Μελέτη δομής, οργάνωσης και διασύνδεσης συστημάτων IoT και αρμονικής συνεργασίας των πρωτοκόλλων επικοινωνίας. Πρόταση διδασκαλίας της υλοποίησης εφαρμογών με Node red

Abstract

Στην παρούσα διπλωματική εργασία επιλέχτηκε να αξιοποιηθούν τεχνολογίες, πρωτόκολλα και δίκτυα επικοινωνιών που είναι σε άμεση εφαρμογή και θα επεκταθούν στο άμεσο μέλλον. Οι τεχνολογίες αυτές, προσαρμόστηκαν στη σύγχρονη κατοικία της οποίας οι συσκευές είναι συμβατικού (παλαιού) τύπου, δηλαδή δεν διαθέτουν interface IoT, όπως θα έχουν οι μελλοντικές. Έτσι οι προτάσεις μας είναι εφαρμόσιμες δίνοντας στην κατοικία άμεση λειτουργική εφαρμογή. Αν και το σύνολο πραγματοποιήθηκε σε φορητό υπολογιστή κάτω από το λειτουργικό windows, εντούτοις για λόγους οικονομίας και οικολογίας, επιλέχθηκε ως μόνιμα συνδεδεμένο MQTT broker το μικροϋπολογιστικό σύστημα Raspberry Pi 3 που συνδυάζει τα πλεονεκτήματα της πολύ χαμηλής κατανάλωσης (~5w) και του χαμηλού κόστους απόκτησης. Λαμβάνοντας υπόψη τα πιο πάνω, η παρούσα εργασία εκπονήθηκε με σκοπό να διδάξει πως μέσα από τις εφαρμογές των IoT μπορούμε να έρθουμε σε επαφή (να αγγίξουμε) το φυσικό περιβάλλον επιλέγοντας τον κατάλληλο αισθητήρα. Να διδάξει πως το φυσικό μέγεθος μετατρέπεται σε αντίστοιχο ηλεκτρικό σήμα και στη συνέχεια σε αριθμητικό μέγεθος, το οποίο μεταφέρεται, «ταξιδεύει», μέσα στο διαδίκτυο σε μορφή πακέτων του πρωτοκόλλου TCP/IP που περιέχουν ως χρήσιμο φορτίο ASCII χαρακτήρες και οδηγούνται στη διεπαφή (interface) με τον τελικό χρήστη, σε εικονοποιημένη μορφή με αξιοποίηση του NODE-RED. Για να επιτευχθούν όλα αυτά στη διδασκαλία του μαθήματος της εκπαίδευσης στην πληροφορική, παρουσιάζεται αριθμός αισθητήρων και διδάσκεται ο τρόπος λειτουργίας τους, δηλαδή πως ο καθένας από αυτούς πρέπει να συνδέεται για να “αισθάνεται” το προς διερεύνηση αντίστοιχο φυσικό μέγεθος. Δηλαδή πως το φυσικό μέγεθος μετατρέπεται σε ηλεκτρικό σήμα, πως λαμβάνεται στην κατάλληλα οργανωμένη είσοδο του μικροελεγκτή, το οποίο αξιοποιούμε με το κατάλληλα οργανωμένο λογισμικό, γραμμένο στη γλώσσα προγραμματισμού που επιλέχθηκε γι’ αυτό το σκοπό. Είναι απαραίτητο να διδαχθούν οι κατάλληλες γλώσσες προγραμματισμού που είναι συμβατές με μικροσυστήματα. Στη συγκεκριμένη εφαρμογή επιλέχτηκαν οι γλώσσες C/C++, PYTHON (MicroPython), και LUA. Στη συνέχεια αξιοποιήθηκαν οι τεχνολογίες διαδικτυακής επικοινωνίας έχοντας ως πυρήνα το πρωτόκολλο TCP/IP. Τη διαχείριση/διανομή των πληροφοριών, στην παρούσα εργασία, αναλαμβάνει ο MQTT broker που αν και στη διάρκεια της μελέτης και ανάπτυξης ενεργοποιήθηκε στο φορητό υπολογιστή (laptop), εντούτοις, για λόγους που ήδη αναφέρθηκαν, θα τρέχει σε πλακέτα μικροϋπολογιστή Raspberry Pi 3, επειδή με αυτόν το τρόπο ο broker, μπορεί να διατηρηθεί σε συνεχή αδιάλειπτη λειτουργία. iii Στη συνέχεια παρουσιάζεται η δομή διεπαφής, (επικοινωνία) ανθρώπου – μηχανής σε φορητές συσκευές, όπως smartphones και tablets, οργανώνοντας το αντίστοιχο γραφιστικό περιβάλλον αξιοποιώντας την τεχνολογία λογισμικού Node-Red. Σκοπός είναι η παρούσα εργασία να εμπεριέχει έμπρακτη διδασκαλία της πληροφορικής στο πεδίο του Διαδικτύου των Πραγμάτων. Για αυτό το λόγο εστιάζουμε στην επιλογή αισθητήρων που αλληλεπιδρούν με το περιβάλλον και μας παρέχουν τις απαραίτητες πληροφορίες των φυσικών μεγεθών με τη μορφή ηλεκτρικών σημάτων. Παρουσιάζουμε πως αξιοποιούνται οι διατάξεις μικροελεγκτών τύπου Αrduino, NodeMCU ESP8266 και ESP32 που από την έρευνά μας διαπιστώθηκε ότι έχουν τη μέγιστη εξάπλωση. Εφαρμόζουμε την τεχνολογία PUB/SUB του πρωτοκόλλου MQTT αξιοποιώντας την υλοποίηση Mosquitto. Δείχνουμε ποιες είναι οι συνιστώμενες γλώσσες προγραμματισμού για αυτό το σκοπό, καθώς επίσης και το συνιστώμενο εργαλείο Node-Red που συνδέει τη γραφιστική απεικόνιση στην οθόνη των φορητών συσκευών, με τη φυσική λειτουργία (action), των συστημάτων ΙοΤ.

In this diploma we have chosen to use technologies, protocols and communication networks that are in direct use and will expand in the future topicality. These technologies have been adapted to a modern home whose devices are of a conventional (old) type, they do not have an IoT interface, as will in future. So our proposals are applicable by giving the house immediate operational and value. Although the set was made on a laptop computer under the windows, however, for reasons of economy and ecology, the Raspberry Pi 3 microcomputer, combining the advantages of very low consumption (5w) and low cost acquisition, was chosen as a permanently connected MQTT broker. These technologies have been adapted to a modern home whose devices are of a conventional (old) type, they do not have an IoT interface, as will the future. So our proposals are applicable by giving the house immediate operational and value. Although the set was made on a laptop computer under the windows, however, for reasons of economy and ecology, the Raspberry Pi 3 microcomputer, combining the advantages of very low consumption (5w) and low cost acquisition, was chosen as a permanently connected MQTT broker. Considering the above, this paper was designed to teach that through IoT applications we can touch the natural environment by selecting the appropriate sensor. To teach that physical size is transformed into a corresponding electrical signal and then to a numeric size that is transported in the Internet in TCP/IP packet format containing ASCII characters and is led to the interface with the final user, in pictographic form. In order to achieve this in teaching computer literacy, a number of sensors must be presented and learned how each of them will correspond and "feel" the physical size to be explored. That is, the physical size is transformed into an electrical signal, as is obtained at the properly organized microcontroller input, which we use with properly organized software written in the programming language chosen for this purpose. It is essential to learn the appropriate programming languages that are compatible with microsystems. In this application, C/C ++, PYTHON (MicroPython), and LUA is used. Then, the Internet communication technologies have been exploited, having as core the TCP/IP protocol. The management/distribution of information in the present work is undertaken by the MQTT broker which, although for the purposes of the survey, was activated on the laptop, however, for reasons already mentioned, will run on a Raspberry Pi 3 microprocessor because it the way the broker can be kept in continuous uninterrupted operation. v The human-to-machine interface for portable devices such as smartphones and tablets was then presented, organizing the corresponding graphical environment utilizing Node-Red software technology. The aim is to present a practical teaching of informatics. For this reason we focused on the choice of sensors that interact with the environment and provide us with the necessary information of physical sizes in the form of electrical signals. We have shown how the microcontrollers of the Arduino AVR, NodeMCU ESP8266 and ESP32 microcontrollers are exploited, which are the most expandable in our research. We show what are the recommended programming languages for this purpose, as well as the recommended Node-Red tool that links (connects), graphic design to the portable device display with the action (physical operation) of the IOT systems.