co-op-translator[bot]
7b6699135a
|
4 weeks ago | |
|---|---|---|
| .. | ||
| README.md | 4 weeks ago | |
| assignment.md | 4 weeks ago | |
| pi.md | 4 weeks ago | |
| virtual-device.md | 4 weeks ago | |
| wio-terminal.md | 4 weeks ago | |
README.md
Введение в IoT
Скетчноут от Nitya Narasimhan. Нажмите на изображение, чтобы увидеть его в большем размере.
Этот урок был проведен в рамках серии Hello IoT от Microsoft Reactor. Урок состоял из двух видео: часового занятия и часовой сессии вопросов и ответов, где более подробно рассматривались части урока.
🎥 Нажмите на изображения выше, чтобы посмотреть видео
Тест перед лекцией
Введение
Этот урок охватывает основные темы, связанные с Интернетом вещей (IoT), и помогает вам настроить ваше оборудование.
В этом уроке мы рассмотрим:
- Что такое «Интернет вещей»?
- Устройства IoT
- Настройка вашего устройства
- Применение IoT
- Примеры устройств IoT вокруг вас
Что такое «Интернет вещей»?
Термин «Интернет вещей» был введен Кевином Эштоном в 1999 году для обозначения подключения Интернета к физическому миру через датчики. С тех пор этот термин используется для описания любых устройств, которые взаимодействуют с окружающим физическим миром, либо собирая данные с помощью датчиков, либо обеспечивая взаимодействие с реальным миром через актуаторы (устройства, которые выполняют действия, например, включают выключатель или зажигают светодиод), обычно подключенные к другим устройствам или Интернету.
Датчики собирают информацию из окружающего мира, например, измеряют скорость, температуру или местоположение.
Актуаторы преобразуют электрические сигналы в действия в реальном мире, такие как включение выключателя, зажигание света, создание звуков или отправка управляющих сигналов другим устройствам, например, для включения розетки.
IoT как технологическая область включает не только устройства, но и облачные сервисы, которые могут обрабатывать данные с датчиков или отправлять запросы актуаторам, подключенным к IoT-устройствам. Также сюда входят устройства, которые не имеют или не нуждаются в подключении к Интернету, часто называемые периферийными устройствами. Эти устройства могут самостоятельно обрабатывать и реагировать на данные с датчиков, обычно используя модели ИИ, обученные в облаке.
IoT — это быстрорастущая технологическая область. По оценкам, к концу 2020 года было развернуто и подключено к Интернету 30 миллиардов IoT-устройств. В будущем, по прогнозам, к 2025 году IoT-устройства будут собирать почти 80 зеттабайт данных, или 80 триллионов гигабайт. Это огромное количество данных!
✅ Проведите небольшое исследование: Какой объем данных, генерируемых IoT-устройствами, действительно используется, а какой — игнорируется? Почему так много данных остается неиспользованными?
Эти данные — ключ к успеху IoT. Чтобы стать успешным разработчиком IoT, вам нужно понимать, какие данные необходимо собирать, как их собирать, как принимать решения на их основе и как использовать эти решения для взаимодействия с физическим миром, если это необходимо.
Устройства IoT
T в IoT означает Things («вещи») — устройства, которые взаимодействуют с физическим миром вокруг них, либо собирая данные с помощью датчиков, либо обеспечивая взаимодействие с реальным миром через актуаторы.
Устройства для производственного или коммерческого использования, такие как фитнес-трекеры для потребителей или промышленные контроллеры машин, обычно изготавливаются на заказ. Они используют индивидуальные печатные платы, а иногда и процессоры, разработанные для выполнения конкретных задач, будь то компактность для ношения на запястье или прочность для работы в условиях высокой температуры, стресса или вибрации на производстве.
Как разработчику, изучающему IoT или создающему прототип устройства, вам нужно будет начать с набора для разработчиков. Это универсальные IoT-устройства, предназначенные для использования разработчиками, часто с функциями, которые отсутствуют в серийных устройствах, например, набор внешних контактов для подключения датчиков или актуаторов, оборудование для отладки или дополнительные ресурсы, которые увеличили бы стоимость при массовом производстве.
Эти наборы для разработчиков обычно делятся на две категории — микроконтроллеры и одноплатные компьютеры. Они будут представлены здесь, а в следующем уроке мы рассмотрим их более подробно.
💁 Ваш телефон также можно считать универсальным IoT-устройством, с встроенными датчиками и актуаторами, которые используются различными приложениями по-разному с разными облачными сервисами. Вы даже можете найти некоторые уроки по IoT, где телефонное приложение используется как IoT-устройство.
Микроконтроллеры
Микроконтроллер (также называемый MCU, сокращение от microcontroller unit) — это небольшой компьютер, состоящий из:
🧠 Одного или нескольких центральных процессоров (CPU) — «мозга» микроконтроллера, который выполняет вашу программу
💾 Памяти (RAM и памяти программы) — где хранятся ваша программа, данные и переменные
🔌 Программируемых входов/выходов (I/O) — для взаимодействия с внешними устройствами (подключенными устройствами), такими как датчики и актуаторы
Микроконтроллеры обычно являются недорогими вычислительными устройствами, средняя стоимость которых для использования в индивидуальном оборудовании составляет около 0,50 доллара США, а некоторые устройства стоят всего 0,03 доллара США. Наборы для разработчиков могут стоить от 4 долларов США, а их стоимость увеличивается с добавлением дополнительных функций. Wio Terminal, набор для разработчиков микроконтроллеров от Seeed Studios, который имеет датчики, актуаторы, WiFi и экран, стоит около 30 долларов США.
💁 При поиске микроконтроллеров в Интернете будьте осторожны с термином MCU, так как он может привести к множеству результатов, связанных с Кинематографической вселенной Marvel, а не с микроконтроллерами.
Микроконтроллеры предназначены для выполнения ограниченного числа очень специфических задач, а не для использования в качестве универсальных компьютеров, таких как ПК или Mac. За исключением очень специфических сценариев, вы не сможете подключить к ним монитор, клавиатуру и мышь для выполнения общих задач.
Наборы для разработчиков микроконтроллеров обычно поставляются с дополнительными встроенными датчиками и актуаторами. Большинство плат имеют один или несколько программируемых светодиодов, а также другие устройства, такие как стандартные разъемы для подключения дополнительных датчиков или актуаторов через экосистемы различных производителей или встроенные датчики (обычно самые популярные, такие как датчики температуры). Некоторые микроконтроллеры имеют встроенную беспроводную связь, такую как Bluetooth или WiFi, или дополнительные микроконтроллеры на плате для добавления этой связи.
💁 Микроконтроллеры обычно программируются на C/C++.
Одноплатные компьютеры
Одноплатный компьютер — это небольшое вычислительное устройство, которое содержит все элементы полноценного компьютера на одной небольшой плате. Эти устройства имеют характеристики, близкие к настольным или портативным ПК или Mac, работают под управлением полноценной операционной системы, но при этом меньше по размеру, потребляют меньше энергии и значительно дешевле.
Raspberry Pi — один из самых популярных одноплатных компьютеров.
Как и микроконтроллер, одноплатные компьютеры имеют процессор, память и входы/выходы, но также обладают дополнительными функциями, такими как графический чип для подключения мониторов, аудиовыходы и USB-порты для подключения клавиатур, мышей и других стандартных USB-устройств, таких как веб-камеры или внешние накопители. Программы хранятся на SD-картах или жестких дисках вместе с операционной системой, а не на встроенном в плату чипе памяти.
🎓 Одноплатный компьютер можно рассматривать как уменьшенную и удешевленную версию ПК или Mac, на котором вы читаете этот текст, с добавлением GPIO (универсальных входов/выходов) для взаимодействия с датчиками и актуаторами.
Одноплатные компьютеры являются полноценными компьютерами, поэтому их можно программировать на любом языке. Устройства IoT обычно программируются на Python.
Выбор оборудования для следующих уроков
Все последующие уроки включают задания с использованием IoT-устройства для взаимодействия с физическим миром и связи с облаком. Каждый урок поддерживает 3 варианта устройств — Arduino (с использованием Seeed Studios Wio Terminal) или одноплатный компьютер, либо физическое устройство (например, Raspberry Pi 4), либо виртуальный одноплатный компьютер, работающий на вашем ПК или Mac.
Вы можете ознакомиться с оборудованием, необходимым для выполнения всех заданий, в руководстве по оборудованию.
💁 Вам не нужно приобретать оборудование IoT для выполнения заданий, вы можете использовать виртуальный одноплатный компьютер.
Какое оборудование выбрать — зависит от того, что у вас есть дома или в школе, а также от того, какой язык программирования вы знаете или планируете изучать. Оба варианта оборудования используют одну и ту же экосистему датчиков, поэтому, начав с одного варианта, вы можете переключиться на другой, не заменяя большую часть набора. Виртуальный одноплатный компьютер эквивалентен обучению на Raspberry Pi, и большая часть кода будет совместима с Pi, если вы в будущем приобретете устройство и датчики.
Набор для разработчиков Arduino
Если вы хотите изучать разработку микроконтроллеров, вы можете выполнять задания, используя устройство Arduino. Вам потребуется базовое понимание программирования на C/C++, так как уроки будут охватывать только код, относящийся к фреймворку Arduino, используемым датчикам и актуаторам, а также библиотекам для взаимодействия с облаком.
Задания будут выполняться с использованием Visual Studio Code с расширением PlatformIO для разработки микроконтроллеров. Вы также можете использовать Arduino IDE, если у вас есть опыт работы с этим инструментом, так как инструкции по нему предоставляться не будут.
Набор для разработчиков одноплатных компьютеров
Если вы хотите изучать разработку IoT с использованием одноплатных компьютеров, вы можете выполнять задания, используя Raspberry Pi или виртуальное устройство, работающее на вашем ПК или Mac.
Вам потребуется базовое понимание программирования на Python, так как уроки будут охватывать только код, относящийся к используемым датчикам и актуаторам, а также библиотекам для взаимодействия с облаком.
💁 Если вы хотите изучить программирование на Python, обратите внимание на следующие два видеокурса:
Задания будут выполняться с использованием Visual Studio Code.
Если вы используете Raspberry Pi, вы можете либо работать с полной настольной версией Raspberry Pi OS и писать код прямо на Pi, используя версию VS Code для Raspberry Pi OS, либо использовать Pi как устройство без экрана и писать код с вашего ПК или Mac, используя VS Code с расширением Remote SSH, которое позволяет подключаться к Pi и редактировать, отлаживать и запускать код, как если бы вы работали на нем напрямую.
Если вы используете виртуальное устройство, вы будете писать код прямо на своем компьютере. Вместо работы с датчиками и актуаторами вы будете использовать инструмент для их симуляции, задавая значения датчиков и наблюдая результаты работы актуаторов на экране.
Настройка вашего устройства
Прежде чем приступить к программированию вашего IoT-устройства, вам нужно будет выполнить небольшую настройку. Следуйте соответствующим инструкциям в зависимости от того, какое устройство вы будете использовать. 💁 Если у вас еще нет устройства, обратитесь к руководству по оборудованию, чтобы определиться, какое устройство вы собираетесь использовать и какое дополнительное оборудование нужно приобрести. Покупать оборудование необязательно, так как все проекты можно запускать на виртуальном оборудовании. Эти инструкции включают ссылки на сторонние веб-сайты, созданные разработчиками оборудования или инструментов, которые вы будете использовать. Это сделано для того, чтобы вы всегда пользовались самыми актуальными инструкциями для различных инструментов и оборудования.
Пройдите соответствующее руководство, чтобы настроить ваше устройство и завершить проект "Hello World". Это будет первым шагом в создании IoT-ночника в рамках 4 уроков этой вводной части.
- Arduino - Wio Terminal
- Одноплатный компьютер - Raspberry Pi
- Одноплатный компьютер - Виртуальное устройство
✅ Вы будете использовать VS Code как для Arduino, так и для одноплатных компьютеров. Если вы раньше не работали с этим инструментом, прочитайте больше о нем на сайте VS Code.
Применение IoT
IoT охватывает огромное количество вариантов использования, которые можно разделить на несколько широких категорий:
- Потребительский IoT
- Коммерческий IoT
- Промышленный IoT
- Инфраструктурный IoT
✅ Небольшое исследование: Для каждой из описанных ниже областей найдите один конкретный пример, который не упоминается в тексте.
Потребительский IoT
Потребительский IoT относится к устройствам IoT, которые покупают и используют дома. Некоторые из этих устройств невероятно полезны, например, умные колонки, системы умного отопления и роботизированные пылесосы. Другие вызывают сомнения в своей полезности, например, краны с голосовым управлением, которые невозможно выключить, если голосовое управление не слышит вас из-за шума текущей воды.
Устройства потребительского IoT помогают людям достигать большего в их окружении, особенно 1 миллиарду людей с инвалидностью. Роботизированные пылесосы могут обеспечивать чистоту полов для людей с ограниченной подвижностью, которые не могут пылесосить самостоятельно, духовки с голосовым управлением позволяют людям с ограниченным зрением или моторным контролем включать духовку с помощью голоса, а медицинские мониторы позволяют пациентам самостоятельно отслеживать хронические заболевания с более частыми и детализированными обновлениями о состоянии здоровья. Эти устройства становятся настолько повсеместными, что даже маленькие дети используют их в повседневной жизни, например, школьники, обучающиеся дистанционно во время пандемии COVID, устанавливают таймеры на умных устройствах для отслеживания школьных заданий или напоминаний о предстоящих занятиях.
✅ Какие устройства потребительского IoT есть у вас дома или при вас?
Коммерческий IoT
Коммерческий IoT охватывает использование IoT на рабочем месте. В офисе могут быть датчики присутствия и движения для управления освещением и отоплением, чтобы включать их только тогда, когда это необходимо, снижая затраты и выбросы углерода. На фабрике устройства IoT могут следить за соблюдением техники безопасности, например, за тем, чтобы рабочие носили каски, или за уровнем шума, который достиг опасных значений. В розничной торговле устройства IoT могут измерять температуру в холодильниках, предупреждая владельца магазина, если температура выходит за допустимые пределы, или отслеживать наличие товаров на полках, чтобы направлять сотрудников для пополнения запасов. Транспортная отрасль все больше полагается на IoT для мониторинга местоположения транспортных средств, отслеживания пробега для дорожных сборов, соблюдения водителями режима труда и отдыха или уведомления персонала о приближении транспортного средства к складу для подготовки к погрузке или разгрузке.
✅ Какие устройства коммерческого IoT есть в вашей школе или на рабочем месте?
Промышленный IoT (IIoT)
Промышленный IoT, или IIoT, — это использование устройств IoT для управления и контроля оборудования в крупных масштабах. Это охватывает широкий спектр вариантов использования, от заводов до цифрового сельского хозяйства.
На заводах устройства IoT используются по-разному. Оборудование может быть оснащено множеством датчиков для отслеживания температуры, вибрации и скорости вращения. Эти данные можно использовать для остановки машины, если она выходит за пределы допустимых значений, например, если она перегревается. Эти данные также можно анализировать с течением времени для проведения предиктивного обслуживания, когда модели ИИ анализируют данные, предшествующие сбою, и используют их для прогнозирования других сбоев до их возникновения.
Цифровое сельское хозяйство важно для того, чтобы прокормить растущее население планеты, особенно для 2 миллиардов людей в 500 миллионах домохозяйств, которые живут за счет натурального хозяйства. Цифровое сельское хозяйство может варьироваться от недорогих датчиков до крупных коммерческих установок. Фермер может начать с мониторинга температуры и использования тепловых единиц роста для прогнозирования времени сбора урожая. Они могут подключить датчики влажности почвы к автоматизированным системам полива, чтобы давать растениям столько воды, сколько нужно, но не больше, чтобы избежать пересыхания урожая и не тратить воду впустую. Фермеры идут еще дальше, используя дроны, спутниковые данные и ИИ для мониторинга роста урожая, заболеваний и качества почвы на огромных территориях.
✅ Какие еще устройства IoT могли бы помочь фермерам?
Инфраструктурный IoT
Инфраструктурный IoT занимается мониторингом и управлением местной и глобальной инфраструктурой, которую люди используют ежедневно.
Умные города — это городские территории, которые используют устройства IoT для сбора данных о городе и их использования для улучшения его функционирования. Такие города обычно управляются в сотрудничестве местных властей, академических кругов и местного бизнеса, отслеживая и управляя такими аспектами, как транспорт, парковка и загрязнение. Например, в Копенгагене, Дания, загрязнение воздуха важно для местных жителей, поэтому оно измеряется, а данные используются для предоставления информации о самых чистых маршрутах для велосипедистов и бегунов.
Умные энергосети позволяют лучше анализировать спрос на электроэнергию, собирая данные об использовании на уровне отдельных домов. Эти данные могут помочь принимать решения на уровне страны, например, где строить новые электростанции, а также на личном уровне, предоставляя пользователям информацию о том, сколько энергии они используют, когда они это делают, и даже рекомендации по снижению затрат, например, зарядка электромобилей ночью.
✅ Если бы вы могли добавить устройства IoT для измерения чего-либо в вашем районе, что бы это было?
Примеры устройств IoT, которые могут быть вокруг вас
Вы будете удивлены, узнав, сколько устройств IoT находится вокруг вас. Я пишу это из дома, и у меня есть следующие устройства, подключенные к Интернету с умными функциями, такими как управление через приложение, голосовое управление или возможность отправлять данные на мой телефон:
- Несколько умных колонок
- Холодильник, посудомоечная машина, духовка и микроволновка
- Электрический монитор для солнечных панелей
- Умные розетки
- Видеодомофон и камеры безопасности
- Умный термостат с несколькими датчиками для комнат
- Открывалка для гаражных ворот
- Домашние развлекательные системы и телевизоры с голосовым управлением
- Освещение
- Трекеры здоровья и фитнеса
Все эти устройства имеют датчики и/или исполнительные механизмы и подключены к Интернету. Я могу узнать через телефон, открыт ли мой гараж, и попросить умную колонку закрыть его за меня. Я даже могу установить таймер, чтобы он автоматически закрывался ночью, если останется открытым. Когда звонит мой дверной звонок, я могу увидеть, кто там, через телефон, где бы я ни находился, и поговорить с ними через динамик и микрофон, встроенные в звонок. Я могу отслеживать уровень глюкозы в крови, частоту сердцебиения и режим сна, анализируя данные для улучшения здоровья. Я могу управлять освещением через облако и сидеть в темноте, если пропадает подключение к Интернету.
🚀 Задание
Перечислите как можно больше устройств IoT, которые есть у вас дома, в школе или на рабочем месте — их может быть больше, чем вы думаете!
Викторина после лекции
Обзор и самостоятельное изучение
Изучите преимущества и недостатки потребительских IoT-проектов. Проверьте новостные сайты на наличие статей о случаях, когда что-то пошло не так, например, проблемы с конфиденциальностью, аппаратные сбои или проблемы, вызванные отсутствием подключения.
Некоторые примеры:
- Ознакомьтесь с аккаунтом в Twitter Internet of Sh*t (предупреждение о ненормативной лексике) для примеров неудач в потребительском IoT.
- c|net - Мои Apple Watch спасли мне жизнь: 5 человек делятся своими историями
- c|net - Техник ADT признал вину в шпионаже за клиентами через камеры (предупреждение о триггерах - неконсенсуальное наблюдение)
Задание
Отказ от ответственности:
Этот документ был переведен с помощью сервиса автоматического перевода Co-op Translator. Несмотря на наши усилия обеспечить точность, автоматические переводы могут содержать ошибки или неточности. Оригинальный документ на его исходном языке следует считать авторитетным источником. Для получения критически важной информации рекомендуется профессиональный перевод человеком. Мы не несем ответственности за любые недоразумения или неправильные интерпретации, возникшие в результате использования данного перевода.