Transcript
Page 1: Ville Lindholm - jultika.oulu.fijultika.oulu.fi/files/nbnfioulu-201704281623.pdf · ABSTRACT Lab-in-a-pocket -concepts Ville Lindholm University of Oulu, Degree Programme of Mechanical

TEKNILLINEN TIEDEKUNTA

Lab-in-a-pocket -konsepteja

Ville Lindholm

KONETEKNIIKAN TUTKINTO-OHJELMA

Kandidaatintyö 2017

Page 2: Ville Lindholm - jultika.oulu.fijultika.oulu.fi/files/nbnfioulu-201704281623.pdf · ABSTRACT Lab-in-a-pocket -concepts Ville Lindholm University of Oulu, Degree Programme of Mechanical

TIIVISTELMÄ

Lab-in-a-pocket -konsepteja

Ville Lindholm

Oulun yliopisto, Konetekniikan tutkinto-ohjelma

Kandidaatintyö 2017, 30 s.

Työn ohjaaja(t) yliopistolla: Yrjö Louhisalmi

Tässä kandidaatintyössä esitellään ”Lab-in-a-pocket” –konsepti. Kyseinen konsepti on

viimeaikaisen teknologisen kehityksen johdosta ottanut mittavan askeleen eteenpäin ja

tuotteita voidaan käyttää useissa arkipäiväisissäkin asioissa. Kandidaatintyössä on

esitetty näitä käyttökohteita, sekä konseptin syntyä ja sen kehitystä.

”Lab-in-a-Pocket”-laitteisiin tutustutaan perehtymällä kolmeen eri laitevalmistajaan ja

heidän laitteisiinsa, sekä niiden käyttötarkoituksiin. Työssä on esitelty esimerkiksi

PocketLabin toimintaperiaatteita ja eri laitteiden ominaisuuksia.

Asiasanat: Lab-in-a-Pocket, mittaaminen, anturi

Page 3: Ville Lindholm - jultika.oulu.fijultika.oulu.fi/files/nbnfioulu-201704281623.pdf · ABSTRACT Lab-in-a-pocket -concepts Ville Lindholm University of Oulu, Degree Programme of Mechanical

ABSTRACT

Lab-in-a-pocket -concepts

Ville Lindholm

University of Oulu, Degree Programme of Mechanical Engineering

Bacherlor’s thesis 2017, 30 p.

Supervisor(s) at the university: Yrjö Louhisalmi

This Bachelor’s thesis introduces the concept of “Lab-in-a-Pocket. This concept has taken

a major leap since the latest development in technology. These products can be used in

some everyday situations. The most common uses, the creation and development of this

issue is presented in this study.

The “Lab-in-a-pocket” –concept is introduced by telling about three different

manufacturers and what kinds of products do they have as well as getting to know their

purposes of use.

Keywords: Lab-in-a-Pocket, measuring, sensor

Page 4: Ville Lindholm - jultika.oulu.fijultika.oulu.fi/files/nbnfioulu-201704281623.pdf · ABSTRACT Lab-in-a-pocket -concepts Ville Lindholm University of Oulu, Degree Programme of Mechanical

ALKUSANAT

Kandidaatintyön aiheen valitseminen oli minulle hieman vaikeaa. Tästä huolimatta

tutustuttuani aiheeseen, huomasin nopeasti sen olevan erittäin mielenkiintoinen sekä

ajankohtainen. Nykypäivänä on paljon dataa ja sen mittaus on aina vain tärkeämpää ja

tärkeämpää. Kuitenkaan pelkkä datan mittaus ei riitä, vaan sillä myös tehdä jotakin ja

saada se tietoisuuteen. Nykypäivän teknologialla se on mahdollista ja tulevaisuudessa tätä

konseptia voidaan varmasti hyödyntää entistä tehokkaammin.

Työn tekemisessä minua on auttanut ja ohjannut Yrjö Louhisalmi.

Oulu, 24.4.2017

Ville Lindholm

Page 5: Ville Lindholm - jultika.oulu.fijultika.oulu.fi/files/nbnfioulu-201704281623.pdf · ABSTRACT Lab-in-a-pocket -concepts Ville Lindholm University of Oulu, Degree Programme of Mechanical

SISÄLLYSLUETTELO

1 Johdanto ......................................................................................................................... 6

2 ’’Lab-in-a-pocket’’ ......................................................................................................... 7

2.1 Mitä ”Lab-in-a-pocket” tarkoittaa ........................................................................... 7

2.2 Miten ”Lab-in-a-pocket” –laite toimii .................................................................... 8

3 Qloudlab Spectre .......................................................................................................... 10

3.1 Qloudlab ................................................................................................................ 10

3.2 Spectre ................................................................................................................... 11

4 PocketLab ..................................................................................................................... 12

4.1 Myriad Sensors ..................................................................................................... 12

4.2 PocketLab One ...................................................................................................... 12

4.3 Pocketlab Voyager ja Weather .............................................................................. 16

4.4 Mittaaminen PocketLab:lla ................................................................................... 19

5 Vernier Labquest .......................................................................................................... 22

5.1 Vernier .................................................................................................................. 22

5.2 Labquest2 .............................................................................................................. 24

5.3 Labquest Mini ....................................................................................................... 26

5.4 Labquest Stream .................................................................................................... 27

6 Yhteenveto ................................................................................................................... 28

7 LÄHTEET .................................................................................................................... 29

Page 6: Ville Lindholm - jultika.oulu.fijultika.oulu.fi/files/nbnfioulu-201704281623.pdf · ABSTRACT Lab-in-a-pocket -concepts Ville Lindholm University of Oulu, Degree Programme of Mechanical

6

1 JOHDANTO

Tämän kandidaatintyön aihe on ”Lab-in-a-Pocket -konsepteja.” Valitsin aiheen sen

mielenkiintoisuuden ja ajankohtaisuuden takia, eikä aiheesta ei löytynyt muita tutkielmia.

Lisäksi aihe sopii hyvin yhteen pääaineeni mekatroniikan kanssa.

Tutkielmassa pohditaan, mitä ”Lab-in-a-Pocket”-konsepti tarkoittaa, minkälainen se on

laitteena ja mitä sillä voi tehdä. Tämän jälkeen tutustutaan kolmeen eri valmistajaan,

heidän tarinaansa ja heidän laitteisiinsa. Tämän kandidaatintyön tarkoituksena on antaa

lukijalle kuva siitä, minkälainen laite ”Lab-in-a-Pocket”-laite on, mitä niillä voi tehdä ja

miksi niiden käyttö on kannattavaa.

Page 7: Ville Lindholm - jultika.oulu.fijultika.oulu.fi/files/nbnfioulu-201704281623.pdf · ABSTRACT Lab-in-a-pocket -concepts Ville Lindholm University of Oulu, Degree Programme of Mechanical

7

2 ’’LAB-IN-A-POCKET’’

2.1 Mitä ”Lab-in-a-pocket” tarkoittaa

Termi ’’Lab-in-a-pocket’’ tarkoittaa suoraan suomennettuna taskussa olevaa

laboratoriota, eli taskukokoista laboratoriota. Sillä voidaan mitata esimerkiksi aineen tai

nesteen koostumuksia. Lisäksi niillä voidaan mitata myös fysikaalisia suureita, kuten

nopeutta tai kiihtyvyyttä.

Kuva 1. Eräs laboratorio [1].

Vaikka termi saattaa kuulostaa erittäin tieteelliseltä ja sana laboratorio saattaa tuoda

mieleen valkotakkisen tutkijan, steriilit olosuhteet, lukion kemian tunnit, monia erilaisia

aineita erilaisissa lasiastioissa tai jotain kuvan 1 kaltaista, ’’Lab-in-a-Pocket’’ –laitteet

ovat helposti käytettäviä, eivätkä yhtään luotaantyöntäviä.

Page 8: Ville Lindholm - jultika.oulu.fijultika.oulu.fi/files/nbnfioulu-201704281623.pdf · ABSTRACT Lab-in-a-pocket -concepts Ville Lindholm University of Oulu, Degree Programme of Mechanical

8

2.2 Miten ”Lab-in-a-pocket” –laite toimii

Laboratoriotöissä on tarkoitus selvittää jotakin tai mitata jotain suuretta. Tämä on myös

”Lab-in-a-Pocket” –laitteiden päätarkoitus. Ne ovat vain helpommin ja

yksinkertaisemmin käytettäviä, eivätkä vaadi erityisiä olosuhteita tai käyttäjiä.

Jotta laite kykenisi mittaamaan jotain suuretta, se tarvitsee anturin. Tämän jälkeen anturin

saama mittausdata täytyy muuttaa ihmiselle ymmärrettävään muotoon. Tämä tapahtuu

yleensä toisen laitteen avulla, sillä ”Lab-in-a-pocket” –laitteissa ei yleensä ole omaa

näyttöä. Tämä toinen laite voi olla älypuhelin, tabletti tai tietokone. Datan siirtäminen

toiseen laitteeseen tapahtuu joko langattomasti tai langallisesti. Pelkkä näyttö ei

kuitenkaan riitä mittaustulosten esittämiseen, vaan siihen tarvitaan myös sovellus, joka

pystyy tulkitsemaan anturilta saatua dataa. Monet ”Lab-in-a-pocket”–laitevalmistajat

ovat lisäksi ottaneet käyttöönsä pilvipalvelun, jonne voi varastoida saatua mittausdataa.

Data on helppo tallentaa pilveen, mutta sitä on myös helppo jakaa sen kautta. Pilvi ei siis

toimi pelkkänä varastointipaikkana datalle, vaan myös datan jakovälineenä. [2], [3]

”Lab-in-a-pocket” –laitteen toimintaperiaate on siis erittäin yksinkertainen. Esimerkiksi

sykemittari toimii juurikin yllä esitetyllä tavalla. Myös älypuhelimesta pystyy tekemään

”Lab-in-a-pocket” –laitteen lataamalla siihen sovelluksen, joka pystyy käyttämään

puhelimen anturointia. Tällainen sovellus on esimerkiksi Lab4u:n kehittämä

Lab4physics. Se käyttää puhelimen kiihtyvyysanturia ja mikrofonia hyväkseen

mittauksissa. Sovellus toimii IPhone-, Android- ja Windows-puhelimilla. Kuvassa 2 on

esitetty sovelluksen työkaluvalikko IPhone-puhelimella. Mittaaminen toimii avaamalla

jokin näistä sovelluksen työkaluista ja asettamalla mittaus päälle. Kuvassa 3 on esitetty

puhelimen kiihtyvyysanturilla saatavaa mittausdataa, kun puhelinta heiluttaa

edestakaisin. Tulokset ilmoitetaan kiihtyvyytenä ajanhetkellä kolmessa eri suunnassa. [4]

Perinteiset fysikaaliset mittaukset ovat siis eräs ”Lab-in-a-pocket” –laitteiden

käyttökohteista. Mittauskohteita löytyy tietysti muualtakin. Lisää sovelluksia sekä

laitteita esitetään seuraavissa kappaleissa.

Page 9: Ville Lindholm - jultika.oulu.fijultika.oulu.fi/files/nbnfioulu-201704281623.pdf · ABSTRACT Lab-in-a-pocket -concepts Ville Lindholm University of Oulu, Degree Programme of Mechanical

9

Kuva 2. Lab4physics:n työkaluvalikko.

Kuva 3. Lab4physics:llä suoritetun kiihtyvyysmittauksen tulokset.

Page 10: Ville Lindholm - jultika.oulu.fijultika.oulu.fi/files/nbnfioulu-201704281623.pdf · ABSTRACT Lab-in-a-pocket -concepts Ville Lindholm University of Oulu, Degree Programme of Mechanical

10

3 QLOUDLAB SPECTRE

3.1 Qloudlab

Qloudlab on Sveitsiläinen startup-yritys, joka perustettiin vuonna 2014. Yrityksen

perustaja sekä sen toimitusjohtaja on Arthur Queval. Qloudlabin ensimmäinen ’’Lab in a

pocket’’-konsepti oli laite, jolla pystyy tekemään verikokeen älypuhelimen näytön avulla.

Tämä laite esitetään kuvassa 4. [5]

Kuva 4. Qloudlabin laite [6].

Laitteen toimintaperiaate on yksinkertainen. Laitteen lisäksi tarvitaan älypuhelimeen

tehty sovellus ja kertakäyttöisiä, muutaman millimetrin paksuisia muovikalvoja.

Veripisara tiputetaan muovikalvolle, joka syötetään laitteeseen. Veri kulkee laitteen

sisällä olevia putkia pitkin. Näin veri häiritsee älypuhelimen näytön tuottamaa

sähkökenttää. Sovellus lukee tämän sähkökentän muutoksen ja saadun datan voi lähettää

sovelluksen avulla suoraan lääkärille. [6]

Page 11: Ville Lindholm - jultika.oulu.fijultika.oulu.fi/files/nbnfioulu-201704281623.pdf · ABSTRACT Lab-in-a-pocket -concepts Ville Lindholm University of Oulu, Degree Programme of Mechanical

11

3.2 Spectre

EPFL kuvaa julkaisussaan Spectreä sanoilla:’’Swiss army knife of medical tests’’. Tällä

kuvataan Spectren helppokäyttöisyyttä sekä monipuolisuutta. Spectren toimintaperiaate

on samanlainen kuin edellä esitetyssä älypuhelimen näyttöön liitettävään laitteella, mutta

on kehittyneempi.

Kuva 5. Qloudlab Spectre [2].

Kuvasta 5 nähdään, millainen Spectre on ja miten se toimii. Se koostuu mittauspäästä ja

itse laitteesta. Veripisara tiputetaan testiliuskalle, joka kiinnitetään mittauspäähän.

Spectre analysoi veren ja lähettää keräämänsä tiedot mobiililaitteeseen, josta ne voi lukea

Qloudlabin kehittämän sovelluksen avulla. Spectre pystyy määrittämään verestä sen

HDL- ja LDL-kolesteroliarvot ja triglyseriditason. Sovellus pystyy sitten lähettämään

tiedot salattuun pilveen, josta lääkäri pystyy näkemään ne. Kuvassa 3 esitetyn

mittauspään lisäksi Spectre:lle on kehitetty muita mittauspäitä, joilla pystyy mittaamaan

muitakin veren arvoja. Vaihtopäiden ansiosta Spectrellä pystyy mittaamaan myös

verenpainetta ja verensokerin määrää. [2]

Page 12: Ville Lindholm - jultika.oulu.fijultika.oulu.fi/files/nbnfioulu-201704281623.pdf · ABSTRACT Lab-in-a-pocket -concepts Ville Lindholm University of Oulu, Degree Programme of Mechanical

12

4 POCKETLAB

4.1 Myriad Sensors

PocketLab:n kehittäjä on Myriad Sensors. Se on perustettu vuonna 2014, mutta yhtiön

juuret johtavat vuoteen 2013, jolloin joukko Stanfordin yliopiston opiskelijoita kävi

teknologiayrittäjyyskurssia, jossa piti kehittää toimiva laite yhteiskunnalliseen

tarpeeseen. Näin syntyi ensimmäinen prototyyppi PocketLab:stä. Tällä prototyypillä he

voittivat pääpalkinnon Yale School of Management Education Leadership –kilpailussa,

kolmannen sijan Stanford BASES – kilpailussa ja Cool Idea! –palkinnon ProtoLabs:ltä.

Rahoitusta Myriad Sensors on saanut National Science Foundation:lta ja Intel Education

Accelerator:lta. [8]

Itse PocketLab One:n Kickstarter projekti käynnistettiin 10.3.2015. Heidän tavoitteenaan

oli kerätä 25 000 Yhdysvaltain dollaria. Jo ensimmäisen kahdeksantoista tunnin jälkeen

projekti oli kerännyt puolet tästä tavoitteesta. Täyteen tavoitteeseen he pääsivät vain

neljässä päivässä. PocketLab kiinnosti sijoittajia, sillä se saavutti myös jatkotavoitteen 65

000 Yhdysvaltain dollaria. Kaiken kaikkiaan PocketLab keräsi yli 114 000 Yhdysvaltain

dollaria 10.3-15.4 välisenä aikana, eli lahjoituksia saatiin nelinkertainen määrä

alkuperäiseen tavoitteeseen nähden. [3]

4.2 PocketLab One

PocketLabin verkkosivut kuvaavat tuotettaan seuraavalla lauseella: ’’PocketLab on

tiedelaboratorio, joka mahtuu kämmenellesi’’. Tämä on todellakin totta, sillä sen mitat

ovat 67 x 17 x 29 mm. Laite on lisäksi kohtuullisen edullinen, sillä kirjoitushetkellä sen

hinta on 98 Yhdysvaltain dollaria. Laite on esitetty kuvassa 6. [9]

Page 13: Ville Lindholm - jultika.oulu.fijultika.oulu.fi/files/nbnfioulu-201704281623.pdf · ABSTRACT Lab-in-a-pocket -concepts Ville Lindholm University of Oulu, Degree Programme of Mechanical

13

Kuva 6. PocketLab One -sensori [9].

Pocketlab One:n monipuolisuudesta kertoo se, että siitä löytyy kiihtyvyysanturi,

gyroskooppi, magnetometri, barometri ja lämpötila-anturi. Taulukko 1 kertoo tarkemmin,

mitä kaikkea laitteella pystyy mittaamaan. Taulukko 2 puolestaan kertoo, kuinka tarkasti

anturit pystyvät mittaamaan. CR2032-tyyppisellä nappiparistolla sensoria pystytään

käyttämään jopa 400 tuntia. Laite kestää tiputuksen noin 1.8 metristä ilman suojakuoria.

[9]

Page 14: Ville Lindholm - jultika.oulu.fijultika.oulu.fi/files/nbnfioulu-201704281623.pdf · ABSTRACT Lab-in-a-pocket -concepts Ville Lindholm University of Oulu, Degree Programme of Mechanical

14 Taulukko 1. PocketLab One:n anturit ja niillä mitataan [9].

PocketLab One

Kiihtyvyysanturi Gyroskooppi

Magnetometri

Barometri Lämpötila-anturi

• Kiihtyvyys

• Nopeus

• Voima

• Paikka

• Kulma-

nopeus

• Paikka

• Magneet-

tikenttä

• Digitaali-

nen

kompassi

• Ilman-

paine

• Korkeus

• Celsius

• Kelvin

• Fahren-

heit

Page 15: Ville Lindholm - jultika.oulu.fijultika.oulu.fi/files/nbnfioulu-201704281623.pdf · ABSTRACT Lab-in-a-pocket -concepts Ville Lindholm University of Oulu, Degree Programme of Mechanical

15 Taulukko 2. PocketLab One:n antureiden spesifikaatiot [10].

Anturi

Kiihtyvyysanturi

Gyroskooppi

Magnetometri

Barometri

Lämpöanturi

Mittaus väli +/- 8g +/- 2000 °/s +/- 2000 T 30-170 kPa

-20-85 °C

(paristo

rajoittaa)

Poikkeaman

tarkkuus

(1,2),

täydellinen

tarkkuus

(4,5)

+/- 0.025 g

20 °/s aluksi,

käyttäjä voi

nollata

- 0.1 kPa

+/- 0.5 °C,

(kun lämpötila

on 25 °C)

Resoluutio 0.004 g 0.1 °/s 0.4 T 3 Pa 0.01 °C

Page 16: Ville Lindholm - jultika.oulu.fijultika.oulu.fi/files/nbnfioulu-201704281623.pdf · ABSTRACT Lab-in-a-pocket -concepts Ville Lindholm University of Oulu, Degree Programme of Mechanical

16

4.3 Pocketlab Voyager ja Weather

Kaksi muuta jäsentä PocketLab tuoteperheessä ovat Voyager ja Weather, jotka ovat

kooltaan pienempiä verrattuna One:en. Niiden koko on 38 x 36 x 15 mm. Laitteet painavat

14 g. Kirjoitushetkellä niitä ei ole vielä saatavilla, mutta tuotteiden on arvioitutulevan

markkinoille toukokuussa 2017. Ne julkistettiin 15.11.2016. Kuten alkuperäinen One-

versiokin Voyager ja Weather ovat myöskin rahoitettu Kickstarter:n avulla. Tarvittava

rahoitus saatiin kerättyä kokoon vain muutamassa päivässä. Joulukuun 15. 2016

mennessä yritys oli saanut yli 75000 Yhdysvaltain dollaria lahjoituksina. [12]

Kuva 7. Pocketlab Voyager [12].

Pocketlab Voyager on esitetty kuvassa 7. Sitä kuvataan tiedelaboratorioksi, joka on

tarpeeksi tehokas tiedemiehelle, mutta myös tarpeeksi yksinkertainen 4-luokkalaiselle.

Voyager:lla pystyy mittaamaan liikettä, valoa, magneettikenttää ja säätä. Lisäksi siihen

voi kiinnittää erillisen lämpötila-anturin. Tätä mahdollisuutta ei ole alkuperäisessä

Pocketlab One:ssa. [12]

Page 17: Ville Lindholm - jultika.oulu.fijultika.oulu.fi/files/nbnfioulu-201704281623.pdf · ABSTRACT Lab-in-a-pocket -concepts Ville Lindholm University of Oulu, Degree Programme of Mechanical

17

Kuva 8. Pocketlab Weather [12].

Kuvassa 8 on esitetty Pocketlab Weather. Se on pienoiskokoinen sääasema, joka pystyy

mittaamaan lämpötilaa, ilmankosteutta, valoa, ilmanpainetta sekä lämpö- ja

kosteusindeksejä. Siihen pystyy Voyager:n tapaan lisäämään myös erillisen lämpötila-

anturin [12].

Spesifikaatioiltaan Voyager ja Weather ovat samanlaisia. Molemmissa on Bluetooth 4.0

langatonta yhteyttä varten. Tällä yhteydellä dataa pystyy lähettämään jopa 75 metrin

päähän. Niissä on sisäänrakennettu akku, jota voidaan ladata microUSB-kaapelilla.

Täydellä akulla käyttöaikaa mittauksessa on jopa 200 tuntia matalalla lähetysnopeudella.

Kuten Pocketlab One:kin, Voyager ja Weather kestävät pudotuksen 1.8 metristä.

Voyager:n ja Weather:n antureiden spesifikaatiot löytyvät taulukosta 3. [12]

Page 18: Ville Lindholm - jultika.oulu.fijultika.oulu.fi/files/nbnfioulu-201704281623.pdf · ABSTRACT Lab-in-a-pocket -concepts Ville Lindholm University of Oulu, Degree Programme of Mechanical

18 Taulukko 3. Pocketlab Voyager:n ja Weather:n anturispesifikaatiot [12].

Anturi Mittausväli Resoluutio,

Spektri Tarkkuus

Kiihtyvyysanturi +/- 16 g 0.008 g -

Gyroskooppi +/- 2000 °/s 0.1 °/s -

Magnetometri +/- 4800 T 0.15 T -

Korkeus -5300 – 9500

m 0.11 m 10 m

Infrapuna mittaus 0.1 – 2.2 m 0.01 m 5% luetusta

Barometri 30 – 180 kPa 1.3 Pa 0.1 kPa

Ilmankosteus 0 -100 %RH 0.02 %RH 3%RH

Valo 0.01 – 64000

Lux

400 – 1000nm

(näkyvä valo) -

Sisäinen lämpötila-anturi -40 – 85 °C 0.01 °C 0.5 °C

Ulkoinen lämpötila-anturi -40 – 105 °C 0.2 °C 0.5 °C

Taulukosta huomaa, että Voyager:n ja Weather:n antureiden spesifikaatiot ovat yhtä

hyviä tai jopa parempia kuin alkuperäisessa Pocketlab One:ssa.

Page 19: Ville Lindholm - jultika.oulu.fijultika.oulu.fi/files/nbnfioulu-201704281623.pdf · ABSTRACT Lab-in-a-pocket -concepts Ville Lindholm University of Oulu, Degree Programme of Mechanical

19

4.4 Mittaaminen PocketLab:lla

Mittaus PocketLabilla on helppoa. Lisäksi PocketLab myy Maker Kit –nimistä

rakennuspalikkasarjaa, joka tekee mittaamisesta mielenkiintoisempaa, varsinkin

kouluikäisille. Kuvasta 9 näkee mitä Maker Kit sisältää. [11]

Kuva 9. Maker Kit –rakennus sarja [11].

PocketLab-laitteen pystyy kiinnittämään näihin osiin helposti, lisäksi laitteen

pakkauspaketti on suunniteltu siten, että siitä pystyy taittelemaan ”vaunun” PocketLab:lle

MakerKit:n mukana tulevan pillin ja renkaiden avulla. MakerKit:n hinta on maltillinen

24 Yhdysvaltain dollaria, mutta kuten kuvasta 9 näkee, rakennussarjan osat ovat

yksinkertaisia ja helposti mallinnettavia, joten ne ovat joko helposti itsetehtäviä 3D-

tulostimella tai vastaavia tuotteita voi ostaa kaupoista. Lisäksi PocketLab:n

verkkosivuilla myydään silikonista tehtyjä suojakuoria, jotka parantavat laitteen

kestävyyttä mittauksia tehdessä. [11]

Page 20: Ville Lindholm - jultika.oulu.fijultika.oulu.fi/files/nbnfioulu-201704281623.pdf · ABSTRACT Lab-in-a-pocket -concepts Ville Lindholm University of Oulu, Degree Programme of Mechanical

20

Taulukossa 3 esitetään, miten PocketLab toimii sekä miten data liikkuu mittauksen

jälkeen. PocketLab lähettää ensiksi mittausdatan Bluetooth:n välityksellä älylaitteelle, eli

älypuhelimelle, tabletille tai tietokoneelle. Yhteensopivia älylaitteita ovat Applen tuotteet

sekä Android-laitteet. Älylaitteella dataa luetaan PocketLab-sovelluksella. Täältä data

voidaan tallentaa pilveen. Pilvessä data pysyy tallessa sekä sitä pystytään jakamaan

muulle käyttäjäyhteisölle tai tietylle joukolle. Näin ollen muut käyttäjät voivat tutkia

saatua mittausdataa sekä löytää uusia mittauskohteita. Samalla kaavalla myös Arduino ja

Rasberry Pi ovat keränneet suosiota. Pilvestä data pystytään viemään Excelin tai Google

Docs:n kaltaisiin datan käsittelyohjelmiin. [9]

Taulukko 3. Miten PocketLab toimii [3].

PocketLab

Älylaite tai tietokone

Langaton datan lähetys

Pilvi Datan

varastointi

Jatko-

tutkimus

Käyttäjä

-yhteisö

Page 21: Ville Lindholm - jultika.oulu.fijultika.oulu.fi/files/nbnfioulu-201704281623.pdf · ABSTRACT Lab-in-a-pocket -concepts Ville Lindholm University of Oulu, Degree Programme of Mechanical

21

Mittauskohteita Pocketlab:lla on monia. Sen voi laittaa jalkapallon sisälle ja mitata

minkälaisia nopeuksia ja liikeratoja pallo saa sitä potkaistaessa. Sen voi kiinnittää

pienoisrakettiin ja tutkia, minkälaisia lähtövoimia se saa erilaisilla moottoreilla. Jos sen

kiinnittää lemmikkiin kiinni, pystyy tutkimaan sen aktiivisuutta. Nämä ovat vain

muutamia esimerkkejä, sillä Pocketlab:a pystyy käyttämään lapsi tai ammattilainen.

Näillä esimerkeillä voidaan havainnollistaa ammattikäytössäkin olevan laitteen

hyödyntämistä arkipäiväiseenkin käyttöön.

Page 22: Ville Lindholm - jultika.oulu.fijultika.oulu.fi/files/nbnfioulu-201704281623.pdf · ABSTRACT Lab-in-a-pocket -concepts Ville Lindholm University of Oulu, Degree Programme of Mechanical

22

5 VERNIER LABQUEST

5.1 Vernier

Vernier on Yhdysvalloissa perustettu yritys, jonka on perustanut David Verinier yhdessä

vaimonsa Christinen kanssa. David oli fysiikan opettaja, joka huomasi, että oppilaiden

mielenkiinnon ylläpitäminen oli vaikea tehtävä. Tästä syystä hän alkoi liittää

opetukseensa päivittäisiä havainnollistavia esimerkkejä ja innovatiivisia laboratoriotöitä.

David toimi fysiikan opettajana kahdeksan vuoden ajan ja kesäisin hän kehitti

opetuksessaan käyttämiä havainnointivälineitä. Näiden havainnointivälineiden pohjalta

on kehitetty kaikki nykyiset Vernier-tuotteet. [14]

Vernier:n nousevan maineen huomasi myös Texas Instruments 1990-luvun alussa. He

olivat kehittäneet keksintöä, josta tuli heidän ensimmäinen datan keräyspääte. Tämä laite

on nimeltään CBL eli Calculator-Based Laboratory. Vernier:n antureilla varustettuna

CBL:stä tuli heti iso menestys. Tästä alkoikin yhteistyö, joka on kestänyt tähän päivään

saakka. Yhdessä Vernier ja Texas Instruments kehittivät Calculator-Based Ranger:n,

Vernier Motion Detector:n, Vernier Labpro:n ja CLB2:sen. Tämän lisäksi Vernier on

kehtittänyt monia antureita, jotka voi liittää suoraan Texas Instruments:n laskimiin. [15]

Nyt on kulunut 30 vuotta siitä, kun David Vernier ohjelmoi ensimmäisen tuotteensa.

Nykyään Vernier-tuotteet toimivat opettajien apuna yli 135 maahan. Vernier-tuotteisiin

mm. lukeutuu rajapintalaitteet, joista kerron enemmän kappaleesta 5.2 alkaen, niihin

liitettävät anturit ja anturitietoa varten tehdyt Logger-ohjelmat, joista myös lisää

kappaleessa 5.2. Anturityyppejä Vernier on kehtittänyt yli 60 tyyppiä, joista jokaisesta

tyyppistä löytyy vaihtoehtoja eri mittaustarkoituksiin ja hintaluokkiin. Näitä antureita voi

käyttää fysiikallisten mittausten lisäksi, myös biologisiin-, kemiallisiin ja insinöörin

tekemiin mittauksiin. Anturit ovat yhteensopivia Vernier-tuotteiden lisäksi myös

Arduino-tuotteiden sekä Texas Instruments:n tuotteiden kanssa. Vertailun vuoksi

taulukkoon 4 on koottuna Pocketlab:n antureita vastaavat Vernier-antureiden

spesifikaatiot ja niiden hinta. [16], [17]

Page 23: Ville Lindholm - jultika.oulu.fijultika.oulu.fi/files/nbnfioulu-201704281623.pdf · ABSTRACT Lab-in-a-pocket -concepts Ville Lindholm University of Oulu, Degree Programme of Mechanical

23

Taulukko 4. LabQuest antureiden spesifikaatiot [18], [19], [20], [21].

Anturi

Kiihtyvyysanturi

Magnetometri

Barometri

Lämpöanturi

Mittaus väli

±5 g

+/-3200 T

78-105

kPa

-40 - 135°C

Poikkeaman

tarkkuus/

täydellinen

tarkkuus

+/-0.05 g

- -

+/- 0.5 °C,

kun

lämpötila on

100 °C

Resoluutio

0.0037 g

2 T

8.3 Pa

0.03-0.25°C

Hinta $ 122 $ 79 $ 97 $ 36

Page 24: Ville Lindholm - jultika.oulu.fijultika.oulu.fi/files/nbnfioulu-201704281623.pdf · ABSTRACT Lab-in-a-pocket -concepts Ville Lindholm University of Oulu, Degree Programme of Mechanical

24

5.2 Labquest2

Labquest2, sekä muut Labquest -tuotteet, eroavat PocketLab:n tuotteista siten, että niissä

suurin osa antureista ei ole sisäisiä. Labquest2:n, joka on esitetty kuvassa 10, sisäiseen

anturointiin kuuluu: GPS, 3-akselinen kiihtyvyysanturi, lämpötila-anturi, valosensori ja

mikrofoni. Labquest2:ssa on myös kosketusnäyttö, jonka koko on 112 x 67 mm. Koko

laitteen mitat ovat 88 x 154 x 25 mm. Näyttö mahdollistaa sen, että antureilta saatua tietoa

pystytään lukemaan ilman tietokonetta tai mobiililaitetta. Tämä tapahtuu Labquest2:n

datan keruu ja analyysi –ohjelmalla, joka on esitetty myös kuvassa 10 laitteen ruudulla.

Kuvan tapauksessa dataa on kerätty vain lämpötila-anturilta, mutta sovellus pystyy

tekemään samanaikaisesti kaksi kuvaajaa, joissa esitetään antureilta saatua dataa. Yksi

kuvaaja voi esittää yhden tai usean anturin antamia tietoja. [22]

Kuva 10. LabQuest2 sekä siinä oleva datan keruu ja analyysi -ohjelma [22].

Laitteessa on viisi liitäntäpaikkaa antureille, joista kolme ovat analogista signaalia

lähettäville antureille ja kaksi digitaalisista signaalia lähettäville antureille. Esimerkki

analogista signaalia lähettävästä anturista on lämpötila-anturi ja digitaalista signaalista on

Page 25: Ville Lindholm - jultika.oulu.fijultika.oulu.fi/files/nbnfioulu-201704281623.pdf · ABSTRACT Lab-in-a-pocket -concepts Ville Lindholm University of Oulu, Degree Programme of Mechanical

25 liikkeentunnistin. Datan keräämisen jälkeen se voidaan tallentaa laitteen sisäiseen

muistiin, jonka koko on 200 Mb. Data pystytään myös lähettämään eteenpäin WiFi:n,

Bluetooth:n tai USB-kaapelin välityksellä tietokoneelle tai mobiililaitteelle. Näillä

laitteilla dataa pystytään tulkitsemaan Logger Pro, Logger Lite tai Graphical Analysis-

ohjelmien avulla. [22]

Kuva 11. Logger Pro [23].

Kuvassa 11 on esitelty, miltä Logger Pro ohjelma näyttää tietokoneella. Se pystyy

näyttämään joko aikaisemmin mitattua dataa tai dataa suoraan mittauksesta. [23]

Page 26: Ville Lindholm - jultika.oulu.fijultika.oulu.fi/files/nbnfioulu-201704281623.pdf · ABSTRACT Lab-in-a-pocket -concepts Ville Lindholm University of Oulu, Degree Programme of Mechanical

26

5.3 Labquest Mini

Labquest Mini toimii muuten kuten Labquest2, mutta se pitää liittää tietokoneeseen USB

2.0 -portin kautta. Mini on esitelty kuvassa 12. Kuvasta huomaa, että Mini:ssä ei ole

itsessään näyttöä, joten se vain lukee antureilta saamaansa dataa ja lähettää sen

tietokoneeseen. Data pystytään tulkitsemaan Windows-, Mac- ja Chromebook-

tietokoneilla. Windows-tietokoneille vaatimuksena on Windows 7 tai uudempi

käyttöjärjestelmä sekä Logger Pro tai Logger Lite –ohjelma. Mac-tietokoneille OS

10.4.11 tai uudempi käyttöjärjestelmä ja Logger Pro tai Logger Lite –ohjelma.

Chromebook:eille vaatimuksena on Chrome OS 44 tai uudempi käyttöjärjestelmä ja

Graphical Analysis For Chrome- ohjelman avulla. [24]

Kuva 12. LabQuest Mini [24].

Antureiden liittämistä varten laitteessa on kolme analogista sisääntuloporttia ja kaksi

digitaalista sisääntuloporttia. Näiden liitäntöjen lisäksi Mini:stä löytyy liitäntä

apuvirtalähteelle, joka ei kuitenkaan ole välttämätön, sillä Mini saa käyttövirtansa

tietokoneelta USB-liitynnän kautta. Yhteensopivia Vernier-antureita löytyy yli 60

kappaletta. [24]

Page 27: Ville Lindholm - jultika.oulu.fijultika.oulu.fi/files/nbnfioulu-201704281623.pdf · ABSTRACT Lab-in-a-pocket -concepts Ville Lindholm University of Oulu, Degree Programme of Mechanical

27

5.4 Labquest Stream

Kolmas Labquest-tuoteperheen ”Lab-in-a-pocket” –laite on nimeltään Stream, joka on

esitetty kuvassa 13. Nimensä mukaisesti Stream pystyy lähettämään mittaustuloksensa

langattomasti Bluetooth:n kautta mobiililaitteeseen. Stream pystyy toimimaan Applen

tuotteiden kanssa, mikäli siinä on iOS 8.0 tai uudempi käyttöjärjestelmä sekä iOS:n

Graphical Analysis sovellus. Android-tuotteissa tulee olla Androidin 4.3 tai sitä uudempi

käyttöjärjestelmä ja Graphical Analysis –sovelluksen Android versio. [25]

Kuva 13. Labquest Stream [25].

Stream:n pystyy myös Mini:n tapaan yhdistämään USB-kaapelilla tietokoneeseen. Tällä

hetkellä Streamin langaton yhdistäminen tietokoneisiin ei ole mahdollista, mutta tulevan

Logger Pro –ohjelman päivityksen myötä se mahdollistuu. Windows tietokoneille

vaatimuksena on Windows 7 tai uudempi käyttörjärjestelmä, sekä Logger Pro - tai Logger

Lite –ohjelma. Mac-tietokoneille OS X 10.8 tai uudempi ja Logger Pro – tai Logger Lite

ohjelma. Chromebook:lle vaatimuksena on Chrome OS 44 tai uudempi käyttöjärjestelmä

ja Chromen versio Graphical Analysis –ohjelmasta. Kuten Mini:ssäkin Stream:ssa on

kaksi paikkaa digitaalista signaalia antaville antureille ja kolme paikkaa analogista

signaalia antaville. Yhteensopiva antureita löytyy yli 60 erilaista. [25]

Page 28: Ville Lindholm - jultika.oulu.fijultika.oulu.fi/files/nbnfioulu-201704281623.pdf · ABSTRACT Lab-in-a-pocket -concepts Ville Lindholm University of Oulu, Degree Programme of Mechanical

28

6 YHTEENVETO

Kaikki tässä tutkielmassa esitetyt ”Lab-in-a-Pocket”-konseptit toimivat samalla

peruskaavalla. Yksinkertaisesti toimiva laite mittaa haluttuja suureita. Laite tulkitsee

antureiden sille antaman tiedon ja muuttaa sen dataksi. Tämä dataa lähetetään

langattomasti, tai Labquest Mini:n tapauksessa langallisesti, tietokoneelle tai

mobiililaitteelle, joissa sitä pystytään tulkitsemaan sille tarkoitetulla ohjelmalla ja

varastoimaan talteen. Labquest2:lla datan tulkintaan ei tietenkään tarvita muita laitteita

vaan se onnistuu siinä olevan näytön kautta. Laitteet sopivat ammattilaiselle, opettajalle,

oppilaalle tai ihan vain harrastelijalle.

Spectre:n etu kilpailijoihinsa nähden on mittaustulosten pitäminen selkeänä ja helposti

tulkittavana. Tämä helpottaa ja edistää potilaiden etätarkkailua. Mielestäni tällainen

etätarkkailu on lääketieteen kannalta tärkeää ja kun lääkärit tai hoitajat saavat heti tietoa

potilaan arvoista, säästetään aikaa sekä kustannuksia. Tietojen varastointi

mahdollisuuskin on tärkeää muutosten seuraamisen kannalta.

Pocketlab- sekä Verniet-tuotteet ovat käytössä opetusvälineinä monissa kouluissa ja ne

tulevat varmasti leviämään vielä useampiin kouluihin. Mielestäni ne ovat helppo tapa

elävöittää fysiikan tunteja ja näin saada enemmän oppilaita kiinnostumaan siitä.

Molemmilla on omat hyvät puolensa. Pockelab:n langattomuus tekee siitä sopivan moniin

vauhdikkaisiin mittauksiin. Vernier-tuotteet ovat puolestaan enemmän insinöörimäisiä

mittausvälineitä.

Page 29: Ville Lindholm - jultika.oulu.fijultika.oulu.fi/files/nbnfioulu-201704281623.pdf · ABSTRACT Lab-in-a-pocket -concepts Ville Lindholm University of Oulu, Degree Programme of Mechanical

29

7 LÄHTEET

[1] Wikipedia, Laboratorio.

https://fi.wikipedia.org/wiki/Laboratorio#/media/File:Lab_bench.jpg (6.2.17)

[2] Arthur Queval, Nano-tera, Qloudlab Spectre. http://www.nano-

tera.ch/prosense/pdf/Artur-2016-02-05_Qloudlab_4-7.pdf (6.2.17)

[3] Kickstarter, The Pocketlab: Explorers wanted.

https://www.kickstarter.com/projects/850087978/the-pocketlab-explorers-

wanted/updates (22.3.17)

[4] Lab4u, Lab4physics. https://lab4u.co/lab4physics/ (22.4.17)

[5] Bloomberg, Company Overview of Myriad Sensors Inc.

http://www.bloomberg.com/research/stocks/private/snapshot.asp?privcapId=308361680

(23.2.17)

[6] Carron C, 2014, EPLF, Test your blood with the screen of a cellphone.

http://actu.epfl.ch/news/test-your-blood-with-the-screen-of-a-cellphone/ (31.1.17)

[7] Qloudlab, Product. http://qloudlab.com/product/ (22.4.17)

[8] Google drive, PocketLab Voyager Press Kit.

https://drive.google.com/drive/folders/0B0tknIB9u4ltMm12V0pPZFdTcTg (23.2.17)

[9] Pocketlab. http://www.thepocketlab.com (12.2.17)

[10] Pocketlab, Specifications. http://www.thepocketlab.com/specs.html (22.4.17)

[11] Pocketlab, Store. http://www.thepocketlab.com/store/ (22.4.17)

[12] Kickstarter, PocketLab Voyager Explore Science in Your World

https://www.kickstarter.com/projects/850087978/pocketlab-voyager-explore-science-in-

your-world/updates (14.4.17)

[13] Vernier. http://www.vernier.com (11.3.17)

Page 30: Ville Lindholm - jultika.oulu.fijultika.oulu.fi/files/nbnfioulu-201704281623.pdf · ABSTRACT Lab-in-a-pocket -concepts Ville Lindholm University of Oulu, Degree Programme of Mechanical

30 [14] Vernier, The Vernier Story. http://www.vernier.com/company/the-vernier-story/

(22.4.17)

[15] Vernier, Texas Instruments and Vernier. http://www.vernier.com/company/texas-

instruments-and-vernier/ (22.4.17)

[16] Vernier, Techonology Designed with Teachers in Mind.

http://www.vernier.com/company/about-us/ (22.4.17)

[17] Vernier, Sensors. http://www.vernier.com/products/sensors/ (23.4.17)

[18] Vernier, Low-g Accelerometer.

http://www.vernier.com/products/sensors/accelerometers/lga-bta/ (24.4.17)

[19] Vernier, Magnetic Field Sensor User Manual.

http://www.vernier.com/manuals/mg-bta/ (24.4.17)

[20] Vernier, Barometer. http://www.vernier.com/products/sensors/bar-bta/ (24.4.17)

[21] Vernier, Stainless Steel Temperature Probe.

http://www.vernier.com/products/sensors/temperature-sensors/tmp-bta/ (24.4.17)

[22] Vernier, Labquest2. http://www.vernier.com/products/interfaces/labq2/ (24.4.17)

[23] Vernier, Logger Pro. http://www.vernier.com/products/software/lp/ (24.4.17)

[24] Vernier, Labquest Mini. http://www.vernier.com/products/interfaces/lq-mini/

(24.4.17)

[25] Vernier, Labquest Stream. http://www.vernier.com/products/interfaces/lq-stream/

(24.4.17)


Recommended