Lowering barriers on embedded system design - Turning innovations into prototypes

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2019-05-17
Date
2019
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
65 + app. 47
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 68/2019
Abstract
Embedded system development platforms have made designing prototypes and devices possible outside the engineering domain. While interdisciplinary community and maker movement have strongly adopted breakout physical computing toolkits, such as Arduino, it is not only hobbyists utilizing them.  Easy accessibility toolkits are used in various research and scientific projects and in engineering education. Using embedded system development platforms have become a widespread practice of both engineers and non-engineers alike, covering almost every field. While more accessible tools save beginners from many low-level problems, embedded system design still requires a set of skills which may seem overwhelming for novices. Getting started can be burdensome especially for non-engineers as embedded systems are a mixture of both software and hardware with challenging subareas, such as programming.  This dissertation explores which tools and processes would lower the threshold of designing embedded systems, enabling non-engineers and novice engineers to turn their innovations into working prototypes in such way that the workflow allows experimentational prototypes to evolve into deployable embedded systems.  As a result, a method is presented, including a framework for selecting novice friendly sensors, a minimalistic approach for teaching robot prototyping, an IoT rapid prototyping laboratory setup and a case study employing the same tools for developing satellite subsystems as those that are applicable for multidisciplinary novice use. In the case workshops, all student groups successfully completed the given prototyping tasks. In addition to tangible results, reception of the subject, including typically burdensome areas such as programming, was very positive.

Sulautettujen järjestelmien kehitysalustat ovat mahdollistaneet prototyyppien ja laitteiden suunnittelun myös muiden kuin insinöörien toimesta. Vaikka monialainen yhteisö ja Maker-liike ovat vahvasti omaksuneet kehitysalustojen, kuten Arduinon, käytön, ei niiden hyödyntäminen rajoitu harrastajiin.  Helppokäyttöisiä työkaluja käytetään lukuisissa tutkimus- ja tiedeprojekteissa, sekä insinöörien opetuksessa. Sulautettujen järjestelmien kehitysalustojen käytöstä onkin tullut laajasti levinnyt käytäntö myös muilla kuin teknisillä aloilla. Vaikka helppokäyttöisemmät työkalut säästävät käyttäjät monilta matalan tason ongelmilta, sulautettujen järjestelmien suunnittelu vaatii laajan yhdistelmän erilaisia taitoja, joiden opettelu voi vaikuttaa liian haastavalta aloittelijoille. Alkuun pääsy voi olla erityisen vaikeaa muille kuin insinööreille, koska sulautetut järjestelmät ovat yhdistelmä ohjelmistoa ja laitteistoa, sekä niiden haastavia osa-alueita, kuten ohjelmointia.  Tämän väitöskirjan aiheena on tutkia, mitkä työkalut ja prosessit laskisivat kynnystä suunnitella sulautettuja järjestelmiä siten, että muidenkin kuin insinöörien olisi mahdollista kehittää innovaatioistaan toimivia prototyyppejä. Olennaista on, että työnkulku mahdollistaa kokeellisten prototyyppien kehittymisen käyttökelpoisiksi sulautetuiksi järjestelmiksi.  Tuloksena esitetään metodi, joka sisältää tavan valita aloittelijaystävällisiä sensoreita, minimalistisen lähestymistavan robotiikan prototyyppien rakentamisen opettamiseen, nopeat IoT-prototyypit mahdollistavan prosessin, sekä case-esimerkin, jossa käytetään samoja monialaiseen aloittelijakäyttöön sopivia työkaluja satelliitin sensorin kehittämiseen. Case-työpajoissa kaikki opiskelijaryhmät rakensivat onnistuneesti prototyypit toimeksiannon mukaisesti. Onnistuneiden projektien lisäksi perinteisesti haastavana pidetyn aihepiirin vastaanotto oli erittäin positiivinen.
Description
Supervising professor
Kyrki, Ville, Prof., Aalto University, Department of Electrical Engineering and Automation, Finland
Keywords
Sensors, embedded systems, Arduino, engineering education, learning barriers, microcontrollers, free software, Internet of Things (IoT), Sensorit, sulautetut järjestelmät, Arduino, mikrokontrollerit, avoin lähdekoodi, IoT
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Karvinen, K. 2018. Choosing novice friendly sensors. International Journal of Electrical Engineering Education (IJEEE). First published September 18 2018.
    DOI: 10.1177/0020720918800821 View at publisher
  • [Publication 2]: Karvinen, K. 2016 Teaching robot rapid prototyping for non-engineers – a minimalistic approach. World Transactions on Engineering and Technology Education (WTE&TE), volume 14, issue 3, pages 341-346.
  • [Publication 3]: Karvinen, K., Karvinen, T. 2018. IoT rapid prototyping laboratory setup. International Journal of Engineering Education (IJEE), volume 34, issue 1, pages 263-272.
  • [Publication 4]: Karvinen, K., Tikka, T., Praks, J. 2015. Using hobby prototyping boards and commercial-off-the-shelf (COTS) components for developing low-cost, fast-delivery satellite subsystems. Journal of Small Satellites (JoSS), volume 4, issue 1, pages 301-314.
Citation