В ЛЭТИ разработали устройство, которое может почти в 100 раз ускорить диагностику тяжелых инфекций

При лечении пациентов с бактериальной инфекцией критически важно оперативное назначение антибиотиков: от этого зависит выживаемость пациентов. Однако для подбора препарата необходимо провести ряд лабораторный обследований, в первую очередь, взять анализ антибиотикорезистености (АБР), который показывает, насколько конкретный возбудитель инфекции устойчив к разным антибиотикам. Его главная задача – подобрать для лечения наиболее эффективный и безопасный препарат, избегая тех, к которым бактерия заведомо нечувствительна. Сегодня даже самые быстрые лабораторные системы дают результат данного анализа только через 8-16 часов, а выделение чистой культуры бактерий занимает и вовсе больше суток. То есть время от взятия анализа до назначения антибиотика может занимать несколько суток, когда как при лечении тяжелых инфекций, как, например, пневмония, менингит, каждый час промедления напрямую влияет на то, выживет пациент или нет.

На международном рынке есть устройства, дающие результаты за 5-20 часов, на российском – за 18-24 часа. Поэтому даже при их наличии зачастую врачи просто не успевают спасти человека.

В Санкт-Петербургском электротехническом университете «ЛЭТИ» разрабатывают устройство, главное преимущество которого – применение метода спекл-анализа. Он позволяет получить данные об антибиотикорезистентности меньше, чем за час. Также устройство работает в паре с микрофлюидным чипом, имеющим функцию пробоподготовки, что позволяет проводить анализы с пробами, которые возможно получить лишь в малом количестве.

«Мы разработали лабораторный макет портативного устройства с оптической системой и сменным микрофлюидным чипом, на котором получили результаты анализа на тестовых образцах за 15 минут. Лаборант загружает пробу для исследования в чип, вставляет его в устройство и запускает процесс анализа. Внутри чипа микроорганизмы проходят пробоподготовку и смешиваются с разными антибиотиками. После данных процедур готовые суспензии облучаются лазером, вследствие чего формируются интерференционные картины, называемые спеклами. Данные картины изменяются во времени, отражая жизнеспособность бактерий в присутствии антибиотиков, что фиксируется матричным оптическим детектором, установленном после чипа. Затем при помощи разработанного нами программного обеспечения картины анализируются и по готовности выдается результат анализа».

Аспирант кафедры микро- и наноэлектроники СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Рамис Сибгатов

Сейчас разработчики создают и тестируют опытный образец в портативном корпусе и программное обеспечение для обработки данных. В планах текущего года – создать рабочий прототип, оформить заявку на получение прав на результат интеллектуальной деятельности. В дальнейшем необходимо пройти сертификацию устройства как медицинского изделия. Проект стал победителем конкурса «Студенческий стартап (7 очередь)» Фонда Содействия Инновациям и получил грант в размере 1 млн рублей.

Разработка ведется в рамках акселерационной программы «Стартапы ЛЭТИ», которая реализуется при поддержке федерального проекта «Технологии» национального проекта «Эффективная и конкурентная экономика».

Arduino: микроконтроллеры, платы, программирование и применение

Arduino стала одной из самых узнаваемых платформ в мире любительской и профессиональной электроники. Ее используют школьники и студенты, разработчики автоматизированных устройств, инженеры, создатели роботов, энтузиасты интернета вещей и специалисты, которым необходимо быстро проверить техническую идею без разработки сложной электронной платы с нуля.

Главное преимущество Arduino заключается в простоте перехода от идеи к работающему прототипу. Пользователю не требуется самостоятельно проектировать систему питания микроконтроллера, программатор и интерфейс подключения к компьютеру. Большая часть необходимой электроники уже находится на готовой плате.

Достаточно подключить плату Arduino к компьютеру, написать программу, загрузить ее в память микроконтроллера и подключить необходимые датчики или исполнительные устройства.

Благодаря такому подходу платформа стала удобным инструментом не только для обучения, но и для прототипирования реальных электронных систем.

Что такое Arduino

Arduino представляет собой открытую аппаратно-программную платформу для создания электронных устройств.

Обычно под словом Arduino понимают сразу несколько компонентов:

• программируемую электронную плату;
• установленный на ней микроконтроллер;
• среду разработки;
• программные библиотеки;
• экосистему дополнительных модулей;
• большое сообщество разработчиков.

Первая версия платформы появилась в середине 2000-х годов. Первоначальная идея заключалась в создании недорогого и понятного инструмента для студентов, дизайнеров и людей, которые хотели работать с интерактивной электроникой без необходимости глубоко изучать устройство микроконтроллеров.

Со временем проект стал значительно масштабнее.

Сегодня Arduino используется не только в учебных экспериментах, но и при создании прототипов промышленных систем, измерительного оборудования, устройств автоматизации, роботизированных механизмов и IoT-решений.

Arduino — это микроконтроллер или плата?

Эти понятия часто смешивают.

Микроконтроллер Arduino — не совсем корректное техническое определение, поскольку Arduino является платформой, а непосредственно вычисления выполняет микроконтроллер, установленный на конкретной плате.

Например, классические платы семейства Arduino долгое время строились на микроконтроллерах AVR.

Однако архитектура современных моделей значительно разнообразнее. В различных решениях могут использоваться микроконтроллеры и процессоры других семейств.

Поэтому правильнее говорить:

плата Arduino на определенном микроконтроллере.

Микроконтроллер содержит центральный процессор, оперативную память, энергонезависимую память программы и периферийные устройства.

На самой плате дополнительно располагаются:

• стабилизаторы питания;
• разъем USB;
• кварцевый генератор или другой источник тактового сигнала;
• интерфейс программирования;
• контактные разъемы;
• светодиодные индикаторы;
• дополнительные электронные компоненты.

Именно готовая обвязка делает использование микроконтроллера значительно проще.

Как работает Arduino

Основой устройства является программа, которую принято называть скетчем.

Разработчик пишет команды на компьютере, после чего код компилируется и загружается в память платы.

После включения питания Arduino способна работать полностью автономно. Постоянное соединение с компьютером для большинства проектов не требуется.

Программа получает информацию с подключенных датчиков, анализирует данные и принимает решение о том, какое действие необходимо выполнить.

Например, простейшая система может работать следующим образом:

датчик температуры измеряет температуру воздуха;

Arduino получает числовое значение;

программа сравнивает его с установленным пределом;

при превышении температуры включается вентилятор;

после охлаждения вентилятор автоматически отключается.

Несмотря на простоту такого алгоритма, аналогичный принцип применяется во многих системах автоматизации.

Меняются только датчики, исполнительные механизмы и сложность программного обеспечения.

Из чего состоит плата Arduino

Конструкция зависит от конкретной модели, однако большинство плат имеют несколько основных элементов.

Главный компонент — микроконтроллер.

Он непосредственно выполняет программу пользователя.

Второй важный элемент — система питания. Плата должна преобразовывать входное напряжение до уровня, необходимого электронным компонентам.

Также предусмотрены контакты ввода и вывода.

Через них Arduino взаимодействует с внешними устройствами.

Выводы могут использоваться для:

• чтения состояния кнопок;
• управления светодиодами;
• подключения реле;
• работы с датчиками;
• управления электродвигателями через драйверы;
• обмена информацией с дисплеями;
• взаимодействия с другими контроллерами.

На многих платах присутствуют аналоговые входы, позволяющие измерять изменяющееся напряжение от различных датчиков.

Цифровые входы и выходы

Цифровой сигнал имеет два основных логических состояния.

Условно их можно представить как:

LOW — низкий уровень;

HIGH — высокий уровень.

Цифровой вход позволяет определить, например, нажата ли кнопка или сработал ли датчик.

Цифровой выход используется для включения или отключения внешнего устройства.

Простейший пример — управление светодиодом.

Если на соответствующий вывод подать высокий логический уровень, светодиод включается. После переключения выхода в низкое состояние он гаснет.

При этом необходимо помнить, что выводы микроконтроллера рассчитаны только на небольшие токи.

Нельзя напрямую подключать к ним мощные лампы, двигатели, нагреватели и другие значительные нагрузки.

Для этого используются транзисторы, драйверы, MOSFET-ключи или релейные модули.

Аналоговые входы

Многие датчики формируют не простой сигнал «включено/выключено», а изменяющееся напряжение.

Например, это могут быть:

• датчики освещенности;
• потенциометры;
• некоторые датчики температуры;
• датчики давления;
• датчики положения.

Для считывания таких сигналов применяются аналоговые входы.

Аналого-цифровой преобразователь преобразует измеренное напряжение в числовое значение, с которым далее работает программа.

Благодаря этому можно определить не просто наличие сигнала, а его величину.

ШИМ и управление мощностью

На многих платах отдельные цифровые выводы поддерживают широтно-импульсную модуляцию.

ШИМ позволяет управлять средней мощностью, передаваемой нагрузке, путем быстрого переключения сигнала.

Простейшее применение — изменение яркости светодиода.

С помощью соответствующей программы свет можно плавно сделать ярче или слабее.

При использовании дополнительного силового драйвера аналогичный принцип применяется для управления скоростью электродвигателей.

Следует понимать, что ШИМ-выход Arduino сам по себе не предназначен для питания мощной нагрузки. Он формирует только управляющий сигнал.

Arduino Uno

Одной из наиболее известных плат семейства является Arduino Uno.

Именно с нее часто начинают изучение микроконтроллерной техники.

Популярность Uno объясняется несколькими причинами:

• относительно простая архитектура;
• удобное расположение выводов;
• большое количество обучающих материалов;
• широкая совместимость с модулями;
• огромное число готовых примеров программ.

Для большинства базовых экспериментов ее возможностей достаточно.

На Arduino Uno можно изучить работу цифровых входов и выходов, аналоговых сигналов, последовательного интерфейса, дисплеев, датчиков и электродвигателей.

Поэтому такая плата хорошо подходит в качестве первого устройства для знакомства с микроконтроллерами.

Arduino Nano

Если для проекта важны небольшие размеры, часто используются платы семейства Arduino Nano.

Их компактное исполнение позволяет устанавливать контроллер непосредственно на макетную или специализированную печатную плату.

Подобный формат удобен при разработке:

• небольших роботов;
• датчиков;
• портативных устройств;
• систем мониторинга;
• компактных контроллеров.

При этом конкретные платы серии Nano могут значительно отличаться друг от друга по аппаратной архитектуре и возможностям.

Поэтому перед покупкой необходимо изучать характеристики именно выбранной модели.

Более производительные платы Arduino

Не каждому проекту достаточно возможностей простого 8-битного микроконтроллера.

При обработке большого количества данных, работе со сложными интерфейсами или более требовательными алгоритмами применяются производительные платы.

Они могут иметь:

• более высокую тактовую частоту;
• увеличенный объем оперативной памяти;
• больше памяти программы;
• расширенный набор аппаратных интерфейсов;
• встроенные средства беспроводной связи;
• дополнительные периферийные контроллеры.

Подбирать конкретную плату необходимо исходя из требований проекта, а не только ее стоимости или популярности.

Arduino и одноплатный компьютер — в чем разница

Микроконтроллерную плату не следует путать с полноценным одноплатным компьютером.

Arduino обычно выполняет заранее загруженную программу непосредственно на микроконтроллере.

Полноценный одноплатный компьютер способен запускать операционную систему, работать с файловой системой и выполнять множество сложных программ одновременно.

У каждого подхода есть свои преимущества.

Микроконтроллер хорошо подходит для задач реального времени:

• чтения датчиков;
• формирования управляющих импульсов;
• работы с реле;
• управления приводами;
• выполнения простых автоматических алгоритмов.

Одноплатный компьютер удобнее для:

• графических интерфейсов;
• хранения больших массивов информации;
• обработки изображений;
• работы с базами данных;
• сложного сетевого программного обеспечения.

В одном проекте оба устройства могут работать совместно.

Arduino отвечает за непосредственное взаимодействие с оборудованием, а компьютер выполняет высокоуровневую обработку данных.

Программирование Arduino

Для написания программ широко используется Arduino IDE.

Среда разработки позволяет создать программу, проверить код, скомпилировать его и загрузить на подключенную плату.

Базовая структура скетча содержит две основные функции:

setup() выполняется один раз после запуска микроконтроллера;

loop() выполняется циклически, пока устройство работает.

В функции setup обычно настраиваются выводы и интерфейсы.

В loop располагается основная логика программы.

Благодаря такой структуре начинающему разработчику проще понять принцип работы микроконтроллерной программы.

Первый проект — Blink

Классическим первым примером является программа Blink.

Она периодически включает и выключает встроенный светодиод.

На первый взгляд задача кажется слишком простой, однако она позволяет сразу изучить несколько важных операций:

• компиляцию программы;
• выбор платы;
• выбор последовательного порта;
• загрузку кода;
• управление цифровым выходом;
• использование временных задержек.

Именно поэтому Blink часто сравнивают с программой Hello World в обычном программировании.

После успешного запуска можно переходить к более сложным экспериментам.

Какие проекты сделать начинающему

Начинать обучение лучше постепенно.

После мигания светодиодом можно подключить кнопку и изменять состояние выхода в зависимости от ее положения.

Следующий этап — потенциометр.

Плата считывает его аналоговое значение и использует полученные данные, например, для управления яркостью светодиода.

Затем можно попробовать:

• подключить датчик температуры;
• вывести данные на дисплей;
• управлять сервоприводом;
• включать реле;
• измерять расстояние;
• использовать датчик движения;
• управлять небольшим двигателем через драйвер.

Такая последовательность позволяет постепенно познакомиться практически со всеми основными возможностями микроконтроллерной платформы.

Датчики для Arduino

Огромная популярность платформы привела к появлению большого количества совместимых датчиков.

Arduino можно использовать для измерения различных параметров окружающей среды и состояния оборудования.

Распространены датчики:

• температуры;
• влажности;
• атмосферного давления;
• освещенности;
• расстояния;
• движения;
• ускорения;
• положения;
• магнитного поля;
• уровня жидкости;
• качества воздуха.

Информация с датчиков может использоваться непосредственно для управления оборудованием или передаваться на компьютер, сервер либо мобильное приложение.

Исполнительные устройства

Получать информацию недостаточно — автоматическая система должна уметь воздействовать на окружающее оборудование.

Для этого применяются исполнительные механизмы.

Arduino может управлять:

• светодиодами;
• дисплеями;
• звуковыми сигнализаторами;
• сервоприводами;
• шаговыми двигателями;
• реле;
• электромагнитными клапанами;
• насосами;
• вентиляторами.

Для мощных устройств обязательно используются промежуточные силовые компоненты.

Непосредственное подключение мощного двигателя или реле с неподходящими характеристиками к выводу микроконтроллера способно вывести контроллер из строя.

Интерфейс UART

UART используется для последовательной передачи информации.

Через этот интерфейс Arduino может обмениваться данными с компьютером, другим микроконтроллером, GPS-модулем и различными электронными устройствами.

Последовательный порт особенно удобен при отладке.

Программа может отправлять значения датчиков в компьютер, а разработчик наблюдает их через монитор последовательного порта.

Это позволяет понять, правильно ли работает алгоритм.

Интерфейс I2C

I2C позволяет подключать несколько устройств по общей шине.

Для связи обычно требуется небольшое количество проводников.

Такой интерфейс часто используется в:

• дисплеях;
• датчиках;
• часах реального времени;
• расширителях портов;
• измерительных модулях.

Каждое устройство на шине имеет собственный адрес, благодаря чему контроллер может обращаться к нему отдельно.

Интерфейс SPI

SPI используется там, где необходим более быстрый обмен данными.

Через SPI могут подключаться дисплеи, карты памяти, преобразователи и другие периферийные устройства.

Количество проводников обычно больше, чем при I2C, но интерфейс обеспечивает высокую скорость передачи информации.

При выборе датчика или модуля важно заранее определить, какой протокол он поддерживает.

Библиотеки Arduino

Одно из главных преимуществ платформы — большое количество готовых библиотек.

Библиотека содержит программный код для работы с определенным устройством или функцией.

Вместо самостоятельного написания низкоуровневого протокола пользователь может подключить библиотеку и использовать готовые команды.

Например, несколько строк программы могут быть достаточны для получения показаний сложного цифрового датчика.

Такой подход значительно ускоряет разработку прототипов.

При этом разработчику полезно понимать принцип работы используемого оборудования, поскольку готовая библиотека не отменяет необходимость правильного электрического подключения.

Что такое Arduino Shield

Shield — дополнительная плата расширения, которая устанавливается на совместимую Arduino.

Она может добавить новые функции без необходимости собирать сложную электронную схему вручную.

Существуют платы расширения для:

• управления двигателями;
• подключения дисплеев;
• Ethernet;
• беспроводной связи;
• реле;
• прототипирования;
• хранения данных.

Некоторые платы расширения можно устанавливать друг на друга, формируя многоуровневую конструкцию.

Однако необходимо контролировать совместимость используемых выводов.

Если два устройства пытаются одновременно использовать один и тот же контакт для разных задач, может возникнуть конфликт.

Arduino в робототехнике

Робототехника является одной из наиболее популярных областей применения платформы.

Микроконтроллер может получать информацию с датчиков и управлять двигателями в соответствии с программой.

Простейший мобильный робот способен:

• двигаться вперед и назад;
• поворачивать;
• определять препятствия;
• следовать по линии;
• останавливаться перед объектом.

Более сложные проекты включают манипуляторы, балансирующих роботов и автономные платформы.

Arduino особенно удобна на этапе прототипирования, когда необходимо быстро проверить алгоритм управления.

Arduino для умного дома

Еще одно популярное направление — домашняя автоматизация.

Контроллер может использоваться для:

• контроля температуры;
• автоматического освещения;
• управления вентиляцией;
• полива растений;
• контроля состояния дверей;
• измерения влажности;
• управления электрическими устройствами.

При наличии сетевого интерфейса данные можно передавать на сервер или в приложение.

Таким образом формируется простейшая система интернета вещей.

При работе с сетевым напряжением необходимо соблюдать правила электробезопасности и использовать соответствующие устройства гальванической развязки и коммутации.

Интернет вещей

Развитие беспроводных технологий значительно расширило возможности микроконтроллерных проектов.

Современные совместимые платы могут поддерживать Wi-Fi, Bluetooth и другие способы связи.

Устройство получает информацию с датчиков и передает ее по сети.

Например, домашняя метеостанция может регулярно отправлять на сервер:

• температуру;
• влажность;
• давление;
• освещенность.

Пользователь затем просматривает результаты через веб-интерфейс.

Аналогичный принцип используется в промышленном мониторинге, сельском хозяйстве и системах дистанционного контроля.

Arduino в образовании

Платформа хорошо подходит для обучения, поскольку позволяет сразу увидеть физический результат написанной программы.

В обычном курсе программирования результатом может быть текст на экране.

При работе с Arduino программа способна включить свет, повернуть двигатель или получить данные с реального датчика.

Благодаря этому становится понятнее связь между программным и аппаратным обеспечением.

Одновременно пользователь изучает:

• основы программирования;
• цифровую электронику;
• работу датчиков;
• электрические цепи;
• алгоритмы;
• автоматическое управление.

Поэтому платформу используют в кружках робототехники, школах, колледжах и технических вузах.

Arduino в профессиональной разработке

Иногда платформу ошибочно воспринимают исключительно как учебную игрушку.

На практике она может быть полезным инженерным инструментом.

При разработке нового устройства инженеру нередко необходимо быстро проверить идею.

Проектирование отдельной печатной платы для первого эксперимента требует времени.

Готовая плата Arduino позволяет за короткий срок подключить датчик, написать тестовый алгоритм и определить, жизнеспособна ли концепция.

После подтверждения идеи проект можно перенести на специализированную электронику.

Поэтому Arduino активно используется именно для быстрого прототипирования.

Как выбрать Arduino

Перед покупкой необходимо определить требования проекта.

Следует обратить внимание на:

• количество цифровых выводов;
• количество аналоговых входов;
• рабочее напряжение логики;
• объем памяти;
• производительность микроконтроллера;
• физические размеры платы;
• наличие USB;
• беспроводные интерфейсы;
• поддерживаемые протоколы;
• энергопотребление.

Для первого знакомства часто достаточно универсальной платы.

Для компактного устройства важнее размеры.

Для сложной системы может потребоваться значительно больше памяти и вычислительных ресурсов.

Поэтому выбор Arduino всегда должен начинаться с технического задания.

Как начать работать с Arduino

Минимальный набор достаточно прост.

Понадобятся:

• плата;
• USB-кабель;
• компьютер;
• Arduino IDE;
• несколько светодиодов;
• резисторы;
• кнопки;
• макетная плата;
• набор соединительных проводов.

После установки среды разработки необходимо подключить плату к компьютеру.

Затем выбирается соответствующая модель платы и последовательный порт.

Первую программу лучше загрузить из готовых примеров.

После успешной прошивки можно переходить к собственному коду.

Постепенно добавляя новые компоненты, пользователь быстро осваивает основные принципы микроконтроллерной техники.

Типичные ошибки начинающих

Большинство первых проблем связано не с программированием, а с электрическим подключением.

Одна из наиболее распространенных ошибок — отсутствие общего провода GND между связанными устройствами.

Также начинающие могут подключать светодиод без ограничительного резистора.

Другая опасная ошибка — попытка питать мощную нагрузку непосредственно от выхода Arduino.

Следует внимательно относиться и к напряжению внешних устройств.

Не каждый микроконтроллерный вход допускает подачу повышенного напряжения.

Перед подключением нового компонента желательно ознакомиться с его технической документацией.

Нужно ли знать C++

Arduino значительно упрощает программирование, однако используемый синтаксис во многом основан на C/C++.

На начальном этапе глубокое знание языка не требуется.

Для первых проектов достаточно понять:

• переменные;
• условия;
• циклы;
• функции;
• арифметические операции;
• логические выражения.

По мере роста сложности проекта знание C++ становится более полезным.

Разработчик получает возможность лучше организовывать программу, использовать классы, структуры данных и создавать собственные библиотеки.

Преимущества Arduino

Главное достоинство платформы — низкий порог входа.

Начинающий пользователь может собрать первое работающие устройство уже после знакомства с базовыми принципами.

Другие преимущества:

• большое сообщество;
• множество учебных материалов;
• доступность модулей;
• готовые библиотеки;
• широкий выбор плат;
• удобное прототипирование;
• совместимость со множеством датчиков.

Именно развитая экосистема стала одной из главных причин популярности Arduino.

Ограничения платформы

При всех достоинствах Arduino подходит не для каждой задачи.

Ресурсы микроконтроллера ограничены.

Сложная обработка видео, большие нейросетевые модели или тяжелые графические приложения требуют другой вычислительной платформы.

Также учебный прототип нельзя автоматически считать готовым промышленным устройством.

Для серийного оборудования необходимо учитывать электромагнитную совместимость, защиту входов, температурный диапазон, качество питания, надежность соединений и требования стандартов.

Поэтому Arduino является отличным инструментом разработки, но архитектура окончательного продукта должна определяться реальными условиями эксплуатации.

Arduino как первый шаг в мир электроники

Популярность платформы объясняется тем, что она позволяет быстро перейти от теории к практике.

Пользователь пишет несколько строк программы и видит, как физическое устройство выполняет команду.

Затем можно добавлять новые датчики, дисплеи, двигатели и коммуникационные интерфейсы.

Постепенно простой эксперимент превращается в полноценную автоматизированную систему.

Именно поэтому Arduino подходит одновременно для обучения, хобби и инженерного прототипирования.

Arduino — это удобная аппаратно-программная платформа, позволяющая создавать электронные устройства без необходимости начинать разработку схемы с нуля.

Готовая плата объединяет микроконтроллер и необходимую для его работы электронную обвязку, а Arduino IDE позволяет относительно быстро написать и загрузить программу.

Платформу используют для робототехники, автоматизации, умного дома, образовательных проектов, систем мониторинга и интернета вещей.

Начать работу можно с простой Arduino Uno, светодиода и нескольких базовых электронных компонентов. По мере накопления опыта пользователь переходит к датчикам, дисплеям, электродвигателям и сетевому взаимодействию.

При выборе платы важно учитывать производительность микроконтроллера, количество входов и выходов, рабочее напряжение, память, размеры и необходимые интерфейсы.

Для начинающего Arduino становится удобным способом освоить электронику и программирование, а для инженера — инструментом быстрого создания и проверки прототипов.

Именно сочетание понятной разработки, большого количества совместимых компонентов и развитой экосистемы сделало Arduino одной из наиболее распространенных платформ для знакомства с микроконтроллерами и создания собственных электронных устройств.

Ученые ЛЭТИ создали нейросеть для «умных» часов и браслетов

Носимые устройства – «умные» часы, фитнес-браслеты и медицинские датчики — помогают людям отслеживать физическую активность, контролировать здоровье и вовремя реагировать на критические изменения. Для работы таких гаджетов необходимы специальные компактные алгоритмы.

Большинство моделей на рынке имеют значительные недостатки: они либо слишком «тяжелые» и требуют отправки данных в облако, либо слишком упрощенные, из-за чего не могут точно распознавать сложные или редкие события, такие как падения. Ученые ЛЭТИ совместно с коллегами из Университета Иннополис решили эту проблему и создали архитектуру, сочетающую высокую точность и сверхнизкое потребление ресурсов.

«В своей модели мы объединили два подхода. Первая ветвь представляет собой временную сверточную сеть с причинными свертками, которая захватывает локальные паттерны и анализирует то, что человек делает прямо сейчас. Вторая ветвь, использующая механизм канального внимания, моделирует долгосрочные зависимости. Она считывает общий контекст всей последовательности движений пользователя и на его основе предсказывает дальнейшую активность». – Директор Института интеллектуальных устройств СПбГЭТУ «ЛЭТИ», ведущий программист-математик Исследовательского центра в сфере ИИ Университета Иннополис Дмитрий Ильич Каплун

Благодаря такой архитектуре модель остается предельно компактной. Ее размер составляет всего от 50 до 62 тысяч параметров, а для одного предсказания требуется от 2 до 3,5 миллиона вычислительных операций. Это позволяет запускать нейросеть непосредственно на умных часах, фитнес-браслетах и медицинских устройствах без необходимости отправлять данные в облако, что гарантирует полную конфиденциальность и экономию заряда батареи.

Исследователи протестировали систему на трех общедоступных наборах данных, и разработка показала результаты, превосходящие существующие аналоги. Модель отлично отличает ходьбу от бега, фиксирует бытовые действия и сложные физические нагрузки. На одном из датасетов точность составила 97,49%, что на 2,49 процентного пункта выше предыдущего лучшего мирового результата, а на другом наборе данных показатель достиг 98,91%. Отдельное внимание было уделено редким, но критически важным событиям: в одном из тестов модель распознавала падения на 10,38 процентного пункта лучше предыдущих решений.

«Наша разработка имеет широкий потенциал для практического внедрения. В первую очередь технология будет полезна для непрерывного мониторинга здоровья, отслеживания спортивных тренировок и помощи в реабилитации пациентов после травм или инсульта. В перспективе такие системы смогут в автоматическом режиме выявлять опасные ситуации, например падения пожилых людей, и мгновенно передавать сигнал о необходимости экстренной помощи». – Директор Института интеллектуальных устройств СПбГЭТУ «ЛЭТИ», ведущий программист-математик Исследовательского центра в сфере ИИ Университета Иннополис Дмитрий Ильич Каплун

Работа опубликована в научном журнале «Сложные и интеллектуальные системы».

Еще по теме: