Monitor Dress - Herzsignale mit dem IoT verbinden - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:21

Das Monitor Dress ist ein Experiment zur Erforschung verschiedener Möglichkeiten, die Herzaktivität des Trägers zu digitalisieren und die Daten zu verarbeiten.

Drei Elektroden im Inneren des Kleides messen die elektrischen Signale, die durch den Körper der Trägerin laufen. Diese analogen Impulse, die von der Muskelaktivität des Herzens ausgehen, werden in digitale Signale umgewandelt. Der Mikrocontroller leuchtet dann vorne im Kleid einen Kreis von LEDs auf, der bei jedem Herzschlag lila blinkt. Der Mikrocontroller sendet die Daten auch für andere Zwecke über ein drahtloses Netzwerk. Die über das drahtlose Netzwerk gesendeten Daten werden von einem Computer abgeholt, der die Daten überwacht, um sie zu animieren. Auf dem Display sind nun die elektrischen Signale des Herzens sowie das Kleid selbst sichtbar.

Das Monitor Dress schafft eine nahtlose Schnittstelle zwischen dem menschlichen Körper, der Kleidung und den elektronischen Komponenten – es digitalisiert und zeichnet unsere transienten Biosignale auf.

Schritt 1: Design- und Schaltungsübersicht

Das Oberteil des Kleides besteht aus schwarzen und klaren Acrylteilen - geschnitten mit einem Lasercutter. Unter den klaren Acrylkreis in der Mitte ist ein NeoPixel-Ring geklebt. Die Drähte laufen hinter dem Oberteil zu einem Stoffstreifen, der am Oberteil an der Rückseite des Kleides befestigt ist. Der Stoffstreifen wird mit der kleinen Tasche verbunden, die den Mikrocontroller, den Pulsmesser und die Batterie enthält. In das Futter des Kleides sind drei E-Textil-Elektroden eingenäht. Die Drähte, die die Elektroden und den Mikrocontroller verbinden, verlaufen zwischen zwei Stoffschichten.

Schritt 2: Zubehör:

Materialien:

• Stoff
• Reißverschluss
• Drähte
• Schrumpfen durch Hitze
• 1/8" schwarzes Acryl
• 1/8" diffuses Acryl
• NeoPixel-Ring (24 LEDs) (Adafruit)
• Photon (Teilchen)
• Pulsmesser (Sparkfun)
• Biomediale Sensorpads (Sparkfun)
• Sensorkabel (Sparkfun)
• Leitfähiges Gewebe (Sparkfun oder Adafruit)
• 5 Druckknöpfe
• Perma-Proto-Board (Adafruit)
• Weibliche + Männliche Überbrückungsdrähte
• Schrumpfen durch Hitze
• 5V Powerbank (Amazon)

Werkzeuge:

• Schere
• Nadel
• Gewinde
• Pinzette
• Lötkolben
• Lot
• Heißkleber
• Heißluftpistole
• Nähmaschine
• Laserschneider
• Hammer
• Papier
• Herrscher
• Bleistift

Schritt 3: Das Photon - ein Wi-Fi-Entwicklungskit

Das Photon ist ein leistungsstarkes Wi-Fi-Entwicklungskit, das Ihr Projekt mit dem Internet der Dinge (IoT) verbindet. Das Board ist ziemlich klein, was es ideal für IoT-Wearable-Projekte macht.

Particle, der Hersteller des Photons, hat ein großartiges Photon-Datenblatt sowie eine sehr detaillierte Anleitung für die ersten Schritte mit allen Informationen erstellt, die Sie für den Einstieg benötigen.

Laden Sie einfach die Particle-App auf Ihr Smartphone herunter und befolgen Sie die Anweisungen, um Ihren Photon mit Ihrem Wi-Fi-Netzwerk zu verbinden. Sie können auch die Particle Dev-App für Ihren Computer herunterladen oder mit der Programmierung über Ihren Browser beginnen. Wir kommen in Schritt 15 auf das Photon zurück.

Schritt 4: Der Pulsmesser

Auf dem Bild sehen Sie die Herzfrequenz-Monitorplatine sowie ein Sensorkabel mit 3 Elektrodenpad-Anschlüssen und 3 passenden biomedizinischen Sensorpads. Da wir unsere eigenen leitfähigen Gewebeelektroden für unser Kleid herstellen, ist es nicht notwendig, die Sensorkabel und -pads zu verwenden. Sie eignen sich jedoch hervorragend zum Prototyping und Testen.

Bevor Sie beginnen, empfehle ich Ihnen auch, die Anleitung zum Anschließen des Herzfrequenzmessers von Sparkfun zu lesen. Es enthält viele Details zur Funktionsweise des Herzfrequenzmessers und zur Anordnung der Elektroden.

Schritt 5: Laserschneiden Sie das Oberteil

Zuerst entwarf ich mit Illustrator ein 2D-Oberteil, das ich mit einem Laserschneider aus einer 1/8" schwarzen Acrylplatte ausgeschnitten habe. Da der Kreis in der Mitte des Designs aufleuchten wird, schneide ich passende Blütenblätter aus einem 1" aus /8" diffuses Acrylglas. Außerdem habe ich drei unterschiedlich große diffuse Acrylkreise ausgeschnitten. Wir kleben diese zwischen den Blütenblättern und dem NeoPixel-Ring für ein diffuseres Licht. Andernfalls würden Sie die einzelnen LEDs auf dem Ring sehen.

Schritt 6: Formen des Acryls

Nach dem Schneiden des Acryls ist es Zeit, es zu formen und ihm eine dreidimensionale Form zu geben. Sie können eine Heißluftpistole, einen Haartrockner oder was auch immer am schnellsten funktioniert, wie einen Gasherd, verwenden. Seien Sie beim Erhitzen vorsichtig und berühren Sie die heißen Teile immer mit einem Handtuch. Sobald es geschmeidig wird, formen Sie es nach Belieben und warten Sie, bis es abkühlt und wieder fest wird.

Schritt 7: Hinzufügen der durchscheinenden Blütenblätter

Kleben wir nun die durchsichtigen Acrylblütenblätter in die entsprechenden Ausschnitte. Wenn die Acrylblütenblätter an den Rändern Brandflecken haben, können Sie sie mit Sandpapier abschleifen. Mischen Sie etwas Zweikomponenten-Epoxid und tragen Sie den Kleber vorsichtig um die Ränder der Blütenblätter auf. Es hilft, die Teile mit etwas Klebeband zu halten, während sie im Oberteil positioniert werden.

Schritt 8: Entwerfen Sie Ihr Kleid

In den nächsten Schritten werden wir das schwarze Lederkleid entwerfen und nähen.

Während der Arbeit an der Illustrator-Datei hatte ich bereits eine grobe Idee für das Design. Nachdem ich etwas Stoff und das Oberteil um die Schaufensterpuppe drapiert hatte, habe ich das richtige Muster gefunden: ein Neckholder-Kleid mit zwei Abnähern vorne und hinten sowie einer Taillenteilnaht, einer Batterietasche hinten und einem unsichtbaren Reißverschluss in der linken Seitennaht. Bevor Sie Ihren schönen Stoff zuschneiden, lohnt es sich immer, das Kleid zuerst mit billigerem Stoff (auch Musselin genannt) zu nähen. Das gibt Ihnen die Möglichkeit, das Muster anzupassen und kleine Änderungen vorzunehmen.

Schritt 9: Nähen Sie das Kleid

Verfolgen Sie nun die Muster und nähen Sie das eigentliche Kleid. Nähen Sie zuerst die Abnäher vorne und hinten am Kleid. Dann nähen Sie die beiden Vorder- und zwei Rückenteile zusammen, sowie das Futter, den Nackenhalter und den unsichtbaren Reißverschluss. Am Ende befestigen wir die Batterietasche und die Riemen (Schritte 10 und 11). Wieder habe ich den Laserschneider verwendet, um die sechs Stoffbänder zu schneiden. Es ist nicht notwendig, aber es gibt Ihnen wirklich saubere Kanten, die einfacher zu nähen sind und viel schneller zu schneiden sind!

Schritt 10: Befestigen Sie die Gesäßtasche

Schneiden Sie ein Quadrat aus Ihrem Oberstoff und nähen Sie kleine Klettstreifen oben auf die linke und rechte Kante. Falten Sie die Klettkanten um und nähen Sie sie auf die Innenseite des Einstecktuchs. Finden Sie eine gute Position für die Batterietasche (am besten über der Taillennaht) und stecken Sie sie auf das Kleid. Den Taschenboden an das Kleid nähen sowie den entsprechenden Klettstreifen links und rechts annähen.

Schritt 11: Bereiten Sie die Stoffstreifen vor

Die Stoffstreifen im Rücken werden verwendet, um das Oberteil mit dem Kleid zu verbinden und alle Drähte zu verbergen, die von der Batterietasche zu den LEDs vorne verlaufen. Vor dem Zusammennähen der Längskanten eine Öse in einen der Streifen einlegen. Dies verleiht dem Kleid ein saubereres Aussehen, wenn die Drähte durch den Streifen und aus ihm herausgeschoben werden. Dann nähen Sie die Stofftunnel und drehen Sie die Streifen auf links. Einfacher geht es mit einer Pinzette.

Führen Sie im nächsten Schritt drei lange Drähte (lang genug, um von der Batterietasche zu den LEDs vorne zu verlaufen) durch die Ösenleiste und führen Sie die Drähte durch die Öse aus dem Tunnel. Markieren Sie jeden Draht an beiden Enden mit etwas Klebeband, damit Sie wissen, welcher welcher ist. Dann die Streifen wie auf den Bildern gezeigt auf das Oberteil nähen.

Schritt 12: Oberteil fertigstellen

Löten Sie nun einen Ihrer drei Drähte an den GND-Pin (Masse), einen an den Dateneingangspin und den letzten Draht an den +5 V-Pin (Strom). Stellen Sie sicher, dass Sie wissen, welcher Draht an welchen Pin gelötet ist, da Sie ihn nicht durch das Rohr zurückverfolgen können. Löten Sie an jedem der drei Drähte eine Steckerbuchse an. Vergessen Sie nicht, etwas Schrumpfschlauch zu verwenden, um die leicht zu brechenden Lötstellen zu sichern. Kleben Sie die drei milchigen Acrylkreise mit einer Heißluftpistole oder Epoxy übereinander und warten Sie, bis sie trocken sind. Dann die Kreise auf der Innenseite der Acrylblütenblätter zentrieren und zusammenkleben. Nachdem der Kleber getrocknet ist, zentrieren Sie den NeoPixel-Ring oben und tragen Sie Kleber um ihn herum auf. Vergessen Sie nicht, die um den Ring verlaufenden Drähte an der Rückseite des Stücks zu befestigen.

Schritt 13: Nähen Sie die Stoffstreifen auf das Kleid

Legen Sie nun das Kleid und das Oberteil auf die Schaufensterpuppe und überlegen Sie, wo Sie die Streifen positionieren möchten. Die Nähte im markierten Bereich sowie die Taillennähte hinter der Akkutasche (Futter und Deckschicht) vorsichtig öffnen. Führen Sie nun die Stoffstreifen durch das Futter und die Oberschicht, sodass die Streifen durch die Taillennaht herauskommen. Stecken Sie die Streifen mit der gewünschten Länge in die richtige Position und schließen Sie vorerst nur die obere Naht.

Schritt 14: Elektroden integrieren

Schneiden Sie drei Quadrate aus leitfähigem Stoff aus. Das erste Bild zeigt, wo Sie die Elektroden im Kleid platzieren müssen. Ich benutzte einen Zick-Zack-Stich, der die Quadrate auf das Futter nähte. Die Elektroden müssen fest auf Ihre nackte Haut gedrückt werden, um Ihren Herzschlag zu erfassen. Andernfalls kann das leitfähige Gewebe die elektrischen Signale, die durch Ihren Körper laufen, nicht aufnehmen. Löten Sie nun einen Draht (ich empfehle flexiblen Silikondraht) auf einen Knopfdruck. Bereiten Sie insgesamt drei Drähte vor, einen für jede Elektrode. Nähen Sie die Druckknöpfe hinter dem Futter mit dem leitfähigen Stoffpatch - zwischen Futter und Deckschicht. Es ist wichtig, leitfähige Fäden zu verwenden, um die Elektroden mit dem Draht und später mit dem Mikrocontroller zu verbinden. Führen Sie dann alle drei Drähte durch das Kleid, bis sie aus der offenen Stelle in der Taillennaht hinter dem Batteriepoch herauskommen. Um die Drähte noch etwas zu schützen, habe ich sie in ein kleines Stück Reststoffschlauch genau dort gesteckt, wo ich sie übernäht habe, um die offene Taillennaht zu schließen. Schneiden Sie die drei Drähte auf die gewünschte Länge und löten Sie an jedem Ende ein weibliches Überbrückungskabel an. Dies ist notwendig, um die Elektroden mit der Hart Rate Monitor Board zu verbinden. Denken Sie daran, dass es wichtig ist zu wissen, welcher Draht mit welcher Elektrode verbunden ist.

So weit, ist es gut. Das Kleid ist so gut wie fertig.

Schritt 15: Code ändern und hochladen

Kommen wir nun zurück zur Soft- und Hardware:

Nachdem Sie Ihr Photon eingerichtet und Particle Dev installiert haben (Schritt 3), laden Sie den Herzfrequenzmesser-Code herunter. Wenn Sie die Datei öffnen, sehen Sie zwei Ordner, einen namens Photon und einen anderen namens Processing.

Fahren Sie fort und öffnen Sie Particle Dev und wählen Sie Datei > Öffnen… im Dropdown-Menü. Navigieren Sie zu Ihrem Photon-Ordner und klicken Sie auf Öffnen. Klicken Sie auf der linken Seite auf WorkingPhotonHeartRateMonitor.ino, um den Code zu öffnen. Ändern Sie nun die im Code definierte Anzahl der LEDs in die Anzahl der LEDs, die Sie in Ihrem Projekt verwenden.

#define NUM_LEDS 24

Für das Kleid habe ich 24 LEDs verwendet. Sie können auch die Nummer für die anderen Pins ändern, wenn Sie andere Pins verwenden. Die kleine Tabelle gibt Ihnen einen Überblick. Wenn Sie den Pin des Modus-Buttons ändern möchten, klicken Sie auf die Datei buttons.h und ändern Sie die Zahl 6 in den von Ihnen verwendeten Pin.

#define MODEBUTTON 6

Wenn Sie möchten, können Sie diesem Pin einen kleinen Druckknopf hinzufügen, um zwischen dem Live-Modus und einigen aufgezeichneten Herzschlagdaten zu wechseln. Es ist ein schönes Feature, wenn das Kleid an einer Schaufensterpuppe hängt. Nachdem Sie die Elektroden an Ihren Körper angeschlossen haben (im nächsten Schritt), können Sie einfach den seriellen Monitor öffnen, Ihre eigenen Daten aufzeichnen und die Zahlen durch Ihre Herzschläge in der DateirecordedData.h ersetzen.

Schritt 16: Montieren Sie die Hardware

Bevor Sie alle elektronischen Komponenten auf ein 'Perma-Proto Half-Size Breadboard' löten, verwenden Sie zuerst ein normales Steckbrett zum Testen Ihrer Elektronik. Verbinden Sie den Herzfrequenzmesser, die Taste und die LEDs mit den im Code definierten Photonen-Pins. Kleben Sie die Elektroden wie in der Abbildung gezeigt an Ihren Körper und stellen Sie sicher, dass die Elektroden mit den richtigen Stiften übereinstimmen. Jetzt können Sie den seriellen Photon-Monitor öffnen und Ihre Herzschlagdaten über Ihr lokales WLAN abrufen.

Wenn Sie das EKG-Diagramm auf Ihrem Monitor sehen möchten, müssen Sie Processing herunterladen. Öffnen Sie in Verarbeitung die Skizze im Verarbeitungsordner und führen Sie die Skizze aus, indem Sie auf den Pfeil in der linken Ecke klicken. Wenn alles richtig eingestellt ist, öffnet sich ein Fenster und Sie können die Aktivität Ihres Herzens sehen. Es hilft, sich so wenig wie möglich zu bewegen und es dauert eine Weile, bis das Biosignal stabil genug für eine saubere Visualisierung ist. Weitere Informationen und/oder Fehlerbehebung finden Sie in der Anleitung zur Herzfrequenzmessung von Sparkfun. Möglicherweise müssen Sie die Zeile in der Skizze ändern, die Serial.list()[3] enthält, und die Nummer auf den Port ändern, an dem sich Ihr serieller Monitor befindet. Wenn Sie sich bei der Zahl nicht sicher sind, versuchen Sie es mit 0 bis 6.

Schritt 17: Löten Sie auf Perma-Proto

Um unsere kundenspezifisch integrierten E-Textil-Elektroden mit der Platine und nicht mit den sperrigen Klebeelektroden zu verbinden, löten Sie einen Header auf jeden der Pins RA (rechter Arm), LA (linker Arm) und RL (rechtes Bein) auf der Platine.

Wenn alles funktioniert, können Sie die Komponenten auf einem Perma-Proto-Board verlöten. Ich begann mit dem Photon, dann den Drähten gefolgt vom Pulsmesser zum Schluss. Anstatt die drei LED-Drähte dauerhaft auf die Platine zu löten, habe ich drei (Data, VCC und GND) männliche Überbrückungsdrähte verwendet, um sie mit den LED-Drähten zu verbinden.

Eine 5V Powerbank als Stromversorgung eignet sich hervorragend für das Photon, da sie wiederaufladbar ist. Sie können es auch zum Aufladen anderer elektronischer Geräte wie Ihres Smartphones verwenden.

Schritt 18: Verbinden Sie Ihre Herzsignale mit dem IoT

Jetzt sind Sie fertig und können Ihre Herzaktivität mit dem Internet der Dinge verbinden.

Beachten Sie, dass das Photon immer mit einem drahtlosen Netzwerk verbunden sein muss, da es sonst nicht aufhört zu suchen und Ihr Code nicht ausgeführt wird. In einem zukünftigen Update kann ich es verbessern, sodass eine Internetverbindung optional ist.

Wenn Sie Fragen haben, zögern Sie nicht zu fragen. Fröhliches machen.

Zweiter Preis beim DIY Dress Contest