Программно-аппаратные платформы Интернета вещей и встраиваемые системы

Магистратура 2020/2021

Лучший по критерию «Полезность курса для расширения кругозора и разностороннего развития»

Статус: Курс обязательный (Интернет вещей и киберфизические системы)

Направление: 11.04.02. Инфокоммуникационные технологии и системы связи

Кто читает: Департамент электронной инженерии

Где читается: Московский институт электроники и математики им. А.Н. Тихонова

Когда читается: 1-й курс, 1, 2 модуль

Формат изучения: без онлайн-курса

Преподаватели: Подшивалов Александр Анатольевич

Прогр. обучения: Интернет вещей и киберфизические системы

Язык: русский

Кредиты: 6

Контактные часы: 70

Полная версия программы учебной дисциплины Задать вопрос

Аннотация

В процессе освоения дисциплины «Программно-аппаратные платформы Интернета вещей и встраиваемые системы» студент развивает следующие компетенции: способен разрабатывать и применять встраиваемое программное обеспечение на языке C для сбора, обработки и передачи данных с использованием современных микроконтроллеров; способен разрабатывать проекты систем сбора данных, включая подбор датчиков физических величин, средств обработки и средств передачи данных; способен самостоятельно выполнять экспериментальные исследования для решения научно-исследовательских и производственных задач с использованием современной аппаратуры и методов исследования, участвовать в научных исследованиях в группе, ставить задачи и выбирать методы экспериментальных исследований.

Цель освоения дисциплины

Целью освоения дисциплины «Программно-аппаратные платформы Интернета вещей и встраиваемые системы» является формирование понимания принципов построения, навыков использования и разработки компонентов систем сбора и беспроводной передачи данных на основе микроконтроллеров STM32 и nRF52 в среде операционной системы RIOT OS. В процессе освоения дисциплины «Программно-аппаратные платформы Интернета вещей и встраиваемые системы» студент развивает следующие компетенции: способен разрабатывать и применять встраиваемое программное обеспечение на языке C для сбора, обработки и передачи данных с использованием современных микроконтроллеров; способен разрабатывать проекты систем сбора данных, включая подбор датчиков физических величин, средств обработки и средств передачи данных; способен самостоятельно выполнять экспериментальные исследования для решения научно-исследовательских и производственных задач с использованием современной аппаратуры и методов исследования, участвовать в научных исследованиях в группе, ставить задачи и выбирать методы экспериментальных исследований.

Планируемые результаты обучения

Знать: общую структуру, состав, возможности современных микроконтроллеров, основные отличия в подходах в работе по сравнению с традиционными ПК. Уметь: осуществлять обоснованный выбор компонентов и настройку среды программирования. Владеть: базовыми навыками программирования микроконтроллеров.
Знать: принципы работы с основными периферийными устройствами микроконтроллера: портами ввода-вывода общего назначения, прерываниями и таймерами. Уметь: обоснованно и корректно выбирать режимы работы портов микроконтроллера; писать программные процедуры работы с портами ввода-вывода. Владеть: навыками разработки встраиваемого ПО с использованием портов ввода-вывода общего назначения в различных режимах.
Знать: основные возможности, компоненты и принципы применения встраиваемых операционных систем в платформах Интернета вещей; Уметь: обоснованно и корректно выбирать программный инструментарий для решения задач Интернета вещей. Владеть: навыками использования программных компонентов и разработки алгоритмов обработки данных во
Знать: основные типы цифровых и аналоговых интерфейсов микроконтроллера, предназначенных для обмена информацией с различными типами датчиков и систем управления; Уметь: обоснованно и корректно выбирать интерфейс ввода-вывода в зависимости от типа используемого датчика. Владеть: навыками использования типовых компонентов встраиваемых ОС для работы с интерфейсами ввода-вывода
Знать: основные типы датчиков различных физических величин, понятия дискретности и погрешности измерений; Уметь: обоснованно и корректно выбирать тип датчика и способ его подключения для решения практических задач сбора данных в системах Интернета вещей. Владеть: навыками использования типовых компонентов встраиваемых ОС для работы с различными типами цифровых и аналоговых датчиков.
Знать: основные принципы повышения энергоэффективности микроконтроллерных систем сбора и обработки данных. Уметь: обоснованно и корректно выбирать режимы работы и уметь оценивать энергопотребление проектируемых систем сбора данных, выбирать тип питания системы. Владеть: навыками использования типовых компонентов встраиваемых ОС для обеспечения энергоэффективной работы систем сбора данных, базовыми методиками оценки энергопотребления.
Знать: основные используемые протоколы беспроводной передачи данных, их особенности, достоинства и недостатки, понимать основные проблемы обеспечения безопасности передачи данных. Уметь: обоснованно и корректно выбирать протокол беспроводной передачи, удовлетворяющий требований конкретной задачи. Владеть: навыками использования основных протоколов беспроводной передачи данных.
Знать: основные принципы организации сбора, накопления,. нализа и визуализации данных в системах Интернета вещей. Уметь: корректно и обоснованно применять выбирать платформы и методы накопления и обработки данных применительно к конкретной задаче. Владеть: базовыми навыками работы с протоколами и средствами

Содержание учебной дисциплины

Основы работы с микроконтроллерными системами сбора данных.
Особенности построения систем Интернета вещей, в том числе в промышленных применениях. Роль различных компонентов в построении комплексной системы. Роль микроконтроллерных систем сбора, обработки и передачи данных. Понятие о современном состоянии рынка микроконтроллеров, основные отличия от процессоров персональных компьютеров, характерные особенности программирования и работы с микроконтроллерами.
Работа с операционной системой. Многозадачные приложения на микроконтроллерах.
Причины использования операционных систем реального времени. Понимание структуры ОСРВ, целей её применения, основные навыки по работе с ОС реального времени и написанию пользовательских приложений по сбору и обработке данных.
Датчики физических величин.
Понимание многообразия используемых в приложениях Интернета вещей датчиков физических величин, различия в используемых интерфейсах и характеристиках датчиков. Диапазоны измеряемых величин, дискретность, точность, кросс-чувствительность, влияние внешних условий на результаты измерений, энергопотребление датчиков.
Протоколы беспроводной передачи данных в системах Интернета вещей.
Основные протоколы беспроводной связи в Интернете вещей: LoRa/LoRaWAN, 6LoWPAN, NB-IoT, GSM, Wi-Fi, Bluetooth. Понимание физических основ, основных параметров и условий применения. Дополнительные возможности систем передачи данных: трилатерация, триангуляция, определение расстояния между приёмопередатчиками. Понимание принципов защиты данных в беспроводных системах и основных видов угроз, характерных для систем Интернета вещей.
Порты ввода-вывода общего назначения, прерывания, таймеры.
Базовые навыки разработки встраиваемого ПО для микроконтроллеров, работа с портами ввода-вывода общего назначения, прерываниями на портах ввода-вывода, встроенными таймерами микроконтроллера.
Цифровые и аналоговые интерфейсы ввода-вывода микроконтроллера.
Изучение цифровых сигналов и приёмов разработки приложений цифрового и аналогового ввода и вывода с использованием портов SPI, I2C, UART, встроенных АЦП микроконтроллера.
Энергосберегающие режимы работы устройств Интернета вещей.
Понимание особенностей различных способов питания устройств Интернета вещей в зависимости от способа их эксплуатации. Основные способы обеспечения энергосбережения в микроконтроллерных системах сбора, обработки и передачи данных, способы оценки энергопотребления систем Интернета вещей.
Платформы и средства накопления, визуализации и обработки данных в системах
Интернета вещей. Понимание целей и задач накопления, обработки и визуализации данных в системах Интернета вещей. Понимание многообразия платформ и средств обработки данных: локальные и облачные платформы, платформы-конструкторы, средства машинного обучения и статистического анализа.

Элементы контроля

Мини-тесты
Контроль работы на практических занятиях
Проект
Приветствуется выполнение заданий, встроенных в проектную работу, в которой принимает участие студент. Возможно выполнение заданий по инициативным темам, предложенным студентом и согласованным с преподавателем. Темы заданий для каждого студента или группы студентов утверждаются преподавателем в индивидуальном порядке.
Экзамен
В ходе освоения дисциплины формируются следующие компетенции: УК-1, УК-7, ОПК-3, ОПК-4, ПК-2, ПК-13, ПК-4 Преподаватель вправе освободить от прохождения экзамена студентов, с выставлением им во время сессии оценки по промежуточной аттестации, соответствующей накопленной оценке без учёта веса экзамена (то есть сумма весов всех элементов контроля, за исключением экзамена, приравнивается к единице). Преподаватель объявляет свое решение не позднее, чем на последнем занятии до экзамена. Для объявления оценок могут быть использованы официальные каналы передачи информации, используемые в процессе обучения. По желанию студентов, они могут отказаться от выставления оценки без проведения экзамена и сдать его, о чем сообщают преподавателю не позднее последнего занятия. Экзамен проводится на платформе zoom или Jitsi. К экзамену необходимо подключиться согласно расписанию ответов, высланному преподавателем на корпоративные почты студентов. Компьютер студента должен удовлетворять требованиям: наличие рабочей камеры и микрофона, поддержка zoom. Для участия в экзамене студент обязан: поставить на аватар свою фотографию, явиться на экзамен согласно точному расписанию, при ответе включить камеру и микрофон. Во время экзамена студентам запрещено: выключать камеру, пользоваться конспектами и подсказками. Кратковременным нарушением связи во время экзамена считается нарушение связи менее минуты. Долговременным нарушением связи во время экзамена считается нарушение более одной минуты. При долговременном нарушении связи студент не может продолжить участие в экзамене.

Промежуточная аттестация

Промежуточная аттестация (2 модуль)
0.1 * Контроль работы на практических занятиях + 0.1 * Мини-тесты + 0.4 * Проект + 0.4 * Экзамен

Программа дисциплины