Zestaw startowy dla aplikacji wearable

Fot. 1. Efektowne opakowanie zestawu STEVAL-WESU1

Od strony konstrukcyjnej zestaw startowy sensor MEMS 10DoF, zintegrowany z czujnikami ciśnienia i temperatury oraz interfejsem Bluteooth Low Energy (BLE). Urządzenie jest zasilane z miniaturowego akumulatora zainstalowanego w efektownej obudowie zegarkowej (fot. 1).

Dzięki interfejsowi BLE zestaw może komunikować się z aplikacją uruchomioną na smartfonie lub tablecie z Androidem lub iOS, za pomocą której można rejestrować dane z czujników oraz je analizować, rejestrując zachowanie osoby noszącej STEVAL-WESU1.

Interesująca nowością w stosunku do większości zestawów startowych jest fakt, że przed rozpoczęciem pracy trzeba go samodzielnie zmontować, bowiem jego poszczególne elementy są dostarczane osobno (fot. 2), przy czym płytka drukowana jest zmontowana i uruchomiona.

Fot. 2. Elementy wchodzące w skład zestawu STEVAL-WESU1 (do samodzielnego montażu!)

Schemat blokowy zestawu STEVAL-WESU1 pokazano na rys. 3. Na miniaturowej płytce drukowanej zintegrowano mikrokontroler STM32L151VEY6 (z energooszczędnej rodziny STM32L1, Cortex-M3 @32MHz, z 512 kB Flash, 80 kB RAM oraz 16 kB EEPROM) oraz dwa sensory MEMS: LSM6DS3 - integrujący akcelerometr 3D oraz żyroskop 3D i LIS3MDL - 3-osiowy czujnik pola magnetycznego. Użytkownik ma także do dyspozycji czujnik ciśnienia LPS25HB (wykonany w technologii MEMS), w którym znajduje się także czujnik temperatury.

Wbudowany w zestaw interfejs radiowy BLE został wykonany na miniaturowym układzie BlueNRG-MS, a w jego torze antenowym zastosowano scalony filtr harmonicznych zintegrowany z symetryzatorem (balun antenowy - BALFNRG-01D3), który został opracowany prze producenta specjalnie do współpracy z układem BlueNRG-MS.

Rys. 3. Schemat blokowy zestawu prezentowanego w artykule

W prezentowanym zestawie użyto także dwa inne, interesujące dla konstruktorów urządzeń mobilnych, elementy firmy STMicroelectronics:

• scaloną ładowarkę akumulatorów Li-Ion (STNS01),
• rejestrator pojemności-analizator kondycji akumulatora - układ oznaczony symbolem STC3115.

Estetyczne wykonanie obudowy powoduje, że STEAVL-WESU1 można używać jako gadżet rejestrujący naszą codzienną aktywność fizyczną. Nie zmienia to faktu, ze jest to przede wszystkim narzędzie dla konstruktorów zainteresowanych aplikacjami wearable oraz IoT. Dlatego zestaw wyposażono w przelotkę umożliwiającą dołączenie do niego programatora-debuggera ST-Link (lub z nim zgodnego) oraz 10-żyłowy kabel połączeniowy, za pomocą którego programator jest dołączany do miniaturowego złącza SWD zainstalowanego na płytce zestawu (fot. 4).

Fot. 4. Mikrokontroler STM32L w zestawie STEVAL-WESU1 jest programowany za pomocą interfejsu ST-Link lub z nim zgodnego – trzeba go dodatkowo kupić

Producent udostępnił także dwa pakiety zaawansowanych bibliotek pozwalających w pełni wykorzystać możliwości sensorów MEMS zainstalowanych w zestawie. Są to:

• osxMotionCP, które służą do rozpoznawania pozycji sensora względem powierzchni Ziemi. Do tego celu jest wykorzystywany akcelerometr z sensora LSM6DS3. Schemat blokowy tego pakietu pokazano na rysunku 5,
• osxMotionAR, które służą do rozpoznawania rodzaju aktywności osoby noszącej sensor (chód, bieganie, jazdę rowerem itp.). Biblioteki wykorzystują akcelerometr z sensora LSM6DS3. Schemat blokowy tego pakietu pokazano na rysunku 6.

Rys. 5. Budowa biblioteki osxMotionCP

Obydwie biblioteki są dostarczane przez producenta bezpłatnie (dostępne do pobrania na stronie internetowej), korzystanie z nich wymaga uzyskania pliku licencyjnego, którego treść jest przechowywana w pliku osx_license.h (ulokowany w katalogu instalacyjnym bibliotek).

Licencja jest de facto kluczem do deszyfracji prekompilowanych bibliotek - użytkownik nie ma dostępu do ich źródeł, może natomiast korzystać z ich zawartości za pomocą predefiniowanego API, które jest dokładnie opisane w dokumentacji bibliotek.

W uzyskaniu licencji pomaga bezpłatny program narzędziowy OSX License Wizard, który jest instalowany wraz z bibliotekami. Korzystanie w aplikacjach prezentowanych z bibliotek ułatwia obsługę sensorów MEMS oraz detekcję podstawowych gestów oraz czynności (chód, bieganie, jazda na rowerze, prowadzenie samochodu itp.).

Rys. 6. Budowa biblioteki osxMotionAR

Część z funkcji wykrywających rodzaje ruchów użytkownika prezentowanego zestawu znajduje się w pakiecie osxMotionCP, który jest także dostępny bezpłatnie, korzystanie z niego wymaga uzyskania bezpłatnej licencji - podobnie jak w przypadku bibliotek osxMotionAR.

Dzięki tym bibliotekom konstruktor chcący wykorzystać sensory MEMS w swojej aplikacji nie musi zgłębiać teorii kwaternionów i implementować obliczeń na tych obiektach, nie musi uczyć się podstaw filtracji sygnałów za pomocą estymatorów Kalmana, otrzymuje po prostu gotowy wynik w postaci definicji stanu obiektu z sensorami MEMS lub charakteru jego ruchu.

Jest to niezwykły prezent dla konstruktorów i programistów, dający dużą przewagę sensorom produkowanym przez STMicroelectronics nad konkurentami. Prezentowane biblioteki są dostępne w trzech wariantach, zoptymalizowanych pod kątem używania w środowiskach bazujących na kompilatorach: GCC, Keil/ARM i IAR, przystosowanych do kompilacji na mikrokontrolery z rdzeniami Cortex-M3 i Cortex-M4F (ze sprzętowo obsługiwanymi instrukcjami DSP).

Rys. 7. Przykładowe widoki ekranów aplikacji współpracującej z STEVAL-WESU1 na Androidzie

Biblioteki wykorzystali twórcy wcześniej wspomnianej aplikacji na smartfony/ tablety, za pomocą której można m.in. rejestrować dane ze wszystkich sensorów, analizować je wyświetlając różnorodne grafiki (fot. 7). Wersja dla Androida wyklucza - niestety - wielu użytkowników, została bowiem przygotowana na wersję systemu od 4.4 w górę, co powoduje, że użytkownicy nieco starszych urządzeń są wykluczeni z "kręgu wtajemniczenia". Aplikacja jest dostępna w GooglePlay, a w wersji dla iOS w sklepie AppStore.

Zestaw STEVAL-WESU1 charakteryzuje się sporymi walorami praktycznymi i stanowi wygodne, kompletne, narzędzie do poznania możliwości systemu składającego się z sensorów MEMS i bibliotek wspomagających rozpoznawanie gestów i ruchów. Udostępniając biblioteki obsługujące sensory MEMS firma STMicroelectronics otwiera konstruktorom drzwi do kolejnego, bardzo modnego obszaru aplikacyjnego mobilnej elektroniki "ubieralnej", zdejmując im z głowy problem implementacji zaawansowanych obliczeń. Dobry ruch!

Piotr Zbysiński