Criando do zero um smartwatch para T1D para meu filho

Contexto

• Meu filho de 9 anos tem diabetes tipo 1, então o pâncreas dele precisa funcionar sempre em modo manual.
• Um pâncreas saudável produz insulina e glucagon para regular a glicemia.
• Pessoas com diabetes tipo 1 precisam gerenciar a glicemia sem esse mecanismo de controle, e a hipoglicemia pode se tornar uma emergência se não for tratada.
• Tecnologias como CGM (monitor contínuo de glicose) e bombas de insulina em circuito fechado ajudam, mas há o problema dos alertas sonoros frequentes.
• Há a carga de precisar verificar os dados de glicose com frequência, e eu queria encontrar uma forma de reduzir isso.

"Por que não comprar um Apple Watch?"

• O Apple Watch oferece funções e notificações demais para uma criança, o que pode atrapalhar a concentração na escola.
• Ele não fornece uma exibição confiável dos dados do CGM.
• Era necessário um dispositivo simples e confiável.
• Muitos pais querem um dispositivo com funções mais simples em vez de um Apple Watch.

Requisitos do produto

• Um design simples que não distraia meu filho na escola.
• Durabilidade para aguentar as atividades no parquinho.
• Fornecimento confiável de dados do CGM.
• Feedback tátil em momentos importantes.

Processo

Breadboard inicial e módulos

• Tentei usar um dispositivo M5Stick para exibir dados do CGM, mas a bateria durava pouco e ele não era resistente à água.
• Usei módulos da Adafruit e da Sparkfun para conectar o software Arduino e os componentes principais.

Primeiro grande obstáculo: conexão BLE confiável

• Foi difícil construir uma conexão BLE confiável com o app iOS que busca os dados mais recentes pela API da Dexcom.
• Resolvi isso fazendo o smartwatch se conectar ao app iOS a cada 5 minutos para executar uma solicitação de leitura BLE.

O salto para uma PCB personalizada

• Aprendi modelagem 3D com o Fusion 360 e projetei uma PCB personalizada.
• Usei o KiCad para aprender os fundamentos de engenharia elétrica e o software de projeto de PCB.

Surpresa! Motores táteis são complicados

• A resistência dos motores táteis varia, então o desempenho não é consistente.
• Usei um motor ERM para implementar alertas com toques rápidos de acordo com a tendência da glicose.

Opções de display

• Usei um display TFT IPS de 1,69 polegada com resolução de 240x280 pixels.
• Simplifiquei o projeto ao não incluir touchscreen.

Fabricação e acabamento da caixa

• Mandei fabricar a caixa pela Fictiv.
• Ela foi produzida em nylon durável por meio do processo MJF.

Iterações da PCB

• Desenvolvi 9 versões da PCB e passei para uma PCB de 4 camadas para atender às exigências de espaço.
• Adicionei um acelerômetro BMA400 para rastrear atividade e detectar se o dispositivo está sendo usado.

Fabricação de vidro personalizado

• Mandei produzir pequenos lotes de vidro personalizado em uma fábrica na China.
• Usei filme OCA para unir o vidro ao display.

Problemas de montagem

• A montagem foi complicada por causa do tamanho da caixa e dos requisitos de uso.
• Foi necessário alinhamento preciso para evitar vazamento de luz do display TFT.

Problemas de segurança no Arduino

• Para proteger o firmware baseado em ESP32, eram necessários Flash Encryption e Secure Boot v2.
• O Arduino IDE não oferece suporte a isso.

Batalha final contra o chefe: otimização da duração da bateria

• A maioria dos relógios tinha cerca de 3 dias de bateria, mas o relógio usado pelo meu filho chega a 6–7 dias.
• Tentei várias abordagens para otimizar a duração da bateria, mas não encontrei uma solução clara.

O que aprendi

• Desenvolvimento de hardware é divertido, mas desafiador.
• A transição de protótipo para produto é um grande desafio.
• Projeto e fabricação de PCB são viáveis, e podem ser feitos a baixo custo com a JLCPCB.
• O preço de varejo dos smartwatches modernos é baixo em comparação com a tecnologia e o esforço de P&D envolvidos.
• Para manter projetos de hardware ao longo do tempo, é preciso atualizar os componentes.

Conclusão

• Eu e meu filho usamos o relógio por 6 meses, e isso melhorou a percepção dele sobre a glicemia na rotina escolar.
• Aprendi muito sobre P&D de hardware, que traz desafios diferentes do desenvolvimento de software.
• Fazer um protótipo de hardware é difícil, mas a verdadeira dificuldade está em manufatura, construção de relações comerciais, lançamento no mercado e suporte de longo prazo.
• Tenho grande respeito pelos desenvolvedores do Glowcose e do SugarPixel.
• Estou considerando a possibilidade de seguir com o projeto por um caminho open source.

[GN⁺]

Opiniões do Hacker News

• É um trabalho de engenharia impressionante

  • O problema de cortar totalmente a energia por longos períodos é solucionável
  • Um microcontrolador pode desligar completamente todo o circuito, consumindo quase nenhuma energia até que algo como um botão o ligue novamente
  • Existem componentes prontos que podem ser usados para facilitar a prototipagem
  • Circuitos avançados de chaveamento de energia por software, como o switch da SparkFun, incluem a capacidade de forçar o desligamento de um dispositivo com defeito ao pressionar um botão
  • O design do switch da SparkFun permite que o microcontrolador saiba se o botão foi pressionado enquanto o dispositivo está em execução, reutilizando o botão existente para restaurar a energia quando o dispositivo estiver desligado
  • O dispositivo pode desligar automaticamente após um certo tempo de inatividade ou quando a bateria estiver muito fraca, ou o usuário pode desligá-lo completamente mantendo o botão pressionado por alguns segundos

• O principal desenvolvedor do projeto xdrip lançou um relógio personalizado

  • Há uma publicação do desenvolvedor no Reddit, e o relógio pode ser comprado e integrado ao xdrip
  • Antigamente, coletava-se amostras de urina e pingavam-se reagentes químicos para verificar a quantidade de glicose
  • Agora estão construindo soluções personalizadas, o que é admirável
  • Espera-se que novas descobertas no sinal sintético com a insulina tragam uma solução biológica

• Se houvesse permissão para enviar firmware próprio ao Apple Watch, isso poderia ter sido resolvido via software

• Tentaram obter resultados semelhantes com um projeto próprio e escreveram sobre isso em um blog

  • Esperam encontrar um caminho para disponibilizar isso a mais pessoas
  • Pedem para serem avisados caso seja necessária ajuda

• Não tinham uma laminadora OCA, então usaram uma prensa de tortilha de ferro fundido

  • Esperam que a saúde do filho possa ser acompanhada com precisão e de forma contínua
  • A Apple dificulta fazer o que se deseja para preservar a duração da bateria e o funcionamento suave do dispositivo

• É um trabalho incrível ter construído tudo do zero

  • Também seria possível considerar o uso de um dispositivo hackeável como o PineTime ou hackear um rastreador fitness barato
  • Construir o dispositivo do zero é uma grande conquista, mas outras pessoas podem começar por caminhos mais fáceis ao tentar algo parecido

• Simplesmente colocar vidro na frente de uma tela TFT pode fazer com que pareça um celular Android de baixo custo

  • Pedem mais informações sobre o método DIY com prensa de tortilha

• Há um apego especial à engenharia que melhora cuidados de saúde ou resultados, e parece que isso não recebe investimento suficiente

  • Esperam que consiga financiamento