Науково-технічні розробки

Технології Internet Of Things у навчальному процесі ЦНТУ

Internet Of Things (IоT) - це мережа фізичних об'єктів, які мають вбудовані технології, що дозволяють здійснювати взаємодію з зовнішнім середовищем, передавати відомості про свій стан, приймати дані ззовні і виконувати певні функції [1,2].

Складовою частиною Internet Of Things є Industrial Internet of Things (IIoT).

Згідно з дослідженням Strategy Analytics, в 2018 році в світі налічувалося близько 28 млрд IоT пристроїв. За прогнозом компанії, в 2025 р. кількість IоT пристроїв складе 38,6 млрд, а у 2030 р. перевищить понад 50 млрд.

З цього випливає, що технології IоT і IIoT є дуже перспективними і затребуваними практично у всіх областях діяльності людини.

Ці технології вимагають великої кількості кваліфікованих і високооплачуваних фахівців з хорошими знаннями електроніки, схемотехніки, мікропроцесорної техніки та програмування.

З огляду на величезний попит на таких фахівців, багато провідних закордонних університетів здійснюють підготовку фахівців в області IoT і IIoT.

Деякі ВНЗ України також почали підготовку таких фахівців, в тому числі і ЦНТУ.

(Спеціальність 123 «Комп'ютерна інженерія», спеціалізація «Комп’ютерні системи та мережі», кафедра «Програмування комп'ютерних систем і мереж»). http://pksm.kntu.kr.ua

Однак, існує як мінімум, одна об'єктивна причина, що перешкоджає якісній підготовці фахівців в області IoT, а саме: відсутність необхідної лабораторної бази.

З огляду на те, що основу технології IoT складають:

  • засоби ідентифікації;
  • засоби вимірювання;
  • засоби передачі даних;
  • засоби обробки даних;
  • виконавчі пристрої;

стає очевидною потреба в спеціальних навчальних комплексах, що містять необхідні компоненти технології IoT.

З метою ефективного вивчення дисципліни «Internet Of Things» і підготовки фахівців в області технології IoT, викладачами кафедри ПКСМ розроблений, виготовлений і в впроваджений в навчальний процес спеціальний апаратно-програмний комплекс «Internet Of Things development board» (рис. 1).

Навчальний комплекс

Рисунок 1 – Апаратно-програмний комплекс «Internet Of Things development board»

Примітка:

На кафедрі «Програмування комп'ютерних систем і мереж» (спеціалізація «Комп’ютерні системи та мережі») вивчення технології Internet Of Things є одним з пріоритетних напрямків підготовки фахівців.

На першому, другому і третьому курсі студенти послідовно і методично вивчають і освоюють мікроконтролери, схемотехніку і програмні засади технології Internet Of Things.

У навчальному процесі студенти використовують спеціальні навчальні комплекси, також розроблені і виготовлені викладачами кафедри ПКСМ (рис. 2).

Навчальні комплекси

Рисунок 2 - Спеціальні навчальні комплекси для розробки і програмування мікроконтролерних систем

За допомогою навчального комплексу «Internet Of Things development board» студенти отримують реальну можливість створювати, моделювати, макетувати і програмувати різні IoT пристрої, (в тому числі і робототехнічні пристрої та системи), а також пристрої для територіально-розподілених систем управління та збору інформації (рис. 3).

Wireless Technology

Рисунок 3 – Технологія IoT в навчальному процесі кафедри ПКСМ

Склад навчального комплексу «Internet Of Things development board»:

  1. Контролер / Координатор / адаптивної бездротової локальної мережі 2.4 GHz.
  2. Контролер мережі Internet / Wi-Fi Access Point / Wi-Fi Station / Wi-Fi Server /: ESP-32.
  3. Контролер мережі GSM / GPRS / DPMF / ...: SIM800L.
  4. Контролер BlueTooth / BLE 4.0: AT-09 / HM-10.
  5. Контролер загального призначення Atmel 328P (Arduino).
  6. Контролер бездротового TTL інтерфейсу.
  7. Контролер дисплея ESP8266 / Wi-Fi Direct / + Дисплей I2C 128x64.
  8. Набори допоміжних елементів: потенціометр, кнопки, тумблери, світлодіоди.

Виводи усіх контролерів доступні студентам для розробки і макетування різних IoT пристроїв і систем.

При необхідності до комплексу підключаються зовнішні макетні плати з набором необхідних модулів і компонентів.

Особливістю комплексу є вбудований модуль управління адаптивною локальною бездротовою мережею, розроблений на кафедрі ПКСМ в рамках науково-технічної теми № 0120U104088 «Створення мобільної мережі 2.4 GHz з адаптивною аморфною топологією для управління роями БПЛА і робототехнічних об'єктів» [4].

Висновки

Розробка, створення та впровадження в навчальний процес спеціального навчального комплексу «Internet Of Things development board» дозволило вирішити проблему відсутності в ЦНТУ необхідного лабораторного обладнання для вивчення дисципліни «Internet Of Things», а також ряду інших спеціальних дисциплін.

Студенти отримали можливість вивчати, макетувати і програмувати пристрої IоT на практиці.

Комплекс також може бути корисний для вивчення дисципліни IоT в інших ВНЗ України.

Примітки: Комплекс «Internet Of Things development board»:

  • Є ексклюзивною науково-технічною розробкою кафедри ПКСМ.
  • Використовується в навчальному процесі виключно на кафедрі «Програмування комп'ютерних систем і мереж» ЦНТУ. Тому абітурієнтам, які бажають освоїти технологію IоT, рекомендуємо кафедру ПКСМ.
  • Комплекс не має аналогів не тільки в Україні.
  • Необхідна кількість комплексів виготовлено виключно за кошти кафедри.

Джерела:

  1. Интернет вещей (Internet of Things, IoT)
  2. Internet Of Things: все, что нужно знать об интернете вещей и о будущем современной цивилизации
  3. К чему приведет экспансия интернета вещей, методично захватывающего нашу цивилизацию
  4. Смірнов В.В., Смірнова Н.В. Архітектура адаптивної бездротової локальної мережі для управління об'єктами і пристроями Загальнодержавний міжвідомчий науково-технічний збірник. Конструювання, виробництво та експлуатація сільськогосподарських машин. Кропівницький: ЦНТУ, 2020. Вип. 50. С. 219-229
Розробники та виконавці:
к.т.н., доц. Смірнов В.В.
к.т.н., доц. Смірнова Н.В.


Синхронне управління пулом сервоприводів радіокерованих робототехнічних систем

Кафедрою «Програмування комп'ютерних систем і мереж» в рамках науково-технічного співробітництва з кафедрою «Технологія машинобудування» створений контролер для управління пулом сервоприводів радіокерованих робототехнічних систем і об'єктів.

Контролер вирішує наступні завдання:

  1. Усуває відносні затримки в сигналах управління сервоприводами. Важливо для управління швидкісними об'єктами, наприклад: БПЛА, шасі та інше.
  2. Дистанційне керування вибором складної послідовності команд (закладеними програмами). Важливо для самостійної автономної роботи об'єкта без участі оператора. (Виконання польотного завдання, пересування шасі, управління маніпулятором).

Контролер є об'єктом адаптивної мобільної мережі 2.4 GHz для управління роєм БПЛА і робототехнічних об'єктів.

В даний момент використовується для програмного управління роботом InMoov (кафедра «Технологія машинобудування»).

Проблема:

При високих швидкостях переміщення об'єкта в просторі по декількох координатах відносні затримки в сигналах управління координатних сервоприводів (несинхронність) можуть привести до непередбачуваної поведінки об'єкта управління.

Несинхронність сигналів управління пулом сервоприводів обумовлена:

  • затримками, які залежать від протоколу і швидкості передачі даних на стороні задатчика (передавача);
  • затримками, які залежать від способу формування керуючого впливу для кожного сервоприводу в пулі.

Доцентами В.В. Смірновим та Н.В. Смірновою був створений контролер синхронного управління сервоприводами відповідно до розробленої архітектури, в якому вирішена вказана проблема (рис. 1).

Рисунок 1 – Архітектура і контролер синхронного управління сервоприводами

На рис. 2 представлені тимчасові діаграми процесу управління пулом сервоприводів. Всі сигнали управління синхронні в часі.

Рисунок 2 – Тимчасові діаграми сигналів управління сервоприводами

Функції контролера

  • отримання задаючого впливу через мережу 2.4 GHz або бездротовий інтерфейс UART;
  • формування керуючого впливу для кожного сервоприводу в пулі;
  • управління сервоприводами у синхронному режимі.

Застосування контролера

Контролер може бути використаний для управління роботом, роботизованими системами і об'єктами на базі сервоприводів.

Режими роботи контролера

  • режим ручного управління;
  • режим програмного управління;
  • режим виконання одиничних команд дискретного і пропорційного управління;
  • режим виконання послідовностей команд дискретного і пропорційного управління.

Кількість сервоприводів

  • У даній реалізації: 20 шт. Кількість каналів управління обмежена тільки кількістю виводів мікроконтролера. Може досягати 90 і більше.

Для кожного сервоприводу програмно встановлюється обмеження на кут повороту вала в інтервалі 0 - 180 градусів і кут початкового положення при включенні контролера (парковка).

Інтерфейси і протоколи

Взаємодія модуля з системою управління здійснюється:

  • по бездротовому інтерфейсу UART;
  • за допомогою власного розробленого протоколу у середовищі адаптивної мобільної мережі 2.4 GHz.

Відстань між контролером і системою управління в мережі 2.4 GHz може досягати 100 метрів на відкритій місцевості і до 20-50 метрів в приміщенні.

Програмне забезпечення модуля створено на мові програмування С и LUA.

Відео: демонстрація роботи контролера


Автори і виконавці:
к.т.н., доц. Смірнов В.В.
к.т.н., доц. Смірнова Н.В.


Управління територіально-розподіленими системами, роботами, об'єктами і комплексами.
Сучасні технології у навчальному процесі ЦНТУ

З метою підвищення рівня підготовки та, відповідно, кваліфікації програмістів, на кафедрі "Програмування комп'ютерних систем і мереж" факультету Автоматики та енергетики ЦНТУ, створений і впроваджений у навчальний процес ще один навчально-методичний комплекс (АПМ), що складається з навчально-методичних матеріалів і апаратно-програмного комплексу (АПК).

1. Призначення

Навчально-методичний комплекс призначений для підготовки програмістів в області розробки і управління територіально-розподіленими системами, роботами, об'єктами і комплексами (рис. 1).

Рис. 1 - Управління територіально-розподіленими системами, роботами, об'єктами і комплексами

2. Область застосування

Основною областю застосування АПК є:

2.1. Розробка та налагодження програмного забезпечення для широкого кола завдань в рамках лабораторних робіт у навчальних установах

2.2. Розробка та налагодження програмного забезпечення для управління системами різного призначення, наприклад:

  • для систем точного землеробства (супутникове позиціонування, контроль висіву зерна і т.д);
  • для систем управління комплексами водопостачання та поливу (управління засувками, вимірювання тиску води і т.д);
  • для роботів і роботизованих систем (локальних і розподілених);
  • для зерносушарок, дозаторів та іншого обладнання різного призначення;
  • для систем «Розумний будинок»;
  • для систем супутникового позиціонування і стеження за переміщенням об'єктів спостереження;
  • для управління системами охоронної сигналізації, пожежної безпеки, відеоспостереження і т.д.;
  • для управління різними локальними і розподіленими об'єктами і т.д.;
  • для взаємодії з Web-сайтами, серверами і мережевими клієнтами;
  • ...

Бездротова взаємодія з об'єктами управління здійснюється через мережу Internet за допомогою мережевих протоколів і мережу GSM, якщо Internet недоступний.

Управління об'єктами здійснюється через АПК, Web-сервери, смартфони та планшети під управлінням ОС Android.

2.3.Навчальні дисципліни в яких використовується Навчально-методичний комплекс

Навчально-методичний комплекс використовується при вивченні ряду спеціальних дисциплін:

  • «Програмування мікроконтролерних систем»
  • «Програмне забезпечення управляючих мікро ЕОМ»
  • «Архітектура комп'ютерів»
  • «Програмування мобільних пристроїв та систем»
  • «Програмування додатків для OC Android»

Апаратно-програмний комплекс (АПК) є функціональний блок з інтегрованими модулями (рис. 2).

Інтеграція модулів здійснена на конструктивному, апаратному та програмному рівні.

Рис. 2 - Апаратно-програмний комплекс

3. Структура Апаратно-програмного комплексу

Апаратно-програмний комплекс має наступну структуру (рис. 3):

  • контролери;
  • пристрої введення - виведення;
  • зовнішні пристрої;
  • операційні системи;
  • мережеві протоколи;
  • інтерфейси зв'язку з об'єктами і пристроями;
  • бездротові інтерфейси;
  • об'єкти управління.

Рис. 3 - Структура апаратно-програмного комплексу

4. Склад апаратної частини комплексу

4.1. Модулі контролерів:

  • PIC 18F25K22;
  • STM 32F103C8T6;
  • ESP 32;
  • ESP 8266 (рис. 4).

Рис. 4 - Змінні модулі контролерів

Передбачена установка будь-яких інших контролерів і ПЛМ.

4.2. Мережеві комунікаційні модулі:

  • модуль Wi-Fi: ESP 8266;
  • модуль Wi-Fi: ESP 32;
  • модуль GSM: SIM800L.

4.3. Допоміжні модулі:

  • гіроскоп: L3G4200D;
  • акселерометр: ADXL345;
  • модуль GPS: M8030 NEO-M8N;
  • модуль SD Card (read/write).

4.4. Пристрої введення:

  • TouchScreen SPI (TFT дисплей);
  • аналоговий потенціометр;
  • цифровий потенціометр: X9C103SZI;
  • цифровий енкодер;
  • набір кнопок;
  • набір перемикачів;
  • модуль UART;
  • модуль Wi-Fi;
  • модуль GSM;
  • модуль GPS.

4.5. Пристрої виведення:

  • TFT SPI дисплей;
  • OLED I2C serial дисплей;
  • набір світлодіодів;
  • набір RGB світлодіодів;
  • матриця LED 8x8 SPI-UART;
  • модуль Wi-Fi;
  • модуль GSM.

4.6. Об'єкти управління:

  • двигун постійного струму;
  • кроковий двигун;
  • сервопривід.

Розширення:

Для розробки і / або підключення інших модулів передбачена макетна панель і клеми розширення.

5. Склад програмної частини комплексу

5.1. Мережеві модулі:

  • FTP Server, Client;
  • HTTP Server, Client;
  • MQTT Client;
  • Websocket Client;
  • Redis Client;
  • Net (UDP, TCP);
  • CJSON;
  • CoAP;
  • IMAP (e-mail.);
  • WiFi (Station, Access Point);
  • WiFi Monitor;
  • Sqlite3 (SQL);
  • Crypto;
  • TLS.

5.2. Бібліотеки та драйвери для:

  • управління апаратними модулями комплексу і зовнішніми шилдами;
  • управління модулем GPS / ГЛОНАСС;
  • управління модулем GSM;
  • бібліотека графічного інтерфейсу з елементами дискретного і пропорційного управління.

5.3. Інші бібліотеки і драйвери:

При необхідності легко встановлюються / використовуються необхідні бібліотеки і драйвери.

6. Мови програмування для навчальних дисциплін

Розробка програм для Апаратно-програмного комплексу здійснюється на мовах програмування:

  • С (PIC - контролери, STM 32 Cortex);
  • Lua (Контролери ESP 8266, ESP 32);
  • micro-Python (Контролери ESP 8266, ESP 32);
  • Java (Додатки для ОС Android).

Апаратно-програмний комплекс експонувався на виставці науково-технічних досягнень ЦНТУ 18.04.2019.

http://pksm.kntu.kr.ua/EXP.html

Автори і виконавці:
к.т.н., доц. Смірнов В.В.
к.т.н., доц. Смірнова Н.В.


Графічний інтерфейс на базі контролера Espressif ESP8266

Для управління об'єктом (в тому числі - роботом) через WI-FI і хмарні сервіси розроблений графічний інтерфейс на базі контролера Espressif ESP8266.

Графічний інтерфейс містить:

стандартні елементи управління:

  • Button;
  • Label;
  • Field;
  • TextArea;
  • CheckBox;
  • RadioButton;
  • ProgressBar;
  • Slider;
  • List (Menu);

нестандартні елементи управління:

  • KeyBoard;
  • MultiLabel;
  • MultiSlider;
  • TouchPad.

Управління об’єктом може здійснюватися:

дискретно:

  • елемент управління "Button" - 10 каналів і більше
    (ввімкнути - вимкнути).

пропорційно:

  • елемент управління "MSlider" - 5 каналів;
  • елемент управління "TouchPad" - 6 каналів.

Для плавного управління квадрокоптера, роботом, шасі і т.д.

Автор і виконавець: к.т.н., доцент Смірнов В.В.


Програма для дослідження сигналів систем управління і робототехнічних систем

В процесі розробки систем управління і робототехнічних систем виникає необхідність у спостереженні та дослідженні сигналів і процесів, що відбуваються в об'єктах управління:

  • впливи, що задаються;
  • впливи, що управляють;
  • впливи, що збурюють;
  • реакція об'єкта управління на дії в реальному масштабі часу.

Важливим завданням є надання системі властивостей стійкості і оптимізація реакції системи на керуючі і впливи.

Для полегшення вирішення цього завдання створено програму для дослідження сигналів систем управління і робототехнічних систем.

Джерела даних:

  • сигнали з об'єктів систем управління;
  • сигнали з вузлів робототехнічних систем;
  • сигнали з цифрового осцилографа;
  • сигнали змодельовані функціональним генератором;
  • дані, отримані при обчисленнях в Excel.

Сигнали для проведення досліджень зчитуються з файлів у форматах *.CSV, *.WAV, *.TXT.

Вихідні дані:

  • впливи, що задаються, для робототехнічних систем і систем управління;
  • впливи, що управляють, для робототехнічних систем і систем управління;
  • результати обчислювальних експериментів.

Вихідні дані записуються в файли в форматах *.CSV, *.WAV, *.TXT для подальшого використання в програмах управління об’єктом.

Можливості:

Операції з сигналами (8 каналів):

  • копіювання, додавання, віднімання, інверсія;
  • швидке перетворення Фур'є.

Курсорні вимірювання сигналів:

  • амплітуда, тривалість, частота, період.

Фільтрація сигналу:

  • ковзне середнє;
  • фільтр Калмана;
  • адаптивна фільтрація.

Статистичні критерії:

  • відношення правдоподібності, Неймана-Пірсона, Вальда.

Кореляція сигналів:

  • автокореляція;
  • вибірковий коефіцієнт кореляції для двох сигналів.

Функціональний генератор:

  • полярність - позитивна, негативна, біполярна;
  • частота сигналу: 0.001..100000 Гц, амплітуда: 1мв..100 В;
  • частота дискретизації: 0.001..100000 Гц.

Форма сигналу:

  • синусоїда, пила, меандр, трапеція.

Впливи сигналу функціонального генератора для досліджуваного сигналу можуть бути застосовані як до всього сигналу, так і в зазначеному інтервалі між курсорами.

В даний час програмна система входить до складу Апаратно-програмного комплексу для розробки програмного забезпечення систем управління та робототехнічних систем.

Автори і виконавці:
к.т.н., доц. Смірнов В.В.
к.т.н., доц. Смірнова Н.В.


Апаратно-програмний комплекс для розробки програмного забезпечення систем управління та робототехнічних систем

Склад:

  1. Апаратно-програмний модуль для розробки систем на базі PIC - контролерів.
  2. Апаратно-програмний модуль для розробки систем на базі контролерів STM32.
  3. Апаратно-програмний модуль для розробки систем на базі контролерів ESP8266.
  4. Апаратно-програмний модуль для дослідження і розробки PI - PID регуляторів.
  5. Вбудований апаратний модуль системи GPS / ГЛОНАСС.

Даний комплекс дозволяє здійснювати розробку апаратно-програмного забезпечення для систем управління об'єктом і робототехнічних систем з використанням мережевих / хмарних технологій і системи супутникового позиціонування.

Модулі 1, 2, 4 комплекси використовується в навчальному процесі на кафедрі "Програмування комп'ютерних систем и мереж".

Модулі 3 і 5 плануються до використання.

Автори і виконавці:
к.т.н., доц. Смірнов В.В.
к.т.н., доц. Смірнова Н.В.


Апаратно-програмний модуль для розробки систем на базі
PIC – контролерів

Апаратно-програмний модуль для розробки систем на базі PIC – контролерів

Призначений для створення, програмування, налагодження мікроконтролерних систем управління і виконання лабораторних робіт в рамках курсу "Програмне забезпечення керуючих мікро-ЕОМ".

Структура апаратно-програмного модулю:

До складу навчально - методичного комплексу входить:

  • базовий інтегрований апаратно - програмний модуль;
  • автономний апаратно - програмний модуль;
  • модуль - емулятор об'єкта управління;
  • навчальна програма курсу;
  • завдання і методичні вказівки до виконання лабораторних робіт;
  • приклади виконання лабораторних робіт;
  • інтегроване середовище розробки системного програмного забезпечення на мові програмування С;
  • драйвер для завантаження компільованою програми в Flash - пам'ять програм контролера.

Завдання, які вирішуються за допомогою навчально-методичного комплексу:

  • ознайомлення з мікроконтролерами і засобами розробки:
    • введення - виведення дискретних сигналів;
  • виведення інформації на LCD - дисплей;
  • робота з перериваннями мікроконтролера;
  • введення - виведення даних по інтерфейсу RS-232;
  • введення і обробка аналогових сигналів за допомогою АЦП:
    • організація введення з цифрової клавіатури;
  • виведення даних через зовнішній ЦАП по інтерфейсу SPI:
    • створення драйвера інтерфейсу SPI;
  • виведення інформації на семисегментний LED дисплей:
    • створення драйвера динамічної індикації;
  • робота з модулями PWM (ШІМ):
    • управління потужністю в навантаженні;
    • управління двигуном постійного струму. Напрямок та швидкість обертання;
  • робота з зовнішньої EEPROM пам'яттю по інтерфейсу I2C:
    • запис - читання байтів і блоків даних;;
  • розробка ПІД - регулятора:
    • розрахунок параметрів ПІД - регулятора за методикою Ніколса;
    • оптимізація ПІД - регулятора;
    • управління об'єктом;
  • управління сервоприводом.

Програмування: порт USB, інтерфейс ICSP

Автори і виконавці:
к.т.н., доц. Смірнов В.В.
к.т.н., доц. Смірнова Н.В.


© 2021 KNTU