RAK12012 WisBlock Sensor Датчик частоты сердцебиения MAX30102

Датчик измерения частоты сердечных сокращений (ЧСС) WisSensor RAK12012 относится к серии продуктов модульного конструирования WisBlock. Платформа ориентирована на разработку многоцелевых электронных IoT-приложений, совместимых с концепцией быстрой сборки готового решения из набора существующих узлов, с возможностью последующей лёгкой перекомпоновки аппаратной составляющей. Цифровой датчик RAK12012 WisBlock Heart Rate Module добавляет постоянно пополняемый перечень возможностей платформы высокочувствительным пульсокиметром (SpO2) с датчиком сердечного ритма MAX30102, разработанного Maxim Integrated специально для портативных устройств наблюдения за состоянием здоровья.

Благодаря множеству популярных технологий беспроводной связи, поддерживаемых платформой WisBlock, информация с датчика может быть передана по радиоканалам LoRa в сетях LoRaWAN, а также в облачные или иные сервисы через соединения WiFi или Bluetooth. Вдобавок, система WisBlock предоставляет способ управления питанием интегрированных в WisBlock-устройство датчиков и сенсоров, позволяющий экономить ресурсы источника электроэнергии, путём их включения на время сбора данных. Модульное WisBlock-приложение с датчиком MAX30102 Maxim может дополнительно комплектоваться иными сенсорами WisSensor, расширяющими перечень обрабатываемой информации.

Технические характеристики

• Модель: RAK12012_VA
• Питание: 3.3В DC
• Потребление тока в режиме
  • измерение: до 60 мА
  • выключенный: до 10 мкА
• Сенсор: MAX30102 MAXIM Intergrated
• Область измерений
  • частота сердечных сокращений (ЧСС, пульс, HR)
  • уровень насыщения крови кислородом (оксиметрия, SpO2) от 1 до 100
• Светоизлучатели: красный светодиод 660 нм, ИК-светодиод 880 нм
• Диапазон спектральной чувствительности: 600 - 900 нм
• Эффективное оптическое расстояние, макс.: 1.2 мм
• Разрядность данных АЦП: от 15 до 18 бит
• Частота выборки: 50 ~ 3200 в секунду
• Буфер FIFO: 192 байт / 32 ячейки
• Встроенный 1.8В регулятор: SGM2019-1.8YNG5G/TR
• Интерфейс: I2C, до 400 кГц
• Аппаратный адрес: 0х57h
• Мультиактный генератор прерываний
• Технология температурной компенсации с подавлением окружающего света
• Порт подключения: WisIO 40-pin
• Температура эксплуатации: -40°С ~ 85°С
• Размеры: 35 х 25мм

Пульсокиметр MAX30102

Цифровой модуль RAK12012 представляет полноценную систему пульсокиметрии с датчиком измерения частоты сердечных сокращений MAX30102 в ультракомпактном корпусе. Интегрированные в датчик красный и инфракрасный светодиоды, служат источниками излучения в спектральном диапазоне с длиной волны 660 и 880 нм, и предназначены для проведения процедуры измерения показаний с пальцев человеческой руки или ноги (в иных местах наподобие запястий рук часто применяются другие длины волн).

MAX30102 использует методику неинвазивного мониторинга сатурации (насыщения) артериальной крови кислородом на основе анализа степени поглащения света насыщенным кислородом гемоглобином и общим гемоглобином в разных волновых диапазонах. Показания пульсоксиметра рассчитываются в соответствии с уровнем яркости красного и/или инфракрасного лучей, улавливаемых чувствительным фотоприёмником после их прохождения сквозь ткани и кровь. В тоже время частота сердечных сокращений определяется амплитудной динамикой изменения уровня цвета отражённого луча в моменты сужения и расширения сосудов под воздействием артериальной пульсации, связанной с сердечными циклами.

Получение наиболее точных результатов измерения возможно в состоянии прижатого к датчику неподвижного пальца. На краях платы RAK12012 присутствуют два специальных выреза 10х1.5 мм, подготовленые для вставки фиксирующего резинового ремешка. Максимальное расстояние от поверхности оптического датчика пульсоксиметра MAX30102 не должно превышать более 1.2 мм.

Буфер FIFO

Данные выборки в MAX30102 для каждого светодиода (канала) формируются в 3-байтном представлении. Датчик располагает 192-байтным буфером FIFO, в котором может храниться одновременно до 32 записей данных в 3-байтном (для 1 канала) или 6-байтном формате (для двух каналов). Данные каналов оцифровываются сигма-дельта АЦП в значения с разрешением 15 - 18 бит. Для тех случаев, когда частота считывания показаний из буфера гораздо ниже минимальной скорости сбора данных, датчиком предусмотрен алгоритм сведения накопленных в буфере выборок в одного усреднённое значение, с последующим удалением их из памяти.

Рабочие режимы

Настройки датчика позволяют переключаться между несколькими рабочими режимами. В состоянии выключенного датчика измерения не выполняются, сохраняется полный доступ ко всем ранее сохранённым выборкам, и сбрасываются все прерывания. Режим перезапуска восстанавливает датчик до его исходного состояния на момент включения. В нормальном режиме существуют варианты использования либо только одного красного светодиода (измерение ЧСС), либо одновременно обоих светодиодов, красного и инфракрасного (ЧСС+SpO2).

Температурная компенсация

Дополнительно MAX30102 имеет встроенный точный температурный датчик, измеряющий внутреннюю температуру (±0..127°С) с дискретным шагом 0.0625°С. Температура нагревающихся светодиодов оказывает непосредственное влияние на длину волны красного и инфракрасного излучения, приводя к возникновению ошибочных данных преобразования. Показания температурного датчика позволяют корректировать отклонения в процессе измерения пульсоксиметрии.

Автономное питание

Эффективность расходования ресурсов автономного источника питания пульсоксиметра зависит не только от режима выключенного состояния. Контроллируемая частота измерений от 50 до 3200 выборок в секунду, регулируемая ширина измерительных импульсов от 69 мкс до 411 мкс, количество одновременно задействованных светодиодов, и потребляемый ими ток в программируемом диапазоне 0 ~ 51 мА, образуют основу механизма очень плавной балансировки в схеме управления энергоптреблением.

Внутренние прерывания

Вывод INT с низкоуровневым сигналом прерывания помогает процессорному модулю WisCore отслеживать сразу несколько внутренних событий пульсоксиметра MAX30102: запись новых данных в буфер, превышение максимального уровня окружающего освещения, готовность модуля к сбору данных после включения питания или просадки напряжения до недостаточного уровня, окончание температурного преобразования, предупреждение о остатке одной свободной буферной ячейки для записи данных выборки, и др.

Определение выводов модуля измерения импульсов сердцебиения и уровня кислорода в крови RAK12012 WisBlock

Модуль WisSensor RAK12012 оснащён 40-контактным соединительным разъёмом WisConnector, совместимым со слотом Sensor базовой платы WisBlock Base. Интерфейс RAK12012 задействует следующие контакты:

• 3V3_S — напряжение питания +3.3В, программно контролируемое процессорным модулем WisCore
• GND — напряжение питания, общий (минусовой)
• I2C_SDA — сигнал данных шины I2C
• I2C_SCL — сигнал тактирования шины I2C
• INT (IO4*) — низкоуровневые логической сигнал прерывания, обратная связь с вычислительным модулем WisCore

* - cоответствие обозначению контактов ввода-вывода общего назначения (GPIO) процессорного модуля WisCore.

Образец монтажа

Модуль RAK12012 WisBlock Heart Rate Sensor разработан для установки в 40-контактный слот WisBlock IO, имеющийся в распоряжении полноразмерных базовых плат наподобие RAK5005-O. Правильное расположение платы приведено на изображении ниже, подключение с разворотом в противоположном направлении к коннектору "IO Slot" не предусмотрено в системе WisBlock.

Прямое подключение датчика RAK12012 к 40-контактному разъёму WisIO базовой платы WisBase не во всех случаях может оказаться эффективным с точки зрения конструирования конечного варианта WisBlock-приложения. Измерительный модуль легко присоединяется к базовой плате с помощью 120-миллиметрового плоского гибкого печатного шлейфа (RAK19008), когда требуется нетиповое соединение основных компонентов.

На лицевой стороне RAK12012 и прочих модулей WisBlock нанесена шелкографическая метка, которая указывает на область приложения механического усилия для безопасного извлечения модуля из разъёма базовой платы. Находится метка рядом с коннектором WisConnector.

Физические размеры, мм

Техническая документация

1. Спецификация датчика MAX30102 MAXIM (англ., PDF, Datasheet)
2. Характеристики коннекторов FBB (.PNG)

Полезные ссылки

1. Руководство пользователя RAK12012 Wisnblock HeartRate Sensor
2. Примеры программирования пульсоксиметра RAK12012 MAX30102
3. Cовместимая c AIDE библиотека для датчика MAX30102
4. Репозиторий исходного кода WisBlock на сайте GitHub
5. Краткое руководство пользователя системы WisBlock
6. Руководство по дизайну индивидуальных сенсорных WisIO модулей