Internet of Things backend for embedded systems teaching

Abstract

In this work, the Internet of Things system is implemented for enabling distance learning and laboratory work for an embedded systems programming course at the University of Oulu. The system must meet the following three requirements. The system receives and visualizes sensor data from the embedded device. The system enables two-way communication with the cloud application and the embedded device. The system can be connected via the public Internet, where the system is managed through Kubernetes.

The architecture of the system is described in three different layers. The perception layer contains embedded devices used to produce sensor data. The components of the network layer process and transmit data. The cloud layer includes data storage and further processing in the application, as well as data visualization. The architecture of the implemented system consists of distributed microservices that are deployed using container technology.

The system was tested on the basis of feedback collected from the beta version implemented in autumn 2020, as well as use cases defined by the developers, which were constructed from previously known problem areas. As a result, modular and scalable future distance learning system for embedded systems was developed.

Tässä työssä suunnitellaan ja toteutetaan etäopiskelun sekä -laboratoriotyön mahdollistava esineiden internetin järjestelmä sulautettujen järjestelmien ohjelmoinnin kurssille Oulun yliopistossa. Järjestelmän tulee toteuttaa seuraavat kolme vaatimusta. Järjestelmä vastaanottaa ja visualisoi anturitietoa sulautetulta laitteelta. Järjestelmä mahdollistaa kaksisuuntaisen viestinnän pilvisovelluksen ja sulautetun laitteen kanssa. Järjestelmään saa yhteyden julkisen Internetin kautta, jossa järjestelmään hallinnoidaan Kubernetesin avulla.

Järjestelmän arkkitehtuuri kuvataan kolmena eri kerroksena. Havaintokerros sisältää sulautettuja laitteita, joita käytetään anturitiedon tuottamiseen. Verkkokerroksen komponentit käsittelevät ja välittävät dataa. Pilvikerros sisältää tietojen tallennuksen ja jatkokäsittelyn sovelluksessa, sekä tietojen visualisoinnin. Toteutetun järjestelmän arkkitehtuuri koostuu hajautetuista mikropalveluista, jotka otetaan käyttöön konttiteknologian avulla.

Järjestelmää testattiin perustuen syksyllä 2020 toteutetusta kokeiluversiosta kerättyyn palautteeseen sekä kehittäjien määrittelemiin käyttötapauksiin, jotka luotiin hyödyntäen entuudestaan tunnettuja ongelma-alueita. Työn tuloksena valmistui modulaarinen ja skaalautuva tulevaisuuden etäopetusjärjestelmä sulautettujen järjestelmien ohjelmoinnin kursseille.