Исследование и оптимизация алгоритмов сети интернета вещей

ВВЕДЕНИЕ 6
1 ПРОБЛЕМА ТЕСТИРОВАНИЯ И ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА В СФЕРЕ ИНТЕРНЕТА ВЕЩЕЙ 9
1.1 Общая характеристика интернета вещей 9
1.2 Тестирование систем Интернета вещей. Использование имитационного моделирования 14
1.3 Технологии интернета вещей и их применение в имитационном моделировании 17
1.4 Парадигма потокового программирования. Инструмент разработки Node-RED 18
1.5 Облачные технологии и Интернет вещей. Yandex IoT Core 24
1.6 Выводы по разделу 27
2 ЗАДАЧА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ УМНОГО ДОМА 28
2.1 Системы управления энергопотреблением 28
2.1.1 Среда работы систем управления энергопотреблением 30
2.1.2 Основные компоненты 34
2.2 Требования и показатели качества 36
2.3 Возможные подходы к обеспечению эффективности использования энергии 38
2.3.1 Анализ основных подходов 39
2.3.2 Структура эксперимента по выделению наиболее перспективных подходов 41
2.4 Выводы по разделу 42
3 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ YANDEX IOT CORE-RED ДЛЯ ТЕСТИРОВАНИЯ СИСТЕМ ИНТЕРНЕТА ВЕЩЕЙ 43
3.1 Имитационная модель окружающей среды 43


3.2 Оценка работы тестируемой системы. Проведение экспериментов 52
3.3 Генерация показаний датчиков с помощью Node-RED 55
3.4 Разработка и подключение тестируемой системы 57
3.5 Пользовательский интерфейс. Возможности по конфигурации системы пользователем 59
3.6 Выводы по разделу 63
4 ПРОВЕДЕНИЕ ИМИТАЦИОННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ. ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ 64
4.1 Имитационные эксперименты 64
4.2 Выводы в области управления энергопотреблением 70
4.3 Анализ использования Node-RED и Yandex IoT Core 73
4.4 Выводы по разделу 77
5 ОРГАНИЗАЦИОННО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ 78
5.1 Основные статьи расходов при разработке программы 78
5.2 Расчет трудоемкости разработки программного обеспечения 79
5.3 Расчет затрат на разработку программного кода 83
5.4 Дополнительные статьи расходов 84
5.5 Результирующая таблица себестоимости 87
5.6 Выводы по разделу 87
6 БЕЗОПАСНОСТЬ И ЭКОЛОГИЧНОСТЬ ПРОЕКТА 88
6.1 Основные опасные и вредные факторы на рабочем месте 89
6.2 Общие мероприятия по обеспечению безопасности на рабочем месте 91
6.3 Выводы по разделу 99
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 100
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 102
ПРИЛОЖЕНИЕ А 105
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 106
ПРИЛОЖЕНИЕ В 108
ПРИЛОЖЕНИЕ Г 109

Весь текст будет доступен после покупки

Развитие информационных технологий в последние десятилетия привело к появлению такой концепции, как интернет вещей. В то время как привычный интернет связывает компьютеры, в рамках новой идеи к нему подключаются и обычные вещи: осветительное оборудование, бытовые приборы, отопительные системы, автомобили и другие. Предполагается, что внедрение глобального интернета вещей приведет к новому будущему. Станет возможным получить доступ к данным в ранее невиданных масштабах, что, в свою очередь, приведет к оптимизации и автоматизации многих процессов реального мира. В каком-то смысле переход к интернету вещей является логическим продолжением информатизации и компьютеризации всех сфер жизни человека. При всех преимуществах, которые несут системы интернета вещей, при внедрении подобных систем разработчики сталкиваются с рядом сложностей. Как и любая развивающаяся сфера, интернет вещей страдает от недостатка стандартизации и отсутствия общепринятых инструментов. Разработка систем интернета вещей сопряжена с уникальными сложностями, связанными с их погруженностью в поток данных окружающей среды. При этом нередко необходимо обеспечить корректность работы систем, поскольку особенностью среды их работы является высокая степень ответственности. Поэтому необходимо исследование подходов к тестированию и изучению таких систем.
Степень разработанности темы. В области Интернета Вещей и беспроводных сенсорных сетей известны основополагающие работы отечественных и зарубежных ученых Б.С.Гольдштейна, Р.А.Бельфера, А.Е.Кучерявого, Е.А.Кучерявого, Д.А.Молчанова, В.А.Мочалова, А.В.Рослякова, А.П.Пшеничникова, К.Е.Самуйлова, В.К.Сарьяна, В.Н.Туруты, М.А.Шнепса, I.Akyildiz, W.Heinzelman, J.V.Nickerson, S.Olariu, T.Bhattassali, R.Chaki, S.Sanyal. Тема данной работы относится к исследованиям вторжений в беспроводные сенсорные сети, имеющих своей целью уменьшение жизненного цикла сети. В этой связи можно отметить работы T.Bhattassali, R.Chaki, S.Sanyal, в которых уменьшение жизненного цикла сенсорной сети достигалось за счет лишения сенсорных узлов спящего режима.
Цель и задачи работы. Целью работы является исследование и оптимизация алгоритмов работы сети Интернета вещей. Для достижения поставленных целей в выпускной квалификационной работе последовательно решаются следующие задачи:
1. Изучение концепции интернета вещей и основные особенности этой сферы, включая анализ качества программных продуктов.
2. Рассмотрение проблемы тестирования систем интернета вещей с особенным фокусом на использование имитационного моделирования, а также возможность использования Node-RED и Yandex IoT Core.
3. Проведение анализа использования домашней автоматизации для управления энергопотреблением, включая среду их работы, основные компоненты.
4. Описание основных подходов к обеспечению эффективности использования энергии.
5. На основе выделенных компонентов создание математической модели показателей окружающей среды, использующихся для управления потреблением энергии.
6. Разработка системы тестирования и моделирования систем интернета вещей с использованием Node-RED и Yandex IoT Core.
7. Проведение имитационный эксперимент в сфере управления энергопотреблением с анализом его результатов.
Теоретическая и практическая значимость исследования. Теоретическая значимость работы состоит в исследовании возможности применения инструмента разработки Node-RED и облачного сервиса Yandex IoT Core в сфере интернета вещей, а также в разработке подхода к моделированию и тестированию систем интернета вещей с их использованием.
Защищаемые положения:
1. Разработана программа для имитационного моделирования систем интернета вещей с использованием Node-RED и Yandex IoT Core.
2. Сформулированы рекомендации по применению нескольких подходов к обеспечению энергоэффективности на основе проведенных экспериментов.
Структура и объем выпускной квалификационной работы. Работа состоит из введения, 6 глав, заключения, списка используемых источников и приложения. Работа иллюстрируется таблицами, диаграммами и рисунками. Общий объем работы составляет 110 страниц.

Весь текст будет доступен после покупки

1 ПРОБЛЕМА ТЕСТИРОВАНИЯ И ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА В СФЕРЕ ИНТЕРНЕТА ВЕЩЕЙ

1.1 Общая характеристика Интернета вещей
Развитие микроэлектроники привело к миниатюризации и удешевлению электронных компонент, благодаря чему стало возможным встраивать компьютерные чипы в различные вещи, а также использовать множество миниатюрных датчиков. Коммуникационные компоненты подобных устройств позволили объединять их в одну сеть для обмена данными и командами. Так появилась концепция интернета вещей.
Каждая вещь по отдельности может предложить некоторую долю автоматизации: например, лампочка в комнате может включаться по датчику движения. Но в интернете вещей предметы объединены в систему, способную учитывать большее количество факторов одновременно. Последствием такой конфигурации является доступность информации для проведения анализа и принятия решений. Так, интернет вещей позволяет автоматизировать и оптимизировать процессы, к которым он применяется, что во многом снимает нагрузку и ответственность с пользователя, что особенно полезно в сферах, требующих постоянного контроля. Довольно часто системы интернета вещей предназначены для оказания фоновой поддержки или слежения за различными ежедневными процессами.
В качестве модели для описания работы систем интернета вещей предлагается обработка потока данных. Центральной частью рабочего цикла системы является реакция на приходящие события, но стоит отметить, что не все датчики работают по такой модели: порой контролирующее устройство может получать наблюдаемые данные через фиксированные промежутки времени. Таким образом, система постепенно пропускает через себя приходящие данные, принимая решения о том, какие команды отправлять подконтрольным устройствам при наличии такой необходимости. Помимо этого, отдельным требованием является хранение получаемых данных, чтобы в дальнейшем использовать их для анализа.

Весь текст будет доступен после покупки

1. Левенцов, В.А. Аспекты концепции «Индустрия 4.0» в части проектирования производственных процессов / В.А. Левенцов, А.Е. Радаев, Н.Н. Николаевский // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. Экономические науки. — 2017. — С. 19—31.
2. Акопов, А.С. Имитационное моделирование / А. С. Акопов. — М.: Издательство Юрайт, 2016. — 389 с.
3. Техническая документация Yandex Cloud [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://cloud.yandex.ru/docs/ — Дата доступа: 07.05.2021.
4. Johnston, W.M. Advances in Dataflow Programming Languages / W.M. Johnston, J.R.P. Hanna, R.J. Millar // ACM Computing Surveys. — 2004. — Vol. 36. — P. 1—34.
5. Pan, J. An Internet of Things Framework for Smart Energy in Buildings: Designs, Prototype, and Experiments / J. Pan [et al.] // IEEE Internet of Things Journal. — IEEE, 2015. — Vol. 2. — P. 527—537.
6. Stojkoska, B.L.R. A review of Internet of Things for smart home: Challenges and solutions / B.L.R. Stojkoska, K.V. Trivodaliev // Journal of Cleaner Production. — Elsevier, 2017. — Vol. 140. — P. 1454—1464.
7. Pedrasa, M.A.A. Coordinated Scheduling of Residential Distributed Energy Resources to Optimize Smart Home Energy Services / M.A.A Pedrasa, T.D. Spooner, I.F. MacGill // IEEE Transactions on Smart Grid. — IEEE, 2010. — Vol. 1. — P. 134—143.
8. Okamoto-Mizuno, K. Effects of thermal environment on sleep and circadian rhythm / K. Okamoto-Mizuno, K. Mizuno // Journal of Physiological Anthropology. — Springer, 2012. — Vol. 31.
9. Pritoni, M. Energy efficiency and the misuse of programmable thermostats: The effectiveness of crowdsourcing for understanding household behavior / M. Pritoni [et al.] // Energy Research & Social Science. — Elsevier, 2015. — Vol. 8 — P. 190—197.
10. Shrouf, F. Energy management based on Internet of Things: practices and framework for adoption in production management / F. Shrouf, G. Miragliotta // Journal of Cleaner Production. — Elsevier, 2015. — Vol. 100. — P. 235—246.
11. Asare-Bediako, B. Integrated Energy Optimization with Smart Home Energy Management Systems / B. Asare-Bediako, P.F. Ribeiro, W.L. Kling // 3rd IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies Europe, Berlin, 14—17 Oct. 2012 / IEEE. — New York, 2013. — P. 1—8.
12. Beaudin, M. Home energy management systems: A review of modelling and complexity / M. Beaudin, H. Zareipour // Renewable and Sustainable Energy Reviews. — Elsevier, 2015. — Vol. 45 — P. 318—335.
13. Node-RED [Electronic resource] — Mode of access: https://nodered.org/ — Date of access: 13.05.2021.
14. Adua, L. Reviewing the complexity of energy behavior: Technologies, analytical traditions, and household energy consumption data in the United States / L. Adua// Energy Research & Social Science. — Elsevier, 2020. — Vol. 59.
15. Simulink [Electronic resource] — Mode of access: mathworks.com/help/simulink/Date of access: 10.05.2021.
16. Zhou, B. Smart home energy management systems: Concept, configurations, and scheduling strategies / B. Zhou [et al.] // Renewable and Sustainable Energy Reviews. — Elsevier, 2016. — Vol. 61. — P. 30—40.
17. Software engineering — Product quality — Part 2: External metrics: ISO/IEC TR 9126-2:2003. — Intr. 07.2003. — Geneva: International Organization for Standardization, 2003. — 86 с.
18. Liu, J. The Smart Thermostat: Using Occupancy Sensors to Save Energy in Homes/ J. Liu [et al.] // Proceedings of the 8th ACM Conference on Embedded Networked Sensor Systems, Zurich, Nov. 2010, / Association for Computing Machinery. — New York, 2010. — P. 211—224.
19. Blackstock, M. Toward a Distributed Data Flow Platform for the Web of Things (Distributed Node-RED) / M. Blackstock, R. Lea // Proceedings of the 5th International Workshop on Web of Things. — 2014. — P. 34—39.

Весь текст будет доступен после покупки