EN
PL
Jak stworzyć SMARTWATCH?
Odpowiedź na to pytanie zna inż. Łukasz Matuszek z Wydziału Elektroniki WAT. Samodzielnie zaprojektował, zbudował i wydrukował, a także zaprogramował miniaturowy system do monitorowania parametrów życiowych człowieka, czyli smartwatch. Jakie funkcje i podzespoły ma to rozwiązanie? Zapraszamy do przeczytania artykułu i poznania #młodegoinnoWATora.
Student Wojskowej Akademii Technicznej, w ramach pracy inżynierskiej, stworzył gotowe, działające urządzenie. Oprócz podstawowej funkcji, czyli wyświetlania godziny, mierzy ono również puls, saturację, aktywność ruchową czy temperaturę ciała. „Moim celem było zaprojektowanie małego i kompaktowego smartwatcha. Chciałem, aby był ergonomiczny oraz estetyczny. Zależało mi, aby było to użytkowe rozwiązanie, a nie tylko prototyp” – tłumaczy #młodyinnoWATor.
Twórca inteligentnego zegarka studiuje mikroelektronikę (studia magisterskie). Rozwija swoje zainteresowania z zakresu projektowania płytek i układów elektronicznych oraz testowania takich urządzeń. „Przygodę z elektroniką zacząłem od budowania dronów. Na początku były to czysto modelarskie projekty. Z czasem jednak chciałem się dowiedzieć więcej. Informacje znalezione w internecie już nie wystarczały, dlatego zacząłem naukę w technikum elektronicznym. To tylko pobudziło moją pasję oraz głód wiedzy, dlatego wybrałem Wojskową Akademię Techniczną. Studiowanie tutaj daje mi wiele satysfakcji – nigdy nie było łatwo i trzeba się dużo uczyć, ale widać tego efekty” – opowiada Łukasz.
Promotor inż. Matuszka, dr Dominik Sondej tłumaczy, że „niedawna pandemia COVID-19 spowodowała wzrost zainteresowania ciągłą kontrolą parametrów życiowych, ponieważ wczesne wykrycie nieprawidłowości zwiększa prawdopodobieństwo szybkiego wyzdrowienia w przypadku zaistnienia choroby. Wobec tego temat monitorowania funkcji organizmu jest ważny i aktualny. Zagadnienie głównie wpisuje się w dziedzinę elektroniki, niemniej porusza również ważne wątki z zakresu medycyny i mechaniki. Sprzęt wymagał opracowania schematów elektronicznych obwodów pozyskiwania, kondycjonowania i przetwarzania sygnałów biomedycznych. Jednak, aby poprawnie opracować te obwody, konieczne było poznanie charakteru sygnałów i metod ich analizy, co można zaliczyć do dziedziny medycyny. Z kolei opracowanie specjalnej obudowy jest powiązane z dziedziną mechaniki. Koncepcja realizacji pracy została bardzo dobrze opracowana”. Opiekun #młodegoinnoWATora docenia zaangażowanie i opowiada, że „Łukasz podszedł do tematu bardzo odpowiedzialnie. Rozpoczął realizację rok przed planowanym terminem obrony. Dzięki temu projekt i praca dyplomowa zostały wykonane dużo wcześniej, co – z uwagi na dużą złożoność projektu – zasługuje na uznanie”. Zdaniem promotora podjęty temat pracy należy do trudnych, jednak dzięki dużemu zaangażowaniu inż. Matuszka i sumiennym wykonywaniu zadań został zrealizowany w stopniu wyróżniającym się.
Tworzenie samego projektu zajęło #młodemuinnoWATorowi ponad 6 miesięcy. Założył, że urządzenie ma być niezależne od telefonu czy komputera, a także estetyczne. „Z tego powodu zastosowałem wyświetlacz IPS o rozdzielczości 240 na 240 pikseli. Dzięki wymiarom ekranu mogłem zaprojektować obudowę z bardzo małą ramką w stosunku do samego wyświetlacza” – tłumaczy twórca. „Największym wyzwaniem było jednak wyjście ze strefy komfortu. Zaczęło się od tego, że musiałem odrzucić mikrokontroler oraz płytkę dwuwarstwową, których do tej pory używałem w swoich projektach. Ograniczone możliwości tych elementów zmusiły mnie jednak do wybrania innych rozwiązań, czyli mikrokontrolera ESP32 oraz płytki czterowarstwowej. Dzięki programom udostępnianym studentom w Wojskowej Akademii Technicznej sam zaprojektowałem płytkę i zamówiłem ją u dostawcy. Co prawda czas oczekiwania był długi, a cena dość wygórowana, jednak bardziej zaawansowana technologia poszerzyła możliwości, np. mogłem zamontować antenę Bluetooth czy WiFi do komunikacji z innymi urządzeniami”.
#młodyinnoWATor w swoim projekcie zainstalował dwa pulsoksymetry. Jeden był mniej dokładny, ale łatwy w instalacji i programowaniu. Twórca rozwiązania wybrał go jako bezpieczną opcję. Drugi pulsoksymetr był bardziej zaawansowany, ale bardzo trudny w implementacji, szczególnie że w internecie jest niewiele informacji na temat jego programowania oraz łatwo dostępnej dokumentacji technicznej. „Dużo samozaparcia i kolejne próby się opłaciły. Układ w końcu zadziałał, z czego jestem bardzo dumny” – podsumowuje inż. Matuszek. Kolejnym zaimplementowanym układem jest akcelerometr, który pozwala liczyć kroki, spalone kalorie czy dystans. Bardzo ciekawym i rzadkim w podobnych urządzeniach rozwiązaniem jest zastosowanie układu pomiaru temperatury. Szczególnie że student do oryginalnego cyfrowego termometru dodał miedzianą płytkę, aby poprawić odbiór ciepła z nadgarstka. Termometr pozwala na monitorowanie zmian temperatury w cyklu dobowym. #młodyinnoWATor w zegarku zainstalował również barometr oraz kompas, które już wkrótce zostaną odpowiednio zaprogramowane.
„Warto zaznaczyć, że Łukasz jeszcze przed przystąpieniem do pracy wykonał analizę stanu wiedzy na temat pomiaru parametrów życiowych oraz mobilnych systemów pomiarowych. Na podstawie analizy wyznaczył on parametry życiowe, których techniki pomiarowe mogą zostać zaimplementowane w małym mobilnym urządzeniu, takim jak smartwatch. Następnie przystąpił do wykonania projektu inżynierskiego obejmującego: wykonanie schematów elektronicznych urządzenia, sporządzenie projektów PCB, montaż elementów elektronicznych, opracowanie algorytmów przetwarzania sygnałów biomedycznych i estetycznej prezentacji wyników na wyświetlaczu LCD. Na wyróżnienie zasługują wykonane badania testowe, w których inż. Matuszek zweryfikował poprawność mierzonych parametrów poprzez porównanie ich do wyników z referencyjnych urządzeń medycznych” – opowiada promotor #młodegoinnoWATora.
W urządzeniu zastosowano układy takie jak konwerter USB/UART – służący do komunikacji z komputerem – oraz układ ładowania akumulatora, a także, co bardzo ważne, układy zabezpieczające przed wyładowaniem elektrostatycznym zarówno w gnieździe USB, jak i w tym zasilającym opaskę.
Ważnym – i co trzeba podkreślić – autorskim elementem smartwatcha jest oprogramowanie. Część użytych bibliotek to darmowe moduły na licencji open source odpowiednio przepisane na potrzeby projektu. Jednak większość, tak jak biblioteki pod pulsoksymetr, została napisana przez studenta samodzielnie, od zera. „Programowanie nie jest moją ulubioną czynnością, ale jest nieodłączną częścią elektroniki. Jestem samoukiem w tej kwestii, ale studia w WAT uporządkowały i poszerzyły moją wiedzę. Podczas zajęć poznawaliśmy płytki rozwojowe z modułami, sprawdzaliśmy ich działanie, a także programowaliśmy je. Dało mi to bardzo dużo i połączyło wcześniejszą praktykę z teorią” – opowiada #młodyinnoWATor. Zaprogramowana platforma urządzenia zawiera system profilowy, który uwzględnia parametry takie jak wiek, płeć, kondycja, wzrost i waga. Pozwala to na wyświetlanie parametrów organizmu i monitorowanie aktywności fizycznej, pulsu, saturacji krwi czy temperatury ciała.
„Wisienką na torcie tego projektu jest obudowa zegarka. Wydrukowałem ją na prostej i popularnej drukarce 3D, która wytwarza trójwymiarowe obiekty w technice Fused Deposition Modelling, czyli w skrócie FDM. Upraszczając, proces opiera się na przetwarzaniu termoplastycznego materiału, tzw. filamentu, właśnie za pomocą drukarki 3D” – tłumaczy inż. Matuszek. „Drukarkę zmodyfikowałem mechanicznie, aby mogła działać z dyszami o mniejszej średnicy, co poprawiło rozdzielczość, a zarazem jakość i dokładność wydruku. Było to bardzo istotne, gdyż wiele wytworzonych części musiało pasować idealnie, np. trzy przyciski funkcyjne. Zegarek zachował zakładane wymiary, a jakość i precyzja wykonania pozwalają na wielokrotny montaż i demontaż obudowy, nawet w przypadku częstych modyfikacji”.
Projekt #młodegoinnoWATora jest gotowy i działa według założeń twórcy. Dzięki kompaktowym wymiarom świetnie sprawdzi się w codziennym życiu. „Praca inżynierska była po pierwsze wyzwaniem, a po drugie sprawdzianem tego, czego nauczyłem się na studiach. Bardzo się cieszę, że podjąłem temat zaproponowany przez promotora dr. inż. Dominika Sondeja. Dzięki jego wsparciu udało mi się wykonać projekt w stu procentach. Dlatego zachęcam wszystkich do rozwijania swoich pasji i stawiania sobie ambitnych celów – to da najwięcej satysfakcji!”.
Sebastian Jurek
fot. Sebastian Jurek
tekst na bazie: Nauka i technologia