M5Stack+心拍センサー+GPSで移動中の心拍数を記録する

M5Stackに接続できるGPSモジュールと心拍センサーを使い、散歩やサイクリングなど、移動中の位置と心拍数を記録します。

全体の構成

M5Stackはいろいろなモジュールを積み重ねることで機能拡張できるIoT端末です。モジュールの一つにGPSモジュールがあり、今回はこれを使い、位置を測定し、心拍を光学式の心拍センサーで測定します。M5Stackで取得した位置と心拍データーをWi-Fiでモバイルルーターに送り、モバイルルーターからクラウド上のサーバーに送信します。プログラムとしてはM5Stackから直接クラウド上のサーバーに送信するプログラムになります。

心拍データーを送信するタイミングは、一定時間ごとに送信、一定の距離を移動したら送信、ユーザーがボタンを押したら送信などアプリケーションによって様々な方法が考えられます。今回は一定時間ごとに送信することにしました。

端末のハードウェア

M5Stackは32ビットマイコンESP32を搭載したIoT端末で、Wi-FiやBluetoothで通信できます。詳しくは以下のサイトをご覧ください。

位置を測定するGPSモジュールはM5Stackの拡張モジュールの一つです。u-blox社のNEO-M8NというGPSチップが搭載され、シリアル通信でESP32にGPSデーターを送ります。

心拍の測定にはpulsesensor.comの光学式の心拍センサーを使いました。光学式心拍センサーは、ある周波数の光を皮膚にあてると血流量に応じて反射光が変化することから、反射光を光センサーで受けて血流量の変化を測定するものです。今回使った心拍センサーはArduinoライブラリーがあるので、比較的簡単に扱えます。

GPSモジュールの動作確認

GPSモジュールから生データーを読む

まず、GPSモジュールの動作確認をします。GPSモジュールをM5Stackに写真のように積み重ねます。外部アンテナを接続し、アンテナモジュールを窓際など空がなるべく広く見える場所におきます。

GPSモジュールのサンプルプログラムはArduino IDEのファイル > スケッチ例 > M5Stack > Modules > GPS > GPSRawにあります。このプログラムを参考にもう少し簡単にしたものが次のプログラムです。

3行目にあるように、GPSモジュールはハードシリアル2に接続されています。loop()関数の中で、GPSモジュールに文字があるうちは文字を読んでシリアルに書いています(12行目)。プログラムをビルドして動かし、シリアルモニターに次のような文字列が出力されれば、GPSモジュールは動作しています。なお、文字列の内容はGPS衛星から受信するデーターにより異なります。

 $GNGGA,075808.00,3538.58688,N,13937.58944,E,1,09,1.06,41.7,M,39.2,M,,*79
 $GNGSA,A,3,03,07,22,30,17,18,11,01,08,,,,2.08,1.06,1.78*1E
 $GNGSA,A,3,,,,,,,,,$GNRMC,075809.00,A,3538.58688,N,13937.58910,E,0.097,,260518,,,A*67
 $GNVTG,,T,,M,0.097,N,0.180,K,A*3A
 $GNGGA,075809.00,3538.58688,N,13937.58910,E,1,09,1.06,42.3,M,39.2,M,,*7E
 $GNGSA,A,3,03,07,22,30,17,18,11,01,08,,,,2.08,1.06,1.78*1E
 $GNGSA,A,3,,,,,,,,,$GNRMC,075810.00,A,3538.58677,N,13937.58910,E,0.064,,260518,,,A*63
 $GNVTG,,T,,M,0.064,N,0.118,K,A*37
 $GNGGA,075810.00,3538.58677,N,13937.58910,E,1,09,1.06,42.7,M,39.2,M,,*72
 $GNGSA,A,3,03,07,22,30,17,18,11,01,08,,,,2.07,1.06,1.78*11

これはNMEA-0183フォーマットというフォーマットの文字列で、時刻、緯度、経度、海抜高度、測位に利用した衛星の数やID、それぞれの衛星の位置(方位角と仰角)などの情報が含まれています。例えば先頭の行は次のような情報を表しています。

意味	値
トーカーID	GN: (GNSS(Global Navigation Satellite System))
タイプ	GGA(Fix information)
測位時刻(UTC)	7時58分08秒
緯度	3538.58688
緯度方角	N
経度	13937.58944
経度方角	E
Fixタイプ	1: GPS Fix
測位利用衛星数	09
水平精度低下率	1.06
海抜高度	41.7
高度単位	M
WGS-84座標系海抜高度差	39.2
単位	M
DGPSデーター残存時間	–
チェックサム	79

GPSデーターを扱うライブラリー

GPSからの生データーを解析して、プログラムで扱いやすいデーターにするライブラリーがあります。GPSモジュールのサンプルプログラムFullExample ではTinyGPS++というライブラリーが使われています。

TinyGPS++のインストールは、TinyGPS++のサイトに行き、ダウンロードアイコンの先の最新ZIPファイルをダウンロードし、Arduino IDEで「.ZIP形式のライブラリをインストール…」でZIPファイルをインストールします。

シリアルから読んだGPSデーターを1文字づつライブラリに渡すと、それを解析し、GPSオブジェクトを更新します。解析中はfalseが返り、1行処理して解析が成功するとtrueが返されます。次のサンプルプログラムで緯度経度が確認できます。

14行目のwhileループでGPSからの文字データーがある間は文字を読み、1行の解析が成功するとループを抜けます(15、16行目)。13行目のlocation.isUpdated()はGPSオブジェクトが更新されるとtrueになります。位置が変らなくても、データーが更新されればtrueになります。

心拍センサーの動作確認

生データーを見る

次に心拍センサーの動作を確認します。今回使った心拍センサーは電源、GNDと信号線の3本でマイコンなどと接続します。信号線の電圧が血流量に応じて変化します。そこで信号線をM5StackのGPIO36につなぎ、analogRead()でその値を読み、シリアルに出力して、Arduino IDEのシリアルプロッターで値を確認しました。

プログラムは次のようになります。

センサーを指などにつけ、プログラムを動かし、Arduino IDEのシリアルプロッタを立ち上げると、次のような心拍波形が確認できます。

心拍間隔や心拍数に変換するライブラリー

この生データーから心拍間隔や1分間の心拍数を求めるライブラリーが用意されています。オリジナルのライブラリーはESP32 Arduinoに対応していないので、対応したものを作って次の場所に置きました。

AmbientDataInc/PulseSensorPlayground

このサイト右上の「Clone or download」の「Download ZIP」をクリックしてZIPファイルをダウンロードし、Arduino IDEで「.ZIP形式のライブラリをインストール…」でZIPファイルをインストールします。

setup()関数の中で次のように初期化をおこなうと、タイマー割り込みで2ミリ秒間隔に心拍センサーの値を測り、心拍数などが計算されます。

 pulseSensor.analogInput(PIN_INPUT);
 pulseSensor.setSerial(Serial);
 pulseSensor.setOutputType(OUTPUT_TYPE);
 pulseSensor.setThreshold(THRESHOLD);

pulseSensor.begin();

pulseSensor.getLatestSample()で最新のサンプル値が、pulseSensor.getBeatsPerMinute()で1分間の心拍数が得られます。

このライブラリーを使い、心拍波形と心拍数をM5StackのLCD画面に描くサンプルプログラムを作りました。

M5Stack_PulseSensor

心拍センサーを指などにつけ、プログラムを動かすと、次のように1分間の心拍数と心拍波形が表示されます。

心拍数と位置情報をAmbientに送る

GPSと心拍センサーの動作確認ができたら、この二つを組み合わせて、一定時間ごとに心拍数と位置情報をAmbientに送信します。loop()関数の主な処理は次のようになります。細かな処理は省略しています。

これで20ミリ秒ごとに心拍センサーの値をLCDに描画しながら、30秒ごとにその時の心拍数と位置情報をAmbientに送信します。プログラムの全体は下記に公開しました。

M5Stack_PulseSensor_GPS

Ambient側の設定

Ambientには位置情報のついたIoTデーターを受信し、地図上に表示する機能があります。Arduinoの場合、通常の1から8までのデーターに加えて、データー9に緯度を、データー10に経度を指定すると位置情報付きのデーターになります。

データーを地図上に表示するときは、チャート設定画面でグラフ種類として「地図」を選択します。

チャート画面は次のようになります。

プロットはデーターの値によって色を変えて表示されます。プロットをクリックするとその地点のデーターがポップアップして表示されます。

チャート画面はスマホのブラウザーでも確認できます。センサー端末を持って移動しながらデーターを測定し、スマホのテザリング機能でデーターをAmbientに測定し、測定結果をその場でスマホで確認できるので、非常に便利です。

まとめ

位置情報付きのセンサーデーターは、今回の散歩中あるいはサイクリング中の心拍数といったものや、車両の位置と時刻、その時のエンジンの回転数の記録、場所ごとの無線の信号強度の記録など幅広い応用が考えられます。

M5StackはGPSモジュールもあり、コンパクトで持ち運びにも適しています。位置情報付きのセンサーデーター端末としての利用も拡大しそうです。