📄Работа №202242
Тема: ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЙ ЛАБОРАТОРНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ В ИНТЕРНЕТЕ ВЕЩЕЙ
Характеристики работы
Тип работы
Магистерская диссертация
Предмет
Программирование
Объем:
83 листов
Год:
2019
Просмотров:
81
5830
руб.
🛒 Купить работу
Не подходит эта работа?
Закажите новую по вашим требованиям
Узнать цену на написание
Закажите новую по вашим требованиям
Представленный материал является образцом учебного исследования, примером структуры и содержания учебного исследования по заявленной теме. Размещён исключительно в информационных и ознакомительных целях.
Workspay.ru оказывает информационные услуги по сбору, обработке и структурированию материалов в соответствии с требованиями заказчика.
Размещение материала не означает публикацию произведения впервые и не предполагает передачу исключительных авторских прав третьим лицам.
Материал не предназначен для дословной сдачи в образовательные организации и требует самостоятельной переработки с соблюдением законодательства Российской Федерации об авторском праве и принципов академической добросовестности.
Авторские права на исходные материалы принадлежат их законным правообладателям. В случае возникновения вопросов, связанных с размещённым материалом, просим направить обращение через форму обратной связи.
Настоящий учебно-методический информационный материал размещён в ознакомительных и исследовательских целях и представляет собой пример учебного исследования. Не является готовым научным трудом и требует самостоятельной переработки.
📋 Содержание
Реферат 2
ВВЕДЕНИЕ 6
1 Спецификация LoRaWAN и вариант протокола MAC-уровня от UNWIRED
DEVICE 9
1.1 MAC уровень протокола LoRaWAN 10
1.1.1 Формат сообщения MAC уровня 10
1.1.2 Окна приема информации 12
1.1.3 Адаптивная скорость передачи (Adaptive Data Rate - ADR) 14
1.1.4 Основные константы стека протоколов LoRaWAN 14
1.1.5 Безопасность в сетях LoRa 15
1.1.6 Активация конечных устройств 16
1.2 Протокол MAC уровня от Unwired Device 18
1.2.1 Формат сообщения MAC УРОВНЯ 18
1.2.2 Окна приема информации 19
1.2.3 Безопасность в сетях 20
1.2.4 Активация конечных устройств 20
1.2.5 Основные константы 22
1.3 Выводы 22
2 Структура программно - аппаратного комплекса 24
2.1 Обзор элементной базы учебного набора Unwired Kit 25
2.2 Конечное устройство LoRaWAN 27
2.3 Описание макета 29
2.4 Выводы 30
3 Алгоритмы и программное обеспечение устройства 31
3.1 Структура программного обеспечения 31
3.1.1 HAL интерфейс 33
3.1.2 Промежуточный уровень 34
3.1.3 Приложение пользователя 35
3.2 Настройка радиотрансивера 36
3.3 Алгоритмы работы модуля 38
3.4 Алгоритмы работы пользователя 40
3.5 Алгоритм работы радиомодуля в сети LoRaWAN 41
3.6 Выводы 43
4 Интерфейс модема 45
4.1 Соединение 45
4.2 Сообщения 45
4.3 Настройка параметров радиомодуля 46
4.4 Отправка данных шлюзу 51
5 Применение программно-аппаратного комплекса в проекте «Умная урна» 52
4.5 Архитектура системы 53
4.6 Оконечное устройство системы контроля урн 54
4.7 Пользовательский интерфейс 55
4.8 Расчет энергопотребления 57
4.8.1 Расчет времени передачи пакетов через интерфейс 57
4.8.2 Расчет времени автономной работы устройства 58
4.9 Выводы 59
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 60
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 61
ВВЕДЕНИЕ 6
1 Спецификация LoRaWAN и вариант протокола MAC-уровня от UNWIRED
DEVICE 9
1.1 MAC уровень протокола LoRaWAN 10
1.1.1 Формат сообщения MAC уровня 10
1.1.2 Окна приема информации 12
1.1.3 Адаптивная скорость передачи (Adaptive Data Rate - ADR) 14
1.1.4 Основные константы стека протоколов LoRaWAN 14
1.1.5 Безопасность в сетях LoRa 15
1.1.6 Активация конечных устройств 16
1.2 Протокол MAC уровня от Unwired Device 18
1.2.1 Формат сообщения MAC УРОВНЯ 18
1.2.2 Окна приема информации 19
1.2.3 Безопасность в сетях 20
1.2.4 Активация конечных устройств 20
1.2.5 Основные константы 22
1.3 Выводы 22
2 Структура программно - аппаратного комплекса 24
2.1 Обзор элементной базы учебного набора Unwired Kit 25
2.2 Конечное устройство LoRaWAN 27
2.3 Описание макета 29
2.4 Выводы 30
3 Алгоритмы и программное обеспечение устройства 31
3.1 Структура программного обеспечения 31
3.1.1 HAL интерфейс 33
3.1.2 Промежуточный уровень 34
3.1.3 Приложение пользователя 35
3.2 Настройка радиотрансивера 36
3.3 Алгоритмы работы модуля 38
3.4 Алгоритмы работы пользователя 40
3.5 Алгоритм работы радиомодуля в сети LoRaWAN 41
3.6 Выводы 43
4 Интерфейс модема 45
4.1 Соединение 45
4.2 Сообщения 45
4.3 Настройка параметров радиомодуля 46
4.4 Отправка данных шлюзу 51
5 Применение программно-аппаратного комплекса в проекте «Умная урна» 52
4.5 Архитектура системы 53
4.6 Оконечное устройство системы контроля урн 54
4.7 Пользовательский интерфейс 55
4.8 Расчет энергопотребления 57
4.8.1 Расчет времени передачи пакетов через интерфейс 57
4.8.2 Расчет времени автономной работы устройства 58
4.9 Выводы 59
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 60
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 61
📖 Аннотация
В данной работе разработан программно-аппаратный лабораторный комплекс, предназначенный для изучения технологий передачи данных в сетях Интернета вещей (IoT). Актуальность исследования обусловлена стремительным развитием IoT как одного из ключевых драйверов Четвертой промышленной революции и, как следствие, растущим спросом на специалистов в данной области, что требует создания современных образовательных инструментов. Основным результатом является создание универсального конечного устройства, совместимого со стандартом LoRaWAN и проприетарным протоколом компании Unwired Devices, а также разработка соответствующего программного обеспечения на базе открытой библиотеки LMIC с пользовательским интерфейсом через UART. Научная значимость работы заключается в проведенном сравнительном анализе особенностей MAC-уровня исследуемых протоколов, включая форматы пакетов, механизмы безопасности и процедуры активации устройств. Практическая ценность комплекса подтверждена его успешным применением в учебном процессе в рамках «IoT Академии Samsung». Теоретической основой исследования послужили работы таких авторов, как А.Е. Кучерявый, рассматривающий основы IoT, Н. Сорнин и М. Луис, являющиеся соавторами спецификации LoRaWAN, а также аналитические отчеты Всемирного экономического форума и PwC, подчеркивающие трансформирующую роль интернета вещей.
📖 Введение
В настоящее время, одним из ключевых направлений развития сетей связи стала концепция Интернета вещей [1, 2, 3]. Согласно подавляющему большинству прогнозов, “Интернет вещей” продолжит бурно развиваться, и к 2020 году количество устройств в этом сегменте достигнет отметки в несколько миллиардов. Мир стоит на пороге четвертой промышленной революции. Так, согласно обзору, подготовленному к форуму в Давосе, Интернет вещей входит в топ-5 технологических драйверов четвертой промышленной [4, р. 7]. По данным всемирного исследования PwC Digital IQ за 2017 год, IoT занимает первое место среди восьми прорывных технологий, способных изменить бизнес-модели компаний или целых индустрий [5].
Таким образом, интернет вещей - очень молодая и перспективная индустрия и не удивительно, что в учебных программах университетов все чаще появляется одноименная дисциплина. Широкий спектр отраслей, где востребован IoT, а также разнообразие устройств и датчиков, подключаемых к сети, увеличивают спрос в специалистах, разбирающихся в таких системах и способных с ними работать. Увеличение популярности IoT приведет к новому буму на рынке труда. Поэтому специалисты, понимающие как создавать и применять решения на основе IoT, имеют прекрасные перспективы профессионального роста.
В 2018 году на базе высшей школы электроники и компьютерных наук Южно-Уральского государственного университета открылась “IoT Академия 8ишзиид”,цель которой - изучение интернета вещей [6]. Наряду с ЮУрГУ подобные лаборатории появились еще в десяти ВУЗах страны. Для реализации данной программы компания Samsung предоставила учебные методические материалы, а также расширенный комплект оборудования, который представляет собой учебный набор Unwired Kit российской компании Unwired Devices для оснащения IoT -лаборатории. Оборудование включает в себя радиомодули, взаимодействующие по протоколу LoRa, микрокомпьютеры Artik10 всевозможные датчики и другие высокотехничные устройства.
Процесс изучения технологии передачи данных в Интернете Вещей построен следующим образом:
- В течение первого семестра студенты изучают учебные кейсы - задачи, построенных на индустриальных примерах по внедрению технологий Интернета вещей.
- Завершающей частью обучения является выполнение индивидуального проекта на базе технологий Интернета вещей.
Для выполнения индивидуальных проектов, студенты должны иметь в своем распоряжении необходимые технические средства и компоненты, в том числе радиомодемы.
Основные проблемы, с которыми столкнулись при проведении курса:
- Задержка поставки и нехватка оборудования, отсюда имеющиеся радиомодемы Unwired Devices студентам отдавать нельзя, т.к. они нужны для выполнения кейсов;
- Покупка модемов не решит проблему, так как работают они в соответствии со спецификацией LoRaWAN и по протоколу обмена не совместимы с Unwired Device , поскольку у них свой уникальный протокол MAC уровня. Отсутствие исходников ПО покупных модемов исключает возможность студентам корректировать работу устройства.
Разработка универсального радиомодема, совместимого со стандартом LoRaWAN и уникальным протоколом Unwired Device позволила бы решить вышеуказанные проблемы. Универсальный радиомодем можно будет давать студентам для проектной работы. При этом студент сможет работать как в стандартной сети LoRaWAN, развернутыми на территории Челябинска (например, Интерсвязь), так и с оборудованием Unwired Device. Разрабатываемый радиомодем может быть основой набора (кита) для проектной работы студентов. Открытое программное обеспечение позволит студентам корректировать работу устройства и дооснастить его разными датчиками.
Связь с пользователем по последовательному интерфейсу UART позволит изучить работу протокола.
Целью выпускной квалификационной работы является разработка универсального радиомодема, предназначенного для использования в учебном процессе при изучении технологии передачи данных в Интернете Вещей.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- исследование протоколов и выявления особенностей протокола MAC уровня от Unwired Device;
- определения места разрабатываемого устройства в сети LoRaWAN;
- исследование и аппаратная реализация устройства;
- разработка ПО для микроконтроллера;
- разработка индивидуального проекта в рамках курса “IOT Академия Samsung”, с целью показать применение разрабатываемого устройства в реальном проекте.
Структура пояснительной записки в целом совпадает с поставленными задачами. Первая глава посвящена исследованию спецификации LoRaWAN и протокола, использованного для устройств фирмы Unwired Range. Во второй главе определяется место разрабатываемого устройства в сети LoRaWAN, исследуется аппаратное обеспечения такого устройства. Третья глава посвящена рассмотрению структуры программного обеспечения устройства и алгоритмов работы устройства. В четвертой главе приведена инструкция по работе с радиомодулем, описана команды для работы с устройством через интерфейс UART. В пятой главе приведено описание индивидуального проекта, выполненного в рамках курса “IOT Академия Samsung”, в котором использовался разработанный программно-аппаратный комплекс.
Таким образом, интернет вещей - очень молодая и перспективная индустрия и не удивительно, что в учебных программах университетов все чаще появляется одноименная дисциплина. Широкий спектр отраслей, где востребован IoT, а также разнообразие устройств и датчиков, подключаемых к сети, увеличивают спрос в специалистах, разбирающихся в таких системах и способных с ними работать. Увеличение популярности IoT приведет к новому буму на рынке труда. Поэтому специалисты, понимающие как создавать и применять решения на основе IoT, имеют прекрасные перспективы профессионального роста.
В 2018 году на базе высшей школы электроники и компьютерных наук Южно-Уральского государственного университета открылась “IoT Академия 8ишзиид”,цель которой - изучение интернета вещей [6]. Наряду с ЮУрГУ подобные лаборатории появились еще в десяти ВУЗах страны. Для реализации данной программы компания Samsung предоставила учебные методические материалы, а также расширенный комплект оборудования, который представляет собой учебный набор Unwired Kit российской компании Unwired Devices для оснащения IoT -лаборатории. Оборудование включает в себя радиомодули, взаимодействующие по протоколу LoRa, микрокомпьютеры Artik10 всевозможные датчики и другие высокотехничные устройства.
Процесс изучения технологии передачи данных в Интернете Вещей построен следующим образом:
- В течение первого семестра студенты изучают учебные кейсы - задачи, построенных на индустриальных примерах по внедрению технологий Интернета вещей.
- Завершающей частью обучения является выполнение индивидуального проекта на базе технологий Интернета вещей.
Для выполнения индивидуальных проектов, студенты должны иметь в своем распоряжении необходимые технические средства и компоненты, в том числе радиомодемы.
Основные проблемы, с которыми столкнулись при проведении курса:
- Задержка поставки и нехватка оборудования, отсюда имеющиеся радиомодемы Unwired Devices студентам отдавать нельзя, т.к. они нужны для выполнения кейсов;
- Покупка модемов не решит проблему, так как работают они в соответствии со спецификацией LoRaWAN и по протоколу обмена не совместимы с Unwired Device , поскольку у них свой уникальный протокол MAC уровня. Отсутствие исходников ПО покупных модемов исключает возможность студентам корректировать работу устройства.
Разработка универсального радиомодема, совместимого со стандартом LoRaWAN и уникальным протоколом Unwired Device позволила бы решить вышеуказанные проблемы. Универсальный радиомодем можно будет давать студентам для проектной работы. При этом студент сможет работать как в стандартной сети LoRaWAN, развернутыми на территории Челябинска (например, Интерсвязь), так и с оборудованием Unwired Device. Разрабатываемый радиомодем может быть основой набора (кита) для проектной работы студентов. Открытое программное обеспечение позволит студентам корректировать работу устройства и дооснастить его разными датчиками.
Связь с пользователем по последовательному интерфейсу UART позволит изучить работу протокола.
Целью выпускной квалификационной работы является разработка универсального радиомодема, предназначенного для использования в учебном процессе при изучении технологии передачи данных в Интернете Вещей.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- исследование протоколов и выявления особенностей протокола MAC уровня от Unwired Device;
- определения места разрабатываемого устройства в сети LoRaWAN;
- исследование и аппаратная реализация устройства;
- разработка ПО для микроконтроллера;
- разработка индивидуального проекта в рамках курса “IOT Академия Samsung”, с целью показать применение разрабатываемого устройства в реальном проекте.
Структура пояснительной записки в целом совпадает с поставленными задачами. Первая глава посвящена исследованию спецификации LoRaWAN и протокола, использованного для устройств фирмы Unwired Range. Во второй главе определяется место разрабатываемого устройства в сети LoRaWAN, исследуется аппаратное обеспечения такого устройства. Третья глава посвящена рассмотрению структуры программного обеспечения устройства и алгоритмов работы устройства. В четвертой главе приведена инструкция по работе с радиомодулем, описана команды для работы с устройством через интерфейс UART. В пятой главе приведено описание индивидуального проекта, выполненного в рамках курса “IOT Академия Samsung”, в котором использовался разработанный программно-аппаратный комплекс.
✅ Заключение
В данной выпускной квалификационной работе был разработан программно-аппаратный лабораторный комплекс для изучения технологии передачи данных в Интернете Вещей. Данная разработка представляет собой универсальное конечное устройства интернета вещей, совместимое со стандартом LoRaWAN и уникальным протоколом unwired devices.
В ходе работы, был исследован вариант протокола MAC уровня от Unwired Device. Особое внимание было уделено исследованию формата MAC пакета, времени запуска и длительности временного окна приема, безопасности в сетях и активации конечных устройств в сети. Выполнено сравнение со спецификацией LoRaWAN и выявлены основные особенности данного протокола.
Было разработано программное обеспечение на основе библиотеки LMIC с открытым исходным кодом. Предусмотрена связь с пользователем через последовательный интерфейс UART. С помощью команд высокого уровня пользователь может выбрать, согласно какому протоколу, устройство должно работать, настроить параметры работы в сети. Через последовательный интерфейс устройство информирует пользователя об определенных изменениях состояния внутри модема.
Разработанное устройство было успешно протестировано в проекте, выполненном в рамках курса “IOT Академия Sumsung”.
В ходе работы, был исследован вариант протокола MAC уровня от Unwired Device. Особое внимание было уделено исследованию формата MAC пакета, времени запуска и длительности временного окна приема, безопасности в сетях и активации конечных устройств в сети. Выполнено сравнение со спецификацией LoRaWAN и выявлены основные особенности данного протокола.
Было разработано программное обеспечение на основе библиотеки LMIC с открытым исходным кодом. Предусмотрена связь с пользователем через последовательный интерфейс UART. С помощью команд высокого уровня пользователь может выбрать, согласно какому протоколу, устройство должно работать, настроить параметры работы в сети. Через последовательный интерфейс устройство информирует пользователя об определенных изменениях состояния внутри модема.
Разработанное устройство было успешно протестировано в проекте, выполненном в рамках курса “IOT Академия Sumsung”.
ИЛИ
Поиск аналога
📕 Список литературы
🖼 Скриншоты
🛒 Оформить заказ
⚡ Работу высылаем в течении 5 минут после оплаты.