Design and development of an ANT-based wearable system prototype for environmental and personal monitoring

In this work of thesis a wearable system prototype for environmental and personal monitoring was designed and developed. The system is composed of two parts. One is a PCB enclosed in a case and designed to be fastened to the waist through velcros. The other is a smartphone Android application. The PCB is centered around a microcontroller based on ARM Cortex-M4 architecture, which samples data from a particulate matter (PM2.5) sensor. In this work, both the hardware of the PCB and the firmware of the microcontroller were developed. Data are then sent to the smartphone through the ANT protocol. The use of the ANT protocol is due to power saving and channel access method reasons. Lastly, the Android application elaborates the data, geo-localizes the user and register their level of activity. The user has the possibility to visualize the current level of the pollutant, to carry out an acquisition over time of said level, and to visualize its trend from previous acquisitions on a map. The wearability, the battery duration, and the data loss of the communication of the system were evaluated. Both indoor and outdoor sample acquisitions were carried out and their results were described. The system presented in this thesis is part of the RespirHò project, which aims to realize a commercially available telemonitoring system for respiratory patients. Changes in air quality measured by the device of this thesis could be related to changes in respiratory parameters of the users. Moreover, a system of this type could be used in the context of an online platform to build air quality maps.

In questo lavoro di tesi è stato progettato e sviluppato un sistema indossabile prototipale per il monitoraggio ambientale e personale. Il sistema è composto di due parti. Una è una PCB rinchiusa in un case pensato per essere fissato alla vita tramite velcri. L’altra è una applicazione Android per smartphone. La PCB è centrata attorno a un microcontrollore basato su architettura ARM Cortex-M4, che campiona i dati da un sensore di particolato (PM2.5). In questo lavoro, sia l’hardware della PCB che il firmware del microcontrollore sono stati sviluppati. I dati sono poi inviati tramite protocollo ANT allo smartphone. L’utilizzo del protocollo ANT è dovuto a ragioni di consumo di energia e accesso al canale. Infine, l’applicazione Android elabora i dati, geo-localizza l’utente e ne registra il livello di attività. L’utente ha la possibilità di visualizzare il livello presente dell’inquinante, di effettuare una acquisizione nel tempo di questo livello e di visualizzarne l’andamento da precedenti acquisizioni su una mappa. L’indossabilità, la durata della batteria e la perdita di dati nella comunicazione del sistema sono state misurate. Acquisizioni d’esempio sia all’aperto che al chiuso sono state effettuate e ne sono stati descritti i risultati. Il sistema di questa tesi è parte del progetto RespirHò, che mira a realizzare un sistema commercializzabile di tele-monitoraggio per pazienti con disturbi respiratori. Cambiamenti nella qualità dell’aria misurati dal dispositivo di questa tesi potrebbero essere messi in relazione con cambiamenti in parametri respiratori degli utilizzatori. Inoltre, un sistema di questo tipo potrebbe essere utilizzato nel contesto di una piattaforma online per generare mappe di qualità dell’aria.