Технічне та методичне забезпечення інженерного навчання для спеціальності “Комп’ютерні системи та мережі”(Лісотех’2015)

Методичне забезпечення спеціальності Комп’ютерні системи та мережі. Технічне забезпечення інженерного навчання.

Березький О.М., Теслюк В. М., Борейко О.Ю.
Кафедра КІ, Тернопільський національний економічний університет,
Кафедра САПР, Національний університет «Львівська політехніка»,
Кафедра КІ, Тернопільський національний економічний університет

Abstract – Розробленно технічне та методичне забезпечення для навчання студентів напряму комп’ютерна інженерія. Технічне забезпечення представлено мікроконтролерами та одноплатними комп’ютерами, на основі яких розроблено цикл лабораторних робіт для вивчення дисциплін апаратного забезпечення та проектування сучасних спеціалізованих комп’ютерних систем. Розроблений комплекс дасть змогу підвищити рівень навченості студентів напряму “Комп’ютерна інженерія”.
Кеуwords – комп’ютерна інженерія, методичне забезпечення, технічне забезпечення, мікроконтролери, одноплатні комп’ютери, спеціалізовані комп’ютерні системи.

Вступ

Спеціальність “Комп’ютерні системи та мережі” є найбільш універсальною та комплексною спеціальністю з напряму підготовки “Комп’ютерна інженерія”. Вона охоплює вивчення нормативних дисциплін таких груп: програмного забезпечення (прикладного та системного), апаратного забезпечення, комп’ютерних систем, мереж і телекомунікаційних систем. Питома вага технічного забезпечення при вивчені дисциплін апаратного забезпечення – комп’ютерної електроніки, системотехніки, комп’ютерних систем тощо є досить великою. Останнім часом спостерігається негативна тенденція захоплення віртуальними середовищами при вивченні даних дисциплін. На наше глибоке переконання вивчення дисциплін апаратної групи неефективне без фізичного обладнання. Віртуальні середовища носять допоміжну роль при освоєні навчального матеріалу, служать засобами автоматизації при проектуванні. Фізичне проектування та макетування є вкрай необхідними етапами при навчанні. Але при придбанні технічних засобів профільні кафедри обмежені в фінансових ресурсах. Звідси, постає задача мінімізації витрат на технічні засоби для вивчення ряду дисциплін. Крім цього, тільки вивчення сучасної елементної бази, яка використовується в сучасних комп’ютерних системах, є необхідною умовою підготовки висококваліфікованих спеціалістів і їхнього успішного подальшого працевлаштування.
Сьогоді, перспективним і злободенним напрямом застосування спеціалізованих комп’ютерних систем (СКС) є проектування і експлуатація “інтелектуальних будинків” [1], які крім комфорту проживання мають основною метою економити енергетичні ресурси [2].

1. Технічне забезпечення

Основу автоматизованих підсистем “інтелектуального будинку” становлять керуючі пристрої, що взаємодіють із системами давачів та актюаторів [3]. Керуючими пристроями зазвичай є мікроконтролери, які програмуються для роботи з даними, що надходять із давачів, і надсилають команди на виконання певним актюаторам. Вибір такого обладнання має забезпечувати низьку вартість системи та її функціональність. Відповідно навчальні стенди реалізовано на базі обладнання, до якого увійшли мікроконтролерні плати, одноплатні комп’ютери, давачі та виконуючі пристрої, що максимально відповідають заданим вимогам.
Структура кожного стенду складається з набору кількох основних компонентів. Цими компонентами є мікроконтролерна плата, одноплатний комп’тер, макетна плата (breadboard), множина давачів, актюаторів, провідників для складання схем.

1.1 Платформа Arduino

В якості мікроконтролерних плат обрано обчислювальну платформу Arduino Uno. Дана платформа працює на мікроконтролері Atmega 328P фірми Atmel [4]. Arduino – це інструмент для проектування електронних пристроїв (електронний конструктор), які більше взаємодіють з навколишнім фізичним середовищем, ніж стандартні персональні комп’ютери, які фактично не виходять за рамки віртуальності. Це платформа, призначена для «physical computing» з відкритим програмним кодом, побудована на простій друкованій платі з сучасним середовищем для написання програмного забезпечення. («Physical computing» в широкому сенсі означає побудову фізичних систем шляхом використання програмних та апаратних засобів, які можуть сприймати та реагувати на зміни у навколишньому світі).
Arduino застосовується для створення електронних пристроїв з можливістю прийому сигналів від різних цифрових і аналогових давачів, які можуть бути підключені до неї, і управління різними виконавчими пристроями. Проекти пристроїв, засновані на Arduino, можуть працювати самостійно або взаємодіяти з програмним забезпеченням на комп’ютері (наприклад Flash, Processing, MaxMSP). Її вибір пояснюється низькою вартістю, функціональними можливостями, а також розвинутою спільнотою Arduino.

1.2 Комп’ютер Raspberry Pi

Одноплатні комп’ютери представлені мікрокомп’ютерами Raspberry Pi B, побудованими на SoC (System on Chip) Broadcom BCM2835, що включає в себе процесор ARM із тактовою частотою 700 МГц, графічний процесор VideoCore IV, і 512 МБ оперативної пам’яті [5]. Присутні інтерфейси USB та Ethernet. Живлення 5В, 700мА через micro USB. Замість жорсткого диску використовується SD карта пам’яті. Особливістю даного комп’ютера є присутній у ньому інтерфейс GPIO (General-purpose input/output) – інтерфейс вводу/виводу загального призначення. GPIO використовується для зв’язку мікропроцесора з різними периферійними пристроями [6]. Критерії вибору саме Raspberry Pi аналогічні до Arduino.

1.3 Набори давачів та модулів інтерфейсів

Набори цифрових та аналогових давачів (давачі температури, вологості, руху, відстані, освітлення, магнітного поля і т.д.), актюаторів (електромагнітні реле, сервоприводи, джойстики рідкокристалічні дисплеї) та модулі інтерфейсів (Ethernet, Wi-Fi, IrDA), які працюють з Arduino і Raspberry Pi та формують автоматизовані підсистеми “інтелектуального будинку” (рис.1).
Зокрема, розроблення підсистеми керування давачами дає змогу реєструвати зміни в оточуючому середовищі, а набір актюаторів – впливати на оточуюче середовище “інтелектуального будинку” [7].

sensors
Рис.1 – Закуплені давачі

2. Методичне забезпечення

Для вивчення сучасної елементної бази, основ проектування сучасних СКС та їх програмування, розроблене методичне забезпечення: курс лабораторних робіт, теми курсових, дипломних проектів і робіт для бакалаврів, спеціалістів і магістрів. Методичне забезпечення забезпечує викладання таких дисциплін: «Дослідження і проектування комп’ютерних систем та мереж», «Моделювання комп’ютерних систем та мереж» і «Комп’ютерні системи».
Навчальні стенди разом із методичним забезпеченням дали можливість створити ефективні підходи до вивчення, проектування та програмування сучасних СКС на базі мікроконтролерної та мікропроцесорної техніки. Зокрема, для курсу «Моделювання комп’ютерних систем та мереж» такий підхід включає три етапи, виражених лабораторними роботами. Перший етап (Лаб.1) – це етап формулювання технічного завдання (ТЗ), другий (Лаб.2) – розробка структури пристрою (СП), третій етап (Лаб. 3-6) – побудова математичних (на основі мереж Петрі (МП) [8] та систем масового обслуговування (СМО) [9]), програмних (ПМ) та фізичних (ФМ) моделей проектованого пристрою (рис.2).

structure
Рис.2 Структура методичного забезпечення

2.1 Формулювання технічного завдання

У лабораторній роботі № 1 формулюється технічне завдання для розробки проектованого пристрою. Для прикладу візьмемо розроблення підсистеми безпеки “інтелектуального будинку”, що працює на основі одноплатного комп’ютера.
1. НАЙМЕНУВАННЯ ТА ОБЛАСТЬ ЗАСТОСУВАННЯ
1.1 Розробка підсистеми безпеки “інтелектуального будинку” на основі одноплатного комп’ютера
1.2 Область застосування – системи “інтелектуального будинку”
2. ПІДСТАВА ДЛЯ РОЗРОБКИ
Підставою для розробки є завдання на курс лабораторних робіт, затверджені кафедрою комп’ютерної інженерії факультету комп’ютерних інформаційних технологій Тернопільського національного економічного університету.
3. МЕТА ТА ПРИЗНАЧЕННЯ
Метою виконання завдання є розробка підсистеми безпеки “інтелектуального будинку”
4. ДЖЕРЕЛА РОЗРОБКИ
Джерелами даної розробки є матеріали навчальної та реферативної наукової літератури, технічна документація, науково-дослідні роботи, журнали.
5. ТЕХНІЧНІ ВИМОГИ
5.1 Вимоги до апаратних засобів
5.1.1 Функціональні вимоги
Підсистема безпеки призначена для відеоспостереження, реєстрації руху та оповіщення про несанкціонований доступ до приміщень “інтелектуального будинку” через інтернет.
5.1.2 Умови роботи підсистеми безпеки – штатні
5.1.3 Вимоги до параметрів:
5.1.3.1 Максимальне значення напруги живлення одноплатного комп’ютера – 5 В;
5.1.3.2 Максимальне значення струму живлення одноплатного комп’ютера – 1 А;
5.1.3.3 Максимальний режим роботи відеокамери – 1080р (30fps);
5.1.3.4 Максимальне значення напруги живлення давача руху – 5 В;
5.1.3.5 Максимальна швидкість передачі даних через wi-fi модуль – 300 Мбит/с.
5.2 Вимоги до програмної системи
5.2.1 Вимоги до програмного забезпечення:
5.2.1.1 Операційна система сімейства Linux;
5.2.1.1 Середовище для розробки програм керування підсистемою безпеки.
6 ВИМОГИ НАДІЙНОСТІ
6.1 Середній час безвідмовної роботи повинен складати не менше 10000 годин.
7 УМОВИ ЕКСПЛУАТАЦІЇ
7.1 Мікроклімат в приміщеннях повинен відповідати нормам виробничого мікроклімату для обчислювальних центрів (ГОСТ 12.1.005-88);
7.2 Для нормальної роботи системи необхідно підтримувати (по ГОСТ 23.865-85):
? температуру повітря в межах від +18°С до +28°С;
? відносну вологість повітря при +25°С в межах від 40% до 80%;
? атмосферний тиск 760±25 мм.рт.ст.
8 ВИМОГИ БЕЗПЕКИ, ОХОРОНИ ЗДОРОВ’Я І ПРИРОДИ
Технічне забезпечення системи повинна відповідати вимогам електробезпеки (ГОСТ 25.861-85).
9 ПОРЯДОК КОНТРОЛЮ ТА ПРИЙМАННЯ
9.1 Представлення макету.

2.2 Структура проектованого пристрою

Лабораторна робота № 2 дисципліни «Моделювання комп’ютерних систем та мереж» передбачає побудову структури пристрою, описаного у ТЗ. Дана лабораторна представляє другий етап побудови моделі пристрою з використанням вищевказаного підходу до вивчення дисциплін з використання навчальних стендів. Приклад розробленої структури підсистеми безпеки «інтелектуального будинку» на основі комп’ютера Raspberry Pi наведено на рисунку 3.

dev_struct
Рис.3 Структура пристрою

В цій лабораторній роботі вибирається структура проектованого пристрою, яку необхідно детально описати та обгрунтувати згідно з критеріями вартості, швидкодії та іншими.

2.3 Модель пристрою

На третьому етапі здійснюється побудова математичних моделей на основі апарату мереж Петрі та СМО, розробка програмної, а також реалізація фізичної моделі проектованого пристрою. Приклад моделі підсистеми «інтелектуального будинку» за вищенаведеною структурою реалізованою засобами мереж Петрі наведено на рис. 4.

struct_mod
Рис.4 – Структурна модель на основі мереж Петрі

ph_model
Рис.5 – Фізична модель пристрою

Завдяки використанню запропонованого підходу досягається максимально тісна взаємодія між теоретичною та практичною складовими підготовки фахівців та підвищення рівня навченості студентів.

123
Рис.6 – Навчальні стенди

Висновки

Реалізовано навчальні стенди та розроблено методичне забезпечення, що дало можливість підвищити рівень знань та практичних навиків бакалаврів, спеціалістів, магістрів і аспірантів спеціальності “Комп’ютерні системи та мережі” напряму “Комп’ютерна інженерія”. Комплексний підхід до викладання дисциплін апаратного циклу на основі сучасного технічного забезпечення дає змогу оптимізувати витрати на придбання обладнання.
Дана робота виконана в рамках навчального проекту “Розроблення стендів для автоматизованого проектування сучасних спеціалізованих комп’ютерних систем на базі мікроконтролерів і одноплатних комп’ютерів” [10]. Автори висловлюють подяку за спонсорьку допомогу фірмі “Magnetic one” і її директору Руслану Савчишину.

Література

[1] Лисицын Д.В. Система «Умный дом» и необходимость ее внедрения в условиях современного мира / Лисицын Д.В. и др. // Тезисы докладов межвузовской студенческой научной конференции. Часть 3, 2011 г. – С 34–35.
[2] Richard Harper. Inside the Smart Home.- London. Springer; August, 2003 – 275 p.
[3] Байгозин Д.В. Разработка принципов интеллектуального управления инженерным оборудованием в системе «Умный дом» / Д.В. Байгозин, Д.Н. Первухин, Г.Б. Захарова.// Известия Томского политехнического университета. – 2008. – Т. 313. – №5. Управление, вычислительная техника и информатика – С.168–172.
[4] ARDUINO – [Електронний ресурс] — Режим доступу: http://www.arduino.cc/
[5] RASPBERRY PI – [Електронний ресурс] — Режим доступу: http://www.raspberrypi.org/
[6] Richardson M. Getting Started with Raspberry Pi. / M. Richardson, S. Wallace // – Maker Media, Inc; December, 2012 – 176 p.
[7] Jiang L. Smart home research / L. Jiang, D.Y. Liu, B. Yang // Proceedings of the 2004 International Conference on Machine Learning and Cybernetics, Shanghai, China, August. – 2004. –723 с.
[8] Котов В.Е. Сети Петри. – М.: Наука, 1984.- 160с.
[8] Грушко И.И. Теория массового обслуживания. Перевод с англ. /Пер. И. И. Грушко; ред. В. И. Нейман – М.: Машиностроение, 1979. – 432с., ил.
[10] Проект “Інтелектуальний будинок” – [Електронний ресурс] — Режим доступу: http://www.magneticone.org/main/proektintelektualnijbudinok

Оставить ответ

Обязательные поля помечены*

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.