Bild 5: MEMS-Modul IDI003

Bild 5: MEMS-Modul IDI003 (Bild: STMicroelectronics)

Die Innovation und Weiterentwicklung im Bereich der Medizingeräte spielt eine lebenswichtige Rolle bei der Verlängerung der Lebenszeit, der Steigerung der Lebensqualität, der Schaffung zusätzlicher Diagnose- und Therapieoptionen sowie der Verbesserung der Effizienz und Kosteneffektivität des Gesundheitswesens. Das Spektrum der besagten Medizingeräte reicht von einfachen Produkten bis hin zu komplexen, programmierbaren Geräten. Die zur Spitzenklasse zählenden Geräte schaffen stets bessere Voraussetzungen für nicht invasive, kosteneffektive Behandlungen, die in einem schnelleren Genesungsprozess für den Patienten resultieren. Das derzeitige Angebot an modernen Healthcare-Geräten ist groß. Zunehmender Popularität erfreuen sich derzeit Geräte auf Basis der BLE-Technik(Bluetooth-Low-Energy) wie etwa ein Infrarot-Thermometer.

Bild 1: Blockschaltbild der Applikation

Bild 1: Blockschaltbild der Applikation STMicroelectronics

Das BLE-basierte IR-Thermometer besteht aus dem eigentlichen IR-Temperatursensor, einer MEMS-Tochterkarte und der USB-Funktion. Das nicht-invasiv arbeitende Thermometer erfasst die Körpertemperatur mithilfe von Infrarotstrahlung. Die Erfassung der Temperatur erfolgt hierbei durch den IR-Sensor, der die Strahlen auf einem Temperaturdetektor richtet und sie schließlich in ein elektrisches Signal umwandelt. Die Amplitude des elektrischen Signals ist proportional zur Temperatur des Körpers, von dem die empfangenen Infrarotstrahlen ausgehen. Die Temperaturmessung erfolgt somit nicht-invasiv. Die Erfassung der tatsächlichen Kerntemperatur eines menschlichen Körpers ist dagegen nur mit invasiven Verfahren möglich. Deshalb wird das auf nicht-invasivem Weg erhaltene elektrische Signal einer zusätzlichen Nachverarbeitung unterzogen, um die Auswirkungen der nicht-invasiven Messung sowie zeitliche Abweichungen zu kompensieren und den Wert der Kerntemperatur zu erhalten.

Bild 2: Intelligentes Thermometer und Telemetrie-Beacon-Board

Bild 2: Intelligentes Thermometer und Telemetrie-Beacon-Board STMicroelectronics

Das in Bild 1 dargestellte Design verfügt über BLE, USB und einem Doppel-EEPROM und kann daher zum Zweck der Aufzeichnung und Analyse der Temperaturdaten mit Android-Mobiltelefonen und grafischen Benutzeroberflächen (GUIs) kommunizieren. Zusätzlich steht eine Schnittstelle zu einer MEMS-Tochterkarte zur Verfügung, mit deren Hilfe der Anwender Temperatur-, Druck-, Feuchtigkeits- und Beschleunigungssensor-Daten erfassen kann.

Näheres zur Architektur und zum Funktionsprinzip, finden Sie auf der nächsten Seite.

Architektur und Funktionsprinzip

Bild 3. Struktur des BLE-Profils

Bild 3. Struktur des BLE-Profils STMicroelectronics

Wie aus Bild 2 zu entnehmen ist, handelt es sich hier um ein portables, batteriebetriebenes Design auf der Basis des STM32L083Cxx. Dieser wenig Strom verbrauchende, auf dem ARM-Cortex-M0+ basierende Mikrocontroller verfügt über ein eingebautes Daten-EEPROM und kann mit Spannungen von 1,8 V bis 3,6 V beziehungsweise ab 1,65 V im Power-Down-Modus mit Brown-Out-Reset betrieben werden. Ohne Brown-Out-Reset-Option liegt die Spannung zwischen 1,65 V bis 3,6 V.

Der Controller wird zugunsten einer geringeren Stromaufnahme mit 1 MHz getaktet. Im Run-Modus werden zwischen 1 und 1,5 mA aufgenommen, während die Stromaufnahme im Stopp-Modus auf 30 µA zurückgeht. Die RTC (Echtzeituhr) läuft auch im Stopp-Modus ununterbrochen, um den Mikrocontroller aufzuwecken. Nach dem Aufwecken aktualisiert der Mikrocontroller die BLE-Advertising-Daten alle drei Sekunden und wechselt anschließend wieder in den Stopp-Modus. Das Gerät kann entweder von einem Lithium-Ionen-Akku oder von einer Knopfzelle versorgt werden.

Bild 4: Ablaufdiagramm des Zustandsautomaten

Bild 4: Ablaufdiagramm des Zustandsautomaten STMicroelectronics

Im BLE-GATT-Betrieb stellt das Gerät zwei spezifische BLE-Dienste bereit: einen standardmäßigen, SIG-freigegebenen 16-Bit-Thermometer-Dienst für IR-Temperatursensordaten sowie einen kundenspezifischen 128-Bit-Dienst für MEMS-Daten. Die Android-Applikation kann beide Dienste unabhängig voneinander betreiben.

Bei dem BLE-Modul handelt es sich um ein Bluetooth-4.1-konformes Netzwerkprozessor-Modul. Der gesamte Bluetooth-Smart-Stack und die Protokolle sind in das mit einem Blue-NRG-MS-SoC bestückte BLE-Modul eingebaut. Der externe, als Host fungierende Applikationsprozessor, in dem sich die Applikation befindet, ist über ein standardmäßiges SPI-Interface mit dem BLE-Modul verbunden.

Bild 5: MEMS-Modul IDI003

Bild 5: MEMS-Modul IDI003 STMicroelectronics

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Bild 6: Neben der Temperaturanzeige zeigt die Android-App noch weitere Daten wie etwa Luftfeuchtigkeit. STMicroelectronics

Das MEMS-Modul ist mit dem Drucksensor LPS25HB, dem Feuchtigkeitssensor HTS221, dem Beschleunigungssensor LIS3DH sowie dem Mikrofon MP34DT01 von ST ausgestattet. Wie in Bild 5 illustriert, lässt sich das MEMS-Modul an das BLE-basierte IR-Thermometer anschließen, sodass es Aufzeichnungen der Umgebungsparameter erstellen kann.

Anbindung an das Smartphone

Mit der von ST Microelectronics entwickelten Android-Applikation kann der Nutzer die Körpertemperatur messen und Umgebungsparameter aufzeichnen. Die App bietet die Wahl zwischen den beiden Betriebsarten. Im Scanning-Modus kann die App das Gerät als Umgebungssensor-Beacon abfragen, das seinen UUID mit Temperatur-, Feuchtigkeits- und Druck-Daten ausstrahlt. Im Connected-Modus hingegen erscheint die Thermometer-Anzeige, und nach einem Druck auf eine beliebige Stelle werden die Umgebungsparameter angezeigt.

Fazit

Das BLE-basierte IR-Thermometer bietet sich als komfortable Lösung zur Überwachung der Körpertemperatur an. Zusätzlich lassen sich weitere Gesundheitsinformationen in Echtzeit überwachen, und die erfassten Daten können zur weiteren Auswertung aufgezeichnet werden. Das Gerät ist darüber hinaus als Telemetrie-Beacon einsetzbar, sodass sich sämtliche Umgebungsparameter für eine grafische Analyse speichern lassen.

Salil Jain

Salil
(Bild: STMicroelectronics)
Technical Leader bei STMicroelectronics

Alok Mittal

Alok
(Bild: STMicroelectronics)
Group Manager bei STMicroelectronics

(prm)

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