Cardio Data Logger: 7 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:57

Meskipun saat ini banyak perangkat portabel (smartband, smartwatch, smartphone, …) tersedia yang dapat mendeteksi Detak Jantung (HR) dan melakukan analisis jejak, sistem berbasis sabuk tali dada (seperti yang ada di bagian atas gambar) masih tersebar luas dan digunakan, tetapi tidak memiliki kemungkinan untuk merekam dan mengekspor jejak pengukuran.

Dalam Instructable Cardiosim saya sebelumnya, saya telah menyajikan simulator sabuk tali dada (Cardio) yang menjelaskan bahwa salah satu langkah saya selanjutnya adalah mengembangkan pencatat data detak jantung. Saya sekarang siap untuk mempresentasikannya di Instructable ini. Fungsi dari unit portabel ini adalah untuk menerima sinyal HR yang dikirim oleh sabuk pengikat dada (atau simulator Cardiosim) selama sesi pelatihan (latihan/bersepeda/lari, …) dan untuk merekam jejak pada kartu SD, untuk melakukan analisis kinerja setelah pelatihan (lihat detail di bab terakhir).

Unit ini didukung oleh sistem baterai yang dapat diisi ulang, termasuk sirkuit pengisian daya dan regulator penguat DC.

Dari "gudang" saya dari bahan yang tidak terpakai, saya mengambil kotak plastik yang cocok (135mm x 45mm x 20mm) dan menyesuaikannya dengan tata letak sirkuit agar sesuai, membuat prototipe kerja yang memenuhi kebutuhan saya (tetapi realisasinya menyisakan ruang untuk peningkatan:-))

Langkah 1: Deskripsi Singkat

Silakan lihat Langkah 1 dari Cardiosim Instructable untuk pengenalan singkat tentang teknologi LFMC (Low Frequency Magnetic Communication) yang digunakan oleh perangkat semacam ini.

Niat pertama saya adalah menggunakan modul Sparkfun RMCM01 sebagai antarmuka penerima, tetapi produk ini tidak lagi tersedia (apalagi harganya cukup mahal).

Namun, melihat di WEB, saya menemukan Tutorial yang menarik ini, yang menunjukkan beberapa solusi alternatif untuk menggantikan RMCM01. Saya memilih opsi ke-3 ("Peter Borst Design", terima kasih Peter!), mencapai hasil yang sangat baik menggunakan komponen L/C yang sama dari Cardiosim, namun terhubung di sini sebagai tangki resonansi paralel. Sinyal yang terdeteksi diperkuat, "dibersihkan", diterjemahkan dan diteruskan ke mikrokontroler Arduino Pro Mini. Program memvalidasi pulsa yang diterima, mengukur detak jantung (atau lebih baik interval antara dua pulsa berturut-turut) dan menyimpan semua interval terukur dalam file teks ASCII (satu baris per pulsa yang valid, masing-masing 16 karakter termasuk interval, stempel waktu, dan LF/CR) dalam kartu microSD. Dengan asumsi HR rata-rata 80bpm, perekaman satu jam hanya membutuhkan (4800 baris teks x 16 karakter) = 76800 / 1024 = 75kBytes, oleh karena itu, bahkan kartu SD 1GB yang murah pun menawarkan banyak kapasitas perekaman.

Selama perekaman, Anda dapat menyisipkan garis penanda untuk membagi jejak dan mengevaluasi fase sesi yang berbeda secara terpisah.

Langkah 2: Catu Daya Lipo - Skema, Suku Cadang & Perakitan

Catu Daya menempati bagian bawah kasing. Kecuali trimpot, tidak ada komponen yang tingginya melebihi 7 mm, yang memberikan ruang untuk memasang penerima HR dan rangkaian mikrokontroler di atas catu daya.

Saya menggunakan bagian-bagian berikut:

• Baterai LiPo 3.7V (baterai ponsel apa pun dapat didaur ulang, pengurangan kapasitas tidak menjadi masalah di sini)
• Modul pengisian USB TP4056, saya membelinya di sini
• SX1308 DC boost converter, saya membelinya di sini
• Papan prototipe kecil 40 x 30 mm
• Kabel dengan konektor JST 2, 54mm 2 pin, seperti ini
• (opsional) Konektor JST 2mm 2 pin, seperti ini

• (opsional) Kabel dengan konektor JST 2mm 2 pin, seperti ini

Penggunaan dua item terakhir tergantung pada baterai yang akan Anda gunakan dan cara Anda ingin menghubungkannya ke modul pengisi daya. Saya menyarankan konektor JST 2mm karena banyak baterai dikirim dengan kabel yang sudah terpasang dan steker 2mm, solusi lain cukup selama memungkinkan penggantian baterai yang mudah jika diperlukan. Bagaimanapun, berhati-hatilah untuk menghindari hubungan pendek antara kutub baterai selama perakitan.

Modul TP4056 ditenagai dari port micro USB dan dirancang untuk mengisi daya baterai lithium yang dapat diisi ulang menggunakan metode pengisian arus konstan / tegangan konstan (CC/CV). Selain mengisi baterai lithium dengan aman, modul ini juga memberikan perlindungan yang diperlukan oleh baterai lithium.

SX1308 adalah konverter DC/DC Step Up Adjustable efisiensi tinggi yang menjaga tegangan output konstan pada +5V dengan tegangan input minimum 3V, sehingga memungkinkan eksploitasi penuh dari kapasitas baterai. Sesuaikan tegangan output dengan trimpot pada +5V sebelum menghubungkan rangkaian mikrokontroler!

Total konsumsi Data Logger adalah sekitar 20mA, sehingga bahkan baterai bekas dengan kapasitas sisa 200mAh (<20% dari kapasitas awal baterai ponsel baru) akan memungkinkan perekaman selama 10 jam. Satu-satunya kelemahan adalah arus diam SX1308 sekitar 2mA, jadi lebih baik Anda melepas baterai jika Anda tidak menggunakan Data Logger untuk waktu yang lama.

Karena ukurannya yang kecil, kedua modul perlu diperbaiki menggunakan lubang sambungan baik untuk sambungan listrik maupun mekanik dengan papan prototipe, melalui potongan pendek kawat tembaga. Pada gilirannya papan dipasang ke dasar kasing dengan sekrup 3mm x 15mm (panjangnya cukup untuk mengikat rangkaian mikrokontroler di atas dengan sekrup yang sama). Papan memiliki konektor JST 2mm untuk baterai (hanya tersedia dalam versi SMD, tetapi melipat pin secara vertikal Anda dapat "memutarnya" dalam versi PTH) dan semua kabel sesuai dengan skema. Untuk memastikannya, saya menempelkan badan konektor ke papan untuk mendapatkan segel mekanis yang baik.

Baterai ditempatkan rata di area yang tersisa dari bagian bawah casing, dan di belakangnya ada sekrup kedua 3mm x 15mm dengan spacer vertikal 8mm untuk menghindari kontak antara bagian atas baterai (yang bagaimanapun juga terisolasi) dan bagian bawah baterai. sirkuit atas.

Langkah 3: Penerima HR dan Pencatat Data - Skema, Suku Cadang & Perakitan

Papan utama terdiri dari:

• Papan prototipe 40mm x 120mm
• Induktansi 39mH, saya menggunakan BOURNS RLB0913-393K
• 2 x Kapasitor 22nF
• Kapasitor 4.7nF
• Kapasitor 47nF
• Kapasitor 39pF
• Kapasitor Elektrolitik 10uF/25V
• Kapasitor Elektrolit 1uF/50V
• 3 x Resistor 10K
• 2 x Resistor 100K
• 3 x Resistor 1K
• 4 x Resistor 220R
• Resistor 1M
• Resistor 47K
• Resistor 22K
• Trimpot 50K
• Dioda 1N4148
• LED 3mm Biru
• 2 x LED 3mm Hijau
• LED 3mm Kuning
• LED 3mm Merah
• Penguat Operasional Input JFET Kebisingan Rendah Ganda TL072P
• Pembalikan Hex Pemicu Schmitt 74HC14
• Konektor JST 2.54mm 2 Pin, seperti ini
• 2 x microswitch, tipe Alcoswitch
• Mikrokontroler Arduino Pro Mini, 16MHz 5V
• Modul kartu Micro SD SPI 5V dari DFRobots

Frekuensi resonansi tangki resonansi paralel yang disusun oleh L1 dan C1 adalah sekitar 5.4kHz, yang cukup cocok dengan 5.3kHz pembawa medan magnet dari sinyal yang ditransmisikan untuk mengubahnya menjadi tegangan. Ingatlah bahwa, dalam sebagian besar kasus, pembawa dimodulasi berdasarkan format OOK (On-OFF Keying) sederhana, di mana setiap denyut jantung mengubah pembawa "ON" selama sekitar 10 ms. Sinyal yang terdeteksi sangat lemah (biasanya gelombang sinus 1mV pada jarak 60-80cm dari sumber, asalkan sumbu induktansi sejajar dengan medan magnet), sehingga perlu diperkuat dengan hati-hati untuk menghindari gangguan dan palsu. deteksi. Sirkuit yang diusulkan adalah hasil dari upaya terbaik saya dan berjam-jam pengujian dalam kondisi yang berbeda. Jika Anda tertarik untuk memperdalam aspek ini - dan mungkin meningkatkannya - lihat langkah selanjutnya, jika tidak, Anda dapat melewatinya.

Gerbang Schmitt Trigger berikut melakukan digitalisasi dan fungsi deteksi puncak, memulihkan sinyal modulasi asli, yang diteruskan ke Arduino Pro Mini.

Papan mikrokontroler Pro Mini sangat cocok untuk proyek ini karena kristal di papan memungkinkan presisi tinggi pengukuran (yang penting di bawah sudut pandang "medis", lihat langkah terakhir), dan pada saat yang sama bebas dari yang lain tidak diperlukan perangkat, yang menghasilkan konsumsi daya yang rendah. Satu-satunya kelemahan adalah untuk memuat kode, Anda memerlukan antarmuka FTDI untuk menghubungkan Pro Mini ke port USB komputer Anda. Pro Mini terhubung ke:

• Beralih S1: mulai Perekaman
• Beralih S2: masukkan Penanda
• LED Biru: berkedip ketika pulsa yang valid terdeteksi
• LED hijau: Perekaman dimulai
• LED Kuning: Penanda dimasukkan (berkedip singkat) / Timeout (tetap)
• Modul kartu MicroSD (melalui bus SPI)

Berbeda dari banyak modul kartu SD yang beroperasi pada 3.3V, modul DFRobot beroperasi pada 5V, jadi tidak diperlukan pemindah level.

Adapun perakitan, Anda mungkin memperhatikan bahwa saya telah membagi papan prototipe menjadi dua bagian, dihubungkan dengan dua "jembatan" kecil dari kawat tembaga 1mm yang kaku. Ini diperlukan untuk meningkatkan modul kartu MicroSD ke "tingkat konstruksi" ketiga dan menyelaraskannya dengan ceruk yang saya ukir pada kasing, tepat di atas celah untuk port USB. Selanjutnya, saya mengukir tiga ceruk di papan itu sendiri, satu untuk mengakses potensiometer konverter DC/DC, yang lain untuk mengakses konektor bus serial Arduino Pro Mini (dipasang "menghadap ke bawah"), dan yang ketiga untuk induktansi.

Langkah 4: Penerima HR - Simulasi Rempah

Mulai dari desain Peter Borst yang telah saya sebutkan sebelumnya, tujuan saya adalah mencoba memperluas jangkauan deteksi sebanyak mungkin, sekaligus membatasi kepekaan terhadap interferensi dan pembangkitan pulsa palsu.

Saya memutuskan untuk mengubah solusi Op-Amp tunggal yang asli karena terbukti terlalu sensitif terhadap interferensi, mungkin karena nilai resistor umpan balik 10M terlalu tinggi, dan untuk membagi penguatan keseluruhan menjadi dua tahap.

Kedua tahap memiliki gain DC G = 100, menurun sekitar 70 @5.4KHz, tetapi dengan impedansi input yang berbeda untuk mengoptimalkan sensitivitas.

Jadi mari kita asumsikan bahwa tegangan sinyal terlemah yang dihasilkan oleh tangki LC adalah 1mV.

Jika kita mentranspos seluruh rangkaian penerima di lingkungan Spice (saya menggunakan ADIsimPE) mengganti rangkaian paralel LC dengan generator sinus dengan tegangan dan frekuensi yang sama (5.4KHz) dan menjalankan simulasi, kita perhatikan bahwa tegangan output V1 dari 1 penguat masih berupa gelombang sinus (karena faktor skala masukan gelombang sinus tidak cukup besar), sehingga penguat bekerja di zona linier. Tetapi setelah tahap kedua, tegangan keluaran V2 menunjukkan bahwa kita sekarang mencapai saturasi (Vhigh = Vcc-1.5V / Vlow = 1.5V). Faktanya, rangkaian TL07x tidak dirancang untuk rentang keluaran rel ke rel, tetapi ini cukup untuk melampaui dengan margin aman baik tingkat ambang gerbang Schmitt Trigger dan menghasilkan gelombang persegi bersih (V3).

Langkah 5: Perangkat Lunak

Karena gain tinggi dari tahap penerima, dan meskipun tahap detektor puncak bertindak pada dasarnya sebagai filter lolos rendah, sinyal input pada pin D3 Arduino Pro Mini masih dapat sangat terganggu dan perlu diproses secara digital melalui pemeriksaan validitas terhadap deteksi palsu. Kode memastikan bahwa dua kondisi terpenuhi untuk mempertimbangkan pulsa sebagai valid:

1. Pulsa harus bertahan setidaknya 5 ms
2. Interval minimum yang dapat diterima antara dua denyut nadi berturut-turut adalah 100 ms (sesuai dengan 600 bpm, jauh melampaui batas takikardia parah!)

Setelah pulsa divalidasi, interval (dalam ms) dari yang sebelumnya diukur dan disimpan di kartu SD dalam file "datalog.txt", bersama dengan stempel waktu dalam format jj:mm:dd, di mana 00:00: 00 mewakili waktu reset terakhir mikrokontroler. Jika kartu SD hilang, LED merah menyala menunjukkan kesalahan.

Jejak rekaman baru dapat dimulai/dihentikan dengan sakelar Start/Stop S1, dan akan diidentifikasi dengan garis penanda ";Start" dan ";Stop" masing-masing di awal dan di akhir file teks.

Jika tidak ada pulsa yang terdeteksi selama lebih dari 2400 ms (25 bpm), garis penanda "; Timeout" ditempatkan di file dan LED kuning D4 dinyalakan.

Jika Sakelar Penanda S2 ditekan selama merekam garis penanda tambahan dalam format ";MarkerNumber", dengan penambahan otomatis nomor penanda mulai dari 0, ditulis dalam file, dan LED kuning berkedip segera.

Terlampir kode Arduino lengkap.

Langkah 6: Pengaturan dan Pengujian Awal

Langkah 7: Penggunaan - Analisis Sinyal Medis

Bentuk penutup yang saya gunakan cukup dekat dengan salah satu smartphone sehingga Anda dapat menemukan di pasaran banyak aksesori untuk dipakai atau dipasang pada peralatan olahraga. Khusus untuk sepeda, saya dapat menyarankan pemasangan smartphone universal bernama "Finn", yang diproduksi oleh perusahaan Warga Sepeda Austria. Murah (€ 15, 00) dan mudah dipasang, ini benar-benar universal dan seperti yang Anda lihat di gambar, sempurna juga untuk Cardio Data Logger

Cara paling sederhana untuk menggunakan data mentah yang direkam oleh Data Logger adalah dengan memplotnya dalam grafik menggunakan program PC standar (misalnya Excel). Dengan membandingkan grafik yang diperoleh dengan mengulangi latihan yang sama, atau menganalisis korelasi antara variasi HR dan upaya fisik, Anda dapat mengoptimalkan dosis kekuatan selama aktivitas.

Tetapi yang paling menarik adalah studi tentang HR, dan khususnya HR Variablity (HRV), untuk tujuan medis. Tidak seperti trek EKG, jejak HR tidak mengandung informasi langsung tentang fungsi otot jantung. Namun, analisisnya dari sudut pandang statistik memungkinkan untuk memperoleh informasi lain yang menarik secara klinis.

Sumber pengetahuan paling komprehensif tentang HRV adalah perusahaan KUBIOS Finlandia. Di situs mereka, Anda dapat menemukan banyak informasi tentang Sinyal Biomedis dan Anda dapat mengunduh "KUBIOS HRV Standard", perangkat lunak analisis variabilitas detak jantung gratis untuk penelitian non-komersial dan penggunaan pribadi. Alat ini tidak hanya memungkinkan Anda untuk memplot grafik dari file teks sederhana (Anda harus menghapus stempel waktu) tetapi juga untuk melakukan evaluasi statistik dan matematis (termasuk FFT) dan menghasilkan laporan yang sangat rinci dan berharga, seperti yang terlampir di bawah ini.

Ingatlah bahwa hanya dokter spesialis yang dapat memutuskan ujian apa yang diperlukan untuk latihan olahraga di tingkat mana pun, dan untuk menilai hasilnya.

Instruksi ini telah ditulis dengan tujuan tunggal untuk menciptakan minat dan kesenangan dalam menerapkan elektronik untuk perawatan kesehatan.

Saya harap Anda menikmatinya, komentar dipersilakan!