Design and prototype of wearable data acquisition system
Rahikainen, Harri (2021)
Diplomityö
2021
School of Energy Systems, Sähkötekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021092847306
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021092847306
Tiivistelmä
The number of connected devices is increasing rapidly. The applications of the Internet of Things span many sectors of our society from intelligent infrastructure to industry and consumer electronics. Smart sensing devices are being used to measure the environment and even monitor human health and activity. The data that these smart devices produce needs to be transferred from the device to the Internet to be processed and viewed.
In this thesis, the design of a wearable data acquisition device that independently measures and stores multiple quantities and transmits the measured data is studied. First, the technical requirements are gathered and discussed, and then a prototype is implemented.
The device prototype was implemented on an embedded controller using a real-time operating system. The resulting prototype measures heart rate, temperature and relative humidity, and stores this data persistently. The prototype utilizes Bluetooth Low Energy to reliably send the stored data and status messages to a gateway device.
The analysis of the prototype found that the device fulfills its core functional requirements and offers a good basis for further development. Compromises on the number of sensors and convenience features were made due to the thesis scope and shortage of storage space. Room for future optimization remains in the power consumption, wireless data throughput, and storage solutions.
Similar projects are suggested to focus on the flow of data in the software design, verify assumptions about the application early, and choose sensors and peripherals that are suited for low-power operation. Internetiin liitettävien laitteiden määrä kasvaa nopeasti. Esineiden internetin sovellukset kattavat monia yhteiskuntamme sektoreita älykkäästä infrastruktuurista teollisuuteen ja kulutuselektroniikkaan. Älykkäitä antureita käytetään ympäristön ja jopa ihmisen terveyden ja toiminnan mittaamiseen. Näiden älykkäiden laitteiden tuottama data on siirrettävä laitteilta internetiin prosessointia ja tarkastelua varten.
Tässä diplomityössä tutkittiin, miten voidaan suunnitella puettava tiedonkeruulaite, joka mittaa ja tallentaa itsenäisesti useita suureita sekä lähettää mitatun datan toiselle laitteelle. Ensin kerättiin ja käsiteltiin laitteen tekniset vaatimukset, minkä jälkeen toteutettiin prototyyppi.
Laiteprototyyppi toteutettiin sulautetulle mikrokontrollerille käyttäen reaaliaikakäyttöjärjestelmää. Työn tuloksena saatu prototyyppi mittaa sykettä, lämpötilaa ja suhteellista ilmankosteutta sekä tallentaa näiden suureiden arvot katoamattomasti. Prototyyppi käyttää Bluetooth Low Energy -teknologiaa tallennetun mittaus- ja tilatiedon luotettavaan lähettämiseen yhdyskäytävänä toimivalle laitteelle.
Toteutetun prototyypin voidaan todeta täyttävän keskeiset toiminnalliset vaatimuksensa ja tarjoavan hyvän pohjan jatkokehitykselle. Sensorien määrän ja ei-kriittisten ominaisuuksien suhteen tehtiin myönnytyksiä diplomityön laajuuden ja tallennustilan puutteen vuoksi. Jatkokehityksessä voitaisiin optimoida laitteen virrankulutusta, langatonta tiedonsiirtonopeutta sekä mittaustiedon tallennuksen ratkaisuja.
Samankaltaisia projekteja ohjeistetaan kiinnittämään huomiota tiedon kulkuun ohjelmistoa suunnitellessa, tarkistamaan sovellukseen liittyviä oletuksia aikaisessa vaiheessa sekä valitsemaan pienen virrankulutuksen toimintaan sopivia antureita ja oheislaitteita.
In this thesis, the design of a wearable data acquisition device that independently measures and stores multiple quantities and transmits the measured data is studied. First, the technical requirements are gathered and discussed, and then a prototype is implemented.
The device prototype was implemented on an embedded controller using a real-time operating system. The resulting prototype measures heart rate, temperature and relative humidity, and stores this data persistently. The prototype utilizes Bluetooth Low Energy to reliably send the stored data and status messages to a gateway device.
The analysis of the prototype found that the device fulfills its core functional requirements and offers a good basis for further development. Compromises on the number of sensors and convenience features were made due to the thesis scope and shortage of storage space. Room for future optimization remains in the power consumption, wireless data throughput, and storage solutions.
Similar projects are suggested to focus on the flow of data in the software design, verify assumptions about the application early, and choose sensors and peripherals that are suited for low-power operation.
Tässä diplomityössä tutkittiin, miten voidaan suunnitella puettava tiedonkeruulaite, joka mittaa ja tallentaa itsenäisesti useita suureita sekä lähettää mitatun datan toiselle laitteelle. Ensin kerättiin ja käsiteltiin laitteen tekniset vaatimukset, minkä jälkeen toteutettiin prototyyppi.
Laiteprototyyppi toteutettiin sulautetulle mikrokontrollerille käyttäen reaaliaikakäyttöjärjestelmää. Työn tuloksena saatu prototyyppi mittaa sykettä, lämpötilaa ja suhteellista ilmankosteutta sekä tallentaa näiden suureiden arvot katoamattomasti. Prototyyppi käyttää Bluetooth Low Energy -teknologiaa tallennetun mittaus- ja tilatiedon luotettavaan lähettämiseen yhdyskäytävänä toimivalle laitteelle.
Toteutetun prototyypin voidaan todeta täyttävän keskeiset toiminnalliset vaatimuksensa ja tarjoavan hyvän pohjan jatkokehitykselle. Sensorien määrän ja ei-kriittisten ominaisuuksien suhteen tehtiin myönnytyksiä diplomityön laajuuden ja tallennustilan puutteen vuoksi. Jatkokehityksessä voitaisiin optimoida laitteen virrankulutusta, langatonta tiedonsiirtonopeutta sekä mittaustiedon tallennuksen ratkaisuja.
Samankaltaisia projekteja ohjeistetaan kiinnittämään huomiota tiedon kulkuun ohjelmistoa suunnitellessa, tarkistamaan sovellukseen liittyviä oletuksia aikaisessa vaiheessa sekä valitsemaan pienen virrankulutuksen toimintaan sopivia antureita ja oheislaitteita.