Cardio Data Logger: 7 kroků (s obrázky)

2025 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2025-01-23 14:38

Přestože je v současné době k dispozici mnoho přenosných zařízení (chytré pásky, chytré hodinky, chytré telefony,…), která dokážou detekovat srdeční frekvenci (HR) a provádět stopovou analýzu, systémy založené na hrudních pásech (jako je ten v horní části obrázku) jsou stále rozšířené a používané, ale bez možnosti zaznamenávat a exportovat stopy měření.

V mém předchozím simulátoru Instructable Cardiosim jsem představil simulátor hrudního pásu (Cardio), který vysvětluje, že jedním z mých dalších kroků bylo vyvinutí záznamníku tepové frekvence. Nyní jsem připraven ji představit v tomto Instructable. Funkce této přenosné jednotky je přijímat signál HR vysílaný hrudním pásem (nebo simulátorem Cardiosim) během přechodové relace (cvičení/cyklistika/běh, …) a zaznamenávat stopu na kartu SD, aby proveďte analýzu výkonu po tréninku (viz podrobnosti v poslední kapitole).

Jednotka je napájena systémem dobíjecích baterií včetně nabíjecího obvodu a regulátoru DC boost.

Ze svého „skladiště“nepoužitého materiálu jsem vylovil vhodné plastové pouzdro (135 mm x 45 mm x 20 mm) a přizpůsobil mu rozvržení obvodu tak, aby do sebe zapadalo, čímž jsem vytvořil funkční prototyp, který splňuje mé potřeby (ale jehož realizace ponechává prostor pro zlepšení:-))

Krok 1: Stručný popis

Rychlý úvod o technologii LFMC (Low Frequency Magnetic Communication), kterou tento typ zařízení používá, najdete v kroku 1 instrukce Cardiosim.

Mým prvním záměrem bylo použít modul Sparkfun RMCM01 jako rozhraní přijímače, ale tento produkt již není k dispozici (natož aby byl každopádně dost drahý).

Při pohledu na WEB jsem však našel tento zajímavý návod, který ukazuje některá alternativní řešení, jak nahradit RMCM01. Vybral jsem si třetí možnost („Peter Borst Design“, díky Petře!), Čímž jsem dosáhl vynikajícího výsledku za použití stejných L/C komponent Cardiosimu, jakkoli zde připojeného jako paralelní rezonanční tank. Detekovaný signál je zesílen, „vyčištěn“, dekódován a předán do mikrokontroléru Arduino Pro Mini. Program validuje přijaté impulzy, měří srdeční frekvenci (nebo lépe interval mezi dvěma po sobě jdoucími pulzy) a ukládá všechny naměřené intervaly do textového souboru ASCII (jeden řádek na platný puls, 16 znaků každý včetně intervalu, časového razítka a LF/CR) na kartě microSD. Za předpokladu průměrné srdeční frekvence 80 tepů za minutu vyžaduje hodinové nahrávání pouze (4800 textových řádků x 16 znaků) = 76800/1024 = 75 kBytů, proto i levná 1 GB karta SD nabízí dostatek záznamové kapacity.

Během záznamu můžete vložit značkovací čáry k rozdělení stopy a samostatně vyhodnotit různé fáze relace.

Krok 2: Napájení LiPo - schémata, díly a montáž

Napájecí zdroj zabírá spodní část skříně. S výjimkou trimpotu žádná součást nepřesahuje výšku 7 mm, což dává prostor pro montáž obvodu přijímače HR a mikrokontroléru nad napájecí zdroj.

Použil jsem následující díly:

• 3,7V LiPo baterie (jakoukoli baterii telefonu lze recyklovat, snížená kapacita zde není problém)
• USB TP4056 nabíjecí modul, koupil jsem ho zde
• DC měnič SX1308 DC boost, koupil jsem ho zde
• Malá prototypovací deska 40 x 30 mm
• Kabel s konektorem JST 2, 54 mm 2 pin, jako tento
• (volitelně) JST konektor 2 mm 2 pin, jako je tento

• (volitelně) Kabel s konektorem JST 2 mm 2 kolíky, jako je tento

Použití posledních dvou položek závisí na baterii, kterou použijete, a na způsobu, jakým ji hodláte připojit k nabíjecímu modulu. Navrhuji 2mm konektor JST, protože mnoho baterií je dodáváno s již připojeným kabelem a 2mm zástrčkou, jakékoli jiné řešení je adekvátní, pokud v případě potřeby umožňuje snadnou výměnu baterie. V každém případě buďte opatrní, abyste se během montáže vyhnuli zkratům mezi póly baterie.

Modul TP4056 je napájen z portu micro USB a je určen k nabíjení dobíjecích lithiových baterií metodou nabíjení konstantním proudem / konstantním napětím (CC / CV). Kromě bezpečného nabíjení lithiové baterie modul také poskytuje nezbytnou ochranu vyžadovanou lithiovými bateriemi.

SX1308 je vysoce účinný nastavitelný převodník DC/DC, který udržuje výstupní napětí konstantní na +5 V s minimálním vstupním napětím 3 V, což umožňuje úplné využití kapacity baterie. Před připojením obvodu mikrokontroléru upravte výstupní napětí trimrem na +5V!

Celková spotřeba Data Loggeru se pohybuje kolem 20mA, takže i použitá baterie se zbytkovou kapacitou 200mAh (<20% počáteční kapacity nové baterie telefonu) umožní 10 hodin záznamu. Jedinou nevýhodou je, že klidový proud SX1308 je kolem 2 mA, takže baterii odpojte, pokud nebudete delší dobu používat záznamník dat.

Vzhledem k malým rozměrům je třeba oba moduly upevnit pomocí spojovacích otvorů pro elektrické i mechanické spojení s prototypovací deskou pomocí krátkých kusů měděného drátu. Deska je zase připevněna k základně skříně šroubem 3 mm x 15 mm (délka je dostatečná k upevnění obvodu mikrokontroléru výše stejným šroubem). Deska je hostitelem 2mm konektoru JST pro baterii (k dispozici pouze ve verzi SMD, ale skládání kolíků svisle můžete „otočit“ve verzi PTH) a všechna zapojení podle schémat. Pro jistotu jsem na desku nalepil tělo konektoru a dosáhl dobrého mechanického utěsnění.

Baterie je umístěna naplocho ve zbývající oblasti dna pouzdra a za ní je druhý šroub 3 mm x 15 mm se svislou rozpěrkou 8 mm, aby se zabránilo kontaktům mezi horní částí baterie (která je každopádně izolovaná) a spodní částí horní okruh.

Krok 3: Přijímač HR a záznamník dat - schémata, díly a montáž

Hlavní deska se skládá z:

• Prototypovací deska 40 mm x 120 mm
• Indukčnost 39mH, použil jsem BOURNS RLB0913-393K
• 2 x kondenzátor 22nF
• Kondenzátor 4,7nF
• Kondenzátor 47nF
• Kondenzátor 39 pF
• Elektolytický kondenzátor 10uF/25V
• Elektrolytický kondenzátor 1uF/50V
• 3 x rezistor 10K
• 2 x rezistor 100K
• 3 x rezistor 1K
• 4 x odpor 220R
• Rezistor 1M
• Rezistor 47K
• Rezistor 22K
• Trimpot 50 tis
• Dioda 1N4148
• LED 3mm modrá
• 2 x LED 3mm zelená
• LED 3 mm žlutá
• LED 3mm červená
• Duální nízkošumové operační zesilovače se vstupem JFET TL072P
• Šestihranné invertování Schmitt Trrigger 74HC14
• Konektor JST 2,54 mm 2 pin, jako tento
• 2 x mikrospínače, typ Alcoswitch
• Mikrokontrolér Arduino Pro Mini, 16MHz 5V
• Modul karty Micro SD SPI 5V od DFRobots

Rezonanční frekvence paralelní rezonanční nádrže složené z L1 a C1 je kolem 5,4 kHz, což odpovídá dostatečně blízko 5,3 kHz nosiče magnetického pole vysílaného signálu, aby jej převedl na napětí. Pamatujte, že ve většině případů je nosič modulován na základě jednoduchého formátu OOK (On-OFF Keying), kde každý srdeční puls přepne nosič na „ZAPNUTO“na přibližně 10 ms. Detekovaný signál je velmi slabý (typicky sinusová vlna 1 mV ve vzdálenosti 60–80 cm od zdroje, za předpokladu, že osa indukčnosti je správně zarovnána s magnetickým polem), a proto je třeba jej pečlivě zesílit, aby nedocházelo k interferencím a falešným detekce. Navrhovaný obvod je výsledkem mého nejlepšího úsilí a hodin testování v různých podmínkách. Pokud máte zájem tento aspekt prohloubit - a možná ho zlepšit - podívejte se na další krok, jinak jej můžete přeskočit.

Následující brány Schmitt Trigger provádějí funkci digitalizace a detekce špiček a obnovují původní modulační signál, který je předáván do Arduino Pro Mini.

Mikrokontrolér Pro Pro je pro tento projekt ideální, protože krystal na palubě umožňuje vysokou přesnost měření (které jsou z „lékařského“hlediska zásadní, viz poslední krok), a zároveň je prostý jakéhokoli jiného nepotřebné zařízení, což má za následek nízkou spotřebu energie. Jedinou nevýhodou je, že k načtení kódu budete potřebovat rozhraní FTDI pro připojení Pro Mini k USB portu vašeho počítače. Pro Mini je připojen k:

• Přepínač S1: spusťte nahrávání
• Přepínač S2: vložte značku
• Modrá LED: bliká, když je detekován platný puls
• Zelená LED: Nahrávání zahájeno
• Žlutá LED: značka vložena (krátké blikání) / časový limit (pevný)
• Modul karty MicroSD (přes sběrnici SPI)

Na rozdíl od mnoha modulů karet SD, které pracují na 3,3 V, modul DFRobot pracuje na 5 V, takže není třeba řadič úrovně.

Pokud jde o sestavu, můžete si všimnout, že jsem prototypovou desku rozdělil na dva kusy spojené dvěma malými „můstky“tuhého 1mm měděného drátu. To bylo nutné, aby byl modul karty MicroSD povýšen na třetí „konstrukční úroveň“a zarovnán s vybráním, které jsem vyřezal do pouzdra, těsně nad štěrbinou pro port USB. Dále jsem na desce vyřezal tři prohlubně, jedno pro přístup k potenciometru převodníku DC/DC, druhé pro přístup ke konektoru sériové sběrnice Arduino Pro Mini (namontováno „lícem dolů“) a třetí pro indukčnost.

Krok 4: Přijímač HR - Simulace koření

Počínaje návrhem Petera Borsta, o kterém jsem se již zmínil, bylo mým cílem pokusit se co nejvíce rozšířit rozsah detekce a současně omezit citlivost na interference a generování falešných impulsů.

Rozhodl jsem se změnit původní jediné řešení Op-Amp, protože se ukázalo, že je příliš citlivé na interference, pravděpodobně proto, že hodnota 10M zpětnovazebního odporu je příliš vysoká, a rozdělit celkový zisk ve dvou fázích.

Oba stupně mají DC zisk G = 100, klesající kolem 70 @5,4KHz, ale s různou vstupní impedancí pro optimalizaci citlivosti.

Předpokládejme tedy, že napětí nejslabšího signálu generovaného LC nádrží je 1mV.

Pokud transponujeme celý přijímací obvod v prostředí Spice (používám ADIsimPE) nahrazením paralelního obvodu LC sinusovým generátorem se stejným napětím a frekvencí (5,4 kHz) a spustíme simulaci, všimneme si, že výstupní napětí V1 od 1. zesilovač je stále sinusový (vzhledem k faktoru měřítka není vstupní sinusoida znatelná), zesilovač pracuje v lineární zóně. Ale po druhém stupni výstupní napětí V2 ukazuje, že nyní dosahujeme saturace (Vhigh = Vcc-1,5V / Vlow = 1,5V). Ve skutečnosti řada TL07x není navržena pro rozsah výstupů kolejnice na železnici, ale to stačí k bezpečnému překročení obou mezních úrovní prahové hodnoty brány Schmitt Trigger a generování čisté čtvercové vlny (V3).

Krok 5: Software

Vzhledem k vysokému zisku přijímacího stupně a navzdory špičkovému detektorovému stupni, který v zásadě funguje jako dolní propust, může být vstupní signál na pinu D3 Arduino Pro Mini stále silně narušen a je třeba jej digitálně předzpracovat pomocí kontrola platnosti proti falešným zjištěním. Kód zajišťuje, že jsou splněny dvě podmínky, aby byl puls považován za platný:

1. Pulz musí trvat alespoň 5 ms
2. Minimální přijatelný interval mezi dvěma po sobě následujícími pulzy je 100 ms (což odpovídá 600 tepům za minutu, daleko za hranicí závažné tachykardie!)

Jakmile je impuls validován, měří se interval (v ms) od předchozího a uloží se na SD kartu do souboru „datalog.txt“spolu s časovým razítkem ve formátu hh: mm: ss, kde 00:00: 00 představuje čas posledního resetu mikrokontroléru. Pokud karta SD chybí, rozsvítí se červená LED dioda indikující chybu.

Novou stopu záznamu lze spustit/zastavit přepínačem Start/Stop S1 a bude označena čárou značky "; Start" a "; Stop" na začátku a na konci textového souboru.

Není -li po dobu delší než 2400 ms (25 tepů za minutu) detekován žádný puls, umístí se do souboru značkovací řádek „; Timeout“a rozsvítí se žlutá LED D4.

Pokud během záznamu stisknete přepínač značek S2, do souboru se zapíše další značkovací řádek ve formátu „; MarkerNumber“s automatickým přírůstkem čísla značky od 0 a žlutá LED krátce bliká.

Připojen kompletní kód Arduino.

Krok 6: Počáteční nastavení a testování

Krok 7: Použití - analýza lékařského signálu

Forma pouzdra, kterou jsem použil, je dostatečně blízká té ze smartphonu, takže na trhu najdete spoustu příslušenství k nošení nebo k upevnění na cvičební zařízení. Zejména pro kolo mohu doporučit univerzální držák na smartphone s názvem „Finn“, který vyrábí rakouská společnost Bike Citizens. Je levný (15,00 EUR) a snadno se montuje, je opravdu univerzální a jak vidíte na obrázku, ideální také pro Cardio Data Logger

Nejjednodušší způsob použití nezpracovaných dat zaznamenaných zařízením Data Logger je jejich vykreslení do grafu pomocí standardních programů pro PC (např. Excel). Porovnáním grafů získaných opakováním stejného cvičení nebo analýzou korelace mezi změnami HR a fyzickou námahou můžete optimalizovat dávkování sil během aktivity.

Ale největší zájem je o studium HR, a zejména HR Variablity (HRV), pro lékařské účely. Na rozdíl od EKG stopy, HR stopa neobsahuje přímé informace o fungování srdečního svalu. Jeho analýza ze statického hlediska však umožňuje získat další informace klinického zájmu.

Nejkomplexnějším zdrojem znalostí o HRV je finská společnost KUBIOS. Na jejich stránkách najdete spoustu informací o biomedicínských signálech a můžete si stáhnout „KUBIOS HRV Standard“, bezplatný software pro analýzu variability srdeční frekvence pro nekomerční výzkum a osobní použití. Tento nástroj vám umožňuje nejen vykreslit grafy z jednoduchého textového souboru (musíte odstranit časová razítka), ale také provádět statistické a matematické vyhodnocení (včetně FFT) a vytvářet neuvěřitelně podrobnou a hodnotnou zprávu, jako je ta níže připojená.

Pamatujte, že pouze specializovaný lékař je schopen rozhodnout, jaké zkoušky jsou potřebné pro sportovní praxi na jakékoli úrovni, a posoudit jejich výsledky.

Tento Instructable byl napsán s jediným záměrem vzbudit zájem a zábavu při používání elektroniky ve zdravotnictví.

Doufám, že jste si to užili, komentáře jsou vítány!