IMA5 2018/2019 P16

Présentation générale

Description

Le sportif amateur ne dispose que de peu de retour quant à ses performances, notamment lors des entraînements. Dans les sports collectifs, le seul retour possible provient des entraîneurs, qui eux-même ne disposent pas de données chiffrées.

Nous proposons de réaliser un ensemble de capteurs permettant de :

   - Mesurer différents paramètres du sportif ;
   - Collecter ces informations au niveau d\'une base (portée par le sportif) ;
   - Transmettre ces informations à une base posée sur le bord du terrain.

Une version légèrement modifiée des capteurs pourra être disposée sur le terrain, voire dans les ballons.

Objectifs

Concevoir et réaliser des objets connectés permettant de mesurer les performances sportives et d'adapter l'entraînement

Il sera necessaire de mettre en place differents système pour y parvenir :

- Un réseau de capteur placés sur le sportif, connectés à une base plus puissante accrochée sur son dos/sa ceinture : Base Portable (BP)
- Un réseau de capteur placés sur le terrain (plots/cerceaux/balises) afin de verifier la bonne réalisation des exercices
- Une base posée sur le bord du terrain (PC/Tablette) qui récuperera les données et permettra un affichage : Unité de controle (UC)
- Une communication entre la BP sur le sportif et l'UC

Préparation du projet

État de l'art

Analyse des concurrents : Strava

Strava est un réseau social de fitness, utilisant des données GPS dans le cadre de la course à pied, du cyclisme et de la natation afin de récolter les performances des utilisateurs. Ainsi chaque utilisateur peut, grâce aux cartes mis en place sur le site/l'application mobile, voir les trajets parcourus, l'evolution des performances au fil du temps et se comparer avec les autres utilisateurs parmis une selection

Ces données sont recoltées à partir de dispositifs tiers, tels que les bracelets/montres FitBit mais également parmis une plus grande liste de devices

Choix techniques : matériel et logiciel

Choix de techno de communication sur le sportif

Afin de mettre en place la recolte de données issues des performances du sportif, il sera necessaire de mettre en place un système de communication a courte portée (environ 2 mètres) afin d'envoyer les données récoltées par les différents capteurs (acceleromètres, ECG, thermomètre, giroscope...) avec la base qui sera portée par le joueur dans son dos, ou à la ceinture (afin de ne pas trop le gener). Pour ce faire, plusieures technologies sont disponibles et pourraient permettre la mise en place d'une telle communication, il faut donc en choisir une pour se fixer..

802.15.6 : Body Area Network

Nouveau standard pour les communications à courte portée (echelle humaine), beaucoup de recherche encore sur le protocole, très peu de board de developpement, et certaines assez cher. Plusieur techno possibles : extra, over et intra body.

- Extra : Communication RF via des protocoles de com a 2,4Ghz a faible consommation de courant
- Over : Communication filaire placée directement sur l'utilisateur ou sur/dans ces vêtements
- Intra : Communication en utilisant le corps humain comme couche physique, encore très expérimental mais beaucoup de recherche sur le sujet

ANT+

ANT+ est un protocole de communication sans fil designé specifiquement pour l'envoi de données issues de capteur mais également pour monitorer certain systèmes (notamment en domotique). Il a l'avantage d'être specifiquement désigné pour les équipements sportifs, à tel point que beaucoup de dispositifs fonctionnent aujourd'hui avec. On retrouve notamment les bracelets et montre du style FitBit, mais également plusieurs applications comme des cardiogrammes...

Choix retenu

Je me focaliserait sur le protocole ANT+ en essayant de mettre en place un support a differents device disponible sur le marché, afin que le système global puisse être utilisés avec des produits déjà existant. Je dispose d'ailleurs déjà d'une ceinture Cardiofrequencemetre de la marque Polar (Il ne s'agit pas d'une communication avec Ant+ mais d'une "simple" communication via un champ magnétique)

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Choix de techno de communication sur le terrain

Wi-Fi

L'utilisation du Wi-fi est envisageable de par l'utilisation du signal en espace ouvert (stade/salle de sports) permettant ainsi de limiter les absorptions/reflections dues aux murs

Risque de grande conso d'energie ?

Réalisation du Projet

Semaine 1

essais fonctionnement shield arduino olimex + Electrodes

Semaine 2

recherches sur le protocole ANT+ et son implem via un atmega328P / MSP430

exemple

Il sera interessant d'obtenir un module du style : [1] pour les tests

Il est possible de se procurer directement le [2] RF (datasheet) a embarqué sur un PCB apres coup, mais cela sera plus complexe a mettre en place pour le prototype puisqu'il faut remettre en place l'antenne comme le montre la figure 6 de la datasheet :

Recherches de modules compatibles Ant+ https://www.digikey.com/product-detail/en/garmin-canada-inc/ANTAP281M5IB/1094-1004-ND/2748494

Info sur la ceintures : http://arduino-projects4u.com/rmcm01/

https://www.reddit.com/r/electronics/comments/10oct3/polar_heart_rate_monitor_chest_strap_arduino_cant/ (Champ magnétique 5Khz Oo" ?)

Datasheet du rmcm01 permettant d'interfacer avec la ceinture (selon le constructeur)

Sur Adafruit : kit de dev de test de la ceinture T34 https://www.adafruit.com/product/1077

Apres beaucoup de recherche, en vain, afin d'obtenir des informations sur des modules compatibles avec la ceinture T31 de polar, une information a illuminé l’intérêt de mon PFE, comme le dit les avis - très - positifs sur le composant, qui n'est plus disponible, permettant d'interfacer la ceinture à une arduino : "In addition to working on humans, the Polar T31 transmitter can be strapped to a cow." @Member #322613, Source

====> Problem solved avec la seconde partie du kit de test de la ceinture !! :D

Datasheet du receiver compatible avec la ceinture

Semaine 3

https://www.digikey.com/en/product-highlight/s/stmicroelectronics/stm32-overview

recherches circuit embarqué (capteur): STM32L0 / F0 ? (Cortex M0)  : https://www.digikey.com/product-detail/en/stmicroelectronics/STM32L031K6T7/497-16269-ND/5805501 (L : low power // F : fast ==> On s'interesse principalement a une faible conso, on prendra donc le modele L)

24 MHz Quartz (+ capa) Le STM32L0 embarque un oscillateur RC (HSI) de 16 MHz (source : page 23 de la datasheet

https://www.sciencezero.org/index.php?title=STM32L031K6_Microcontroller

Depuis le schéma de la carte NUCLEO-L031K6 (carte de developpement qui embarque un STM32L0) on défini l'environnement passif minimal necessaire au MCU.

- Capa 100 nF sur le reset pour stabilité du signal (eviter des resets intempestifs)
- Capa 200 nF sur VDD (Capa decouplage sur l'alim)
- Capa 100 nF sur AVDD (Tension reference a l'ADC)
- 10K resistor entre le pin BOOT0 et la masse afin de set le PIN à l'etat 0 afin de choisir un boot depuis la flash

Afin de reprogrammer le STM32L0 : "The boot loader is located in System memory. It is used to reprogram the Flash memory by using SPI1 (PA4, PA5, PA6, PA7), USART2 (PA2, PA3) or USART2 (PA9, PA10). See STM32™ microcontroller system memory boot mode AN2606 for details"

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recherches base embarquée : STM32L1 (Cortex M3 : datasheet) : https://www.digikey.com/product-detail/en/stmicroelectronics/STM32F042C6T6/497-14648-ND/4815295