Development and Optimization of a Contact Tracing Wearable
Abstract
Markedet for kroppsbårne elektroniske enheter for helse- og aktivitets-monitorering er i kraftig utvikling. Nylig har det fått oppmerksomhet som en alternativ måte å gjennomføre smittesporing på for å redusere spredningen av Coronavirus Disease 2019 (COVID-19). Flere lands myndigheter og firmaer har allerede utviklet applikasjoner til smarttelefoner for smittesporing. Et problem med denne løsningen er at en stor andel av befolkningen ikke eier eller bruker smarttelefoner.
I denne masteroppgaven introduseres en spesialisert, ikke-internett-tilkoblet, kroppsbåren elektronisk enhet for smittesporing med lavt strømforbruk. Den kroppsbårne elektroniske enheten er ment for å bli tatt i bruk i de allerede etablerte systemene for eksponeringsvarsling. Enheten er basert på Google/Apple Exposure Notification System som er systemet for eksponeringsvarsling som er tatt i bruk av flere europeiske land. For å gjøre det mulig for en ikke-internett-tilkoblet, kroppsbåren elektronisk enhet å delta i et system for eksponeringsvarsling, vil enheten støtte Wearable Exposure Notification Service, som Bluetooth Special Interest Group lanserte et foreløpig utkast av spesifikasjonene av i desember i 2020.
En teknisk prototype av den kroppsbårne elektroniske enheten ble designet og optimalisert, basert på en Proof of Concept (PoC)-prototype. PoC-prototypen oppnådde et gjennomsnittlig strømtrekk på tilnærmet 532μA, uten optimaliseringer. Analysene av optimaliseringene for den tekniske prototypen, som er foreslått i denne masteroppgaven, indikerer at det skal være mulig å oppnå et gjennomsnittlig strømtrekk på 42.17μA. Ved å drive enheten med et CR2032 knappebatteri kan man forvente å oppnå en batterilevetid på rundt 197 dager.
Kretskortet for den tekniske prototypen ble designet med en sirkulær form, og har en diameter på 26mm og en høyde på cirka 8mm medregnet komponenter. Den kroppsbårne elektroniske enheten består av en nRF52833 Bluetooth-modul, et 32Mb eksternt flash-minne, et akselerometer og en batteriholder for et CR2032 knappebatteri. En innkapsling med form av en tag ble designet, og den har en diameter på 28.5mm og en høyde på 11mm.
Program- og maskinvaren utviklet for den spesialiserte, ikke-internett-tilkoblede, kroppsbårne elektroniske enheten med lavt strømforbruk, bidrar til å realisere en kroppsbåren enhet som kan delta i allerede eksisterende system for eksponeringsvarsling, og redusere spredningen av smitte av sykdommer som COVID-19. The wearables market for healthcare and activity monitoring is rapidly evolving. Lately, it has gained attention as an alternative method to perform contact tracing to help reduce the spread of Coronavirus Disease 2019 (COVID-19). Several governments and companies have already developed smartphone applications for doing contact tracing, so-called Exposure Notification Systems (ENSs). However, a large portion of the population does not own or use a smartphone.
In this thesis, a low-power, specialized, non-internet-connected contact tracing wearable is introduced. The wearable is intended for adaptation into the already established ENSs. It is based on the Google/Apple Exposure Notification System, which is used in several European countries. To make it possible for the non-internet-connected wearable to participate in an ENS, it will support the Wearable Exposure Notification Service, which Bluetooth Special Interest Group released a preliminary specification draft of in December 2020.
An engineering prototype of the wearable was designed and optimized, based on a Proof of Concept (PoC) prototype. The PoC, without optimizations, achieved an average current consumption of approximately 532μA. The optimization analysis of the engineering prototype indicates that it should be possible to achieve an average current of 42.17μA, with the optimizations suggested in this thesis. By powering the wearable with a CR2032 coin cell battery, one can expect a battery life of about 197 days.
A Printed Circuit Board (PCB) for the engineering prototype was designed with a circular shape. It has a diameter of 26mm, and a height of approximately 8mm with its components. The major components on the board are a nRF52833 System-on-Chip, a 32Mb external flash memory, an accelerometer, and a battery holder for a CR2032 coin cell battery. A casing for the PCB was also designed in the shape of a circular tag, and is 28.5mm in diameter, and has a height of 11mm.
The software and hardware developed for the low-power, non-internet-connected wearable contributes to realizing a wearable that can participate in already existing ENSs and reduce the spread of infectious diseases like COVID-19.