Verhoog de nauwkeurigheid van fitnesstrackers met behulp van precisiedruksensoren

Wearables voor gezondheids- en fitnesstracking worden steeds populairder. Aangezien dergelijke toepassingen meestal versnellingsmeters gebruiken als bewegingssensor, zijn ze beperkt in hun vermogen om een nauwkeurige schatting te geven van verticale bewegingen. Dit is echter essentieel voor het nauwkeurig bepalen van parameters zoals het aantal calorieën dat iemand verbrandt bij het lopen op een helling. De toevoeging van een nauwkeurige luchtdruksensor kan de nauwkeurigheid van het meten van verticale bewegingen aanzienlijk verbeteren en kan worden gebruikt bij het valideren van informatie van andere sensoren.

Er zijn tegenwoordig luchtdruksensoren verkrijgbaar die gevoelig genoeg zijn om een hoogteverandering van slechts 13 centimeter (cm) te detecteren. Deze sensoren worden geleverd in compacte, energiezuinige en robuuste modellen die geschikt zijn voor wearables.

In dit artikel wordt allereerst de rol van dergelijke componenten in fitnesstrackers besproken. Vervolgens introduceren we als voorbeeld een luchtdruksensor van TE Connectivity Measurement Specialties die voor deze toepassing kan worden gebruikt en leggen we uit hoe deze kan worden toegepast.

De rol van altimeters in fitnesstrackers

Een belangrijk element van fitnesstrackers is het meten van inertiële beweging met behulp van bijvoorbeeld versnellingsmeters, waarmee parameters zoals het aantal stappen, de afgelegde afstand en verbrande calorieën kunnen worden berekend (Afbeelding 1). Het meten van verticale bewegingen betekent voor dergelijke sensoren echter een uitdaging. Omdat het versnellingsprofiel van een activiteit zoals traplopen voldoende verschilt van gewoon lopen, kunnen deze activiteiten betrouwbaar worden gedetecteerd. Maar op basis van alleen versnelling is het lopen op een helling vaak moeilijk te onderscheiden van lopen op vlakke grond. Toch is er een beduidend verschil in de benodigde inspanning (en verbrande calorieën) tussen deze twee activiteiten.

Sommige consumentenonderzoeken naar de nauwkeurigheid van fitnesstrackers hebben aangetoond dat bepaalde oudere modellen een afwijking van wel 30% kunnen vertonen. Om fitnessparameters nauwkeuriger te kunnen bepalen, moeten fitnesstrackers een eenvoudige en betrouwbare manier implementeren om verticale bewegingen te meten.

Afbeelding 1: Wearables met fitnesstracking worden steeds populairder. (Bron afbeelding: DigiKey, met bronmateriaal van TE connectiviteit)

Een luchtdruksensor, of barometer, kan een oplossing bieden. Onder verder gelijkblijvende omstandigheden is de luchtdruk namelijk afhankelijk van de hoogte volgens een relatie die bekend staat als de ‘lapse rate’, oftewel de snelheid waarmee een atmosferische variabele verandert met de hoogte. Een atmosferische (of barometrische) druksensor kan dus functioneren als een barometrische hoogtemeter door de hoogte met behulp van de volgende vergelijking te berekenen:

Vergelijking 1¹

Waarbij:

P de huidige druk is,

P₀ de druk op zeeniveau (h=0) is,

de hoogte (h) uitgedrukt wordt in meter (m).

Deze vergelijking omvat verschillende aannames, waaronder de atmosferische samenstelling en een omgevingstemperatuur van 15 °C, dus voor een nauwkeuriger berekening van de absolute hoogte is aanvullende informatie nodig. De vergelijking is echter maar weinig afhankelijk van temperatuur en is dus nog steeds van toepassing, zelfs onder verschillende drukomstandigheden. Door eenvoudigweg de resultaten van twee opeenvolgende drukmetingen te vergelijken, kan vergelijking 1 daarom een nauwkeurige hoogteverandering geven.

De standaard luchtdruk op zeeniveau is ongeveer 1013 millibar (mbar), dus een drukverschil van één millibar komt overeen met een verticale verandering van ongeveer 8 m. Dit betekent dat bij gebruik van vergelijking 1 een hoge mate van precisie in drukmeting nodig is om verticale bewegingen op menselijke schaal te detecteren. Gelukkig zijn er tegenwoordig compacte druksensoren met voldoende nauwkeurigheid verkrijgbaar.

Een voorbeeld van een dergelijke luchtdruksensor is de MS5840-02BA MEMS-druksensor (microelectromechanical systems) van TE Connectivity Measurement Specialties (Afbeelding 2). Dit component biedt 24-bit metingen van zowel atmosferische druk als omgevingstemperatuur, waardoor een effectieve hoogteresolutie van 13 cm bij hoogtemetingen wordt bereikt. Een dergelijke resolutie is goed genoeg om de hoogteverandering van een enkele verticale stap te detecteren.

Afbeelding 2: De compacte MS5840-02BA luchtdruksensormodule levert hoge prestaties en precisie met een voetafdruk van 3,3 millimeters (mm) x 3,3 mm en een hoogte van 1,7 mm. (Bron afbeelding: TE connectiviteit)

De MS5840 combineert een MEMS-druksensor met een aangepaste ASIC, die het analoge sensorsignaal digitaliseert, en biedt een host-interface via de I²C-bus, zodat deze module zonder extra componenten aan een fitnesstracker-ontwerp kan worden toegevoegd. Deze compacte opbouwmodule met een voetafdruk van 3,3 mm x 3,3 mm en een hoogte van 1,7 mm is klein genoeg voor gebruik in wearables. Een geaard, duurzaam dopje is verkrijgbaar als optie voor verbeterde ESD-bescherming tegen door de mens gegenereerde statische elektriciteit.

De modules zijn zo nauwkeurig omdat ontwerpers via eerste en tweede orde compensatie van de onbewerkte sensorgegevens variaties in het component en de temperatuur op kunnen vangen. Elk component wordt in de fabriek bij twee temperaturen en twee drukwaarden gekalibreerd. Deze kalibratieparameters kunnen vervolgens worden gebruikt voor eerste orde berekeningen:

• Referentietemperatuur - T_REF
• Drukgevoeligheid bij referentietemperatuur - SENS_T1
• Temperatuurcoëfficiënt van drukgevoeligheid - TCS
• Offset-druk bij referentietemperatuur - OFF_T1
• Temperatuurcoëfficiënt van drukcompensatie - TCO
• Temperatuurcoëfficiënt van de temperatuur - TEMPSENS

Voor eerste orde compensatie gebruiken ontwerpers de kalibratieparameters van het component samen met de niet-gecompenseerde, 24-bit digitale druk (D1) en temperatuur (D2) van de sensor. Het verschil tussen de werkelijke en de referentietemperatuur (dT = D2 - T_REF) wordt berekend en vervolgens gebruikt om de digitale temperatuurwaarde (TEMP = 2000 + dT x TEMPSENS) om te rekenen naar graden Celsius (˚C) met een nauwkeurigheid van 0,01 ˚C (2000 = 20,00 ˚C).

De ontwerper moet vervolgens met behulp van de gecorrigeerde temperatuur de drukwaarde corrigeren door eerst de druk-offset (OFF = OFF_T1 + TCO x dT) en de drukgevoeligheid (SENS = SENS_T1 + TCS x dT) bij de huidige temperatuur te berekenen. Daarna wordt de temperatuurgecompenseerde druk in millibar met een nauwkeurigheid van 0,01 mbar (110002 = 1100,02 mbar) berekend met P = ((D1 x SENS/2²¹) - OFF)/2¹⁵.

Eerste orde gecorrigeerde waarden gelden voor warme lucht. Bij lagere temperaturen hebben de sensoren echter een tweede orde correctie nodig, zoals weergegeven in afbeelding 3. Met behulp van de resultaten van de eerste orde correctie moeten de temperatuur en de druk opnieuw worden berekend voor lage (middelste blok, >10 ˚C) of zeer lage temperaturen (linker blok, ≤ 10 ˚C).

Afbeelding 3: Terwijl eerste orde berekeningen voldoende zijn voor gebruik met warme lucht, kan bij temperaturen lager dan 20 ˚C en lager dan 10 ˚C, tweede orde compensatie van de sensormetingen nodig zijn. (Bron afbeelding: R. Quinnell, met bronmateriaal van TE connectiviteit)

Het resultaat van zowel eerste als tweede orde correcties biedt een hoge mate van nauwkeurigheid voor zowel druk- als temperatuurmetingen over een breed temperatuurbereik, zoals weergegeven in afbeelding 4.

Afbeelding 4: Door zowel eerste als tweede orde compensatie uit te voeren, kunnen ontwerpers met de MS5840-druksensor zeer nauwkeurige resultaten over een groot temperatuurbereik behalen. (Bron afbeelding: TE connectiviteit)

De MS5840 biedt niet alleen een kleine afmeting en een hoge nauwkeurigheid, maar beschikt ook over verschillende andere kenmerken die deze sensor bijzonder geschikt maken voor toepassingen in wearables. De sensor werkt bij een voedingsspanning van 1,5 volt tot 3,6 volt en is compatibel met logische ontwerpen van zowel 1,8 volt als 3,3 volt. Ook is hij energiezuinig met een stroomverbruik in stand-by-modus van minder dan 0,1 microampère (µA).

De bedrijfsstroom is afhankelijk van de frequentie en de resolutie van de sensorwaarden. De ingebouwde analoog-digitaalomvormer (ADC) maakt gebruik van een sigma-delta-conversiemethode met een selecteerbare oversampling-ratio (OSR). Dit biedt ontwikkelaars de mogelijkheid om het compromis tussen conversiesnelheid en energieverbruik te optimaliseren. Piekstroomverbruik tijdens de conversie is gewoonlijk 1,25 milliampère (mA), maar met de OSR ingesteld op maximum (8192) duurt de conversie maar 17 milliseconden (ms), voor een gemiddelde stroom van 20 µA bij metingen van één sample per seconde. De minimale OSR-instelling (256) duurt slechts 0,54 ms voor een gemiddelde stroom van 0,63 µA.

Ook de sensorresolutie wordt beïnvloed door OSR-instellingen. Hier moet rekening mee worden gehouden bij compromisbeslissingen. Bij maximale OSR is de resolutie van de module 0,016 mbar, wat overeenkomt met een hoogteverschil van iets minder dan 13 cm. Bij minimale OSR (25) is de resolutie 0,11 mbar, oftewel ongeveer 90 cm.

Overwegingen bij het ontwerp van de druksensor

Ontwikkelaars die een druksensor als barometrische hoogtemeter willen gebruiken, moeten een aantal overwegingen maken met betrekking tot systeemontwerp. Een MEMS-druksensor is in wezen een dun plaatje silicium, vergelijkbaar met het deksel op een container die gas bevat bij een referentiedruk (of een vacuüm). De bovenkant van het plaatje wordt blootgesteld aan atmosferische druk via een opening of poort in de sensorbehuizing. Als gevolg van een drukverschil tussen de druk in de sensor en de omgevingsluchtdruk buigt het plaatje, waardoor er een mechanische belasting ontstaat die een evenredig elektrisch signaal genereert. De in de MS5840 ingebouwde ASIC detecteert en digitaliseert dit signaal.

Dit betekent echter wel dat de sensor blootgesteld moet zijn aan de omgevingslucht en dat een wearable dus een luchtweg moet hebben van de sensorpoort naar de buitenlucht. Een dergelijke luchtweg laat echter niet alleen lucht toe in het component, maar ook water en vuil. Ontwikkelaars moeten er daarom bij het plaatsen van de sensor in de wearable op bedacht zijn dat de luchtweg niet wordt geblokkeerd en de behuizing zo ontwerpen dat de kans op binnendringen van water wordt geminimaliseerd.

De MS5840 is speciaal ontworpen om dergelijke problemen te voorkomen. De module gebruikt een gelaagde structuur om de sensor te beschermen (Afbeelding 5). De onderste laag is een aluminasubstraat met SMT-soldeerpads die mechanische stabiliteit biedt. Het substraat bevat de MEMS-sensor bovenop de ASIC die voor de signaalverwerking, digitale conversie, en het I²C-interface zorgt. Een ondoorzichtige gel vult de ruimte tussen de elektronica en de roestvrijstalen dop die dient als atmosferische poort voor het component.

Afbeelding 5: De MS5840-druksensormodule bevat een ondoorzichtige gellaag — het zwarte materiaal dat tussen de poort (boven) en de sensor (onder) — om de elektronica tegen licht, vuil en vocht te beschermen. (Bron afbeelding: DigiKey, met bronmateriaal van TE)

De gel vervult verschillende functies. De belangrijkste is het overbrengen van de atmosferische druk naar het sensoroppervlak. De gel vormt een mechanische verbinding tussen de sensor en de lucht, terwijl wordt voorkomen dat vuil en vocht de elektronica binnendringen. Omdat de gel ondoorzichtig is, biedt deze ook extra bescherming tegen licht om door fotonen veroorzaakte elektronische ruis te voorkomen. Het dopje bevat de gel, zorgt voor extra stevigheid van de module en verbetert, dankzij de aardingsoptie, de ESD-immuniteit van de module.

Ontwikkelaars kunnen met deze gelaagde constructie hun wearables waterbestendig te maken door een O-ring aan het dopje van de sensor te bevestigen en de sensor zodanig in de behuizing van de wearable te plaatsen dat de roestvrijstalen poort op één lijn ligt met de luchtopening van de behuizing. Wanneer het component volledig is gemonteerd, zorgt de O-ring tussen de behuizing en het sensordopje ervoor dat er geen vuil en water de behuizing kan binnendringen, terwijl de gel de sensor beschermt.

Een andere factor — en potentiële bron voor meetfouten — waar rekening mee moet worden gehouden bij het integreren van een barometrische hoogtemeter in fitnesstoepassingen is wind. Bewegende lucht oefent namelijk minder druk uit dan stilstaande lucht, zodat een slecht getimede windvlaag een tijdelijke daling van de luchtdruk bij de sensor kan veroorzaken, net op het moment dat een meting wordt uitgevoerd. Deze ‘ruis’ in het luchtdruksignaal kan lijken op een abrupte hoogteverandering. Ontwikkelaars van fitnesstrackers kunnen dergelijke fouten echter eenvoudig beperken door de schijnbare hoogteverandering te valideren met behulp van de versnellingsmeter. Als er namelijk geen overeenkomstige versnelling wordt gemeten, kan het plotselinge hoogteverschil redelijkerwijs buiten beschouwing worden gelaten.

Deze beperking werkt in beide richtingen. Een fietser die over een hobbelig oppervlak rijdt, kan bijvoorbeeld een versnellingsprofiel genereren dat lijkt op het beklimmen van een trap. Maar als die schijnbare klim geen hoogteverandering oplevert, kan het systeem ook overwegen om de versnellingsmeetwaarden af te doen als omgevingsruis.

Conclusie

Naarmate wearable fitnesstrackers vaker worden gebruikt, wordt hun vermogen om gezondheidsgegevens nauwkeurig te meten steeds belangrijker. De toevoeging van een barometrische hoogtemeter kan de nauwkeurigheid van wearable fitnesstrackers op veel manieren verbeteren, met name met betrekking tot de verbrande calorieën. Dergelijke sensoren kunnen ook helpen bij het valideren van metingen van andere sensoren. De druksensor moet echter niet alleen zeer nauwkeurig zijn, maar ook energiezuinig én een zeer kleine voetprint hebben. Zoals hierboven is aangetoond, biedt de MS5840-02BA van TE Connectivity de nauwkeurigheid, energiezuinigheid en kleine afmeting die nodig zijn om te voldoen aan de vereisten van de next-generation draagbare fitnesstrackers.

Referentie

1. A Sensor Fusion Method for Tracking Vertical Velocity and Height Based on Inertial and Barometric Altitude Measurements, Sabatina and Genovese. (Vergelijking 27)