Module also offered within study programmes:
General information:
Name:
Sensory i sieci sensoryczne
Course of study:
2019/2020
Code:
IETP-2-207-n
Faculty of:
Computer Science, Electronics and Telecommunications
Study level:
Second-cycle studies
Specialty:
-
Field of study:
Electronics and Telecommunications
Semester:
2
Profile of education:
Academic (A)
Lecture language:
Polish
Form and type of study:
Part-time studies
Responsible teacher:
Wiśniowski Piotr (pwis@agh.edu.pl)
Module summary

Kurs pozwala na pogłębienie znajomości czujników, poznanie zasad budowy i projektowania systemów wbudowanych; zaprojektowanie, praktyczne wykonanie, uruchomienie, kalibrację systemu wbudowanego.

Description of learning outcomes for module
MLO code Student after module completion has the knowledge/ knows how to/is able to Connections with FLO Method of learning outcomes verification (form of completion)
Social competence: is able to
M_K001 Student rozumie potrzebę budowania zminiaturyzowanych i pobierających mało energii systemów wbudowanych zawierających nowoczesne czujniki. ETP2A_K02 Activity during classes
M_K002 Student ma świadomość własnego wpływu na rozwój techniki i jakość projektowanych systemów. ETP2A_K01 Activity during classes
M_K003 Umiejętność pracy zespołowej. ETP2A_K02 Execution of laboratory classes,
Execution of a project
Skills: he can
M_U001 Student potrafi znaleźć w literaturze, bazach danych, notach aplikacyjnych, źródłach internetowych i innych potrzebne informacje o parametrach czujników, ich charakterystykach i działaniu. ETP2A_U01, ETP2A_U02 Execution of laboratory classes
M_U002 Student umie zaplanować testy i sprawdzić zaprojektowany i wykonany układ, przeprowadzić jego kalibrację i zmierzyć podstawowe parametry. ETP2A_U07, ETP2A_U05, ETP2A_U02 Execution of laboratory classes
M_U003 Student potrafi opracować dokumentację wyników przeprowadzonego eksperymentu, zawierającą omówienie tych wyników i wnioski. ETP2A_U03 Report
M_U004 Umiejętność komunikatywnego przedstawienia efektów swojej pracy. ETP2A_U03 Completion of laboratory classes
M_U005 Student potrafi - bazując na charakterystykach stosowanych elementów - zaprojektować układ wbudowany, realizujący określone zadania, zawierający odpowiednio dobrany do zastosowania czujnik. ETP2A_U05 Execution of a project
Knowledge: he knows and understands
M_W001 Student zna przykładowe charakterystyki przetwarzania sensorów, źródła zakłóceń sygnału czujnikowego i podstawowe sposoby ich eliminacji. ETP2A_W04 Examination
M_W002 Student wie, jak działają czujniki półprzewodnikowe i sensory magnetyczne stosowane do pomiaru wielkości elektrycznych i nieelektrycznych, wytwarzane w różnych technologiach, w tym mikromechanicznych, CMOS, cienkowarstwowych itp. ETP2A_W01, ETP2A_W06 Examination
M_W003 Student ma podstawową wiedzę w zakresie budowy toru pomiarowego zawierającego elementy wzmacniające, linearyzujące, filtrujące, dopasowujące impedancje oraz optymalizujące właściwości szumowe. ETP2A_W04, ETP2A_W03 Examination
M_W004 Student ma podstawową wiedzę w zakresie projektowania czujnikowych systemów wbudowanych oraz budowy aparatury przeciwwybuchowej ze szczególnym uwzględnieniem budowy iskrobezpiecznej zgodnie z wymaganiami dyrektywy ATEX. ETP2A_W04, ETP2A_W03, ETP2A_W06 Examination
M_W005 Student zna podstawowe techniki związane z odzyskiem oraz oszczędzaniem energii w systemach wbudowanych. ETP2A_W04, ETP2A_W06 Examination
Number of hours for each form of classes:
Sum (hours)
Lecture
Audit. classes
Lab. classes
Project classes
Conv. seminar
Seminar classes
Pract. classes
Zaj. terenowe
Zaj. warsztatowe
Prace kontr. przejść.
Lektorat
30 16 0 8 6 0 0 0 0 0 0 0
FLO matrix in relation to forms of classes
MLO code Student after module completion has the knowledge/ knows how to/is able to Form of classes
Lecture
Audit. classes
Lab. classes
Project classes
Conv. seminar
Seminar classes
Pract. classes
Zaj. terenowe
Zaj. warsztatowe
Prace kontr. przejść.
Lektorat
Social competence
M_K001 Student rozumie potrzebę budowania zminiaturyzowanych i pobierających mało energii systemów wbudowanych zawierających nowoczesne czujniki. + - + - - - - - - - -
M_K002 Student ma świadomość własnego wpływu na rozwój techniki i jakość projektowanych systemów. + - + - - - - - - - -
M_K003 Umiejętność pracy zespołowej. - - + + - - - - - - -
Skills
M_U001 Student potrafi znaleźć w literaturze, bazach danych, notach aplikacyjnych, źródłach internetowych i innych potrzebne informacje o parametrach czujników, ich charakterystykach i działaniu. + - + + - - - - - - -
M_U002 Student umie zaplanować testy i sprawdzić zaprojektowany i wykonany układ, przeprowadzić jego kalibrację i zmierzyć podstawowe parametry. + - + - - - - - - - -
M_U003 Student potrafi opracować dokumentację wyników przeprowadzonego eksperymentu, zawierającą omówienie tych wyników i wnioski. - - + - - - - - - - -
M_U004 Umiejętność komunikatywnego przedstawienia efektów swojej pracy. - - + + - - - - - - -
M_U005 Student potrafi - bazując na charakterystykach stosowanych elementów - zaprojektować układ wbudowany, realizujący określone zadania, zawierający odpowiednio dobrany do zastosowania czujnik. + - - - - - - - - - -
Knowledge
M_W001 Student zna przykładowe charakterystyki przetwarzania sensorów, źródła zakłóceń sygnału czujnikowego i podstawowe sposoby ich eliminacji. + - + - - - - - - - -
M_W002 Student wie, jak działają czujniki półprzewodnikowe i sensory magnetyczne stosowane do pomiaru wielkości elektrycznych i nieelektrycznych, wytwarzane w różnych technologiach, w tym mikromechanicznych, CMOS, cienkowarstwowych itp. + - + + - - - - - - -
M_W003 Student ma podstawową wiedzę w zakresie budowy toru pomiarowego zawierającego elementy wzmacniające, linearyzujące, filtrujące, dopasowujące impedancje oraz optymalizujące właściwości szumowe. + - + + - - - - - - -
M_W004 Student ma podstawową wiedzę w zakresie projektowania czujnikowych systemów wbudowanych oraz budowy aparatury przeciwwybuchowej ze szczególnym uwzględnieniem budowy iskrobezpiecznej zgodnie z wymaganiami dyrektywy ATEX. + - + + - - - - - - -
M_W005 Student zna podstawowe techniki związane z odzyskiem oraz oszczędzaniem energii w systemach wbudowanych. + - - - - - - - - - -
Student workload (ECTS credits balance)
Student activity form Student workload
Summary student workload 100 h
Module ECTS credits 4 ECTS
Udział w zajęciach dydaktycznych/praktyka 30 h
przygotowanie projektu, prezentacji, pracy pisemnej, sprawozdania 44 h
Realization of independently performed tasks 26 h
Module content
Lectures (16h):
  1. Wiadomości wstępne

    Przedstawienie planu wykładu. Wprowadzenie w tematykę systemów wbudowanych: definicje, parametry, przykładowe zastosowania, układy pracy, elementy systemu wbudowanego, wymagania stawiane czujnikom w systemach wbudowanych. Miejsce czujnika w systemie pomiarowym. Przypomnienie wiadomości o współczesnych czujnikach: definicje, podział, technologie. Charakterystyki statyczne i dynamiczne czujników. Pojęcia: czułość, zakres pomiarowy, rozdzielczość, próg detekcji, powtarzalność charakterystyki, kalibracja, histereza, stabilność krótko- i długoterminowa, szybkość odpowiedzi, czas życia, dopuszczalne warunki środowiskowe oraz dopuszczalne wartości graniczne.

  2. Przegląd czujników stosowanych w systemach wbudowanych

    Omówienie nowoczesnych czujników półprzewodnikowych stosowanych do detekcji wielkości elektrycznych i nieelektrycznych, w szczególności wytwarzanych w technologiach mikromechanicznych. Rynek i kierunki rozwoju sensorów i mikrosystemów.
    Niskomocowe sensory półprzewodnikowe: akcelerometry, żyroskopy, czujniki ciśnienia, aktuatory, sensory temperatury (np. termoparowe, złączowe), sensory z powierzchniową falą akustyczną (SAW), sensory promieniowania elektromagnetycznego (np. fotoprzewodnościowe, fotowoltaiczne, piroelektryczne, mikroanteny), sensory chemiczne (w tym CHEMFET i biosensory), sensory w technologii CMOS, czujniki światłowodowe i optyczne.
    Sensory magnetyczne: podział, zasada działania, parametry, właściwości metrologiczne. Dobór sensorów do aplikacji wbudowanych na wybranym przykładzie. Zastosowania czujników magnetycznych w systemach wbudowanych do pomiaru pola magnetycznego, prądu, kąta, prędkości, ich parametry.

  3. Problemy integracji czujników w systemach wbudowanych

    Dopasowanie sygnału wyjściowego czujnika do toru pomiarowego: wzmacnianie, linearyzacja, przesuwanie poziomu, filtracja, dopasowanie impedancyjne, właściwości szumowe itp. Przedstawienie typowych układów kondycjonowania sygnału analogowego z czujników z wyjściem rezystancyjnym, napięciowym, prądowym, ładunkowym, pojemnościowym, indukcyjnym. Dobór układu do zastosowań, wpływ na rozdzielczość i czułość pomiaru. Mostkowe układy pomiarowe, wzmacniacze pomiarowe.
    Sprzętowa i programowa kalibracja czujników, scalone przetworniki dedykowane do aplikacji niskomocowych. Korekcja charakterystyk czujników.
    Omówienie najczęściej stosowanych metod i układów pomiarowych weryfikujących podstawowe parametry sensorów, które będzie można przeprowadzić w warunkach laboratoryjnych i przemysłowych. Analiza układów elektronicznych, analogowych i cyfrowych do obróbki sygnału z uwzględnieniem specyfiki aplikacji wbudowanych. Budowa kompletnych torów obróbki sygnału z czujników i sensorów charakteryzujących się niskim i bardzo niskim poborem mocy.

  4. Czujniki inteligentne i sieci sensorowe

    Czujniki inteligentne: definicje, wymagania, standardy, przykłady.
    Podstawy standardu IEEE 1451.X obejmującego moduł czujnika inteligentnego (STIM), układ komunikacji (NCAP), tablicę TEDS, stos serwisowy i komunikacyjny modułów STIM i NCAP.
    Pojęcie sieci czujnikowej: podział, konfiguracje pracy, wymagania, zastosowania, przykłady. Systemy sensorowe do ciągłego monitoringu otoczenia.
    Problemy związane z zasilaniem sensorowych układów wbudowanych. Zapoznanie z technologiami ogniw pierwotnych i wtórnych, omówienia zasad użycia, konserwacji i magazynowania ogniw wtórnych i pierwotnych, wykorzystanie kondensatorów „super-cap” w sieciach sensorowych oraz jako magazynów energii. Źródła energii odnawialnej dla niskomocowej sieci sensorowej, omówienie pozyskiwania energii z otoczenia – energia drgań, termogeneratory, mikroogniwa słoneczne, energia wiatrowa, energia pola elektromagnetycznego (RFID) itp. Budowa aparatury nisko i ultra-niskomocowej. Niskomocowe układy zasilające: stabilizatory liniowe LDO, niskomocowe i wysokoczęstotliwościowe przetwornice dedykowane do pracy w systemach wbudowanych.

  5. Aplikacje czujnikowych systemów wbudowanych pracujących w strefach zagrożonych wybuchem

    Omówienie zagadnień związanych z pracą w przestrzeni zagrożonej wybuchem – definicje, dyrektywa ATEX, projektowanie aparatury budowy przeciwwybuchowej ze szczególnym uwzględnieniem budowy iskrobezpiecznej, podstawowe wymagania związane z projektowaniem układów elektronicznych w wykonaniu iskrobezpiecznym, omówienie konstrukcji przykładowych rozwiązań czujnikowych systemów wbudowanych.

Laboratory classes (8h):
Realizacja systemu wbudowanego zawierającego czujnik określonej wielkości

Zajęcia są realizowane metodą dydaktyczną, określaną jako metoda projektu. Studenci przygotowują również swoje e-portfolio (krótką notatkę refleksyjną, co dała im realizacja projektu).

Praktyczna realizacja zadań następuje na podstawie opracowanej wcześniej na ćwiczeniach projektowych dokumentacji. Kolejne kroki są zależne od zadań ujętych w harmonogramie realizacji projektu, są to najczęściej: testy czujników analogowych, zbudowanie zaprojektowanego układu (kompletowanie elementów, przygotowanie płytki PCB lub uniwersalnej, montaż), uruchomienie, przeprowadzenie pomiarów charakterystyk czujnika oraz podstawowych testów urządzenia. Zespół przygotowuje czytelny raport z realizacji zadań, podsumowujący poszczególne etapy prac oraz osiągnięte efekty. Zaleca się, by sukcesywnie przygotowywać notatki w trakcie realizacji zadań. Raport powinien zawierać założenia, harmonogram, schematy blokowe i ideowe, zmierzone charakterystyki, parametry, wyniki testów, wnioski i uwagi zespołu. Istotną częścią raportu jest przygotowanie e-portfolio.
Raport zostaje przesłany do prowadzącego, a lider prezentuje rezultaty prac zespołu. Prowadzący zalicza laboratorium oraz projekt (wystawia oceny) po rozmowie z poszczególnymi członkami zespołu na temat projektu i ich udziału w pracach.

Project classes (6h):
  1. Określenie założeń dla budowanego systemu wbudowanego

    Zajęcia są realizowane metodą dydaktyczną, określaną jako metoda projektu typu Webquest. Pierwszy etap to przygotowanie wstępnej dokumentacji projektowanego systemu wbudowanego (ćwiczenia projektowe), drugi etap to realizacja praktyczna (ćwiczenia laboratoryjne).

    Główne etapy:
    1) podział na zespoły 2-4 osobowe,
    2) przydzielenie tematów projektów, ustalenie stawianych wymagań,
    3) spisanie założeń i przygotowanie harmonogramu prac.

    Przykładowe tematy projektów:
    1. Układ pomiaru i stabilizacji temperatury (czyli jak zmierzyć temperaturę w piecu procesowym i jak ją stabilizować?).
    2. Sensor inteligentny z czujnikiem Figaro serii TGS (czyli jak określić stężenie wybranego gazu w atmosferze i jak zredukować zakłócający wpływ zmian wilgotności i temperatury otoczenia).
    3. Inteligentny czujnik jakości powietrza (czyli jak określić, czy w pomieszczeniu jest świeże powietrze, czy nie).
    4. Sterownik temperatury do lutownicy Weller RT.
    5. Elektroniczna poziomica.
    6. Klawiatury pojemnościowe.
    7. Charakterystyka niskomocowych systemów zasilanych ze źródeł odnawialnych.

  2. Przygotowanie projektu systemu wbudowanego realizującego określone zadania

    Przygotowanie schematu blokowego urządzenia. Zapoznanie się z dostępnymi rozwiązaniami czujników określonej wielkości (np. temperatury), które można użyć do realizacji projektu. Wybór czujnika po zapoznaniu się z charakterystykami i parametrami urządzeń. Przygotowanie schematu ideowego układu pozwalającego na odczyt danych z czujnika (analogowo i/lub cyfrowo). Wstępny projekt aplikacji służącej do komunikacji komputera/smartfona/tabletu z projektowanym sprzętem.

    Prezentacja projektu przed grupą laboratoryjną, dyskusja.

Additional information
Teaching methods and techniques:
  • Lectures: Treści prezentowane na wykładzie są przekazywane w formie prezentacji multimedialnej w połączeniu z klasycznym wykładem tablicowym wzbogaconymi o pokazy odnoszące się do prezentowanych zagadnień.
  • Laboratory classes: W trakcie zajęć laboratoryjnych studenci samodzielnie rozwiązują zadany problem praktyczny, dobierając odpowiednie narzędzia. Prowadzący stymuluje grupę do refleksji nad problemem, tak by otrzymane wyniki miały wysoką wartość merytoryczną.
  • Project classes: Studenci wykonują zadany projekt samodzielnie, bez większej ingerencji prowadzącego. Ma to wykształcić poczucie odpowiedzialności za pracę w grupie oraz odpowiedzialności za podejmowane decyzje.
Warunki i sposób zaliczenia poszczególnych form zajęć, w tym zasady zaliczeń poprawkowych, a także warunki dopuszczenia do egzaminu:

Participation rules in classes:
  • Lectures:
    – Attendance is mandatory: No
    – Participation rules in classes: Studenci uczestniczą w zajęciach poznając kolejne treści nauczania zgodnie z syllabusem przedmiotu. Studenci winni na bieżąco zadawać pytania i wyjaśniać wątpliwości. Rejestracja audiowizualna wykładu wymaga zgody prowadzącego.
  • Laboratory classes:
    – Attendance is mandatory: Yes
    – Participation rules in classes: Studenci wykonują ćwiczenia laboratoryjne zgodnie z materiałami udostępnionymi przez prowadzącego. Student jest zobowiązany do przygotowania się w przedmiocie wykonywanego ćwiczenia, co może zostać zweryfikowane kolokwium w formie ustnej lub pisemnej. Zaliczenie zajęć odbywa się na podstawie zaprezentowania rozwiązania postawionego problemu. Zaliczenie modułu jest możliwe po zaliczeniu wszystkich zajęć laboratoryjnych.
  • Project classes:
    – Attendance is mandatory: Yes
    – Participation rules in classes: Studenci wykonują prace praktyczne mające na celu uzyskanie kompetencji zakładanych przez syllabus. Ocenie podlega sposób wykonania projektu oraz efekt końcowy.
Method of calculating the final grade:

1. Warunkiem uzyskania pozytywnej oceny końcowej jest uzyskanie pozytywnej oceny z laboratorium, projektu oraz egzaminu.
2. Liczona jest średnia ważona z ocen projektu (30%), laboratorium (30%) i egzaminu (40%), uzyskanych we wszystkich terminach.
3. Ocena końcowa jest wyznaczana następująco:
od 90 % bardzo dobry (5.0), (bdb);
od 80 % plus dobry (4.5), (+db);
od 70 % dobry (4.0), (db);
od 60 % plus dostateczny (3.5), ( +dst);
od 50% dostateczny (3.0), (dst);
poniżej 50% niedostateczny (2.0), ( ndst).

Sposób i tryb wyrównywania zaległości powstałych wskutek nieobecności studenta na zajęciach:

Prerequisites and additional requirements:

•Znajomość elementów fizyki ciała stałego
•Znajomość elementów elektronicznych
•Znajomość analogowych układów elektronicznych
•Znajomość cyfrowych układów elektronicznych
•Znajomość technik symulacyjnych
•Znajomość techniki mikroprocesorowej
•Technika sensorowa, systemy wbudowane, układy niskomocowe

Recommended literature and teaching resources:

1.T. Pisarkiewicz, „Mikrosensory gazów”, Wyd. AGH, 2007
2.R. Frank, “Understanding smart sensors”, Artech House, 1996
3.J.W. Gardner, V.K.Varadan, “Microsensors, MEMS, and Smart Devices”, John Wiley & Sons, 2001
4.S. Tumański, „Technika pomiarowa”, WNT 2007
5.Górecki Piotr, Wzmacniacze operacyjne”, BTC2002,
6.Hagel R., Zakrzewski J.: Miernictwo dynamiczne, WNT
7.Michalski L., Eckersdorf K.: Pomiary temperatury WNT
8.Rzasa M., Kiczma B.: Elektryczne i elektroniczne czujniki temperatury
9.L. Michalski, K. Eckersdorf, J. Kucharski: Termometria, przyrządy i metody, Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, 1998.
10.Tomasz P. Zieliński, Cyfrowe przetwarzanie sygnałów, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 2007
11.Jerzy Frączek, Aparatura przeciwwybuchowa w wykonaniu iskrobezpiecznym, Śląskie Wydaw. Techniczne, 1995.
12.Stanisław Nowak, Elektryczne Urządzenia Ex, ASE Gdańsk 2008.
13.Horowitz, W. Hill: Sztuka Elektroniki, WKŁ, Warszawa cz. 1 i 2. wydanie: 12/2015.
14.P. Ripka „Magnetic sensors and magnetometers”, Artech House, 2001.
15.S. Tumański, „Thin film magnetoresistive sensors” IOP Publishing Ltd. 2001.
16.S. Tumański, „Cienkowarstwowe czujniki magnetorezystancyjne”, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1997

Scientific publications of module course instructors related to the topic of the module:

Additional scientific publications not specified

Additional information:

None