Vor einiger Zeit kam in den Medien immer mal wieder das Thema auf die Daten durch den Körper übertragen zu können. So habe ich das vor kurzem in einem Online-Artikel gelesen und mir gedacht, dass man dafür kein Wissenschaftler sein muss, um sowas selbst aufzubauen, die Daten zu übertragen und dann die Signale wieder auslesen zu können.

Zuallererst ein wenig Biologie und Physik.
Der menschliche Körper besteht aus Zellen, diese wiederum aus Molekülen und diese wiederum aus Atomen. Nun kommt der Schritt in die Physik, ein Atom besteht aus Protonen und Elektronen. In der Elektronik sind die Elektronen das was wichtig ist.
Der menschliche Körper hat im Grunde, aus elektrotechnischer Sicht, zwei Eigenschaften: er ist ein Widerstand und eine Kapazität zugleich. Der Widerstand liegt für gewöhnlich zwischen 1 MOhm und 2 kOhm. Diese große Differenz ergibt sich aus der Hydration des Körpers, des Alters usw. Die Kapazität liegt zwischen 100 und 200 pF.
Wenn man den menschlichen Körper nun als elektronisches Bauteil ansieht, wird es recht einfach, denn der Körper ist dann nur eine Leitung mit hohem Widerstand.

Also habe ich mir einen Arduino geschnappt und einen Programmcode geschrieben, der „SOS“ als Morsecode in Form von HIGH und LOW Signalen ausgibt. Das wäre die Transmitterseite, nun braucht es noch eine Empfängerseite. Denn bei hohen Widerständen kommt es zu einigen Verlusten. Der Arduino gibt 5V an den Ausgängen aus, durch den Körper (Hand zu Hand) verliert der Körper knapp 3V (gemessen), also 60% der Spannung.
Die Empfängerseite besteht aus einer Transistorverstärker-Schaltung und einer LED. Das schwache Signal wird von den Transistoren verstärkt und mit der Spannung des Akku erreichen diese dann eine verstärkte Spannung, welche hoch genug ist, um die LED durchzuschalten bzw. die Signale optisch auszugeben.

Das wars dann auch, nun ging es daran das Ganze zu testen, und da hat sich die Laura als Probandin zum Testen zur Verfügung gestellt, dafür ein großes Danke.

Wie ihr sehen könnt geht das weiße Kabel in Lauras Hand. Das Signale durchquert ihren Körper und verlässt die andere Hand und geht dann zur Verstärkerschaltung und lässt die LED simultan mit der LED auf dem Arduino aufblinken.

Wissenschaft ist fantastisch, nicht wahr?

Als nächste Experimentierphase ist geplant, dass ein anderer Arduino das Signal auslesen und das Wort was zuvor in den Körper geschickt wird, dekodiert und am Computer ausgeben wird.

P.S.: das Experiment war zu keinem Zeitpunkt gefährlich, da bei Lauras Körperwiderstand nur ein Strom von 20µA fließen konnte und bei 5V keine Gefahr besteht. Zur Info: erst ab 500µA, also das 25-fache des vorhanden gewesenen Stromes, ist es möglich diesen überhaupt empfinden zu können. Für weitere Informationen zur Sicherheit und Gefahren durch hohe Spannungen und Strömen hilft die VDE und entsprechende Wikipedia-Artikel.

So habe ich mir vor mehr als 1 Jahr Bluetooth Kopfhörer gekauft, als damals nämlich langsam aber sicher der Trend unter den Herstellern kam, das man Bluetooth oder (Gott bewahre) WLAN in Kopfhörer einbaut um mit etwas technisch „coolerem„ Kopfhörer an den Start zu gehen. Tja, ich wurde ebenfalls davon gepackt, aber zu den damaligen Preisen von bis zu 70€, da verging mir schnell die Lust auf Markenkopfhörer á la Philips, also habe ich mich in den tiefen von ebay.com auf die Suche nach günstigeren Kopfhörern gemacht, und diese auch gefunden. Für gerade einmal 22€ aus China bekam ich Bluetooth v3.0 Kopfhörer mit einer Laufzeit von 5 Stunden, und bisher war ich immer davon angetan, obwohl das Bluetooth Modul gelegentlich Probleme gemacht und die Verbindung kurz verloren hatte, was aber eher die Ausnahme war.Nun hat aber jedes Produkt seine garantierte Lebenszeit erreicht, in China gibt es im Vergleich zu Deutschland nur eine Garantie von 1 Jahr, und das hat es auch gehalten, 1 Jahr.

Meine persönliche Meinung war das die Kopfhörer eher am Akku scheitern würden und das nach kurzer Zeit dieser keine Kapazität mehr hat.
Aber nein, das Problem war die Mechanik, da der Kopfhörer dazu ausgelegt war möglichst kompakt zu sein, lässt sich dieser einklappen, und genau an dem Punkt wo man die Seite einklappt, ist die Mechanische Halterung gebrochen. Das war es dann wohl, auch wenn es die Idee gab den Kopfhörer zu kleben, würde er seine Funktion des einklappen nicht mehr erfüllen und damit Platz weg nehmen.
Ich habe mich daher entschlossen für euch diesen kaputten Kopfhörer zu demontieren um euch diesen hier zu Zeigen.

Oder um es mit Goethes Worten zu sagen, so …Daß ich erkenne, was die Welt Im Innersten zusammenhält.

„Take me out“ – Für Hardware Fans

Nachdem das Ohrpolster abgeklippt wurde, ein paar Schrauben raus gedreht wurden, konnte man das Board von der Unterseite sehen (der SoC befindet sich auf der Außenseite).

Unser Schmuckstück ist ein SoC der viel zu gut ist um ihn die Mülltonne zu schmeißen.
Von einem mir unbekannten chinesischen Hersteller namens VIMICRO WX der sich auf Kamera Technik spezialisiert hat wurde der Chip mit dem Namen WS9622NLME hergestellt, da jedoch VIMICRO WX ein „Fabless“ Unternehmen ist, wurde der Chip bei einer anderen Firma hergestellt jedoch unter der Flagge von VIMICRO WX.

Die Spezifikationen:

• Datenblatt zum WS9622
• Unterstützt alle Bluetooth v3.0 EDR Features inklusive eSCO und AFH
• Dual Mikrofon Eingang
• Powered über einen Li-Ion Akku, ausgelegt für einen Spannungsbereich zwischen 3.0-5.5V
• Vin für Akku liegt zwischen 3.0-6.5V
• Geladen wird über ein Mini USB Anschluss
• UART Interface + I2C (I²C) Interface für Externen EEPROM
• Interner 32KHz Oszillator für Low Power Operation
• Kristall Oszillator mit Frequenzbereich von 13-52 MHz
• Der Chip kommt im QFN48 Package
• Integriert ist weiterhin ein ARM Cortex M3 Prozessor mit ARMv7-M Architektur für den Bluetooth Software Stack, die Komplexe Arithmetik zur Verbesserung der Sprach und Musik Qualität, sowie   die Steuerung der Peripherie des Chips
• 2 Kanal Sprach Band
• 16Bit ADC + Mono Mikrofon Aufnahme Support
• 2 Kanal CD Qualität 24Bit Audo DAC´s
• 2x 40mW Kopfhörer PA´s (Ich vermute mal das sind die Treiber)

Als weiteres Integriert haben wir eine PMU (Power Management Unit)  mit folgenden Specs:

• Hocheffizienten, Low Output Rippel Stepdown Converter
• PFM Mode bei geringer Last
• 3 LDO Regler mit Chager-Bypass
  • POR (Power-on Reset)
  • Start-up Controller
  • Akkulader

Für den Speicher haben wir im SoC folgendes:

• 128kB RAM
  • Der Speicher speichert die Daten vom Cortex M3 wenn diese benötigt werden
• 512KB ROM
  • Speichert die FIrmware des WS9622NLME

Extern besitzt die Schaltung einen zusätzlichen EEPROM der mittels I2C angesteuert wird:

• STMicroelectronics M24C32 (Datasheet)
• Speicher 32Kbit (4 Kbyte
• TSSOP8 Package mit 169 mil Weite
• Stückpreis bei  digikey = 0,53€

Akku – Kapazität, Spannung, Sicherheit

Die meisten sind sich beim Thema Sicherheit und Kapazität Angaben bei Akkus Made in China einig, man kann und will sich nicht darauf verlassen. Habe auch schon vertrauen in Lithium 18650 Zellen gesetzt und wurde Maßlos enttäuscht, aber das ist nicht das Thema.
Hier die Akku Spezifikationen:

• Akku Beschriftung „PL 303030 – 3.7V 250mAh“
• Akku Typ Lithium Polymer
• Spannung 3.7V
• Kapazität 250mAh

Und da geht es ja schon mal gut los, offiziell läuft der Chip mit Li-Ion, aber ok, das bringt dem kein Abbruch, die Spannungen sind ähnlich, und ein Lithium Polymer passt auch besser in die Ohrmuschel als ein 18650 Rundzelle. Bei der Kapazität könnte ich wieder das Kotzen bekommen, ich weiß nicht warum die chinesischen Hersteller es auf die Spitze treiben wollen, statt einfach zu sagen, das die Kapazität nicht höher ist.
Laut dem Hersteller „Newsun“ der in China lediglich als Trademark existiert dessen im Hintergrund agierende Unternehmen genannt „Shun Wo Group“, die Akkuzellen in einem Unternehmen für Akkutechnologie „Yaoan Battery Potech Shenzhen Co.,Ltd“ herstellen lässt, die leider keine Website hat wo man gegebenenfalls Datasheets herbekommen könnte. Da endet auch die Spur, wenn man nicht mal Vorort in Shenzhen dem Unternehmen einen Besuch abstatten möchte.

Die Akkuzelle mit der Bezeichnung PL303030, hat nur eine Kapazität von 140mAh, heißt, es wurden einfach mal 110mAh hinzu addiert, also fast der doppelt so hohe Kapazität angegeben. Etwas ärgerlich, aber ok, man hat es im Alltag eher wenig gemerkt das der Akku schnell leer war.

Beim öffnen der Ohrmuschel kann man den Akku erkennen
welcher mit Kleber fixiert ist
Größenvergleich Akku – Finger
Als Sicherheit wurde am Akku eine PCB (Protection Circuit Board) eingesetzt was vor Überladung und Unterspannung des Akkus schützt.

Beim Messen der Spannung an den Anschlüssen für den Akku, nach dem dieser Abgetrennt wurde, als Vin kamen 5V aus dem Laptop. Jetzt natürlich die Frage, hat der Hersteller es gut gemeint und die Spannung mit Absicht auf 4.08V eingestellt um den Akku nicht zum Anschlag aufladen zu lassen oder sind es eher Fabrikationsfehler/Toleranzen?
Man kann jetzt alles mögliche Vermuten, aber lieber etwas weniger als zu viel und dafür länger Nutzbarkeit.

Obwohl die Kopfhörer mechanisch kaputt sind funktioniert die Elektronik weiterhin, und um dem Erkenntnisgewinn auch zu nutzen, werde ich mich dran machen um den EEPROM auszulesen, vielleicht findet man was interessantes.

Wer nicht extra die Kopfhörer kaufen will um an den Chip zu kommen, kann diesen auch einzeln kaufen, jedoch konnte ich nur einen Online Händler finden, und da der Versand alles andere als Günstig ist, lohnt es sich entweder bei einer größeren Bestellung oder man kauft sich gleich die Kopfhörer und nimmt diese auseinander und gleich noch einen Akku mit dabei, zum Preis des Chips+Versand.

Der Chip kann bei ibuyla.com gekauft werden.

Zusätzlich existiert in unserem Wiki eine Projekt Seite zum WS9622NLME, dort werden die Ergebnisse zum Hackversuch + Ergebnisse in Deutsch sowie in Englisch präsentiert.

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Inspiration ist der „hörbert„,  ein Holz-Kofferradio, das im inneren von SD-Karte MP3s abspielt und von außen mit bunten Knöpfen gesteuert werden kann. Der „hörbert“ kann auch als Bausatz gekauft werden, ist aber auch da noch ordentlich teuer.

„Wie kompliziert kann es schon sein?“ war schon der Anfang von vielen vorfristigen Enden.

Für die angefragte Funktionalität (SD, MP3, GPIOs, Batteriebetrieb) gab es 2 alternative Herangehensweisen. Man hätte einen günstigen RaspberryPi verwenden können, der alles mitbringt und sich bequem programmieren lässt. Allerdings kommt die Einfachheit zum Preis eines ganzen Betriebssystems, dass immer erst mal gebootet werden möchte und dann Strom verbraucht.

Stattdessen habe ich einen Arduino Leonardo sowie ein Adafruit Music Maker Shield bestellt. Das Shield bringt mp3 Decoding und SD-Steckplatz mit und hat als Bonus einen 2x3W Verstärker an Board. Die GPIOs sollten für die Knöpfe reichen.

Lediglich die Energieversorgung ist noch offen. 5V erreiche ich mit 4 AA Akkus nur gerade so.  Am liebsten wäre mir ein Laden im Gerät. Li-Po oder Blei sind mir im Kindergerät nichts. Möglicherweise verbaue ich einen Li-Ion aus einer Powerbank, der hätte schon 5V und könnte mit handelsüblichen USB-Ladegeräten geladen werden.

Die Bauteile warten noch verpackt auf den ersten Test. Ich suche noch meinen USB-Serial-Adapter zum Programmieren. Das Gehäuse wollte ich an Großeltern outsourcen, vielleicht gibt es aber einen 3D-gedruckten Prototypen. Bis Weihnachten wird es aber wohl leider nichts mehr.