Делаем недорогой пульсоксиметр с питанием от USB на основе платы Arduino Nano R3 с использованием OLED-дисплея.
Комплектующие
Для разработки пульсоксиметр на основе Ардуино на понадобятся следующие компоненты оборудования:
- Arduino Nano R3 × 1
- Высокочувствительный пульсоксиметр и датчик сердечного ритма MAX30102 × 1
- Дисплей DFRobot Gravity I2C OLED-2864 × 1
Программное обеспечение:
- Arduino IDE
- Autodesk Fusion 360
Ручные инструменты:
- 3D-принтер (универсальный)
- Паяльник (универсальный)
Остановимся подробнее на комплектующих:
MAX30102
128x64 Pixel OLED
Arduino Nano R3
По работе с платой Ардуино Нано у нас есть очень большой мастер-класс по этой ссылке.
О проекте
Идея проекта возникла из-за ситуации с COVID-19. Это заболевание, вызываемое вирусом SARS-CoV-2, поражает, прежде всего, дыхательную систему человека. Некоторые более легкие симптомы могут включать лихорадку, боли и озноб, но также может привести к более серьезным проблемам, таким как пневмония.
Человек, у которого есть пневмония или даже небольшая одышка, может не понимать, когда ему лучше обратиться за помощью. Так и появилась идея создания пульсоксиметра с открытым исходным кодом, который может помочь людям получить необходимую помощь и точную информацию об их текущем состоянии.
Давайте опишем принцип действия пульсоксиметра, который приведен в Википедии:
В основу метода положено 2 явления. Во-первых, поглощение гемоглобином (Hb) света двух различных по длине волн меняется в зависимости от насыщения его кислородом. Во-вторых, световой сигнал, проходя ткани, приобретает пульсирующий характер вследствие изменения объёма артериального русла при каждом сердечном сокращении.
Пульсоксиметр имеет периферический датчик, в котором находится источник света двух длин волн — 660 нм («красный») и 940 нм («инфракрасный»). Степень поглощения зависит от того, насколько гемоглобин крови насыщен кислородом (каждая молекула Hb способна присоединить максимум 4 молекулы кислорода). Фотодетектором регистрируются изменения цвета крови в зависимости от этого показателя. Усреднённое наполнение отображается монитором пульсоксиметра.
Распечатываем детали
Для работы можно использовать файлы из архива в формате .stl:
Собираем схему
Наше устройство создано на основе Arduino Nano, которая закрепляется на кусок картона размером 44 на 30 мм. Сначала провода припаиваются к контактам VIN, GND, SDA и SCL датчика.
Разъем для OLED подключается к Nano, а затем идет к самому дисплею.
Наконец, вся электроника собирается в корпусе и закрепляется с помощью пары винтов 3 мм.
Сборка устройства
Электроника вставляется в корпус. Размещаем экран OLED на верхней части корпуса и закрепляем его с помощью пары винтов 3 мм. Вы можете осторожно наклонить крышку вверх и вниз для проверки закрепления экрана.
Скетч для пульсоксиметра
Скетч ниже выполняет несколько действий для отображения текущего пульса пользователя и степени насыщения кислородом. Чтобы загрузить его, просто установите необходимые библиотеки и выберите Arduino Nano в списке плат в меню "Инструменты" (Tools) и нажмите "Загрузить" (Upload).
Нам понадобятся следующие библиотеки:
Эскиз сначала инициализирует OLED и MAX30102, сообщая при этом о любых ошибках, которые могут возникнуть. Затем он считывает 100 значений для калибровки датчика и начинает отображать их. Затем устройство входит в цикл, где оно считывает 25 новых значений и вычисляет среднее. Наконец, он проверяет правильность значений и выводит их на экран, если они есть.
#include <Wire.h> #include "MAX30105.h" #include "spo2_algorithm.h" #include "SSD1306Ascii.h" #include "SSD1306AsciiWire.h" MAX30105 particleSensor; SSD1306AsciiWire oled; #define MAX_BRIGHTNESS 255 #if defined(__AVR_ATmega328P__) || defined(__AVR_ATmega168__) //Arduino Uno doesn't have enough SRAM to store 50 samples of IR led data and red led data in 32-bit format //To solve this problem, 16-bit MSB of the sampled data will be truncated. Samples become 16-bit data. uint16_t irBuffer[50]; //infrared LED sensor data uint16_t redBuffer[50]; //red LED sensor data #else uint32_t irBuffer[50]; //infrared LED sensor data uint32_t redBuffer[50]; //red LED sensor data #endif int32_t spo2; //SPO2 value int8_t validSPO2; //indicator to show if the SPO2 calculation is valid int32_t heartRate; //heart rate value int8_t validHeartRate; //indicator to show if the heart rate calculation is valid void setup() { Serial.begin(115200); // initialize serial communication at 115200 bits per second: oled.begin(&Adafruit128x64, 0x3C); oled.setFont(Arial14); // Initialize sensor if (!particleSensor.begin(Wire, I2C_SPEED_FAST)) //Use default I2C port, 400kHz speed { Serial.println(F("MAX30105 was not found. Please check wiring/power.")); while (1); } particleSensor.setup(55, 4, 2, 200, 411, 4096); //Configure sensor with these settings } void loop() { //read the first 50 samples, and determine the signal range for (byte i = 0 ; i < 50 ; i++) { while (particleSensor.available() == false) //do we have new data? particleSensor.check(); //Check the sensor for new data redBuffer[i] = particleSensor.getRed(); irBuffer[i] = particleSensor.getIR(); particleSensor.nextSample(); //We're finished with this sample so move to next sample Serial.print(F("red=")); Serial.print(redBuffer[i], DEC); Serial.print(F(", ir=")); Serial.println(irBuffer[i], DEC); } //calculate heart rate and SpO2 after first 50 samples (first 4 seconds of samples) maxim_heart_rate_and_oxygen_saturation(irBuffer, 50, redBuffer, &spo2, &validSPO2, &heartRate, &validHeartRate); //Continuously taking samples from MAX30102. Heart rate and SpO2 are calculated every 1 second while (1) { //dumping the first 25 sets of samples in the memory and shift the last 25 sets of samples to the top for (byte i = 25; i < 50; i++) { redBuffer[i - 25] = redBuffer[i]; irBuffer[i - 25] = irBuffer[i]; } //take 25 sets of samples before calculating the heart rate. for (byte i = 25; i < 50; i++) { while (particleSensor.available() == false) //do we have new data? particleSensor.check(); //Check the sensor for new data redBuffer[i] = particleSensor.getRed(); irBuffer[i] = particleSensor.getIR(); particleSensor.nextSample(); //We're finished with this sample so move to next sample Serial.print(F("red=")); Serial.print(redBuffer[i], DEC); Serial.print(F(", ir=")); Serial.print(irBuffer[i], DEC); Serial.print(F(", HR=")); Serial.print(heartRate, DEC); Serial.print(F(", HRvalid=")); Serial.print(validHeartRate, DEC); Serial.print(F(", SPO2=")); Serial.print(spo2, DEC); Serial.print(F(", SPO2Valid=")); Serial.println(validSPO2, DEC); } //After gathering 25 new samples recalculate HR and SP02 maxim_heart_rate_and_oxygen_saturation(irBuffer, 50, redBuffer, &spo2, &validSPO2, &heartRate, &validHeartRate); printToScreen(); } } void printToScreen() { oled.clear(); oled.setCursor(0,0); if(validSPO2 && validHeartRate) { oled.print(F("HR: ")); oled.println(heartRate, DEC); oled.print(F("SPO2: ")); oled.println(spo2, DEC); } else { oled.print(F("Not valid")); } }
Чтобы использовать пульсоксиметр, поместите кончик пальца поверх датчика и аккуратно закройте верхнюю крышку. Затем подключите источник питания и просто подождите, пока не увидите отображаемые данные.
Оригинал статьи - hackster.io. Мнение редакции ArduinoPlus.ru может не совпадать с с мнением автора оригинальной статьи.
31 июля 2020 в 09:07
У меня при компиляции выдает ошибку maxim_heart_rate_and_oxygen_saturation(irBuffer, 50, redBuffer, &spo2, &validSPO2, &heartRate, &validHeartRate);