Progetto di un sistema di monitoraggio IoT della frequenza cardiaca e della temperatura corporea – Parte 3

Nel precedente articolo “Progetto di un sistema di monitoraggio IoT della frequenza cardiaca e della temperatura corporea - Parte 2” abbiamo descritto il progetto di un sistema di monitoraggio IoT della frequenza cardiaca e della temperatura corporea. Abbiamo anche mostrato passo-passo come configurare la piattaforma ThingSpeak, la sua app ThingHTTP e i servizi forniti dal sito IFTTT per realizzare il monitoraggio di questi parametri da remoto. In questo articolo, faremo un breve riepilogo del progetto e descriveremo i componenti del sistema di monitoraggio attraverso l’analisi del funzionamento e del ruolo di ogni componente nel progetto.

Riepilogo del progetto

Il progetto è stato già descritto nell’articolo “Progetto di un sistema di monitoraggio IoT della frequenza cardiaca e della temperatura corporea - Parte 2”, quindi faremo un sintetico riepilogo. In Figura 1 riportiamo lo schema elettrico del sistema di monitoraggio.

Figura 1: Schema elettrico del sistema di monitoraggio

Il sensore di battito cardiaco viene utilizzato per misurare la frequenza cardiaca del paziente. Il segnale di uscita viene inviato ad una porta di un convertitore analogico-digitale del microcontrollore Arduino che acquisisce ed elabora i dati del sensore per poi inviarli al modulo WiFi ESP-01 che integra il chip ESP8266. L’ESP8266 a sua volta invia i dati in rete alla piattaforma ThingSpeak per la registrazione e la visualizzazione grafica da remoto dei parametri. Lo stesso processo avviene con la misura della temperatura corporea realizzata con il sensore di temperatura LM35 il cui segnale analogico di uscita viene inviato ad un’altra porta convertitore analogico-digitale del microcontrollore Arduino, da Arduino all’ESP8266 e, via internet, alla piattaforma ThingSpeak. Per il corretto utilizzo del sistema di misura, i due sensori devono essere a contatto con il corpo: il sensore del battito cardiaco viene applicato ad un dito, mentre l’LM35 al polso. Nel progetto è stato previsto un pulsante di allarme (P1) premendo il quale il paziente può inviare un’email di avviso di rischio infarto al medico e/o ai suoi familiari. Il circuito può essere alimentato a 7,5V con cinque batterie AAA da 1,5V, oppure con un power bank con uscita da 7V a 12V.

I componenti del progetto

Oltre alla ben nota scheda Arduino, i componenti principali del progetto sono i due sensori.

Il sensore del battito cardiaco

Il sensore indossabile del battito cardiaco può essere utilizzato per rilevare la frequenza cardiaca di una persona. La frequenza cardiaca è essenziale per determinare lo stato di salute di una persona e anche per monitorarla mentre si fa attività fisica. Funziona secondo un principio chiamato fotopletismografia, ovvero misurando i cambiamenti nel volume del sangue in un organo rilevati dalle variazioni dell'intensità della luce emessa da un LED e ricevuta da un fotosensore in presenza di sangue nella vena sotto test. Il segnale di uscita viene ulteriormente condizionato e filtrato per fornire in uscita un segnale analogico. Questo sensore di battito cardiaco può essere facilmente utilizzato per monitorare da remoto il paziente o una persona durante l’allenamento sportivo.

Specifiche tecniche

Tensione di funzionamento: +3.3V / +5V
Sensore di tipo Plug & Play
Consumo di corrente massimo: 4 mA
Amplificazione e cancellazione del rumore
Dimensioni ridotte per dispositivi alimentati a batteria
Diametro: 1,6 cm
Spessore: 0,3 cm

Il sensore indossabile del battito cardiaco è un sensore di frequenza cardiaca progettato per funzionare con facilità con Arduino e con qualsiasi microcontrollore. Può essere utilizzato e integrato anche in dispositivi mobili per misurare facilmente la frequenza cardiaca dal vivo e archiviarne i dati nei progetti. Il sensore si indossa alla punta del dito o al lobo dell'orecchio e si collega direttamente ad un microcontrollore con tre conduttori di collegamento. In Figura 2 riportiamo il layout fronte-retro del sensore con l’identificazione dei tre conduttori: (viola) S è il segnale di uscita, (rosso) + è il polo positivo dell’alimentazione (+3V/+5V), (nero) - è il polo negativo dell’alimentazione.

Figura 2: Il sensore del battito cardiaco

La parte anteriore del sensore è il lato con il logo. Questo è il lato con cui entra in contatto la pelle del dito. Sulla parte anteriore si trova un piccolo foro rotondo attraverso cui il LED traspare dal retro; c'è anche un quadratino appena sotto il LED. Il quadrato è un sensore di luce ambientale, esattamente come quello utilizzato nei cellulari, tablet e laptop, per regolare la luminosità in diverse condizioni di luce. Il LED investe di luce il polpastrello o il lobo dell'orecchio o altro tessuto capillare, e il fotosensore rileva l’intensità della luce riflessa dai tessuti.

Il sensore di temperatura LM35

Il sensore di temperatura LM35 è un chip integrato a tre terminali la cui tensione di uscita varia proporzionalmente alla temperatura. In Figura 3 viene riportato l’LM35 con l’indicazione della funzione dei tre pin: VS è il pin positivo di alimentazione (da 4V a 30V), VOUT è l’uscita analogica del segnale e GND è il pin negativo dell’alimentazione.

Figura 3: LM35

Caratteristiche

• Calibrato direttamente in Centigradi
• Tensione di uscita lineare +10 mV/°C
• Precisione garantita di 0,5°C (a 25°C)
• Classificato per la gamma completa da -55°C a 150°C
• Adatto per applicazioni IoT
• Basso costo grazie alla rifilatura a livello di wafer
• Alimentazione da 4 V a 30 V
• Consumo di corrente inferiore a 60 μA
• Autoriscaldamento basso, 0,08°C
• Non linearità ±0,25°C tipico
• Uscita a bassa impedenza, 0,1 Ω per carico di 1 mA

L'LM35 è un sensore comunemente usato solitamente per misurare la temperatura ambiente di una stanza o, in generale, di uno spazio chiuso. Ma il sensore LM35 può misurare anche la temperatura corporea, basta assicurarsi che ci sia contatto tra l'LM35 e una parte del corpo, come ad esempio il dito, il polso, la testa, ecc. Il rilevamento della temperatura è fondamentale per molte aree della vita quotidiana. Ad esempio, il climatizzatore installato in una stanza ha un sensore di temperatura che gli consente di mantenere la temperatura impostata. L'LM35 è un sensore di temperatura che migliora le capacità dell'intero sistema di cui fa parte fornendo informazioni sulla temperatura nella zona circostante. Un altro fattore rilevante che rende l'LM35 interessante è che non richiede circuiti aggiuntivi per funzionare. L'LM35 è un dispositivo analogico, ciò significa che la tensione di uscita aumenta linearmente all’aumentare della temperatura con una sensibilità di +10 mV/grado celsius. Il sensore LM35 può essere configurato per misurare due diversi range di temperatura. Nella configurazione A di base riportata a sinistra di Figura 4, l’LM35 può misurare temperature da +2°C fino a +150°C, mentre nella configurazione B a destra dell’immagine, in cui è inserito un resistore fra VOUT e una tensione negativa –VS opposta a +VS, il range di misura della temperatura va da -55°C fino a 150°C.

Figura 4: Range di temperatura dell’LM35

Se non è necessario misurare temperature inferiori a 0°, la configurazione A è un'opzione più adatta e più semplice.

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