Wie wir den IoT-Schulungskurs gemacht haben

Die Frage, was in den Lehrplan aufgenommen werden soll, wenn Sie mit der Gestaltung eines Kurses beginnen, ist völlig trivial. Besonders wenn dies ein IoT-Kurs ist. Heute möchten wir unsere Erfahrungen teilen, wie wir das Schulungsprogramm für die Samsung IoT Academy entwickelt haben , welche Ziele wir verfolgt haben und was wir getan haben.

Unser Hauptziel war es, den Universitäten dabei zu helfen, das Thema Internet der Dinge anzusprechen, und zwar in den Bereichen, in denen es für die Universitäten schwierig ist, dies selbst zu tun. Tatsächlich wurden die bestehenden Probleme im Bereich des Internet der Dinge, angefangen bei der nicht nachhaltigen Terminologie, dem Fehlen gemeinsamer Standards und dem „Zoo“ der Ausrüstung bis hin zum Fehlen dieses Themas in den Lehrplänen der russischen Universitäten, zur Grundlage für die Formulierung von Anforderungen:

1. Der Inhalt des Programms sollte den Anforderungen des modernen Marktes entsprechen: Untersuchung realer Fälle aus der IoT-Industrie, anerkannte Standards, Industrieausrüstungen, Entwurfsarbeiten usw.
2. Das Programm sollte eine Einstiegsschwelle haben, die für ein breites Spektrum von IT-Studenten technischer Fachrichtungen technischer Universitäten ausreicht, d. H. ein "Bildungsprogramm" im Internet der Dinge sein.
3. Das Programm sollte zur Schaffung von Labors an IoT-Universitäten führen, die als Trichter für die Auswahl von Schülern und Lehrern dienen, die sich in einem riesigen Stapel von IoT-Technologien befinden.

Und das haben wir bekommen.

Für wen ist dieser Kurs?

Wir konzentrieren uns auf einen Schüler, der am Eingang über die folgenden Fähigkeiten verfügt:

• Grundlegende Praktiken des Software-Engineerings: Programmierstil, Versionskontrolle, Erfahrung in der Selbstentwicklung von Bildungs- oder persönlichen Projekten.
• Kenntnisse in einer höheren Programmiersprache (Python, C ++, Java).
• Kenntnisse der Grundlagen der Webprogrammierung, der JavaScript-Sprache.
• Möglichkeit, in der Linux-Konsole zu arbeiten.

Wie Sie sehen, gibt es nichts Super-Kompliziertes, und wir erwarten, dass der Student sie bis zum 3-4. Kurs ziemlich erfolgreich gemeistert hat.

Und natürlich die Hauptsache - er sollte sich für das Thema Internet der Dinge interessieren.

Fälle

Sie beschlossen, das Material in Form von fünf Fallstudien zu organisieren. Jeder ist aus dem wirklichen Leben genommen. Viele Fälle wurden dank Oleg Artamonov geboren, der aufgrund seiner einzigartigen Berufserfahrung echte Geschichten vorschlug.

Ein wichtiges Merkmal unserer Fälle: Wir bieten Problemstellungen an, die nahe daran liegen, wie ein echter Kunde sie liefern könnte. Von Aufgaben gibt es einen Übergang zu Aufgaben, zum Beispiel:

• Um den Bereich der vorhandenen Sensoren zu untersuchen, wählen Sie aus ihnen den für den Parameter geeigneten Preis-Leistungs-Parameter aus. Achten Sie darauf, wie billig sich vom Bosch-Sensor vom teuren, neuen - vom alten und vom chinesischen - unterscheidet.
• Untersuchen Sie vorhandene Lösungen, notieren Sie erfolgreiche und erfolglose Momente. Wir empfehlen, wo Sie suchen müssen.
• Wählen Sie die geeignete Kommunikationstechnologie: Wie viele Router müssen Sie installieren, wenn wir uns für WLAN entscheiden? Wie viele Module müssen Sie kaufen, wenn wir uns für ZigBee entscheiden? Welche Abdeckung erhalten wir mit LoRa? Usw.
• Berechnen Sie die Wirtschaftlichkeit der Lösung. Schätzen Sie, wie viel es in verschiedenen Konfigurationen kosten wird. Wo kann man das alles kaufen? Was ist die Lieferzeit?

Es wird vorgeschlagen, diese Themen in Vorbereitung auf den Unterricht zu untersuchen. Während der vom Lehrer moderierten allgemeinen Diskussion im Klassenzimmer lernt der Schüler die Vor- und Nachteile verschiedener Lösungen kennen.

Lassen Sie uns kurz die Fälle durchgehen:

Fall 1: Bauernhaus und LoRa

Für den ersten Fall wurde das folgende Diagramm erstellt: Überwachung von Temperatur und Luftfeuchtigkeit in einem pharmazeutischen Lager. Dies ist eine wichtige Aufgabe: Insulin kann nicht eingefroren werden und Heilkräuter können nicht feucht sein.

Von Anfang an haben wir beschlossen, den Studenten die Möglichkeit zu geben, etwas Neues für sich selbst zu "fühlen". Und diese neue, die im ersten Fall angeboten wird, ist die LoRa-Funktechnologie. Für diejenigen, die nur von BlueTooth und WiFi gehört haben, klingt es wie Science-Fiction:

• Die Datenübertragungsentfernung beträgt mehrere Kilometer.
• Arbeiten Sie mit einer Batterie - mehrere Jahre.
• Die Abmessungen des Transceivers sind Miniatur.
• Keine monatliche Gebühr an den Betreiber: Sie stellen Ihre Basisstation auf und können mit der Arbeit beginnen.

Aber es geschehen keine Wunder, und im Fall von LoRa treten Nebenwirkungen auf, die die Schüler spüren, sobald sie mit der Arbeit an Geräten beginnen:

• Sehr niedrige Datenübertragungsrate: Sie werden sich langweilen, wenn das Paket ankommt.
• Sehr kleine Datenmengen: Bytes lesen.

Von den Komponenten erhalten die Schüler ein Mikrocontrollermodul, einen LoRa-Transceiver und einen integrierten Feuchtigkeits-, Temperatur- und Drucksensor. Die vorhandene Firmware des Moduls, die auf dem Echtzeitbetriebssystem RIOT OS basiert, ist ausreichend entwickelt, um sich vollständig von den Ereignissen auf Mikrocontrollerebene zu lösen und den Schüler sofort mit den Daten auf einer hohen Ebene arbeiten zu lassen - der Ebene des Schreibens des Anwendungsprogramms.


Komponenten für den ersten Fall: Mikrocontroller + Transceiver, Adapter, Sensor

Fall 2: Elektronisches Schloss und MQTT

Die pädagogische Aufgabe hierbei ist das Zugangskontroll- und -verwaltungssystem. Einfach ausgedrückt, machen wir ein Schloss, das beim Lesen eines elektronischen Schlüssels Daten an den Server sendet.



Im Rahmen von Case wird ein Workshop mit dem im Internet der Dinge weit verbreiteten MQTT-Protokoll abgehalten - durch es gehen sensorische Daten, Steueraktionen und alle Informationen, die die Knoten des Systems verbinden.

Welche Aufgaben hilft MQTT bei der Lösung:

• Trennen Sie Daten ordnungsgemäß von Anwendungen: Damit jeder Programmierer Ihr Gerät mit seinem Programm wiederverwenden kann
• Kommunikation in einer gemeinsamen Sprache zwischen heterogenen Geräten verschiedener Hersteller herstellen.

Leider werden MQTTs von Universitäten normalerweise nicht studiert. Und es ist interessant, weil es auf dem Modell "Publisher / Subscriber" basiert und das ereignisgesteuerte Paradigma einführt, das die Schüler nur in der GUI-Programmierung sehen können.

Ein kleiner Bonus: Bei dieser Aufgabe können Sie diejenigen Schüler hochziehen, die im Thema Schaltung „schwimmen“. Schließlich müssen sie hier das Relais einschalten und die RGB-Lampe über einen Transistor steuern.


Ein Mikrocontroller mit zwei Modulen: Transistoren zur Steuerung eines RGB-Bandes und einer Tasteneinheit

Fall 3. Adaptive Beleuchtung und 6LoWPAN

Jeder kennt die Aufgabe, Strom zu sparen: Nachmittags, wenn die Sonne hoch steht, wird das Licht gedimmt, und wenn es abends dunkel wird, machen Sie das Licht heller.

Wie Sie vielleicht erraten haben, kommt es auf die automatische Regulierung an. Hier ist ein Beispiel eines Diagramms: auf der Y-Achse - Beleuchtung in Lux, auf der X-Achse - Zeitpunkte. Die Grafik zeigt den Moment, in dem sich das Umgebungslicht geändert hat und das Gerät begonnen hat, sich auf den neuen Wert einzustellen:



Hier ist eine weitere Übung für diejenigen, die die Schaltkreise festziehen möchten. Die Schüler lernen, was PWM (Pulse Width Modulation) ist und wie die Helligkeit einer LED-Lampe gesteuert wird.


Wer weiß nicht wie - beherrscht dabei das Oszilloskop

Wir schlagen vor, jedes Gerät in einem solchen Netzwerk aus Glühbirnen und Sensoren mithilfe des 6LoWPAN-Protokolls anzuschließen. Dies ist ein weiteres neues Protokoll, das im Gegensatz zu LoRa schnell funktioniert, eine geringe Kommunikationsreichweite aufweist, jedoch ein Mesh-Netzwerk erstellen kann. Dieses Protokoll eignet sich sehr gut für Smart-Home-Netzwerke, bei denen die Antwortgeschwindigkeit kritisch und die Entfernung nicht prinzipiell ist.

Schließlich wird in diesem Fall ein anderes Konzept eingeführt - ein Mikrocomputer als zentraler Knotenpunkt des Internet der Dinge-Systems. Niemand wird einen Desktop-Computer installieren, auf dem die Installation eines Mikrocomputers unter Linux kompakter und billiger ist. In unserem Fall handelt es sich um einen Artik-Computer von Samsung. Sie können das Kommunikationsmodul der beschriebenen LoRa- oder 6LoWPAN-Protokolle daran anschließen und es dann als Server Ihres Systems verwenden. Natürlich benötigen die Schüler Kenntnisse in der Linux-Konsole.


Wir haben den Samsung Artik 10 Computer gepumpt - mit einem LoRa-Modul versehen (auf dem Foto in Weiß)

Fall 4: Mülleimer und Wolke

Die Handlung von Case ist eine intelligente städtische Wirtschaft. Stellen Sie sich ein System vor, das die Routen von Müllwagen optimiert, um sie nicht umsonst zu fahren. Hier machen wir nur einen Teil dieses Systems.

Der Fall besteht darin, die folgenden Parameter zu verfolgen:

• Mülleimer voll - mit Ultraschall-Entfernungsmesser
• Das Vorhandensein von Feuer - mit einem Temperatursensor
• Standort - mit einem GPS-Sensor.

Die Verschiebungskarte des simulierten Geräts. In Wirklichkeit kann sich kaum jemand so schnell in Moskau bewegen.

In diesem Fall sprechen wir über die Internet of Things-Plattform und den Cloud-Service als eine ihrer Komponenten. Die IoT-Plattform beschleunigt das Testen und Implementieren von Lösungen.

Warum sind Cloud-Technologien wichtig? Wenn die Anzahl der Geräte im Netzwerk exponentiell zunimmt, zwingen die Kosten für die Wartung ihrer Server Unternehmen zur Nutzung von Cloud-Diensten. Cloud-Serverkapazitäten ermöglichen den erfolgreichen Einsatz von Data Mining-Methoden. Daher planen wir, den Fällen komplizierte Aufgaben im Zusammenhang mit dem Einsatz von Methoden des maschinellen Lernens hinzuzufügen.

Wir bieten Studenten die Möglichkeit, mit der Samsung Artik Cloud-Plattform zu arbeiten. Es gibt bereits einen Artikel darüber, daher werden wir ihn nicht wiederholen.

Fall 5: Gewächshaus- und Teamentwicklung

Und schließlich der letzte Fall.

Das Grundstück, das im Fall betrachtet wird, ist ein Gewächshaus, und es gibt genügend Unteraufgaben: automatische Bewässerung, tägliche Beleuchtungszyklen für Pflanzen, Benutzeroberfläche, Protokollierung, Zeichnen.


2017 Summer School Student GUI-Bildschirm

Die grundlegenden Werkzeuge wurden bereits beherrscht, wir konzentrieren uns auf die Teamentwicklung. Wir arrangieren ein kleines Spiel, in dem der Lehrer die Rolle des Kunden spielt und die Schüler die Rolle des Teams einer kleinen Entwicklungsfirma. Der „Kunde“ teilt seine Wünsche für das System mit, und die Schüler müssen die Leistungsbeschreibung kompetent erstellen, die wichtigsten und dringendsten Elemente der zu implementierenden Funktionalität hervorheben, Aufgaben unter sich verteilen und einen Projektmanager innerhalb der Gruppe auswählen.

Wir wollten den Studenten die Schwierigkeiten bei der Kommunikation zwischen Entwickler und Kunde demonstrieren. Tauchen Sie in eine Situation ein, in der der Kunde nicht erklären kann, was er will, und der Entwickler die Anforderungen für das Projekt herausarbeiten muss.

Wie läuft der Kurs?

Im Herbst 2017 haben wir unseren Lehrplan an zwei Universitäten eingeführt - MIPT und MIREA. In der ersten Jahreshälfte haben die Studierenden Fälle abgeschlossen und nun mit der individuellen Arbeit an ihren Projekten begonnen.

Alle Materialien werden in einem elektronischen Schulungssystem bereitgestellt. Wir haben sogar Papierarbeitsbücher entworfen, um uns auf den Unterricht vorzubereiten.



Mehr als 100 Studenten haben sich für die Schulung angemeldet. Statistik zu den Ergebnissen des ersten Semesters - in der Abbildung. Wir bewerten dieses Ergebnis als gut: Der Kurs war optional, aber die Studenten besuchten ihn trotz der Arbeitsbelastung im Hauptlehrplan.



Interessanterweise waren die Antworten unter denjenigen, die den Kurs verlassen hatten, genau entgegengesetzt: Sie sagten, es sei zu schwierig oder zu einfach!

Es scheint, dass wir das durchschnittliche Niveau der Schüler erraten haben. Wir haben noch nicht herausgefunden, wie wir den Einstieg in das Programm richtig senken können, aber für starke Leute haben wir uns entschieden, dies anzubieten.

Näher an der Hardware

Anfangs haben wir die Low-Level-Programmierung von STM32-Mikrocontrollern aus dem Trainingssatz nicht in den Kurs aufgenommen, da wir der Ansicht waren, dass die Schüler dies nicht in der vorgegebenen Zeit beherrschen würden. Wir haben uns geirrt! Das Thema erregte lebhaftes Interesse.

Infolgedessen organisierte das MIREA Institute of IT Mitte des Jahres einen zusätzlichen Kurs von Oleg Artamonov zum Thema „Programmieren moderner Mikrocontroller“. Oleg baut seinen Kurs von oben nach unten auf, dh er schlägt vor, das Thema durch Programmierung für das Echtzeitbetriebssystem RIOT OS zu studieren. Auf unseren Ressourcen finden Sie Notizen und Videos seiner Vorträge.

Und bei MIPT begannen Lehrer und Schüler, ihren eigenen Kurs zum gleichen Thema selbst durchzuführen. Darüber hinaus gingen unsere jungen MIPT-Lehrer viel weiter in die Abstraktionsebene: bevor sie direkt mit Registern arbeiteten. Hier ist ihre VKontakte-Gruppe und Vorträge auf YouTube.

Zusammenfassend werden wir unseren Kernkurs der IoT Academy für das nächste Schuljahr ergänzen. Schließlich gibt es nichts Schöneres, als das Problem auf hoher und dann auf niedriger Ebene zu lösen und sich in der Welt der Abstraktionen frei zu fühlen.


(Null, Lobur - Grundlagen der Computerorganisation und -architektur)

Was weiter?

Wie werden wir die Ergebnisse des Programms bewerten? Natürlich vor allem nach den endgültigen Einzelprojekten der Absolventen. Zuerst werden Projekte auf universitärer Ebene geschützt, und dann organisieren wir einen interuniversitären Wettbewerb.

Und im September 2018 werden wir einen aktualisierten Kurs an 10 Universitäten in ganz Russland starten:

1. MIPT (Moskau)
2. MIREA (Moskau)
3. HSE (Moskau)
4. SPbSU (St. Petersburg)
5. NSTU (Nowosibirsk)
6. UrFU (Ekaterinburg)
7. KFU (Kasan)
8. SUSU (Tscheljabinsk)
9. TUSUR (Tomsk)
10. NEFU (Jakutsk)

Es ist merkwürdig, dass unser Kurs, der die Besonderheiten einer bestimmten Universität widerspiegelt, jetzt Besonderheiten aufweist. Z.B:

• TUSUR (Tomsk) hat die Informationssicherheit als Grundrichtung des IoT-Labors gewählt - wir warten auf interessante wissenschaftliche und angewandte Arbeiten in diesem wichtigsten Bereich des Internet der Dinge!
• An der South Ural State University (Tscheljabinsk) beschlossen sie, den Kurs als Basis für mehrere Fakultäten gleichzeitig anzubieten - insgesamt mehr als 500 Studenten (!)
• An der Ural-Bundesuniversität (Jekaterinburg) ist Interdisziplinarität von großer Bedeutung. Das Lehrerteam: Mathematiker, Schaltungsingenieur, Programmierer, Wirtschaftswissenschaftler, Funkingenieur, Sicherheitsspezialist und Bildverarbeitungsspezialist!

Die IoT Academy von Samsung hat ein intensives, aber sehr interessantes Schuljahr vor sich.