Создание умной стельки для точного мониторинга распределения давления под ногой

Компоненты и расходные материалы

Arduino MKR1000	×	1
Датчики силы (FSR) — модель Interlink 402	×	3
Провод (по метру)	×	1
Резисторы 10 кОм	×	3
Power Bank	×	1
Акселерометр ADXL345 (SparkFun Breakout)	×	1

Необходимые инструменты

Паяльник (припой, термоусадка и аксессуары)

Приложения и онлайн-сервисы

Платформа Thinger.io
Arduino IDE

О проекте

Измерение давления применяется во многих областях: информация о биомеханике шага, клиника, спорт. В этом проекте датчики дают представление о распределении веса. Реализована визуализация давления в реальном времени — так данные понятнее.

Необходимое железо

Arduino MKR1000 — подойдут большинство 3.3В/5В плат с Wi-Fi, но ESP не рекомендую: несколько плат давали неточные измерения.
FSR (3 шт.) — Interlink 402 (100 Н). Также пробовал дороже Interlink 406, но 402 достаточно. Больше FSR — выше точность.
Резисторы 10 кОм — меняйте для масштабирования диапазона измерений. Чем больше резистор, тем крупнее шаги. Подробнее здесь.
Акселерометр ADXL345 (16G) — для измерения ускорения и движений стопы. Опционально, но полезно для анализа шаговой фазы.
Паяльник — крокодилы в ботинке не работают.

Сборка схемы

Создание умной стельки для точного мониторинга распределения давления под ногой

Важные замечания:

FSR — читайте перед пайкой: будьте крайне осторожны при пайке проводов к FSR. Не пытайтесь, если не уверены в навыках. Пайте очень быстро — пластик плавится. Узнал на горьком опыте…

У FSR нет полярности — плюс/минус не важны.

Резисторы можно менять для масштабирования диапазона.

GND/5V: все датчики подключены к общей шине 5V и GND.

Акселерометр: можно не ставить, если не нужен. Для чистого измерения давления не обязателен, но помогает при анализе гаитовой фазы.

Монтаж железа на стельку

Рекомендую сделать это ПОСЛЕ запуска кода — если есть ошибки пайки, вы узнаете сразу и сэкономите время на перепайке.

Три FSR клеятся в точки стельки: левый верх — эверсия, правый верх — инверсия, пяточный — давление на пяту. Точное положение — методом проб: ищите точку, где аналоговое значение меняется сильнее всего при ходьбе.

Провода зафиксированы скотчом — движение вызывает помехи. Велкро на подошве и внутри ботинка держит стельку на месте.

Акселерометр (если есть) на заднюю часть пятки — двусторонний скотч.

Измерение сил

Готовы к измерениям. Далее предполагаю знакомство с библиотекой Thinger.io. Подробнее — в разделе «Отправка данных через Thinger.io».

Программа имеет длинный заголовок: переменные для Wi-Fi, глобальные массивы для каждого FSR (длина 3). Использую массивы максимально — каждый элемент под свой датчик. Глобальные переменные нужны для отправки через Thinger.io.

Код прокомментирован. Полный код внизу страницы.

#define _DEBUG_ // Включает Serial Monitor
#include 
#include 
#include  // Акселерометр
#include 
#include 
#include 

#define USERNAME "yourUsername"
#define DEVICE_ID "yourDeviceID"
#define DEVICE_CREDENTIAL "yourDeviceCredential"
#define SSID "yourSSID"
#define SSID_PASSWORD "yourSSIDPassword"

// FSR датчики
#define noFSRs 3
#define FSR1 A1
#define FSR2 A2
#define FSR3 A3

float fsrVoltageArray[3];
float fsrForceArray[3];
float fsrWeightInGramsArray[3];
int pinArray[3] = {FSR1, FSR2, FSR3};
float forceMaxArray[3] = {100.0, 100.0, 100.0};
float million = 1000000.0;
float conversionToKgrams = 1.0/9.80665;
long K = 1000;
long R = 10*K; // R в кОм
long Vcc = 5000; // 5В = 5000 мВ, 3.3В = 3300 мВ
float voltageMax = 0.98 * Vcc; // Макс. напряжение 95% от Vcc

ThingerWifi101 thing(USERNAME, DEVICE_ID, DEVICE_CREDENTIAL);

Соединение с Thinger.io настраивается строкой:

ThingerWifi101 thing(USERNAME, DEVICE_ID, DEVICE_CREDENTIAL);

Параметры берутся из вашего аккаунта на Thinger.io — настройте сначала.

В setup() устанавливается Serial и Wi-Fi:

void setup(void) {
  Serial.begin(115200);
  thing.add_wifi(SSID, SSID_PASSWORD);
}
void loop(void) {
  thing.handle();
}

Определяем «thing» — ключевую концепцию Thinger.io. Это как функция, но со специальной структурой для отправки данных в облако.

thing["pressure"] — считывает сырые значения трёх FSR, выводит в Serial и в канал out.

thing["voltage"] — переводит АЦП в милливольты (map 0-1023 → 0-5000), сохраняет в fsrVoltageArray, отправляет в out.

thing["newton"] — самая сложная часть: перевод напряжения в силу (Ньютоны). Логарифмическая функция сглаживает кривую. Разбираются крайние случаи: слишком высокое напряжение (обрезаем до макс. силы), слишком низкое (нуль, шум), средние — логарифм.

thing["weight"] — простое преобразование Ньютонов в граммы.

thing["newton"] >> [](pson & out) {
  for (int FSR = 0; FSR < noFSRs; FSR++) {
    float force_value = (forceMaxArray[FSR]/voltageMax) * fsrVoltageArray[FSR];
    if (fsrVoltageArray[FSR] < voltageMax) {
      if (force_value <= 1.00) fsrForceArray[FSR] = 0.0;
      else fsrForceArray[FSR] = log10(force_value);
    } else {
      fsrForceArray[FSR] = log10(forceMaxArray[FSR]);
      Serial.print("Cut off activated for FSR = "); Serial.println(FSR);
    }
  }
  out["FSR1newton"] = fsrForceArray[0];
  out["FSR2newton"] = fsrForceArray[1];
  out["FSR3newton"] = fsrForceArray[2];
};

thing["weight"] >> [](pson & out) {
  for (int FSR = 0; FSR < noFSRs; FSR++) {
    fsrWeightInGramsArray[FSR] = fsrForceArray[FSR] * conversionToKgrams * 1000.0;
  }
  out["FSR1weight"] = fsrWeightInGramsArray[0];
  out["FSR2weight"] = fsrWeightInGramsArray[1];
  out["FSR3weight"] = fsrWeightInGramsArray[2];
};

Настройте дашборд на Thinger.io. Ожидаемый вид:

Измерение ускорения

Проще, чем давление. Добавляем библиотеки Wire.h, Adafruit_Sensor.h, Adafruit_ADXL345_U.h и три глобальные переменные x, y, z.

В setup() проверяем датчик, задаём диапазон 16G, создаём thing["accelerometer"], который читает событие и отправляет x, y, z в out.


#include 
#include 
#include 

Adafruit_ADXL345_Unified accel = Adafruit_ADXL345_Unified(12345);
int x = 0, y = 0, z = 0;

void setup(void) {
  Serial.begin(115200);
  if(!accel.begin()) {
    Serial.println("No ADXL345 detected");
  } else {
    accel.setRange(ADXL345_RANGE_16_G);
    thing["accelerometer"] >> [](pson& out){
      sensors_event_t event;
      accel.getEvent(&event);
      out["x"] = event.acceleration.x;
      out["y"] = event.acceleration.y;
      out["z"] = event.acceleration.z;
      Serial.print("X: "); Serial.print(event.acceleration.x); Serial.print(" ");
      Serial.print("Y: "); Serial.print(event.acceleration.y); Serial.print(" ");
      Serial.print("Z: "); Serial.print(event.acceleration.z); Serial.println(" m/s^2");
    };
  }
}

Ожидаемый вывод в Serial:

Сборка всего вместе

Полный код в конце страницы.

Отправка данных через Thinger.io

Библиотека хорошо документирована, но ключевые моменты:

Структура «thing» (обратите внимание на точку с запятой после }):

thing["идентификатор"] >> [](pson& out) {
  // ваш код
};

Это лямбда-функция C++. Обязательное первое слово — thing.

Строка в скобках — уникальное имя функции.

>> — только выходные значения. Для входа — <<, для входа+выхода — =. У нас только выход.

pson &out — гибкая структура данных (поддерживает JSON).

Отправка значений: out["уникальная-строка"] = значение.

В loop() только thing.handle(). Весь код обновления данных внутри «things» — они циклически выполняются сами. Важно: если данные обновляются регулярно, вычисления должны быть внутри «things».

FAQ

Ничего не работает! Проверьте провода. Если Serial молчит — убедитесь, что #define _DEBUG_ в первой строке. TLS может мешать — можно отключить (осторожно). Проверьте связь с Thinger.io.

Вывод не как ожидается. Весь обновляемый код внутри «thing»? Если снаружи — не обновляется. ESP-платы плохо работают с FSR.

Вывод не обновляется регулярно. Убрайте delay(). Частоту обновления задавайте на Thinger.io.

Хочу всё в одном графике. Положите весь код в один «thing».

Готово!

Надеюсь, туториал помог понять основы FSR, акселерометров и Thinger.io. Буду рад предложениям по улучшению кода — делитесь своими созданиями!

Код

Smart-Insole-Tutorial (Arduino)

Полный код туториала:


#define _DEBUG_
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define USERNAME "yourUsername"
#define DEVICE_ID "yourDevice"
#define DEVICE_CREDENTIAL "yourCredential"
#define SSID "yourSSID"
#define SSID_PASSWORD "yourSSIDPassword"

Adafruit_ADXL345_Unified accel = Adafruit_ADXL345_Unified(12345);
int x = 0, y = 0, z = 0;

#define noFSRs 3
#define FSR1 A1
#define FSR2 A2
#define FSR3 A3

float fsrVoltageArray[3];
float fsrForceArray[3];
float fsrWeightInGramsArray[3];
int pinArray[3] = {FSR1, FSR2, FSR3};
float forceMaxArray[3] = {100.0, 100.0, 100.0};
float million = 1000000.0;
float conversionToKgrams = 1.0/9.80665;
long K = 1000;
long R = 10*K;
long Vcc = 5000;
float voltageMax = 0.98 * Vcc;

ThingerWifi101 thing(USERNAME, DEVICE_ID, DEVICE_CREDENTIAL);

void setup(void) {
  Serial.begin(115200);
  thing.add_wifi(SSID, SSID_PASSWORD);
  if(!accel.begin()) {
    Serial.println("No ADXL345 detected.");
  } else {
    accel.setRange(ADXL345_RANGE_16_G);
    thing["accelerometer"] >> [](pson& out){
      sensors_event_t event;
      accel.getEvent(&event);
      out["x"] = event.acceleration.x;
      out["y"] = event.acceleration.y;
      out["z"] = event.acceleration.z;
    };
  }
  thing["pressure"] >> [](pson & out) {
    out["FSR1"] = analogRead(FSR1);
    out["FSR2"] = analogRead(FSR2);
    out["FSR3"] = analogRead(FSR3);
  };
  thing["voltage"] >> [](pson & out) {
    for (int FSR = 0; FSR < noFSRs; FSR++) {
      fsrVoltageArray[FSR] = 0.0;
      fsrForceArray[FSR] = 0.0;
      int fsrPin = pinArray[FSR];
      int fsrReading = analogRead(fsrPin);
      fsrVoltageArray[FSR] = (float) map(fsrReading, 0, 1023, 0, 5000);
    }
    out["FSR1voltage"] = fsrVoltageArray[0];
    out["FSR2voltage"] = fsrVoltageArray[1];
    out["FSR3voltage"] = fsrVoltageArray[2];
  };
  thing["newton"] >> [](pson & out) {
    for (int FSR = 0; FSR < noFSRs; FSR++) {
      float force_value = (forceMaxArray[FSR]/voltageMax) * fsrVoltageArray[FSR];
      if (fsrVoltageArray[FSR] < voltageMax) {
        if (force_value <= 1.00) fsrForceArray[FSR] = 0.0;
        else fsrForceArray[FSR] = log10(force_value);
      } else {
        fsrForceArray[FSR] = log10(forceMaxArray[FSR]);
        Serial.print("Cut off activated for FSR = "); Serial.println(FSR);
      }
    }
    out["FSR1newton"] = fsrForceArray[0];
    out["FSR2newton"] = fsrForceArray[1];
    out["FSR3newton"] = fsrForceArray[2];
  };
  thing["weight"] >> [](pson & out) {
    for (int FSR = 0; FSR < noFSRs; FSR++) {
      fsrWeightInGramsArray[FSR] = fsrForceArray[FSR] * conversionToKgrams * 1000.0;
    }
    out["FSR1weight"] = fsrWeightInGramsArray[0];
    out["FSR2weight"] = fsrWeightInGramsArray[1];
    out["FSR3weight"] = fsrWeightInGramsArray[2];
  };
}

void loop(void) {
  thing.handle();
}

Схемы

Три FSR (с делителями напряжения) и акселерометр.

Доступные очки дополненной реальности на Arduino для чтения мультиметра Сборка квадрокоптера на Arduino: Руководство по созданию полётного контроллера

Производственный процесс

3D печать

Система управления автоматикой

Промышленные технологии