполняют функцию сбора информации от нано -узлов. Кроме того, нано -шлюзы могут контролировать поведение нано -узлов путем выполнения простых команд (вкл./выкл., режим сна, передать данные и т.д.).
Нано -микро интерфейсы– устройства, собирающие информацию от нано -шлюзов, и передающие еѐ во внешние сети. Данные устройства включают в себя как нанотехнологии коммуникаций, так и традиционные технологии для передачи информации в существующие сети. Шлюз – данное устройство осуществляет контроль всей нано -сети через сеть Интернет. Например, в случае сети с сенсорами на теле человека данную функцию может выполнять мобильный телефон, транслирующий информацию о нужных показателях в медицинское учреждение.
Используют 3 способа взаимодействия с интернет - вещами:
Подведение итогов темы и ответы на вопросы студентов (5минут).
Контрольные вопросы?
1. Функцией выхода в интернет оснащают?
2. Концепция передачи данных через радиосигнал появилась?
3. Протокол IRC был создан для?
5. Кто разработал пакетную коммутацию?
6. 192.178.1.9 - это…?
7. Какого уровня доменное имя “TTU.site.ru”?
8. Что такое нано – устройства?
9. Что такое нано – шлюзы?
10. Что такое нано – узлы?
Тема 3. Аппаратно- техническая платформа Arduino
Тип и форма: Ознакомления с новым материалом (лекция, практические занятия).
Основные понятия, рассматриваемые на занятии:
Arduino является аппаратно - программным средством для быстрого создания и реализации функциональности будущего проекта малыми усилиями в области электроники, автоматики, автоматизации процессов и робототехниики.
Программно - аппаратный комплекс – это набор технических и программных средств используемых комплексно для выполнения одной или нескольких задач.
Аппаратно-программный комплекс – техническое решение концепции алгоритма работы сложной системы, управление которой осуществляется, как правило, исполнением кода из определённого базового набора команд (системы команд).
IoT = Сенсоры (датчики) + Данные + Сети + Услуги.
Интернет вещей – это глобальная сеть компьютеров, датчиков (сенсоров) и исполнительных устройств (актуаторов), связывающихся между собой с использованием интернет протокола IP (Internet Protocol). Для решения определенной задачи компьютер связывается через публичный интернет сеть с небольшим устройством, к которому подключен соответствующий датчик (например, температуры), как это показано на рисунке 1.
Рис.1. Фрагмент интернет вещей.
При внедрении Интернета вещей вся наша повседневная жизнь кардинально изменится, уйдут в прошлое поиски нужных вещей, дефициты товаров или их перепроизводство, кражи автомобилей и мобильных телефонов, поскольку будет точно известно, что, в каком месте и в каком количестве находится, производится и потребляется. Поэтому концепция IoT играет определяющую роль в дальнейшем развитии инфокоммуникационной отрасли общесттва.
История Internet и IoT.
В конце XIX - начале XX века стали распространятся электрические телеграфы, которые позволяли осуществлять связь между двумя устройствами. В 1967 году исследователь Дональд Дэвис представил на симпозиуме в Англии свое изобретение пакетную коммутацию, суть которой состояла в том, что при передаче данных между вычислительными устройствами их необходимо разделять на небольшие фрагменты, эти фрагменты были названы словом пакет (англ. packet). Теперь в современной сети Интернет пакеты данных используются повсеместно.
В 1984 году Национальный фонд науки США, используя модель ARPANET, создает гражданскую межуниверситетскую сеть NSFNet. Появление NSFNet является началом развития сети Интернет.
В 1988 году был разработан протокол Internet Relay Chat (IRC), благодаря чему в Интернете стало возможно общение в реальном времени.
Реализация гиперссылок была разработана в 1989 году Тимом Бернерсем-Ли. Проект стал известен под названием «Всемирная паутина». Тим Бернерс-Ли с командой разработал и внедрил идентификаторы URI (URL,который можно наблюдать в адресной строке браузера это частный случай URI), протокол HTTP и язык HTML.В начале 1990-х Тим Бернерс-Ли публикует техническую документацию по протоколам и стандартам Всемирной паутины. Начинается быстрый рост количества интернет-ресурсов. В 1994 году появляется компания Yahoo, в 1997 году - Google и в 2001 году - Википедия.
Интернет Вещей.
Первым термин Интернет Вещей предложил Кевин Эштон во время презентации в компании Procter and Gamble в 1999 году. Кевин Эштон называл этот термин, как Internet for Things. Основатель термина был уверен, что концепция Интернет Вещей – это
возможность наделить компьютеры дополнительной информацией, собранной при помощи датчиков и RFID-меток [2].
В 2007 году появляется онлайн сервис “Пачбей”, который служил для сбора данных и их визуализации. Это решение позволило соединить данные от множества датчиков по всему миру в один сервис, при помощи которого стало возможно собирать и обрабатывать данные с удаленных устройств и предоставлять новые сервисы.
Следующим знаковым периодом стал 2008-2009 год, когда компания Cisco сделала заявление, что число устройств, подключенных к Интернет, превысило численность населения Земли.
В 2010 и 2011 годах появились знаковые научные проекты IoT-A и iCore. IoT-A предложил модель архитектуры Интернета Вещей с описанием всех функциональных блоков архитектуры. Проект iCore предложил ряд концепций и алгоритмов для разработки интеллектуального Интернета Вещей с рядом самонастраивающихся функций, которые по максимуму могли обеспечить запросы пользователя. Интернет вещей повлек за собой развитие, так называемых «туманных вычислений», смысл которых в переносе вычислений от единых ЦОДов (центров обработки данных) к большому количеству распределенных устройств, взаимодействующих друг с другом [4].
В рамках курса будет необходимо понимание следующих терминов:
Компьютерная или вычислительная сеть — любая система, позволяющая обмениваться данными между вычислительными устройствами. По архитектуре сети делятся на две больших категории сети с иерархией (клиент-сервер) и одноранговые (пиринговые) сети. Сети могут функционировать поверх существующих сетей.
Протокол связи — это система правил, позволяющая двум и более субъектам передавать информацию. Протокол определяет правила, син таксис, семантику и синхронизацию коммуникации, а также определяет возможные способы устранения ошибок или обозначает их отсутствие.
Сервер — аппаратное или программное обеспечение, которое обеспечивает функциональные возможности для других программ или устройств, так называемых “клиентов”. Один сервер может обслуживать несколько клиентов, а один клиент может использовать несколько серверов.
Web-сервер — серверное программное обеспечение
, которое принимает и обрабатывает запросы от клиентов, чаще всего клиентами выступают веб-браузеры. В ответ на запрос клиента web-сервер выдает данные, например, HTML-страницу, изображение, медиапоток.
IP-адрес — уникальный сетевой адрес узла в компьютерной сети, в 4-й
версии IP-адрес представляет собой 32-битное число. Распространена
форма записи IP-адреса (IPv4) в виде четырёх десятичных чисел значени-
ем от 0 до 255, разделенных точками, например, 192.178.1.3 (11000000.1011
0010.00000001.00000011).
MAC-адрес — уникальный идентификатор, присваиваемый оборудованию в компьютерных сетях Ethernet. При проектировании стандарта Ethernet было предусмотрено, что каждая сетевая карта (равно как и встроенный сетевой интерфейс) должна иметь уникальный номер,
состоящий из 6-ти байт, установленный в ней при изготовлении. Уникальность MAC-адресов достигается тем, что каждый производитель получает в координирующем комитете диапазон из адресов и, по мере исчерпания выделенных адресов, может запросить новый диапазон.
Поэтому по трём старшим байтам MAC-адреса можно определить производителя оборудования.
Доменные имена — символьное имя интернет-ресурса (например, yandex.ru). Доменные имена бывают: первого уровня, например, домены стран (.ru, .ua) или тематические домены (.edu, .org) второго уровня, например, sitename.com, yandex.ru, и так далее.
При помощи DNS (распределенной системы для получения информации о доменах) можно получить из доменного имени ip-адрес сервера. Таким образом, имя ресурса и его расположение в сети (ip-адрес) разделены, и можно изменять домен, не меняя сервера и наоборот.
Применение Интернета Вещей.
Основные понятия, рассматриваемые на занятии:
• Интеллектуальные устройства.
• Интеллектуальный дом.
• Интеллектуальный город.
Применение ноно Интернета Вещей.
• Миниатюрные нано -устройства.
• Нано компоненты.
• Нано сети.
Веб вещей WoТ
Составной частью Интернета вещей является Веб вещей (WEB of Things, WoT), который обеспечивает взаимодействие различных интеллектуальных объектов («вещей») с использованием стандартов и механизмов Интернет, таких как унифицированный (единообразный) идентификатор ресурса URI (Uniform Resource Identifier), протокол передачи гипертекста HTTP (HyperText Transfer Protocol), стиль построения архитектуры распределенного приложения REST (Representational State Transfer) и др. Фактически WoT предусматривает реализацию концепции IoT на прикладном уровне с использованием уже существующих архитектурных решений, ориентированных на разработку web-приложений.
Основные свойства WoT:
1. Использует протокол HTTP в качестве приложения, а не в качестве транспортного механизма передачи данных, как он применяется для традиционных WWW-услуг.
2. Обеспечивает синхронную работу интеллектуальных (смарт) объектов через прикладной программный интерфейс REST (также известный как RESTful API) и в целом соответствует ресурсно-ориентированной архитектуре ROA (Resource-Oriented Architecture).
3. Предоставляет асинхронный режим работы интеллектуальных объектов с использованием в значительной степени стандартных Web-технологий, таких как Atom, содержащей формат для описания ресурсов на веб-сайтах и протокол для их публикации, или Web-механизмов передачи данных, таких как модель работы веб-приложения Comet, при которой постоянное HTTP-соединение позволяет веб-серверу отправлять данные браузеру без дополнительного запроса со стороны браузера. Эти характеристики WoT обеспечивают простое взаимодействие интеллектуальных объектов через Интернет, кроме того они реализуют единообразный интерфейс для доступа и поддержки функциональности смарт-объектов. С концепцией WoT перекликается идея Семантической паутины (Semantic Web) – это направление развития Всемирной паутины WWW, целью которого является представление информации в виде, пригодном для машинной обработки. Термин «семантическая паутина» был впервые введѐн Тимом Бернерсом-Ли (изобретателем Всемирной паутины) в мае 2001 года. Концепция семантической паутины была принята и продвигается Консорциумом Всемирной паутины W3C (World Wide Web Consortium).
-
-
Интернет нано - вещей
Нано - технологии привели к разработке миниатюрных устройств, размеры которых варьируются от одного до нескольких сотен нано - метров. На этом уровне нано -машины состоят из нано - компонентов и представляют себя отдельные функциональные блоки, способные выполнять простые измерительные, регулирующие или управляющие операции. Координация и обмен информацией между нано - устройствами позволяют образовывать так называемые нано - сети. В случае соединения нано - устройств с существующими сетями и Интернетом возникает новая сетевая парадигма, называемая Интернетом нано - вещей. Для взаимодействия нано - устройств с существующими сетями и Интернетом требуется разработка новых сетевых архитектур.
Нано -узлы - миниатюрные и простейшие нано - устройства. Позволяют выполнять простейшие расчеты, имеют ограниченную память и ограниченную дальность передачи сигналов. Примерами нано - узлов могут быть биологические нано – сенсоры на человеческом теле или внутри него или нано -устройства, встроенные в повседневные окружающие нас вещи – книги, часы, ключи и т.д.
Нано - шлюзы– данные нано - устройства имеют относительно высокую производительность по сравнению с нано -узлами и выполняют функцию сбора информации от нано -узлов. Кроме того, нано -шлюзы могут контролировать поведение нано -узлов путем выполнения простых команд (вкл./выкл., режим сна, передать данные и т.д.).
Нано -микро интерфейсы– устройства, собирающие информацию от нано -шлюзов, и передающие еѐ во внешние сети. Данные устройства включают в себя как нанотехнологии коммуникаций, так и традиционные технологии для передачи информации в существующие сети. Шлюз – данное устройство осуществляет контроль всей нано -сети через сеть Интернет. Например, в случае сети с сенсорами на теле человека данную функцию может выполнять мобильный телефон, транслирующий информацию о нужных показателях в медицинское учреждение.
-
Способы взаимодействия с интернет - вещами
Используют 3 способа взаимодействия с интернет - вещами:
-
1) прямой доступ; -
2) доступ через шлюз; -
3) доступ через сервер.
Подведение итогов темы и ответы на вопросы студентов (5минут).
Контрольные вопросы?
1. Функцией выхода в интернет оснащают?
2. Концепция передачи данных через радиосигнал появилась?
3. Протокол IRC был создан для?
5. Кто разработал пакетную коммутацию?
6. 192.178.1.9 - это…?
7. Какого уровня доменное имя “TTU.site.ru”?
8. Что такое нано – устройства?
9. Что такое нано – шлюзы?
10. Что такое нано – узлы?
Тема 3. Аппаратно- техническая платформа Arduino
Тип и форма: Ознакомления с новым материалом (лекция, практические занятия).
Основные понятия, рассматриваемые на занятии:
-
Arduino. -
Аппаратная часть. -
Программная часть.
Arduino является аппаратно - программным средством для быстрого создания и реализации функциональности будущего проекта малыми усилиями в области электроники, автоматики, автоматизации процессов и робототехниики.
Программно - аппаратный комплекс – это набор технических и программных средств используемых комплексно для выполнения одной или нескольких задач.
Аппаратно-программный комплекс – техническое решение концепции алгоритма работы сложной системы, управление которой осуществляется, как правило, исполнением кода из определённого базового набора команд (системы команд).