Aumentare l'accuratezza dei fitness tracker con sensori di pressione ad alta precisione

I dispositivi indossabili con capacità di monitoraggio della salute e della forma fisica sono sempre più diffusi. Anche se per queste applicazioni gli accelerometri sono in genere dei sensori di movimento di importanza cruciale, la loro capacità di fornire una stima accurata del movimento verticale è limitata, mentre sarebbe invece essenziale per determinare accuratamente parametri come le calorie consumate quando si affronta una salita. L'aggiunta di un sensore di pressione atmosferica di precisione può migliorare notevolmente l'accuratezza della misurazione di questo movimento verticale, agevolando anche la conferma delle informazioni provenienti da altri sensori.

Oggi esistono sensori di pressione atmosferica sufficientemente sensibili da rilevare un cambiamento di quota anche di soli 13 cm e sono disponibili in fattori di forma compatti, robusti e a basso consumo, adatti per dispositivi indossabili.

Questo articolo illustra il ruolo di questi dispositivi nei fitness tracker, presenta a titolo di esempio un sensore di pressione atmosferica di TE Connectivity Measurement Specialties utilizzabile per questa applicazione e mostra poi come implementarlo.

Il ruolo degli altimetri nei fitness tracker

Un elemento centrale dei prodotti che devono tenere traccia della forma fisica è rappresentato dal rilevamento del movimento inerziale mediante dispositivi come gli accelerometri, dai quali si possono calcolare parametri quali i passi fatti, la distanza percorsa e le calorie consumate (Figura 1). Tuttavia, per questi sensori la misurazione del movimento verticale rappresenta una sfida. Anche se, nel suo profilo di accelerazione, salire ad esempio le scale è un'attività abbastanza diversa da una normale camminata per cui non è difficile ottenere un rilevamento affidabile, distinguere invece in base alla sola accelerazione una semplice camminata in salita da una su un terreno pianeggiante non è facile. Ma lo sforzo richiesto (e le calorie consumate) possono essere molto diversi.

Da alcuni studi sull'accuratezza del tracciamento della condizione fisica di alcuni utenti è emerso che in alcuni dispositivi di prima generazione l'imprecisione delle stime può arrivare anche al 30%. Per stabilire con maggiore precisione i parametri di fitness, i fitness tracker hanno bisogno di un mezzo semplice e affidabile per misurare accuratamente il movimento verticale.

Figura 1: I dispositivi indossabili con capacità di tracciamento della forma fisica sono sempre più diffusi. (Immagine per gentile concessione di DigiKey, da materiale di TE Connectivity)

Un sensore di pressione atmosferica (barometrico), può offrire una soluzione. A parità di tutti gli altri fattori, la pressione atmosferica dipende dall'altitudine e sottostà alla relazione nota come "gradiente termico verticale", ovvero il tasso al quale una variabile atmosferica (in questo caso la temperatura) cambia con l'altitudine. Un sensore di pressione atmosferica (barometrico) può quindi fungere da altimetro barometrico applicando la formula barometrica risolta per la quota:

Equazione 1¹

Dove:

P è la pressione corrente

P₀ è la pressione a livello del mare (h=0)

La quota (h) è espressa in metri (m)

Questa formula si basa su diversi presupposti, tra cui la composizione atmosferica e una temperatura ambiente di 15 °C, quindi un calcolo accurato dell'altezza assoluta richiederebbe ulteriori informazioni. L'equazione è comunque valida anche in condizioni di pressione diverse e dipende solo in minima parte dalle condizioni della temperatura. Di conseguenza, l'Equazione 1 può offrire una variazione accurata dell'altitudine semplicemente confrontando i risultati di due misurazioni di pressione successive.

La pressione atmosferica standard a livello del mare è di circa 1013 mbar, quindi una differenza di pressione di un millibar corrisponde a una variazione verticale di circa 8 m. Ciò significa che, utilizzando l'Equazione 1, per rilevare il movimento verticale su scala umana serve un alto grado di precisione nella misurazione della pressione. Fortunatamente, ora sono disponibili sensori di pressione compatti sufficientemente precisi.

Uno di questi è il sensore di pressione basato su un sistema microelettromeccanico (MEMS) MS5840-02BA di TE Connectivity Measurement Specialties (Figura 2). Questo dispositivo assicura misurazioni a 24 bit sia della pressione atmosferica che della temperatura ambiente, raggiungendo una risoluzione altimetrica efficace di 13 cm, sufficiente per rilevare il cambiamento di altitudine salendo un solo gradino di una scala.

Figura 2: Il compatto modulo a sensore di pressione atmosferica MS5840-02BA offre elevate prestazioni e precisione con un ingombro di 3,3 x 3,3 mm e un'altezza di 1,7 mm. (Immagine per gentile concessione di TE Connectivity)

MS5840 combina un sensore di pressione MEMS con un ASIC personalizzato che digitalizza il segnale del sensore analogico e fornisce un'interfaccia per il dispositivo host sul bus I²C, per cui quando viene aggiunto al progetto di un fitness tracker non sono richiesti altri componenti. È un modulo compatto, a montaggio superficiale, con un ingombro di 3,3 x 3,3 mm e un'altezza di 1,7 mm, quindi abbastanza piccolo da poter essere integrato nei dispositivi indossabili. Per la protezione contro l'elettricità statica generata dall'uomo, è disponibile come opzione una protezione ESD rafforzata con un coperchio molto resistente e con messa a massa.

I moduli supportano questa elevata precisione consentendo ai progettisti di eseguire la compensazione del primo e del secondo ordine delle letture non elaborate del sensore per tenere conto delle variazioni di temperatura e del dispositivo. Ogni dispositivo è calibrato in fabbrica a due temperature e due pressioni per ottenere parametri di calibrazione da utilizzare nei calcoli del primo ordine:

• Temperatura di riferimento - T_REF
• Sensibilità alla pressione alla temperatura di riferimento - SENS_T1
• Coefficiente di temperatura della sensibilità alla pressione - TCS
• Offset di pressione alla temperatura di riferimento - OFF_T1
• Coefficiente di temperatura di offset della pressione - TCO
• Coefficiente della temperatura - TEMPSENS

Per la compensazione del primo ordine, i progettisti devono recuperare i parametri di calibrazione del dispositivo e leggere i valori di pressione digitale a 24 bit (D1) e temperatura (D2) non compensati del sensore. Viene quindi calcolata la differenza tra la temperatura effettiva e quella di riferimento (dT = D2 - T_REF) e usata per scalare la lettura della temperatura digitale (TEMP = 2000 + dT x TEMPSENS) al fine di ottenere i gradi Celsius (˚C) con una precisione di 0,01 °C (2000 = 20,00 °C).

Utilizzando la temperatura corretta, il progettista deve poi correggere la lettura della pressione calcolando prima l'offset di pressione (OFF = OFF_T1 + TCO x dT) e poi la sensibilità alla pressione (SENS = SENS_T1 + TCS x dT) alla temperatura corrente. Successivamente viene calcolata in millibar la pressione compensata in temperatura con una precisione di 0,01 mbar (110002 = 1100,02 mbar) come P = ((D1 x SENS/2²¹) - OFF)/2¹⁵.

Le letture corrette del primo ordine sono valide per l'aria calda. A temperature più basse, tuttavia, i sensori richiedono una correzione del secondo ordine, come illustrato nella Figura 3. Utilizzando i risultati della correzione del primo ordine, la temperatura e la pressione devono essere ricalcolate in modo diverso per temperature basse (riquadro centrale, >10 °C) o molto basse (riquadro più a sinistra, inferiore o uguale a 10 °C).

Figura 3: Mentre per l'aria calda si possono usare i calcoli del primo ordine, quando le temperature scendono sotto i 20 °C e sotto i 10 °C potrebbe essere necessaria una compensazione del secondo ordine delle letture del sensore. (Immagine per gentile concessione di R. Quinnell, utilizzando materiale di TE Connectivity)

Il risultato delle correzioni sia del primo che del secondo ordine è un alto grado di precisione sia per le letture della pressione che per quelle della temperatura su un'ampia gamma di temperature, come mostrato nella Figura 4.

Figura 4: Effettuando sia la compensazione del primo che del secondo ordine, con il sensore di pressione MS5840 i progettisti sono in grado di ottenere un'elevata precisione in un ampio intervallo di temperatura. (Immagine per gentile concessione di TE Connectivity)

Oltre alle sue piccole dimensioni e all'elevata precisione, MS5840 presenta diversi altri attributi che lo rendono particolarmente idoneo alle applicazioni indossabili. È in grado di funzionare con una tensione di alimentazione da 1,5 a 3,6 V, per cui è compatibile sia con i progetti a 1,8 V che con quelli a 3,3 V. Inoltre ha un basso consumo: in standby l'assorbimento di corrente è inferiore a 0,1 µA.

La corrente di funzionamento dipende dalla frequenza e dalla risoluzione delle letture del sensore. Il convertitore analogico/digitale (ADC) incorporato utilizza un approccio di conversione sigma-delta con un rapporto di sovracampionamento (OSR) selezionabile. Gli sviluppatori hanno quindi la possibilità di ottimizzare il compromesso tra velocità di conversione e consumo di corrente. L'assorbimento di corrente di picco durante la conversione è in genere di 1,25 mA, ma con OSR impostato al massimo (8192) la conversione dura solo 17 millisecondi (ms), per un assorbimento medio di 20 µA durante la lettura a un campione al secondo. L'impostazione OSR minima (256) richiede solo 0,54 ms per un assorbimento medio di 0,63 µA.

Anche la risoluzione del sensore è influenzata dalle impostazioni OSR. Occorre quindi tenerne conto per decidere sui compromessi. All'impostazione OSR massima, la risoluzione del modulo è di 0,016 mbar, il che equivale a una differenza di altezza di poco meno di 13 cm. All'impostazione OSR minima (25), la risoluzione è di 0,11 mbar, equivalente a circa 90 cm.

Considerazioni sulla progettazione con sensori di pressione

Quando progettano un sistema, gli sviluppatori che vogliono utilizzare un sensore di pressione come altimetro barometrico devono tener conto di alcuni fattori. Un sensore di pressione MEMS è essenzialmente una sottile placchetta di silicio montata come coperchio di una camera contenente gas a una pressione di riferimento (o a vuoto). La superficie superiore della placchetta è esposta alla pressione atmosferica attraverso un'apertura praticata nel contenitore del sensore. Una differenza tra la pressione della camera e quella dell'aria ambiente fa flettere la placchetta, creando una sollecitazione meccanica che genera un segnale elettrico proporzionato. L'ASIC integrato in MS5840 rileva e digitalizza il segnale.

Questa necessità di esporre il sensore alla pressione atmosferica dell'ambiente significa che il progetto di un dispositivo indossabile deve fornire un percorso libero dall'apertura del sensore all'aria esterna. Ma questo stesso percorso può anche far entrare acqua e sporcizia. Occorre quindi fare attenzione sia a posizionare il sensore all'interno del dispositivo indossabile in modo che il percorso dell'aria non venga ostruito, sia al design dell'alloggiamento del dispositivo per ridurre al minimo le possibilità che vi entri dell'acqua.

MS5840 è stato progettato per evitare questi problemi. Per proteggere il sensore, il modulo utilizza una struttura a strati (Figura 5). Quello più in basso è un substrato di allumina con piazzole di saldatura SMT che fornisce stabilità meccanica all'assieme. Sul substrato, il sensore MEMS impilato sull'ASIC fornisce il condizionamento del segnale, la conversione digitale e l'interfaccia I²C. Lo spazio tra il gruppo elettronico e il coperchio in acciaio inossidabile che funge da porta atmosferica del dispositivo è riempito con gel opaco.

Figura 5: Il modulo a sensore di pressione MS5840 include uno strato di gel opaco - il materiale nero mostrato tra la porta (in alto) e il sensore assemblato (sotto) - per proteggere l'elettronica dalla luce, dalla sporcizia e dall'umidità. (Immagine per gentile concessione di DigiKey, da materiale di TE)

Il gel serve a diversi scopi. La sua funzione principale è quella di trasferire la forza della pressione atmosferica alla superficie del sensore. Inoltre accoppia meccanicamente il sensore all'aria impedendo che sporco e umidità arrivino all'elettronica. Essendo opaco, fornisce poi un'ulteriore protezione dalla luce per evitare il rumore elettronico indotto dai fotoni. Il coperchio contiene il gel, conferisce al modulo una maggiore rigidità e, con l'opzione di messa a massa, migliora l'immunità del modulo alle scariche elettrostatiche.

Gli sviluppatori possono sfruttare questa struttura a strati per rendere il loro dispositivo indossabile più resistente all'acqua fissando un anello toroidale al coperchio del sensore e posizionando quest'ultimo all'interno dell'alloggiamento del dispositivo indossabile in modo che la porta in acciaio inossidabile sia allineata con l'apertura dell'aria dell'alloggiamento. Una volta che il dispositivo è completamente assemblato, l'anello toroidale tra l'alloggiamento e il coperchio del sensore sigillerà l'alloggiamento contro la penetrazione di sporcizia e acqua nel dispositivo, mentre il gel protegge il sensore.

Quando si integra un altimetro barometrico in un'applicazione di fitness occorre poi tenere presente un'altra potenziale fonte di errore di misurazione: il vento. L'aria in movimento esercita una pressione inferiore a quella dell'aria ferma, per cui una raffica di vento al momento sbagliato può causare un temporaneo calo della pressione atmosferica sul sensore proprio nel momento in cui viene fatta una misurazione. Questo "rumore" nel segnale della pressione atmosferica può provocare quello che sembra un brusco cambiamento di altitudine. Gli sviluppatori di dispositivi di monitoraggio della condizione fisica possono tuttavia mitigare questi errori, semplicemente convalidando la variazione di altitudine apparente rispetto alla lettura dell'accelerometro. Se non c'è un'accelerazione corrispondente, il "salto" di quota può essere ragionevolmente ignorato.

Questa mitigazione funziona in entrambi i sensi. Un ciclista che percorre una superficie sconnessa potrebbe generare un profilo di accelerazione come se stesse salendo delle scale. Ma se l'apparente salita delle scale non produce alcun cambiamento di altitudine, il sistema potrebbe anche ignorare le letture dell'accelerometro considerandole un "rumore ambientale".

Conclusione

Con il proliferare di fitness tracker per dispositivi indossabili, l'elemento sempre più discriminante è la loro capacità di misurare in modo accurato i dati sulla salute. L'aggiunta di un altimetro barometrico basato sulla pressione può migliorare in molti modi la precisione dei dispositivi di fitness indossabili, specie per quanto riguarda le calorie consumate. Questi sensori possono essere utili anche nella convalida delle informazioni provenienti da altri sensori. Tuttavia, per poter essere applicato nei dispositivi indossabili di monitoraggio delle condizioni fisiche, oltre a un'estrema precisione il sensore di pressione deve avere anche consumi molto bassi e un ingombro molto ridotto. Come è stato dimostrato, MS5840-02BA di TE Connectivity assicura la precisione, i bassi consumi e le dimensioni ridotte necessarie per adattarsi perfettamente ai fitness tracker degli indossabili di nuova generazione.

Bibliografia

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