Aplikace elektroniky pro monitorování stavu nositele oděvů
Diplomová práce
Studijní program:
N3106 – Textilní inženýrství
Studijní obor:
3106T017 – Oděvní a textilní technologie
Autor práce:
Bc. Barbora Nalezinková
Vedoucí práce:
doc. Ing. Antonín Havelka, CSc.
Liberec 2018
Application of electronics for monitoring the condition of the clothing wearer
Master thesis
Study programme:
N3106 – Textile Engineering
Study branch:
3106T017 – Clothing and Textile Engineering
Author:
Bc. Barbora Nalezinková
Supervisor:
doc. Ing. Antonín Havelka, CSc.
Liberec 2018
Děkuji panu doc. Ing. Antonínu Havelkovi, CSc. za vedení a cenné rady při vypracování této diplomové práce.
Děkuji společnosti Clevertex za poskytnutí vodivé příze.
Za rychlé a vstřícné jednání děkuji také firmě Applycon, která mi poskytla gibony s úpravou.
Poděkování patří také Tomáši Hankemu z Arduino-work.shop kurzu, který mi pomohl s programováním projektu.
Dále děkuji, Ing. Michalu Martinkovi za podporu a konzultace.
V neposlední řadě bych ráda poděkovala své rodině a přátelům za velkou podporu, které se mi dostává.
Diplomová práce se zabývá aplikací elektroniky do oděvu. Smyslem aplikace je monitorovat stav nositele, konkrétně tep, okysličení krve, teplotu a vlhkost a naměřená data odesílat do mobilního telefonu. Systém je zaměřen na seniory a finanční nenáročnost.
Práce shrnuje současnou nositelnou elektroniku dostupnou na trhu. Vybranou elektronikou je platforma Arduino. Byla porovnána a vyzkoušena funkce několika senzorů. Na závěr je vybraná sestava elektroniky aplikována do oděvu a odzkoušena v reálných podmínkách.
Klíčová slova
Nositelná elektronika, Arduino, MAX30100, HTU21D, tep, saturace krve, vlhkost, teplota
Annotation
The Master thesis application of electronics in clothing. The purpose of the application is monitoring the condition of the person, namely pulse, saturation of blood, temperature and humidity. Measured values are sent to the mobile phone. The system is focused to seniors and low financial demands. The thesis summarizes actual wearable electronics on the market. The selected electronics is the Arduino platform. Several sensors have been compared and tested. Finally, the selected electronic is applied to clothing and tested under real conditions.
Key words
Wearables, Arduino, MAX30100, HTU21D, pulse, saturation of blood, temperature, humidity
______________________________________________________
8
Obsah
Použité zkratky ... 11
Úvod ... 13
1. Nositelná elektronika ... 14
1.1. Druhy nositelné elektroniky ... 14
1.1.2. Fitness trackery ... 14
1.1.3. Sportovní hodinky ... 14
1.1.4. Smart šperky... 14
1.1.5. Implantáty ... 15
1.1.6. Smart oblečení ... 15
SmartCap ... 15
Smoozi D-Shirt... 15
Bunda Visijax Cycle Jacket ... 16
AmpStrip ... 18
Aira wear ... 18
Google a Levi Strauss ... 19
Boty Glagla ... 19
Myontec Mbody ... 19
Kopačky Adidas F50 adiZero + Adidas miCoach ... 19
2. Přehled firem s nositelnou elektronikou ... 20
2.1. Arduino ... 20
2.1.1. Typy desek ... 20
2.3. Applycon ... 22
2.4. Interactive wear ... 22
3. Očekávaný vývoj nositelné elektroniky ... 24
3.1. Grafenová textilie ... 25
______________________________________________________
9
4. Monitorování životních funkcí a polohy ... 26
4.1. Monitorování tepu ... 26
4.1.1. Tep ... 26
4.2. Okysličení krve ... 27
4.3. Tělesná teplota ... 27
4.4. Vlhkost ... 28
4.5. Zjišťování polohy ... 28
4.5.1. GPS (Global Positioning Systém) ... 28
4.5.2. GPS lokátory ... 28
4.5.3. FLORA GPS ... 28
5. Vodivé dráhy v oděvní elektronice ... 29
5.1. Vodivé polymery ... 30
5.2. Kovové vodiče ... 31
5.2.1. Železité materiály jako vodič ... 31
5.2.2. Ušlechtilé a barevné kovy ... 32
5.3. Uhlík jako vodič ... 32
5.3.1. Nano-tuby a jejich vodivost ... 33
5.4. Iontové vodiče ... 33
5.4.1. Kovové soli ... 33
5.4.2. Iontové polymerní vodiče ... 34
5.5. Aplikace ... 34
5.5.1. Potiskování ... 35
5.5.2. Nátěr ... 35
5.5.3. In-situ ... 35
5.5.4. Techniky pro výrobu vodivých drah ... 35
5.5.5. Vyšívání ... 36
5.5.6. Tkaní a pletení ... 36
______________________________________________________
10
6. Experimentální část ... 38
6.1. Zvolená elektronika ... 38
6.1.1. Elektronika pro měření tepu ... 38
6.1.2. Elektronika pro měření teploty ... 39
6.2. Funkce vybraného senzoru tepu MAX30100 ... 39
6.3. Programování senzorů ... 44
6.4. Odesílání dat do mobilního telefonu ... 46
6.4.1. Příkazy z telefonu ... 46
6.5. Schémata připojení senzorů k základní desce ... 48
... 48
6.6. Zdroj ... 51
6.7. Výroba elektronické soustavy ... 51
6.8. První zkouška měření ... 52
6.9. Druhé měření ... 54
6.10. Třetí zkouška měření ... 55
6.11. Návrh umístění do oděvu ... 58
6.11.1. Popis navrženého trika ... 59
6.12. Dokončovací práce ... 62
6.13. Čtvrté měření - testování v reálných podmínkách v porovnání s hodinkami Xiaomi 63 6.14. Návrh údržby ... 67
Závěr ... 68
Použité zdroje ... 70
Seznam obrázků ... 74
Seznam tabulek ... 76
______________________________________________________
11
Použité zkratky
µm mikrometr
A ampér
ADC převodník analogového signálu na digitální
Ag stříbro
Ah ampér hodina
BPM počet úderů za jednu minutu cN/tex centinewton/tex
Cr chrom
Cu měď
EKG elektrokardiogram
EMI elektromagnetická interference FEP fluorethylen-propylen
G elektrická vodivost GND Analog ground uzemnění
I2C Inter-Integrated Circuit - sběrnice – dva signály – SCL a SDA iOS mobilní operační systém
IPN vzájemně prostupující sítě polianilinu LCD liquid crystal display
LED Light-Emitting Diode
LTE Long Term Evolution CGC Cambridge Graphene Center
M metr
mAh miiampérhodina
______________________________________________________
12 MEMS Mikro Elektro Magnetické systémy
Ni nikl
PANI polyanilin
PES polyester
Ph vodíkový exponent
PPACA zákon o ochraně pacientů a dostupné péči PPG photoplethysmograph
PPY polypyrrol
PTFE polytetrafluorethylen
R elektrický odpor
RXD receive data – příjem dat
S siemens
SCL Synchronous Signal SDA Synchronous Data SpO2 okysličení
TXD transmit data – vysílání dat
V volt
VIN voltage input [Ω*cm]-1 1/(ohm*cm)
Ω/m ohm/metr
______________________________________________________
13
Úvod
Problematika nositelné elektroniky je stále velmi aktuální. Většina lidí ji využívá k monitorování svých životních funkcí při sportu. Firmy zabývající se aplikací nositelné elektroniky se zaměřují spíše na profesní oděvy pro záchranné složky. Tato zařízení jsou značně nákladná. Vzniká tak nová možnost pro další výzkum, vytvořit elektroniku dostupnou pro širokou veřejnost speciálně zaměřenou na seniory, kteří by ocenili monitorování vybraných vlastností fyziologie těla s možností jejich záchrany při náhlém kolapsu organizmu.
Cílem diplomové práce je navržení oděvu, který umí určit stav nositele, jako je tep, okysličení krve, teplota a vlhkost. Důležitým bodem je navrhnout systém nejlépe vyhovující požadavku pro aplikaci v outdoorovém oděvu s ohledem na použití pro seniory a finanční nenáročnost. Naměřená data bezdrátově odesílat do mobilního telefonu.
V práci je provedena rešerše dostupné nositelné elektroniky na trhu. Použitou nositelnou elektronikou je platforma Arduino. Následuje programování, zkoušení elektroniky a nalezení nejvhodnějšího umístění v oděvu, tak aby nositeli elektronická sestava nevadila a nebránila v pohybu. Přesnost výsledného oděvu bude odzkoušena v reálných podmínkách se zpracováním dat.
______________________________________________________
14
1. Nositelná elektronika
Novodobá nositelná elektronika je zařízení obsahující inteligentní senzory, využívá webové připojení, obvykle pomocí Bluetooth pro bezdrátové připojení k telefonu. Tyto senzory jsou připojené k člověku a pomáhají tak k dosažení našich cílů, jako je zůstat fit, aktivní, pomáhají nám hubnout nebo více organizovat své zdraví. Nositelná elektronika může zaznamenávat tepovou frekvenci, množství tuků, pocení, zdraví, teplotu a svalovou aktivitu pouhým dotykem kůží, stejně tak pohyb, rychlost a vzdálenost pomocí GPS, akcelerometry a gyroskopy. [1]
1.1. Druhy nositelné elektroniky
Nositelná elektronika je dostupná v mnoha podobách.
1.1.1. Smart hodinky
Připojují se k mobilnímu telefonu a díky tomu jsou schopny upozorňovat na hovory, zprávy, e-maily a sociální sítě. [1]
1.1.2. Fitness trackery
Fitness trackery přicházejí v široké škále tvarů, velikostí a úrovni propracovanosti.
Obvykle se nosí na zápěstí nebo se připínají k opasku. Obecně se jedná o pruhy nebo hodinky, které počítají množství kroků udělaných každý den. Fitness hrudní pásy obohacené o nepřetržité monitorování srdečního tepu, pro přesnější údaje o cvičení a spalování kalorií.[1]
1.1.3. Sportovní hodinky
Hodinky se zabudovanou GPS, krokoměrem, mohou poskytovat informace o zvoleném sportu a nabízí tréninkové úrovně. [1]
1.1.4. Smart šperky
Oblast určená především ženám, jedná se o podobné provedení jako u smart hodinek.
Šperky nenápadně upozorňují na hovory, zprávy nebo nové události na sociálních sítích, atd. [1]
______________________________________________________
15 1.1.5. Implantáty
Zařízení, která nosíte s sebou, protože jsou chirurgicky vpravena do kůže. Mohou být použity ze zdravotních důvodů jako dávkovače inzulinu, atd. [1]
1.1.6. Smart oblečení
Inteligentní oblečení je široká kategorie, zahrnuje oděvy s elektronikou pro zajímavější či módní vzhled, nebo se může jevit jako normální, ale skrývá další užitečné funkce. Jedná se o integraci elektrických zařízení přímo do oděvu, do jeho materiálu nebo částí. [2]
Clothing+ Peak+
inteligentní sportovní oblečení pro snímání biometrických údajů bez ztráty komfortu. [2]
SmartCap
SmartCap sleduje tělesnou teplotu, pohyb, tepovou frekvenci, spálené kalorie a další biometrické údaje. Spree SmartCap funguje jako fitness monitor. Pomocí Bluetooth je kompatibilní s Androidy a iOS. [3]
Smoozi D-Shirt
od francouzské značky Cytizen Sciences. Digitální trička Smoozi D-Shirt (Obrázek 1) mají zabudované mikro senzory, které sledují srdeční tep, vzdálenost, rychlost a pozici nositele. [4]
Obrázek 1 - smoozi D-Shirt [5]
______________________________________________________
16
Fitness ponožky a T-shirt Senzoria
Data jsou odesílána přes Bluetooth pomocí pásku připnutého na ponožku. Ponožky měří techniku došlapu a provádějí celkovou analýzu chůze – rozložení hmotnosti při běhu i chůzi. T-shirt s integrací senzorů, měřících kroky, rychlost, kalorie, vzdálenost, nadmořskou výšku. Sestava na Obrázek 2. [4]
Obrázek 2 - Sensoria Fitness set [6]
Bunda Visijax Cycle Jacket
rozšířený model má v sobě zabudovaných 23 LED světel, spínací indikátory jsou aktivovány samy pohybem a samy se vypínají, vše je napájeno dobíjecí baterií.[4]
Sluchátka Dash
Sluchátka Dash (Obrázek 3) sledují srdeční tep a fungují přesněji než fitness pás.
Obsahují procesor Intel, upozorňují na SMS. [4]
______________________________________________________
17
Obrázek 3 – sluchátka Dash [4]
ReST-spánková technologie
využívá algoritmus Adaptive Sleep Thinking a textilii citlivou na tak k úpravě matrace nebo polštáře tak, aby odpovídaly reálným obrysům v reálném čase. Matrace, která se dokáže přizpůsobit poloze, při převalování a obracení. [4]
Fleecová čelenka s integrovanou sadou reproduktorů
Je dostupná v kabelové nebo Bluetooth formě, napomáhá izolovat se od okolního prostředí, nabízí možnost přehrání jakékoliv hudby (Obrázek 4). [4]
Obrázek 4 - fleecová čelenka [4]
______________________________________________________
18
AmpStrip
Od společnosti Fitlinxx – lepí se přímo na hrudník jako náplast a měří srdeční tep, aktivitu, dýchání, tělesnou teplotu a držení těla, je možné ho nosit až týden (Obrázek 5).
[4]
Obrázek 5 - AmpStrip [4]
Aira wear
Masážní oblečení ve dvou variantách jako vesta nebo mikina (Obrázek 6), pomocí Androidu a iOS může nositel navolit délku a intenzitu masáže, navíc oblečení kontroluje správné držení těla, po detekci špatné pozice nafoukne zádovou opěrku a automaticky napraví držení těla. Všechny údaje jsou zaznamenávány a ve statistikách jde najít informace o délce sezení, stání a délce jednotlivých masáží. [7]
Obrázek 6 - masážní bunda Aira wear [8]
______________________________________________________
19
Google a Levi Strauss
chytrá bunda - pomocí tlačítka nebo tlačítek přímo na bundě může nositel ovládat mobilní zařízení a připojit se k různým službám jako je například hudba, mapy, bunda byla uvedena na trh v roce 2017. [9]
Boty Glagla
mají vložku s vyhříváním v několika segmentech, pomocí aplikace v chytrém telefonu lze zvolit intenzita i místo vyhřívání, dále bota obsahuje krokoměr a barometr pro měření metrů, akumulátor vydrží boty vyhřívat až 9 hodin, pro nabití je nutné připojit obuv ke zdroji pomocí microUSB na tři hodiny. [10]
Myontec Mbody
šortky analyzující využívání svalstva spodních končetin a hlídají sportovce při jejich přetěžování, dokáží analyzovat držení těla při běhu i chůzi a upozorňují na špatnou techniku pohybu. [11]
Kopačky Adidas F50 adiZero + Adidas miCoach
Kopačky (Obrázek 7) monitorují rychlost během jednotlivých tréninků, data jsou shromažďována a následně vyhodnocována v porovnání s dalšími tréninky, pomocí výsledků se může plánovat tréninková zátěž, existuje víc typů těchto bot, ale pomocí miCoach dokáže tato obuv shromažďovat výsledky. [8]
Obrázek 7- kopačky Adidas [8]
______________________________________________________
20
Chytrá bunda pro záchranáře od společnosti GINA Software
Na výstavišti v Barceloně byla předvedena Brněnskou společností GINA Software chytrá bunda pro záchranáře a bezpečnostní složky. Bunda monitoruje pracovníky a v případě nouze přivolá pomoc. Systém lze zprovoznit i v prostředí zničeném katastrofou. Bunda je prototyp obsahující snímače srdeční činnosti, tělesné teploty, akcelerometr, GPS lokátor, komunikační LTE modul, akumulátor a tlačítko nouze. Společnost GINA Software spolupracuje s firmami Nokia a Kolon Industries. Nokia zabezpečuje konektivitu a Kolon Industries vyvíjí a vyrábí textilní materiály. [12]
Profesní oblečení s nositelnou elektronikou
Na informačním portále Západočeské univerzity v Plzni informují o jejich chytrém zásahovém obleku smartPRO. Hasičský oblek je vybaven senzory, aktivním osvětlením, alarmem a řídicí jednotkou. Systém sleduje vlastnosti prostředí: teplotu, vlhkost, přítomnost toxických plynů, lokalizaci hasiče uvnitř objektu a monitoruje tělesné funkce zasahujících osob. Senzory jsou obsaženy v obleku, rukavicích i botách. Senzory pro určení polohy jsou: akcelerometr, gyroskop, magnetometr, senzor teploty. [13]
2. Přehled firem s nositelnou elektronikou
2.1. Arduino
Arduino patří k nejrozšířenější vývojové platformě, nabízí různé typy desek od méně výkonných a malých po kompletní soustavy obsahující USB, HDMI, Ethernet, audio porty. První jednoduchý a levný vývojový set vytvořil v roce 2005 italský Interaction Design Institute určený studentům. Arduino se u studentů stalo velmi oblíbeným, a proto bylo nabídnuto celému světu i se všemi schématy i návody. [14]
2.1.1. Typy desek
Na každém Arduinu je procesor od firmy Atmel, který je obklopen dalšími elektronickými komponenty. Na většině desek je kromě hlavního čipu převodník, který umožňuje komunikaci mezi PC a čipem. Některé typy převodníky nemají, kvůli úspoře místa a následné nutnosti použití externího převodníku, nebo jsou typy, jejichž čip má v sobě tento převodník již zabudovaný. [14]
______________________________________________________
21
LilyPad
Pro nositelnou elektroniku byla vytvořena v roce 2007 platforma LilyPad Arduino (Obrázek 8). Spoje jsou tvořeny vodivou nití. Můžeme se setkat s několika verzemi této desky: verze s USB a čipem AT mega324, nebo bez USB ve verzi ATmega328 a dalšími.
[14]
Obrázek 8 - LilyPad
nová verze Arduina pro nositelnou elektroniku. Je to elektronický řídící modul, o průměru 1,75 a hmotnosti 4,4 g. Sada FLORA má také nerezové nitě, senzory, GPS moduly, senzory s LED osvětlením.
FLORA
FLORA (Obrázek 9) má zabudovanou podporu pro USB, díky němu lze modul naprogramovat, všechny komponenty na modulu jsou navrženy v jedné rovině, aby se nemohly zachytit o textilní materiál. [15]
Obrázek 9 – FLORA [15]
______________________________________________________
22 2.2. PICAXE
Picaxe je mikro kontrolér pro libovolné elektrické konstrukce. Původně byl tento systém koncipován jako výukový systém pro školy. Brzy se stal oblíbeným i u amatérských elektroniků, robotků i modelářů hlavně pro své počáteční velmi nízké náklady. Platforma používá snadný programovací jazyk. Nejmenší mikro kontrolér je k dispozici v osmi vývodovém pouzdře DIL-8 nebo SO-8, největší může mít vývodů až čtyřicet. Téměř všechny vývody mohou být nakonfigurovány jako digitální vstupy nebo výstupy, případně jako analogové vstupy. Některé typy pracují jako dotykový senzor a nahrazují tak ovládací tlačítko. V nabídce je i spousta pokročilejších funkcí. [16]
2.3. Applycon
Firma vznikla v roce 2005, zabývá se nositelnou elektronikou, inteligentními textiliemi, konektorovou technikou a kabelovou konfekcí. Specializuje se na aplikovaný vývoj a výrobu při využití moderních systémů, materiálů a navržení výrobních postupů. [17]
2.4. Interactive wear
Tato společnost vytváří inovativní produkty pro oděvní průmysl. Zaměřují se na flexibilní použití mobilní techniky v oděvním průmyslu. Firma spolupracuje se společností Zegna Sport Interactive wear na nositelné elektronice a inteligentních textiliích. [18]
Produkty a komponenty:
2.4.1. iComX
Soupravy obsahující elektroniku, textilní klávesnice, textilní kabeláž, sluchátka a mikrofon, výhodu je nízká hmotnost, malá velikost, nízká spotřeba proudu, kabelové nebo bezdrátové připojení přídavných složek
Flexibilní, lehké a robustní textilní kabely, jednotlivé měděné drátky jsou mechanicky chráněny polyesterovou přízí, textilní kabely jsou základní infrastrukturou pro propojení funkcí smart textilií. [18]
2.4.2. iThermX
Integrace vyhřívacího systému do textilie, modulární platforma zvyšuje pohodlí nositele v nestabilních teplotních podmínkách, Mikrocontroler reguluje správné množství dodané
______________________________________________________
23 energie podle potřeby, topné podložky je možné integrovat do rukavic, bot, kapes, límců,… K vyhřívacím produktům patří: vyhřívané dečky, dobíjecí akumulátory s nabíječkami, senzory, řídící elektronika vybavená několika úrovněmi bezpečnostních mechanismů
Výhody iThermX: produkty jsou malé, světlé, mobilní a účinné [18]
2.4.3. iLightX
Integrované světelné systémy, spojené s bezpečnostní a módní funkcí, barvy mohou být v různé intenzitě i barvě [22]
2.4.4. iPowerX
Technologie solární platformy umožňuje integraci kompletních solárních zdrojů energie do oděvů, textilních výrobků, batohů a tašek.
Standartní konfigurace iPowerX se skládají z: jednoho nebo více solárních článků, elektronických regulátorů nabíjení, nabíjecími záložními bateriemi, možnosti propojení textilními drátky a konektory pro MP3 přehrávače, mobilní telefony, GPS přijímače atd..
Základní konfigurace poskytuje přibližně 1 watt výkonu, když jsou baterie vystaveny přímému slunečnímu záření, záložní baterii nabije během asi 4 hodin, isolex praktická vzhledem k volně obnovitelné energii, volitelné výstupní napětí 3,7 V nebo USB kompatibilní 5,0V. [18]
______________________________________________________
24
3. Očekávaný vývoj nositelné elektroniky
Technologie a rychlé změny ve zdravotní péči vedou k vytváření zařízení, která jsou schopná sledovat a analyzovat informace o zdraví člověka. Tato data mohou být přenášena na dálku a zdravotnický personál by pak měl být schopen poskytnout cílenou léčbu. Nová nositelná zařízení mohou sledovat velké množství dat. Díky tomu je možno zaznamenávat například hladinu glukózy v krvi, poskytuje upozornění, kdy je hladina příliš vysoká nebo nízká.
Novější digitální požadavky na ochranu pacientů PPACA, známý také jako Obamacare, uvádí – lékaři musí vést elektronické lékařské záznamy. Novější nositelná zařízení umožňují zaneprázdněným lékařům monitorovat zdravotní stav osob a vykonávat lékařskou péči v rámci platných předpisů. [9]
Vědci z Open University UK se zahájili celoroční studii o tom, jak by nositelná elektronika prostřednictvím monitorování základních životních funkcí mohla zlepšit život lidem starším 55 let. Do výzkumu budou zapojeni příbuzní, zdravotníci a další osoby. Snahou bude zjistit, jak přesně by pomůcky měly fungovat, aby celý systém vyhovoval také životnímu stylu starších osob. [20]
Na Loughborough University byl vyvinut ultra-lehký, přenosný senzor Carelight, který nabízí monitorování základních životních funkcí, včetně srdečního tepu, rychlosti dechu, variability srdeční frekvence, krevního tlaku, teploty a hladiny okysličení. Čím více se lidé pohybují, tím obtížnější je přesně sledovat fyziologické parametry. Většina pokroků byla dosažena v oblasti přenosných pulsmetrů, kde se nejvyšší úroveň spolehlivosti nalézá u vysílačů s hrudním EKG popruhem, které shromažďují data tepové frekvence.
Tyto pulsmetry mohou být použity v širokém spektru pohybových aktivit, tento způsob je často nepraktický a nepříjemný, pro každodenní nošení nepředstavitelný. Uživatelsky přívětivý přístup se objevil s použitím photoplethysmographu (PPG), jedná se o optický přístup, který může monitorovat další kritické parametry a navíc i srdeční frekvenci, je vhodná k miniaturizaci, důkazem jsou chytré hodinky s vestavěným měřením tepové frekvence. Nevýhodou konvenčního PPG je, že senzor může být zmaten tělesným pohybem a to vede k nepřesnému měření. Nový optický projekt Carelight má dobře zdokumentované omezení PPG senzorů a nepřetržitě dodává jasný signál, a to i při fyzické aktivitě vysoké intenzity. Ultra-lehký přenosný snímač PPG může být umístěn na
______________________________________________________
25 různých částech těla a je schopný poskytovat spolehlivé a nepřetržité monitorování celé řady životně důležitých funkcí, včetně srdečního tepu, rychlosti dechu, variability srdeční frekvence, krevního tlaku, teploty a hladiny okysličení. [21]
3.1. Grafenová textilie
Velký rozvoj nositelné elektroniky je očekáván s použitím inkoustu na bázi grafenu.
Inkoust vynalezli vědci z Cambridge Graphene Center (CGC) na univerzitě v Cambridge ve spolupráci s vědci z Jiangnanské univerzity v Číně. Vyvinuli způsob aplikování grafenových inkoustů na bavlnu pro výrobu vodivé textilie. Nový proces impregnace bavlněné textilie vodivým inkoustem vyvinutý pod vedením dr. Torrisiho v CGC je levný, udržitelný a šetrný k životnímu prostředí. Přilnavost modifikovaného grafenu je podobná tomu, jak drží bavlna barvy a umožňuje tkanině zůstat vodivá po několik a praní. Vyrábějí se i jiné vodivé inkousty, ale ty jsou nákladné a neudržitelné, jako je například inkoust ze stříbra a jiných drahých kovů. Oproti tomu grafen je levný, ekologický a chemicky kompatibilní s bavlnou. [22]
______________________________________________________
26
4. Monitorování životních funkcí a polohy
V této diplomové práci je nejdůležitější zajistit sledování tepu, okysličení krve, teploty a vlhkosti.
4.1. Monitorování tepu
Touto záležitostí se ve své diplomové práci zabývá například Michal Martinka. V jeho práci bylo navrženo zařízení pro monitorování životně důležitých funkcí, jako je tep a tlak. Zařízení aplikoval do bundy. Byla použita řídící jednotka s LCD displejem, tlaková manžeta, 3V dc mikro kompresor, lithium- iontový akumulátor, bezdrátový bluetooth modul pro přeposlání dat do chytrého telefonu, vodivé dráhy atd. [23]
4.1.1. Tep
Pro měření tepu je možné použít dvě metody: optický snímač nebo hrudní pás. Tepová frekvence udává počet úderů srdce za jednu minutu. Měření tepu je často spojováno se saturací krve.
„Každý stah zdravého lidského srdce má svůj prvopočátek v SA uzlu (sinusový rytmus).
Srdce tepe za tělesného klidu asi 70krát za minutu. Frekvence se zpomaluje ve spánku (bradykardie) a zrychluje se emocemi, tělesnou námahou, v horečce a za celé řady dalších okolností (tachykardie). U mladých zdravých osob, které dýchají normálním rytmem, srdeční frekvence kolísá: zrychluje se během vdechu a zpomaluje během výdechu, zejména když se dýchání prohloubí. Tato sinusová arytmie je naprosto fyziologický jev. Chorobné procesy, které postihnou SA uzel, vedou k nápadné bradychardii, provázené mdlobami a synkopou (syndrom chorého sinu, sick sinus syndrome). Je-li vedení vzruchů mezi síněmi a komorami úplně přerušeno, vzniká tzv.
kompletní srdeční blokáda. Komory tepou pomalu (idioventrikulární rytmus), nezávisle na síních. Blokáda může být způsobena chorobným procesem v AV uzlu (AV nodální, junkční blokáda), nebo ve vodivé soustavě distálně od uzlu (infranodální blokáda). U pacientů s AV nodální blokádou se udavatelem rytmu stává nepostižená část uzlu a srdeční frekvence pak bývá kolem 45/min. U pacientů s infranodální blokádou je frekvence ještě nižší kolem 35/min, ale může dosahovat extrémně nízké hodnoty až 15/min.
U takových osob se vyskytují delší, i minutu trvající asystolie. Důsledkem je nedokrevnost mozku, která způsobí mdloby a bezvědomí. Síňová tachykardie vzniká, když se nějaké
______________________________________________________
27 ložisko v síni vybíjí opakovaně nebo když se navodí kroužení vzruchu (reentry). Dosahuje frekvence až 220/min.“ [24]
4.2. Okysličení krve
Podíl okysličeného hemoglobinu z celkového množství hemoglobinu v tepenné krvi vyjádřený v procentech se nazývá saturace krve. Používáme pro něj zkratku SpO2. Tato hodnota je u zdravého člověka přibližně 94-98%.
98-95 % jsou normální hodnoty
95-85 % se obvykle neprojevuje žádnými příznaky, kompenzační reakce nás chrání před příznaky hypoxie, narůstá tepová a dechová frekvence
85-75 % se projevují zlepšením nálady, hovorností, žertovností, nárůstem odvahy, odbrzděním sebekontroly, ochotou neobvykle manévrovat, zvýšenou snahou komunikovat, pocitem euforie, pocitem lehké opilosti
75-60 % - obtížné dýchání, úzkost, slabost, nevůle, pocit na zvracení, bolest hlavy, zhoršení koncentrace, návaly horka a chladu, ztuhlost, mravenčení, pocit na zvracení, zešednutí zorného pole, trubicovité vidění, neostré vidění, snížení schopnosti rozumět mluvené řeči, zpožděná odpověď na změny polohy
60 % a níže - bezprostředně hrozící hypoxické křeče a bezvědomí
Uvedené hodnoty jsou hrubě orientační a mohou se u jednotlivých osob výrazně lišit. [25]
4.3. Tělesná teplota
Tělesná teplota je důležitým ukazatelem lidského zdraví. Teplota je na různých místech těla odlišná a kolísá v závislosti na okolních podmínkách a fyziologickém stavu člověka.
Na nejlépe prokrvených částech těla naměříme teplotu 34 – 36 °C (hlava, břicho, prsa).
Člověk se cítí dobře, pokud průměrná teplota pokožky je 32 – 34 °C. Okrajové části těla, jako jsou ruce a nohy mají teplotu pokožky asi 29 – 31 °C. Nejchladnějšími místy těla jsou špičky prstů, nosu a ušní lalůčky s teplotou 23 – 28 °C. Teplota jádra organismu je přibližně 37 °C. Takto rozložené teploty jsou u zdravého člověka udržovány, i kdyby teplota okrajových částí poklesla. Při spánku teplota těla mírně poklesne. [26]
______________________________________________________
28
4.4. Vlhkost
Relativní vlhkost vzduchu pro termofyziologický komfort je 50 ± 10%. Lidská pokožka obsahuje snímače pro tlak a bolest, ale žádné pro vlhkost, ta je nahrazena vnímáním pocitu chladu a tlaku. [26]
Proto je vhodné do outdoorového oděvu zařadit vlhkostní senzor.
4.5. Zjišťování polohy
Pro orientační měření možného rozšíření elektronické sestavy je vysvětleno, jak funguje GPS.
4.5.1. GPS (Global Positioning Systém)
Globální polohový systém (GPS) vyvinutý a provozovaný resortem obrany USA je satelitní navigační systém založený na používání rádiových vln. GPS umožňuje uživatelům určit přesnou pozici, rychlost a čas 24 hodin denně, v jakémkoli počasí, kdekoli na světě. Signál GPS může být bezplatně využíván neomezeným počtem uživatelů. GPS družice je k dispozici komukoliv. Funkce GPS: družice GPS vysílají signály stanicím na Zemi. Přijímače GPS pasivně přijímají satelitní signál, žádný nevysílají. Přijímače vyžadují nezakrytý výhled na oblohu, takže mohou být používány pouze venku, a je možné, že v zalesněných oblastech a v blízkosti vysokých budov nebudou fungovat dobře. Operace GPS jsou závislé na velmi přesném určení času, které zajišťují atomové hodiny v Naval Observatory v USA. Každá družice GPS má atomové hodiny na palubě. [27]
4.5.2. GPS lokátory
GPS lokátory se používají na cenné předměty, auta, osoby, zvířata. Existuje jich celá řada v podobě hodinek, přívěsků, atd. Například: GPS lokátor v přívěsku HELMER LK 503.
4.5.3. FLORA GPS
Modul GPS vhodný pro aplikaci do nositelné elektroniky, je součástí série Adafruit FLORA. FLORA GPS je speciálně určený pro použití k základní desce FLORA. Modul je velmi malý, tenký a má nízkou spotřebu. Uvnitř je mikroprocesor s možností ukládání dat, je schopen zaznamenat asi 16 hodin dat. [28]
______________________________________________________
29
5. Vodivé dráhy v oděvní elektronice
Většina textilních vláken patří mezi elektrické isolátory. To je způsobeno tím, že všechny elektrony jsou vázané k atomovým jádrům nebo sdílené v kovalentních vazbách.
Elektrická vodivost však není úplně nulová a závisí na obsahu různých přísad - obsahu vlhkosti.
Pro větší vodivost se využívají:
Kovové vodiče – vlákno aplikováno do materiálů (jemnost kolem 9 µm), vysoká vodivost, negativní vysoká hustota kovů, jiné mechanické chování vlákna, využití:
stříbrná, měděná a ocelová vlákna – negativum je finanční nákladnost a koroze.
Pokovené vodiče – vnitřek polymer/přírodní a na povrchu pokovené, vysoká vodivosti, příznivé mechanické vlastnosti, negativní je malá stálost (závislá na tření a praní) a popraskání kovové vrstvy.
Uhlíkové vodiče – křehké, nepoužívají se často ve vlákenné formě.
Iontové vodiče
Vodivé polymery [29]
Tabulka 1 - vysvětlení použité jednotky pro vodivost [30]
Ohmův zákon uvádí, že elektrický proud v elektricky vodivém předmětu je přímo úměrný elektrickému napětí přiloženému na tento předmět, konstantou úměrnosti je vodivost:
I = (1/R)*U
Kde R ( Ω) je elektrický odpor, U je elektrické napětí. Ohmův zákon je také vyjádřen z hlediska materiálových vlastností, intenzitou elektrického pole E a hustotou elektrického proudu J jako:
J=(1/ρ)*E=σ*E
Kde ρ je odpor materiálu ([Ω*m]), a σ = (1/ ρ) je vodivost ([Ω*m]-1). To znamená, že průměrná rychlost nabitých částic ve směru pole je úměrná použitému poli.
V Tabulka 1 je vysvětlena jednotka pro vodivost použitá v následujících odstavcích.
______________________________________________________
30
5.1. Vodivé polymery
Přirozeně vodivé polymery obsahují dlouhé konjugované řetězce vytvořené dvojné vazby a heteroatomy. Nosiče nábojů jsou elektrony nebo díry vzniklé přimícháním určitého polymeru nebo doplňkových prostředků. Tyto nosiče slouží jako elektronové receptory nebo donory elektronů v polymeru, čímž v polymerním řetězci vznikají další elektrony nebo elektronové díry. To umožňuje rozvod elektrického proudu podél konjugovaného řetězce. Vodivé polymery jsou založeny na konjugovaných elektronových strukturách (rezonančních strukturách). Vodivé polymerní materiály jsou v podstatě polovodiče (čtyřicet krát méně vodivé než kovové látky). Za hlavní nevýhody polymerů byla považována jejich světlost, vlhkost, reakce pH, ale pro použití k senzorům jsou tyto nevýhody předností. [30]
Elektricky vodivé plastické hmoty se obvykle vyrábějí míšením elektricky izolačních polymerů a elektricky vodivých plniv, jako jsou saze a kovové částice, nebo elektricky vodivé polymery. Nosiči nábojů jsou elektrony nebo elektronové díry. Elektrická vodivost plněných vodivých polymerů záleží na vzájemných kontaktech mezi vodivými částicemi plniva. Je-li možné tunelové propojení elektronů, vzdálenost mezi částicemi by měla být menší než 100 A. V blízkosti této hodnoty může být vodivost nelineárně závislá na teplotě. Obvykle je potřeba dobře dispergované vodivé plnivo (uhlík) množství přibližně 15 až 35% objemu na pronikání a výrobu kompozit, které mají dobrou vodivost.
Struktura plniva (zejména poměr stran) má výrazný vliv na vlastnosti. K dosažení pronikání a dobré elektrické vodivosti je ve srovnání acetylenových sazí, strukturovaného uhlíku, a jednotlivých stěnách uhlíku, nano-tub zapotřebí 25, 15, a 2,5% hmotnosti. Takto vodivé kompozitní materiály zahrnují některá úskalí. Jejich mechanické a chemické vlastnosti jsou zásadně narušeny se zvyšujícím se obsahem plniva a snížením obsahu polymeru. Další obtížnou záležitostí je dispergování plniva do plastové matrice. [30]
K vodivým polymerům patří například polyanilin (PANI) a polypyrrol (PPY) obvykle získáme v podobě prášku, který svými zpracovatelskými vlastnostmi není tak odlišný od vodivých sazí. Oproti vodivým sazím je možno vodivé polymery odlišným způsobem modifikovat. Tyto polymery vznikly z podstaty vývoje třech vědců: Hideki Shirakawa, Alan MacDiarmid a Alan Heeger, kteří za svůj objev získali v roce 2000 Nobelovu cenu za chemii. [29, 30]
______________________________________________________
31 Polypyrrol je jedním z nejčastěji zkoumaných zástupců vodivých polymerů. Již v roce 1887 přinesla chemická oxidace pyrrolu oligomerní produkty. Následně roku 1916 zveřejnili italští chemici zprávu o tom, že polypyrrol polymerizuje konkrétně v kyselém prostředí během oxidace peroxidem vodíku za zrodu nerozpustné „pyrrolové černi“.
Další rozvoj v této oblasti nastal po roce 1979, kdy jistí vědci uveřejnili elektrochemický způsob přípravy této látky. Už roku 1982 došlo k vydání práce vystihující elektrochemickou syntézu polypyrrolu ve vodných roztocích. Můžeme však uvést, že k přípravě většího množství polypyrrollu vychází chemická polymerizace jako výhodnější než elektrochemická. Vylepšením chemické přípravy zmíněné látky a zajištění produktu s dobrou vodivostí se zabývá mnoho laboratoří i v současné době.
[29]
5.2. Kovové vodiče
Kovy jsou užitečné v aplikacích, kde je požadována vysoká vodivost, například MEMS, elektromagnetické stínění EMI, odporové vytápění, nebo přenos signálu. Výhodou jsou nízké náklady a vysoký elektrický výkon. V mnoha ohledech jsou uhlíková vlákna srovnatelná s kovovým vláknem, můžeme je najít i pod stejným názvem.
Dloužením a prolínáním kovových pramenů a pramenů z textilních vláken lze získat relativně vysoké vodivosti (105 [Ω*cm] -1), bohužel přetrvávají inherentní problémy.
Nejen, že jsou kovová vlákna drahá, mohou být pětkrát těžší než některá textilní vlákna a výroba homogenní směsi je obtížná. Kromě toho jsou kovová vlákna křehká. Posledním problémem je, že kov dohromady s vláknem může tvořit nepříjemný omak. Bez ohledu na tato omezení, byly zaznamenány úspěšné pokusy prolnutí kovů a stabilních pramenů.
Z kovových vláken se používají příze, tkaniny a netkané materiály. Kombinované materiály jsou zpracovatelné na normálních textilních strojích. Komfortní vlastnosti, odolnost proti opotřebení a údržbě, a robustnost může být omezena zejména se změnou podílu kovu v materiálu. Rozsáhlé uplatnění našla zvláště ocelová vlákna, jako antistatické textilie. [30]
5.2.1. Železité materiály jako vodič
Ocel je materiál vhodný zejména pro podporu vodivých koberců a antistatických ochranných oděvů. Dalším příkladem použití je aplikace do elektricky vytápěných oděvů.
Vlákna, která by měla být použita, se vyrábí při nízkých teplotách z nerezové oceli AISI
______________________________________________________
32 316L (Ni 10-14% Cr a 16 až 18%). Tato vlákna mají vynikající užitné vlastnosti.
Nerezová vlákna jsou výrazně odporová. Kontinuální vlákna 20% PES ve směsi mají elektrickou vodivost ~ 102 [Ω*cm]-1 a ~ 100 [Ω*cm] -1, respektive pro Tex 200g/1000m yardů. Vodivost také souvisí s velikostí příze. Ocelové vlákno je pružné a díky tomu omezuje zmačkání tkaniny, na druhou stranu je tuhé čímž ovlivňuje výsledné vlastnosti materiálu. Obsah Niklu v oceli s sebou nese riziko alergie, zejména u nerezové oceli jako je New York nebo 601 NY 845, který obsahuje 40 až 60% niklu. Kombinace všech těchto vlastností omezuje typické použití oceli v technických textiliích a u některých senzorů.
[30]
5.2.2. Ušlechtilé a barevné kovy
Měď, stříbro a s určitým omezením i zlato, mají výrazně větší vodivost než jakákoliv vodivá ocel. Jednou z metod výroby kovem potažených vláken s vysokou vodivostí (104 [Ω*cm]-1) je vakuové stříkání. Tento proces má několik omezení: adheze mezi kovem a vláknem vytváří nestabilní konstrukce, proces je obtížný a vyrobená vlákna mají nízkou odolnost vůči korozi a opotřebení.
Další metodou je galvanický povlak, který je srovnatelný s vakuovým postřikem, kritériem je použití pouze na vodivé vlákno. Problémem je adheze mezi kovem a tkaninou. Náklady na barevné kovy jsou vysoké, ale vzhledem k jejich vysokým elektrickým výkonům, schopnostem ulpět i na velmi jemné vlákno a následné použití pro různé aplikace je cena zanedbatelná.
Dalším způsobem je napodobování lankových konstrukcí, které byly vyvinuty pro přepravu signálu a energie. Tyto kabílky jsou kompatibilní s textilií, pevné nebo spletené z drátků mědi a stříbra s obzvláště vysokou vodivostí (106[Ωcm]-1). Povrch je potažen silikonovým kaučukem, PTFE (polytertrafluorethylen), FEP (fluorethylen-propylen) nebo PE (polyetylen) vrstvou. Díky nové digitální fotografické technice se v poslední době se stalo dostupnější stříbro. I přes to, že je stříbro poněkud reaktivní, jeho elektrický výboj je atraktivní, také se často zdůrazňují jeho antibakteriální vlastnosti. [30]
5.3. Uhlík jako vodič
Uhlíková vlákna se přidávají do textilní struktury pro ochranné oděvy proti elektrostatickému výboji. Vodivost uhlíkového vlákna je 105…100[Ω*cm]-1 záleží na čistotě použitého uhlíku, vodivost čistého uhlíku může být (102[Ω*cm]-1). Uhlík je někdy
______________________________________________________
33 obtížné zpracovat. Kombinované struktury vláken, jako je nylon-uhlík a polyester-uhlík mají v důsledku sendvičového zpracování výrazně menší vodivost (10-10…10-6[Ω*cm]-1).
Uhlík ve vláknech dodává konečnému produktu černou barvu. Nevýhodou je, že uhlík není příliš odolný proti opotřebení, ale tepelné vlastnosti jsou výrazně lepší než u kovu.
Vysoce vodivý materiál z černých uhlíkových vláken umožňuje barevné struktury materiálu. Tyto vlastnosti jsou požadovány právě pro aplikaci do oděvů proti elektrostatickému výboji. [30]
5.3.1. Nano-tuby a jejich vodivost
Uhlíkové nano-tuby jsou vyvíjeny jako materiál s extrémními vlastnostmi jako vlákna se super mechanickými vlastnostmi, vysokou tepelnou izolací, kombinované s kovovou vodivostí. Vlastnosti vodivosti jsou velmi závislé na strukturní orientaci molekul v uhlíkových nano-tubách a počtu stěn. Komerčně dostupné materiály mají obvykle více stěn 10 až 12 nm s vlákny o délce 10-16 μm a 20-30 vrstvené struktury s meziproduktovými vlastnostmi. Vysoký poměr dávky uhlíkových nano-tub a dobrý elektrický výkon umožňuje vyrobit vodivé vlákno na bázi polymeru s výraznými textilními vlastnostmi ve vlákně. EMI vlákno vyžaduje acetylenové saze 25%, které jsou těžko zpracovatelné do podoby vlákna, zatímco jednostěnné uhlíkové nano-tuby vyžadují 2,5% hmotnosti pro některé požadované vlastnosti. Přidáním na 3% hmotnosti v uhlíkové nano-tubě vede k vodivosti ~10-6[Ω*cm]1. Nyní se dají vyrobit polymerní kompozitní uhlíkové nitě dokonce i s nano vlákny mají strukturu jádra uhlíkových nano-tub. Tento vývoj naznačuje, že v budoucnu budou z nano- tub vyráběna mechanicky i elektricky výkonná vlákna s podobnými či lepšími vlastnostmi než má kov. [30]
5.4. Iontové vodiče
5.4.1. Kovové soliUrčité soli s kovy, jako sulfidy mědi a jodidy mědi jsou převážně využívány jako elektricky vodivé povlaky na vlákna. Důvodem je snadná zpracovatelnost pomocí běžných textilních technik. Bohužel lze získat pouze nízké vodivosti. Například pro koberce na antistatickou aplikaci bývá použit nylon, polyester, vlna a akryl. Vodivost v závislosti na chemické látce a postupu je 10-6 …10-1[Ω*cm]-1. Bílé kovové sloučeniny jsou nízce reaktivní, a proto se používají pro výrobu bikomponentních vláken. Přínosem
______________________________________________________
34 jsou výrazně textilní vláknité vlastnosti s dostatečnou vodivostí. Vodivost u nylonu a polyesteru je v rozmezí 10-10 …108[Ω*cm]-1. [30]
5.4.2. Iontové polymerní vodiče
Ionomery a iontové polyelektrolyty jsou organické polymery, které jsou modifikovány formováním vodivých iontových solí, prostřednictvím funkčních skupin, například neutralizací funkční skupiny karboxylové kyseliny na polymer s hydroxidem kovu.
U kovu se preferuje oxidační číslo jedna, jako je Lithium nebo Draslík, který poskytuje lepší vodivost. Ve své podstatě je nosič vodivých polymerů iontový, včetně protonu.
Ionty jsou velikostně objemnější a tím je jejich mobilita nízká. Rozdílem u ionomerů je menší vodivost než u většiny vodivých polymerů. Nicméně iontové systémy jsou chemicky i barevně lépe udržitelné než konjugované polymerní systémy. Ionomery jsou více odolné vůči pH a kyslíku, proto si dobře udržují stálobarevnost. [30]
Pro antistatické produkty byly vyvinuty polyelektrolytové materiály obsahující polyesterová vlákna. Bikomponentní strukturovaná disipativní antistatická vlákna jsou žádoucí v širokém rozsahu pro různé materiály s různou konstrukcí a polymery s vodivostí od 1010…106[Ω*cm]-1. [30]
5.5. Aplikace
Elektricky vodivé textilie mohou být použity při výrobě oděvů s nositelnou elektronikou, jako jsou například tenzometry používané pro biomechanické monitorování nebo přímé biofeedback zařízení pro sportovní výcvik a rehabilitaci. V tomto oblečení jsou zaznamenávány a monitorovány fyzické změny pomocí elektrického odporu nebo elektrické vodivosti. Další aplikace jsou například výrobu oděvů, které jsou schopny změnit své tepelně izolační vlastnosti nebo měřit vlhkost a reagovat na měnící se podmínky klimatu. Elektricky vodivé textilie mohou být také použity pro antistatické oděvy, například v oblasti výroby elektroniky, nebo jako elektromagnetické stínění.
A další využití topných zařízení je například u autosedaček společnosti Microsoft a rukavic. [30]
K požadavkům na ideální elektricky vodivé textilie patří: možnost integrovat elektronické součástky do konvenční textilní struktury, stabilní elektrické vlastnosti, vydržet běžné opotřebení a musí být omyvatelné. Během praní mohou textilie trpět rychlou ztrátou vodivosti. [30]
______________________________________________________
35 5.5.1. Potiskování
Pro potiskování polianilinu se udržuje vysoké teploty na krátkou dobu, několik desítek sekund až do 350-380 ° C bez nevratné ztráty vodivosti. Nicméně, nanášený PANI se netaví, ale je spíše jako organické plnivo. Pro zpracování musí být PANI plastifikovaný.
Měkčený plast je pak zpracovatelný ve vytlačovacím stroji a může za kontrolovaných podmínek tvořit vzájemně prostupující sítě (IPN) s vybranou matricí. Struktura IPN je pro vodivost nutná, ale je citlivá na teplo > 230 ° C ke smyku dochází při teplotě > 300°
C po dobu několika minut. Tato funkce omezuje zpracovatelnosti Pani směsí. [30]
5.5.2. Nátěr
Roztok z různých materiálů vodivých polymerů se nanese na podkladovou vrstvu materiálu s použitím rozpouštědla a jeho následným odpařením. Problémem je nanesení požadované rovnoměrné vrstvy, rozpustnost většiny vodivých polymerů a udržitelnost na textilním materiálu. [30]
5.5.3. In-situ
In-situ může být chemická polymerace prováděná dvěma odlišnými způsoby. První z nich je především blokovou polymerace v roztoku, kde část vzniklých polymerních usazenin na povrchu podkladového materiálu ponořeného do roztoku, polymer se v nádobě vysráží v granulích. V tomto případě se doporučuje maximalizovat množství polymeru naneseného na povrchu substrátu, a to může být dosaženo volbou vhodné koncentrace reakčních komponent, oxidačního činidla, poměru monomeru. Druhou možností je chemická polymerace přímo na povrch. V tomto případě je teplota povrchu obohacena buď monomerem, nebo oxidačním činidlem, a poté se zpracuje v roztok nebo páru buď pomocí oxidačního činidla, nebo monomeru v daném pořadí. To zajišťuje, že polymerace probíhá téměř výhradně na povrchu. Nevýhodou této metody je, že není snadné dosáhnout rovnoměrného povrchu. [30]
5.5.4. Techniky pro výrobu vodivých drah
Vývoj obvodů na bázi plošných textilií začíná u konvenční vícevrstvé struktury s hromadou oblouků, která má vodivý vzor napsaný na izolačním materiálu. 4 desky s plošnými spoji jsou obvykle vyrobeny z mědí pokovených organických vrstvených materiálů - epoxidová nebo fenolová pryskyřice s vloženým materiálem, jako je sklo.
______________________________________________________
36 Propojovací vzory jsou vepsány na každém mědí plátovaném laminátu s použitím fotolitografie a elektronové litografie. Tyto konvenční desky s plošnými spoji nejsou flexibilní v bodě. Používají se v mnoha aplikacích, jako jsou ruční elektronické přístroje, laptopy, atd. Je potřebné, aby byly desky s plošnými spoji snadno ohybatelné. Za účelem vytvoření pružné desky s plošnými spoji, se začali vzory obvodů tisknout na polymerní substráty, jako jsou filmy. Obvody implementované do látky nabízejí další výhody pružnosti v ohybu a smyku, vyšší odolnost proti roztržení a lepší odolnost vůči opotřebení při opakované deformaci. V dnešní době už existuje spousta technik pro výrobu vodivých drah v textilii. [30]
5.5.5. Vyšívání
Vyšívání je tradiční většinou dekorativní technikou, při které jsou vytvářené vzory na nějaký materiál. Obvody mohou být vytvořeny za použití ručního šití nebo strojově řízeného vyšívání vodivých vláken do tkanin vyrobených z izolačních materiálů. Izolační materiál by mohl být tkaný, netkaný nebo pletený. Jednou z výhod tohoto procesu tvorby obvodu je, že vodivá vlákna mohou být vyšívána do jakéhokoliv tvaru na látce, bez ohledu na příze ve tkanině. Strojové šití a vyšívání je komplikovaným procesem. Nit je velmi namáhána, proto je důležité, aby vodivá nit měla relativně vysokou pevnost a flexibilitu, musí vydržet celý proces k vytvoření bezpečného stehu. Jedním z hlavních nevýhod výšivky jako prostředku tvorby obvodu je to, že neumožňuje tvorbu vícevrstvých obvodů zahrnujících vodivá vlákna, která přechází přes různé vrstvy, tak jako je to možné v případě tkaných obvodů. Kromě toho je zde již zmíněný problém s možností přetrhu nitě. Opravení přetrhu může vést k nežádoucí dodatečné impedanci.
S tímto problémem se rovněž můžeme setkat i u jiných procesů tvorby obvodů jako je pletení a tkaní. [30]
5.5.6. Tkaní a pletení
Vodivá vlákna mohou být zatkaná do tkaniny spolu s elektricky nevodivými vlákny, takto zatkaná vlákna tvoří elektrický obvod. Tkaní elektrických obvodů může být provedeno na běžných tkacích strojích. Nejvyšší stupeň kontroly v umístění vodivých elementů a nejpřesnější kontrolu provázání každé nitě zvlášť umožňuje žakárový tkací stroj. Je možné vytvořit složité vzory obvodů automatizovaným způsobem. Jedním z omezení používání tkaní pro výrobu elektrických obvodů je, že vodivá vlákna musí být umístěna
______________________________________________________
37 na předem určených místech ve směru osnovy a zároveň tvořit osnovní vál nebo být na cívečnici při seřizování stroje. Různé druhy vodivých vláken mohou být dodávány v útku nebo pomocí útkových selektorů uvedených na tkací stroj. Zaplétání vodivých vláken může být také provedeno na běžných pletacích strojích. [30]
5.5.7. Dočasné propojení
Jako dočasné propojení mohou sloužit kovové druhy, díky nim je snadné odjímání potřebných částí jako je například zdroj, který většinou musí sundávat při údržbě praním
______________________________________________________
38
6. Experimentální část
Hlavním cílem bylo vytvořit oděv s integrovanou nositelnou elektronikou monitorující zdravotní stav nositele (tep, okysličení krve, teplota a vlhkost). Byla vybrána elektronika od firmy Arduino. Tato platforma je jednou z nejrozšířenějších ve světě. Jedná se o finančně nejméně náročnou platformu s možností velkého výběru základních desek, senzorů a čidel. Díky tomu bylo možné sestavit několik možností. Další výhodou je poměrně snadné programování, protože jsou programovací kódy veřejně dostupné.
6.1. Zvolená elektronika
Pro monitorování základních životních funkcí jako je tep, okysličení, teplota a vlhkost byly zvoleny tyto komponenty:
6.1.1. Elektronika pro měření tepu
KY039 senzor tepu srdce snímá pomocí fototranzistoru a infračervené LED diody změnu okysličení krve, vzniklé napětí je přepočítané na jednotky BPM (údery za minutu). Po zkoušce senzoru bylo zjištěno, že daný senzor nefunguje. Na grafu (Obrázek 10) je vidět nepřesný výsledek měření. Sledovaná osoba měla dle tlakoměru tepovou frekvenci 64 úderů za minutu.
Obrázek 10 – výsledek měření senzoru KY039
MCP6001-X Senzor srdeční frekvence byl po odzkoušení vyřazen, protože je analogový.
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
1 11 21 31 41 51
BPM
Záznamy
Měření - senzor tepu KY039
KY039 senzor tepu srdce
______________________________________________________
39 Senzor MAX30100 je menší a vhodnější do oděvu. MAX30100 je senzor se zahrnutým pulzním oxymetrem a snímačem srdeční frekvence. Tento senzor je navržen pro náročné nositelné sledovací zařízení, jako jsou fitness kontroléry a zdravotnické přístroje.
MAX30100 je řešen malým rozměrem vyhovujícím požadavkům nositelné elektroniky.
Obsahuje I2C sběrnici. Je možné nastavovat vzorkovací frekvenci a zjišťovat saturaci okysličení krve SpO2.
6.1.2. Elektronika pro měření teploty
MCP9700/9700A Lilypad teplotní senzor. Při zkoušce bylo zjištěno, že není možné získat věrohodná data, protože se jedná o senzor s analogovým signálem, který je velmi náchylný na okolní vlivy a přenos signálu se mění.
HTU21D senzor teploty a vlhkosti, který snímá okolní teplotu a vlhkost. Senzor obsahuje I2C sběrnici. Přesnost měření teploty je ±1 °C a vlhkosti ±2%.
6.2. Funkce vybraného senzoru tepu MAX30100
Obrázek 11 - schéma funkce senzoru MAX30100 [31] Obrázek 12 – senzor MAX30100
Jak můžeme vidět na
Obrázek 11, ze senzoru jsou vyzařována dvě světla: infračervené záření a červené záření.
Ta prochází do tkáně, odkud jsou částečně odražena do fotodiody, kde se mění hladina proudu a napětí. Výsledný analogový signál je převeden v ADC převodníku na digitální, který je snadno zpracovatelný v počítači. [33]
______________________________________________________
40 Následující Tabulka 2 zobrazuje přehled použitých senzorů se základními údaji, přesný název senzoru (pod kterým lze najít naprogramované kódy a knihovny), provozní napětí a některé výhody a nevýhody.
______________________________________________________
41
Tabulka 2 – použité a odzkoušené elektronické součásti
Obrázek elektronické součástky Název a kód, cena Výhody, nevýhody
Arduino senzor tepu srdce KY039
Cena 80 Kč Velký rozměr Napájení 5V
Schopnost zaznamenávání tepu pouze na prstu
Analogový
Teplotní senzor LilyPad MCP9700
Cena 109 Kč Napájení 2,3 -5,5 V Dobře propojitelný nitěmi Snadné programování Určen pro nositelnou elektroniku
Analogový - nevýhoda
Vlhkostní a teplotní senzor HTU21D
Cena 171 Kč Napájení 3.3V Malý rozměr
Chyba měření vlhkoměru ± 2%
Chyba měření teploty ± 1°C I2C sběrnice - výhoda
______________________________________________________
42 HM-10 Bluetooth 4.0 BLE CC2540 CC2541 klon Cena 191 kč
Dosah až 60 metrů Napájení –3,6 – 6 V Je vhodný pro většinu operačních systémů Zabírá hodně paměti Senzor srdeční frekvence MCP6001-X
Napájení 5 nebo 3,3 V Cena 192 Kč
Analogový
Detektor srdečního tepu MAX30100
Cena 158 Kč Napájení 3,3 V I2C sběrnice A/D převodník Měří přesně SPO2 Snadná dostupnost Navržen pro nositelnou elektroniku
Měří odražené světlo Má korekci zkreslení v infračerveném spektru Složité programování Velká spotřeba energie při stálém provozu
______________________________________________________
43 [ 3 2 ]
Stabilizátor napětí AMS1117-5V Cena 40 Kč Malý rozměr
Vstupní napětí 6 – 5 V Výstupní napětí 5V
Pracovní teplota -40 až 125
°C
Flora Wearable Ultimate GPS Module
Cena 1278 Kč
Při orientačním měření za 48 hodin nezachytila žádný signál.
Vstupní napětí – 3 – 4,3 V
______________________________________________________
44
6.3. Programování senzorů
Pro každý senzor je možné podle identifikačního čísla najít již naprogramované kódy, které lze upravovat a nahrát na každou základní desku Arduina. Na obrázku je printscreen vývojového prostředí Arduina po nahrání kódu do základní desky Arduino NANO, kód zabírá 49% paměti, to znamená 15300 bytů (Obrázek 13). Velká spotřeba paměti je hlavním důvodem, proč nakonec nebyl použit Lilypad ATmega328.
Obrázek 13 – vývojové prostředí Arduina po nahrání kódu na základní desku
S deskou Lilypad byly nejprve odzkoušeny všechny senzory na měření tepu. Při propojování kódů senzorů bylo zjištěno, že dohromady zabírají velký podíl paměti a na Lilypad se kód nevejde. Lilypad je deska spíše na jednoduché senzory jako jsou například led diody. Dalším problémem je i složitý obvod. Propojování mezi senzory a základní deskou bylo zhotoveno vodivou nití, jak je vidět na Obrázek 1 4 .
______________________________________________________
45
Obrázek 14 - zkouška funkce senzoru MAX30100 se základní deskou LilyPad
Nevýhodou senzoru MAX30100 je složité programování, datasheet k senzoru obsahuje rozsáhlý návod, je důležité zvolit správný kód a nastavit vhodnou vzorkovací frekvenci, která je pro každý senzor a kombinaci se základní deskou jiná. Nejlepší kódy byly k dispozici na webu Github. Dobré rady a problémy s programováním jiných uživatelů je možno získat na fóru Arduina. V našem případě se vyskytly komplikace s programováním, funkcí senzoru a jeho nastavením. Pro měření tepu byly vyzkoušeny tři senzory, z nich byl vybrán MAX30100. Pro MAX30100 byly vyzkoušeny tři programovací kódy a mnoho kombinací vzorkovací frekvence. Po nastavení senzoru bylo zapotřebí nastavit další senzory.
Senzor teploty Lilypad na měření teploty byl vyřazen, protože je analogový a pro další měření byl vybrán HTU21D senzor pro měření teploty a vlhkosti. Tento senzor lze snadno naprogramovat, jeho přesnost měření je v porovnání s jinými senzory pro měření teploty a vlhkosti v rozmezí, jakou udává výrobce.
Pro další programování a propojování kódů dohromady bylo použito nepájivé kontaktní pole (Obrázek 15), díky tomu lze propojení a zapojení jednoduše měnit.
______________________________________________________
46
Obrázek 15 - propojení elektroniky v nepájivém kontaktním poli
6.4. Odesílání dat do mobilního telefonu
Pro odesílání dat byl zvolen modul bluetooth pro bezdrátové připojení. Nevýhodou tohoto modulu je vysoká spotřeba výkonu a velká spotřeba paměti. Dosah spojení je až 60 metrů.
Lze spárovat se systémy IOS a Android. Pro komunikaci s mobilním telefonem byla vybrána aplikace Serial Bluetooth classic 1.12. Díky tomu lze sledovat tep, okysličení, teplotu i vlhkost na displeji přes naprogramované příkazy.
6.4.1. Příkazy z telefonu
Při odeslání naprogramovaného písmene je odeslán příkaz do procesoru a následně je vrácena daná hodnota s písmenem spjatá. Příkazy do telefonu jsou v Tabulka 3.
Tabulka 3 - příkazy do telefonu pro zobrazení naměřených dat
Příkazy Zobrazená hodnota
H (h) tep a okysličení
T (t) teplota a vlhkost okolí
R (r) procesor se restartuje
Pomocná funkce programu
„be“ 0
„be“ 1
______________________________________________________
47 Pomocnou funkcí programu je zobrazení {“be”:0} a {“be”:1}, tyto hodnoty indikují kontakt s živým jedincem (Obrázek 16), když kontakt není, program neukazuje nic. Lze tedy sledovat, jestli je člověk živý.
Obrázek 16 – prostředí mobilního telefonu v aplikaci Seriál Bluetooth Classic 1.12. při měření
Hodnotu tepu a okysličení můžeme brát jako pravdivou, pokud je u obou nějaká hodnota tepu i okysličení kromě 0. Pokud je jedna nebo obě hodnoty 0 jedná se o špatně naměřenou hodnotu. Je třeba zkontrolovat správné umístění senzoru a jeho přítlak. Dále zadat do programu hodnotu „r“ jako restart programu, počkat přibližně deset sekund a teprve potom odeslat hodnotu pro tep a okysličení „h“. Bylo vypozorováno, že nejlepších výsledků bylo dosaženo při zjišťování hodnot s rozestupem 1 minuty.
______________________________________________________
48
6.5. Schémata připojení senzorů k základní desce
První schéma (Obrázek 17) se základní deskou Arduino NANO bylo navrženo s teplotním senzorem Lilypad MCP9700, kvůli analogovému přenosu nebyly hodnoty teploty zaznamenávány správně. Na druhém schématu (Obrázek 18) je finální podoba se senzorem vlhkosti a teploty HTU21D obsahující I2C sběrnici.
Obrázek 17 - schéma navrženého obvodu s teplotním senzorem Lilypad
Obrázek 18 - schéma navrženého obvodu se senzorem teploty HTU21D
