MATIMI - övervakning och hjälpmedel teknik för personer med rörelsehinder (1 / 2 steg)

Steg 1: 1. Hårdvarudesign

Pic1. Alla komponenter är monterade i en aluminium hårda-box, för enklare förvaring, transport och installation.

Pic2. Den huvudsakliga delen av projektet är Digilent's Zybo ombord, en Xilinx Zynq XC7Z010 FPGA - powered styrelse med flera kringutrustning. Detta ger den centrala data manipulationen av hela projektet, och användes på grund av dess särskilda FPGA-ARM arkitekturen kombination (se tillverkarens hemsida). En USB-kabel är permanent monterad för enklare anslutning till en PC för felsökning. Alla PMOD (GPIO) anslutningar användes, inklusive XADC (Xilinx analog-digital-omvandlare) ingångar. De andra tillgängliga gränssnitten kan användas för framtida ändamål.

Pic3, 4, 5. Den nästa största delen är det EEG/EMG förstärkning och analog-digital konvertering. Som mål signaler är av mycket låg amplitud (i ordning på tiotals, hundratals nV) och frekvens (0 ~ 60Hz. 70 ~ 100Hz respektive), församlingen är monterad i ett separat, skärmad, att minska yttre störningar. Ingående scenen (ingång skydd, signal amplifiering, låg - och hög-pass analoga filtrering), power förordning, sip-and-puff trycksensor signalerar förstärkning läggs alla införlivas på ett enda PCB som ritades manuellt, tillverkas och monteras (som påpekas av de icke-belagd koppar spår), även optocoupled digitalt gränssnitt till FPGA styrelsen, för användarskydd från farliga spänningar. Strömförsörjningen är tillgänglig från en förpackning med batterier, isolerad från resten av förnödenheter, för ännu mer skydd. A/D-konvertering sker med hjälp av en off-the-shelf Texas instrument ADS1278 utvärdering modul, ur dess 8 kanaler endast 5 används - två EEGEN, två EMG och en sip-and-puff. Denna del av projektet är fortfarande i arbete, eftersom det krävs mer komplex signal anskaffning och behandling (svårigheter inklusive signal sonder och kablar som kan ses på femte bilden).

Pic6. Ovanpå rutan EEG/EMG en anslutning låda monterades, för att möjliggöra enklare gränssnitt med de viktigaste strömförsörjningen (AC main line 10, 5V nätadapter, eller "power tegel"), och också till:

en) Contec CMS50E Pulse Oximeter (för puls räkningen och blod syremättnad),

b) Maxim integrerade (Dallas Semiconductor) DS18B20 digital termometer (för kroppen temperaturmätning, det förs in under användarens armhåla).

Pic7, 8. Blodtrycket mäts med hjälp av en standard konsument-nivå enhet (Beurer BM58) som var omvända-engineered och ändras (se åtta bild) så att mätningen kan startas externt, och de uppmätta resultaten vara överfört till Zybo via ett digitalt gränssnitt. Som ett resultat, måste 5 digitala signaler vara set/läsa av moderkortet, med gränssnittet att SPI, där mätaren fungerar som en mästare.

Pic9. Nästa, trådlösa gränssnittet modulerna monteras bredvid varandra. Dessa inkluderar:

en) SimComm SIM800l, för funktionen Skicka och ta emot SMS. Genom det kan meddelanden signalerar att vissa parametrar som mäts är fastställda tröskelvärden skickas till ett förinställt nummer (dvs. handledarens). Det kan också skicka de aktuella värden, på begäran av avsändaren (begäran mottog också via SMS, med hjälp av ett nyckelord).

b) Espressif ESP8266, ställa som en WiFi-åtkomstpunkt, för trådlös dubbelriktad överföring av data, som beskrivs i projektet intro.

c) Digilent BT2 (mikrochip RN42), som uppfyller anslutningen till en Sony Ericsson MN800 Liveview smartwatch, som noterat tidigare. För Bluetooth-profilen krävs är den mest triviala en, SPP, som är närvarande också på andra billigare Bluetooth-till-seriell moduler (t ex HC-05, HC-06), men de saknar vissa maskinvarufunktioner som att RN42 har (extern återställning och anslutning status signaler).

d) generiska Bluetooth HID modul. Som alltid, där det finns äkta finns kinesiska generiska kloner. Här används på grund av sin HID-profil, vilket gör att FPGA styrelsen att styra någon HID-kompatibla enheter (PC, smartphone) via HID-kompatibel kommandon, således simulering ett Bluetooth-tangentbord.

Pic10. Den nästa komponenten är en Dallas DS1037 RTC modul, som används för att ange tid och datum på Liveview smartwatch, på grund av att smartwatch tidsangivning återställs efter varje makt cykel, och rätt tid krävs för stabil användning. Modulen innehåller också ett mikrochip 24C 32 EEPROM chip, till vilket alla set trösklarna för alla uppmätta parametrar lagras och läsa från, så att det finns ingen anledning för att åter ställa dem efter varje FPGA makt-cykel.

Pic11. Under RTC är board en Melexis MLX90614 IR (infraröd) temperatursensor. Detta gör beröringsfri mätning, och användes för att upptäcka höga temperaturer (troligen på grund av bränder). Det är alltså monterad sensor möter (för att mäta temperaturen ovan, som i en brand värmen stiger upp, så upptäcks tidigt). Chipet mäter också dess fall temperatur, som används som en lokal (rumstemperatur) mätning.

Pic12. Bredvid IR är termometer en hemmagjord Summer ombord, som signalerar påminnelser skickas av Zybo styrelse.

Den större styrelsen till höger är en Pollin Geiger-Muller Zahler (Geiger-Muller counter), som tillåter mätning av omgivande gammastrålning. Som utdata är en puls för varje joniserande tube puls, pulserar räknas för varje minut och översatt till procentvärde av doseringen som maximal tillåten strålning (1uSv per år).

Pic13. Ovanför räknaren strålning, tre gas och damm finns sensorer. De består av Hanwei elektronik MQ-8 (H2 koncentration), MQ-9 (CO2-koncentration) och MQ135 (farliga gaser koncentration), och också en kraftig GP2Y1010AU0F för mätning av koncentrationen av damm i luften. Eftersom alla dessa sensorn fungerar på en spänning på 5V och output mätningen som en analog värde 0 till 5V, gjordes ett motstånd Spänningsavdelare styrelsen att Gränssnittets utgångar till FPGA styrelsens analog-digital-omvandlare (XADC) ingångar, som fungerar på ett utbud av 0 till 1V.

Pic14. För att möjliggöra kontroll av externa enheter, gjordes en styrelse som gör optocoupled-gränssnitt till två analoga servon och två SPDT reläer som kan kopplas till olika enheter (motoriserad säng, belysning, etc.).

Pic15, 16. Slutligen, för att stödja alla nämnda moduler, tre power regulatorer används till makten: a) FPGA ombord med den krävs 5V, 1.5a, b) SIM800l GSM modulen med en icke-standard spänning på 4.0V, på 2A, c) i ESP8266, Bluetooth HID klon, RTC, IR termometer, och gas sensorer moduler med 5V, med en total ström på ca 1.5a. 2. programvara för nästan alla genomförs på FPGA med hårdkodade VHDL, med alla nödvändiga gränssnitt (UART, SPI, One-Wire, I2C) och enheter logik gjort manuellt (med några bibliotek eller IPs). Den enda del som genomförs på ARM kärnhusen() är EEG/EMG behandling (digital filtrering, DFFT).