Курс за обучение по Индустриално обучение за IoT (Интернет на нещата) с Raspberry PI и AWS IoT Core

Модул 0: Основи и AWS IoT екосистема

• Въведение в IoT
  • Дефиниране на IoT през 2024 г.: Отвъд „нещата“ (периферен интелект, AI/ML в периферията, киберфизични системи).
  • Двигатели на IoT растежа (индустрии, случаи на употреба).
  • Ключови IoT тенденции (периферни изчисления, устойчивост, интеграция на AI/ML, подобрена сигурност).
  • AWS IoT в рамките на по-широката AWS екосистема (AWS Partner Network – APN ресурси).
• Преглед на пейзажа на AWS IoT услугите
  • AWS IoT Core (MQTT/Bridge, Jobs, Device Defender).
  • AWS IoT Device Management (включване на устройства, управление на конфигурацията, OTA актуализации).
  • AWS IoT Analytics (обработка на данни, обогатяване, моделиране).
  • AWS IoT Greengrass (периферни изчисления, локално изпълнение, сигурна свързаност).
  • AWS IoT Button (концептуален преглед за прости устройства).
  • Връзка: AWS IoT Core – > Lambda/DynamoDB/OpenSearch/Step Functions/SageMaker.

Модул 1: IoT архитектура, компоненти и сигурност

• IoT архитектура
  • Устройствен слой (сензори, изпълнителни механизми, периферни устройства като Raspberry Pi, ESP32).
  • Слой за свързаност (MQTT, CoAP, HTTP, LPWAN – LoRaWAN, NB-IoT, Sigfox, клетъчен IoT).
  • Слой за облачна интеграция (AWS IoT Core, API Gateway, Lambda, Step Functions).
  • Слой за обработка и анализ на данни (DynamoDB, Timestream, OpenSearch, S3, Athena, SageMaker).
  • Приложен слой (мобилни, уеб приложения с AWS Amplify, персонализирани бизнес приложения).
  • Значение: Обяснение на „защо“ зад разпределените архитектури (латентност, честотна лента, изчислителна мощ, сигурност).
• Задълбочено разглеждане на основните IoT компоненти
  • Хардуер: критерии за избор (MCU, свързаност, сензори), елементи за сигурност (Trusted Execution Environments – TEEs).
  • Периферни изчисления (AWS Greengrass): предимства (ниска латентност, намален облачен трафик, локално вземане на решения).
  • Управление на устройства: включване (Over-the-Air – OTA, предварително осигуряване), конфигурация, наблюдение, отдалечено отстраняване на грешки.
  • Задълбочено разглеждане на сигурността: идентичност на устройствата, удостоверяване и оторизация (X.509 сертификати, JSON Web Tokens – JWTs), криптиране на данни (в покой и при пренос), AWS IoT Device Defender.
  • Стандартизация на сигурността: въведение в стандартите (напр. IEEE P2145, Open Connectivity Foundation – OCF) и съответствие (ISO/IEC 27001, SOC 2).
• AWS-специфични PaaS функции за IoT
  • AWS IoT Core (сигурен MQTT/Bridge, Jobs за фърмуерни актуализации, Device Defender).
  • AWS Lambda (безсървърни изчисления за предварителна обработка на данни, задействане на действия).
  • AWS Step Functions (работни потоци със състояние за сложни взаимодействия с устройства).
  • Amazon DynamoDB (NoSQL база данни за бързо приемане на IoT данни).
  • Amazon OpenSearch Service (търсене и анализи, обработка на времеви редове от данни).
  • Amazon Timestream (специализирана база данни за времеви редове).
  • Amazon S3 (съхранение на сурови данни в езеро от данни).
  • AWS IoT Device Defender (наблюдение и оценка на сигурността).
  • AWS IoT Wireless (свързване на отдалечени LPWAN устройства).

Модул 2: Протоколи за комуникация на IoT устройства

• MQTT (MQTT v5 и WebSockets)
  • Функции на MQTT 5.0 (Retain, флагове за Clean Session, потребителски свойства, теми с уайлдкард).
  • MQTT през WebSockets (стандартизация).
  • Обяснение на нивата на качество на услугата (QoS).
  • Най-добри практики за протокола.
• Алтернативни протоколи
  • CoAP (Constrained Application Protocol) за устройства с ограничени ресурси.
  • AMQP / MQTT през AMQP (стандартни формати за обмен на данни).
  • HTTP (за по-прости, по-редки актуализации).
  • WebSockets (пълнодуплексна комуникация).

Модул 3: Изграждане на надеждни IoT приложения с AWS

• Включване на устройства и сигурна свързаност
  • Предварително осигуряване с AWS IoT Device Defender.
  • Сигурно включване Over-The-Air (OTA) (напр. чрез концепциите на AWS IoT Button).
  • Управление на сертификати на устройства (ACM/PKI).
  • Внедряване на MQTT с TLS.
• Приемане, съхранение и обработка на данни
  • Ефективно изпращане на данни от устройства към AWS IoT Core.
  • Избор на правилната цел: Lambda (задвижвана от събития), Step Functions (оркестрация), Timestream (времеви редове), OpenSearch (търсене и анализи), S3 (сурови данни).
  • Използване на AWS IoT Analytics за обогатяване и почистване на данни преди съхранение.
  • Справяне със сценарии с висока пропускателна способност (Kinesis/Firehose).
• Управление и операции с устройства
  • Използване на AWS IoT Device Management за управление на флота.
  • Внедряване и управление на OTA актуализации (чрез AWS IoT Jobs).
  • Отдалечено наблюдение и конфигурация.
• Изграждане на IoT бекенд
  • API Gateway за създаване на REST/GraphQL API за взаимодействие с устройства и данни.
  • AWS Lambda за бизнес логика.
  • AWS Step Functions за координиране на разпределени компоненти.
  • Amazon SQS/SNS за асинхронни съобщения и задействане на събития.

Модул 4: Периферни изчисления и разширена интеграция

• AWS IoT Greengrass
  • Концепции (Core, Device, Connector).
  • Изпълнение на Lambda функции локално на устройството.
  • Изпълнение на код директно на устройството (C++, Python).
  • Сигурна комуникация между Greengrass Core и AWS/IoT устройства.
  • Случай на употреба: локално филтриране на данни, предварителна обработка или AI изводи в периферията.
• Интеграция с AI/ML
  • Използване на SageMaker за сложни ML модели в облака.
  • Изпълнение на ML изводи в периферията с Greengrass ML Accelerator (GMA).
• Визуализация на данни и потребителски интерфейси
  • Използване на AWS IoT SiteWise за визуализация на индустриални данни.
  • Изграждане на уеб приложения с AWS Amplify (API, UI, удостоверяване).
  • Табла за управление с Amazon QuickSight или OpenSearch Dashboards.

Модул 5: Сигурност, управление и най-добри практики

• Жизнен цикъл на IoT сигурността
  • Принципи за сигурен дизайн (Defense-in-Depth).
  • Практики за сигурна разработка (OWASP IoT Top 10).
  • Управление на уязвимостите.
  • Моделиране на заплахи за IoT.
• Услуги за сигурност на AWS за IoT
  • AWS IoT Device Defender (Service и Device Defender).
  • AWS Shield, AWS Identity and Access Management (IAM).
  • AWS Config за проверки на съответствието.
  • Интеграция на хардуерни модули за сигурност (HSMs).
• Поверителност на данните и управление
  • Обработка на чувствителни данни (лични данни – PII).
  • Политики за съхранение и изтриване на данни.
  • Съображения за съответствие.

Модул 6: Практически проекти и завършващ проект

• Ръководени практически лаборатории
  • Включване на устройства и MQTT комуникация.
  • Внедряване на сигурно приемане на данни към AWS.
  • Изграждане на просто IoT табло за управление.
  • Симулация на OTA актуализация.
  • Въведение в AWS IoT Greengrass.
• Завършващ проект
  • Изграждане на цялостно IoT решение, адресиращо реален проблем (напр. автоматизация на умен дом, мониторинг на околната среда, индустриален сензорен хъб).
  • Изисквания: сигурно устройство, приемане на данни, обработка, визуализация и по избор периферен компонент.
  • Използване на AWS услугите, разгледани в курса.