Технологія інтернет речей в біомедичній інженерії
Спеціальність: Біотехнічні та медичні апарати і системи (Інтернет речей)
Код дисципліни: 7.163.03.O.005
Кількість кредитів: 5.00
Кафедра: Електронні засоби інформаційно-комп'ютерних технологій
Лектор: Голяка Роман Любомирович
Семестр: 1 семестр
Форма навчання: денна
Завдання: Вивчення навчальної дисципліни передбачає формування у здобувачів освіти компетентностей:
загальні компетентності:
ЗК 1. Здатність до абстактного мислення, аналізу та синтезу.
ЗК 2. Здатність до пошуку, оброблення та аналізу інформації з різних джерел.
ЗК 3. Вміння виявляти, ставити та вирішувати проблеми.
ЗК 7. Здатність вчитися і оволодівати сучасними знаннями як в колективі, так і самостійно.
ЗК 8. Здатність виявляти наукову сутність проблем у професійній сфері, знаходити адекватні шляхи щодо їх розв’язання.
ЗК 9. Здатність генерувати нові ідеї й нестандартні підходи до їх реалізації (креативність).
ЗК 12. Здатність досліджувати проблеми із використанням із використанням системного аналізу, синтезу та інших методів.
фахові компетентності:
ФК 1. Здатність вирішувати комплексні проблеми біомедичної інженерії із застосуванням методів математики, природничих та інженерних наук.
ФК 3. Здатність аналізувати складні медико-інженерні та біоінженерні проблеми та здійснювати їх формалізацію для знаходження кількісних рішень із застосуванням сучасних математичних методів та інформаційних технологій.
ФК 4. Здатність створювати і вдосконалювати засоби, методи та технології біомедичної інженерії для дослідження і розробки біоінженерних об’єктів та систем медико-технічного призначення.
ФК 5. Здатність розробляти технічні завдання на створення, а також моделювати, оцінювати, проектувати та конструювати складні біоінженерні та медико-інженерні системи і технології.
ФК 10. Здатність виконувати інженерне обслуговування медичних приладів та систем, до складу яких входять цифрові мікропроцесорні системи.
ФК 11. Здатність проводити ручне і автоматизоване тестування програм біомедичного призначення.
Результати навчання: В результаті вивчення дисципліни студент повинен продемонструвати такі результати навчання:
- розуміти основи концепцій Інтернет Всього (IoE), Мережа речей (WoT), Інтернету Речей (IoT), Індустріальний Інтернет Речей (IIoT), Розумне середовище (SE), Розумний дім (SH), Доповнена реальність (AR), розумний пил (SD), Телемедицина (TM);
- знати основи побудови та проектування електронних пристроїв IoT та IIoT, вбудованих систем, розумних сенсорів та актюаторів, сигнальних перетворювачів,
- демонструвати знання та вміння розробляти IoT пристрої на основі спеціалізованих мікроконтролерів та мікроконвертерів, відкритих IoT платформи, зокрема, Arduino, Raspberry Pi, Adafruit Feather.
- знати протоколи обміну даними та їх стандарти: USB, WiFi, Wi-Fi Direct, IEEE 802.15.4, Bluetooth, Bluetooth low energy (BLE), ZigBee, 6LoWPAN, Low-power wide-area networking (LPWAN).;
- демонструвати знання та вміння використовувати IoT середовищ розробки програм (IoT SDE), зокрема, Intel XDK, Intel System Studio IoT Edition, Android Things, Google Cloud Interconnect;
- демонструвати знання сучасних тенденцій розвитку IoT та IIoT.
Необхідні обов'язкові попередні та супутні навчальні дисципліни: Компонентна база біомедичної апаратури
Схемотехніка біомедичної апаратури
Короткий зміст навчальної програми: Програма навчальної дисципліни “Технології Інтернету Речей” укладена для студентів інституту телекомунікацій, радіоелектроніки та електронної техніки, які навчаються за спеціальністю 8.163.01 «Біотехнічні та медичні апарати і системи». В результаті успішного навчання за програмою курсу студент засвоїть теоретичні засади та практичні навички по застосуванню, проектуванню, модельному та експериментальному дослідженню пристроїв Інтернету Речей, в тому числі в галузі біомедичної інженерії.
Курс має наукове та практичне спрямування, надаючи студентам можливості, як продовжити наукові дослідження, так і використання електронних пристроїв Інтернету Речей Самоосвіта вважається невід’ємною частиною даного навчального курсу, і особлива увага у програмі приділяється самостійній роботі студентів.
В цілому, курс “Технології Інтернету Речей” складається з восьми частин: 1 Кореквізити та компоненти Інтернету Речей; 2 Взаємодія об’єктів ІР. Бездротові сенсорні мережі; 3 Стандарти радіочастотного зв’язку ІР; 4 Сенсори ІР та медичного ІР; 5 Схемотехніка пристроїв ІР; 6 Апаратно-програмні засоби ІР; 7 Апаратно-програмні засоби медичного ІР; 8 Творчі проекти ІР (стартапи). Особлива увага приділяється медичним аспектах ІР, телемедицині, концепціям електронне (e-Health) та мобільне (m-Health) здоров’я. Основою практикуму курсу є програмовані системи на кристалі PSoC (Cypress), Arduino-сумісні сенсорні модулі та платформи ІР.
Зміст курсу спрямований на формування у студентів розуміння загальної тенденції розвитку Інтернету Речей, здатності студентів ефективно використовувати набуті знання під час практичних занять в аудиторіях та при виконанні практичних та самостійних завдань, вміння знаходити необхідну інформацію в спеціалізованій літературі та Інтернеті.
Вивчення навчальної дисципліни передбачає використання програмного забезпечення для схемо технічного моделювання MicroCap11 (evaluation student version) та інтегрованих програмних середовищ розроблення (Integrated Development Environment, IDE) PSoC Creator, Arduino IDE. Всі вказані програмні продукти не вимагають ліцензійної оплати є у вільному доступі для студентів.
Опис: Тема 1. Концепції та технології Медичного Інтернету речей
Концепції: Інтернет речей, Промисловий Інтернет речей, Медичний Інтернет речей. Хмарні (Cloud) технології. Терміни та моделі Інтернету речей. Типи взаємодії суб’єктів Інтернету Речей. Класифікація мереж
Модель зв'язку відкритих систем OSI (Open System Interconnection) та її адаптація в технології Інтернету речей. Топологія мереж. Мережі типу ad-hoc та mesh. Маршрутизація. Протокол IPv6. Бездротові сенсорні мережі. Семантична павутина
Грід-технології. Грід-технології в медицині. Технології HealthGrid. Технології Point-of-care testing. Телемедицина. Реалізація концепції телемедицини. Телемедицина та електронні медичні картки в Україні
Основи радіочастотного зв’язку: електромагнітна хвиля, модуляції сигналів, спектри електромагнітних хвиль телекомунікації, діапазони ISM (Industrial, Scientific, Medical).
Тема 2. Технології та стандарти телекомунікації
Технології Інтернету речей на базі стільникових мереж. Технології LTE, VoLTE, LTE-Advanced, LTE-A Pro, 4G LTE, VoLTE
Технології та стандарти телекомунікації: Wi-Fi (IEEE 802.11)
Технології та стандарти телекомунікації: Bluetooth (IEEE 802.15), ANT
Технології та стандарти телекомунікації: ZigBee, Z-Wave, IEEE 802.15.4, NanoNET. Технології та стандарти телекомунікації: WiMAX, MAN Air Interface, WirelessMAN-Advanced, UWB (Ultra Wide Band, IEEE 802.15.3), WirelessHD, WiHD, WiGig (60 ГГц)
Технології та стандарти телекомунікації: 6LoWPAN, Thread, LoRa, LoRaWAN, MQTT, Eclipse Mosquitto. Технології та стандарти телекомунікації: One-Net, KNX, Modbus, DECT, DECT ULE
Технології та стандарти телекомунікації: NFC (Near Field Communication), Beacon, iBeacon, BLE-Beacon. Технології та стандарти телекомунікації: RFID (Radio Frequency IDentification)
Тема 3. Рішення та компоненти Медичного Інтернету речей
Cтандарт обміну електронної медичної інформації Health Level 7. Інтегровані рішення в концепціях медичного IoT та e-Health
Мікроелектромеханічні системи (МЕМS). Розумний пил (Smart Dust). Концепція Лабороторія на чіпі (Lab-on-Chip). Мікрочіпові імплантати
Платформи розробки пристроїв Медичного Інтернету речей. Консорціум Continua Health Alliance. Bluetooth Health Device Profile (HDP). Платформа Industruino. Lab Jack. SmartLab. SCiO.
Компоненти пристроїв Інтернету речей – Програмовані системи на кристалі та програмовані логічні інтегральні схеми. Аналоговий фронт-енд пристроїв Інтернету речей. Біометрія. Електронні засоби біометричної ідентифікації
Радіоелектроніка Інтернету речей. Концепція програмно-конфігурованого радіо (SDR). Електромагнітна сумісність. Компоненти радіоелектроніки Інтернету речей.
Методи та критерії оцінювання: Поточний контроль: письмові звіти з лабораторних робіт, усне опитування, контрольні роботи – 40 балів (40%). Підсумковий контроль: контрольний захід екзамен, письмово-усна форма – 60 балів (60%).
Критерії оцінювання результатів навчання: 1) Захист лабораторних робіт включає демонстрацію результатів за індивідуальним варіантом, оформлення письмових звітів до лабораторних робіт.
2) Усне опитування відбувається на лабораторних заняттях та під час контрольної роботи. Опитування здійснюється за питаннями зі сформованих списків до кожної лабораторної роботи та контрольної роботи.
3) Тестування відбувається у ВНС під час контрольного заходу (поточного опитування) та під час контрольної роботи.
4) Контрольна робота складається з письмової компоненти (тест) та усної компоненти (індивідуальне опитування).
Порядок та критерії виставляння балів та оцінок: 100–88 балів – («відмінно») виставляється за високий рівень знань (допускаються деякі неточності) навчального матеріалу компонента, що міститься в основних і додаткових рекомендованих літературних джерелах, вміння аналізувати явища, які вивчаються, у їхньому взаємозв’язку і роз витку, чітко, лаконічно, логічно, послідовно відповідати на поставлені запитання, вміння застосовувати теоретичні положення під час розв’язання практичних задач; 87–71 бал – («добре») виставляється за загалом правильне розуміння навчального матеріалу компонента, включаючи розрахунки , аргументовані відповіді на поставлені запитання, які, однак, містять певні (неістотні) недоліки, за вміння застосовувати теоретичні положення під час розв’язання практичних задач; 70 – 50 балів – («задовільно») виставляється за слабкі знання навчального матеріалу компонента, неточні або мало аргументовані відповіді, з порушенням послідовності викладення, за слабке застосування теоретичних положень під час розв’язання практичних задач; 49–26 балів – («не атестований» з можливістю повторного складання семестрового контролю) виставляється за незнання значної частини навчального матеріалу компонента, істотні помилки у відповідях на запитання, невміння застосувати теоретичні положення під час розв’язання практичних задач; 25–00 балів – («незадовільно» з обов’язковим повторним вивченням) виставляється за незнання значної частини навчального матеріалу компонента, істотні помилки у відповідях на запитання, невміння орієнтуватися під час розв’язання практичних задач, незнання основних фундаментальних положень.
Рекомендована література: 1. Alessandro Bassi, Martin Bauer, Martin Fiedler. Enabling Things to Talk: Designing IoT solutions with the IoT Architectural Reference Model. Springer Heidelberg. -2013.
2. Ovidiu Vermesan, Peter Friess. Internet of Things: Converging Technologies for Smart Environments and Integrated Ecosystems // River Publishers. – 2013.
3. Мікросхемотехніка. Підручник за редакцією З.Ю.Готри / Гельжинський І.І, Голяка Р.Л., Готра З.Ю, Марусенкова Т.А. – Львів: Ліга-Прес. 2015.
4. Структури та параметри мікроелектронних гальваномагнітних сенсорів магнітного поля: монографія / Большакова І.А., Годинюк І.М., Голяка Р.Л., Готра З.Ю, Ільканич В.Ю., Марусенкова Т.А., Політанський Л.Ф.– Львів: Ліга-Прес, 2013.
5. Мікроелектронні сигнальні перетворювачі теплових сенсорів потоку: монографія / З.Ю.Готра, С.В.Павлов, Р.Л.Голяка та ін. – Вінниця: ВНТУ, 2012.
6. Войтович І.Д., Корсунський В.М. Інтелектуальні сенсори. – Київ. – Інститут кібернетики імені В.М.Глушкова НАН України.– 2007.
Уніфікований додаток: Національний університет «Львівська політехніка» забезпечує реалізацію права осіб з інвалідністю на здобуття вищої освіти. Інклюзивні освітні послуги надає Служба доступності до можливостей навчання «Без обмежень», метою діяльності якої є забезпечення постійного індивідуального супроводу навчального процесу студентів з інвалідністю та хронічними захворюваннями. Важливим інструментом імплементації інклюзивної освітньої політики в Університеті є Програма підвищення кваліфікації науково-педагогічних працівників та навчально-допоміжного персоналу у сфері соціальної інклюзії та інклюзивної освіти. Звертатися за адресою:
вул. Карпінського, 2/4, І-й н.к., кімн. 112
E-mail: nolimits@lpnu.ua
Websites: https://lpnu.ua/nolimits https://lpnu.ua/integration
Академічна доброчесність: Політика щодо академічної доброчесності учасників освітнього процесу формується на основі дотримання принципів академічної доброчесності з урахуванням норм «Положення про академічну доброчесність у Національному університеті «Львівська політехніка» (затверджене вченою радою університету від 20.06.2017 р., протокол № 35).