Make: Wearable Electronics by Kate Hartman

7:01 AM
Make: Wearable Electronics: 
Design, Prototype, and Wear Your Own Interactive Garments
by Kate Hartman
Make: Wearable Electronics

Table of Contents
Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi
1. Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Circuit Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
Ohm’s Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Understanding Resistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
Series and Parallel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Determining Polarity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
Using a Multimeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
More About Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
Constructing Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
Alligator Clip Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
Wire Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Breadboard Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
Protoboard Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
Conductive Thread Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
Conductive Fabric Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Advantages and Disadvantages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2. Conductive Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
Conventional Conductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
Alligator Clips . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
Wire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
Breadboards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
Protoboard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
Conductive Thread . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
Properties of Conductive Thread . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Working with Conductive Thread . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
Types of Conductive Thread . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
Conductive Fabric . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
Properties of Conductive Fabric . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
Working with Conductive Fabric . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
Types of Conductive Fabrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
Other Conductive Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
Conductive Yarn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
Conductive Fiber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
Conductive Felt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
Conductive Ribbon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
Conductive Fabric Tape . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Conductive Hook and Loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Conductive Paint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Everyday Stuff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Choosing Conductive Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Experiment: Wearable Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
What’s Next . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3. Switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
Understanding Switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
Poles and Throws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
Types of Switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
Off-the-Shelf Switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
Tactile Buttons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
Latching Buttons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
Toggle Switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
Slide Switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
Microswitches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
Tilt Switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
DIY Switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
Sandwich Switch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
Contact Switch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
Bridge Switch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
Pinch Switch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Other DIY Switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Experiment: Social Switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4. E-Textile Toolkits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
LilyPad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
Modules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
Experiment: Let’s Get Twinkly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
Experiment: Let’s Get Tiny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
Flora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
Modules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
Aniomagic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
Modules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
Experiment: Let’s Get Sparkly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
Thinking Beyond . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5. Making Electronics Wearable . . . . . . . . . . . . 77
Why Wear It . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
What Makes Something Wearable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
Comfort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
Durability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
Usability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
Aesthetics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
Designing a Wearable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
Choosing a Form . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
Choosing Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
Choosing Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
Creating a Layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
Iterative Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
Experiment: Eight-Hour Wearable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
6. Microcontrollers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
Hello World . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
Experiment: Gettin’ Blinky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
Digital Output . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
The Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
The Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
Experiment: Morse Code Messages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
Digital Input . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
The Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
The Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
Experiment: Button as Controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
Analog Input . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
The Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
The Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
Experiment: Sensor as a Switch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
Analog Output . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
The Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
The Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
Experiment: Sensitive System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
What’s Next . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
7. Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
Working with Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
Getting to Know Your Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
Voltage Divider Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
Communicating with I2C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
Working with Sensor Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
Thresholds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
Mapping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
Constraining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
Smoothing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
Experiment: Wooo! Shirt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
What to Sense . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
Flex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
Force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
Stretch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
Movement, Orientation, and Location . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
Heart Rate and Beyond . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
Proximity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
Light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
Color . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
Sound . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
DIY Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
Experiment: Body Listening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
Other Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
8. Actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
Light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
Basic LEDs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
Addressable LEDs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
Fiber Optics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
Electroluminescent Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
Experiment: Be Safe, Be Seen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
Sound . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
Buzzers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
Tones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
Audio Files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
Experiment: Wearable Instrument . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
Vibrating Motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
Servo Motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
Gearhead Motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
Experiment: Shake, Spin, or Shimmy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
Fans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
Heat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
Experiment: It’s Gettin’ Hot in Here . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
9. Wireless . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
Bluetooth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
Experiment: Communicating with Bluetooth . . . . . . . . . . . 194
Hello XBees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
Configuring XBees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
Experiment: XBee and Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
Experiment: XBee Direct Mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
Other Wireless Options . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
Thinking Beyond . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
Appendix A. Tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
Appendix B. Batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
Appendix C. Resources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
Appendix D. Other Neat Things . . . . . . . . . . . . . . 233
Appendix E. Microcontroller Options . . . . . . . . 241
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247

Preface
Our bodies are our primary interface for the world. Interactive systems that live on the body can be intimate, upfront, and sometimes quite literally in your face. They sit close to your skin, inhabit your clothing, and sometimes even start to feel like part of you. This makes wearable electronics an exciting, challenging, and inspiring area to work in. On one level this book is about how to make wearable electronics. It will introduce you to the tools, materials, and techniques necessary to create interactive electronic circuits and embed them in clothing and other things that can be worn.

On another level, this book is asking you:

“What’s next?”
We’re living in a moment where wearable technologies are just starting to become a part of our everyday lives. They live on our wrists and in our glasses. They track our activities and transport us into virtual worlds. But this is just the beginning. There is still a lot that has yet to be revealed. This book is inviting you to join the conversation about the future of wearable and body-centric technologies. What do we need? What do we want? And what should be avoided?

In the last 10–15 years, the technology that lives in our pockets has dramatically transformed. In the next decade, we can expect to see great strides in the development of the technology that lives on our bodies and in our clothes. It’s a good time to ask questions and express opinions. This book will hopefully help you get started with that.


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