Programowanie systemów internetu rzeczy i aplikacji sieciowych

103000 - Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych

PSIR

1

Głównym celem przedmiotu jest zapoznanie studentów z

• programowaniem usług (aplikacji) sieciowych za pomocą API gniazd (kompetencje typu network programmer) oraz

Celem przedmiotu jest zapoznanie studentów(ek) z (a) programowaniem usług (aplikacji) sieciowych za pomocą API gniazd (kompetencje typu network programmer) oraz (b) programowaniem mikrokontrolerowego węzła Internetu Rzeczy i obsługi jego peryferiów (kompetencje typu embedded engineer).

TREŚĆ WYKŁADU

1. Wprowadzenie
   
   • Mapa drogowa. Treść zajęć (przedmiot „w pigułce”). Organizacja przedmiotu.
   • Co to są systemy wbudowane? Specyfika programowania sieciowego i niskopoziomowego. Internet Rzeczy. Specyfika systemów operacyjnych dla IoT. Najpopularniejsze mikrokontrolery, platformy (węzły), języki programowania, systemy operacyjne, abstrakcje programistyczne w dziedzinie systemów wbudowanych. Motywacja: wiedza i umiejętności nabywane na przedmiocie a możliwości rozwoju kariery zawodowej.
2. Oszczędna reprezentacja danych
   • Zaprzyjaźnij się z bajtem! Ile można zyskać, jeśli zwrócimy uwagę na oszczędność pamięci. Przykłady formatów minimalizujących zużycie pamięci i ilość przesyłanych danych.
3. Programowanie aplikacji sieciowych
   • Gniazda BSD. Przypomnienie: (a) stos protokołów TCP/IP, (b) protokoły warstwy transportowej (TCP, UDP) i ich usługi. Architektura klient/serwer. Model programistyczny gniazd. API gniazd w języku C. Klient/serwer z użyciem TCP. Klient/serwer z użyciem UDP.
   • Protokoły warstwy aplikacji. Projektowanie i implementacja, z użyciem API gniazd, własnego prostego protokołu warstwy aplikacji.
   • Wzorce projektowe aplikacji klient-serwer.
4. Programowanie węzłów Internetu Rzeczy (poziom bare metal)
   • Mikrokontrolery. Ograniczone zasoby pamięciowe i energetyczne. Źródła energii.
   • Mechanizmy mikrokontrolera. Reset. Watchdog timer. Przerwania. Układy czasowe (timers). Tryby uśpienia. Pobór energii w różnych trybach uśpienia. Wybudzanie z trybów uśpienia. Wzorce oszczędzania energii.
   • Końcówki i interfejsy mikrokontrolera. GPIO, UART, SPI, I2C, PWM, wejścia i przetworniki analogowe. Przykłady obsługi programowej wspieranych interfejsów. Podłączanie sensorów i elementów wykonawczych do mikrokontrolera. Proste schematy połączeń. Obsługa programowa popularnych sensorów i elementów wykonawczych.
   • Udostępnianie usług sieciowych w platformach mikrokontrolerowych. Przykłady: sterowanie płytką Ethernet Shield dla Arduino, węzeł Internetu Rzeczy z łącznością WiFi.
5. Modele programistyczne w programowaniu węzłów Internetu Rzeczy
   • Abstrakcje i techniki programistyczne w programowaniu systemów wbudowanych, na przykładzie popularnych systemów operacyjnych IoT. Proto-wątki (protothreads). Wątki, cykl życia wątków, metody komunikacji wątków, wywłaszczanie. Programowanie zdarzeniowe (event-driven programming), priorytety przerwań i wątków, programowanie czasu rzeczywistego.

ZAKRES LABORATORIUM

• Tworzenie klienta i serwera z użyciem API gniazd (słowa kluczowe: Linux, TCP, UDP, select(), fork()).
• Prosty węzeł IoT (typu bare metal) z łącznością sieciową, zaopatrzony w sensory i el. wykonawcze (słowa kluczowe: Arduino, UART, UDP, PWM, element wykonawczy, sensor).
• Model programistyczny systemu operacyjnego IoT, ze wsparciem dla aplikacji wielowątkowej i procedur obsługi przerwania (słowa kluczowe: RIOT, ISR, muteks).

ZAKRES PROJEKTU

Projekt polega na zaprojektowaniu i zaimplementowaniu rozproszonej aplikacji sieciowej (np. system inteligencji otocznia z funkcjonalnością zadawaną przez użytkownika za pomocą reguł, gra sieciowa, system monitoringu z wykorzystaniem węzłów IoT lub inna o porównywalnej złożoności). Elementami projektu są m.in.: (a) zapewnienie komunikacji między platformami różnymi co do sprzętu i oprogramowania, (b) opracowanie własnego protokołu warstwy aplikacji, (c) opracowanie oszczędnej binarnej reprezentacji przesyłanych danych. Wybrane ćwiczenia laboratoryjne są pomyślane jako wstęp do realizacji projektu.

• Opracowane przez prowadzących prezentacje wykładowe oraz instrukcje do ćwiczeń laboratoryjnych (udostępnione w formie elektronicznej).

LITERATURA UZUPEŁNIAJĄCA

• C. Bormann, M. Ersue, A. Keranen, “Terminology for Constrained-Node Networks”, IETF RFC 7228, May 2014 (https://datatracker.ietf.org/doc/html/rfc7228).
• Brian "Beej Jorgensen" Hall “Beej's Guide to Network Programming: Using Internet Sockets”, ‎independently published, 2019 (https://beej.us/guide/bgnet/).
• W. R. Stevens, „Programowanie usług sieciowych, tom 1, API: gniazda i XTI”, WNT, 2002.
• Materiały szkoleniowe ze strony https://www.arduino.cc/.
• M. Banzi, „Wprowadzenie do Arduino”, Promise, 2014.
• O. Hahm, E. Baccelli, H. Petersen and N. Tsiftes, “Operating Systems for Low—End Devices in the Internet of Things: A Survey”. IEEE IoT Journal Vol. 3 No. 5, Oct 2016 (https://ieeexplore.ieee.org/document/7347318).
• M. H. Qutqut. A. Al-Sakran, F. Almasalha, H. S. Hassanein, “Comprehensive Survey of the IoT Open-source OSs”. In IET Wireless Sensor Systems, 2018, Vol. 8, Issue 6. pp. 323-339 (https://ietresearch.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1049/iet-wss.2018.5033).
• Materiały szkoleniowe ze strony https://www.riot-os.org/.
• Materiały szkoleniowe ze strony https://www.freertos.org/.
• T. Francuz, „AVR. Układy peryferyjne”, Helion, 2014.
• M. Schwartz, "Internet of Things with ESP8266”, Packt Publishing, 2016.
• E. Upton, G. Halfacree, „Raspberry Pi. Przewodnik użytkownika”, wydanie III, Helion, 2015.

OPROGRAMOWANIE

• GCC, the GNU Compiler Collection (https://gcc.gnu.org/ )
• Arduino IDE (https://www.arduino.cc/)
• PlatformIO, „an open source ecosystem for IoT development” (https://platformio.org/)
• RIOT, „the friendly OS for the Internet of Things” https://riot-os.org/

103600 - Instytut Telekomunikacji

103600 - Instytut Telekomunikacji

103600 - Instytut Telekomunikacji

103600 - Instytut Telekomunikacji