Czujniki noszone - w teorii i w praktyce

Rys. 1. Światowy rynek elektroniki noszonej i czujników w niej używanych w latach 2013-2019

Będzie to rezultatem tendencji do rozszerzania funkcjonalności elektroniki noszonej poprzez wyposażanie jej w coraz większą liczbę czujników - według IHS w 2019 roku w jednym takim urządzeniu montowane będą co najmniej cztery czujniki. Dla porównania w 2013 był to średnio jeden sensor. "Proste" krokomierze zostaną zatem zastąpione przez wielofunkcyjne i inteligentne urządzenia, na przykład zegarki oraz okulary.

Trend ten jest odpowiedzią na rosnące zainteresowanie użytkowników elektroniki noszonej możliwością zmierzenia różnych parametrów życiowych i sprawnościowych. Mają oni również coraz większe wymagania w kwestii usprawnienia obsługi tych urządzeń przez jeszcze bardziej intuicyjny interfejs użytkownika.

W artykule przedstawiamy wybrane zastosowania sensorów w elektronice noszonej na przykładzie czujników używanych do zliczania kroków, w pomiarach pulsu i saturacji krwi tlenem oraz w badaniach reakcji skórno-galwanicznej. Wyjaśniamy, jak zadania te wykonuje się w teorii oraz przedstawiamy ich praktyczne realizacje.

Co zlicza kroki?

Rys. 2. Schemat ideowy akcelerometru z masą bezwładną

Pierwsze krokomierze były urządzeniami mechanicznymi. Obecnie do zliczania kroków służą urządzenia w pełni elektroniczne wyposażone w akcelerometr MEMS oraz układ przetwarzania wyników pomiaru realizujący algorytm detekcji kroków.

Krokomierze wyposaża się zazwyczaj w akcelerometry trzyosiowe. Ponieważ nie wiadomo z góry, w jakiej pozycji urządzenie będzie użytkowane, mierzyć i analizować trzeba zmiany przyspieszenia we wszystkich trzech kierunkach. Sygnał w osi aktywnej będzie miał największą amplitudę. To na jego podstawie zliczane są kolejne kroki.

Głównym elementem takiego czujnika jest masa bezwładna zamocowana na sprężystych belkach, która stanowi elektrodę w układzie kondensatora pomiarowego. W wyniku przemieszczenia masy zmienia się pojemność i napięcie wyjściowe, które jest dalej przetwarzane w przetworniku A/C i mikrokontrolerze. Tak zbudowane akcelerometry mierzą przyspieszenie w trzech kierunkach, wzdłuż osi x, y i z, w zakresie od ±1 g do kilku g (rys. 2).

Jak policzyć kroki?

W krokomierzach implementuje się różne algorytmy detekcji kroków. Przykładowa realizacja zakłada wyznaczanie najmniejszej i największej wartości przyspieszenia w odstępie kilkunastu-kilkudziesięciu próbek. Na ich podstawie obliczana jest wartość średnia, która staje się wartością progową dla kolejnych próbek. Jest ona cyklicznie aktualizowana.

Następujące po sobie próbki są ze sobą porównywane. Jeżeli wartość kolejnej jest równocześnie mniejsza od wartości poprzedniej i od wartości progowej, licznik kroków zwiększa się o jeden. Wadą tego rozwiązania jest duża czułość - jeśli krokomierz narażony jest na drgania, szybkie lub wolne, których przyczyną nie jest ruch użytkownika, wynik zliczania kroków zostanie zawyżony. Aby tego uniknąć, "fałszywe" kroki powinny być przez układ pomiarowy ignorowane.

W tym celu można m.in. zastosować metodę okna czasowego. Przyjmuje się wówczas założenie, że użytkownik idąc albo biegnąc, może wykonać maksymalnie określoną liczbę kroków w danej jednostce czasu.

Licznik kroków - przykład

Rys. 3. Krokomierz firmy Microchip

Na przykład można założyć, że najszybciej człowiek jest w stanie poruszać się, biegnąc z szybkością dziesięciu kroków na sekundę, natomiast najwolniej idzie, wykonując jeden krok co sekundę. Wówczas przerwa między kolejnymi krokami powinna mieścić się w przedziale 0,1-1 s. Każde przekroczenie wartości progowej, częstsze lub rzadsze, nie jest brane pod uwagę w ogólnym wyniku.

Wielu producentów elektroniki ma w swojej ofercie gotowe krokomierze. Taką bazową konstrukcję można rozbudować o dodatkowe funkcje, na przykład obliczanie przebytego dystansu lub zliczanie kalorii spalonych przez użytkownika w czasie ćwiczeń. Przykładem jest krokomierz z oferty firmy Microchip - Pedometer Demonstration/Wearable Activity Tracker Development Board. Można go nosić na ręce jak bransoletkę lub zegarek (rys. 3).

Na rysunku 4 przedstawiono schemat blokowy tego urządzenia. Kroki zliczane są na podstawie wyników pomiarów przyspieszenia mierzonego przez układ BMA250E - 10-bitowy, trzyosiowy, cyfrowy akcelerometr z oferty Bosch Sensortec.

Podzespoły krokomierza firmy Microchip

Rys. 4. Schemat blokowy krokomierza firmy Microchip

Za ich przetwarzanie, według algorytmu zaimplementowanego w funkcjach biblioteki opracowanej przez Bosch Sensortec, odpowiada 8-bitowy mikrokontroler PIC16LF1718 w technologii XLP (eXtreme Low Power) z oferty firmy Microchip. Dane z akcelerometru są do niego przesyłane magistralą I²C. Liczba kroków jest prezentowana na trzycyfrowym, siedmiosegmentowym wyświetlaczu diodowym. Krokomierz może się również komunikować ze smartfonem albo tabletem przez sieć Bluetooth.

Urządzenie zaprojektowane przez firmę Microchip wyposażono w moduł do komunikacji RN4020 zgodny z najnowszą, energooszczędną wersją standardu Bluetooth - BLE (Bluetooth Low Energy). Obsługuje on 13 publicznych profili i 17 publicznych usług w oparciu o GATT (Generic Attribute Profile). Wśród tych pierwszych cztery są przeznaczone do urządzeń, które mierzą parametry życiowe oraz sprawnościowe, m.in. Heart Rate Profile i Health Th ermometer Profile.

Obsługuje on ponadto profile i usługi prywatne definiowane przez użytkownika - przykładem jest prywatna usługa dla aplikacji krokomierza. Ich konfiguracja zapisywana jest w pamięci modułu RN4020.

Jak w krokomierzu firmy Microchip oszczędza się energię?

Do obsługi krokomierza służy jeden przycisk. Aby uruchomić wyświetlacz, należy go wcisnąć na krótko (poniżej 1 s). Żeby włączyć (wyłączyć) interfejs Bluetooth, przycisk trzeba przez chwilę przytrzymać (od 1 do 4 s). Aby wyzerować licznik kroków, klawisz należy wcisnąć na dłużej (powyżej 4 s).

Krokomierz zasilany jest przez pojedynczą litową baterię pastylkową 3 V. W urządzeniu zastosowano kilka rozwiązań, które ograniczają zużycie energii. M.in. wyświetlacz LED jest automatycznie wyłączany po 10 s, a jeśli dane z mikrokontrolera nie są przesyłane, moduł BLE przechodzi w tryb deep sleep. Jeżeli z kolei przez 16 s nie zostanie wykryty ruch, mikrokontroler przełącza akcelerometr w tryb pracy o ograniczonym poborze energii. Następnie sam przechodzi w tryb pracy sleep.

Wówczas akcelerometr jest przełączany między trybem sleep a wake-up. W tym pierwszym obwód analogowy czujnika jest wyłączony. W drugim natomiast działa normalnie, a w momencie wykrycia gwałtownego ruchu (przyspieszenia powyżej wartości progowej), spowodowanego rozpoczęciem marszu lub podniesieniem krokomierza, generuje przerwanie.

Jak zmierzyć puls?

Od tej pory mikrokontroler i sam czujnik są w pełni aktywne. Firma Microchip na swojej stronie internetowej udostępnia kompletną dokumentację krokomierza, schematy tego urządzenia i kody źródłowe oprogramowania, które można zmodyfikować według potrzeb. Materiałów tych należy szukać pod adresem http://www.microchip.com/medical, w sekcji Wearable Activity Monitors, w zakładce Pedometer/Wearable Activity Tracker Development Board - Demo Design Files.

Skurczom serca towarzyszy zmiana objętości krwi w naczyniach krwionośnych - więcej przepływa jej w fazie skurczu, a mniej podczas rozkurczu tego narządu. Mierząc tę wielkość, można zatem określić częstość tętna. Zmianę objętości krwi wyznacza się przy użyciu czujnika optycznego, wykorzystując zdolność hemoglobiny do pochłaniania światła.

Układ pomiarowy składa się z jego źródła i odbiornika umieszczonych obok siebie na skórze lub naprzeciwko, najczęściej na palcu. Światło emitowane przez to pierwsze, przenikając przez skórę, tkanki oraz żyły, jest częściowo pochłaniane, a w części ulega odbiciu. Ilość promieni odbitych jest proporcjonalna do zmiany objętości krwi w naczyniach. Mierzy się ją w fotodetektorze.

Długość fali świetlnej wpływa na precyzję pomiaru w zależności od jego miejsca. Najlepsze wyniki na nadgarstku uzyskuje się, używając światła zielonego. Częstość pulsu na palcu można natomiast najdokładniej zmierzyć, korzystając ze światła czerwonego oraz podczerwieni.

Jak wyznaczyć nasycenie krwi tlenem?

Rys. 5. Główne komponenty pulsometru TI

Nasycenie krwi tlenem określa stosunek hemoglobiny natlenionej (HbO₂) do jej całkowitej ilości (Hb). W pomiarach optycznych tej wielkości wykorzystuje się to, że właściwości optyczne krwi w świetle widzialnym (o długości fali od 400 do 700 nm) oraz w podczerwieni (o długości fali od 700 do 1000 nm) zależą właśnie od ilości tlenu.

Hemoglobina Hb ma bowiem znacznie większy współczynnik absorpcji światła czerwonego niż ta utlenowana - maksymalny przy 660 nm. Przez to krew natleniona wydaje się bardziej czerwona, od tej odtlenionej. HbO₂ z kolei silniej niż Hb pochłania promieniowanie w zakresie bliskiej podczerwieni - najsilniej o długości fali 940 nm.

Dlatego krew niedotleniona wydaje się ciemnoniebieska. Nasycenie krwi tlenem można określić na podstawie stosunku maksymalnej i minimalnej wartości natężenia prądu z fotodetektora dla danej długości światła.

Przykładowy projekt pulsoksymetru z czujnikiem optycznym na swojej stronie internetowej (http://www.ti.com/tool/TIDA-00301) udostępniła firma Texas Instruments. Obejmuje on dokumentację, projekt PCB oraz kody źródłowe.

Przykład pulsoksymetru

Rys. 6. Schemat blokowy układu AFE4403

Projekt urządzenia (rozmiary, pobór energii) zoptymalizowano pod kątem użycia w smartfonach, tabletach oraz elektronice noszonej. Na rysunku 5 przedstawiono jego najważniejsze komponenty.

Jednym z nich jest AFE4403. Schemat blokowy tego układu zamieszczono na rysunku 6. Można w nim wyróżnić następujące części funkcyjne:

• obwód odbiornika ze wzmacniaczem transimpedancyjnym przetwarzającym wejściowy prądy fotodetektora na napięcie, z programowalnymi rezystorami w pętli sprzężenia zwrotnego zapewniającymi szeroki zakres prądów wejściowych,
• sekcję nadajnika ze sterownikiem źródła światła,
• obwód diagnostyki czujnika i źródła światła sprawdzający sekwencyjnie te podzespoły pod kątem różnych problemów, na przykład zwarć oraz
• obwód do podłączenia zewnętrznego oscylatora.

Z mikrokontrolerem układ AFE4403 komunikuje się przez magistralę SPI. Proponowany sterownik to mikrokontroler MSP430F5528 o zmniejszonym poborze energii firmy Texas Instruments. Główne zadania przez niego realizowane to: konfigurowanie AFE4403 oraz przetwarzanie wyników pomiarów.

Moduł optyczny pulsoksymetru

Rys. 7. Miernik GSR z oferty firmy Maxim Integrated

Częścią pulsoksymetru jest także moduł optyczny SFH 7050 z oferty Osram Opto Semiconductors. W jednej obudowie o rozmiarach 4,7×2,5×0,9 mm zintegrowano w nim trzy diody LED, które emitują: światło o barwie zielonej, o długości fali 535 nm, czerwonej, o długości fali 660 nm i promieniowanie podczerwone (940 nm) oraz fotodiodę o dużej powierzchni aktywnej (1,3×1,3 mm). SFH 7050 można wykorzystać w pomiarach: tylko częstości pulsu - używa się wtedy jednej diody, nasycenia krwi tlenem - korzystając z diod: czerwonej i IR lub do wyznaczania obu tych wielkości.

Optymalne warunki do pracy zapewnia umieszczenie modułu możliwie jak najbliżej skóry. Przerwa powietrzna między skórą a sensorem zmniejsza jego czułość. By temu zapobiec, diodę IR można wykorzystać jako czujnik zbliżeniowy.

Jeżeli wykryje on, że SFH 7050 znajduje się w odpowiedniej odległości od skóry, rozpoczyna się pomiar. W przeciwnym wypadku na ekranie urządzenia wyświetla się informację o konieczności ich zbliżenia do siebie. Ważną kwestią jest ograniczenie wpływu światła z otoczenia na dokładność pomiarów.

W trybie pomiaru pulsu w tym celu i dla oszczędności energii diodę okresowo się wyłącza. Fotodetektor mierzy wówczas natężenie światła z otoczenia. Wartość tę odejmuje się potem od wyniku pomiaru w czasie włączenia diody. W trybie pracy pulsoksymetru natężenie światła z otoczenia mierzy się w przerwach pomiędzy naprzemiennymi włączeniami obu diod.

Miernik GSR - przykład

Rys. 8. Schemat blokowy miernika GSR

Odpowiedź skórno-galwaniczna (galvanic skin response, GSR) polega na zmianie impedancji skóry w wyniku jej zwilżenia potem, który z kolei jest reakcją układu nerwowego na określoną sytuację, na przykład zmianę warunków w otoczeniu człowieka (temperatury, wilgotności), stres lub wysiłek fizyczny.

Urządzenia mierzące GSR znajdują zastosowanie w sprzęcie medycznym, wykrywaczach kłamstw i elektronice noszonej, w której monitorują aktywność fizyczną użytkownika. Przykładowy, nadgarstkowy miernik GSR, mierzący dodatkowo temperaturę ciała, oferuje firma Maxim Integrated (rys. 7).

Opis projektu MAXREFDES73, schemat PCB i oprogramowanie udostępniono pod adresem: http://www.maximintegrated.com/en/design/reference-design-center/system-board/6147.html. Wprowadzając zmiany w kodzie źródłowym i konfiguracji sprzętowej, można zmienić albo rozszerzyć funkcjonalność tego urządzenia.

Na rysunku 8 przedstawiono główne komponenty tego miernika. Są to: MAX32600 - mikrokontroler firmy Maxim, MAX8814 - kontroler ładowarki USB akumulatora litowego zasilającego urządzenie, stabilizator MAX8880 oraz EM9301 - kontroler Bluetooth (BLE). Za pośrednictwem tego ostatniego miernik GSR komunikuje się z urządzeniem przenośnym, na przykład smarft onem.

Jak zmierzyć GSR?

Rys. 9. Układ pomiarowy miernika GSR

Musi być na nim zainstalowana specjalnie przygotowana aplikacja, którą można pobrać ze sklepu Google Play. Po włączeniu zasilania mikrokontroler wczytuje ustawienia układu pomiarowego. Jego schemat przedstawiono na rysunku 9. Wynika z niego, że elektrody naskórne oraz opornik testowy są przełączalnymi częściami obwodu wejściowego wzmacniacza.

Impedancja skóry wyznaczana jest na podstawie zestawienia odpowiedzi obwodu z rezystorem testowym z odpowiedzią obwodu "ze skórą" na sygnał sinusoidalny podany na wejściu. Do pomiaru temperatury jest z kolei używany zewnętrzny czujnik NTC.

Mikrokontroler konfiguruje również kontroler Bluetooth. Następnie podejmowana jest próba nawiązania połączenia z urządzeniem przenośnym sygnalizowana przez błyski zielonej diody. Jeżeli nie uda się to w ciągu 30 sekund, miernik GSR przechodzi w tryb pracy sleep.

Jeśli połączenie zostanie nawiązane, rozpoczyna się pomiar impedancji i temperatury skóry. Co 1 s jego wyniki są przesyłane do smartfonu. Trwanie pomiaru sygnalizuje czerwona dioda. Łącznie odczyt czujników i transmisja danych zajmują 30 ms. Przez czas pozostały z 1 s mikrokontroler pracuje w trybie o ograniczonym poborze energii.

O czym pamiętać, projektując elektronikę noszoną?

Projektując elektronikę noszoną, uwzględnić należy szereg kwestii, począwszy od estetyki i aspekty użytkowe, po samą funkcjonalność urządzenia. O tym, jak ważna jest ta pierwsza, świadczy to, że czołowi producenci współpracują w tym zakresie z branżą modową. To, oprócz ładnego wyglądu gwarantuje, że będzie on zgodny z najnowszymi trendami.

Dla wielu użytkowników jest to ważne. Kolejną istotną kwestią jest rozmiar - powinien być jak najmniejszy. Podobnie jak wyświetlacze dotykowe ułatwiają osiągnięcie estetycznego wyglądu, tak technologie takie jak SoC (System on Chip) i CSP (Chip Scale Package) pozwalają na pogodzenie małych wymiarów z rozbudowaną funkcjonalnością.

Ponadto elektronika noszona musi być odporna na warunki otoczenia - wilgoć, temperaturę, pot. Następne ważne kwestie to niski pobór energii i wydłużony czas pracy na zasilaniu bateryjnym oraz możliwość komunikacji bezprzewodowej - to zresztą jest widoczne w przykładowych projektach przedstawionych w artykule.

Producenci elektroniki noszonej prześcigają się też w pomysłach na umiejscowienie czujników na ciele człowieka, prawdopodobnie licząc na to, że nie zabraknie chętnych, którzy sięgną po te najbardziej ekstremalne rozwiązania z ciekawości albo chęci wyróżnienia się. Przykładem są soczewki kontaktowe firmy Google, które mają mierzyć stężenie glukozy.

Dlaczego elektronika noszona się nudzi?

Kolejne ciekawe rozwiązania to: tatuaże mierzące parametry życiowe i sensor, nad którym pracują naukowcy z jednego z tajwańskich uniwersytetów. Niezwykłość tego drugiego polega na tym, że ma być "instalowany" w... zębie, przy okazji wymiany plomby. Jego zadaniem będzie rozróżnienie, czy użytkownik w danej chwili pali, pije czy je. Gdy z którąś z tych czynności przesadzi ze szkodą dla zdrowia, sensor go o tym zaalarmuje.

Mimo, że producenci elektroniki noszonej dokładają wszelkich starań, żeby pozyskać klientów, okazuje się, że większość z nich korzysta z tych urządzeń intensywnie, ale... krótko - jak pokazują badania zwykle nie dłużej, niż pół roku. Dlaczego tak się dzieje?

Otóż wiadomo, że mimo oszczędności energii w końcu każdy taki sprzęt trzeba zdjąć, żeby go naładować. Zdarza się, że ludzie zapominają go później włożyć z powrotem, a jeżeli powtórzy się to kilka razy, potrafią zapomnieć na dobre albo po prostu się zniechęcić. Poza tym elektronika noszona może rozczarowywać tych, którzy podjęli decyzję o jej zakupie zachęceni wizją prowadzenia zdrowego trybu życia. Jak się bowiem okazuje ani opaska na ramieniu, ani inteligentny zegarek nie będą za nas ćwiczyć, ani za nas nie schudną...

Jak temu zaradzić?

Co zatem zrobić, aby elektronika noszona nie była tylko chwilowo użytkowanym gadżetem? Przede wszystkim powinny być to urządzenia, o których, po ich założeniu, użytkownik może "zapomnieć". W tym celu trzeba rozwiązać problem ich ładowania - jedną z możliwości jest wykorzystanie energii z otoczenia, na przykład energii fal radiowych lub ciepła ciała. Dobrze, jeżeli spełniając swoją funkcję, nie będą one absorbować ludzi również w żaden inny sposób. Zamiast pamiętać o założeniu zegarka, lepiej mieć czujnik na przykład w obrączce, której się nie zdejmuje.

Jeżeli zaś chodzi o motywowanie właścicieli elektroniki noszonej, to na razie nie ma w tym zakresie zbyt wielu dobrych pomysłów. Być może jednak, jeśli w przyszłości uda się zbudować takie urządzenia, które będą monitorować "ważniejsze" parametry - na przykład pomogą wykryć raka, będzie to wystarczającą zachętą to korzystania z nich przez dłuższy czas.

Monika Jaworowska