Σήμερα ένα ολοένα αυξανόμενο μέρος του σύγχρονου τρόπου ζωής στηρίζεται στη χρήση έξυπνων συσκευών οι οποίες βασίζονται σε IoT τεχνολογίες. Οι συσκευές αυτές, μέσω της συλλογής δεδομένων μας προσφέρουν μια πρωτόγνωρη δυνατό τητα διαχείρισης της καθημερινότητάς μας. Ένα από τα ταχέως αναπτυσσόμενα πεδία των IoT εφαρμογών αποτελεί ο Αθλητισμός, όπου έξυπνες συσκευές μας παρέχουν μια πιο ενδιαφέρουσα και εξατομικευμένη αθλητική εμπειρία, ενώ παράλληλα επιτρέπουν τη συνεχή παρακολούθηση των επιδόσεων μας μέσω κοινώς αποδεκτών μετρικών. Παρόλ’ αυτά οι υπάρχουσες υλοποιήσεις έχουν υψηλό κόστος και περιορισμένο εύρος δυνατοτήτων, στοχεύοντας στην κάλυψη συγκεκριμένου είδος ασκήσεων. Στην παρούσα διπλωματική εργασία επιχειρούμε την ολοκληρωμένη ανάπτυξη και κατασκευή μιας χαμηλού κόστους αρθρωτής συσκευής, η οποία θα αποτελεί τη βάση για την ενσωμάτωση μεγάλου πλήθους αθλητικών ασκήσεων μέσω μιας κοινής διεπαφής. Η ανάπτυξη της εν λόγω συσκευής περιλαμβάνει τον σχεδιασμό του υλικού (PCB) με βάση τον μικροελεγκτή ESP32, τον προγραμματισμό του υλικού μέσω του λειτουργικού συστήματος πραγματικού χρόνου Riot-os, τη γε φύρωση της επικοινωνίας μεταξύ της συσκευής και του διαδικτύου διαμέσου του υπολογιστικού κόμβου Raspberry με χρήση IoT πρωτοκόλλων και την κατασκευή του πρωτότυπου περιβλήματος της συσκευής με τη βοήθεια τρισδιάστατης εκτύ πωσης. Στη συνέχεια ακολουθεί η διαδικασία αξιολόγησης της συσκευής κατά την οποία πραγματοποιούμε μετρήσεις που σχετίζονται με την ενεργειακή της κατανά λωση και αυτονομία. Τέλος θα επιχειρήσουμε την ενσωμάτωση πλήθους αθλητικών εφαρμογών που συναντώνται σε ερευνητικές και εμπορικές υλοποιήσεις συσκευών προκειμένου να διερευνήσουμε την ικανότητα προσαρμογής της συσκευής μας.

1. Σχεδιασμός και Υλοποίηση IoT Συσκευής για την
Εκπαίδευση και Αξιολόγηση
Σωματικών και Νοητικών Δραστηριοτήτων
Εκπόνηση:
Ευριπίδης Χονδροματίδης
ΑΕΜ: 8527
Επίβλεψη:
Αν. Καθ. Συμεωνίδης Ανδρέας
Δρ. Τσαρδούλιας Εμμανουήλ
Υπ. Δρ. Παναγιώτου Κωνσταντίνος
Θεσσαλονίκη
Τρίτη, 29 Μαρτίου 2022
Πολυτεχνική Σχολή
Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Υπολογιστών Τομέας
Ηλεκτρονικής και υπολογιστών

2. Τεχνολογία & Αθλητισμός
3
Καλύτερη Εμπειρία Καλύτερη Διαχείριση

3. REMEDES
4
 Μέτρηση και Καταγραφή
Αντανακλαστικών
 Προπόνηση / Εξάσκηση
Αθλητικών Επιδόσεων
 Διάγνωση / Αποθεραπεία
Νευρολογικών Παθήσεων
WiFi

4. Chronojump
5
 Μέτρηση Ταχύτητας
 Καταγραφή Δύναμης
 Μέτρηση Ύψους Άλματος

5. Proprioception System
6
 Καταγραφή Ισορροπίας
 Βελτίωση Κιναισθησίας
Ιδιοδεκτικότητας

6. “
7
ΚΙΝΗΤΡΟ
 Υψηλό κόστος
 Έλλειψη ευελιξίας ασκήσεων που
μπορούν να υλοποιηθούν

7. 8
Πορεία …

8. Προδιαγραφές

9. Επιθυμητά Χαρακτηριστικά
11
Ευελιξία Ευκολία
Συνδεσιμότητα
Ενεργειακή
Αυτονομία

10. Γενική
Δομή
12

11. Σχεδίαση
Υλικού
Βάση
Eπέκταση

12. 14
ADC, DAC, PWM,
I2C, SPI, I2S, UART, CAN
WiFi, BLE,
ESP-NOW
Μικρο -
- ελεγκτής
Κουμπιά
Boot/Reset

13. 15
Υποδοχέας
Μπαταρίας
Προστασία
Μπαταρίας
Μπαταρία

14. 16
USB - C
Αναγνώριση
Προστασία
Υποδοχέας
USB-C

15. 17
Κατανομέας
Ισχύος
Κεντρικός
Διακόπτης
Φορτιστής
Φωτοδίοδοι
Ένδειξης Φόρτισης

16. 18
Ρυθμιστές
Τάσης
Έξοδος: 3.3V/4.3W
Ανόδου/Καθόδου
Έξοδος: 5V/10W
Ανόδου

17. 19
Γέφυρα
USB/UART
Αυτόματος
Προγραμματιστής
Μετατροπέας
Σύγχρονης / Ασύγχρονης

18. 20
Κοινό
Υλικό
Υποδοχέας SD
Μετρητής Κατανάλωσης
Υποδοχέας
Φωτοδιόδων
Ένδειξης Λειτουργίας
Αντίστασης
Μέτρησης Ρεύματος
Παθητικός
Βομβητής
Αναπαραγωγέας
Ήχου
Αισθητήρας
Αφής

19. 22
Ακροδέκτες Διαύλου Επέκτασης

20. Κατασκευή
Πλακετών

21. Διαδικασία Επαναρροής
24
Τοποθέτηση
Πάστας
Τοποθέτηση
Εξαρτημάτων
Κύκλος
Θέρμανσης
Ψύξης
1 2 3

22. Τοποθέτηση Πάστας
25

23. Τοποθέτηση Εξαρτημάτων
27

24. Διαδικασία Επαναρροής
28

25. Τελικές Πλακέτες
29

26. Προγραμματισμός
και
Δικτύωση Συσκευής

27. RTOS
31
 Αρχιτεκτονική Μικροπυρήνα.
 Διακοπτικό Χρονοπρογραμματισμός με προτεραιότητα.
 Όχι περιοδικό ρολόι, εξοικονόμηση ενέργειας
 Υποστήριξη πρωτοκόλλων: MQTT-SN, LoWPAN, IPv6, RPL,
CoAP, BLE.
 Συμβατό με πολλές αρχιτεκτονικές επεξεργαστών

28. Οδηγοί που αναπτύχθηκαν
32

29. Εσωτερικός Μηχανισμός
Επικοινωνίας
33

30. Δομή Λογισμικού
34
START
Initialize Local
hardware
Connect
to WiFi
Connect
to Broker
Detect & Initialize
Expansion Hardware
Listen to
Events
MSG
IPC
Sync Async Hardware Drivers
Queue

31. Διάταξη Συστήματος
35
Cloud
AMQP Broker
Local
MQTT Broker
End User
Codin

32. Κατασκευή
Περιβλήματος

33. Στόχοι Σχεδίασης
37
 Προστασία Υλικού
 Δυνατότητα αλληλεπίδρασης
 Αισθητική

34. Ανασκόπηση
38

35. Συναρμολόγηση - Ηχεία
39

36. Συναρμολόγηση - Μπαταρία
40

37. Συναρμολόγηση - Πλακέτα
41

38. Συναρμολόγηση - Θήκη
42

39. Συναρμολόγηση - Κλειδαριά
43

40. Συναρμολόγηση - Καπάκι
44

41. Τελικό Σχέδιο Βάσης
45

42. DEMO
46

43. 47

44. 48

45. Συμπεράσματα
49
 Η συσκευή ενσωμάτωσε με επιτυχία διάφορους τύπου
υλικού.
 Μείωση συνολικού κόστους, επαναχρησιμοποιούμενα
τμήματα.
 Παρουσιάζει ενδιαφέρον η έλλειψη αρθρωτών συσκευών.
 Οι IoT τεχνολογίες ενδείκνυνται για χρήση σε εφαρμογές
αυτού του είδους.
 Στα πλαίσια IoT εφαρμογών, τα RTOS βοηθούν σημαντικά
στη υλοποίηση του κώδικα.

46. 50
Προβλήματα
 Έλλειψη ημιαγωγών
 Μικρό μέγεθος εξαρτημάτων
 Συνολική σχεδίαση

47. 51
Πορεία
συνέχεια …

48. 52
Μελλοντικές Βελτιώσεις
 Αντιστάθμιση Κόστους – Απόδοσης.
 Εντοπισμός και εξάλειψη απωλειών.
 Ενσωμάτωση επιπλέον περιφερειακών.
 ΟΤΑ Update

49. Σας Ευχαριστώ
για την
προσοχή σας!
53

50. 54
Ερωτήσεις – Απορίες - Σχόλια