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COVID-19 – Misurare temperatura corporea con accuratezza di +/-0.1°C – puntata 2

Posted in hardware by jumpjack on 22 maggio 2020

— IN AGGIORNAMENTO — PROGETTO IN CORSO —

E’ arrivato l’ultimo componente hardware necessario per il progetto: il ClosedCube breakout SHT35-D. Datasheet.

 

Quello che serve adesso per realizzare il progetto completo è:

Hardware

  • nuovo supporto stampato in 3d per il cinturino
    • ne ho stampato uno provvisorio tanto per provare, e funziona, ma non avendo tra  le mani la schedina SHT35 non potevo progettare quello definitivo, che contiene sia l’m5stickC che il sensore
    • FATTO; da mettere online il file 3d –>è sbagliato perchè l’ho predisposto per avere i pin dell’SHT sul lato dell’m5stickC col connettore lungo, ma i pin SDA/SCL sono sul connettore GROVE!
    • testare fissaggio del cinturino con perni in fil di ferro
  • connessione hardware tra sensore e m5stickC

M5stickC pinout

24/5/2020: FATTO. Connessione effettuata, sketch di prova funziona: vedo valori di temperatura e umidità sulla seriale; però ho dovuto cambiare da 0x44 a 0x45 l’indirizzo I2C del sorgente di esempio.

In compenso non vengono mostrati correttamente i valori float sul display, nonostante la copiatura dall’esempio “TFT_Float_Test.ino”

    • Esiste comunuque una libreria che permette di usare come pin I2C qualunque coppia di pin
    • L’alimentazione dell’SHT35 può essere sia 3.3V che  5V (max 5.5V), e la Vout della porta GROVE è 5V.
  • Altri pin utili:
    ESP32 GPIO10 GPIO9 GPIO37 GPIO39
    RED LED LED pin
    IR transmitter Transmitter pin
    BUTTON A Button pin
    BUTTON B Button pin
  • isolamento elettrico dei contatti del sensore dal sudore della pelle
  • verificare presenza di cicalino a bordo per allarme acustico in caso di temperatura pericolosa –> no, serve esterno

Software

Il software dovrà avere una serie di componenti, alcuni accessori, altri indispensabili; ovviamente non reinventerò la ruota ma andrò scopiazzando di qua e di là cosa c’è di disponibile. Chiaramente la prima cosa da fare è visualizzare la temperatura, anche senza ora attuale; il resto verrà dopo.

  • scansione dispositivi I2C (anche le periferiche di bordo sono su I2C, su pin vari) LINK
  • lettura e visualizzazione dati sensore SHT35
    • c’è una libreria specifica ClosedCube e una Adafruit, verificare
    • pare che nella libresria ClosedCube esista un modo per leggere la temperatura “periodicamente”, verificare se consuma di meno –> è una caratteristica del sensore, ma consuma 30 volte più corrente della lettura singola (70 uA invece che 2 uA)
    • Nella libreria ClosedCube il risultato della lettura del sensore tramite le varie funzioni possibili è di questo tipo:
      struct SHT31D {
      float t;
      float rh;
      SHT31D_ErrorCode error;
      };
      Quindi bisogna:

      • Definire la variabile:
        • SHT31D   risultato;
      • Assegnare alla variabile il valore della lettura effettuato tramite una delle 3 funzioni:
        1. readTempAndHumidity(repeatability, mode, timeout);
          • E’ la più generica: permette di scegliere una delle altre due in base al parametro “mode”.
        2. readTempAndHumidityClockStretch(repeatability);
        3. readTempAndHumidityPolling(repeatability, timeout);
      • Non sono riuscito a trovare nessuna info in merito alla differenza dei due metodi, quindi userei quello più semplice, con singolo parametro, tenendo in considerazione l’unica cosa che ho capito: più è basso il valore di repeatability, minori son i consumi; e noi dobbiamo tenere i consumi al minimo per prolungare la durata della batteria. Useremo quindi la funzione 2, con parametro pari alla costante SHT3XD_REPEATABILITY_LOW.
      • Utilizzare di temperatura contenuto nella variabile-risultato:
        • risultato.t
  • impostazione ora attuale
    • ho scoperto che è possibile impostare l’ora del PC sull’ESP32 al momento del caricamento dello sketch; questa riga memorizza in una variabile data e ora attuale:
      const char compile_date[] = __DATE__ ” ” __TIME__;
      risultato: May 22 2020 16:55:46  –> verificare configurabilità formato
    • l’orario andrà in qualche modo memorizzato nell’RTC di bordo
    • l’istruzione setTime(8,29,0,1,1,11) è valida solo per Arduino/AVR o anche per ESP32/M5stickC?
    • ho trovato diversi sorgenti, sia per orologi digitali che analogici; molti si basano su millis(), ma sarebbe meglio basarsi sull’RTC incorporato; pare che abbia una pessima precisione (5%, quindi un minuto perso ogni 3 ore!) se basato su riferimento interno, ma ottima se basato su un cristallo “esterno”: da verificare quanto/come “esterno. Discussione, discussione
    • esempio ufficiale RTC su M5stickC
    • si può usare server NTP er impostare l’ora; ci sono vari sorgenti, ma bisogna prima riuscire a collegarsi al WiFi! E al momento il mio m5stickC non si collega… Impostare oratio NTP con una riga singola: configTime(0, 0, pool.ntp.org);
  • visualizzazione ora/data: FATTO
  • visualizzazione livello batteria
  • impostazione deepsleep: la batteria deve durare almeno 24 ore, chissà se è possibile.
    • verificare i consumi in deepsleep dell’m5stickC –> 10uA (solo RTC e RTC memory); è presente anche un ULP (Ultra Low Power) processor, che consuma appena 100 uA o 150 uA durante il deepsleep, secondo come viene impostato, ma va programmato separatamente dallo sketch principale.
    • verificare i consumi in deepsleep dell’SHT35 –> 2 uA in attesa, 1500uA in misurazione, durata da 4ms a 15ms a seconda della ripetibilità impostata
    • Considerando i dati sopra, con un consumo di 12uA e una batteria da 80.000 uAh si avrebbe un’autonomia teorica di 6666 ore. Ovviamente però ogni tanto il dispositivo si accende, vuoi per leggere i valori e salvarli, vuoi perchè consultato dall’utente, quindi i consumi reali sono da valutare. Poichè l’M5stickC è dotato di appositi comandi per leggere la quantità di corrente assorbita in un dato momento grazie al power manager di bordo AXP192, volendo è possibile salvare questi dati durante l’utilizzo e fare una stima dell’autonomia reale possibile.
  • logging dei dati in memoria FLASH tramite SPIFFS; esempio1
  • visualizzazione grafico temperatura delle ultime X ore direttamente sul display; bisogna tracciare gli ultimi “n” valori; il display è 80×160. la temperatura può oscillare tra 36.0 e 38.0, quindi basterebbe una striscia alta 20 pixel. drawPixel(int16_t x, int16_t y, [uint16_t color]);
  • visualizzazione alert visivo in caso di temperatura pericolosa: usare immagini in formato XBM (BMP monocromatiche in formato testuale/esadecimale)
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COVID-19 – Misurare temperatura corporea con accuratezza di +/-0.1°C

Posted in hardware by jumpjack on 15 maggio 2020

Ai tempi del COVID-19, per molte settimane – e speriamo non mesi – ci verrà misurata la temperatura in continuazione: andando a lavoro, entrando nei locali, andando dal barbiere; per ora infatti è l’unico modo istantaneo per verificare, anche se molto a grandi linee, se si è infetti o no.

Potrebbe allora essere comodo potersi misurare da sè la temperatura corporea, senza dover stare ogni volta 5 minuti col termometro sotto l’ascella, o senza spendere 50 euro per un termometro a infrarossi; senza contare che sarebbe molto utile poter avere un grafico dell’andamento della temperatura nella giornata.

Stanno iniziando a comparire sul mercato i primi braccialetti fitness o smartwatch con termometro incorporato, ma per ora solo in spedizione dalla Cina, e comunque nessuno fornisce il grado di accuratezza della misurazione (tranne questo, che dichiara 0.1°C); e considerando, ad esempio, che per esempio che il termometro di una tipica stazione meteo ha un’accuratezza dichiarata di +/-2°C, significa che se usassimo quel termometro per misurarci la febbre, e avessimo 37.5°, quel termometro potrebbe dire un qualunque valore fra 35.5° (in ipotermia) o 39.5° (con le pezze in fronte)…

Serve quindi una misurazione molto più precisa, con uno scarto di pochi decimi di grado.

Ecco allora un elenco di alcuni sensori di temperatura ad alta accuratezza: anche se, usandoli per il fai-da-te, non possono essere usati come presidio medico per decidere se e come curarsi, possono comunque dare un valido indizio per decidere se poi farsi una misurazione seria con uno strumento certificato.

Ecco dunque la lista:

  1. SHT35: +/-0.1°C (Sensirion) (temperatura/umidità)
  2. STS35: +/-0.1°C (Sensirion) (solo temperatura)
  3. SHT85: +/-0.1°C (Sensirion) (temperatura/umidità)
  4. Si7051: +/-0.1°C (Silicon Labs)
  5. MAX30205: +/-0.1°C (Maxim Integrated)
  6. MAX30208: +/-0.1°C (Maxim Integrated)
  7. MCP9808: +/-0.1°C  (Microchip) (solo temperatura)

 

Altri  meno accurati:

 

Sono tutti sensori davvero minuscoli, grandi quanto l’unghia del mignolo, quindi impossibili da gestire con un saldatore classico: servirebbe un fornetto per saldature SMD. Per fortuna però per molti esistono delle versioni già saldate su breadboard; alcune sono molto rare e disponibili solo in ordine dalla cina, ma altre sono piuttosto diffuse e si trovano su ebay Italia o addirittura su Amazon, alcuni persino con spedizione gratuita con Prime da un giorno all’altro.

E’ importante quindi saper distinguere quale è il migliore. I dati di accuratezza  sono espressi come un singolo numero, ma un modo più preciso per definire l’accuratezza è un grafico; nei datasheet di questi oggetti sono presenti grafici come questo, che indicano quant’è il massimo possibile errore di misurazione (asse Y, a sinistra) alle varie temperature (asse X, in basso):

Questo grafico dice ad esempio che per questo specifico componenbte “tipicamente”, per misurazioni tra +20°C e +60°C, lo scarto tra temperatura misurata e reale è di 0.1°C, mentre quello “massimo” è di 0.3°C.

Prendendo i grafici di tutti i vari sensori e raggruppandoli tutti in un’unica figura, ho ottenuto quanto segue:

Si nota chiaramente come tutti i sensori siano più accurati nella zona di interesse, che è quella della temperatura del corpo umano, la quale può variare fra 35 e 43 gradi, dove ovviamente i valori estremi si hanno solo in caso di gravissima malattia: la temperatura tipica di un essere umano in salute è infatti di circa 37°C. “Circa” perchè la temperatura può variare per vari motivi:

In base al punto di misurazione:

In base al momento della misurazione:

Persino in base all’umore:

 

Questa tabella indica alcune temperature di riferimento, da cui si evince perchè bisogna allertarsi, in tempi di pandemia mondiale da coronavirus, se la temperatura sale sopra i 37.5°C:

Scelta del sensore

Qual è il sensore migliore tra quelli elencati prima?

Ovviamente quello che ha deviazione/errore più basso in prossimità dei 37 gradi, quindi quelli della prima lista, con accuratezza di 0.1°C; poi però bisogna trovare:

  1. quello più facilmente reperibile in Italia
  2. il meno costoso
  3. quello più pratico

Per il punto 1: scartiamo quindi quelli su Aliexpress e simili, che probabilmente, ordinati a maggio 2020, arriverebbero dopo che sarà stato inventato il vaccino… Orientiamoci quindi su siti italiani, su Ebay con spedizione dall’Europa, e su Amazon.

Per il punto 2: se c’è su Amazon, vediamo se è disponibile con spedizione gratuita.

Per il punto 3: verifichiamo se ci sono già librerie disponibili per Arduino, o addirittura kit di test già pronti.

 

Per quanto riguarda Amazon Prime, la scelta è molto limitata: ci sono solo SHT35 e Si7051. Su Ebay la scelta è un po’ più ampia: SHT35, SHT85, Si7051,  MAX30205.

Per quanto riguarda le librerie Arduino, ce ne sono per i Sensirion SHT3x e per i Silicon Labs Si7051 dalla Adafruit (o anche per i Silicon Labs Si7013, Si7020 e Si7021, che però hanno accuratezza troppo bassa (+/-0.5°C)).

Schede preassemblate

SHT31 Smart Gadget

Il Sensirion SHT35 ha un punto a suo favore in più: esiste un modulo già assemblato dotato di batteria tampone, circuito di lettura del sensore e schermo LCD, cose che altrimenti dovremmo aggiungere noi a mano, assemblare e testare: si chiama SHT31 Smart Gadget:

Clicca qui per una foto a risoluzione esagerata: link

Lo Smart Gadget è disponibile su:

Come è facile intuire dal nome, non è basato sull’SHT35 da +/-0.1°C ma sull’SHT31 da +/-0.2°C: ci si può accontentare di 0.2, oppure si può pensare di sostituire il sensore SHT31 con un altro: la scheda infatti espone i 4 pin a cui è collegato il sensore tramite protocollo I2C (Vcc, GND, SDA, SCL), che quindi può essere staccato e facilmente sostituito, a livello di hardware; per quanto riguarda la compatibilità SW, dal momento che le librerie arduino sono dichiarate come compatibili per tutti i modelli SHT3x, è ipotizzabile che anche questa scheda già pronta sia compatibile con tutti gli SHT3x. Naturalmente per esserne sicuri al 100%, anche qui bisognerebbe leggere in dettaglio nel datasheet i registri e i protocolli.

Importante anche l’indirizzo I2C assegnato: per certe board che montano SHT31 può essere impostato su 0x44 (default) o 0x45 a seconda di come è connesso il pin ADR (ADDRESS). Altre board hanno indirizzo fisso non modificabile, quindi non sono adatte:

Sullo smart gadget l’SHT31 ha il pin ADDR collegato all’alimentazione, quindi, da datasheet, l‘indirizzo è impostato su 0x45.

Lo Smart gadget è dotato di memoria onboard e capacità di logging, e sono disponibili due app della Sensirion stessa per scaricare i dati e mostrarli sul cellulare Android o iOS (qui l’app Android precedente e ormai abbandonata).

Il sensore esterno SHT35 si trova già montato su basetta con connettore GROVE, preimpostata su indirizzo 0x45, quindi direttamente collegabile al gadget.

L’immagine che segue mostra il retro di una schedaGrove SHT35, evidenziando le piazzole utilizzabili per modificare l’indirizzo dal default 0x45 a 0x44:

Affinchè una scheda SHT35 funzioni su uno Smart Gadget SHT31, deve essere impostata sullo stesso indirizzo che l’SHT31 ha sulla scheda (0x45); in caso di errore non si rompe niente, ma il sensore non verrà visto dalla scheda.

E’ disponibile, tra parentesi, anche una libreria Arduino per il sensore STS35, sempre della Sensirion, sempre da +/-0.1°C, ma solo sensore di temperatura (mentre l’SHT35 contiene anche un sensore di umidità ambientale, in realtà inutile per la nostra applicazione).

Sempre su RS è disponibile anche una board in formato “Grove” contenente il sensore SHT35 (disponibile da giugno) a 15,00 euro o su robot-domestici a 26,00 euro.

Questo è il manuale dello Smart Gadget, questa la pagina ufficiale

Esaminando i file gerber dello SmartGadget, è spossibile individuare come e a cosa sono connessi i vari pin, e scoprire che dal lato opposto della batteria c’è proprio una predisposizione per collegare un sensore esterno:

 

Basta quindi tagliare le piste di rame vicino al sensore, saldare il nuovo sensore alle piazzole libere, e ottenere quindi (in teoria) uno Smart gadget con accuratezza di +/-0.1°C anzichè 0.3°C; la rimozione dell’SHT31 è in ogni caso necessaria perchè è montato dalla parte del display, mentre è necessario che sia attaccato al polso per leggere correttamente la temperatura, ma una volta rimosso potrebbe risultare difficile, se non impossibile, risaldare i fili ai vicinissimi terminali del sensore, o ai forellini sul PCB per cui passano le piste di rame.

Scheda M5stickC

Una possibile alternativa quasi-già-pronta, essendo disponibili le librerie arduino, è l’utilizzo di una board M5StickC (da non confondere con M5Stack):

Anche se non dispone di un sensore di temperatura integrato, questo dispositivo è dotato di:

  • Microcontrollore ESP32 dualcore a 240 MHz con 4 Mbyte di RAM
  • Bluetooth
  • Wifi
  • Schermo OLED
  • Connettore GROVE (adatto per sensore esterno Grove SHT35)
  • Pulsanti
  • Accelerometro
  • Giroscopio
  • Trasmettitore IR
  • Segnalatore acustico
  • Predisposizione per attacco a cinturino
  • Batteria da 95 mAh
  • Connettore USB

La quantità di progetti realizzabili con un simile dispositivo è enorme, per cui, una volta terminata la necessità di misurarsi la temperatura tutto il giorno, può essere riciclato per altri usi.

E’ disponibile su Amazon Prime (B07QRQ4MP8) a 25 euro inclusivo di cinturino:

Naturalmente in questo caso il SW sarà tutto da scrivere, ma essendo l’ESP32 programmabile tramite Arduino, si tratta solo di usare le già citate librerie Arduino adatte per il proprio sensore e trovare un sorgente di esempio da cui partire.

Per quanto riguarda il cinturino, se si possiede già un M5tickC senza cinturino, o si vuole comprarlo senza per risparmare, usando un vecchio cinturino, qui c’è il modello 3d dell’involucro dell’M5stickC, su cui lavorare per crearsi manualmente l’aggancio in plastica per il cinturino:

 

Fai da te: Arduino/ESP8266/ESP32

Librerie

Sorgenti di esempio:

Questo sorgente di esempio si limita a stampare la temperatura sul monitor seriale; chiaramente l’applicativo finale dovrà invece stamparlo su un display:

#include <Arduino.h>
#include <Wire.h>
#include "Adafruit_SHT31.h"

Adafruit_SHT31 sht31 = Adafruit_SHT31();

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  if (! sht31.begin(0x44)) { // Qui c'è l'indirizzo I2C del sensore; per alcuni è fisso a 0x40, per altri si può modificare tra 0x44 e 0x45
    Serial.println("*ERR01* Sensore non presente a indirizzo 0x44");
    while (1) delay(1);
  }
}

void loop() {
  float t = sht31.readTemperature();

  if (! isnan(t)) {
    Serial.print("Temp *C = "); Serial.println(t);
  } else {
     Serial.println("*ERR02* Lettura errata");
  }

  Serial.println();
  delay(1000);
}

 

 

Sensori su breadboard

Per SmartGadget (serve indirizzo 0x45):

 

Hacking Icaro – centralina GSM – il logger seriale

Posted in minicar elettriche by jumpjack on 13 giugno 2019

Questo primo sketch di prova utilizza una board ESP32 per leggere i dati scambiati tra il microcontrollore e il modem della scheda GSM/GPS della Icaro: vengono letti contemporaneamente i due canali in modo da mantenere la sincronia tra messaggi inviati e ricevuti, e poter meglio ricostruire il dialogo.

Al momento la “registrazione” viene effettuata solo inviando l’output al serial monitor dell’Arduino IDE; una successiva versione memorizzerà i dati o in una SD card, o su un server remoto, in modo che il logger possa essere montato direttamente sul veicolo senza necessità di un PC.

Trattandosi di un generico logger seriale a due canali, può in realtà essere usato per “sniffare” qualunque altra comunicazione seriale tra due dispositivi, o anche per loggare un singolo dispositivo.

Il numero a inizio linea identifica il canale cui si riferisce la linea stessa.


// Greengo/Zhidou/Xindayang GSM logger
// Read data from GSM/GPS logger, from both MCU and MODEM outputs and same time
// using ESP32 board.
// V. 0.1.0 - First working version; logs only to USB/serial port (PC needed).
String tempVal = "";
String row0 = "";
String row1 = "";
int MAXLEN = 50;
void setup() {
// initialize serial:
// Recommendation: use Serial0 and 1 for your duplex devices and serial2 for your debug messages.
// https://github.com/espressif/arduino-esp32/issues/1314
//
// Standard serial pinouts:
// https://circuits4you.com/2018/12/31/esp32-hardware-serial2-example/
// UART RX TX CTS RTS
// UART0 GPIO3 GPIO1 N/A N/A
// UART1 GPIO9 GPIO10 GPIO6 GPIO11
// UART2 GPIO16 GPIO17 GPIO8 GPIO7
// But all 3 HW UARTs can be remapped to any pin.

Serial.begin(9600,SERIAL_8N1, 16, 17); // Input 1 (16 = RX)
Serial1.begin(9600,SERIAL_8N1, 4, 2); // Input 2 (4 = RX)
Serial2.begin(9600,SERIAL_8N1, 3,1); // Standard USB-serial port

Serial2.println("Free heap:");
Serial.println(ESP.getFreeHeap());
Serial2.println("--------------------");

}
void loop() {
// read from port 0, send to port 2:
if (Serial.available()) {
int inByte = Serial.read();
/*
Serial2.print("\t0\t0x");
Serial2.print(inByte,HEX);
Serial2.print("\t");
Serial2.print(inByte,DEC);
if (inByte>31) {
Serial2.print("\t");
Serial2.write(inByte);
}
Serial2.println();
*/
tempVal = String(inByte);
row0 += "\t" + tempVal;
if (row0.length() > MAXLEN) {
Serial2.print("0\t");
Serial2.println(row0);
row0="";
}
}
// read from port 1, send to port 2:
if (Serial1.available()) {
int inByte = Serial1.read();
/*
Serial2.print("\t1\t0x");
Serial2.print(inByte,HEX);
Serial2.print("\t");
Serial2.print(inByte,DEC);
if (inByte>31) {
Serial2.print("\t");
Serial2.write(inByte);
}
Serial2.println();
*/
tempVal = String(inByte);
row1 += "\t" + tempVal;
if (row1.length() > MAXLEN) {
Serial2.print("1\t");
Serial2.println(row1);
row1="";
}
}

}
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