Проект «Умный класс»: архитектура и алгоритмы

Цели лекции:

1. Ознакомить студентов с концепцией умных классов и их архитектурными особенностями;

2. Изучить основные алгоритмы и технологии, применяемые в системах «Умный класс»;

3. Рассмотреть вопросы организации сбора данных, обработки информации и обеспечения безопасности

​

1. Введение в проект «Умный класс»

 

Современные образовательные пространства стремятся к повышению эффективности обучения и комфортности среды. Проект «Умный класс» предполагает интеграцию сенсорных технологий, систем связи и обработки данных для создания интеллектуальной образовательной среды. Основная идея — автоматизация процессов и обеспечение условий, максимально способствующих обучению.

2. Архитектура системы «Умный класс»

 

Как описано в научной литературе и в источниках по IoT, архитектура системы включает следующие компоненты:

1. Устройства и датчики (датчики освещенности, температуры, присутствия, акустические датчики);

2. Граничные узлы и маршрутизаторы (обрабатывают данные локально, уменьшая нагрузку на сеть);

3. Глобальную сеть для передачи данных (беспроводные или проводные соединения);

4. Облачные сервисы и аналитические платформы (для хранения, анализа и визуализации данных);

5. Пользовательские интерфейсы (панели преподавателя, мобильные приложения).

Все эти компоненты взаимодействуют по модели «датчик — граничный узел — облако — пользователь».

3. Алгоритмы и технологии обработки данных

 

Основные алгоритмы и технологии, применяемые в «Умном классе»:

1. Сбор данных — использование протоколов MQTT, CoAP для энергосберегательной передачи данных;

2. Аналитика и машинное обучение — для определения поведения и предпочтений учеников, оптимизации освещения и микроклимата;

3. Обработка данных на границе сети — уменьшение задержек и затрат за счет локальной фильтрации и предварительной обработки;

4. Распределённые реестры и безопасность — обеспечение защиты данных и аутентификации устройств, использование распределённых реестров для хранения метаданных и безопасности

​

4. Технологии и стандарты

 

1. Протоколы связи: MQTT, CoAP, AMQP;

2. Туманные вычисления и архитектура OpenFog — обработка информации ближе к источнику;

3. Стандарты безопасности — шифрование, аутентификация устройств;

4. Использование новых технологий, таких как распределённые реестры для обеспечения целостности данных.

​

5. Важные аспекты проектирования

 

1. Выбор протоколов связи, учитывающих энергоэффективность и задержки;

2. Определение точки обработки данных — в облаке или на границе;

3. Обеспечение отказоустойчивости системы;

4. Защита данных и безопасность работы устройств;

5. Масштабируемость системы для расширения числа устройств и функций.​​

​

На данный момент нам доступно более 1,5 млн различных комбинаций архитектурных решений (рис. 10.1).

​​

 

6. Заключение

 

Проект «Умный класс» — это интеграция современных технологий IoT, облачных вычислений и анализов для создания эффективных образовательных условий. Архитектура должна быть модульной, гибкой и надежной, чтобы обеспечить безопасность, отказоустойчивость и удобство для пользователей.

​

​

Дополнительный материал:

1. Введение в Интернет вещей: учебное пособие / Е.В. Глушак, А.В. Куприянов. – Самара: Издательство Самарского университета, 2023. – 104 с.: ил.

2. Введение в Интернет вещей [Электронный ресурс]: учебное пособие / П.А. Кокунин, И.И. Латыпов, Л.С. Латыпова. – Электрон. текстовые дан. (1 файл: 6,42 Мб). – Казань: Издательство Казанского университета, 2022. – 147 с. – Систем. требования: Adobe Acrobat Reader. – URL: https://kpfu.ru/portal/docs/F_378200975/IOT.pdf. – Загл. с титул. экрана.

3. Архитектура интернета вещей  / пер. с  анг. М. А.  Райтмана. Ли П. – М.: ДМК Пресс, 2019. – 454 с.: ил.

​