IoT szolgáltatások és alkalmazások fejlesztése

A tantárgy angol neve: Developing IoT-based Services and Applications

Adatlap utolsó módosítása: 2020. augusztus 11.

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem
Villamosmérnöki és Informatikai Kar
Mérnökinformatikus szak
Villamosmérnök szak
Szabadon választható tantárgy
Tantárgykód Szemeszter Követelmények Kredit Tantárgyfélév
VIAUAV36   4/0/0/v 4  
3. A tantárgyfelelős személy és tanszék Dr. Gulyás Gábor György,
A tantárgy tanszéki weboldala https://www.aut.bme.hu/Course/VIAUAV36
4. A tantárgy előadója

Név:

Beosztás:

Tanszék, Int.:

Dr. Gulyás Gábor György

tudományos munkatárs

Automatizálási és Alkalmazott Informatikai Tanszék

Dr. Csorba Kristóf

egyetemi docens

Automatizálási és Alkalmazott Informatikai Tanszék

Dr. Forstner Bertalan

egyetemi docens

Automatizálási és Alkalmazott Informatikai Tanszék

Dr. Kővári Bence

egyetemi docens

Automatizálási és Alkalmazott Informatikai Tanszék

Fábián István

Tanszéki mérnök

Automatizálási és Alkalmazott Informatikai Tanszék

Kovács László

Ipar 4.0 Technológia Központ vezető

Ipar 4.0 Technológia Központ, FIEK

5. A tantárgy az alábbi témakörök ismeretére épít

Objektumorientált programozási ismeretek, szoftverfejlesztési alapismeretek.

6. Előtanulmányi rend
Kötelező:
NEM Szakirany("INMF-KRITREND", _)

A fenti forma a Neptun sajátja, ezen technikai okokból nem változtattunk.

A kötelező előtanulmányi rendek grafikus formában itt láthatók.

Ajánlott:

Ajánlott: Programozás alapjai 1-2. teljesítése ÉS Szoftvertechnológia tárgyból aláírás megszerzése

 

Kizárás: Kritikus rendszerek MSc főspecializáció


7. A tantárgy célkitűzése

A tárgy keretében az Internet of Things (IoT) által kínált lehetőségekre alapozottan a szolgáltatások fejlesztésén és alkalmazásán keresztül célunk: 

áttekinteni azon képességeket és ismeretanyagot, melyek az IoT megoldások fejlesztéséhez és üzemeltetéséhez szükséges eszközrendszert és platformot jelentik, valamint 

szakterületeken átívelő, inspiráló példákat mutatni.

A tárgyban a BME Innovációs díjat nyert SensorHUB keretrendszerünket használjuk, célunk a keretrendszer körülötti IoT világunk, összegyűlt tapasztalatunk és tudásunk megosztása.

Az információs- és kommunikációs technológiák folyamatos és nagyléptékű fejlődése különleges lehetőséget kínál. Olyan szolgáltatások és alkalmazások fejlesztése vált lehetővé, amelyek robbanásszerűen növekvő számú hálózati eszközt, jelentős adattárolási képességű felhőalapú hátteret, valamint a nagy adattömeg hatékony elemzését és felhasználását együttesen igénylő új megoldásokat kívánnak létrehozni. Ezen fejlesztések egyaránt kulcsszerepet játszanak a sokszor Ipar 4.0-ként azonosított gyártórendszerek, az úgynevezett okos városok, az egészségügy vagy az autonóm járműveket is előtérbe helyező közlekedés területén.  A működő és versenyképesen bővíthető megoldások hatékony létrehozása megköveteli a szoftverrendszerek, szolgáltatások és alkalmazások fejlesztését támogató eszközök alkalmazását.  

A tárgyban az IoT világ szoftveres oldalát, a szolgáltatások és alkalmazások fejlesztését támogató keretrendszereket, módszereket, a szoftver komponensek architektúráját, valamint különböző szakterületeken megvalósított minta megoldásokat mutatunk be.

 

Megszerezhető készségek, képességek:

A hallgatók megismerkednek az IoT szolgáltatások és alkalmazások, tervezéséhez, fejlesztéséhez és üzemeltetéséhez hatékonyan alkalmazható módszereket, eszközöket, legjobb gyakorlatokat. A hallgatók megismerik a területhez szükséges kompetenciákat, érteni fogják az IoT világ megoldásainak komplex jellegét, az IoT rendszerek integrálásának hangsúlyosságát, valamint a mérünk-gondolkodunk-beavatkozunk koncepció környezetformáló erejét. A több szakterületet lefedő IoT példák inspirálók és mintákat mutatnak a jövőbeni projektekhez.


8. A tantárgy részletes tematikája

Hét

Előadás anyaga

1.

Bevezetés, az IoT világ áttekintése

Az IoT a lehetőségek tárháza. Az IoT definiálása: Érzékelés, Feldolgozás, Beavatkozás. Miért és mire használunk IoT-t? Az IoT kihívásai és lehetőségei. Az IoT platformok felépítése, közös elemei, kulcs komponensei.

 

Szolgáltatások és alkalmazások kidolgozásának és bevezetésének szempontjai és módszere

    1. Az üzleti érték azonosítása. Az üzleti érték, valamint az IoT eszköz és szolgáltatás közti leképzés.

2. Az IoT termék/eszköz, a szenzorok által gyűjtött adatok strukturálása, az üzleti érték támogatása. MVP (minimum viable product) létrehozás és piacra lépés.

3. Adatok gyűjtése, tettrefogható információ azonosítása.

4. Rendszerek integrálása, automatizálás, ügyfélelégedettség és elkötelezettség növelés, support kialakítás.

2.

Minta IoT keretrendszerek architektúrája, működési, fejlesztési és üzleti modellje, egyedi pontjai: AWS IoT Platform, Azure IoT Suite, Predix, valamint a SensorHUB keretrendszerünk. A keretrendszerek közti választás szempontjai.

 

IoT referencia architektúra, ennek fejlesztési hangsúlyos pontjai

Adatfolyam, end-to-end IoT, kommunikációs és kapcsolati réteg, adat réteg és analitika, menedzsment réteg, vezérlés réteg, biztonság réteg.

3-4.

IoT megoldások architekturális tervezése

A rendszertervező (software architect) szerepe az IoT megoldások kialakításában, az üzleti igények és a technológia közti megfeleltetés, követelményelemzés, elvárások megértése és modellezése, szoftvertermékek minősége, prioritások kezelése, tervezési döntések, folyamatok kezelése. Tervezési szempontok.

 

A SensorHUB referencia architektúra építő elemei

-       A platform a kulcs a skálázódó IoT alkalmazások és szolgáltatások fejlesztéséhez. Összekapcsolja a valós és virtuális világot az eszközök, rendszerek és emberek között.

-       Annak érdekében, hogy egy IoT ökoszisztéma álljon össze, ahol rendszerek rendszerei kerülnek interakcióba és állítanak elő értéket változatos adatfolyamokból, az interopabilitás meghatározó alap.

-       Egyetlen IoT platform sem tudja lefedni a létező és potenciálisan felmerülő felhasználási forgatókönyvek összességét. Az IoT kezdeményezések, platformok együttműködésének és integrálásának lehetőségei.

-       Az IoT világ és az IoT platformok igazi értékét a tettre fogható információ (elemzett adat) és az integrált szolgáltatások jelentik.

 

Az IoT alkalmazások és szolgáltatások fejlesztését lehetővé tevő platform komponensei, felépítése (SensorHUB alapokon)

  1. Connectivity & normalization: az eltérő protokollokat és adatformátumokat kínálja fel egységes interfészen, ehhez biztosítja az adatok folyamatosságát, helyességét, valamint az eszközökkel való interakciót.
  2. Device management: a hálózatba kapcsolt eszközök helyes működését, távoli szoftvertelepítést és frissítést biztosítja.
  3. Database: skálázható adattár
  4. Processing & action management: életre kelti az adatokat, egy szabálymotor, mely valós idejű esemény-vezérelt működést biztosít a szenzoradatok alapján.
  5. Visualization: a valós idejű szenzoradatok vizuális reprezentálása, vezérlőpultok, trendek elemzése, 2D és 3D modellek
  6. Analytics: összetett elemzés, algoritmusok, gépi tanulás segítségével a tettre fogható információ kinyerése
  7. Additional tools: további eszközök prototípus készítéshez, riportok készítéséhez, IoT use case-ek teszteléséhez
  8. External interfaces: API-k, SDK-k, gateway-ek, mint interfészek a további rendszerek kiszolgálásához

 

A beépített biztonság egy kötelező eleme minden komponensnek. Nem funkcionális, de az egész architektúrát kötelezően átszövő aspektus.

5.

IoT alkalmazások és szolgáltatások fejlesztését támogató megoldások / eszközök / technológiák

- IoT hardverek: Általános elvárások, tipikus perifériák és kommunikációs kapcsolatok. Mikrovezérlők, minimális áramköri igények, felprogramozás és debuggolási lehetőségek. Dedikált firmware vagy teljes operációs rendszer.

- Szoftverfejlesztést nem igénylő megoldások: Weben keresztül konfigurálható eszközök, amikor gyári firmware a készen kapható hardverre töltve webes interfészen keresztül elérhetővé teszi a mért adatokat, script írási lehetőségek.

- Firmware szintű megoldások

- Esettanulmányok: Raspberry Pi és Linux, valamint Raspberry Pi és Win10 IoT

- Tipikus kommunikációs lehetőségek IoT környezetben.

- Mobil készülékekkel kiegészített IoT környezetek, mobil készülék, mint szenzor. Android Things.

6.

Adatküldés és fogadás IoT környezetben, adat transzformáció, adat streamek, fast data megoldások.

Gyakran használt kommunikációs technológiák és protokollok. Szenzor adatok leképzése hatékonyan feldolgozható formátumokra. Adat konzisztencia ellenőrzése és fenntartása.

 

Üzleti intelligencia eszközök felhasználása

Az IoT ETL folyamatainak tervezési alapjai, adatmozgatási, ütemezés és felügyeleti feladatok. Több szenzorból / forrásból érkező adatok hatékony feldolgozása. Transzformációs feladatok adatbetöltés és adatmozgatás során.

7.

Adattárolási lehetőségek IoT környezetben

 

BigData és felhő megoldások IoT platformok esetén

Hadoop alapú eszközök IoT környezet kialakítására. Tipikus BigData alapú IoT architektúrák. IoT alapú felhő megoldások (pl. SAP HANA IoT, Amazon IoT).

Telepítési és üzemeltetési feladatok.

8.

IoT és a hordható eszközök

Okos eszközök a mindennapokban. Egészségügyi eszközök. Esettanulmány: szoftver illesztés a platformokhoz.

 

Hordható eszközök a munkahelyen

VR, AR, Mixed reality, esettanulmányok.

9-10.

IoT megoldások fejlesztésének módszertana

Az IoT megoldások sokszínűsége, valamint a változó és variálódó elvárások alapján érezhető, hogy nem létezik EGY darab mindent megoldó módszer (one-size-fits-all). Ugyanakkor, egy konzisztens módszertan hatékony segítséget ad az IoT megoldások kidolgozásának folyamatára.

IoT projektek megvalósítása során gyűjtött gyakorlati tapasztalatainkat mutatjuk be, melyek lefedik az IoT megoldások tervezését, fejlesztését, karbantartását támogató strukturált, projekt szemléletet és kivitelezést biztosító megközelítést.

A számos rendszerrel történő integrálódás köszönhetően, valamint az end-to-end IoT szemléletet (IoT eszközök, kommunikáció, felhő alapú szolgáltatások, alkalmazások, biztonság) megvalósító célok miatt az IoT rendszerek magas komplexitásúak. Ezen összetett működés kezelésének projekttapasztalatokból származó bevált gyakorlatait ismertetjük.

11.

IoT rendszerek környezete, kitekintés: Rendszermonitoring és rendszerfelügyelet

Alapvető felügyeleti komponensek: felderítés, nyilvántartás, teljesítmény monitorozás, hiba felügyelet, konfigurálás.

Rendszerfelügyelet az egyes piaci szegmensekben: lakossági, üzleti/intézményi, ipari.

 

Gyári infrastruktúra felügyelete.

12-13.

Alkalmazási területek: IoT az autóiparban. Átmenet az autonóm járművek felé.

A szoftver által definiált jövő a közlekedésben: szolgáltatások és appok; közlekedési platform; flottakezelés; navigáció; autóelektronika (hardver) hozzáférés.

 

Alkalmazási területek: IoT az okosotthonban. SmartHome, Smart Office

További esettanulmányok bemutatása, tapasztalataik áttekintése, legjobb gyakorlatok kifejtése, kihívások átbeszélése.

Az esettanulmányok alapját valódi projektek képezik, a tapasztalatok a megvalósítások során felmerült igényekből, kihívásokból, valamint kidolgozott és üzemeltetett megoldásokból kerülnek tárgyalásra. Alkalmanként 2-2 esettanulmányt tekintünk át a következő területekről:

- Smart City

- Production line (Industry 4.0)

- Agriculture

- Healthcare and wellbeing

- Smart buildings / smart spaces

14.

 

Összefoglaló és kitekintés

Az IoT által kínált lehetőségekre alapozott jövőképünk.

A digitalizáció ereje és hatása a társadalomra és az iparra.

9. A tantárgy oktatásának módja (előadás, gyakorlat, laboratórium)

Gyakorlatias, alkalmazásközpontú előadások keretében.

10. Követelmények

A. Szorgalmi időszakban:

-   Zárthelyi sikeres megírása (1 db ZH)

-   Opcionális házi feladat: a tárgyhoz kapcsolódó, az oktatóval közösen kijelölt szakmai terület feldolgozása, fejlesztése, dokumentálása és bemutatása.

B. Vizsgaidőszakban: írásbeli vizsga

 

A félév elismerését jelentő félév végi jegy megszerzésére akkor van lehetőség, ha a hallgató a Zárthelyit minimum 40%-ra megírta, és sikeres vizsgát tett. A zárthelyi eredménye 40%, a vizsga 60% súllyal számít a félévi osztályzat kialakításába.

Az opcionális házi feladatra, amennyiben a hallgató futtatható állapotban, dokumentációval ellátva, forráskód mellékelésével, határidőre beadta, megajánlott jegy szerezhető. Ez esetben az opcionális házi feladatot 60%-ban számoljuk a jegybe.
11. Pótlási lehetőségek

A zárthelyi és a házi feladat pótlása a pótlási időszakban lehetséges. A házi feladat pótlólagos leadása a pótlási időszakban kijelölt időpontig lehetséges.

12. Konzultációs lehetőségek

Igény szerint, az oktatóval egyeztetve. 

13. Jegyzet, tankönyv, felhasználható irodalom

Internet of Things: Science Fiction or Business Fact?, Harvard Business Review, 2014. 

Petar Kocovic, Muthu Ramachandran, Reinhold Behringer, Radomir Mihajlovic (ed), Emerging Trends and Applications of the Internet of Things, 2017.

John Rossman, The Amazon Way on IoT: 10 Principles for Every Leader from the World's Leading Internet of Things Strategies

Garofalakis, Minos, Gehrke, Johannes, Rastogi, Rajeev, Data Stream Management, Processing High-Speed Data Streams, ISBN 978-3-540-28608-0, 2016.

Pramod J. Sadalage, Martin Fowler, NoSQL Distilled: A Brief Guide to the Emerging World of Polyglot Persistence, ISBN: 978-0321826626, 2012.

Marco Schwartz: Internet of Things with ESP8266, Packt Publishing, 2016.

Simon Monk: Raspberry Pi Cookbook: Software and Hardware Problems and Solutions 2nd Edition, O'Reilly Media, 2016.

Charles Bell: Windows 10 for the Internet of Things, Apress, 2016.

Gilad Rosner: Privacy and the Internet of Things, O’reilly Media, 2016.
PTC University: ThingWorx Product Training.
 

14. A tantárgy elvégzéséhez átlagosan szükséges tanulmányi munka
Kontakt óra56
Félévközi készülés órákra7
Felkészülés zárthelyire20
Házi feladat elkészítése0
Kijelölt írásos tananyag elsajátítása0
Vizsgafelkészülés37
Összesen120
15. A tantárgy tematikáját kidolgozta

Név:

Beosztás:

Tanszék, Int.:

Dr. Lengyel László

egyetemi tanár

Automatizálási és Alkalmazott Informatikai Tanszék

Dr. Csorba Kristóf

egyetemi docens

Automatizálási és Alkalmazott Informatikai Tanszék

Dr. Ekler Péter

egyetemi docens

Automatizálási és Alkalmazott Informatikai Tanszék

Dr. Forstner Bertalan

egyetemi docens

Automatizálási és Alkalmazott Informatikai Tanszék

Dr. Charaf Hassan

egyetemi tanár

Automatizálási és Alkalmazott Informatikai Tanszék

Dr. Gulyás Gábor György

tudományos munkatárs

Automatizálási és Alkalmazott Informatikai Tanszék

Fábián István

tanszéki mérnök

Automatizálási és Alkalmazott Informatikai Tanszék

Kovács László

Ipar 4.0 Technológia Központ vezető

Ipar 4.0 Technológia Központ, FIEK