Arduino戒指的構(gòu)建

心率和體溫是潮熱和盜汗的兩個(gè)指標(biāo)。更年期戒指既有感覺，又有風(fēng)格！這款戒指為尋求行為解決方案的女性提供了一個(gè)簡(jiǎn)單而強(qiáng)大的工具。它可以幫助回答以下問題：

• 我什么時(shí)候會(huì)經(jīng)歷最嚴(yán)重的潮熱？
• 我的潮熱如何隨室溫變化？
• 上周鍛煉是否減輕了我潮熱的嚴(yán)重程度？

我們?cè)谶@個(gè)項(xiàng)目中的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是打造一款 (1) 易于使用、(2) 視覺友好且實(shí)用，以及 (3) 零售價(jià)低于 50 美元的戒指。

• 易于使用：通過一鍵循環(huán)在電子紙顯示屏上顯示您的心率和溫度。要充電，請(qǐng)將其放在任何與Qi 兼容的無線充電器上，顯示屏?xí)@示其電池電量。
• 視覺友好且實(shí)用： (A) 三種顏色選擇：灰色、黑色、白色 — 一種不起眼的調(diào)色板，易于搭配各種服裝和個(gè)人風(fēng)格。(B) 形式：簡(jiǎn)約的倒角曲線——易于清潔的現(xiàn)代設(shè)計(jì)。(C) 屏幕顯示：灰色、白色或黑色電子紙 — 方便眼睛，同時(shí)謹(jǐn)慎地顯示敏感的健康信息。
• 零售價(jià)不到 50 美元：這款戒指采用市場(chǎng)上最常見的傳感器和芯片，以降低價(jià)格，同時(shí)保持性能。查看“概念物料清單”了解詳細(xì)的成本明細(xì)。

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在確定了我們都同意的概念后，我們開始研究硬件原型以首先驗(yàn)證技術(shù)。

原型

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該原型具有更年期環(huán)的所有主要組件，充電線圈除外。Arduino Uno 從兩個(gè)常見的分線板上測(cè)量心率和溫度，并將其傳輸?shù)?SD 卡以供以后分析。它還每隔 30 秒左右在電子紙顯示屏上顯示心率和溫度。當(dāng)然，它可能很笨重，但它可以完成工作（當(dāng)你走在街上時(shí)它肯定會(huì)引起注意）！

請(qǐng)閱讀以獲得更多詳情...

心率感應(yīng)

MAX30102 心率模塊測(cè)量光電容積脈搏波(PPG) ，這是一個(gè)真實(shí)的詞，是醫(yī)院使用的一項(xiàng)技術(shù)。LED 照射到皮膚中，反射光由附近的光電二極管測(cè)量。反射光的量由皮膚附近的血量調(diào)節(jié)，因此當(dāng)有更多血液時(shí)（如脈搏期間），反射光會(huì)下降。然后通過心跳之間的距離或傅立葉變換計(jì)算心率。不幸的是，由于正常的身體運(yùn)動(dòng)（例如擠壓傳感器或移動(dòng)手臂），血容量也會(huì)發(fā)生變化，因此需要進(jìn)行一些信號(hào)處理來濾除這些噪音。

我們基于 Geert Langereis 在本文中的模擬濾波器設(shè)計(jì)，使用數(shù)字濾波器鏈去除噪聲：

• 6 Hz 低通濾波器（二階）
• 60 Hz 陷波濾波器（一階）——去除常見的 60 Hz 噪聲
• 0.8 Hz 高通濾波器（一階）
• 4.8 Hz 低通濾波器（一階）
• 3 Hz 高通濾波器（一階）——將信號(hào)中的跳躍轉(zhuǎn)換為局部最小值

然后，我們將過濾后的信號(hào)與基于先前測(cè)量的節(jié)拍應(yīng)該落在哪里的可能性相結(jié)合。我們發(fā)現(xiàn)，通過將濾波后的信號(hào)與這種可能性相乘，即使用戶在移動(dòng)或信號(hào)特別低，我們也能夠可靠地捕捉心跳。該過程的示意圖如下所示：

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這是一個(gè)搖搖欲墜的用戶的例子，用于比較......

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我們用來實(shí)時(shí)繪制這些節(jié)拍的 Python 腳本包含在 test/ 下的 github 存儲(chǔ)庫中。我們使用了一個(gè)名為 Glumpy 的 openGL python 包裝器來完成繁重的工作。您可以看到頂行顯示過濾后的傳感器數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)的節(jié)拍。接下來的兩行分別是節(jié)拍似然和組合信號(hào)。最后一行是瞬時(shí)心率。

溫度感應(yīng)

我們使用 MCP9808 傳感器測(cè)量溫度，其分辨率為 0.0625 oC。由于潮熱事件會(huì)導(dǎo)致皮膚溫度升高 0.1 到 5 oC（參見此處和此處），因此該傳感器為我們提供了合理的分辨率，可以以低廉的價(jià)格（1 美元）檢測(cè)潮熱。傳感器輕輕地壓在用戶的手指上，并隨著皮膚溫度升高和降低。我們測(cè)量該傳感器的時(shí)間常數(shù)約為 7 秒，這足以解決熱沖洗事件，因?yàn)閱?dòng)大約需要 1 分鐘。

展示

電子紙顯示屏顯示溫度和心率。我們選擇了電子紙，因?yàn)樗墓牡停ㄎ覀優(yōu)榇藨?yīng)用計(jì)算了大約 10 uA）。那是因?yàn)樗辉诟淖儬顟B(tài)時(shí)才使用電源！電子紙為可穿戴顯示器提供了獨(dú)特的外觀：在考慮了 OLED 和 LCD 選項(xiàng)之后，我們選擇了電子紙，因?yàn)槲覀冋J(rèn)為這種設(shè)計(jì)感覺更簡(jiǎn)單和友好。

我們?cè)?Waveshare 的電子紙顯示模塊（我們可以輕易找到的最小的）上制作了該顯示器的原型，其中包括一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器，用于產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)顯示器所需的 15 V 電壓。他們提供的啟動(dòng) Arduino 代碼很容易在幾分鐘內(nèi)啟動(dòng)并運(yùn)行。我們遇到了一個(gè)問題：Arduino Uno 只有 2 KB 的 RAM，因此圖像和字體必須存儲(chǔ)在程序內(nèi)存中。

Arduino代碼

我們將 Arduino Uno 與我們發(fā)現(xiàn)的 Adafruit Wave Shield 一起使用，結(jié)果證明它作為開/關(guān)開關(guān)（指輪）和用于數(shù)據(jù)記錄的 SD 卡接口非常出色。好的！我們不確定獲得這個(gè)盾牌有多容易，但任何 sd 卡盾牌都應(yīng)該可以解決問題（它們都將使用相同的 SPI 線）。

以下支持庫用于與外圍設(shè)備通信：

• 心率傳感器：SparkFun MAX3010x 脈沖和接近庫
• 溫度傳感器：Adafruit MCP9808 庫
• SD 卡：PetitFS （由 Bill Greiman 設(shè)計(jì)）
• 展示：e-Paper （由“Waveshare 野輝”提供）

您還可以在 Arduino Library Manager 上找到這兩個(gè)傳感器庫。

為了開發(fā)代碼，我們使用了適用于 Visual Studio Code 的PlatformIO插件，它是跨平臺(tái)且免費(fèi)的。如果您還沒有聽說過 PlatformIO，我們建議您查看一下。對(duì)于大型項(xiàng)目，它是 Arduino IDE 的絕佳替代品。

以下是主循環(huán)的工作原理：

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當(dāng)用戶打開開關(guān)時(shí)，Arduino 會(huì)不斷地輪詢心率傳感器以獲取樣本。一旦足夠的樣本填滿了預(yù)期下一次心跳的“sampleWindow”，代碼就會(huì)切換到處理該心跳以計(jì)算新的心率。每 40 次心跳（約 30 秒），通過心跳間隔的低通濾波器計(jì)算心率（為了避免心率因常見的心臟撲動(dòng)而跳躍）。然后顯示屏?xí)悦糠昼娦奶螖?shù) (bpm) 為單位顯示更新后的心率。查看 github 頁面以獲取簡(jiǎn)單的狀態(tài)機(jī)圖。

下一步

• 3d 打印原型/材料測(cè)試：打印/制造一個(gè)環(huán)，無需額外移動(dòng)橡皮筋即可將傳感器固定到位。
• 無線充電/功耗：測(cè)試現(xiàn)成的 Qi 兼容無線電源接收器芯片，帶有適當(dāng)大小的線圈。測(cè)量沒有不必要外圍設(shè)備（例如 USB 芯片、狀態(tài) LED）的系統(tǒng)的電流消耗。
• 柔性 PCB：將電子元件縮小到橫跨環(huán)圓周的單個(gè)柔性上。概念物料清單計(jì)算表明它應(yīng)該全部適合，但實(shí)際布局可能會(huì)講述一個(gè)不同的故事。
• 數(shù)據(jù)采集??：心率傳感器準(zhǔn)確度因種族、體重等不同而不同，所以我們需要對(duì)各種女性進(jìn)行測(cè)試，也就是說要使用那個(gè)SD卡！
• 縮小顯示器：電子紙看起來很棒，但要縮小尺寸則需要與制造商密切合作。還有其他選項(xiàng)需要考慮（例如電致變色顯示器），這些選項(xiàng)可能更容易縮小并仍然保持低功耗。

致謝

非常感謝Hackster.io和 AARP 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室主辦本次比賽。很高興與在線創(chuàng)意制作者社區(qū)分享我們的作品，您讓這成為可能！