Eckdaten

Ein Schrittzähler ist ein nützliches Hilfsmittel, mit dem sich jederzeit und überall auf komfortable Weise gesundheitsrelevante Messwerte erfassen lassen. Benötigt werden nur das Schrittzähler-Armband und ein Smartphone. Das Gerät hilft, die eigene körperliche Aktivität zu überwachen, aufzuzeichnen und zu analysieren und daraufhin die notwendigen Maßnahmen einzuleiten.

Ein Schrittzähler erfasst die von der betreffenden Person gemachten Schritte, woraus sich zurückgelegte Wegstrecke, Geschwindigkeit und verbrauchten Kalorien errechnen lassen. Von ST Microelectronics gibt es ein Referenzdesign zur Entwicklung eines als Armband ausgeführten, NFC-basierten Schrittzählers mit einer dazugehörigen Android-App. Entwickelt wurde die Lösung unter Verwendung eines 3-Achsen-Beschleunigungssensors, eines sparsamen und leistungsfähigen Mikrocontrollers sowie einer NFC-Kommunikationseinheit.

NFC (Near Field Communication) ist ein drahtloses mit einer Frequenz von 13,56 MHz arbeitendes Übertragungsverfahren auf RFID-Basis (Radio Frequency Identification). Damit eine Kommunikation zwischen den beteiligten Geräten zustande kommt, ist es erforderlich, diese einander anzunähern.

Die meisten heutigen Mobiltelefone sind mit einer NFC-Schnittstelle ausgestattet und können deshalb für die

Ansicht des Wearable-Schrittzählers.

Ansicht des Wearable-Schrittzählers. ST Microelectronics

Die Systemarchitektur im Überblick.

Die Systemarchitektur im Überblick. ST Microelectronics

Ansicht der Leiterplatte von oben.

Ansicht der Leiterplatte von oben. ST Microelectronics

Ansicht der Leiterplatte von unten.

Ansicht der Leiterplatte von unten. ST Microelectronis

Die Android-App zum ST-Schrittzähler.

Die Android-App zum ST-Schrittzähler. ST Microelectronics

Kommunikation mit dem Schrittzähler genutzt werden. Da der Informationsaustausch mit dem Benutzer über das Display seines Handys abgewickelt werden kann, lässt sich der Schrittzähler schlank, leicht und portabel ausführen. Dank der einfachen Anwendung und der angenehmen Trageweise eignet er sich auch gut für ältere Personen.

Hauptbestandteile des Systems

Der Wearable-Schrittzähler besteht im Wesentlichen aus den folgenden Komponenten:

  • Mikrocontroller (MCU) STM32L051K6U6D
  • Dynamic NFC/RFID-Tag-IC M24SR64-Y
  • Beschleunigungssensor LIS3DH
  • Akkulader mit Spannungsregler STNS01
  • Lithium-Ionen-Akku (3,7 V/35 mAh)
  • Android-App

Der Wearable-Schrittzähler beruht auf einem Mikrocontroller der Serie STM32L. Da er für eine geringe Leistungsaufnahme sorgt und genügend Verarbeitungsleistung zur Verfügung stellt, eignet er sich gut für diese Anwendung. Zudem stellt er eine vielfältige On-Chip-Peripherie (zum Beispiel SPI, I2C und A/D-Wandler) zur Verfügung.

Das Dynamic NFC/RFID-Tag-IC M24SR64-Y kann wahlweise das I2C-Interface nutzen, mit einem 13,56-MHz-RFID-Leser arbeiten oder mit einem NFC-fähigen Mobiltelefon kommunizieren. Der Baustein hilft beim Aufbau einer kostengünstigen Funkkommunikation zwischen Schrittzähler und Telefon. In seinem eingebauten EEPROM-Speicher werden außerdem die Schrittzähler-Ergebnisse und weitere notwendige Informationen abgelegt. I2C ist eine zweiadrige serielle Schnittstelle bestehend aus einer bidirektionalen Datenleitung und einer Taktleitung. Das Interface verhält sich gemäß I2C-Protokoll als Slave.

Zum Errechnen der verschiedenen Schrittzähler-Resultate wurden die Ausgangssignale des sparsamen, leistungsfähigen 3-Achsen-Beschleunigungssensors vom Typ LIS3DH mit einem bestimmten Algorithmus verarbeitet. Seine Ergebnisse gibt der Baustein über ein digitales, serielles I2C/SPI-Interface aus. Die Kommunikation zwischen Mikrocontroller und dem Beschleunigungsaufnehmer LIS3DH erfolgt über die chipintegrierte SPI-Schnittstelle des Mikrocontrollers.

Der eingesetzte Li-Ion-Akku (3,7 V/35 mAh) ermöglicht der Applikation eine Betriebszeit von einigen Tagen. Mithilfe eines Micro-USB-Steckverbinders wird die externe Stromquelle zum Laden des 3,7-V-Li-Ion-Akkus angeschlossen. Der STNS01, ein linearer Laderegler für einzellige Li-Ion-Akkus, nutzt den CC/CV-Algorithmus zum Laden des Akkus und verfügt über mehrere Funktionen zum Schutz des Akkus. Mit einem externen Widerstand lässt sich der Schnellladestrom programmieren. Bei der Bereitstellung einer geregelten Versorgungsspannung für den Mikrocontroller, den Beschleunigungssensor und das Dynamic NFC/RFID-Tag-IC hilft der eingebaute 3,1-V-Spannungsregler. Bilder 3 und 4 zeigen die Ober- beziehungsweise die Unterseite der bestückten Leiterplatte.

Einzelheiten zum Flussdiagramm

  • Nach dem Einschalten konfiguriert und initialisiert der Mikrocontroller alle Peripheriefunktionen des Systems.
  • Anschließend wechselt das System in den Stop-Modus, um die Leistungsaufnahme abzusenken.
  • Sobald ein NFC-kompatibles Mobiltelefon in den Einzugsbereich des Geräts kommt, beginnt die drahtlose Kommunikation per NFC.
  • Sobald eine Funkverbindung hergestellt ist, schreibt die auf dem Smartphone laufende Android-App Daten in den Speicher des Dynamic NFC/RFID-Tag-IC. Bei diesen Daten handelt es sich um Befehle und andere für den Betrieb des Schrittzählers benötigten Informationen.
  • Darüber hinaus erzeugt das Tag-IC einen externen Interrupt, um den Mikrocontroller aus dem Stop-Modus aufzuwecken.
  • Nach dem Aufwecken liest der Mikrocontroller das NFC-Tag-IC aus, um die empfangenen Befehle zu überprüfen.
  • Liegt ein Start-Befehl vor, beginnt die Schrittzähler-Applikation zu arbeiten. Anderenfalls, das heißt bei einer Stop-Anweisung oder einem unbekannten Befehl, wechselt das System wieder in den Stop-Modus.
  • Die Schrittzähler-Anwendung arbeitet ununterbrochen, wobei Beschleunigungssensor Bewegungen erfasst. Wurde eine bestimmte Zeitspanne lang keine Bewegung registriert, geht die Applikation in den Low-Power-Modus über, um Strom zu sparen. Beim Detektieren einer Bewegung reaktiviert sie sich wieder.
  • Das System speichert die Ergebnisse im Fall einer längeren inaktiven Phase automatisch im Speicher des Tag-IC und wechselt in den Stop-Modus, um Strom zu sparen.
  • Sobald das System einen Stop-Befehl erhält, speichert der Mikrocontroller das Ergebnis über das I2C-Interface im NFC-Speicher und geht in den Stop-Modus über.

Aufgabe des Beschleunigungssensors in der Schrittzähler-Applikation

Die Android-App ST NFC Based Pedometer im Google Play Store.

Die Android-App ST NFC Based Pedometer im Google Play Store. ST Microelectronics

Der 3-Achsen-Beschleunigungsaufnehmer dient zum Messen der Beschleunigung einer Person entlang der X-, Y- und Z-Achse. Für alle drei Achsen werden die Ausgangswerte periodisch erfasst und dem Schrittzähler-Algorithmus zugeführt, der neben der Schrittzahl auch die zurückgelegte Entfernung, die Geschwindigkeit und die verbrauchten Kalorien errechnet. Der auf MEMS-Technologie (Mikro-Elektromechanisches System) beruhende Beschleunigungsaufnehmer LIS3DH zeichnet sich durch einen niedrigen Stromverbrauch und kleine Abmessungen aus, was ihn für diese Anwendung besonders geeignet macht. Außerdem trägt der Baustein zur Realisierung eines präziseren, kostengünstigeren, kompakteren und weniger Strom verbrauchenden Schrittzählersystems bei.

Stromsparende Implementierung

Der Mikrocontroller übernimmt die Kommunikation mit dem Dynamic NFC/RFID-Tag-IC zum Austausch von Informationen mit dem Mobiltelefon beziehungsweise Tablet des Anwenders. Je nach dem eingegebenen Befehl verarbeitet er die vom Beschleunigungsaufnehmer kommenden Daten, um Werte wie die Zahl der Schritte, die verbrannten Kalorien und weitere zu berechnen. Zusätzlich übernimmt der Baustein die Stromversorgung des Beschleunigungssensors und des Dynamic NFC/RFID-Tag-ICs mit dem Ziel, eine minimale Leistungsaufnahme zu erreichen. Die Stromaufnahme des Schrittzählers beträgt ungefähr 6 µA im Stromspar-Betrieb (Stopp-Modus) und ungefähr 350 µA im Run-Modus.

M24SR ist eine Familie von Tag-ICs gemäß Typ 4 des NFC Forums. Speicherorganisation und Zugriffsweise erfüllen die entsprechenden Spezifikationen des NFC-Forums. Die NDEF-Spezifikation (NFC Data Exchange Format) legt ein Format zur Kapselung von Nachrichten für den Informationsaustausch fest, beispielsweise zwischen einem NFC Forum Device und einem anderen NFC Forum Device oder einem NFC Forum Tag. Eine NDEF-Nachricht kann abhängig von den Anforderungen der Applikation aus mehreren NDEF Records bestehen.

Android-basierte Schrittzähler-App

Die Android-App ST NFC Based Pedometer ist im Google Play Store verfügbar. Sie dient, wie in den vorigen Abschnitten beschrieben, zum Starten und Anhalten des Schrittzählers. ST NFC Based Pedometer ist eine auf Android basierende benutzerfreundliche App, die sich der NFC-Technik bedient.

Eigenschaften der App

Über die App lässt sich der Schrittzähler starten und stoppen, und die Werte (Schrittzahl, Kalorien, zurückgelegte Entfernung und weitere) können im NDEF-Format aus dem Schrittzähler ausgelesen werden. Das NDEF-Format bietet folgende Eigenschaften:

  • Demo-Modus in der App für den Zugriff auf die Anwendung, ohne sich als Benutzer zu registrieren.
  • Start- und Stopp-Funktion (zur Vermeidung von Verwechslungen mit einem Button realisiert).
  • Historie für die einzelnen registrierten Benutzer und Demo-Benutzer.
  • Interaktive Grafiken zeigen die Fortschritte des Benutzers in Bezug auf Schrittzahl, Kalorien, Entfernung und Geschwindigkeit.
  • Anwender können einzelne Einträge der Historie oder die gesamte Historie löschen.
  • Durch Antippen der entsprechenden Einheiten in der App lässt sich die Geschwindigkeit wahlweise in km/h oder m/s anzeigen.
  • Registrierte Benutzer können ihr Profil mit dem Modul ‚Edit Profile‘ in der rechten oberen Ecke bearbeiten.
  • Ein eingeloggter Benutzer ist bis zum erneuten Ausloggen bei jedem Start der App standardmäßig eingeloggt.
  • Benutzer können die App nach Starten des Schrittzählers schließen. Wird die App zum Stoppen des Schrittzählers erneut geöffnet, startet sie in dem Zustand, in dem sie geschlossen wurde (d. h. der Stop-Button wird angezeigt).

Die App nutzt die SQ-Lite-Datenbank zum Abspeichern aller Messwerte, die per NFC aus dem im Schrittzähler eingebauten Dual EEPROM ausgelesen wurden.