Sistema elettronico per la determinazione del volume massimo di ossigeno (VO2max) - in SUPSI Tesi
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Sistema elettronico per la determinazione
del volume massimo di ossigeno
(VO2max)
Studente/i Relatore
Francesco Mazzolini Salvadé Andrea
Correlatore
Poretti Samuel
Ambrosini Reto
Committente
Salvadé Andrea
Corso di laurea Modulo
Ingegneria Elettronica Lavoro di diploma
Anno
2020-2021
Data
3 settembre 2021
i
Ringraziamenti
Prima di procedere con la trattazione, vorrei ringraziare tutti coloro che hanno reso
possibile il mio percorso di crescita professionale e personale in questo progetto ed in
generale durante tutti gli studi.
Un sentito grazie al mio relatore Salvadé per aver costantemente seguito lo svolgimento
del progetto, ed il correlatore Poretti per la sua disponibilità e tempestività ad ogni richiesta.
Un pensiero speciale va anche alla mia famiglia, che mi ha permesso di trascorrere il mio
percorso professionale garantendomi tutto l’appoggio e la considerazione di cui avevo
bisogno.
Ringrazio infine anche la mia fidanzata Martina, per avermi sostenuto e motivato con
entusiasmo e pazienza anche nei momenti di sconforto.
Grazie infinite a tutti voi.
Sistema elettronico per la determinazione del volume massimo di ossigeno (VO2max)
ii Sistema elettronico per la determinazione del volume massimo di ossigeno (VO2max)
iii
Indice
1 Abstract 1
1.1 Italiano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 English . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2 Progetto assegnato 3
2.1 Descrizione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.2 Compiti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.3 Obiettivi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.4 Tecnologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
3 Introduzione 5
3.1 Motivazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
3.2 Cos’è il VO2max . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
3.3 Test del VO2max . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
3.3.1 Relazione VO2max e Frequenza cardiaca . . . . . . . . . . . . . . . . 10
4 Pianificazione di progetto 11
4.1 Obiettivo e specifiche del progetto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
4.1.1 Descrizione test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
4.1.2 Descrizione requisiti di sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
4.2 Analisi SMART dei requisiti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
4.3 Definizione specifiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
4.3.1 Valutazione qualitativa delle specifiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
4.4 Pianificazione temporale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
4.5 Budget e costi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
5 Studio del sistema 19
6 Design Hardware 21
6.1 Scelta componenti principali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
6.1.1 Sensori Biometrici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
6.1.2 Modulo Bluetooth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
6.1.3 Memoria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
6.1.4 Microcontrollore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
6.1.5 Segnalatore sonoro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
6.1.6 Batteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
6.1.7 Gestione di carica batteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Sistema elettronico per la determinazione del volume massimo di ossigeno (VO2max)
iv INDICE
6.1.8 Stazione base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
6.2 Progettazione schemi elettrici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
6.2.1 Compatibilità USB-C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
6.2.2 Gestione carica batteria e alimentazione . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
6.2.3 Accensione e trasformazione di tensione . . . . . . . . . . . . . . . . 34
6.2.4 Protezione da scarica profonda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
6.2.5 Controllo segnalatore acustico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
6.2.6 Moduli esterni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
6.2.7 RESET e voltage supervisor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
6.2.8 DFU e debug . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
6.3 Design PCB e vincoli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
7 Design Firmware 41
7.1 Schemi Generali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
7.2 Strategie di programmazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
7.3 Programmazione Firmware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
7.3.1 Gestione transizioni: stm32l1xx_it . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
7.3.2 Gestione stati e suono: main e sound . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
7.3.3 Lettura sensore ed elaborazione dati: MAX30102 e algorithm . . . . . 51
7.3.4 Gestione memoria: memory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
7.3.5 Gestione comunicazione BLE: ble . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
8 Design Software 59
8.1 Ambiente scelto e interfaccia grafica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
8.2 Struttura del programma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
9 Test 67
9.1 Test Funzioni Base dispositivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
9.1.1 Test elettrico e visivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
9.1.2 Controllo alimentazioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
9.1.3 Test debug . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
9.1.4 Carica batteria e Led . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
9.1.5 Pulsanti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
9.1.6 Test update USB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
9.1.7 Test modulo HM-10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
9.1.8 Test Firmware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
9.1.9 Test Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
9.2 Test di sistema e utilizzo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
9.3 Test sul campo, caso reale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
Sistema elettronico per la determinazione del volume massimo di ossigeno (VO2max)
v
10 Conclusione 73
10.1 Obiettivi raggiunti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
10.2 Problematiche ed aspetti da rivedere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
10.3 Sviluppi futuri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
11 Bibliografia-Sitografia 77
12 Appendice 79
Sistema elettronico per la determinazione del volume massimo di ossigeno (VO2max)
vi INDICE Sistema elettronico per la determinazione del volume massimo di ossigeno (VO2max)
vii
Elenco delle figure
3.1 Valori di VO2max in uomini e donne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
3.2 Misura diretta del VO2max tramite metabolimetro e tapis-roulant . . . . . . . . 8
3.3 Esempio Test di Conconi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
4.1 Analisi SMART dei Requisiti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
4.2 Tabella delle specifiche prima parte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
4.3 Tabella delle specifiche seconda parte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
4.4 Analisi qualitativa delle specifiche generali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
5.1 Schema generale sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
5.2 Schema generale sistema definitivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
6.1 Priorità obiettivi per la scelta dei sensori biometrici . . . . . . . . . . . . . . . 21
6.2 Analisi delle soluzioni possibili . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
6.3 Analisi delle varianti per i sensori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
6.4 Varianti considerate moduli bluetooth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
6.5 Analisi varianti moduli Bluetooth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
6.6 Dettagli del microcontrollore scelto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
6.7 Stima dei consumi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
6.8 Batteria scelta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
6.9 Schema elettrico connettore USB-C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
6.10 Schema elettrico gestione batteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
6.11 Controllo corrente di input . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
6.12 Schema LEDs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
6.13 Schema conversione di tensione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
6.14 Schema protezione da scarica profonda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
6.15 Schema driver altoparlante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
6.16 Schema supervisor e reset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
6.17 Interruttore per cambio tensione su BOOT0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
6.18 PCB device portatile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
6.19 Modello 3D device portatile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
7.1 Diagramma Use-Case . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
7.2 Schema generale Firmware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
7.3 Tabella dei moduli del firmware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
7.4 Panoramica modulo gestione interrupt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
7.5 Panoramica main . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
Sistema elettronico per la determinazione del volume massimo di ossigeno (VO2max)
viii ELENCO DELLE FIGURE
7.6 Panoramica main loop parte 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
7.7 Panoramica main loop parte 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
7.8 Panoramica gestione sensore parte 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
7.9 Panoramica gestione sensore parte 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
7.10 Panoramica gestione memoria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
7.11 Panoramica gestione comunicazione BLE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
8.1 Interfaccia grafica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
8.2 Panoramica del software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
8.3 Struttura del software parte 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
8.4 Struttura del software parte 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
8.5 Struttura del software parte 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
9.1 Test Interfaccia Grafica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
9.2 Esempio sistema in funzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
12.1 Diagramma di Gantt legenda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
12.2 Diagramma di Gantt prima parte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
12.3 Diagramma di Gantt seconda parte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
Sistema elettronico per la determinazione del volume massimo di ossigeno (VO2max)1
Capitolo 1
Abstract
1.1 Italiano
Il progetto consiste nel realizzare un sistema elettronico per la stima del volume massimo di
ossigeno, VO2max, che un individuo è capace di metabolizzare per unità di tempo e massa
corporea. Il target principale sono le persone che presentano sintomi a lungo termine dopo
l’infezione da malattie respiratorie come Covid-19.
Il sistema fa eseguire al paziente un test in cui deve camminare o correre su un percorso
piano aumentando gradualmente la velocità. La cadenza di raggiungimento di marker posti
lungo il percorso è indicata da segnali sonori emessi dai dispositivi indossabili alimentati a
batteria ricaricabile.
Durante il test i dispositivi misurano, tramite un sensore biometrico, la frequenza cardiaca
e la saturazione del sangue e li inviano alla stazione base, un computer, che rappresenta i
dati su un grafico temporale.
Viene quindi progettato e realizzato su PCB un sistema embedded alimentato con batteria
al litio, ricaricabile con un classico cavo USB-C sia da porta USB sia con trasformatore da
muro per smartphone.
Il microcontrollore, della famiglia low-power STM32L1, provvede alla produzione di suo-
ni tramite lo speaker, alla raccolta ed elaborazione dei valori letti dal sensore biometrico
MAX30102 e al loro salvataggio in locale su memoria EEPROM. I dati vengono inviati al PC
tramite protocollo Bluetooth Low Energy, utilizzando il modulo HM-10 come ponte di comu-
nicazione.
Il software, realizzato in ambiente QT creator, implementa l’interfaccia grafica e permette il
collegamento via Bluetooth del computer con i vari dispositivi.
Un medico o assistente può quindi interagire con l’interfaccia grafica potendo modificare i
parametri del test di ogni dispositivo, visualizzarne le informazioni come stato e livello di
batteria, ed effettuare valutazioni sui valori biometrici raccolti e rappresentati sui grafici.
Il volume massimo di ossigeno può essere calcolato a partire dalla velocità massima rag-
giunta, oppure alla velocità oltre la quale il battito cardiaco comincia ad accelerare più
lentamente.
Sistema elettronico per la determinazione del volume massimo di ossigeno (VO2max)2 Abstract 1.2 English The project consists in realizing an electronic system that estimates the maximum oxygen volume that a person can metabolize (VO2max) per unit of time and body mass. The main target is the people who show long term symptoms after being affected by respi- ratory diseases such as Covid-19. The system make the patient performing a test where he has to walk or run on a flat path, gradually increasing his speed. The rhythm of reaching markers placed along the path is indicated by sound signals emitted by wearable devices, which are powered by a rechargeable batteries During the test the devices measure the hearth rate and blood saturation through a biome- tric sensor, and send them to a base station (a computer), which represents the data on a graph. It is then projected and prototyped on a PCB an embedded system, powered by a lithium battery which can be recharged by a classic USB-C cable through either USB port or smart- phone’s wall transformer. The microcontroller belongs to the low-power STM32L1 family, and manages the sound pro- duction through the speaker, the collection and elaboration of values read by the biometric sensor MAX30102 and their memorization on the local EEPROM memory. The data is sent to the PC through the Bluetooth Low Energy protocol, using the HM-10 module as a bridge for the communication. The software, which is implemented in QT creator enviroment, provides the graphical user interface and allows the Bluetooth communication between the computer and the devices. A doctor or an assistant can then interact with the graphical interface by being able to mo- dify the test parameters of every device, by viewing the information such as the state and the battery level, and ultimately expressing considerations on biometric values collected and represented on the graphs. The maximum oxygen volume can then be calculated starting from either the value of ma- ximum speed reached or the speed beyond which the heartbeat begins to accelerate more slowly. Sistema elettronico per la determinazione del volume massimo di ossigeno (VO2max)
3
Capitolo 2
Progetto assegnato
2.1 Descrizione
Vo2Max (massimo consumo di ossigeno per minuto) è il valore che indica la massima quan-
tità di ossigeno utilizzabile da un individuo in una determinata unità di tempo. Si tratta
dunque della quantità di ossigeno (in millilitri di ossigeno per minuto e per chilo di peso cor-
poreo) che l’individuo è in grado di utilizzare.
Questo parametro è essenziale per pazienti affetti da malattie che diminuiscono la capacità
polmonare e di trasporto di ossigeno (fra cui il covid-19), come pure nell’ambito sportivo di
resistenza.
La stima di questo valore può essere effettuata tramite diversi metodi indiretti, uno dei quali
comporta il proprio spostamento su un percorso durante il quale viene svolto un aumento
della velocità fino all’impossibilità di aumentarla ulteriormente in relazione al tracciato car-
diaco.
Con questo progetto si intende automatizzare il più possibile questa procedura agevolando
il paziente nello svolgimento del test e gli operatori nell’analisi. A questo scopo si inten-
de sviluppare un sistema portatile, alimentato a batterie ( con accumulatori ricaricabili), da
indossare durante il test in grado di:
• Indicare tramite dei segnali sonori la cadenza di raggiungimento di marker che ven-
gono posti sul percorso a una distanza di 10m (la frequenza dei segnali sonori dovrà
essere aumentata in base alle impostazioni dell’operatore).
• Possibilità di interfacciamento Bluetooth e stoccaggio di dati derivati da cardiofrequen-
zimetri e saturimenti commerciali.
• Possibilità di inviare i dati raccolti tramite connessione wireless a un sistema di calcolo
e visualizzazione centrale su PC.
• Nice to have: possibilità di determinare automaticamente il raggiungimento dei mar-
ker.
Sistema elettronico per la determinazione del volume massimo di ossigeno (VO2max)4 Progetto assegnato
2.2 Compiti
• Analisi della procedura di test e valutazione delle possibili varianti implementative
• Scelta della componentistica e del setup di installazione
• Studio e realizzazione di un sistema elettronico (PCB) miniaturizzato, portatile alimen-
tato a batterie in grado di soddisfare i requisiti progettuali.
• Studio e realizzazione di una stazione base collegata ad un PC per la ricezione dei
dati raccolti e l’impostazione dei moduli utilizzando moduli radio commerciali.
• Studio e realizzazione di una semplice interfaccia utente di analisi dei dati raccolti.
• Verifiche funzionali
• Documentazione, manuale d’uso e presentazione dei risultati del progetto
2.3 Obiettivi
• Realizzazione di un sistema elettronico per la stima del volume massimo di ossigeno.
• Sviluppo del relativo software di interfaccia utente di analisi dei dati e impostazione
dei parametri di test.
2.4 Tecnologie
• Software di CAD Pcb (Altium Designer)
• Ambiente di sviluppo per microcontrollore
• Ambiente di sviluppo Software
• Eventuali tools di simulazione elettrica/multifisica
Sistema elettronico per la determinazione del volume massimo di ossigeno (VO2max)5
Capitolo 3
Introduzione
3.1 Motivazione
Da marzo 2020 sanità ed economie di tutte le nazioni sono messe a dura prova a causa
del noto COVID-19 (malattia respiratoria acuta da SARS-CoV-2), le cui conseguenze sono
diventate un’ardua sfida a livello mondiale.
Dati alla mano, a inizio Giugno 2021 questa malattia conta nel mondo 173 milioni di casi
appurati e 3,73 milioni di decessi connessi all’infezione da SARS-CoV-2, con un tasso di
mortalità del 2.16% (dato del 2 febbraio 2021).
Solo in Svizzera questa malattia ha causato più di mezzo milione di casi da inizio pandemia
ed i decessi superano i 10’000.
Nonostante il tasso di mortalità relativamente basso e limitato alle fasce più anziane della
popolazione, si sono osservati gravi sintomi a lungo termine anche su soggetti di giova-
ne età. Tali sintomi riguardano soprattutto l’apparato respiratorio, che nei mesi seguenti
all’infezione risulta compromesso ed insufficiente per il normale svolgimento delle attività
quotidiane.
In questo contesto, considerando l’elevata probabilità che l’umanità dovrà affrontare pan-
demie di questo tipo anche in futuro, è quindi di fondamentale importanza studiare nuovi
metodi di riabilitazione ed analisi delle condizioni del paziente nei mesi successivi all’infe-
zione.
3.2 Cos’è il VO2max
VO2max è un valore che indica il volume massimo di ossigeno che il corpo umano è in
grado di metabolizzare per unità di tempo e kilogrammo di peso corporeo.
Esso definisce la capacità cardiorespiratoria ed aerobica di un individuo, ovvero la velocità
con la quale l’ossigeno viene raccolto dai polmoni per essere utilizzato in tutte le parti del
corpo per la produzione di energia, passando attraverso il sistema circolatorio.
Un VO2max più elevato equivale ad una maggior capacità cardiovascolare, che a sua volta
è correlata alla salute e alla qualità di vita delle persone. Conoscere il livello di forma fisica
in termini di VO2max può quindi essere una buona base per valutare lo stato di salute o le
prestazioni sportive di una persona che si sottopone a un test.
Nell’ambito dello studio delle conseguenze del COVID-19 torna essenziale monitorare il
Sistema elettronico per la determinazione del volume massimo di ossigeno (VO2max)6 Introduzione
VO2max nei mesi successivi all’insorgere della malattia, per controllare che le condizioni di
salute del paziente stiano effettivamente migliorando.
Per fornire dei valori tipici del VO2max, si può considerare che il volume di ossigeno che un
individuo può metabolizzare va dai 2 agli 8 litri al minuto in termini assoluti. Relativamente
al peso corporeo l’indice VO2max può assumere valori compresi tra i 20 e i 90 ml/kg/min,
anche se circa l’80% degli individui maschi adulti non superano i 50 ml/kg/min. Le donne
per evidenti ragioni anatomiche (minor massa muscolare in rapporto al peso) hanno valori
leggermente inferiori.
In Figura 3.1 si riportano le tabelle che indicano la distribuzione tipica del VO2max nella
popolazione per fasce d’età.
Figura 3.1: Valori di VO2max in uomini e donne
Un livello scarso in rapporto a sesso ed età indica un disturbo che deve essere preso in
esame da un medico.
Ogni persona, comunque, ha il proprio livello di VO2max il quale è determinato principal-
mente dalla genetica. Considerando che le prestazioni sportive dipendono in parte anche
da questo valore, si spiega perché alcuni individui risultano molto più portati a raggiungere
buoni risultati rispetto ad altri a parità di allenamento.
Sistema elettronico per la determinazione del volume massimo di ossigeno (VO2max)7
Delle stime indicano al 10-20% al massimo il miglioramento del VO2max ottenibile da una
persona che si sottopone ad allenamento costante.
3.3 Test del VO2max
Per eseguire un test del VO2max la persona sotto analisi deve essere sottoposta ad uno
sforzo fisico massimale, che la porti al massimo consumo di ossigeno che il suo corpo rie-
sce a sostenere.
Esso è lo sforzo oltre al quale l’organismo necessita, oltre alla respirazione aerobica, anche
della fermentazione lattica per incrementare la potenza, con la creazione di acido lattico; Il
consumo di ossigeno resta costante al valore massimo.
Il livello di VO2max può essere ricavato in due modi:
• Tramite misura diretta, utilizzando un metabolimetro (che monitora gli scambi gasso-
si, Figura 3.2) durante sforzi indotti tramite cicloergonometro (cyclette) o tapis-roulant.
Questo tipo di test è molto raro e viene effettuato solo in specifiche cliniche, ma per-
mette una misurazione precisa e affidabile grazie a specifici sensori presenti nel tubo
del metabolimetro.
Questa tipologia di test tuttavia, oltre ad essere costosa, consente per ovvie ragioni
l’analisi di un solo paziente alla volta.
Un altro svantaggio è rappresentato dalla scomodità per il paziente, che deve effet-
tuare uno sforzo indossando l’ingombrante strumentazione sul volto. Nel corso degli
anni sono inoltre sorti dei dubbi sul fatto che uno sforzo su una piattaforma scorrevole
quale il tapis-roulant possa davvero emulare quella che è la vera camminata su stra-
da. Servirebbe quindi una tipologia di test che assolva a tutte queste lacune dei test
tradizionali.
• Stimata indirettamente tramite test fisici appositamente studiati, come il test di Coo-
per, il test dei 1500 metri e il test della Navetta di Léger.
Grazie a questi test è possibile determinare la MVA, Massima Velocità Aerobica di un
individuo, velocità di spostamento oltre la quale si raggiunge la condizione di consu-
mo massimo di ossigeno. A partire da questo valore sono state negli anni ideate delle
formule (che si espongono in questo capitolo) che legano la performance al VO2max.
Si tratta comunque solo di stime, e quindi i valori ricavati non possono essere metro-
logicamente comparati con la misura precisa di un metabolimetro.
Questa tipologia di test tuttavia è utile in termini relativi, per comparare le prestazioni
di uno stesso paziente in momenti diversi del periodo di convalescenza e determinare
quindi un miglioramento o peggioramento.
Sistema elettronico per la determinazione del volume massimo di ossigeno (VO2max)8 Introduzione
Un vantaggio determinante di questi tipi di test è la possibilità di effettuarli quasi
ovunque e a più persone contemporaneamente.
Figura 3.2: Misura diretta del VO2max tramite metabolimetro e tapis-roulant
Si espongono ora brevemente le principali tipologie di test indiretti che vengono effettuati.
Il test dei 1500 metri consiste nel percorrere tale distanza il più velocemente possibile
e possibilmente con andatura costante. Il tempo in secondi impiegato determina il MVA
tramite la seguente formula:
360
MV A = km/h (3.1)
(sec/1500) · 100
A questo punto Léger fornisce una formula che stima il VO2max a partire dal MVA:
V O2max = M V A · 5.857 − 19.458 (3.2)
Il test di Cooper invece, creato nel 1968 da Kennet H. Cooper per usi militari, consiste nel
correre il più velocemente possibile per 12 minuti.
In questo caso il VO2max viene stimato direttamente usando la seguente formula:
d − 505
V O2max = (3.3)
45
Dove d indica la distanza percorsa in metri.
Sistema elettronico per la determinazione del volume massimo di ossigeno (VO2max)9
Il test della Navetta di Léger, infine, viene molto usato anche nelle scuole e consiste nel
correre fra due coni distanti 20 metri l’uno dall’altro secondo una cadenza stabilita da un
dispositivo apposito, che emette un segnale sonoro a intervalli preimpostati.
L’individuo che si sottopone al test deve correre e raggiungere il cono opposto entro il pros-
simo segnale sonoro, e a questo punto dovrà ritornare al cono di partenza entro il suono del
segnale sonoro successivo, e così via. Mentre il test procede, l’intervallo fra ogni successivo
segnale sonoro si riduce, obbligando l’atleta ad incrementare la propria velocità nel corso
del test.
La velocità iniziale è di 8,5 km/h, ed aumenta di 0,5 km/h ogni livello seguente.
Il test termina quando la persona perde il sincronismo o si ferma. Il livello raggiunto indiche-
rà la MVA. Il valore VO2max si calcola usando la Formula 3.2
IL test di Conconi è forse il più interessante per il progetto che si vuole realizzare, in quanto
esso prevede un aumento graduale di velocità su un percorso piano, con misurazione attiva
della frequenza cardiaca. Si è osservato che in prossimità della soglia aerobica limite la
frequenza cardiaca incomincia a crescere con meno rapidità. Osservando il grafico della
frequenza cardiaca è quindi possibile dedurre la massima velocità aerobica (MVA).
Un esempio di un grafico ottenibile eseguendo questo test è riportato in Figura 3.3.
Figura 3.3: Esempio Test di Conconi
Sistema elettronico per la determinazione del volume massimo di ossigeno (VO2max)10 Introduzione 3.3.1 Relazione VO2max e Frequenza cardiaca La frequenza cardiaca presenta anch’essa un limite oltre il quale non può più aumen- tare, detto FCmax. Questo limite dipende dall’età ed è stato stimato da Cooper come FCmax=220-età . La correlazione tra la percentuale del VO2max e la percentuale della FCmax in un dato mo- mento subisce una variazione in base al tipo di sforzo aerobico che viene sopportato. Sulla cyclette la percentuale di FCmax risulta inferiore della percentuale del VO2max. Su tapis roulant e stepper invece i due parametri crescono in maniera molto simile. Sistema elettronico per la determinazione del volume massimo di ossigeno (VO2max)
11
Capitolo 4
Pianificazione di progetto
Questa prima sezione ha lo scopo di gettare le basi per la vera e propria fase di proget-
tazione, stabilendo specifiche, tempi e costi entro i quali in lavoro viene svolto nel suo
complesso.
4.1 Obiettivo e specifiche del progetto
L’obiettivo del progetto è lo studio e realizzazione di un sistema elettronico per la stima del
volume massimo di ossigeno.
Il sistema ha l’obiettivo di fornire un supporto adeguato e flessibile a medici e assistenti per il
controllo delle condizioni di salute di pazienti affetti da malattie che diminuiscono la capacità
polmonare e di trasporto di ossigeno come il Covid-19.
Questo sistema deve però essere flessibile per poter essere utilizzato anche in ambito spor-
tivo per individui in salute.
Si possono definire le seguenti categorie di individui che possono sottoporsi a test:
• Persona attualmente affetta dalla malattia.
Trattandosi di malattie fortemente debilitanti e facilmente trasmissibili, il medico valuta
le condizioni del paziente e di conseguenza lo sforzo a cui è possibile sottoporlo, oltre
che le adeguate misure preventive anti-contagio.
• Persona in convalescenza, non più positiva alla malattia ma in fase di guarigione dai
sintomi a lungo termine della stessa.
• Persona sana ma che è precedentemente stata affetta da Covid-19 o da altre malattie
infettive.
• Persona sana senza particolari patologie conosciute.
• Persona allenata, atleta che vuole conoscere i miglioramenti e sapere a che tipo
allenamento sottoporsi.
4.1.1 Descrizione test
Volendo effettuare un sistema che si adatti a diverse tipologie di individui, si deve prevedere
la possibilità di effettuare il test sia sulla camminata che sulla corsa. La velocità sarà quindi
Sistema elettronico per la determinazione del volume massimo di ossigeno (VO2max)12 Pianificazione di progetto un parametro modificabile. Rispetto alle tipologie di test dirette e indirette viste in precedenza, si intende costruire un test indiretto sostenibile da più persone contemporaneamente che però permetta ad un me- dico di monitorare in tempo reale le condizioni dei pazienti. Il test che si intende effettuare prevede il posizionamento di marker (coni, strisce, o qualsia- si tipo di indicazione visiva) ad una distanza scelta l’uno dall’altro, preferibilmente 10 o 20 metri lungo un qualsiasi percorso piano (pista di atletica, asfalto, palestra ecc...). Il paziente parte camminando (o correndo nel caso di persona in salute) per il primo tratto di percorso ad una velocità bassa V0, anch’essa impostabile. La velocità da mantenere viene indicata con un segnale sonoro emesso dal dispositivo in- dossabile che si intende realizzare, il quale indica al paziente il momento in cui esso si deve trovare in prossimità del marker successivo. Per il tratto successivo, dal secondo al terzo marker, la velocità viene aumentata di un valore fisso (impostabile). Il test continua con un aumento di velocità ad ogni marker raggiunto, fino al punto in cui il paziente non riesce più a mantenere il ritmo. In quel momento avrà raggiunto la sua velocità massima (MVA) ed il test termina. 4.1.2 Descrizione requisiti di sistema Il sistema che si intende realizzare prevede una serie di dispositivi indossabili dai pazienti che prendono parte al test. Questi dispositivi devono essere alimentati da batterie ricaricabili ed avere dimensioni ridot- te. Su di essi deve essere integrato il segnalatore sonoro che scandisce il raggiungimento dei marker. Le condizioni del paziente, come saturazione del sangue e frequenza cardiaca vengono monitorate da appositi sensori, che possono essere commerciali oppure integrati nel dispo- sitivo. I dati misurati vengono salvati localmente su una memoria. Sui dispositivi si prevede l’inserimento di un modulo bluetooth, il quale serve per comunicare con una stazione base, che è singola e condivisa da tutti i partecipanti al test. Quando le condizioni lo permettono (es: distanza dalla stazione base) tramite bluetooth vengono inviate alla stazione base le misurazioni dei sensori ed eventuali altre informazioni sul dispositivo. Viene quindi prevista una stazione base che comunica con i dispositivi via bluetooth, la qua- le può interfacciarsi con il PC o essere rappresentata dal PC stesso. Essa raccoglie i dati dei sensori ed invia le impostazioni dei parametri. La gestione di misure e parametri è affidata a un software su PC. Questo raccoglie i dati e Sistema elettronico per la determinazione del volume massimo di ossigeno (VO2max)
13
li rappresenta in tempo reale su dei grafici. L’interfaccia grafica deve permettere al medico
o assistente anche di modificare i parametri dei dispositivi dei singoli pazienti, quali velocità
iniziale, incremento di velocità e distanza dei marker.
Un obiettivo facoltativo sarebbe la determinazione automatica del raggiungimento o meno
dei marker, e quindi la determinazione automatica della fine del test senza l’intervento del
paziente o del medico.
Sistema elettronico per la determinazione del volume massimo di ossigeno (VO2max)14 Pianificazione di progetto
4.2 Analisi SMART dei requisiti
In primo luogo si effettua l’analisi dei requisiti con il metodo SMART, per permettere una
corretta comprensione degli stessi e la loro traduzione in specifiche di progetto vincolanti.
Nella tabella di Figura 4.1 vengono riportati i requisiti del committente rielaborati con lin-
guaggio personale.
Per ogni requisito viene effettuata l’analisi SMART, ovvero il controllo che ogni obiettivo sia:
• S, Specifico: Sia ben chiaro quello che viene richiesto, senza fraintendimenti.
• M, Misurabile: Sia ben chiaro entro quali limiti misurabili il progetto deve essere
dimensionato.
• A, Accessibile: Il requisito sia ragionevole, raggiungibile
• R, Rilevante: Il requisito ha un suo vantaggio nell’insieme del progetto e non entra in
conflitto con altri requisiti.
• T, Temporale: Il requisito è raggiungibile nei tempi stabiliti.
L’ultima colonna riporta in sintesi le questioni che si intende sottoporre a colloquio per poter
definire al meglio i requisiti specificati.
Si riporta inoltre una colonna che indica se il requisito in questione è di obbligatorio raggiun-
gimento oppure no.
Figura 4.1: Analisi SMART dei Requisiti
Sistema elettronico per la determinazione del volume massimo di ossigeno (VO2max)15
Eventuali requisiti che non vengono qui reputati SMART vengono discussi con il committente
al fine di ridefinirne i termini ed essere riformulati in specifiche.
In generale si rielaborano i requisiti alla luce dei punti discussi nell’incontro, per renderli più
chiari e dettagliati.
Vengono inoltre analizzati i requisiti di contesto e utilizzo, non specificati dal committente
ma resi necessari dall’ambiente e dalle funzionalità che il dispositivo deve realizzare.
4.3 Definizione specifiche
Al termine della analisi si definiscono le specifiche, riportate in nella tabella di Figura 4.2 e
4.3.
Figura 4.2: Tabella delle specifiche prima parte
Sistema elettronico per la determinazione del volume massimo di ossigeno (VO2max)16 Pianificazione di progetto
Figura 4.3: Tabella delle specifiche seconda parte
Queste specifiche sono vincolanti, e definiscono i limiti all’interno dei quali la progettazione
si può orientare.
L’approvazione delle stesse da parte del relatore Prof. Andrea Salvadé ed il correlatore Ing.
Samuel Poretti in data 10/06/2021, rende mandatorio il loro contentuto.
Eventuali infrangimenti dei vincoli di progetto devono essere giustificati e discussi in presen-
za di tutte le parti.
4.3.1 Valutazione qualitativa delle specifiche
Si valutano qualitativamente le specifiche accordate sulla base della loro obbligatorietà e
tipologia.
Questa procedura, mostrata in Figura 4.4, permette di distinguere le specifiche in categorie
di appartenenza ed obbligatorietà.
Sistema elettronico per la determinazione del volume massimo di ossigeno (VO2max)17
Figura 4.4: Analisi qualitativa delle specifiche generali
4.4 Pianificazione temporale
Vengono pianificate temporalmente le attività relative allo svolgimento del progetto tramite
diagramma di Gantt, la cui prima versione è visibile in Figura 12.2 e 12.3, elaborata in data
07/06/2021.
Questo diagramma è dinamico. esso può quindi subire delle variazioni in corso d’opera per
meglio adattarsi al reale stato di avanzamento del lavoro.
4.5 Budget e costi
Il budget di questo progetto è fissato a 450 CHF. Il costo del prodotto di serie non è vinco-
lante, ma si stima che possa ammontare a 20-30 CHF a pezzo.
Sistema elettronico per la determinazione del volume massimo di ossigeno (VO2max)18 Pianificazione di progetto Sistema elettronico per la determinazione del volume massimo di ossigeno (VO2max)
19
Capitolo 5
Studio del sistema
A partire dalle specifiche si elabora un primo schema a blocchi che fornisce una visione
d’insieme sul sistema da realizzare. Esso è mostrato in Figura 5.1. Tale schema subi-
sce variazioni nel corso della progettazione Hardware. Lo schema definitivo di fine
progettazione è rappresentato in Figura 5.2.
Figura 5.1: Schema generale sistema
Sistema elettronico per la determinazione del volume massimo di ossigeno (VO2max)20 Studio del sistema
Figura 5.2: Schema generale sistema definitivo
Sistema elettronico per la determinazione del volume massimo di ossigeno (VO2max)21
Capitolo 6
Design Hardware
6.1 Scelta componenti principali
Nella presente sezione si espongono le scelte effettuate per i principali componenti hard-
ware del sistema per soddisfare al meglio le specifiche.
6.1.1 Sensori Biometrici
I sensori biometrici da includere nel sistema sono il saturimetro ed il cardiofrequenzimetro.
Essi devono raccogliere i dati fisiologici ed inviarli al microcontrollore.
Da specifiche si lascia libertà sia sul sistema di comunicazione sensori-microcontrollore, sia
sulla scelta tra sensori commerciali o integrati nella scheda del dispositivo.
Per scegliere la soluzione migliore si applica il System Engineering, per il quale il primo
passo è definire vincoli/obiettivi sulla base dei quali verrà scelta la soluzione migliore. Essa
viene valutata infatti sulla base di quanto bene soddisfa tali obiettivi.
Ad ogni obiettivo viene attribuita una importanza in decimi, poi normalizzata a 1 per definire
quanto ogni obiettivo incide (pesa) sulla scelta della soluzione.
Gli obiettivi generali da raggiungere sono indicati e classificati nella tabella di Figura 6.1.
Figura 6.1: Priorità obiettivi per la scelta dei sensori biometrici
Si valutano diverse possibilità, per ognuna delle quali vengono condotte delle ricerche al
fine di valutare quanto bene soddisfano gli obiettivi posti. Una sintesi delle diverse scelte e
Sistema elettronico per la determinazione del volume massimo di ossigeno (VO2max)22 Design Hardware
di alcuni parametri considerati è riportata nella tabella di Figura 6.2.
Figura 6.2: Analisi delle soluzioni possibili
Per la scelta della soluzione ideale si attribuisce, per ogni obiettivo, un voto in decimi ad
ognuna delle 5 soluzioni, valutata su quanto bene raggiunge tale obiettivo.
Ogni voto in decimi viene ponderato con l’importanza normalizzata a 1 dell’obiettivo.
La somma di tutti i voti ponderati di una soluzione va a formare il voto totale della soluzione.
La soluzione migliore sarà quella che otterrà un voto complessivo maggiore.
I voti riportati in Figura 6.3 sono assegnati in modo qualitativo sulla base delle ricerche la
cui sintesi in Figura 6.2.
Figura 6.3: Analisi delle varianti per i sensori
Da questa analisi emerge che la soluzione che meglio si adatta agli obiettivi è il modulo
SEN-15271 della SparkFun, il quale monta il sensore di saturazione e frequenza cardiaca
MAX30102 che comunica direttamente con il microcontrollore via bus I2C.
Poiché questo sensore deve essere messo a contatto con il dito, sarà necessario collegarlo
con un fascio di cavi al dispositivo indossato sul polso, oppure studiare una soluzione per
far indossare il dispositivo stesso sulla mano per ridurre le distanze.
I motivi per cui i sensori commerciali non sono stati reputati la miglior soluzione sono
molteplici:
• Costo maggiore, determinante se si pensa ad un acquisto in quantità.
Sistema elettronico per la determinazione del volume massimo di ossigeno (VO2max)23
• Mancanza di documentazione e dati tecnici
• Comunicazione più complicata ed in quasi tutti i casi impossibile poiché sebbene il
servizio di heart rate sia standard all’interno del protocollo GATT BLE, la comunica-
zione con tali dispositivi è solitamente riservata ad una applicazione proprietaria del
produttore.
• Utilizzo di Bluetooth NON low energy, che determinerebbe la scelta di relativi moduli
a maggior consumo sulla scheda.
• Complicazione degli scambi dati tramite bluetooth considerando che il device deve
comunicare anche con la stazione base.
Con questa scelta si rinuncia però alla precisione di misurazione garantita dai produttori ed
alla struttura ergonomica che è studiata per consentire una buona qualità delle misurazioni.
6.1.2 Modulo Bluetooth
Per il modulo bluetooth si tengono in conto i seguenti obiettivi:
• Basso Costo
• Distanza massima comunicazione
• Basso consumo
• Facilità di comunicazione tramite microcontrollore
• Comodità per prototipaggio
• Versione nuova Bluetooth (possibilmente BLE)
• Dimensioni ridotte
• Reperibilità in tempi brevi
Le opzioni disponibili sono riportate in Figura 6.4, e per ognuna di esse sono condotte delle
ricerche dei parametri di interesse.
Figura 6.4: Varianti considerate moduli bluetooth
Sistema elettronico per la determinazione del volume massimo di ossigeno (VO2max)24 Design Hardware
Si esegue quindi l’analisi delle varianti (Figura 6.5).
Figura 6.5: Analisi varianti moduli Bluetooth
La variante che risulta più idonea agli obiettivi è il modulo commerciale HM-10, basato sul
chip CC2541 della Texas Instruments, il quale concilia la semplicità del controllo con AT
commands con bassi consumi, oltre che permettere un maggiore agio in fase di prototipag-
gio in quanto si interfaccia con 6 pin TH.
Unico grande svantaggio è la dimensione, che potrebbe comportare dei problemi in fase di
design del PCB.
6.1.3 Memoria
Secondo la documentazione del sensore integrato scelto, ogni lettura occupa 3 bytes di
memoria (18 bit ADC) per ogni canale LED attivo. Selezionando la modalità è possibile
leggere la frequenza cardiaca oppure la saturazione (SpO2). Per la SpO2 si necessitano 2
canali, per la FC solo uno
Questi valori vengono tuttavia elaborati dal microcontrollore. Considerando che si tratta di
un valore percentuale (SpO2) ed un intero positivo mai superiore a 250 (FC), è realistico
pensare di impiegare solo 2 byte di memoria per ogni campione di misurazione.
Secondo specifiche i valori biometrici vanno raccolti una volta al secondo (massimo ogni 2
secondi) per una durata del test che può arrivare anche a 15 minuti.
Ne deriva che per immagazzinare tutti i dati serve una memoria di almeno 1.8 kB.
Salvo altre particolari esigenze, si considera di utilizzare un microcontrollore con memoria
EEPROM integrata di grandezza sufficiente.
Sistema elettronico per la determinazione del volume massimo di ossigeno (VO2max)25
6.1.4 Microcontrollore
Per la scelta del microcontrollore ci si orienta sulla famiglia STM32 della ST principalmente
per motivi di migliore conoscenza dell’ambiente di sviluppo.
Per la scelta del componente si devono considerare i seguenti fattori principali:
• Numero di GPIO: in questo caso non si ha necessità di un grande numero di pin
• Interfacce di comunicazione: nessuna esigenza particolare, si prevede l’utilizzo di I2C,
SPI, UART... in numero contenuto. Si predilige un microcontrollore con interfaccia
USB integrata per la comunicazione con il PC.
• Memorie: il programma non sarà di grandi dimensioni, la comunicazione è gestita
dal modulo bluetooth. I dati dei sensori vanno salvati sulla EEPROM interna se si
vuole garantire la persistenza degli stessi anche in seguito ad eventuali reset del
microcontrollore.
• Timers: nessuna particolare esigenza di numero o tipo.
• Basso consumo: Il microcontrollore, come gli altri componenti, viene scelto il più
possibile tra quelli a basso consumo.
• Disponibilità di una EVB che monta lo stesso microprocessore, per agevolare la fase
di prototipaggio e coding Firmware.
• Prezzo e dimensioni: Non avendo bisogno di microcontrollori con alte prestazioni, si
cerca di utilizzare un componente di piccole dimensioni e prezzo contenuto.
• Reperibilità in tempi brevi e scorte di magazzino sufficienti per evitare ritardi o impos-
sibilità di ordinamento dei pezzi.
• Package che agevola la saldatura a mano ed il controllo visivo dei corto-circuiti. Si
favorisce un formato QFP.
Sistema elettronico per la determinazione del volume massimo di ossigeno (VO2max)26 Design Hardware
Seguendo queste specifiche si effettua una selezione nella categoria STM32 Ultra Low Po-
wer MCUs.
Si sceglie quindi il microcontrollore STM32L152RE, le cui caratteristiche vengono esposte
nel riepilogo fornito da ST di Figura 6.6.
Figura 6.6: Dettagli del microcontrollore scelto
Per questo microcontrollore è disponibile la relativa Evaluation Board.
Purtroppo per ragioni di grande carenza generale di microcontrollori il componente che si è
scelto non è stato più possibile reperirlo. In sostituzione si è effettuata una ricerca tra pezzi
simili, dalla quale è emerso STM32L152VET6, il quale conserva le stesse caratteristiche ma
ha solamente 8 kB di EEPROM ed ha 100 pin anziché 64, penalizzando la miniaturizzazione
del pcb.
6.1.5 Segnalatore sonoro
Per riprodurre il segnale acustico si può utilizzare un cicalino oppure un altoparlante. Per
una migliore esperienza dell’utente si preferisce l’altoparlante, in quanto esso può riprodurre
qualsiasi tono in relazione alla forma d’onda che gli viene fornita.
Sistema elettronico per la determinazione del volume massimo di ossigeno (VO2max)27
Questa scelta consente la produzione di suoni più gradevoli per l’essere umano rispetto a
quelli prodotti da un classico cicalino piezoelettrico.
Questa scelta comporta ovviamente l’implementazione di un apposito circuito per la rea-
lizzazione di un segnale analogico variabile in frequenza ed ampiezza, tipicamente una
sinusoide.
Da specifica la pressione sonora deve essere superiore a 65 dB, che corrisponde circa a
due persone che conversano.
Il componente scelto è AST-1732MR-R, di Audio PUI, il quale ha una potenza tipica di
100mW ed una pressione sonora tipica di 88 dB a 100mW.
6.1.6 Batteria
Per selezionare la batteria da utilizzare bisogna dapprima eseguire una stima dei consumi
dell’intero device. In relazione ad essi ed alla durata della batteria di 8 ore di continuo
utilizzo si calcola quindi la capacità necessaria. Va tenuta anche in conto la dimensione,
che deve essere compatibile con le specifiche (deve essere inscrivibile in una circonferenza
di diametro 5 cm.
Nella tabella di Figura 6.7 si riportano i consumi massimi stimati per ognuno dei componenti
principali fino ad ora considerati.
Avendo preso il caso peggiore (consumo di picco in maniera continuata) si può trascurare il
consumo dei componenti minori non ancora considerati.
Per la scelta della batteria si tiene in conto inoltre che La tensione di lavoro è di 3.3V.
Figura 6.7: Stima dei consumi
Si osserva che la batteria deve avere una capacità di minimo 180 mAh.
Il prodotto più idoneo per questo sistema é ICP521630PM-01 di Renata Batteries, visibile
in Figura 6.8.
Essa ha capacità di 240 mAh e tensione di cella di 3.7 V (tensione tipica di una cella Li-
Po). E’ quindi previsto l’utilizzo di un regolatore di tensione per stabilizzare la tensione di
alimentazione del dispositivo a 3.3V.
Le dimensioni, 31.5mm x 17mm x 5.7mm rientrano in quelle previste da specifica.
Sistema elettronico per la determinazione del volume massimo di ossigeno (VO2max)28 Design Hardware
Figura 6.8: Batteria scelta
6.1.7 Gestione di carica batteria
Per la carica della batteria si intende utilizzare un caricatore USB-C, che di norma fornisce
una tensione di 5V e corrente fino a 3A.
Per interfacciare la batteria al caricatore e gestire la fase di carica in corrente costante e
tensione costante, si fa utilizzo di un apposito IC.
La scelta migliore risulta essere MCP73871-2AAI/ML di Microchip Technology.
Questo IC è in grado di gestire autonomamente la carica ad una corrente massima impo-
stabile da 50mA a 1A (corrente di carica tipica batteria: 125 mA, 0.5C) e tensione di uscita
di 4.1, 4.2, 4.35 o 4.4 Volt.
In aggiunta, questo IC include la funzione di load sharing ed è studiato appositamente per
interfacciarsi ad una porta USB per l’alimentazione.
Il basso numero di componenti esterni necessari lo rende adatto per applicazioni di piccole
dimensioni.
MCP73871 include anche indicatori per batteria scarica, power-good e segnalatore di carica
in corso. Essi possono comandare appositi LEDs utili per un feedback visivo dell’utente.
6.1.8 Stazione base
Come stazione base, nel caso in cui il computer utilizzato per raccogliere i dati del test
non abbia il Bluetooth integrato si prevede un Dongle compatibile con la versione usata sul
device. Questo evita la progettazione di un secondo PCB.
Come stazione base, opzionalmente, verrà previsto di utilizzare anche uno smartphone.
Il dongle scelto è nRF52840-Dongle, il quale supporta gli standard wireless tra cui Bluetooth
Sistema elettronico per la determinazione del volume massimo di ossigeno (VO2max)29
Low Energy (BLE), Bluetooth Mesh, Thread, ZigBee, applicazioni prioritarie ANT e 2,4 GHz
in esecuzione. La versione del bluetooth è 5.0, quindi compatibile con il modulo scelto per il
device portatile.
6.2 Progettazione schemi elettrici
In questa sezione si espongono le principali scelte di design per la creazione degli schemi
elettrici del PCB del device portatile.
6.2.1 Compatibilità USB-C
Come riportato nelle specifiche un obiettivo facoltativo ma interessante ai fini della standar-
dizzazione è quello di poter ricaricare la batteria del dispositivo con un semplice cavo USB-C
di uno smartphone. La ricarica deve poter avvenire sia tramite trasformatore da muro, sia
tramite connessione USB (ad esempio collegandolo ad un PC).
Il connettore USB-type C è stato scelto prevalentemente per la sua sempre maggiore dif-
fusione sul mercato dell’elettronica di consumo. Un motivo secondario ma non trascurabile
è che differentemente dagli altri formati di connettori e porte USB, il tipo C ha il vantaggio
di essere simmetrico e quindi non ha un verso obbligato di collegamento fisico, agevolando
così l’operazione di connessione.
In Figura 6.9 si mostra la parte di schematico Altium relativa al connettore USB-C. Consi-
derando che non risulta necessario supportare la versione USB 3.0 (con la relativa velocità
massima di 10 Gb/s), tutti i pin SBU e TX-RX vengono lasciati non collegati.
Si prevede di utilizzare questa porta USB anche per effettuare aggiornamenti Firmware
(DFU), per i quali la versione USB 2.0 con velocità massima di 480 Mb/s è sufficiente.
Si utilizzano dunque solo le due linee dati differenziali D+ e D- che vengono direttamente
collegate al microcontrollore sugli appositi pin compatibili con lo standard USB.
Sistema elettronico per la determinazione del volume massimo di ossigeno (VO2max)30 Design Hardware
Figura 6.9: Schema elettrico connettore USB-C
Tutti i pin di alimentazione vengono cortocircuitati e costituiscono le linee tramite le quali
verrà ricaricata la batteria.
Le alimentazioni sono protette dai consueti condensatori di bypass e da un diodo TVS per
proteggere il circuito dalle scariche elettrostatiche (ESD).
I pin CC1 e CC2 (channel configuration) di norma vengono messi a massa con delle re-
sistenze (Rd) di 5.1K, da lato device. Essi hanno varie funzioni1 , le cui due principali
sono:
• Detezione del collegamento da parte del dispositivo esterno, tramite la presenza delle
resistenze di pull-down. A differenza di altri standard USB, il type-C fornisce alimen-
tazione su VBUS solamente quando un dispositivo è stato individuato dall’host (es.
PC). Questo evita che un errato collegamento di due host su uno stesso cavo possa
risultare distruttivo.
• Da parte del device, se fosse necessario (rilevante solo per versione 3.0), è possibile
distinguere il senso nel quale è stato inserito il cavo, poichè su uno dei due pin si
può leggere un valore prossimo a GND , mentre sull’altro una tensione maggiore,
specificata dagli standard.
6.2.2 Gestione carica batteria e alimentazione
Utilizzando una batteria ricaricabile Li-Po dalla tensione nominale di 4.2V, è necessario
l’utilizzo di un apposito circuito integrato che si occupi della carica I-U-I della stessa.
Delle caratteristiche principali di questo componente, MCP73871-2AAI/ML, si è già parlato
1
https://dubiouscreations.com/2021/04/06/designing-with-usb-c-lessons-learned/
Sistema elettronico per la determinazione del volume massimo di ossigeno (VO2max)31
brevemente nel paragrafo 6.1.7.
In generale questo IC si presta molto bene alla presente applicazione in quanto studiato
appositamente per la ricarica di celle ai polimeri di Litio e ioni di litio da 4.2V, permettendo
di impostare la corrente massima di carica e supportando gli standard di tensione/corrente
dei cavi USB, sia in ricarica tramite adattatori da muro, sia tramite porta USB.
La ricarica avviene seguendo un apposito algoritmo corrente costante/tensione costante,
interrompendosi ad una tensione di 4.2V.
Vengono inoltre fornite altre funzionalità:
• Limitazione della corrente di carica in base alla temperatura. Quando la tempe-
ratura fuoriesce da un certo intervallo impostabile la corrente di carica viene variata.
Per esempio se la temperatura è troppo elevata la corrente viene ridotta gradualmen-
te fino a bloccare totalmente la carica. Se questo meccanismo dovesse fallire, una
protezione secondaria è data dal thermal shutdown, che incorre in ogni caso per tem-
perature superiori ai 150 °C.
Per impostare l’intervallo si fa utilizzo di una NTC da 10 KΩ che va messa a contatto
con la batteria. Nel caso di questo progetto si utilizza una NTC della Vishay che ha
coefficiente β pari a 3984 K.
Per impostare le soglie positiva e negativa di temperatura, è necessario collegare la
NTC al pin THERM (Figura 6.10) verso massa, e due resistenze, una serie ed una
parallelo.
Il sistema che si utilizza per il calcolo delle due resistenze è la seguente:
RT 2 · RCOLD
24kΩ = RT 1 + (6.1)
RT 2 + RCOLD
RT 2 · RHOT
5kΩ = RT 1 + (6.2)
RT 2 + RHOT
Dove RT1 è la resistenza in serie, RT2 è quella in parallelo, e Rcold ed Rhot sono i
valori resistivi della NTC ai limiti dell’intervallo di temperatura accettabile.
Dal foglio dati del componente è possibile conoscere quale sia la resistenza della
NTC al valore minimo rispettivamente massimo dell’intervallo di temperatura deside-
rato, che in questo caso sono, rispettando i valori limite riportati dal datasheet della
batteria, 0°C e 45°C. Per mantenere un certo margine di sicurezza si prendono i valori
relativi a 5°C e 40°C, che corrispondono a 11929Ω e 2502Ω.
Effettuando il calcolo si prevede infine l’utilizzo di una 2.2kΩ in serie e 27kΩ in paral-
lelo.
• Selezione sorgente di alimentazione: L’IC permette, tramite un pin (SEL) che può
essere messo in stato HIGH o LOW, di selezionare il tipo di sorgente, e di conseguen-
za i limiti di corrente relativi. Nel primo caso il circuito è impostato per adattarsi allo
standard di un adattatore da muro da 1.65A, mentre nel secondo è prevista una ricari-
Sistema elettronico per la determinazione del volume massimo di ossigeno (VO2max)32 Design Hardware
ca da porta USB. Lo stato viene messo di default alto tramite pull-up (Figura 6.10) per
dare uno stato ben definito anche se il microcontrollore non sta eseguendo codice.
• Impostazione corrente costante: il circuito mette a disposizione un pin, PROG1, il
quale permette di selezionare la corrente costante massima tramite la quale verrà ca-
ricata la batteria. Nel caso presente, la batteria selezionata non deve essere caricata
a più di 125 mA.
La selezione avviene semplicemente collegando al pin una resistenza verso massa.
Il calcolo della resistenza è il seguente:
1000V
RP ROG [kΩ] = = 8kΩ (6.3)
IREG [mA]
Dove Ireg è la corrente costante massima di carica.
• Scelta della modalità di carica da porta USB: nel caso tramite SEL si fosse sele-
zionata questa opzione, uno stato logico basso sul pin PROG2 imposta una corrente
massima di 100mA, uno alto invece a 500mA, seguendo gli standard USB. In questo
progetto si sceglie di mantenere questo pin sempre a 0V.
• Load sharing: Il load sharing permette al sistema di dare priorità di alimentazione ai
carichi rispetto che alla batteria. Questo consente di alimentare i carichi direttamente
dall’alimentazione esterna senza passare dalla batteria. Ciò può essere utile in caso
di azionamento del dispositivo senza batterie inserite o con batterie malfunzionanti.
Inoltre evita i continui cicli di carica-scarica della batteria nel caso dovesse fornire cor-
rente nello stesso momento in cui si sta ricaricando.
Quando il carico è superiore alla corrente massima fornita dall’alimentatore ester-
no, allora la batteria incomincia a fornire anch’essa corrente. Questo meccanismo è
spiegato nel grafico di Figura 6.112 .
• Status outputs: L’IC mette a disposizione 3 outputs open-drain (STAT1, STAT2, PG*)
a cui collegare direttamente LEDs o pin del microcontrollore. Queste uscite indicano
lo stato attuale del sistema di carica e della batteria stessa. In questo contesto è
stata scelta la gestione di LED hardware da parte del chip stesso per poter avere un
feedback immediato anche quando il dispositivo è spento.
I LEDs che sono previsti sono quello per la batteria scarica, per il cavo USB attaccato,
per la carica in corso e per il "temperature fault" quando la temperatura sulla batteria
è fuori dall’intervallo consentito per la ricarica. Questo ultimo led, seguendo la logica
degli stati delle tre uscite STAT1, STAT2 e PG*, è pilotato grazie alla NAND logica tra
STAT1 e STAT2.
Lo schema dei led è rappresentato in Figura 6.12.
Se dovessero insorgere problemi, dei jumper permettono di bypassare questo circuito inter-
ponendo componenti esterni alla board tra le varie tensioni in gioco.
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Dal Datasheet di MCP73871
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