Tehnologia purtabilă nu a fost niciodată mai în prim plan ca astăzi. Marşul dispozitivelor purtabile – termen generic pentru dispozitive purtate pe corp şi care monitorizează cum funcţionează acesta – pare de neoprit.
În fruntea acestei tendinţe se află sistemele de urmărire a activităţii, măsurând numărul de paşi, încurajând purtătorii să efectueze exerciţii zilnice ce pot reduce presiunea sângelui şi indicele de masă al corpului. Dispozitivele de urmărire a activităţii tip brăţară ce combină numărătoare de paşi şi Bluetooth de joasă energie (BLE) au devenit uzuale ca unelte motivaţionale pentru cei ce doresc să-şi îmbunătăţească activitatea fizică şi sănătatea.
Un pedometru digital este un dispozitiv electronic portabil ce numără fiecare pas efectuat de o persoană prin detectarea mişcării corpului persoanei cu ajutorul unui accelerometru. Un astfel de dispozitiv poate fi construit utilizând un microcontroler pe 8 biţi, un modul Bluetooth de joasă energie (BLE) şi un accelerometru digital triaxial.
Acest dispozitiv demonstrativ poate fi purtat la încheietură cu o brăţară sau cu un ceas. Modulul BLE on-board permite pedometrului să comunice cu un telefon inteligent sau cu o tabletă, pe care poate fi monitorizat progresul utilizatorului în ceea ce priveşte exerciţiile.
Figura 1 prezintă diagrama bloc a unui astfel de pedometru utilizând un microcontroler Microchip PIC16LF1718, un modul Microchip RN4020 Bluetooth LE 4.1, un accelerometru digital triaxial Bosch Sensortec BMA250E şi o baterie cu litiu CR2032 de 3V.
Figura 1: Diagrama bloc a unui pedometru demonstrativ
Figura 2: Schema logică a procesului pentru pedometrul demonstrativ
Operaţia
Accelerometrul pe 10 biţi detectează mişcarea purtătorului. Firmware-ul din microcontroler conţine un algoritm de detecţie a paşilor dezvoltat de Bosch Sensortec. Funcţia de detecţie a pasului din această bibliotecă este apelată periodic de aplicaţia utilizatorului.
Microcontrolerul preia datele de acceleraţie pe axele x, y şi z de la accelerometru printr-o interfaţă I2C, moment în care este apelată funcţia de detecţie a pasului. Aceasta analizează apoi datele de acceleraţie acumulate, utilizând căi de recunoaştere pentru a determina numărul de paşi efectuaţi.
Numărul de paşi acumulat poate fi prezentat pe un ecran LED cu 3 digiţi şi 7 segmente sau prin BLE pe o aplicaţie ce rulează pe telefonul inteligent sau pe tabletă.
Figura 2 este schema logică a procesului pedometrului demonstrativ. Modulul Bluetooth de joasă putere utilizat se conformează cu specificaţiile de bază 4.1 şi suportă 13 profiluri publice şi 17 servicii publice bazate pe profilul atribut general GATT. Printre profilurile publice suportate, patru sunt bazate pe sănătate – monitorizarea bătăilor inimii, termometru, glucometru şi monitorizarea presiunii sângelui.
Modulul suportă de asemenea un profil privat definit de utilizator, sau un serviciu de acest fel, care se poate plia precis pe aplicaţia utilizatorului. În acest caz, demonstraţia defineşte un serviciu privat pentru aplicaţia de pedometru. Toate configurările sunt salvate pe memoria nevolatilă on-board a modulului BLE, astfel încât utilizatorii trebuie să pregătească modulul numai odată.
Microcontrolerul activează modulul la activarea comunicaţiei BLE prin apăsarea butonului on-board. Modulul devine apoi pereche cu un telefon inteligent sau cu o tabletă. Microcontrolerul trimite periodic numărul de paşi către modul prin interfaţă UART. La rândul său, modulul trimite apoi numărul de paşi către dispozitivul pereche, pe care rulează o aplicaţie compatibilă Bluetooth LE ce poate fi utilizată pentru afişarea numărului de paşi. În orice caz, o aplicaţie companion poate să nu fie necesară dacă dispozitivul are instalat Apple HealthKit, o funcţie pentru iOS 8 sau mai mult, care aderă la specificaţiile Bluetooth LE GATT. Aceasta înseamnă că dispozitive medicale precum monitorizatoare de ritm cardiac şi presiune sânge, termometre şi glucometre care sunt integrate în modulul RN4020 vor fi suportate nativ de Apple HealthKit. Astfel, în loc de dezvoltarea unei aplicaţii companion, producătorii de dispozitive pot permite la Apple HealthKit să controleze automat dispozitivul sau accesoriul atunci când este pereche cu modulul Bluetooth LE. Un buton oferă controlul rapid al funcţiei pedometrului prin interfaţă IOC (interrupt-on-change). Pentru a porni sau opri afişajul LED, utilizatorul trebuie să apese butonul şi să îl elibereze rapid în cadrul unei secunde. Pentru a activa/dezactiva comunicaţia Bluetooth LE, utilizatorul trebuie să apese butonul şi să îl păstreze aşa pentru mai mult de o secundă, dar mai puţin de patru secunde. Menţinerea apăsată a butonului pentru mai mult de patru secunde conduce la iniţializarea la zero a numărului de paşi.
Figura 3: Partea anterioară şi posterioară a plăcii pedometrului demonstrativ
Alimentarea cu energie
Alimentarea pedometrului demonstrativ se face de la o singură baterie cu litiu 3V, tip monedă. Afişajele LED sunt oprite automat după 10 secunde pentru a economisi energie.
Viteza de transfer pentru comunicaţia UART este stabilită la 2400kbit/s, astfel încât modulul Bluetooth LE poate rămâne în mod deep sleep atunci când nu există comunicaţii de date UART.
Dacă nu există mişcare pentru 16 secunde, accelerometrul va trimite o întrerupere tip fără mişcare către microcontroler prin interfaţa IOC. La apariţia acestei întreruperi, microcontrolerul reconfigurează accelerometrul la întrerupere la g ridicat şi îl pune în mod de consum energetic redus, după care însuşi microcontrolerul intră în mod de aşteptare, astfel încât întreg sistemul consumă minimul de energie posibil.
Pe durata modului de joasă putere, accelerometrul comută periodic între faza de aşteptare şi faza de activare. În modul de aşteptare, întreg circuitul analogic al accelerometrului este nealimentat. În modul de activare, accelerometrul lucrează normal şi este activă funcţia de întrerupere la g ridicat pentru a determina când să aibă loc revenirea din modul de joasă putere.
Accelerometrul generează o întrerupere la g ridicat pentru a activa microcontrolerul, atunci când mişcarea purtătorului depăşeşte un prag pre-stabilit pentru un eveniment de tip acceleraţie ridicată, precum păşire, ridicare pedometru, sau mişcarea pedometrului în aer. După activare, pedometrul revine la funcţionarea normală.
Concluzie
Acest articol a arătat cum se poate construi un pedometru digital ce poate comunica prin BLE, cu scop de evaluare şi dezvoltare. Nu este realizat pentru utilizare medicală, diagnostic şi tratament, dar poate fi un dispozitiv util pentru persoane care doresc să monitorizeze şi să crească numărul de exerciţii pe care le fac.
Autorul articolului, Zhang Feng, este inginer la Microchip Technology.
Microchip Technology | www.microchip.com
