C3003 Internet věcí pro analytickou biochemii

Přírodovědecká fakulta
podzim 2023
Rozsah
2/0/0. 2 kr. (plus 2 za zk). Ukončení: zk.
Vyučující
prof. RNDr. Petr Skládal, CSc. (přednášející)
Garance
prof. RNDr. Petr Skládal, CSc.
Ústav biochemie – Chemická sekce – Přírodovědecká fakulta
Rozvrh
Čt 14:00–15:50 C05/114
Předpoklady
znalosti práce s počítačem a s internetem, minimální zkušenosti z oblasti programování
Omezení zápisu do předmětu
Předmět je otevřen studentům libovolného oboru.
Předmět si smí zapsat nejvýše 30 stud.
Momentální stav registrace a zápisu: zapsáno: 6/30, pouze zareg.: 0/30, pouze zareg. s předností (mateřské obory): 0/30
Cíle předmětu
Cílem přednášky s navazujícími praktickými domácími pokusy je jednoduchou formou nabídnout pohled na základy systémů IoT (internet of things) pro měření různých veličin v biochemii s využitím elektronických modulů na bázi systémů Arduino či Raspberry Pi. Následně bude představeno, jak pomocí WiFi poslat experimentální údaje k webovým stránkám či službám pro záznam, zobrazení a vyhodnocení dat, nebo s využitím Bluetooth do smartphonu jako základu pro přenosná měřící zařízení. Poutavou formou se zájemcům přiblíží moderní technologie a snad se přispěje k pochopení základů digitální elektroniky (základní sensory, AD převodníky, sériová komunikace) a k překonání bariér v oblasti programování (ukázky na bázi C++, Python, HTML, PHP).
Výstupy z učení
Student zvládne základní principy elektroniky užitečné pro pochopení záznamu a uchovávání dat z bioanalytických systémů. Seznámí se možnostmi použití mikrokontrolérů jako řídících jednotek experimentálních zařízení. Naučí se výchozí úroveň programování mikrokontrolérů, bezdrátové komunikace a tvorby webových stránek pro ovládání instrumentace a záznam dat.
Osnova
  • 1. Co jsou IOT zařízení, jejich užitečnost pro moderní instrumentaci a využití pro vědecké experimenty, zpracování laboratorních dat v on-line režimu. Mikrokontrolery vhodné pro běžné uživatele – představení koncepce Arduino.
  • 2. Zopakování základů elektroniky – pasivní a aktivní součástky – odpory a Ohmův zákon, kondenzátory, diody a LED, tranzistory, stabilizátory napětí. Základní sensory pro měření teploty, vlhkosti, tlaku a intenzity světla.
  • 3. Arduino a jeho odvozené varianty, hardware a software, instalace integrovaného vývojového prostředí (IDE), základy programování, volba a možnosti demonstračního modulu (Seeduino Xiao), použití knihoven pro začlenění dalších komponent. Vytvoření a spuštění prvního programu – „Hello World“, rozblikání LED, sledování tlačítek a digitální rozhraní.
  • 4. Měření napětí – analogově-digitální převodníky, úprava vstupního signálu, základy vzorkování dat – snímání stavu potenciometru, měření osvětlení fotoodporem, teploměr jinak. Digitálně-analogový převodník a jeho náhrada.
  • 5. Komunikace s mikrokontrolerem – sériové rozhraní a jeho USB převodníky, přenos dat z periferií – I2C, OneWire a SPI sběrnice, příklad měření teploty a přenos do PC – USB teploměr, zpracování sériových dat na straně PC.
  • 6. Bezdrátové přenosy dat – Bluetooth sériový port a vhodné moduly, úsporná varianta BLE. Jak dostat data do mobilního telefonu (s Androidem), ukázka vývoje aplikace pro zobrazení dat pomocí MIT App Inventor – obrázkové programování. Představení koncepce Micro-Bit.
  • 7. Jak dostat data do internetu – moduly pro WiFi komunikaci. Základy tvorby webových stránek – HTML a CSS, oživení obsahu s PHP – bezdrátová meteostanice. Moderní domácnost – RGB LED a ovládání osvětlení z webu.
  • 8. Koncepce bezdrátově ovládaného fotometru – pokročilé měření intenzity světla fotodiodou, webová stránka přímo v mikrokontroleru.
  • 9. Operační zesilovače jako základ pro přenosnou elektrochemii – point-of-care bioanalytika na příkladu bluetooth glukometru, ukázka profesionálního modulu EmstatPico.
  • 10. Linux na dlani – koncepce Raspberry Pi, představení programování v Pythonu a sestavení webové kamery pro sledování obrazových dat z mikroskopu.
Literatura
    doporučená literatura
  • Simon Monk: Hacking Electronics: Learning Electronics with Arduino and Raspberry Pi. 2017, McGraw-Hill, ISBN: 9781260012200. Simon Monk: Programing Arduino Next Steps 2nd ed., 2019. ISBN-10: 1260143244
Výukové metody
přednáškový kurz doplněný domácími experimenty
Metody hodnocení
písemný test s 30 otázkami - výběr z nabízených variant, pro úspěšné absolvování nutné alespoň polovina otázek zodpovězena správně
Informace učitele
Přednáška je plánována od podzimního semestru 2021 a bude nabízena v programech mag. Biochemie / Analytická biochemie, bak. Biochemie / Aplikovaná biochemie + Bioinformatika, dokt. Bioanalytická chemie.
Další komentáře
Studijní materiály
Předmět je dovoleno ukončit i mimo zkouškové období.
Předmět je zařazen také v obdobích podzim 2021, podzim 2022, podzim 2024.