Steigern der Genauigkeit von Fitness-Trackern durch Einsatz von hochgenauen Drucksensoren

Wearable-Geräte mit Funktionen zur Gesundheits- und Fitness-Überwachung werden immer beliebter. In derartigen Anwendungen werden in der Regel als Hauptbewegungssensoren Beschleunigungsmesser eingesetzt. Diese sind jedoch nur beschränkt in der Lage, eine präzise Schätzung der vertikalen Bewegung zu liefern, die jedoch zur genauen Bestimmung von Parametern wie den Kalorienverbrauch beim Gehen auf einer Steigung entscheidend ist. Durch einen zusätzlichen Präzisions-Luftdrucksensor lässt sich die Genauigkeit bei der Messung dieser vertikalen Bewegung deutlich verbessern, und er trägt auch zu einer besseren Überprüfung der Informationen von anderen Sensoren bei.

Mittlerweile sind Luftdrucksensoren erhältlich, deren Empfindlichkeit ausreicht, um Höhenunterschiede von lediglich 13 Zentimetern (cm) zu erkennen, und es gibt sie in kompakten, energiesparenden und robusten Formfaktoren, wie sie für Designs von Wearables geeignet sind.

In diesem Artikel soll es um die Rolle solcher Module in Fitness-Trackern gehen. Dann stellen wir einen Luftdrucksensor von TE Connectivity Measurement Specialties vor, der sich für derartige Anwendungen eignet, und schließlich zeigen wir, wie er sich einsetzen lässt.

Die Rolle von Höhenmessern in Fitness-Trackern

Ein Kernelement von Fitness-Tracking-Produkten ist die Trägheits- und Bewegungserfassung mithilfe von Komponenten wie Beschleunigungsmessern. Diese liefern Daten, aus denen sich Parameter wie gelaufene Schritte, zurückgelegte Distanz und verbrauchte Kalorien berechnen lassen (Abbildung 1). Die Messung von vertikaler Bewegung ist für solche Sensoren jedoch eine echte Herausforderung. Zwar unterscheidet sich in deren Beschleunigungsprofil eine Aktivität wie Treppensteigen ausreichend vom normalen Gehen, sodass eine zuverlässige Erkennung direkt möglich ist. Aber schon das Gehen auf einer Steigung lässt sich allein auf der Grundlage der Beschleunigung nur schwer von normalem Gehen unterscheiden. Und das, obwohl der dafür nötige Aufwand (und damit der Kalorienverbrauch) erheblich höher sein kann.

Bei einer Reihe von Tests zur Genauigkeit von Fitness-Trackern haben Verbraucherorganisationen festgestellt, dass es bei einigen Geräten früherer Bauart zu Abweichungen von bis zu 30 % bei ihren Schätzungen kommt. Zur präziseren Bestimmung von Fitness-Parametern benötigen Fitness-Tracker also eine einfache und zuverlässige Methode zur genauen Messung der vertikalen Bewegung.

Abbildung 1: Wearable-Geräte mit Fitness-Tracking-Funktionen erfreuen sich bei den Verbrauchern zunehmender Beliebtheit. (Bildquelle: DigiKey, aus Quellenmaterial von TE Connectivity)

Ein Luftdrucksensor, auch Barometer, kann hier die Lösung sein. Vorausgesetzt, dass alle sonstigen Faktoren gleich sind, hängt der Luftdruck von der Höhe ab. Er richtet sich nach dem sogenannten „vertikalen Gradienten“, womit die Rate bezeichnet wird, mit der sich eine atmosphärische Variable mit der Höhe ändert. Ein atmosphärischer (oder barometrischer) Drucksensor kann somit als ein barometrischer Höhenmesser fungieren, indem die barometrische Formel nach der Höhe aufgelöst wird:

Gleichung 1¹

Dabei gilt:

P ist der aktuelle Druck.

P₀ ist der Druck auf Meereshöhe (h=0).

Die Angabe der Höhe (h) erfolgt in Meter (m).

Diese Formel beruht auf mehreren Annahmen, darunter die atmosphärische Zusammensetzung und eine Umgebungstemperatur von 15 °C. Daher wären für eine genaue Berechnung der absoluten Höhe weitere Informationen erforderlich. Die Gleichung gilt aber sogar unter verschiedenen Druckbedingungen und ist nur geringfügig abhängig von den Temperaturbedingungen. Damit lässt sich mit Gleichung 1 eine genaue Höhenänderung ermitteln, indem einfach die Ergebnisse von zwei aufeinanderfolgenden Druckmessungen miteinander verglichen werden.

Der Standardluftdruck auf Meereshöhe beträgt etwa 1013 Millibar (mbar), somit entspricht ein Druckunterschied von einem Millibar einer Höhenänderung von ungefähr 8 m. Dies bedeutet, dass bei Verwendung von Gleichung 1 ein hohes Maß an Präzision bei der Druckmessung erforderlich ist, um die vertikale Bewegung in einem menschlichen Maßstab erkennen zu können. Zum Glück sind heute kompakte Drucksensoren mit ausreichender Genauigkeit für diesen Zweck erhältlich.

Ein derartiger Luftdrucksensor ist der MEMS-Drucksensor MS5840-02BA von TE Connectivity Measurement Specialties (Abbildung 2). Diese Komponente liefert 24-Bit-Messungen sowohl des Luftdrucks als auch der Umgebungstemperatur und erreicht in einer Höhenmesseranwendung eine effektive Höhenauflösung von 13 cm. Eine solche Auflösung reicht aus, um die Höhenänderung beim Ersteigen einer einzelnen Treppenstufe zu erkennen.

Abbildung 2: Der kompakte Luftdrucksensor MS5840-02BA liefert trotz seiner geringen Grundfläche von nur 3,3 x 3,3 Millimetern (mm) und einer Höhe von lediglich 1,7 mm hohe Leistung und Präzision. (Bildquelle: TE Connectivity)

Der MS5840 vereint einen MEMS-Drucksensor mit einem speziellen ASIC, welcher das analoge Sensorsignal digitalisiert und auch eine Schnittstelle zum Host-Gerät über den I²C-Bus bereitstellt, weshalb also keine weiteren Komponenten benötigt werden, wenn dieser Sensor in ein Fitness-Tracker-Design eingefügt wird. Er ist ein kompaktes Modul zur Oberflächenmontage mit einer Grundfläche von 3,3 x 3,3 mm und einer Höhe von 1,7 mm, womit er klein genug für den Einsatz in Wearables ist. Als Option ist erweiterter ESD-Schutz durch eine geerdete und extrem haltbare Abdeckung erhältlich, die vor statischen Aufladungen durch den Menschen schützt.

Die Module liefern eine derart hohe Genauigkeit, dass sie Entwicklern die Durchführung einer Kompensation erster und zweiter Ordnung der Sensor-Rohdaten ermöglichen, um Geräte- und Temperaturschwankungen zu berücksichtigen. Jedes Modul wird werkseitig auf zwei Temperaturen und zwei Drücke kalibriert. Daraus ergeben sich die Kalibrierungsparameter zur Verwendung in Berechnungen erster Ordnung:

• Referenztemperatur - T_REF
• Druckempfindlichkeit bei Referenztemperatur - SENS_T1
• Temperaturkoeffizient der Druckempfindlichkeit - TCS
• Druck-Versatz bei Referenztemperatur - OFF_T1
• Temperaturkoeffizient des Druck-Versatzes - TCO
• Temperaturkoeffizient der Temperatur - TEMPSENS

Für die Kompensation erster Ordnung müssen Entwickler die Kalibrierungsparameter des Moduls abrufen und die unkompensierten 24-Bit-Digitalwerte für Druck (D1) und Temperatur (D2) des Sensors auslesen. Dann wird die Differenz zwischen der Ist- und der Referenztemperatur (dT = D2 - T_REF) berechnet und zur Skalierung des digitalen Temperaturwerts verwendet (TEMP = 2000 + dT x TEMPSENS), um ein Ergebnis in Grad Celsius (˚C) mit einer Genauigkeit von 0,01 °C (2000 = 20,00 °C) zu erhalten.

Unter Verwendung der korrigierten Temperatur muss der Entwickler dann den Druckwert korrigieren, indem zunächst der Druck-Versatz (OFF = OFF_T1 + TCO x dT) und die Druckempfindlichkeit (SENS = SENS_T1 + TCS x dT) bei der aktuellen Temperatur berechnet werden. Dann erfolgt die Berechnung des temperaturkompensierten Drucks in Millibar mit einer Genauigkeit von 0,01 mbar (110002 = 1100,02 mbar) als P = ((D1 x SENS/2²¹) - OFF)/2¹⁵.

Die nach erster Ordnung korrigierten Messwerte sind für warme Luft gültig. Bei niedrigen Temperaturen benötigen die Sensoren jedoch eine Korrektur zweiter Ordnung, wie sie in Abbildung 3 schematisch dargestellt ist. Ausgehend von den Ergebnissen der Korrektur erster Ordnung ist eine Neuberechnung von Temperatur und Druck abweichend für niedrige Temperaturen (mittleres Feld, >10 ˚C) oder sehr niedrige Temperaturen (Feld ganz links, kleiner oder gleich 10 ˚C) erforderlich.

Abbildung 3: Berechnungen erster Ordnung sind zwar für warme Luft in Ordnung, doch wenn die Temperaturen unter 20 ˚C und unter 10 ˚C abfallen, kann eine Kompensierung zweiter Ordnung der Sensormesswerte erforderlich sein. (Bildquelle: R. Quinnell, unter Verwendung von Quellenmaterial von TE Connectivity)

Die Durchführung der Korrekturen sowohl erster als auch zweiter Ordnung liefert ein hohes Maß an Genauigkeit bei den Druck- und Temperaturwerten über einen breiten Temperaturbereich, wie das aus Abbildung 4 entnommen werden kann.

Abbildung 4: Mit der Durchführung der Kompensation sowohl erster als auch zweiter Ordnung können Entwickler mit dem Drucksensor MS5840 eine hohe Genauigkeit über einen breiten Temperaturbereich erzielen. (Bildquelle: TE Connectivity)

Neben seiner geringen Größe und hohen Genauigkeit weist der MS5840 noch weitere Merkmale auf, die ihn insbesondere für den Einsatz in Wearables geeignet erscheinen lassen. Er kann mit einer Versorgungsspannung zwischen 1,5 Volt und 3,6 Volt betrieben werden, wodurch er mit sowohl 1,8-Volt- als auch 3,3-Volt-Logik-Designs kompatibel ist. Mit einem Strombedarf von weniger als 0,1 Mikroampere (µA) im Standby ist er zudem sehr energiesparend.

Der Betriebsstrom richtet sich nach der Frequenz und Auflösung der Sensormessungen. Beim integrierten Analog-Digital-Wandler (ADC) kommt ein Sigma-Delta-Konvertierungsansatz mit wählbarer Oversamplingrate (OSR) zum Einsatz. Damit können Entwickler das jeweils optimale Gleichgewicht zwischen Geschwindigkeit der Konvertierung und verbrauchter Energie erzielen. Der Spitzenstrombedarf während der Konvertierung beträgt in der Regel 1,25 Milliampere (mA), aber bei der OSR-Maximaleinstellung (8192) dauert die Konvertierung lediglich 17 Millisekunden (ms), wodurch sich ein durchschnittlicher Stromverbrauch von 20 µA bei einer Messung pro Sekunde ergibt. Bei der minimalen OSR-Einstellung (256) dauert sie nur 0,54 ms, was einen Durchschnittsverbrauch von 0,63 µA ergibt.

Auch die Sensorauflösung wird von den OSR-Einstellungen beeinflusst. Dies sollte bei Optimierungsentscheidungen berücksichtigt werden. Bei maximaler OSR beträgt die Auflösung des Moduls 0,016 mbar, was einem Höhenunterschied von etwas weniger als 13 cm entspricht. Bei minimaler OSR (25) beträgt die Auflösung 0,11 mbar, entsprechend etwa 90 cm.

Designüberlegungen für Drucksensoren

Es gibt einige Überlegungen für das Systemdesign, die Entwickler beim Einsatz von Drucksensoren als barometrischen Höhenmesser berücksichtigen sollten. Bei einem MEMS-Drucksensor handelt es sich im Wesentlichen um ein dünnes Siliziumplättchen, das als Abdeckung über einer Kammer befestigt ist, die als Referenz ein Gas (oder ein Vakuum) enthält. Die Oberseite des Plättchen ist über eine Öffnung oder einen Anschluss im Sensorgehäuse dem Luftdruck ausgesetzt. Eine Differenz zwischen dem Kammerdruck und dem Umgebungsluftdruck bewirkt eine Durchbiegung des Plättchens und damit eine mechanische Belastung, die zur Erzeugung eines proportionalen elektrischen Signals führt. Dieses Signal wird durch den in den MS5840 integrierten ASIC erkannt und digitalisiert.

Der Sensor muss dem Umgebungsluftdruck ausgesetzt sein. Deshalb muss das Design des Wearable-Gerätes einen ungehinderten Weg von der Öffnung des Sensors zur Außenluft aufweisen. Aber ein solcher Weg lässt nicht nur Luft in das Modul eintreten, sondern möglicherweise auch Wasser und Schmutz. Daher müssen die Entwickler einerseits bei der Platzierung des Sensors im Wearable-Gerät darauf achten, dass der Weg zur Außenluft nicht behindert wird, und andererseits müssen sie das Gehäuse des Gerätes so gestalten, dass möglichst wenig Wasser eindringen kann.

Der MS5840 trägt mit seinem Design bereits dazu bei, diese Probleme zu vermeiden. Das Modul weist zum Schutz des Sensors einen mehrschichtigen Aufbau auf (Abbildung 5). Die unterste Schicht ist ein Aluminiumoxid-Substrat mit SMT-Lötpads, die der gesamten Baugruppe mechanische Stabilität verleiht. Das Substrat trägt den MEMS-Sensor, der auf dem ASIC eingesteckt ist, der für die Signalkonditionierung und die digitale Konvertierung sorgt und die I²C-Schnittstelle bereitstellt. Ein lichtundurchlässiges Gel füllt den Zwischenraum zwischen der Elektronikbaugruppe und der Edelstahlkappe, welche die Öffnung des Moduls zur Umgebungsluft bildet.

Abbildung 5: Das Drucksensormodul MS5840 enthält eine lichtundurchlässige Gelschicht – das hier zwischen der Öffnung (oben) und der Sensorbaugruppe (unten) dargestellte schwarze Material –, um die Elektronik vor Licht, Schmutz und Feuchtigkeit zu schützen. (Bildquelle: DigiKey, aus Quellenmaterial von TE)

Das Gel hat mehrere Aufgaben. Hauptsächlich dient es der Kraftübertragung vom Luftdruck auf die Sensoroberfläche. Das Gel sorgt für die mechanische Kopplung des Sensors mit der Luft und verhindert, dass Schmutz und Feuchtigkeit zur Elektronik vordringen können. Da das Gel lichtundurchlässig ist, sorgt es auch für zusätzlichen Lichtschutz, um durch Photonen erzeugtes elektronisches Rauschen zu vermeiden. Die Kappe enthält das Gel, verleiht dem Modul zusätzliche Steifigkeit und verbessert mit ihrer Erdungsoption die ESD-Immunität des Moduls.

Entwickler können sich diesen schichtenförmigen Aufbau zunutze machen, um die Wasserbeständigkeit ihres Wearable-Gerätes zu erhöhen: durch Befestigung eines O-Rings an der Abdeckung des Sensors und eine präzise Positionierung des Sensors im Wearable-Gehäuse, sodass die Edelstahlöffnung genau an der Luftöffnung des Gehäuses ausgerichtet ist. Nach vollständiger Montage des Gerätes dichtet der O-Ring zwischen dem Gehäuse und der Sensorkappe das Gehäuse gegen das Eindringen von Schmutz und Wasser in das Gerät ab, während das Gel den Sensor schützt.

Eine weitere Überlegung, die es beim Integrieren eines barometrischen Höhenmessers in eine Fitness-Anwendung zu beachten gilt, ist eine mögliche Quelle von Messfehlern: der Wind. Sich bewegende Luft übt weniger Druck als still stehende Luft aus. Daher kann ein Windstoß zur falschen Zeit – also genau in dem Moment, wo die Messung durchgeführt wird – zu einem vorübergehenden Abfall beim Luftdruck am Sensor führen. Dieses „Rauschen“ im Luftdrucksignal kann Erscheinungen erzeugen, die wie eine abrupte Höhenänderung aussehen. Entwickler von Fitness-Überwachungsgeräten können solche Fehler umgehen, indem sie einfach die scheinbare Höhenänderung gegen die Messung des Beschleunigungsmessers überprüfen lassen. Gibt es keine entsprechende Beschleunigung, kann der „Höhensprung“ mit gutem Gewissen vernachlässigt werden.

Diese Umgehung wirkt in beide Richtungen. Wenn ein Radfahrer über eine holprige Oberfläche fährt, kann das ein Beschleunigungsprofil erzeugen, das dem des Treppensteigens entspricht. Wenn bei diesem scheinbaren Treppensteigen jedoch keine Höhenänderung feststellbar ist, können die Messwerte des Beschleunigungsmessers ebenfalls als Umgebungsrauschen vernachlässigt werden.

Fazit

Mit zunehmender Beliebtheit von Fitness-Trackern als Wearables wird deren Fähigkeit zu genauen Messungen immer mehr zu einem Alleinstellungsmerkmal. Durch Einbau eines auf Druck basierenden barometrischen Höhenmessers lässt sich die Genauigkeit von Fitness-Wearables in vielerlei Hinsicht erhöhen, insbesondere was die Schätzung des Kalorienverbrauchs angeht. Solche Sensoren können auch der Überprüfung von Informationen dienen, die von anderen Sensoren stammen. Um jedoch in Wearables zur Fitness-Überwachung integrierbar zu sein, müssen diese Drucksensoren nicht nur hochpräzise sein, sondern auch äußerst energiesparend und nur sehr wenig Platz beanspruchen. Wie dieser Artikel gezeigt hat, liefert der MS5840-02BA von TE Connectivity die nötige Präzision, den geringen Energieverbrauch und eine so kompakte Bauweise, dass er sich problemlos in Fitness-Wearables der nächsten Generation integrieren lässt.

Literatur

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