Разработка программы, реализующей микроконтроллеры Arduino и Raspberry Pi в разработке прототипов умных домов

Как написать ВКР МУИВ на тему Разработка программы, реализующей микроконтроллеры Arduino и Raspberry Pi в разработке прототипов умных домов

Нужна ВКР по этой теме?
Ответим за 10 минут!
Telegram: @Diplomit
Телефон/WhatsApp: +7 (987) 915-99-32, Email: admin@diplom-it.ru

Оформите заказ онлайн: Заказать ВКР МУИВ

Введение

Концепция «умного дома» перестала быть экзотикой — сегодня она активно внедряется как в частных домах, так и в многоквартирных жилых комплексах. При этом разработка прототипов таких систем часто начинается с доступных платформ, таких как Arduino и Raspberry Pi. Тема «Разработка программы, реализующей микроконтроллеры Arduino и Raspberry Pi в разработке прототипов умных домов» сочетает в себе практическую направленность, техническую глубину и высокую образовательную ценность, что делает её идеальной для выпускной квалификационной работы (ВКР) по направлению 09.03.02 «Информационные системы и технологии».

Однако за кажущейся простотой — «подключил датчик и лампочку» — скрывается сложный инженерный проект. Студенту предстоит не просто собрать схему на макетной плате, а спроектировать архитектуру распределённой системы, обеспечивающую взаимодействие между устройствами, обработку данных, управление через веб-интерфейс или мобильное приложение, а также соблюдение требований безопасности и энергоэффективности. При этом Московский университет имени С.Ю. Витте (МУИВ) требует строгого соблюдения структуры ВКР: от аналитической главы с моделированием бизнес-процессов до расчёта NPV в экономической части.

Большинство студентов недооценивают объём задач, полагая, что достаточно продемонстрировать работу одного модуля. На деле же даже неправильно спроектированная сеть датчиков может привести к конфликтам шин, а отсутствие шифрования — к компрометации личного пространства. В этой статье мы подробно разберём стандартную структуру ВКР по теме «Разработка программы, реализующей микроконтроллеры Arduino и Raspberry Pi в разработке прототипов умных домов». Вы получите практические рекомендации, шаблоны формулировок, примеры таблиц и диаграмм, а также честную оценку реального объёма задач. Эта информация поможет вам принять осознанное решение: писать работу самостоятельно или доверить её профессионалам, которые знают все нюансы требований МУИВ и гарантируют результат.

Стандартная структура ВКР МУИВ по 09.03.02: детальный разбор по главам

ВВЕДЕНИЕ

• Назначение: Обосновать выбор темы, сформулировать цель и задачи работы, определить объект и предмет исследования.
• Содержание:
  • Актуальность темы в современных условиях
  • Объект и предмет исследования
  • Цель и задачи работы (4–6 конкретных задач)
  • Структура работы (краткое описание глав)
• Сложности: Расплывчатая формулировка актуальности, несоответствие задач цели, отсутствие четкой структуры.
• Рекомендации: Начинать с глобальных тенденций (IoT, энергоэффективность, цифровизация быта), затем переходить к конкретной проблеме предприятия. Задачи должны логически вытекать из цели.
• Шаблон: «Актуальность работы обусловлена необходимостью создания доступных, масштабируемых и безопасных прототипов систем умного дома на базе открытых платформ Arduino и Raspberry Pi в условиях роста спроса на интеллектуальные решения для жилых помещений...»

АНАЛИТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1 АНАЛИЗ ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ

1.1 Анализ подразделения разработки IoT-решений организации ООО «УмныйДомЛаб»

1.1.1 Дерево бизнес-направлений организации

• Назначение: Визуализировать структуру организации и выделить подразделение, отвечающее за прототипирование.
• Содержание: Иерархическая схема направлений деятельности компании.
• Сложности: Отсутствие реальных данных о структуре предприятия.
• Рекомендации: Использовать информацию с официального сайта компании или провести интервью с сотрудниками.
• Пример: [Здесь приведите схему: Генеральный директор → Технический директор → Отдел IoT-прототипирования → Группа микроконтроллерных решений]

1.1.2 Сопоставление бизнес-процессов и критических факторов успеха организации

• Назначение: Выявить приоритетные для автоматизации бизнес-процессы.
• Содержание: Матрица сопоставления процессов и факторов успеха, матрица ранжирования.
• Сложности: Неправильное определение критических факторов успеха.
• Рекомендации: Использовать методику CSF (Critical Success Factors).
• Шаблон таблицы:

  Бизнес-процесс	Фактор успеха	Влияние (1–5)
  Прототипирование систем умного дома	Скорость разработки	5
  Тестирование решений	Надёжность работы	4
  Демонстрация клиентам	Визуальная наглядность	4

1.1.3 Анализ структуры и нормативной документации подразделения

• Назначение: Изучить регламенты, регулирующие процесс разработки прототипов.
• Содержание: Описание организационной структуры, должностных инструкций, внутренних стандартов проектирования.
• Сложности: Отсутствие доступа к внутренней документации.
• Рекомендации: Для университетских работ использовать раздел «Сведения об образовательной организации» на сайте МУИВ.

1.2 Моделирование бизнес-процесса

1.2.1 Моделирование "КАК ЕСТЬ"

• Назначение: Детально описать текущее состояние процесса разработки прототипов.
• Содержание: Диаграммы в нотациях:
  • IDEF0 (обязательно с декомпозицией)
  • DFD (Гейна-Сарсона или Йордона-Де Марко)
  • Диаграмма активностей (UML, BPMN, EPC или IDEF3)
  • Матрица распределения ответственности
• Сложности: Неправильное использование нотаций, отсутствие декомпозиции в IDEF0.
• Рекомендации: Для каждого элемента диаграммы давать подробное текстовое описание.
• Пример: [Ссылка на рисунок 1.3 — IDEF0: «Разработка прототипа системы освещения на базе Arduino»]

1.2.2 Моделирование процесса "КАК ДОЛЖНО БЫТЬ"

• Назначение: Разработать оптимизированную версию процесса с использованием единой архитектуры на базе Arduino и Raspberry Pi.
• Содержание:
  • Оценка проблемности процесса (по таблице 1.3)
  • Цели и ключевые показатели улучшения (KPI)
  • Оптимизированная модель в той же нотации, что и "КАК ЕСТЬ"
• Сложности: Отсутствие конкретных методов оптимизации.
• Рекомендации: Использовать методы: унификация платформы, централизованное управление через Raspberry Pi, модульность, визуализация состояния.
• KPI примеры: Время разработки прототипа, количество повторно используемых модулей, надёжность работы, удобство демонстрации.

1.3 Анализ рынка программного обеспечения для автоматизации бизнес-процесса

• Назначение: Изучить аналоги разрабатываемой системы.
• Содержание: Обзор 3–5 систем-аналогов с указанием производителя, функционала, стоимости.
• Сложности: Путаница со средствами разработки (это отдельный раздел 1.5).
• Рекомендации: Анализировать именно готовые решения, а не технологии.
• Шаблон таблицы:

  Система	Производитель	Функционал	Стоимость
  Home Assistant	Open Source	Open-source платформа умного дома	Бесплатно
  Node-RED	IBM	Визуальное программирование IoT	Бесплатно
  Blynk	Blynk	Мобильное управление IoT-устройствами	Freemium

1.4 Анализ стейкхолдеров и их требований к разрабатываемой системе

• Назначение: Выявить всех заинтересованных лиц и их потребности.
• Содержание: Перечень стейкхолдеров (инженеры, дизайнеры, клиенты, руководство) и их требования.
• Сложности: Неполный охват заинтересованных сторон.
• Рекомендации: Использовать матрицу заинтересованных сторон.

1.5 Выбор средств разработки

• Назначение: Обосновать выбор технологического стека.
• Содержание:
  • Анализ существующего ПО в организации
  • Сравнительный анализ платформ (Arduino Uno vs Nano vs Mega, Raspberry Pi 3 vs 4 vs Zero), языков (C++, Python, JavaScript), протоколов (MQTT, HTTP, Bluetooth, Wi-Fi)
  • Обоснование выбора конкретных средств
• Сложности: Смешение с разделом 1.3 (аналоги систем).
• Рекомендации: Приводить таблицы сравнения по ключевым критериям: стоимость, энергопотребление, вычислительная мощность, совместимость, сообщество.

1.6 Техническое задание на разработку корпоративной информационной системы

• Назначение: Формализовать требования к системе.
• Содержание: ТЗ по ГОСТ 34.602-2020 (выносится в Приложение 1).
• Сложности: Несоблюдение структуры ГОСТ.
• Рекомендации: Строго следовать разделам ГОСТ: общие сведения, требования к системе, порядок контроля.

1.7 Выводы по разделу

• Назначение: Подвести итоги аналитической части.
• Содержание: Краткие выводы по каждому подразделу, обоснование необходимости разработки унифицированной платформы на базе Arduino и Raspberry Pi.

ПРОЕКТНАЯ ЧАСТЬ

2 ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ПРОЕКТА

2.1 Структурирование требований к разрабатываемой системе

2.1.1 Логическое моделирование данных

• Назначение: Определить функциональные требования к системе.
• Содержание:
  • UseCase диаграмма (UML)
  • Диаграмма последовательности (UML)
  • Диаграмма функций
• Сложности: Неправильное выделение актеров и прецедентов.
• Рекомендации: Для каждой диаграммы давать подробное описание.

2.1.2 Конструирование модели данных

• Назначение: Разработать структуру данных для хранения состояний устройств, событий, профилей сценариев.
• Содержание:
  • ER-диаграмма (сущность-связь)
  • Диаграмма классов (UML)
  • Диаграмма состояний (UML, опционально)
• Сложности: Неправильная нормализация, отсутствие описания сущностей.
• Рекомендации: Подробно описать каждую сущность, атрибуты, связи.

2.2 Разработка программного обеспечения

2.2.1 План разработки ПО

• Назначение: Спланировать этапы разработки.
• Содержание: Таблица или диаграмма Ганта с этапами, сроками, ответственными.
• Сложности: Нереалистичные сроки.
• Рекомендации: Учитывать время на тестирование и доработки.

2.2.2 Frontend-разработка

• Назначение: Описать веб-интерфейс управления (dashboard).
• Содержание: Описание дизайна, интерфейсов, прототипов (статус устройств, управление, сценарии).
• Сложности: Недостаточная детализация UX для разных типов пользователей.
• Рекомендации: Использовать библиотеки Material UI, Chart.js.

2.2.3 Backend-разработка

• Назначение: Описать серверную часть (на Raspberry Pi).
• Содержание: Описание архитектуры, ключевых модулей (приём команд, обработка данных, API), алгоритмов (автоматизация по расписанию, реакция на события).
• Сложности: Излишняя детализация кода.
• Рекомендации: Показать связь между данными и действиями, привести ключевые фрагменты.

2.2.4 Разработка модели доступа к данным

• Назначение: Описать систему разграничения прав и защиты личного пространства.
• Содержание: Модель ролей, права доступа, двухфакторная аутентификация, журнал аудита.
• Сложности: Неполное описание мер безопасности.
• Рекомендации: Таблица с ролями и разрешениями.

2.2.5 Тестирование разработанного ПО

• Назначение: Оценить качество системы.
• Содержание: Методы тестирования (функциональное, нагрузочное, имитация сбоев питания), найденные ошибки, предпринятые исправления.
• Сложности: Повторение отчета из преддипломной практики.
• Рекомендации: Кратко описать процесс, методы, результаты.

2.2.6 План внедрения и развертывания ПО

• Назначение: Спланировать внедрение системы.
• Содержание: План с этапами, сроками, ответственными (таблица/диаграмма Ганта).
• Сложности: Отсутствие этапа обучения пользователей.
• Рекомендации: Включить этап пилотного внедрения и технической поддержки.

2.3 Руководства администратора и пользователя

• Назначение: Подготовить документацию для эксплуатации.
• Содержание: Руководства по РД 50-34.698-90 (выносятся в Приложения 3,4).
• Сложности: Несоблюдение структуры ГОСТ.
• Рекомендации: Разделить на руководство администратора (установка, настройка) и пользователя (работа с системой).

2.4 Выводы по главе 2

• Назначение: Подвести итоги проектной части.
• Содержание: Краткие выводы по проектированию и разработке.

ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

3 ОБОСНОВАНИЕ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОТ РАЗРАБОТКИ ИС

3.1 Расчет затрат на разработку ИС

• Назначение: Определить затраты на создание системы.
• Содержание: Методика расчета (TCO - совокупная стоимость владения).

3.2 Выбор и обоснование методики расчёта экономической эффективности

• Назначение: Обосновать выбранный метод оценки.
• Содержание: Описание методики REJ (Rapid Economic Justification) или аналогов.

3.3 Оценка затрат на разработку и внедрение АИС

3.3.1 Затраты на этапе разработки информационной системы

• Содержание: Оборудование (Arduino, Raspberry Pi, датчики, модули), ПО, оплата труда, начисления, прочие расходы.
• Формула: Оплата труда = Σ(Ti * Rj)

3.3.2 Затраты на этапе внедрения

• Содержание: Оборудование, обучение персонала, оплата специалистов, установка.

3.3.3 Затраты на этапе эксплуатации

• Содержание: Замена компонентов, обслуживание, стоимость электроэнергии, интернет.

3.4 Эффект от внедрения АИС

• Назначение: Определить положительные изменения от внедрения.
• Содержание: Примеры эффектов: снижение времени разработки прототипов на 40%, повышение качества демонстраций, рост удовлетворённости клиентов, снижение затрат на материалы за счёт повторного использования.

3.5 Экономический эффект

• Назначение: Рассчитать прямой экономический результат.
• Содержание: Снижение расходов на разработку, рост доходов от ускоренного вывода решений на рынок.
• Формула: Эффект = Стоимость ресурсов до - Стоимость ресурсов после

3.6 Социальный эффект

• Назначение: Оценить нематериальные выгоды.
• Содержание: Повышение уровня технической грамотности инженеров, развитие культуры прототипирования.

3.7 Научный эффект

• Назначение: Выявить научные достижения.
• Содержание: Внедрение новых подходов к интеграции микроконтроллеров в образовательные и коммерческие проекты, разработка методик быстрого прототипирования.

3.8 Организационный эффект

• Назначение: Оценить улучшения в управлении.
• Содержание: Повышение управляемости процессом разработки, стандартизация подходов, сокращение времени на согласования.

3.9 Эффективность внедрения АИС (ПО ПРИМЕРУ)

• Назначение: Рассчитать показатели эффективности.
• Содержание: NPV (чистый приведенный доход), IRR, ROI, срок окупаемости.
• Формула: NPV = -IC + Σ(CFt/(1+i)^t)

3.10 Расчёт показателей экономической эффективности проекта (ПО ПРИМЕРУ)

• Назначение: Практический расчет на примере.
• Содержание: Подробный расчет по методике REJ (5 шагов).

3.11 Выводы по главе 3

• Назначение: Подвести экономические итоги.
• Содержание: Оценка целесообразности, экономической эффективности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

• Назначение: Обобщить результаты работы.
• Содержание: Краткое изложение результатов по каждой главе, подтверждение достижения цели, практическая значимость.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

• Назначение: Оформить использованные источники.
• Содержание: 15–20 источников по ГОСТ Р 7.0.100-2018.
• Рекомендации: Использовать монографии, статьи, стандарты, интернет-ресурсы с указанием даты обращения.

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1. Техническое задание на разработку платформы прототипирования умных домов на базе Arduino и Raspberry Pi для ООО «УмныйДомЛаб»

• Содержание: Текст ТЗ по ГОСТ 34.602-2020 со всеми разделами.

Приложение 2. Исходный код "Модуль управления освещением через веб-интерфейс"

• Содержание: Фрагменты кода на Python/C++ с комментариями.
• Рекомендации: Добавить ссылку на Git-репозиторий.

Приложение 3. Руководство администратора корпоративной информационной системы

• Содержание: Руководство по установке, настройке, администрированию.

Приложение 4. Руководство пользователя корпоративной информационной системы

• Содержание: Руководство по работе с системой для конечных пользователей.

Готовые инструменты и шаблоны для Разработка программы, реализующей микроконтроллеры Arduino и Raspberry Pi в разработке прототипов умных домов

Шаблоны формулировок:

• «Целью работы является разработка и внедрение унифицированной платформы прототипирования систем умного дома на базе микроконтроллеров Arduino и одноплатного компьютера Raspberry Pi, обеспечивающей ускорение разработки, повторное использование компонентов и наглядную демонстрацию решений для ООО «УмныйДомЛаб»».
• «Актуальность темы обусловлена ростом спроса на доступные IoT-решения и необходимостью создания гибкой, масштабируемой среды для быстрого прототипирования интеллектуальных систем управления жилыми помещениями».

Пример сравнительной таблицы (выбор платформы):

Платформа	Arduino Uno	Raspberry Pi 4	ESP32
Тип	Микроконтроллер	Одноплатный компьютер	Микроконтроллер с Wi-Fi/BT
ОС	Нет	Linux	FreeRTOS
Цена	~300 руб.	~3000 руб.	~500 руб.
Использование	Датчики, исполнительные устройства	Центр управления, веб-сервер	Автономные узлы с Wi-Fi

Чек-лист "Оцени свои силы":

• У вас есть доступ к реальным данным предприятия для анализа?
• Уверены ли вы в правильности выбранной методики экономического расчета?
• Есть ли у вас запас времени (2–3 недели) на исправление замечаний научного руководителя?
• Знакомы ли вы глубоко со всеми выбранными технологиями (C++, Python, MQTT, GPIO, работа с датчиками)?
• Можете ли вы самостоятельно составить ТЗ по ГОСТ 34.602-2020?

И что же дальше? Два пути к успешной защите

Путь 1: Самостоятельный. Вы — целеустремлённый студент, готовый вложить силы в свой проект. Вам предстоит пройти все этапы: от анализа предметной области до расчёта NPV. Этот путь потребует от вас от 150 до 200 часов упорной работы, готовности разбираться в смежных областях (электроника, сетевые протоколы, экономика) и стрессоустойчивости при работе с правками научного руководителя.

Путь 2: Профессиональный. Вы цените своё время и результат. Доверив работу специалистам, вы получаете:

• Экономию времени для подготовки к защите, работы или личной жизни;
• Гарантированное соответствие всем требованиям МУИВ;
• Качественную реализацию всех разделов — от IDEF0 до расчёта ROI;
• Поддержку до самой защиты и бесплатные доработки.

Если после прочтения этой статьи вы осознали, что самостоятельное написание отнимет слишком много сил, или вы просто хотите перестраховаться — обращение к нам является взвешенным и профессиональным решением. Мы возьмем на себя все технические сложности, а вы получите готовую, качественную работу и уверенность перед защитой.

Оформите заказ онлайн: Заказать ВКР МУИВ

Заключение

Написание ВКР по теме «Разработка программы, реализующей микроконтроллеры Arduino и Raspberry Pi в разработке прототипов умных домов» — это комплексная задача, требующая знаний в области встраиваемых систем, веб-разработки и системного анали