Технологии коммуникации в Интернете Вещей

Стенд предназначен для проведения лабораторно-практических работ для студентов высших, средних и профессионально-технических учебных заведений с целью получения углублённых знаний, опыта и навыков работы с концепцией взаимодействия и обмена данными между устройствами IoT (англ. Internet of Things, Интернет вещей). В процессе выполнения лабораторно-практических работ студент на практике изучает современные технологии коммуникации средств измерения посредством объединения устройств в сеть, за счёт чего в открытой и доступной форме ознакомится с построением систем межмашинного взаимодействия. В результате обучаемый получит практические знания о принципах работы интеллектуальных помощников и систем «Умный дом» и научится интегрировать их с облачными сервисами Google, «Яндекс», и другими.

Состав оборудования

Базовая комплектация IoT-NET:

  1. Модуль «Архитектура и применение моноплатных компьютеров» в качестве брокера и сервера MQTT (mosquitto, node-red) (1 шт.).
  2. Модуль «Устройство IoT» в качестве устройства для подключения к Google Cloud Platform. (1 шт.).
  3. Arduino»(1 шт.).
  4. Модуль «Беспроводные линии связи». Модуль передатчика (2 шт.)
  5. Модуль «Wi-Fi контроллер интернета вещей» (1 шт.).
  6.  USB Dongle Zigbee CC2531 для захвата ZigBee пакетов от устройств Xiaomi (1 шт.).
  7. Ноутбук (1шт).
  8. Соединительные приборные провода (30 шт.).
  9. Кабель USB 2.0 AM/BM (8 шт.).
  10. Комплект учебно-методических пособий (2 шт.).
  11. Программное обеспечение (1 USB накопитель).

Комплектация IoT-NET-HS дополнительно к базовой комплектации содержит:

  1. Модуль датчиков «Умного дома» Xiaomi: беспроводной шлюз (1 шт.), лампочка (1 шт.), датчик движения (1 шт.), розетка (1 шт.), беспроводная кнопка (1 шт.), датчик открытия (1 шт.)

Комплектация IoT-NET-HMI дополнительно к базовой комплектации содержит:

  1. Модуль «Мобильные устройства связи» (1 шт.).

Комплектация IoT-NET-HMIA дополнительно к комплектации IoT-NET-HMI содержит:

  1. Набор голосовых ассистентов: Яндекс.Станция, Умная колонка Google Home (1 комплект).

Функциональность стенда и его структура

Стенд выполнен в виде набора модулей, которые взаимодействуют между собой посредством коммутации клемм на лицевой панели, связи по беспроводным каналам передачи данных и доступных интерфейсов на боковых стенках модулей.

Специально для стенда разработан комплект учебно-методических пособий, которые помогут изучить системы IoT, разобраться в их структуре, создать своё устройство IoT, интегрировать их в облачные сервисы, как в теории, так и на практике, а также помогут с легкостью разобраться в работе стенда. Комплект учебно-методических пособий состоит из трёх руководств: теоретическое, управление стендом и лабораторный практикум. В теоретическом руководстве даётся описание принципов работы системы, описание ее применимости в современном оборудовании и новых разработках. Руководство по управлению описывает принципы работы с каждым узлом стенда и как применить полученные знания в теории на реальном оборудовании. В конечном итоге, в рамках лабораторного практикума закрепляются знания, полученные от теоретического материала – студенты создают и настраивают сети IoT, используя различное существующее оборудование, создавая своё на его основе.

Модуль «Архитектура и применение моноплатных компьютеров»

Модуль «Архитектура и применение моноплатных компьютеров» является одним из важнейших частей стенда и одним из его модулей. Модуль содержит в себе моноплатный компьютер Raspberry Pi модель B+. Лицевая панель модуля условно делится на несколько логических блоков. Наименование каждого блока приведено ниже.

  • главный дисплей;
  • порты ввода/вывода GPIO;
  • датчик DS18B20;
  • микросхема DS1307Z;
  • АЦП MCP3004;
  • ЖКИ дисплей;
  • светодиоды;
  •  кнопки;
  • логические уровни.

Модуль «Устройство IoT»

Модуль «Устройство IoT» является одним из важнейших частей стенда и одним из его модулей. Модуль содержит в своём составе отладочный комплект от ST Microelectronics, адаптированный для изучения структуры IoT устройств и создания на его основе собственного IoT устройства. Лицевая панель модуля условно делится на несколько логических блоков. Наименование каждого блока приведено ниже.

Модуль «Платформа Arduino»

Модуль позволяет изучить микроконтроллеры в связке с периферийными устройствами, изучить различные интерфейсы, такие как SPI, I2C, UART и другие. На базе данного модуля можно получить законченное устройство и использовать его при написании курсовых работ. Модуль представлен следующими функциональными частями:

  • Блок управления питанием модуля с ёмкостной клавишей управления (1 шт.);
  • Микроконтроллер Atmega168 (1 шт.);
  • Жидкокристаллический цифробуквенный дисплей (1 шт.);
  • Семисегментный дисплей (1 шт.);
  • Светодиод для индикации логических уровней (4 шт.);
  • Фильтр низких частот (R-C цепи) (2 шт.);
  • Сервопривод с аналоговым управлением (1 шт.);
  • Шаговый двигатель с системой управления (1 шт.);
  • Ультразвуковой датчик расстояния (1 шт.);
  • Контроллер управления типа «джойстик» (1 шт.);
  • Датчик влажности (1 шт.);
  • Датчик звука (микрофон) со схемой усилителя (1 шт.);
  • Микросхема часов реального времени с интерфейсом I2C (1 шт.).

Модули передатчика и приёмника «Беспроводные линии связи»

Модули предназначены для изучения аспектов применения беспроводных сетей и их интеграция в устройства IoT.

Модуль передатчика «Wi-Fi контроллер интернета вещей»

Модуль передатчика «Wi-Fi контроллер интернета вещей» является одним из компонентов устройства Интернета вещей. Главная задача сенсорных узлов – сбор информации от датчиков при низком энергопотреблении и отправка информации в облако, что может быть реализуемо с помощью контроллера ESP8266.

Модуль «Датчики умного дома IoT»

Модуль «Устройство IoT» является одним из важнейших частей стенда и одним из его модулей. Модуль содержит в своём составе отладочный комплект от ST Microelectronics, адаптированный для изучения структуры IoT устройств и создания на его основе собственного IoT устройства. Лицевая панель модуля условно делится на несколько логических блоков. Наименование каждого блока приведено ниже.

Модуль «Мобильные устройства связи»

Модуль «Мобильные устройства связи не является обязательным элементом стенда. Модуль содержит в своём составе смартфоны с операционными системами шOS и Android. Лицевая панель модуля условно поделена на 3 части. В центральной части располагается смартфон под управлением iOS, в правой под управлением Android. В левой части предоставлены краткие технические характеристики устройств.

Главная задача модуля мобильных устройств связи в концепции стенда – сбор информации от датчиков, просмотр и управление панелями систем «Умный дом», настройка ассистентов и отправка распоряжений исполнительным устройствам.

Перечень лабораторных работ

  1. Знакомство со стендом, изучение программного и аппаратного обеспечения.
  2. Протокол MQTT. Взаимодействие устройств по принципу издатель-подписчик.
  3. Протокол MQTT. Реализация брокера на одноплатных компьютерах.
  4. Создание «Умного устройства» IoT на базе микроконтроллера и подключение к сервисам Google Cloud Platform.
  5. (IoT-НМIA) Интеграция «Умных устройств» IoT с Центром Интернета вещей Microsoft Azure IoT.
  6. (IoT-НМIA) Интеграция «Умных устройств» IoT с Amazon Web Service (AWS) IoT platform.
  7. (IoT-НМIA) Интеграция «Умных устройств» IoT с IBM Watson IoT platform.
  8. (IoT-НМI) Интегрируем устройства умного дома с Apple HomeKit с помощью Homebridge.
  9. (IoT-НМI) Подключение «Умных устройств» Xiaomi к частной сети и интеграция с существующей сетью устройств на базе MQTT.
  10. (IoT-HS) Концепция «Умный дом». «Умный дом» Xiaomi на альтернативных системах.
  11. Blynk. Создание собственного управляемого IoT устройства. Разработка мобильных и веб-приложений. Взаимодействие интерфейса с электроникой.
  12. Создание собственной виртуальной узлов IoT MySensors на основе радиоканала.