Rannekemallisen askelmittarin voi rakentaa helposti kolmesta piiristä. Tässä esiteltävä demolaite on tarkoitettu lopullisen tuotteen evaluointiin ja kehitystyöhön. Se koostuu mikro-ohjaimesta, 3-akselisesta kiihtyvyysanturista, Bluetooth LE -moduulista ja muutamasta oheiskomponentista.

Puettava teknologia ei ole koskaan ollut yhtä paljon esillä julkisuudessa kuin viime aikoina. Ihmiskehon eri toimintoja tarkkailevien, puettavien elektronisten laitteiden esiinmarssi näyttää loppumattomalta.

Tämän kehityksen kärjessä ovat kehon aktiivisuutta seuraavat laitteet, jotka mittaavat käyttäjän ottamien askelten lukumäärää ja kannustavat liikkumaan riittävästi päivittäin, mikä puolestaan auttaa alentamaan kohonnutta verenpainetta ja painoindeksiä. Rannekemalliset aktiivisuusmittarit, joissa yhdistyy askelmittari ja Bluetooth LE -tiedonsiirto (Low Energy), ovat nousseet suosituiksi motivointivälineiksi niille, jotka haluavat lisätä liikuntaa ja kohentaa näin terveydentilaansa.

Digitaalinen askelmittari on kannettava elektroninen laite, joka laskee jokaisen otetun askeleen mittaamalla henkilön liikkeitä kiihtyvyysanturin avulla. Tällainen laite voidaan rakentaa käyttäen 8-bittistä mikro-ohjainta, Bluetooth LE -moduulia ja digitaalista 3-akselista kiihtyvyysanturia.

Tässä esiteltävää demolaitetta voi pitää ranteessa kuten kelloa tai rannerengasta. Siihen kuuluva Bluetooth LE -moduuli mahdollistaa kommunikoinnin älypuhelimen tai tabletin kanssa. Niiden avulla käyttäjä voi seurata oman harjoitusohjelmansa edistymistä.

Kuvassa 1 nähdään tällaisen askelmittarin lohkokaavio. Siinä käytetään Microchipin mikro-ohjainta PIC16LF1718 ja Bluetooth LE 4.1 -moduulia RN4020, Bosch Sensortecin 3-akselista kiihtyvyysanturia BMA250E sekä kolmen voltin CR2032-tyyppistä litium-nappiparistoa.

Kuva 1. Askelmittarin demolaitteen lohkokaavio.

Laitteen toiminta

Laitteen 10-bittinen digitaalinen kiihtyvyysanturi ilmaisee käyttäjän liikkeet kolmen akselin suhteen. Mikro-ohjaimen laiteohjelmisto sisältää Bosch Sensortecin kehittämän askelilmaisu-algoritmin. Laitteen käyttösovellus kutsuu toistuvasti tätä askelilmaisutoimintoa.

Mikro-ohjain lukee kiihtyvyysdataa anturin x-, y- ja z-akseleilta I2C-liitännän kautta aina, kun askelilmaisutoimintoa kutsutaan. Sen jälkeen askelilmaisutoiminto analysoi kertyneen kiihtyvyysdatan ja määrittelee askelten lukumäärän kuviontunnistuksen perusteella.

Kertynyt askelmäärä voidaan näyttää kolminumeroisella 7-segment-ledinäytöllä tai Bluetooth LE -yhteyden kautta älypuhelimessa tai tabletissa pyörivässä sovelluksessa.

Kuvassa 2 nähdään askelmittaridemon mittausprosessin kulku vuokaaviona.

Kuva 2. Askelmittaridemon laiteohjelmiston vuokaavio.

Askelmittarin Bluetooth LE -moduuli noudattaa yhdessä laiteparinsa kanssa Bluetooth 4.1 -määrityksiä ja tukee 13 julkista profiilia sekä 17 julkista palvelua, jotka perustuvat yleiseen GATT-määriteprofiiliin. Tuetuista julkisista profiileista neljä liittyy terveydentilaan: sykkeen, ruumiinlämmön, veren glukoositason ja verenpaineen valvonta.

Moduuli tukee myös käyttäjän määrittelemää yksityistä profiilia tai palvelua, joka sopii täsmällisesti käyttäjän omaan sovellukseen. Tässä tapauksessa demoratkaisu määrittelee yksityisen palvelun askelmittarisovellukselle.

Kaikki konfiguroinnit tallennetaan Bluetooth LE -moduulin sisäiseen haihtumattomaan muistiin, joten käyttäjän tarvitsee tehdä asetukset moduulille vain kerran.

Mikro-ohjain aktivoi moduulin, kun Bluetooth LE -yhteys on otettu käyttöön painamalla käynnistyspainiketta. Moduuli paritetaan sen jälkeen älypuhelimen tai tabletin kanssa. Mikro-ohjain lähettää toistuvasti askelmäärää moduulille UART-liitännän kautta onnistuneen parituksen jälkeen. Tämän jälkeen moduuli lähettää askelmäärän paritetulle mobiililaitteelle, jonka yhteensopiva Bluetooth LE -sovellus esittää askelmäärän näytöllä.

Erillistä sovellusohjelmaa ei välttämättä tarvita, jos paritettavassa laitteessa on asennettuna Applen HealthKit-ohjelma, joka on ollut saatavissa iOS-käyttöjärjestelmään versiosta 8 lähtien. Ohjelma noudattaa Bluetooth LE:n GATT-määrityksiä. Toisin sanoen HealthKit tukee luonnostaan useaa RN4020-moduulin avulla toteutettua lääketieteellistä mittausta kuten sykkeen, verenpaineen, ruumiinlämmön ja veren glukoositason seurantaa. Näin ollen erillisen sovellusohjelman kehittämisen sijasta laitevalmistaja voi sallia Applen HealthKit-ohjelman hallitsevan automaattisesti laitetta tai oheislaitetta, kun se on paritettu Bluetooth LE -moduulin kanssa.

Askelmittarin toimintojen ohjaaminen käy nopeasti yhdellä painikkeella IOC-liitännän (Interrupt-On-Change) kautta. Ledinäytön kytkemiseksi päälle tai pois käyttäjän tulee painaa painiketta ja vapauttaa se alle sekunnissa. Bluetooth LE -yhteyden salliminen tai estäminen tapahtuu painamalla painiketta yhtäjaksoisesti yli sekunnin mutta alle neljä sekuntia. Yli neljä sekuntia kestävä painaminen nollaa askelmittarin lukeman.

Tehonsyöttö

Askelmittarin käyttöteho syötetään kolmen voltin litium-nappiparistosta. Ledinäyttö sammutetaan automaattisesti aina kymmenen sekunnin jälkeen virrankulutuksen hillitsemiseksi.

UART-tiedonsiirron nopeus on asetettu 2400 kilobittiin sekunnissa niin, että Bluetooth LE -moduuli voi pysyä syvässä lepotilassa, kun UART-dataliikennettä ei ole.

Ellei liikettä ilmene 16 sekuntiin, kiihtyvyysanturi lähettää ’ei liikettä’ -keskeytyksen mikro-ohjaimelle IOC-liitännän kautta. Kun keskeytys tapahtuu, mikro-ohjain konfiguroi kiihtyvyysanturin ’high-g’-keskeytysmuotoon ja asettaa sen virransäästötilaan. Sen jälkeen mikro-ohjain itsekin siirtyy lepotilaan niin, että koko järjestelmän tehonkulutus on mahdollisimman vähäinen.

Alhaisen tehonkulutuksen tilassa kiihtyvyysanturi vaihtaa toistuvasti tilaansa lepotilan ja hereilläolon välillä. Lepotilan aikana kiihtyvyysanturin koko analogisen osan tehonsyöttö on kytketty pois päältä. Hereilläolon aikana kiihtyvyysanturi toimii taas normaalisti ja ’high-g’-keskeytystoiminto on käytössä määrittämässä, milloin pitää herätä ja nousta alhaisen tehonkulutuksen tilasta.

Kiihtyvyysanturi tuottaa ’high-g’-keskeytyksen mikro-ohjaimen herättämiseksi, kun käyttäjän liike ylittää ennalta asetetun kynnyksen suurta kiihtyvyyttä vastaavan tapahtuman kuten kävelyn, askelmittarin nostamisen, heiluttamisen tai ilmassa pyörittämisen vuoksi. Askelmittari palaa normaaliin toimintaansa heräämisen jälkeen.

Kuva 3. Askelmittarin demolevy edestäpäin nähtynä.