Структура за темами

  • Матеріали курсу "Інтернет речей"

  • Ця тема

    Інформаційний блок

  • Додаткові матеріали

  • Курсовий проєкт

  • Змістовий модуль 1

    • Змістовий модуль 1 охоплює загальні принципи побудови Інтернету речей, починаючи з його історії. Ідея взаємодії пристроїв без людини виникла давно, еволюціонувавши від "повсюдного комп'ютингу" до сучасного поняття ІоТ, термін для якого був запропонований Кевіном Ештоном наприкінці 90-х на основі технології RFID. Розвиток ІоТ прискорився у 2000-х завдяки підтримці корпорацій, урядів та появі хмарних сервісів, що вирішили питання зберігання та обробки даних. Ринок ІоТ демонструє значний ріст, що підтверджується великими придбаннями компаній.

      Взаємодія з інтернет-речами реалізується трьома основними способами. Перший – прямий доступ, коли пристрій має IP-адресу та функціонує як веб-сервер. Другий – через шлюз, що використовується для пристроїв з іншими протоколами (наприклад, Bluetooth, ZigBee), де шлюз виконує перетворення протоколів. Третій, найбільш поширений, – через централізований сервер або платформу, яка приймає, обробляє, зберігає дані та надає користувацький інтерфейс, розвантажуючи самі пристрої. Цей метод може комбінуватися з використанням шлюзів.

      Перспективи впровадження ІоТ охоплюють безліч сфер: транспорт і логістику (моніторинг, оптимізація маршрутів), аграрний сектор (моніторинг ґрунту, рослин), домашнє середовище (розумні прилади, автоматизований облік ресурсів), медицину (віддалений моніторинг здоров'я). Хоча технології зв'язку (як-от 4G) впроваджуються, ідеальним рішенням очікується стандарт 5G. Серед викликів – відсутність єдиних стандартів, проблема IP-адрес (перехід на IPv6), захист даних та приватність, забезпечення автономності пристроїв та необхідність зміни бізнес-процесів.

      Концептуально, Інтернет речей – це глобальна інфраструктура, що об'єднує фізичні та віртуальні "речі" для надання послуг через комунікаційні мережі. "Річ" може бути фізичним об'єктом або віртуальною сутністю, що ідентифікується в мережі. Важливим є поняття "пристрій", який має комунікаційні можливості та може включати сенсори або актуатори. ІоТ базується на розподіленій комунікаційній інфраструктурі, глобальній ідентифікації та можливості об'єктів обмінюватися даними. На відміну від інтернету "людей", ІоТ фокусується на об'єктах, їх великій кількості, менших розмірах, низьких швидкостях передачі даних та зчитуванні інформації, потребуючи нової інфраструктури. ІоТ є основою для "розумних" додатків у різних галузях, від "розумної планети" до "розумної медицини". Розвиваються суміжні концепції, як Web of Things (WoT), що використовує веб-стандарти, та Cognitive Internet of Things (CIoT), де пристрої можуть навчатися та адаптуватися.

      Архітектура ІоТ зазвичай описується рівнями: рівень сенсорів та сенсорних мереж (збір даних з фізичного світу), рівень шлюзів та мереж (транспортування даних), сервісний рівень (обробка, зберігання, аналітика, управління) та рівень додатків (кінцеві рішення для користувачів та галузей). Ці рівні доповнюються функціями управління та безпеки. Сенсори на нижньому рівні інтегруються в об'єкти, формуючи бездротові сенсорні мережі (WSN) з низьким енергоспоживанням та здатністю до самоорганізації.

      Платформи ІоТ включають програмно-апаратні комплекси для розробки рішень. Популярні приклади: Arduino (мікроконтролерна платформа для швидкого прототипування, відома відкритістю та простотою), NodeMCU на базі мікроконтролера ESP8266 (з вбудованим Wi-Fi, підходить для завдань, що вимагають підключення до інтернету), та Raspberry Pi (одноплатний комп'ютер з потужним процесором, що працює під управлінням ОС Linux, з широкими можливостями підключення периферії та реалізації складних ІоТ-проектів).

      Основи побудови сенсорних ІоТ-мереж вивчають базові поняття, такі як сенсор, датчик, актуатор та сенсорний вузол, який є пристроєм із сенсором/актуатором, обчислювальними та мережевими можливостями. Сенсорна мережа – це розподілена система вузлів для моніторингу та управління фізичним світом. Бездротові сенсорні мережі (БСС) є самоорганізованими, мають переваги самовідновлення, здатності до ретрансляції, низької вартості та енергоспоживання. Базова архітектура сенсорної мережі включає апаратне та програмне забезпечення вузлів та інтерфейси між ними та із зовнішнім середовищем. Вузли БСС складаються з комунікаційної, обчислювальної, сенсорної підсистем та підсистеми електроживлення, працюють під керуванням спеціалізованих ОС (наприклад, TinyOS) та мають обмеження щодо розміру, енергоспоживання, вартості.

      Модуль також торкається класифікації та типів датчиків, розглядаючи, зокрема, датчики температури, які є дуже поширеними, як-от термопари, що генерують сигнал залежно від температури двох різних металів.


  • Змістовий модуль 2

    • Змістовий модуль 2 присвячений виконавчим пристроям та засобам ідентифікації в Інтернеті речей. Він починається з розгляду класифікації та типів датчиків, зокрема детально описуються різні види датчиків температури, як-от термопари, резистивні датчики температури (RTD) та термістори, кожен з яких має свої особливості та сфери застосування, а також фотоелектричні датчики, що реагують на світло. Далі вивчаються датчики руху, зокрема піроелектричні інфрачервоні (PIR) датчики, їх будова та принцип дії для виявлення теплокровних об'єктів. Також розглядаються приклади багатофункціональних датчиків, що можуть вимірювати одночасно кілька параметрів, наприклад, температуру та вологість, або відстежувати стан дверей чи вікон, часто використовуючи стандарти ZigBee або Bluetooth.

      Модуль також висвітлює основні характеристики датчиків, розділяючи їх на динамічні та статичні. До динамічних відносяться параметри, що описують реакцію датчика на зміну вимірюваної величини у часі, такі як час проходження зони нечутливості, запізнювання, час нарощення та час досягнення першого максимуму. Статичні характеристики описують точність вимірювань у сталому режимі, включаючи чутливість, роздільну здатність, точність, лінійність, дрейф та повторюваність. Підкреслюється важливість розуміння цих характеристик для коректної інтерпретації даних у системах ІоТ. Розрізняються параметричні та генераторні датчики за принципом перетворення енергії, аналогові та цифрові за характером вихідного сигналу, активні та пасивні за джерелом енергії, а також класифікуються за розмірністю, способом дії на об'єкт та фізичним принципом дії.

      Окрема тема присвячена оптичній та радіочастотній ідентифікації. Розглядаються оптичні ідентифікатори, такі як лінійні та двомірні штрих-коди (DataMatrix, QR-код), їх можливості кодування інформації та сфери застосування. Більш детально описується радіочастотна ідентифікація (RFID), її історія, принцип роботи системи, що складається зі зчитувача та мітки, типи міток (тільки для читання, одноразового запису, багаторазового запису), різновиди міток за типом живлення (пасивні, активні) та діапазонами частот (LF, HF, UHF, SHF), а також переваги RFID перед оптичними методами та широкі сфери застосування в промисловості, логістиці, державних установах, науці та побуті.

      Система позиціонування на базі RFID-технології (RTLS) вивчається як автоматизований спосіб визначення та моніторингу місцезнаходження об'єктів у реальному часі. Описуються основні характеристики RTLS, такі як точність, достовірність та періодичність позиціонування, а також надійність системи. Розглядається склад типових RTLS систем, що включають активні мітки та інфраструктуру з базовими станціями та серверним програмним забезпеченням. Пояснюються способи визначення позиції, що базуються на вимірюванні відстаней (трилатерація, мультилатерація) або кутів напрямку (тріангуляція) до базових станцій.

      Завершується модуль темою комунікацій малого радіусу дії NFC (Near Field Communication). Визначається технологія NFC як розширення стандарту безконтактних карток, що забезпечує зв'язок між пристроями на невеликій відстані на частоті 13,56 МГц. Описуються режими роботи NFC (активний та пасивний), типи міток NFC, їх швидкість передачі та об'єм пам'яті. Висвітлюються сфери застосування NFC, зокрема безконтактні платежі, використання телефону як електронного ключа, обмін даними та зберігання електронних квитків, а також сценарії отримання послуг через мобільних операторів за допомогою NFC.


  • Змістовий модуль 3

    • Змістовий модуль 3 присвячений технологіям передачі даних, які є фундаментом для функціонування Інтернету речей.

      Перша тема модуля розглядає ієрархію мережевих технологій в ІоТ, поділяючи їх за територією покриття на персональні, локальні, міські та глобальні мережі. За типом середовища передачі виділяються дротові та бездротові технології, причому бездротові є більш поширеними в ІоТ, зокрема бездротові персональні мережі (WPAN), бездротові сенсорні мережі (WSN) та малі локальні мережі (TAN). Розглядаються особливості реалізації бездротових сенсорних мереж, можливості використання радіочастот ISM та інфрачервоного випромінювання для зв'язку, типи мереж за способом збору даних (проактивні, реактивні, гібридні), питання енергоживлення вузлів, включаючи збір енергії з навколишнього середовища, та проблеми безпеки бездротових з'єднань. Представляється стандарт IEEE 802.15.4 як основа для низькошвидкісних WPAN, що визначає фізичний та канальний рівні, різні частотні діапазони та швидкості передачі, а також типи пристроїв (FFD, RFD). Далі розглядається стандарт 6LoWPAN, який дозволяє передавати IP-пакети IPv6 поверх IEEE 802.15.4 для малопотужних бездротових персональних мереж, описуються його архітектура, типи логічних пристроїв та види мереж, а також основні галузі застосування.

      Наступна тема присвячена стандарту Wi-Fi (IEEE 802.11), який є бездротовим розширенням мереж Ethernet і широко застосовується для організації домашніх, офісних та публічних бездротових мереж. Описується його структура за рівнями (PHY, MAC, LLC), склад групи стандартів, що відрізняються частотними діапазонами, методами модуляції та швидкостями передачі (від 1 Мбіт/с до гігабітних швидкостей у нових стандартах), а також антенні технології (MIMO, beamforming). Розглядаються три основні топології мереж Wi-Fi (IBSS, BSS, ESS) та метод доступу до середовища CSMA/CA.

      Далі вивчається стандарт Bluetooth (IEEE 802.15.1) як технологія бездротового зв'язку для ближніх комунікацій, що забезпечує економний радіозв'язок між різними електронними пристроями. Описуються його характеристики, включаючи частоту (2.4 ГГц), дальність дії, швидкість передачі даних та голосу, особливості безпеки (шифрування, аутентифікація), а також методи модуляції та FHSS. Пояснюється побудова мереж на основі Bluetooth, включаючи поняття пікомереж та розсіяних мереж. Окрема увага приділяється технології Bluetooth Low Energy (BLE), оптимізованій для наднизького енергоспоживання зі швидкістю 1 Мбіт/с, її частотним каналам, модуляції та підтримці топологій "точка-точка" та "зірка", а також її застосуванню у сенсорах, медичних та спортивних приладах, домашній автоматизації.

      Передостання тема модуля стосується стандарту ZigBee, розробленого на основі IEEE 802.15.4 для створення недорогих, самоорганізованих мереж з низьким енергоспоживанням та швидкістю передачі даних, орієнтованих на промислові датчики та системи управління. Описуються основні поняття технології, включаючи частоту (2.4 ГГц), швидкість передачі, протокольні рівні (NWK, APL) та типи пристроїв (координатор, маршрутизатор, кінцевий пристрій). Особливо наголошується на підтримці коміркової (mesh) топології, її самоорганізації та самовідновлення, а також на механізмах передачі даних та доступу до каналу CSMA/CA, включаючи використання маячків та гарантованих часових слотів.

      Завершує модуль тема стандарту Z-Wave (ITU G.9959) як відкритого бездротового стандарту для домашньої автоматизації ("розумний" будинок). Описуються його характеристики, включаючи використання низькочастотного діапазону (до 1 ГГц) для зменшення перешкод, модуляцію GFSK, оптимізацію для передачі простих керуючих команд та відповідні швидкості передачі даних. Розглядається коміркова (mesh) топологія Z-Wave з маршрутизацією від джерела, роль контролерів та обмеження для пристроїв з батарейним живленням як ретрансляторів. Згадуються можливості безпеки (AES-128), кількість підтримуваних пристроїв та деякі обмеження технології.


  • Змістовий модуль 4

    • Змістовий модуль 4 присвячений Smart-технологіям, які реалізуються в різних сферах життя людини та суспільства.

      Перша тема модуля охоплює концепцію "Розумного будинку" (Smart Home). Він визначається як мережа приладів, що дозволяє автоматизувати та дистанційно контролювати системи освітлення, опалення та інші процеси в будинку, часто за допомогою смартфона чи планшета. Метою є створення злагодженої екосистеми, що забезпечує комфорт, безпеку та раціональне використання ресурсів. Історично ідея сягає кінця 70-х років з протоколом X10, який використовував лінії електропередач для зв'язку, хоча й мав проблеми з перешкодами. Сучасні системи базуються на бездротових технологіях, як-от WiFi та Bluetooth. Розглядаються основні функції, які можуть бути автоматизовані, включаючи керування освітленням, розетками, замками, жалюзі, отримання сповіщень про несанкціоноване проникнення, управління мультимедією та моніторинг мікроклімату. Підкреслюється важливість планування системи, вибору між дротовими та бездротовими рішеннями та відповідного протоколу автоматизації. Також згадується можливість моделювання "Розумного будинку" у спеціалізованому програмному забезпеченні, як-от Cisco Packet Tracer, для візуалізації та тестування різних сценаріїв взаємодії пристроїв.

      Наступна тема модуля присвячена "Розумній енергетиці" (Smart Energy). Хоча єдиного універсального визначення немає, концепція спрямована на створення енергосистеми нового покоління, яка буде надійною, гнучкою, ефективною та стійкою. Розумна енергосистема використовує технології для покращення виявлення несправностей, самовідновлення мережі, кращої адаптації до двонаправлених потоків енергії від розподілених джерел (наприклад, сонячних панелей, електромобілів), підвищення загальної ефективності через керування попитом та оптимізацію параметрів мережі. Важливими аспектами є керування навантаженням та вирівнювання піків споживання, часто через динамічне ціноутворення залежно від часу доби, що мотивує споживачів адаптувати своє використання енергії. Розумна енергосистема є необхідною умовою для широкого впровадження відновлюваних джерел енергії з їх змінною потужністю. Вона також відкриває нові ринкові можливості та підтримує механізми реагування на попит, дозволяючи генераторам і споживачам взаємодіяти в реальному часі для згладжування коливань. Технології розумної енергосистеми включають інтегровані комунікації, різноманітні датчики та вимірювачі (зокрема, розумні лічильники та вимірювачі фаз), новітні компоненти (надпровідність, зберігання енергії), розподілене керування потоками енергії та інтелектуальне керування (автоматизація, аналітика, системи підтримки рішень). Важливу роль відіграють пристрої обліку, зокрема розумні лічильники, що є частиною передової вимірювальної інфраструктури, яка забезпечує двосторонній зв'язок та дозволяє збирати дані, надсилати команди та підтримувати послуги реагування на попит. Підкреслюються виклики, пов'язані зі зв'язком між пристроями, стандартизацією протоколів та забезпеченням безпеки даних.

      Тема "Розумне виробництво" (Smart Manufacturing) розглядає концепцію цифровізації промислових підприємств для покращення їхньої операційної та бізнес-ефективності. "Розумне" підприємство визначається як контекстно-обізнана виробнича система, що допомагає працівникам та обладнанню, здатною справлятися з процесами в реальному часі за допомогою децентралізованої інформаційно-комунікаційної структури. Воно відрізняється від ширшого поняття "підприємств майбутнього" і фокусується на таких рисах, як "розумна" дія та реагування, інтеграція "оперативних активів" (люди, обладнання) через сенсори, адаптивність, інформаційна доступність, оперативність, екологічність, інтелектуальність персоналу та гнучкий менеджмент. Розумне виробництво є складовою концепції Індустрії 4.0 і базується на використанні таких технологій, як Big Data, автономні роботи, моделювання, системна інтеграція, промисловий Інтернет речей (IIoT), кібербезпека, хмарні обчислення, адитивне виробництво та розширена реальність. Основна ідея полягає в обробці та аналізі даних у реальному часі для забезпечення гнучкості виробництва та масового виробництва індивідуалізованої продукції. Екосистема Інтернету речей у виробництві включає сенсори, системи зв'язку, локальні та глобальні мережі, агрегатори, хмарні сервіси, аналітику даних та безпеку. Важливим компонентом є міжмашинна взаємодія (M2M) – технології, що дозволяють машинам обмінюватися інформацією без участі людини, що є ключовим для автоматизації промислових процесів у так званих "промислових мережах". Розглядаються моделі взаємодії (клієнт-сервер, видавець-передплатник) та особливості промислових мереж, що відрізняються від звичайних комп'ютерних мереж підвищеною стійкістю та надійністю.

      Далі модуль вивчає "Розумну медицину" (Smart Medicine) як результат цифрової трансформації сектору охорони здоров'я із застосуванням технологій ІоТ, аналітики даних, персоналізованих послуг та штучного інтелекту. Концепція "Розумної лікарні" передбачає інтеграцію різних компонентів через ІоТ для підвищення ефективності та можливостей обслуговування, використовуючи датчики для моніторингу стану пацієнтів, обладнання та середовища. Представляється трирівнева архітектура розумної лікарні: рівень сприйняття (збір даних, доступ до мережі), мережевий рівень (передача та інтеграція даних) та рівень додатків (інформатизація та управління лікарнею). Обговорюється важливість стандартів інформатизації (кодування, обмін даними, розробка додатків, бізнес-процеси) для побудови інтелектуальної лікарні. Окремо розглядаються системи моніторингу фізіологічних параметрів та організація психофізіологічного зворотного зв'язку (біофідбеку) як неінвазивної технології, що дозволяє людям усвідомлювати та контролювати свої фізіологічні функції за допомогою приладів та сенсорів. Описуються різні методики біофідбеку (ЕМГ, температурний, електрошкірний, ЕЕГ, дихальний, ВСР) та їх застосування для корекції різних станів. Також згадуються системи моніторингу медичного персоналу та пацієнтів, інтегровані в загальну архітектуру розумної лікарні для відстеження їх місця розташування та стану.

      Остання тема модуля стосується "Розумного міста" (Smart City) як тенденції, зумовленої урбанізацією та впровадженням інформаційно-комунікаційних технологій. Концепція тісно пов'язана з Інтернетом речей та спрямована на оптимізацію міських функцій, стимулювання економічного зростання та покращення якості життя громадян через використання інтелектуальних технологій та аналіз даних. Розумне місто функціонує 24/7, надаючи якісні послуги, і прагне гармонізувати інтереси громадян, бізнесу та влади. Підкреслюється, що це більше, ніж просто встановлення "розумних" пристроїв; ключовим є інтеграція даних з різних джерел (енергетика, транспорт, безпека, екологія тощо) для глибокого аналізу та прийняття рішень. До основних технологій розумного міста відносять автоматизацію, машинне навчання та ІоТ, які застосовуються в різних підсистемах, таких як розумне паркування, управління трафіком, громадський транспорт, енергозбереження, моніторинг навколишнього середовища, громадська безпека та розумні будівлі. Розглядається інтеграція "розумних" технологій в інфраструктуру міста, зокрема досвід України із запровадженням "електронних" та "розумних" міст, наводяться приклади реалізованих проектів у Києві та інших містах, що стосуються електронного урядування, транспорту, безпеки та екології. Також згадуються форуми та ініціативи, що сприяють розвитку концепції "розумного міста" в Україні.


  • Підсумковий тест