Arduino/Příklady využití

V tomto článku naleznete příklady různých projektů, které využívají platformy Arduino.

Sada pro monitor životních funkcí

V předpřipravené sadě naleznete:

• Arduino UNO/Leonardo
• USB Kabel
• Nepájivé pole
• Sadu kabelů
• Modul EKG
• Kabel pro připojení elektrod (samotné nalepovací elektrody pak k dostání)
• Modul saturace krve
• Modul pro snímání tlaku
• Bzučák
• 100 Ohm rezistor

Modul EKG

Výstup z modulu EKG je tzv. analogový. To znamená, že hodnota napětí z výstupu se mění na základě měřené veličiny. Přesné zapojení v modulu EKG zjistíme v jeho datasheetu. Proto pin output připojíme na analogový vstupní pin Arduina značený A0. U analogových pinů pak ohledně snímaného rozlišení záleží na Analog to Digotal Converteru (X bitový).

Napětí zapojíme na 3,3V zdroje na Arduinu. Spojíme GND se zemí. LO- a LO+ zapojíme do digitálních vstupů D11 a D10. LO- detekuje jako HIGH (tj. 1 resp +), když je odpojena elektroda pravé ruky. LO+ zas u levé ruky. SDN pin necháme nepřipojený, ten kontroluje přepínání stavu napájení. Nakonec zapojíme do jack konektoru kabel pro připojení elktrod.

Bzučák

Bzučák zapojíme kladným pólem do PWM výstupu. PWM znamená Pulse-width modulation a je to způsob, jak u digitálního pinu, který normálně je nastaven binárně na výstp hodnot + nebo -, nastavit určité rozpětí hodnot ale pomocí tohoto dvojhodnotového signálu. Resp. chceme docílit efektu signálu analogového pomocí digitálního tak, že generujeme pulz, u kterého měníme poměr času, kdy je signál + nebo -. Jedná se o obdélníkový signál a modifikaci tzv. střídy. Dokážeme tedy pak u bzučáku programovat vysílané tóny. Digitální piny, které pulzně šířkovou modulaci umožňují, jsou na Arduinu značeny pomocí "~". Proto pozitivní pól bzučáku zapojíme přes 100 Ohm rezistor do pinu D9 a negativní k zemi (GND).

Modul saturace krve

Pro připojení modulu pro měření saturace krve použijeme ještě další metodu. Na modulu nám měření zajišťuje senzor MAX30102, ten využívá komunikaci prostřednictvím sběrnice I2C. Jedná se o sériovou sběrnici - využívá 2 piny pro přenos informací. Zde jsou to piny SDA a SCL. Výhodou této sběrnice je, že k ní můžete připojit velké množství I2C součástek k pořád stejným pinům. Jejich odlišnost se pak řeší v programu, kdy se u nich odlišují adresy. K modulu tedy připojíme napájení a piny SDA do SDA na Arduinu. Rovněž zapojíme i SCL do SCL na Arduinu.

Další používané sběrnice jsou UART a SPI. Sběrnice UART je opět sériová. Užívá se zde 2 pinů pro komunikace RX a TX. Pin RX pro příjem a TX pro odesílání. Proto bychom u druhého zařízení připojili RX do TX a TX do RX - naopad. Odeslaná data se přijímají pinem pro příjem a naopak. Proto jsou ale vždy zařízení vázaná pouze na tyto dva piny a není možné do jedné dvojice UART připojit více zařízení jak 1. Sběrnice SPI využívá 4 piny. Dva obdobně jako UART se nazívají MISO (Master In Slave Out) a MOSI (Master Out Slave In). Ty se zapojí u zařízení opačně MISO do MOSI a MOSI do MISO. Dále je zde zapotřebí zapojit pin CLK. Čtvrtý pin zde plní funkci "adres" pro rozlišování různých komponent podobně tedy jako u I2C zde můžeme připojit více komonent k jedněm SPI pinům na desce Arduino. Ovšem každému komponentu přiřazujeme konkrétní fyzický pin pro výběr senzoru, takže jsme zde omezeni počtem pinů.

Kompletní obvod

Zapojením všech součástek najednou do nepájivého pole nám vznikne finální obvod.

Schéma obvodu Schéma obvodu z programu fritzing Zapojený obvod Modul pro EKG Nalepte elektrody dle příslušného obrázku. Pozor! Nalepení elektrod Ukázka špatného barevného značení - zelená místo černé elektrody pro zem Schéma umístění elektrod "klasického" 12svodového EKG Kód pro měření EKG Kód pro EKG void setup() { Serial.begin(115200); // initialize the serial communication pinMode(10, INPUT); // Setup for leads off detection LO + pinMode(11, INPUT); // Setup for leads off detection LO - } void loop() { if((digitalRead(10) == 1)||(digitalRead(11) == 1)){ Serial.println('!'); } else{ Serial.println(analogRead(A0)); // send the value of analog input 0 } delay(10); //Wait for a bit to keep serial data from saturating } Kód pro fitrovaní dat ze senzoru EKG Kód pro EKG s filtrem #define SAMPLE_RATE 125 #define BAUD_RATE 115200 #define INPUT_PIN A0 #define BUZZER_PIN 9 void setup() { Serial.begin(BAUD_RATE); // Serial connection begin pinMode(BUZZER_PIN, OUTPUT); // Set buzzer - pin 9 as an output } void loop() { // Calculate elapsed time static unsigned long past = 0; unsigned long present = micros(); unsigned long interval = present - past; past = present; // Run timer static long timer = 0; timer -= interval; // Sample if(timer < 0){ timer += 1000000 / SAMPLE_RATE; float sensor_value = analogRead(INPUT_PIN); float signal = ECGFilter(sensor_value); Serial.println(signal); if(signal >= 150){ tone(BUZZER_PIN, 1000); // Send 1KHz sound signal... delay(10); noTone(BUZZER_PIN); // Stop sound... } } } // Band-Pass Butterworth IIR digital filter, generated using filter_gen.py. // Sampling rate: 125.0 Hz, frequency: [0.5, 44.5] Hz. // Filter is order 4, implemented as second-order sections (biquads). float ECGFilter(float input) { float output = input; { static float z1, z2; // filter section state float x = output - 0.70682283*z1 - 0.15621030*z2; output = 0.28064917*x + 0.56129834*z1 + 0.28064917*z2; z2 = z1; z1 = x; } { static float z1, z2; // filter section state float x = output - 0.95028224*z1 - 0.54073140*z2; output = 1.00000000*x + 2.00000000*z1 + 1.00000000*z2; z2 = z1; z1 = x; } { static float z1, z2; // filter section state float x = output - -1.95360385*z1 - 0.95423412*z2; output = 1.00000000*x + -2.00000000*z1 + 1.00000000*z2; z2 = z1; z1 = x; } { static float z1, z2; // filter section state float x = output - -1.98048558*z1 - 0.98111344*z2; output = 1.00000000*x + -2.00000000*z1 + 1.00000000*z2; z2 = z1; z1 = x; } return output; } Senzor MAX30102 Měření SpO2 Pro měření senzorem MAX30102 stačí na něj přitisknout ukazováček. Vzorový kód pro čtení SpO2 k knihovny senzorů rodiny MAX3010x #include <Wire.h> #include "MAX30105.h" #include "spo2_algorithm.h" MAX30105 particleSensor; #define BAUD_RATE 115200 #define MAX_BRIGHTNESS 255 #if defined(__AVR_ATmega328P__) || defined(__AVR_ATmega168__) //Arduino Uno doesn't have enough SRAM to store 100 samples of IR led data and red led data in 32-bit format //To solve this problem, 16-bit MSB of the sampled data will be truncated. Samples become 16-bit data. uint16_t irBuffer[100]; //infrared LED sensor data uint16_t redBuffer[100]; //red LED sensor data #else uint32_t irBuffer[100]; //infrared LED sensor data uint32_t redBuffer[100]; //red LED sensor data #endif int32_t bufferLength; //data length int32_t spo2; //SPO2 value int8_t validSPO2; //indicator to show if the SPO2 calculation is valid int32_t heartRate; //heart rate value int8_t validHeartRate; //indicator to show if the heart rate calculation is valid byte pulseLED = 11; //Must be on PWM pin byte readLED = 13; //Blinks with each data read void setup() { Serial.begin(BAUD_RATE); // initialize serial communication at 115200 bits per second: pinMode(pulseLED, OUTPUT); pinMode(readLED, OUTPUT); // Initialize sensor if (!particleSensor.begin(Wire, I2C_SPEED_FAST)) //Use default I2C port, 400kHz speed { Serial.println(F("MAX30105 was not found. Please check wiring/power.")); while (1); } Serial.println(F("Attach sensor to finger with rubber band. Press any key to start conversion")); while (Serial.available() == 0) ; //wait until user presses a key Serial.read(); byte ledBrightness = 60; //Options: 0=Off to 255=50mA byte sampleAverage = 4; //Options: 1, 2, 4, 8, 16, 32 byte ledMode = 2; //Options: 1 = Red only, 2 = Red + IR, 3 = Red + IR + Green byte sampleRate = 100; //Options: 50, 100, 200, 400, 800, 1000, 1600, 3200 int pulseWidth = 411; //Options: 69, 118, 215, 411 int adcRange = 4096; //Options: 2048, 4096, 8192, 16384 particleSensor.setup(ledBrightness, sampleAverage, ledMode, sampleRate, pulseWidth, adcRange); //Configure sensor with these settings } void loop() { bufferLength = 100; //buffer length of 100 stores 4 seconds of samples running at 25sps //read the first 100 samples, and determine the signal range for (byte i = 0 ; i < bufferLength ; i++) { while (particleSensor.available() == false) //do we have new data? particleSensor.check(); //Check the sensor for new data redBuffer[i] = particleSensor.getRed(); irBuffer[i] = particleSensor.getIR(); particleSensor.nextSample(); //We're finished with this sample so move to next sample Serial.print(F("red=")); Serial.print(redBuffer[i], DEC); Serial.print(F(", ir=")); Serial.println(irBuffer[i], DEC); } //calculate heart rate and SpO2 after first 100 samples (first 4 seconds of samples) maxim_heart_rate_and_oxygen_saturation(irBuffer, bufferLength, redBuffer, &spo2, &validSPO2, &heartRate, &validHeartRate); //Continuously taking samples from MAX30102. Heart rate and SpO2 are calculated every 1 second while (1) { //dumping the first 25 sets of samples in the memory and shift the last 75 sets of samples to the top for (byte i = 25; i < 100; i++) { redBuffer[i - 25] = redBuffer[i]; irBuffer[i - 25] = irBuffer[i]; } //take 25 sets of samples before calculating the heart rate. for (byte i = 75; i < 100; i++) { while (particleSensor.available() == false) //do we have new data? particleSensor.check(); //Check the sensor for new data digitalWrite(readLED, !digitalRead(readLED)); //Blink onboard LED with every data read redBuffer[i] = particleSensor.getRed(); irBuffer[i] = particleSensor.getIR(); particleSensor.nextSample(); //We're finished with this sample so move to next sample //send samples and calculation result to terminal program through UART Serial.print(F("red=")); Serial.print(redBuffer[i], DEC); Serial.print(F(", ir=")); Serial.print(irBuffer[i], DEC); Serial.print(F(", HR=")); Serial.print(heartRate, DEC); Serial.print(F(", HRvalid=")); Serial.print(validHeartRate, DEC); Serial.print(F(", SPO2=")); Serial.print(spo2, DEC); Serial.print(F(", SPO2Valid=")); Serial.println(validSPO2, DEC); } //After gathering 25 new samples recalculate HR and SP02 maxim_heart_rate_and_oxygen_saturation(irBuffer, bufferLength, redBuffer, &spo2, &validSPO2, &heartRate, &validHeartRate); } } Další příklady programů BPM z MAX30102 Teplota z MAX30102 Zdroje Projekt na GitHubu