inteligentny termometr - Politechnika Częstochowska

INTELIGENTNY TERMOMETR
Roman Chudy
Studenckie Koło Naukowe Inżynierii Komputerowej
Katedra Inżynierii Komputerowej i Informatyki
Wydział Inżynierii Mechanicznej i Informatyki,
Politechnika Częstochowska
Al. Armii Krajowej 36
42 – 200 Częstochowa
Opiekun: dr inż. Robert Cierniak
98-330 Pajęczno, Ogrodowa 42
e-mail: [email protected]
Streszczenie: Niniejsza praca zawiera opis „inteligentnego termometru“ wspomagającego
naturalne metody planowania rodziny. System zbudowany jest z dwóch podsystemów
współpracujących między sobą. Pierwszy, stanowiący niezależne urządzenie
przeprowadza odczyt temperatury. Rolą drugiego podsystemu jest rejestracja odczytanych
temperatur w pamięci, co stanowi podstawę do przeprowadzenia analizy płodności
kobiety w celu ustalenia rozpoczęcia fazy całkowicie niepłodnej w cyklu estrogenowoprogesteronowym kobiety.
1. Wstęp
Dynamiczny rozwój dziedziny nauki zajmującej się całokształtem zagadnień
związanych z problematyką określaną jako sztuczna inteligencja (ang. artificial intelligence)
spowodował rosnące zainteresowanie zdobyczami w tej dziedzinie wśród producentów
różnego rodzaju oprzyrządowania. Symptomatyczne jest, że wśród ludzi zapowiadających
dynamiczny rozwój rynku urządzeń, w których zaimplementowane mają być elementy
sztucznej inteligencji jest jeden z twórców mikrokomputerów — J. Wozniak, współtwórca
firmy McIntosh. Zapowiedział on ostatnio powrót do aktywnej działalności gospodarczej
właśnie w dziedzinie badania możliwości zastosowania sztucznej inteligencji w urządzeniach
różnego rodzaju, ze szczególnym uwzględnieniem sprzętu powszechnego użytku.
W tym kontekście wydaje się uzasadnione twierdzenie, że sprzęt medyczny
zaopatrzony w elementy sztucznej inteligencji mógłby stanowić w wielu wypadkach poważną
konkurencję dla tradycyjnych urządzeń medycznych, pozbawionych tej ze wszech miar
ciekawej cechy — znamion inteligencji.
Przedstawiony poniżej opis projektu stanowi opis fazy realizacyjnej jednego z wątków
badań przeprowadzonych w Katedrze Inżynierii Komputerowej Politechniki Częstochowskiej
[2][3][4] w ramach zagadnień powiązanych wspólnym tematem zastosowań sztucznej
inteligencji w urządzeniach medycznych — budowy inteligentnego termometru.
-1-
2. Funkcje inteligentnego termometru
Termin „inteligencja” w kontekście sztucznych wytworów naszej cywilizacji jest
aktualnie jednym z bardziej eksploatowanych określeń, mających za zadanie zwrócić uwagę
odbiorców i użytkowników różnego rodzaju „inteligentnych” urządzeń na fakt posiadania
przez nie pewnych specyficznych cech. Cechy takie powinny znamionować posiadanie przez
te martwe przecież rzeczy elementów interaktywnego reagowania na działania, a nawet
potrzeby inteligentnego, w ścisłym tego słowa znaczeniu, (przynajmniej w założeniu)
posiadacza. W opisywanym projekcie, mającym za cel stworzenie termometru o posiadanych
cechach skłaniających do określenia go mianem inteligentnego, niezmiernie ważne jest
wyłonienie funkcji, które ten termometr miałby posiadać. W toku rozważań uznano, że
następujące funkcje byłyby właściwe dla takiego urządzenia, i co równie ważne byłyby
realizowalne w praktyce:

funkcja standardowego pomiar temperatury (bez rejestracji w pamięci),

funkcja zdalnego przekazywania pomiaru temperatury (z rejestracją w pamięci) do
urządzenia analizującego, w ramach stosowania naturalnych metod planowania
rodziny [1][6],

wyznaczanie rozpoczęcia fazy całkowicie niepłodnej w cyklu hormonalnym kobiety,

funkcja kalendarza,

funkcja budzika,

dźwiękowe lokalizowanie modułu czujnika temperatury.
Urządzenie realizujące takie funkcje zostało koncepcyjnie podzielone na dwa moduły:
moduł termometru właściwego (sondy) i moduł urządzenia bazowego (jednostki centralnej),
co zostało zobrazowane przy pomocy rysunku 1.
SONDA
JEDNOSTKA CENTRALNA
klawiatura
przycisk
EEPROM
temperatura
czujnik
DS1621
P
Port
IrDA
Port
IrDA
P
RTC
LCD
graf.
LCD
Rys. 1. Schemat blokowy inteligentnego termometru.
-2-
W toku przeprowadzonych dotychczas prac udało się zrealizować część projektu
dotyczącego budowy samego termometru, którego dokładniejszy opis znajduje się w
następnym punkcie.
3. Architektura termometru
Konstrukcja sondy, czyli właściwego termometru jest stosunkowo prosta. Zbudowana
jest z czterech modułów: czujnika temperatury opartego na układzie DS1621 firmy Dallas
Semiconductor [5], wyświetlacza LCD, mikrokontrolera i toru transmisji danych w
podczerwieni. Zastosowanie cyfrowego czujnika DS1621 znacznie uprasza budowę oraz
podnosi dokładność pomiarów (rzędu 0.0156 C). Rola mikrokontrolera ogranicza się tutaj
jedynie do odczytania wartości temperatury, przedstawienia jej na wyświetlaczu LCD i
przesłaniu do jednostki centralnej za pomocą łącza podczerwieni. O przesłaniu wyniku
decyduje użytkownik naciskając przycisk w odpowiednim czasie.
Odczyt danych z czujnika odbywa się za pomocą dwuprzewodowej magistrali I2C [8]
podłączonego bezpośrednio do mikrokontrolera. Magistrala ta została opracowana specjalnie
do współpracy z wieloma urządzeniami peryferyjnymi wykorzystujące te same,
współdzielone linie do transmisji danych. Dzięki temu możliwe będzie również podłączenie
zegara czasu rzeczywistego jak i pamięci EEPROM na wyniki pomiarów w jednostce
centralnej.
Magistrala I2C, zastosowana w tym projekcie, składa się z dwóch linii: SDA (ang. Serial
Data – linia danych) i SCL (ang. Serial Clock – linia zegara). Sygnały na obu liniach mają
formę cyfrowych przebiegów dwustanowych. Linia danych jest dwukierunkowa, więc
możliwy jest zarówno odczyt jak i zapis danych. Natomiast linia zegara jest jednokierunkowa,
co oznacza, że jeśli komunikują się ze sobą dwa układy, tylko jeden z nich może generować
przebieg SCL (układ master – układ zarządzający magistralą). W tym przypadku jest to
mikrokontroler. Prędkość przesyłania danych magistralą I2C jest stosunkowo niewielka –
górna granica wynosi 100 kHz, a dla niektórych układów – 400 kHz.
Procedury do obsługi magistrali I2C są doskonale opisane w literaturze [8]. Są one krótkie,
i proste w zrozumieniu, dzięki czemu ich implementacja w języku C++ jest niezwykle prosta.
Aby zminimalizować koszty oraz umożliwić napisanie optymalnych algorytmów
koniecznych do prawidłowej pracy całego termometru napisany został program
współpracujący bezpośrednio z czujnikiem DS1621 za pośrednictwem portu równoległego
komputera PC [7]. Dzięki jego właściwościom nie było konieczne stosowanie elektroniki
pośredniczącej. (tzw. interface’u). Program ten umożliwia pojedynczy odczyt temperatury
standardowej (z dokładnością 0.5 C) oraz dokładnej (z dokładnością 0.0156 C), jak i ciągłe
śledzenie zmian temperatury wraz z naniesieniem na wykres. Przykładowy przebieg zmian
temperatury czujnika po przyłożeniu do ciała przedstawiony jest na rys. 2.
-3-
Rys. 2. Przebieg zmiany temperatury czujnika.
Na powyższym rysunku znajduje się wykres zależności temperatury od czasu trwania
pomiaru. Rozpiętość osi czasu to 96 sekund. Jak widać czas ten jest niewystarczający, aby
odczytać poprawną temperaturę ciała. Zaniżenie wyniku spowodowane jest wychładzaniem
czujnika (o bardzo małej pojemności cieplnej) poprzez przewody łączące z układem sondy.
Rozwiązaniem tego problemu jest nakładka na czujnik o pojemności cieplnej wielokrotnie
przewyższającej pojemność samego czujnika. Dzięki temu uzyskany wynik będzie dokładniej
odzwierciedlał faktyczną wartość mierzonej temperatury. Jest to warunek konieczny do
poprawnego działania całego systemu termometru.
4. Wnioski
Aktualnie osiągnięto stan realizacji projektu, na którym można dokonywać pomiarów
temperatury ciała w sposób rozumiany jako funkcja standardowego pomiaru tego parametru.
Prace idą w kierunku umożliwienia dokonywania odczytu pomiarów na wyświetlaczu LCD,
by następnie przejść do przysposobienia termometru do możliwości przekazywania
wykonanych pomiarów urządzeniu bazowemu za pomocą podczerwieni.
Równolegle do opisywanych prac budowane i testowane są inteligentne algorytmy
mające dużą szansę poszerzyć w przyszłości „horyzonty” opisywanego urządzenia o niektóre
funkcje zapisane w ogólnych założeniach konstrukcyjnych inteligentnego termometru.
Istnieje realna szansa na wykonanie całego projektu jako systemu
mikroprocesorowego, jednakże wykonanie urządzenia o wymienionych cechach inteligencji
wymagałoby zaimplementowania układowego w postaci dedykowanego układu scalonego,
aby produkt taki miał szansę na powszechne użytkowanie.
Bibliografia
[1] Billings E. J., Billings J. J., „Symptoms and Hormonal Changes Accompaying
Ovulation”, Lancet, 2., 1972.
[2] Cierniak R., praca magisterska: Elektroniczny identyfikator fazy cyklu progesteronowoestrogenowego, Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków, 1990.
[3] Cierniak R., Urządzenie wspomagające naturalne metody planowania rodziny, V Krajowy
Kongres Ekologiczny: EKO-Med., Tarnów, 19-21.XI.1998, str. 347-351.
-4-
[4] Cierniak R., „PRO HOMINIBUS” – urządzenie wspomagające naturalne metody
planowania rodziny, XI Krajowa Konferencja Naukowa: Biocybernetyka i Inżynieria
Biomedyczna, W-wa, 2-4.XII.1999, str. 747-751.
[5] “DS1621 – Digital Thermometer and Thermostat” - Data Sheets, Dallas Semiconductor,
http://pdfserv.maxim-ic.com/arpdf/DS1621.pdf.
[6] Fijałkowski W., „Naturalny Rytm Płodności”, PZWL, Warszawa 1981.
[7] Metzger P., „Anatomia PC”, Wydawnictwo Helion.
[8] Rochumski P., “Opis magistrali I2C”, http://paweluss107.w.interia.pl/opis_i2c.zip.
-5-