Monografia_Elétrica_G3_Final_v7
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UNIVERSIDADE PAULISTA
ALYSSON CELSO DE ALMEIDA SILVADANIEL DA SILVA SANTOSRAFAEL MACHADO FERNANDES DE MENDONA
SAMUEL HENRIQUE DE OLIVEIRATHIAGO NONIS
MONITORAMENTO REMOTO DA FREQUNCIA CARDIACA EM AMBIENTESHOSPITALARES UTILIZANDO REDE ZIGBEE
ARARAQUARA
2013
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ALYSSON CELSO DE ALMEIDA SILVADANIEL DA SILVA SANTOS
RAFAEL MACHADO FERNANDES DE MENDONASAMUEL HENRIQUE DE OLIVEIRA
THIAGO NONIS
MONITORAMENTO REMOTO DA FREQUNCIA CARDIACA EM AMBIENTESHOSPITALARES UTILIZANDO REDE ZIGBEE
Trabalho de Concluso de Curso
(monografia) apresentado para a
obteno do ttulo de Bacharel em
Engenharia Eltrica (nfase eletrnica) noInstituto de Cincias Exatas e Tecnologia,
da Universidade Paulista (ICET/UNIP).
Orientador: Me. Luciano Cssio Lulio
ARARAQUARA
2013
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ALYSSON CELSO DE ALMEIDA SILVADANIEL DA SILVA SANTOS
RAFAEL MACHADO FERNANDES DE MENDONASAMUEL HENRIQUE DE OLIVEIRA
THIAGO NONIS
MONITORAMENTO REMOTO DA FREQUENCIA CARDIACA EM AMBIENTESHOSPITALARES UTILIZANDO REDE ZIGBEE
Monografia de Concluso de Curso para
obteno do ttulo de Bacharel em
Engenharia Eltrica (Eletrnica)
apresentado Universidade Paulista
UNIP.
Aprovado em:
BANCA EXAMINADORA
______________________________________________________/____/________Orientador: Prof. MSc. Luciano Cssio Llio
UNIVERSIDADE PAULISTAUNIP
______________________________________________________/____/________Prof. Dr, Pedro Bertarini
UNIVERSIDADE PAULISTAUNIP
______________________________________________________/____/________Prof. Roberval Catholico
UNIVERSIDADE PAULISTAUNIP
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AGRADECIMENTOS
Primeiramente aos nossos familiares que, com carinho e apoio, no mediram
esforos para que chegssemos at esta etapa de nossa vida.
Ao professor Luciano Lulio, pela sua orientao, sua erudio e seus
questionamentos crticos, pontos de suma importncia para o desenvolvimento deste
trabalho.
Aos colegas de sala pelas opinies emitidas, pelo profissionalismo,
disponibilidade e cordialidade em nos receber, alm de emitir diversas contribuiespara o desenvolvimento deste trabalho.
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Se o dinheiro for a sua esperana de
Independncia, voc jamais a ter.
A nica segurana verdadeira consiste
numa reserva de sabedoria, de
experincia e de competncia
(Henry Ford)
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RESUMO
ALMEIDA, A. C., MENDONA, R. M. F., NONIS, T., OLIVEIRA, S. H., SANTOS, D.
S., MONITORAMENTO REMOTO DA FREQUENCIA CARDIACA EM AMBIENTE
HOSPITALAR UTILIZANDO REDE ZigBee. 83 p. Trabalho de Concluso de Curso,
Instituto de cincias e tecnologia (UNIP/ICET), campus AraraquaraSP, 2013.
Unidades de Tratamento/Terapia Intensiva (UTI) de ambientes hospitalares pblicos
e particulares apresentam necessidade constante de internao de pacientes e poucafacilidade no monitoramento destes, em que os dados referentes ao batimentos por
minuto (bpm) do corao devem ser processados e interpretados a todo instante por
uma equipe dedicada ao trabalho. Tal necessidade tratada localmente, dificultando
o acesso imediato e ininterrupto por equipes mdicas aos pacientes envolvidos.
Devido a estes problemas, o projeto consiste em um monitor cardaco remoto, para
inspeo e anlise dos batimentos cardacos em pacientes com tendncia a
taquicardia e bradicardia. O prottipo desenvolvido composto por um circuitoeletrnico com microcontrolador PIC16F913, mdulos de comunicao sem fio ZigBee
responsveis pela transmisso dos dados em uma malha de rede com uma central
(host) e um monitor cardaco local conectado ao paciente, e o aplicativo supervisrio
em linguagem C# que interpreta e manipula em tempo real no host, todas as
informaes compatveis e derivadas dos batimentos cardacos de pacientes. Como
resultados obteve-se um monitor cardaco robusto e eficaz, capaz de: realizar a
aquisio, condicionamento, transmisso e exibio do sinal, eliminar rudos externos
por filtros analgicos e digitais, transmitir dados com alcance considervel e de baixo
consumo de energia. Conclui-se que o projeto pode minimizar as deficincias de
tratamento local de pacientes em ambientes hospitalares, com consumo de energia
eficiente e monitoramento remoto de pacientes.
Palavras-chave: Transmisso sem fio, Fisiologia do corao, Monitoramento
Cardaco, Linguagens de programao, Circuitos eletrnicos.
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ABSTRACT
ALMEIDA, A. C., MENDONA, R. M. F., NONIS, T., OLIVEIRA, S. H., SANTOS, D.
S., REMOTE MONITORING OF HEART RATE IN A HOSPITAL ENVIRONMENT
USING ZigBee NETWORK. 83 p. Course Conclusion Work, Institute of Exact and
Technological Sciences(UNIP/ICET), campus AraraquaraSP, 2013.
Public and private Intensive Care Units (ICU) have constant need of inpatient and little
facility in the monitoring of these, wherein the heart beats per minute (bpm) data must
be frequently processed and interpreted by a dedicated team. This necessity is treated
locally, causing delay in the immediate and uninterrupted access to the patients by
medical staff. Because of these problems, the proposed project consists in a remote
heart rate monitor for inspection and analysis of heart rate in patients with a tendency
to tachycardia and bradycardia. The prototype consists in an electronic circuit with
PIC16F913 microcontroller, ZigBee wireless communication modules that transmits
data in a mesh network with a central (host) and a heart rate monitor circuit connected
to the patient and a C# developed application that interprets and manipulates allinformation, from the remote heart rate monitor circuit, in real time on the host. The
results obtained are a robust and effective cardiac monitor, able to: heart beating data
acquisition, conditioning, transmission and display of the computed signal; eliminate
external noise using analog and digital filters and transmit data with considerable range
and low power consumption. It is concluded that the prototype can minimize the
deficiencies of local treatment of patients in hospitals environment, with efficient power
consumption and able to remote monitoring.
Keywords: 1.Wireless transmition; 2. Hearts fisiology; 3. monitoring of heart;
4.Programations languages; 5.Electronics circuits.
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LISTA DE ILUSTRAES
Figura 2.1 Estrutura de um corao humano. Disponvel em www.isaude.net. ........ 17
Figura 2.2 Esquema de circulao sangunea. Fonte: Adaptado de Salles, 2008, p.
102. ........................................................................................................................... 19
Figura 2.3 Esquema de sinais do comportamento do corao. Fonte: Salles, 2008, p.
233. ........................................................................................................................... 20
Figura 2.4 Exemplo um emissor de luz e um fotodetector. Fonte: Elaborado pelo autor.
.................................................................................................................................. 23
Figura 2.5 Exemplo da aplicao de fotopletismografia. Fonte: Disponvel emHttp://embedded-lab.com .......................................................................................... 24
Figura 2.6 Sinal caracterstico do PPG. Fonte: GAN, 2009, p. 48. ............................ 24
Figura 2.7 Padres Wireless. Fonte: Adaptado de Wireless Network, Tecnologias, Lan
Core Networks 2011. ................................................................................................. 25
Figura 2.8 Aplicaoes da tecnologia ZigBee. Fonte: Disponivel em
www.rogercom.com. .................................................................................................. 27
Figura 2.9 Camadas de protocolos ZigBee. Fonte: Adaptado de PINHEIRO, 2011. . 28Figura 2.10 topologias de rede: estrela, rvore e malha. Fonte: Disponivel em
www.zigbee.org. ........................................................................................................ 31
Figura 2.11 dispositivo Xbee fabricado pela Digi International e utilizado neste projeto.
Fonte: Disponivel em www.digi.com. ......................................................................... 33
Figura 2.12 Modo de comunicao Transparente. Fonte: Adaptado de Ramos, 2012,
p. 94. ......................................................................................................................... 35
Figura 2.13 Estrutura do frame API. Fonte:SOCORRO, 2012 .................................. 36
Figura 2.14 Transmissao em Unicast. Fonte: adaptado de FARAHANI, 2008. ......... 38
Figura 2.15 Transmissao em Multicast. Fonte: Disponivel em www.digi.com. .......... 38
Figura 2.16 Interface do software X-CTU. Fonte:print screenda aplicao no sistema
operacional Windows 7. ............................................................................................ 39
Figura 2.17 Amplificador operacional. Fonte: WENDLING, 2010. ............................. 43
Figura 2.18 Amplificador operacional inversor com sinal em corrente alternada. Fonte:
WENDLING, 2010. .................................................................................................... 44
Figura 2.19 Amplificador operacional no inversor com sinal em corrente alternada.
Fonte: WENDLING, 2010. ......................................................................................... 44
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Figura 2.20 PIC modelo 16F913, Fonte: datasheet Microchip Technology, 2007..... 45
Figura 3.1 Viso geral da rede proposta. Fonte: Elaborado pelo autor. .................... 46
Figura 3.2 Viso geral da unidade remota. Fonte: Elaborado pelo autor. ................. 47
Figura 3.3 Funcionamento do sensor de sinais PPG. Fonte: Disponvel em embedded-
lab.com. ..................................................................................................................... 48
Figura 3.4: Circuito de aquisio do sinal de BPM. Fonte: Elaborado pelo autor. ..... 49
Figura 3.5 Circuito de filtragem e amplificao do sinal. Fonte: Elaborado pelo autor.
.................................................................................................................................. 50
Figura 3.6 Exemplo Processo de Mediana. Fonte: Elaborado pelo autor. ................ 54
Figura 3.7 Circuito de digitalizao e filtrao digital. Fonte: Elaborado pelo autor. . 54
Figura 3.8 Circuito regulador de tenso. Fonte: Elaborado pelo autor. ..................... 55
Figura 3.9 layout do circuito das placas desenvolvidas. Fonte: Elaborado pelo autor.
.................................................................................................................................. 56
Figura 3.10 Simulao 3D dos circuitos desenvolvidos. Fonte: Elaborado pelo autor.
.................................................................................................................................. 56
Figura 3.11 Diagrama de Pinos do ModuloXBee. Fonte: adaptado de RAMOS, 2012.
.................................................................................................................................. 57
Figura 3.12 RedeXBee/ZigBee. Fonte: Elaborado pelo autor. ................................. 58Figura 3.13 Placa CON-USBBEE. Fonte: Disponvel em www.rogercom.com. ........ 59
Figura 4.1 Teste de Alcance da rede. Fonte: Elaborado pelo autor. ......................... 62
Figura 4.2 Placa inferior do prottipo. Fonte: Elaborado pelo autor. ......................... 63
Figura 4.3 Placa superior do prottipo. Fonte: Elaborado pelo autor. ....................... 63
Figura 4.4 Prottipo da unidade remota e sensor. Fonte: Elaborado pelo autor. ...... 64
Figura 4.5 Interior da unidade remota. Fonte: Elaborado pelo autor. ........................ 64
Figura 4.6 Estao coordenadora. Fonte: Elaborado pelo autor. .............................. 66Figura 4.7 Comparao de sistemas com filtro, imagem a, e sem filtro, imagem b,
utilizando software X-CTU. Fonte: print screenda aplicao no sistema operacional
Windows 7. ................................................................................................................ 66
Figura 4.8 Grficos referentes aos dados da figura 4.7. Fonte: Elaborado pelo autor.
.................................................................................................................................. 67
Figura 4.9 Software de monitoramento cardaco. Fonte:print screenda aplicao no
sistema operacional Windows 7. ............................................................................... 68
Figura 4.10 Fluxograma do Software de monitoramento cardaco. Fonte: Elaborado
pelo autor. ................................................................................................................. 69
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Figura 4.11 Diagrama de Bode para os dois filtros passa banda. Fonte: print screen
da aplicao no sistema operacional Windows 7. ..................................................... 70
Figura 4.12 Comparao de medies de BPM entre monitor cardaco desenvolvido,
a esquerda, e monitor cardaco do hospital, a direita. Fonte: Elaborado pelo autor.. 71
Figura 4.13 Testes com paciente da Unidade de Atendimentos Emergncias. Fonte:
Elaborado pelo autor. ................................................................................................ 72
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LISTA DE TABELAS
Tabela 1 Comparativo de idade e bpm ideal ............................................................. 21
Tabela 2 Especificaes da Camada Fsica.............................................................. 29
Tabela 3 Comparao com outras tecnologias Wireless .......................................... 32
Tabela 4 especificaes dos mdulos XBee e XBee PRO ....................................... 34
Tabela 5 Consumo do prototipo desenvolvido .......................................................... 65
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LISTA DE ABREVIATURAS
UTI - Unidades de Tratamento/Terapia Intensivo
BPM- batimentos por minuto
ECGEletrocardiograma
WLANs - Wireless Local Area Networks (Rede local sem fio)
NWK- Network Layer (Camada de Rede)
APL - Application Layer (Camada de Aplicao)
WPAN - Wireless Personal Area Network (Rede sem fio pessoal)
WSN - Wireless Sensor Network (Rede de Sensores Sem Fio)PHYPhysical (Fisico)
MAC- Medium Access Control (Controle de Acesso Medio)
APL- Application Layer (Camada de Aplicao)
ZDO- ZigBee Device Objects (Dispositivo ZigBee)
APS- Application SubLayer (Subcamada de Aplicao)
PWMPulse with Modulation (Pulso com modulao)
WiMax- Worldwide interoperability for Microwave Access (Interoperabilidade Mundialpara Acesso de Micro-ondas)
Wi-fi - Wireless Fidelity(Fidelidade sem fio)
PAN- Personal Area Network(Rede de rea Pessoal)
CCP - Capture, Compare and PWM (Comparao, Captura e PWM)
PPGPhotoplethysmography(Fotopletismografia)
GHZGigahertz
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SUMRIO
1. INTRODUO ............................................................................................... 15
1.1 Motivao para o Trabalho ............................................................................. 15
1.2 Objetivo .......................................................................................................... 16
1.3 Organizao do Trabalho ............................................................................... 16
2. FUNDAMENTAO TERICA ..................................................................... 17
2.1 Fisiologia do corao ...................................................................................... 17
2.1.1 Atividade eltrica do corao .................................................................... 19
2.1.2 A importncia do monitoramento cardaco................................................ 21
2.2 Pletismografia ................................................................................................. 23
2.3 Comunicao .................................................................................................. 24
2.3.1 Tecnologias sem fio ......................................................................................... 25
2.4 ZigBee ............................................................................................................ 26
2.4.1 Padro ZigBee.......................................................................................... 27
2.4.2 Camadas 802.15.4 (PHY e MAC) ............................................................. 28
2.4.3 Camada de rede (NWK)............................................................................ 292.4.4 Camada de Aplicao (APL) ..................................................................... 30
2.4.5 Formao e Topologias de uma rede ZigBee........................................... 30
2.4.6 Comparao com outras tecnologias ........................................................ 32
2.5 DispositivoXBee/ZigBee ................................................................................ 33
2.5.1 Modos de Comunicao ........................................................................... 34
2.5.2 Modos de operao .................................................................................. 36
2.5.3 Transmisso e roteamento de dados ........................................................ 37
2.5.4 Configurao dos mdulosXBee.............................................................. 39
2.5.5 Regulamentao Legal ............................................................................. 40
2.6 Software ......................................................................................................... 40
2.6.1 Supervisrio VS C# ................................................................................... 41
2.7 Hardware ........................................................................................................ 42
2.7.1 Amplificadores operacionais ..................................................................... 42
2.7.2 Tenso de offset ....................................................................................... 43
2.7.3 Configuraes do amplificador operacional .............................................. 43
2.7.4 Amplificador com sinais em corrente alternada ........................................ 43
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2.8 Microcontroladores PIC .................................................................................. 45
2.8.1 O PIC modelo 16F913 .............................................................................. 45
3. MATERIAIS E MTODOS ............................................................................. 46
3.1 Unidade Remota ............................................................................................. 47
3.2 Hardware ........................................................................................................ 47
3.2.1 Mdulo de aquisio do sinal .................................................................... 48
3.2.2 Mdulo de filtragem e amplificao ........................................................... 49
3.2.3 Mdulo de digitalizao do sinal ............................................................... 52
3.2.4 Montagem do circuito eletrnico ............................................................... 55
3.3 Mdulo ZigBee ............................................................................................... 57
3.4 Unidade de monitoramento e processamento. ............................................... 58
3.5 Estao coordenadora .................................................................................... 59
3.6 Software ......................................................................................................... 59
4. RESULTADOS ............................................................................................... 61
4.1 Alcance das Transmisses ............................................................................. 61
4.2 Aspecto Final do Prottipo .............................................................................. 62
4.3 Consumo de Energia ...................................................................................... 65
4.4 Integrao com Software de Monitorao ...................................................... 654.5 Anlise da resposta em frequncia do filtro passa banda .............................. 70
4.6 Teste do prottipo em um ambiente hospitalar ............................................... 70
5. CONCLUSES .............................................................................................. 73
5.1 Trabalhos Futuros .......................................................................................... 73
6. REFERNCIAS .............................................................................................. 75
ANEXO I ....................................................................................................................80
APNDICE A .............................................................................................................81
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1. INTRODUO
Ao longo dos ltimos anos, o desenvolvimento da eletrnica vem
proporcionando dispositivos como sensores e transceptores cada vez menores e com
menor consumo de energia. As tecnologias que permitem o monitoramento remoto de
pessoas e equipamentos, a todo momento e em todo lugar, vem emergindo e se
tornando um recurso cada vez mais utilizado na sociedade atual e em constante
desenvolvimento. Tal desenvolvimento possibilita que dispositivos sejam otimizadas
para o uso destes pelos mdicos, enfermeiros e dentistas, de forma a aumentar a
eficincia, agilidade e reduo de custos de operao pela equipe mdica. Destaforma, este projeto foi desenvolvido para facilitar o trabalho dos profissionais da
sade, permitindo que estes se concentrem mais nas prioridades de atendimento,
liberando estes profissionais do monitoramento constante de pacientes.
1.1 Motivao para o Trabalho
Os hospitais, em geral os mais conservadores, so carentes de novas
tecnologias que facilitem o acesso a um atendimento mais adequado para o paciente,
na maioria das vezes o atendimento no feito de maneira adequada devido
ausncia de recursos financeiros, disponibilidade de profissionais, quantidade de
leitos disponveis, dentre outros. Alm disso o custo de internao de um paciente,
principalmente de um idoso, muito alto (PEIXOTO, 2004).
As Redes de Sensores Sem Fio que representam uma tecnologia emergenteque tem proporcionado um crescimento significativo das perspectivas industriais e
cientficas em todo o mundo. O avano da eletrnica tem permitido o desenvolvimento
de sensores e transceptores com consumo de energia e dimenses cada vez
menores. Assim, o uso de sensores sem fio organizados em rede com o objetivo de
monitorar e controlar um determinado ambiente, como o de um hospital, uma forte
tendncia para os prximos anos.
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1.2 Objetivo
O objetivo deste trabalho implementar um sistema de monitoramentocardaco de pacientes em um ambiente hospitalar e assim identificar situaes de
bradicardia e taquicardia, baseado em uma rede de sensores sem fio composta por
mdulosXBee/ZigBee. Cada paciente ser equipado com um sensor de batimentos
cardacos, e assim a informao ser enviada atravs do moduloXBee/ZigBeepara
uma central de monitoramento.
1.3 Organizao do Trabalho
A apresentao dos principais conceitos utilizados no desenvolvimento deste
projeto apresentado no capitulo 2, onde estudou-se a fisiologia do corao,
sensoriamento do corao e tecnologias de comunicao sem fio. A metodologia
utilizada no desenvolvimento apresentada no capitulo 3, onde explicado de forma
detalhada os matrias e mtodos empregados no desenvolvimento do prottipo dacentral de monitoramento proposta. No captulo 4 apresentado os resultados
obtidos com o prottipo desenvolvido, atravs de testes sobre o alcance das
transmisses, consumo de energia e a integrao com o software de monitorao.
Finalmente, o capitulo 5 apresenta as concluses obtidas a partir deste projeto e
recomendaes para trabalhos futuros.
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2. FUNDAMENTAO TERICA
Este capitulo limita-se a apresentao dos conceitos utilizados no
desenvolvimento do projeto. Inicia-se com o estudo sobre a fisiologia do corao. Em
um segundo tpico define-se conceitos utilizados para o monitoramento do corao e
finalmente conceitos utilizados para a comunicao sem fio.
2.1 Fisiologia do corao
O corao um rgo oco, aproximadamente esfrico, tem o tamanho de uma
mo fechada e pesa cerca de 300g, constitudo de paredes musculares que delimitam
quatro cmaras - os trios direito e esquerdo (cmaras superiores), e os ventrculos
direito e esquerdo (cmaras inferiores). O trio direito e o ventrculo direito constituem
o corao direito, ou lado direito do rgo, e o trio esquerdo e ventrculo esquerdo
integram o corao esquerdo, ou lado esquerdo do rgo (SOBOTTA, 2009). Est
localizado na regio centro-lateral da caixa torcica, pendendo para a esquerda, tendo
sua ponta inferior situada prxima ao mamilo esquerdo, e sua base superiormente
situada no centro do trax, como visto ver na figura 2.1.
Figura 2.1 Estrutura de um corao humano. Disponvel em www.isaude.net.
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Os trios esto separados pelo septo interarterial, e os ventrculos pelo septo
interventricular. Entre o trio esquerdo e o ventrculo esquerdo, separando as duas
cavidades, encontra-se a valva mitral; entre o trio direito e o ventrculo direito est a
valva tricspide. Para o trio direito drenam diretamente as veias cavas superior e
inferior, que so os condutores terminais do sangue que vem de todas as partes do
organismo.
No ventrculo esquerdo tem-se a artria aorta, que leva sangue para todo o
organismo, por meio das suas ramificaes arteriais; na sada do ventrculo esquerdo
situa-se a valva artica, a qual separa a cavidade ventricular da aorta. Do ventrculo
direito emerge a artria pulmonar, que conduz do sangue em direo aos pulmes;
entre a sada da cavidade ventricular direita e o incio da artria pulmonar encontra-se a valva pulmonar (RUNGE, 2006). Assim, o corao composto de uma estrutura
muscular espessa, de cerca de 1 a 2 cm, denominada miocrdio, que integra as
paredes das cavidades atriais e ventriculares.
O miocrdio est envolto externamente por uma estrutura membranosa, que
o pericrdio, cuja funo proteger o miocrdio e permitir o suave deslizamento das
paredes do rgo durante o seu funcionamento, pois contm um lquido que lubrifica
seu interior. Internamente, o miocrdio recoberto pelo endocrdio, que se constituina membrana de proteo interna que fica em contato com o sangue, separando a
musculatura, do interior das cavidades do rgo. O corao possui tambm um grupo
de valvas intracavitrias, as quais tm a funo de direcionar o fluxo de sangue em
um nico sentido no interior do corao (SOBOTTA, 2009).
Por definio um ciclo cardaco ocorre desde o incio do batimento cardaco at
o incio do batimento seguinte. Em mdia a cada minuto, 72 ciclos cardacos so
concludos, a estes ciclos d-se o nome de frequncia cardaca. O processo pode sermelhor visualizado na Figura 2.2.
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Figura 2.2 Esquema de circulao sangunea. Fonte: Adaptado de Salles, 2008, p. 102.
2.1.1 Atividade eltrica do corao
O corao um rgo ativado por estmulos eltricos e pode ser comparado a
uma bomba hidrulica. Esta bomba bate em mdia 100 mil vezes por dia, devendo
ser eficaz durante toda a nossa vida. As paredes musculares de cada uma das
cmaras citadas anteriormente, se contraem em uma sequncia precisa,
impulsionando um fluxo mximo de sangue com o menor desgaste de energia
possvel (RUNGE, 2006). A contrao do corao controlada por uma descarga
eltrica que flui atravs de vias eltricas do sistema de conduo, em um fluxo
controlado, a frequncia da descarga eltrica influenciada pelos impulsos nervosos
e pelos nveis de hormnios que circulam na corrente sangunea.
Frequncias cardacas baixas (bradicardia) podem ser normais em adultos
jovens, geralmente entre aqueles que apresentam um bom condicionamento fsico.
Variaes so normais durante as atividades do dia, assim como certas drogas e
substncias como a nicotina do cigarro e o lcool.
Quando um impulso eltrico flui sobre os trios direito e esquerdo (cmaras
cardacas superiores), fazendo que estes se contraiam, o sangue imediatamente ser
deslocado para os ventrculos (cmaras cardacas maiores e inferiores). Quando o
impulso eltrico chega ao n atrioventricular (estao intermediria do sistemaeltrico), este impulso sofre um ligeiro retardo. Em seguida o impulso eltrico
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dissemina-se ao longo do feixe de Hiss (SOBOTTA, 2009), o qual divide-se em ramo
direito (direcionado para o ventrculo direito) e ramo esquerdo (direcionado para o
ventrculo esquerdo). Este ltimo dividido em dois fascculos: o anterossuperior
esquerdo e o pstero-inferior direito.
Na sequncia o impulso eltrico atinge os ventrculos fazendo com que estes
se estimulem (sstole ventricular), permitindo a sada de sangue para fora do corao.
O ventrculo esquerdo ejeta o sangue para o crebro, msculos e outros rgos do
corpo humano. Ao mesmo tempo o ventrculo direito ejeta o sangue exclusivamente
para a circulao do pulmo, para que este sangue venha com oxignio.
O ritmo cardaco ditado pelo n sinusal chamado de sinusal. O ritmo cardaco
ditado pelo n atrioventricular (estao intermediria do sistema eltrico do corao) chamado de juno. Muitas vezes, esse ltimo pode no ser indicativo de uma
doena cardaca propriamente dita. A Figura 2.3 mostra o comportamento do corao
e uma parte do sinal gerado tambm conhecida como complexo QRS:
Figura 2.3 Esquema de sinais do comportamento do corao. Fonte: Salles, 2008, p.
233.
Esquema de sinais e comportamentos referentes a figura 2.3:
a) trio comea a despolarizar;
b) trio despolariza;
c) Ventrculos comeam a despolarizar no vrtice. trio repolariza;
d) Ventrculos despolarizam;
e) Ventrculos comeam a repolarizar no vrtice;
f) Ventrculos repolarizar.
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2.1.2 A importncia do monitoramento cardaco
A medio da frequncia cardaca um dos mais importantes parmetros dosistema cardiovascular humano. A frequncia cardaca de um adulto saudvel, em
repouso, de cerca de 72 batimentos por minuto (bpm). Atletas normalmente tm
taxas menores de pulsao do que as pessoas menos ativas. Os bebs tm um ritmo
cardaco muito maior em torno de 120 bpm, enquanto as crianas mais velhas tm
frequncia cardaca em torno de 90 bpm (RUNGE, 2006). A tabela 1 mostra uma
comparativa com idades diferentes e suas respectivas frequncias cardacas
consideradas ideais:
Tabela 1 Comparativo de idade e bpm ideal
Faixa Etria Idade Frequncia cardaca ideal
Recm-nascidos 0 - 1 meses 70150 bpm
Bebes 1 - 3 meses 90120 bpm
Bebes 612 meses 80120 bpm
Crianas 110 anos 70130 bpm
Jovens, Adultos e Idosos Acima de 10 anos 60100 bpmExtrado de: SOBOTTA, 2009.
A frequncia cardaca simples e tradicionalmente medida colocando o polegar
sobre a artria do indivduo e sentindo seu pulso, a cronometragem e de contagem
dos impulsos normalmente realizado num perodo de 30 segundos (SOBOTTA,
2009). A frequncia cardaca do sujeito , ento, encontrado atravs da multiplicao
do nmero obtido por este mtodo, embora simples, no preciso e pode dar erros
quando a taxa alta. Hoje so usados mtodos mais sofisticados com o auxlio de
equipamentos eletrnicos. O eletrocardiograma (ECG) um dos mtodos mais
usados e precisos para se fazer a medio, muito til no diagnstico de infarto agudo
do miocrdio apesar de ser um dispositivo caro e seu exame de alto custo.
Dispositivos de baixo custo, na forma de relgios de pulso tambm esto disponveis
para uma medio instantnea. A maioria dos hospitais e clnicas utilizam dispositivos
robustos, integrados e projetados para fazer o mesmo tipo de monitoramento.
A frequncia cardaca aumenta gradualmente durante os exerccios e retorna
lentamente ao valor de repouso aps o exerccio. Quando o pulso volta ao normal,
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pode-se fazer uma indicao da condio da pessoa. Menores taxas cardacas so
geralmente uma indicao de uma condio conhecida como bradicardia, enquanto
maiores so conhecidas como taquicardia.
Bradicardia um termo utilizado na medicina para designar uma diminuio
na frequncia cardaca. definida como sendo uma arritmia (perturbao), que se
traduz em uma diminuio na frequncia cardaca. Normalmente, um ser humano
possui uma frequncia cardaca de 60 a 100 batimentos por minuto, sendo assim,
quando o batimento est abaixo de 60, definido como bradicardia (SOBOTTA,
2009). Embora isto seja comum em pessoas em boa forma fsica e atletas, na maioria
dos casos, esta condio pode estar associada problemas na conduo do estmulo
eltrico.As causas deste problema podem ser vrias, e so divididas em cardacas e
no-cardacas (geralmente secundrias, relacionadas ao uso de drogas, questes
metablicas ou endcrinas, desequilbrio eletroltico, fatores neurolgicos, reflexos
autnomos, fatores circunstanciais, como por exemplo, repouso por um grande
perodo de tempo). J as causas cardacas incluem doena cardaca vascular e
doena cardaca (RUNGE, 2006).
A Taquicardia uma forma dearritmia cardacaque refere-se a uma aceleraodo batimento cardaco. Por conveno, o termo define a taxa de batimento cardaco
superior 100 por minuto no caso de pacientes adultos. Tambm pode ser uma
resposta fisiolgica perfeitamente normal ao estresse (RUNGE, 2006). Porm,
dependendo da situao do corao do paciente, pode ser danosa e necessitar
tratamento mdico. Em casos extremos, taquicardia pode ameaar a vida sendo
prejudicial de trs formas:
O corao bater muito rpido por um longo perodo de tempo, mudando o equilbrio
de oxignio e dixido de carbono no sangue, isso normal durante o exercciofsicomas pode ser muito perigoso durante repouso.
Quando o corao bate muito rapidamente ele pode bombear sangue com menos
eficincia.
Quanto mais rpido o corao bater, mais oxignio e nutrientes ele necessitar.
Isso pode fazer com que o paciente fique sem flego e causaangina(dor no peito),o que pode ser problemtico para aqueles que j sofrem de alguma outra doena
cardaca.
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2.2 Pletismografia
Esta uma tcnica usada principalmente para determinar e registrar variaesde volume sanguneo em diferentes partes do corpo. De acordo com o tipo de sensor
utilizado, pode-se ter vrios tipos de pletismografia, como por exemplo a
fotopletismografia, onde geralmente utilizado um emissor de luz e um fotodetector
como visto ver na figura 2.4.
Figura 2.4 Exemplo um emissor de luz e um fotodetector. Fonte: Elaborado pelo autor.
A frequncia cardaca pode ser medida utilizando o princpio de
fotopletismografia, ou seja, a medio de alteraes do fluxo sanguneo utilizando um
mtodo ptico. No caso particular dos sensores de que medem a quantidade de luz
infravermelha absorvida ou refletida pelo sangue, as alteraes de volume so
provocadas por variaes da presso sangunea nos vasos, que ocorrem ao longo do
ciclo cardaco (AKAY, 2006). Dada a relao existente entre o volume dos vasos, a
presso sangunea e a quantidade de luz absorvida ou refletida, possvel observar
a variao de volume com base na luz detectada pelo sensor. Para se conseguirdetectar a variao de volume atravs do sensor, os locais de aplicao tero de
possuir uma elevada perfuso e poucas camadas de tecidos envolventes, como por
exemplo o lbulo da orelha e a ponta dos dedos. Na figura 2.5 pode-se verificar um
exemplo da aplicao da tcnica de fotopletismografia.
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Figura 2.5 Exemplo da aplicao de fotopletismografia. Fonte: Disponvel em
Http://embedded-lab.com
A medio da variao da presso em funo da fase do ciclo cardaco permiteassim estimar a frequncia cardaca (AKAY, 2006). A Figura 2.6, mostra um tpico
sinal obtido por um sensor fotoplestimogrfico. Cada pico equivale a um batimento
cardaco.
Figura 2.6 Sinal caracterstico do PPG. Fonte: GAN, 2009, p. 48.
2.3 Comunicao
Desde o incio dos tempos, a comunicao um instrumento de integrao,
instruo, de troca mtua e desenvolvimento. O processo consiste na transmisso de
informao entre um emissor e um receptor que a interpreta. A mensagem codificada em um sistema de sinais definidos que podem ser gestos, sons, uma lngua
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natural ou outros cdigos que possuem um significado (por exemplo, o semforo), e
transportada at o receptor atravs de um canal de comunicao que o meio por
onde circula a mensagem, seja por carta, telefone, comunicado na televiso, sinais de
rdio, etc. (CONSTANTINE, 2009).
A comunicao wireless (sem fio) uma que j vem se tornando mais presente
no cotidiano das pessoas, tendo enorme desenvolvimento nos ltimos anos.
Ultimamente comeou a se pensar em um modelo especifico para se comunicar com
sistemas de monitorao e sensoriamento, tais como sistemas de automao
domstica, segurana, controle de iluminao e de acesso, etc. Os principais
requisitos deste tipo de sistema so a baixa latncia, otimizao para o baixo consumo
de energia, possibilidade de implementao de redes com um nmero elevado dedispositivos e baixa complexidade de rede.
2.3.1 Tecnologias sem fio
H um vasto nmero de padres de comunicao sem fio disponvel no
mercado, que abrangem tanto redes pessoais quanto redes metropolitanas, como
ilustrado na figura 2.7.
Figura 2.7 Padres Wireless. Fonte: Adaptado de Wireless Network, Tecnologias, Lan Core
Networks 2011.
No mbito metropolitano, as redes de dados e voz via celular, que j esto na
quarta gerao (NEWSCIENTIST, 2005), conseguem transferncias multimdias a
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taxas de transmisso na ordem de Dezenas de Mbit/s tericos. Alm do celular, outras
tecnologias de transmisso sem fio para redes metropolitanas so muitas vezes
motivadas devido dificuldade da construo de estruturas cabeadas para longas
distancias. Uma estrutura cabo-rdio, que consiste de uma estrutura com ncleo
cabeado (par tranado, fibras pticas, etc.) e acesso via rdio uma opo que tem
despertado bastante interesse. Nesse sistema, o link de rdio pode utilizar ondas
eletromagnticas numa tecnologia j padronizada pelo IEEE 802.16, chamada WiMax
(Worldwide interoperability for Microwave Access)(BARONTI, 2007).
Com relao s redes locais WLANs, (Wireless Local Area Networks) pode-se
citar a conhecida rede Wi-fi, difundida em cidades, empresas, residncias, hotis, etc.
Definido pela norma IEEE 802.11, o Wi-fiutiliza a frequncia 2.4 Ghzcomo frequnciade propagao.Apesar da grande quantidade de modelos existentes, foi identificado
um nicho de mercado ainda no explorado e que motivou a criao do padro ZigBee.
2.4 ZigBee
Em 2002, grandes empresas do setor de eletrnicos e reas afins decidiram
padronizar um sistema de comunicao eletrnica sem fio para o setor de automao.
Com uma finalidade promissora de tornar este sistema compatvel
independentemente da empresa que produzisse o circuito. Com esta aliana
ocasionou a formao de uma sociedade conhecida comoAlliance ZigBee (RAMOS,
2012). Na figura 2.8 vemos as vrias aplicaes da tecnologia ZigBee.
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Figura 2.8 Aplicaoes da tecnologia ZigBee. Fonte: Disponivel em www.rogercom.com.
ZigBee um padro de comunicao wireless que ministra uma rede de curto
alcance e boa relao custo benefcio (RAMOS, 2012). Foi desenvolvido com nfase
em aplicaes de baixo custo, tais como automao predial, controle industrial e
comercial, assistncia mdica pessoal e sistemas de tag avanados.
Com baixos requisitos de memria quando em comparao com o Bluetoothe
baixo poder de processamento se comparado aos dispositivos de rede 802.11, ZigBee
est sendo considerado como um opo para sistemas de comunicao de baixa taxa
de dados (20 a 250 kbps) e de razovel alcance (10 a 100 metros) (STANFIELD,
2005). Aplicaes residenciais e comerciais incluem controles de iluminao, fumaa
e detectores de CO, segurana interna e comunicao entre um controle remoto e
uma cmera digital. Na indstria, os exemplos esto no monitoramento deequipamentos medicos, construo, automao industrial e controle ambiental.
2.4.1 Padro ZigBee
O padro ZigBeefoi desenvolvido a partir do padro IEEE 802.15.4 que define
regras de comunicao divididas em camadas. A figura 2.9 apresenta a arquitetura do
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ZigBee, onde cada camada do padro tem sua funo e interfaces bem definidas e
mostra quais foram definidas pelo padro da IEEE 802.15.4.
Figura 2.9 Camadas de protocolos ZigBee. Fonte: Adaptado de PINHEIRO, 2011.
importante lembrar que os padres IEEE 802.15.4 e ZigBee so diferentes.O padro IEEE 802.15.4 define as regras para as duas camadas inferiores: a camada
fsica PHY (Physical) e de enlace ouMAC (Medium Access Control).
O padro ZigBee, define as duas camadas de nvel superior: a camada de rede
NWK (Network Layer) e a camada de aplicaoAPL (Application Layer), que por sua
vez engloba o Framework da aplicao (Application Framework), de dispositivos
ZigBee ZDO (ZigBee Device Objects) e de suporte a aplicao APS (Application
SubLayer) (BARONTI, 2007).
2.4.2 Camadas 802.15.4 (PHY e MAC)
A camada fsica (PHY) responsvel, por definir caractersticas de hardwares
e comandos eltricos. Sua principal tarefa modificar pacotes de dados digitais em
ondas eletromagnticas que sero transmitidas atravs do ar e vice versa. Dentre as
principais funcionalidades da camada fsica, pode-se citar: a funcionalidade seleo
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de canais, estimativa da qualidade da transmisso, adequao dos dados para enviar
a camada de enlace, entre outros. Para tanto, o padro suporta trs bandas de
frequncia: 2.4 GHz, 915 MHz e 868 MHz. A Tabela 2 mostra as caractersticas
especificadas na camada fsica, como, taxa de transmisso, sensibilidade, nmero de
canais, potencia, alcance e modulao.
Tabela 2 Especificaes da Camada Fsica
2450 MHz 915 MHz 868 MHzMxima taxa de transmisso 250 kbps 40 kbps 20 kbpsSensibilidade na recepo -85 dBm -92 dBm -92 dBm
Nmero de canais 16 10 1
Potncia de sada na transmisso 1 mW (0 dBm)
Alcance na transmisso30100 m 1000 m 1000 m
Latncia15 ms
Modulao O-QPSK BPSK BPSK
Bits por smbolo 4 1 1Fonte: Extrado de RAMOS,2012
A camada MAC responsvel por toda a operao que envolve o canal fsico
de comunicao. Esta camada define o papel de um dispositivo em uma PAN,
associao e desassociao de uma PAN e segurana do dispositivo (RAMOS,2012).
Tambm oferece a funcionalidade de confirmao de comunicao entre ns e alguns
comandos para a formao de redes ponto a ponto e estrela. No entanto essa camada
no possibilita a formao de redes em malha.
2.4.3 Camada de rede (NWK)
A camada de rede (NWK) oferece basicamente dois servios, sendo dados e
gerenciamento. responsvel por garantir transmisses de mltiplos saltos, ou seja,
habilita a funcionalidade de formao de redes em malha (Mesh Networking). Esta
caracterstica inclui controle da distncia em que um frame pode viajar na rede, a
forma de comunicao do frame com outros dispositivos (transmisses em broadcast,
unicastou multicast) determinao de rotas de pacotes, bem como a verificao da
entrega confivel destes pacotes. (BARONTI, 2007).
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2.4.4 Camada de Aplicao (APL)
Essa camada o nvel mais alto do sistema de comunicao. Esta camada esuas subcamadas, so responsveis por filtrar pacotes destinados a ns no
registrados na rede, assim, fornecendo uma confirmao de recebimento do pacote
quando em modo unicast, mantendo as tabelas de endereamento de dispositivos na
PAN e controlando a retransmisso quando no h confirmao de entrega bem
sucedida de um pacote. Tambm so armazenados nesta camada o estado atual do
dispositivo e suas caractersticas de criptografia da PAN, quando configurado.
2.4.5 Formao e Topologias de uma rede ZigBee
A rede de trabalho ZigBee formada quando o coordenador seleciona um canal
de comunicao PAN ID.Aps isso, roteadores e dispositivos finais podem ter acesso
rede formada (RAMOS, 2012). importante lembrar que s h um dispositivo
coordenador numa rede formada, no podendo existir na mesma rede doisdispositivos coordenadores com o mesmo PAN ID.
Para a formao das redes ZigBee possivel utilizar at trs tipos de
dispositivos: ZigBee Coordinator (coordenador), ZigBee Router (Roteador)e ZigBee
End Device (dispositivo Final).
O ZigBee Coordinator o responsvel por formar a rede de trabalho,
selecionando um canal de comunicao e um endereo especifico. Ele permite a
seleo de acesso aos roteadores e dispositivos finais que pretendem juntar-se redede trabalho pr-estabelecida. Esse papel exercido por dispositivos do tipo FFD (Full
Function Device)
O ZigBee Routertem o papel de fazer a ligao entre o dispositivo coordenador
e o dispositivo final, oferecendo um rota de caminhos alternativos para pacotes de
dados, quando um destino possui certas barreiras fsicas, ou troca de informaes
em ambientes diferentes, etc.
O ZigBee End Device, como o prprio nome diz, o dispositivo final da rede,geralmente exercem tarefas reduzidas RFD (Reduced Function Device), sendo
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normalmente relacionado ao envio e recebimento de informaes vindas de
dispositivos FFD. Usualmente encontrado onde esto os sensores ou atuadores.
Como pode-se ver na figura 2.10, estes dispositivos podem formar trs
topologias de rede: estrela, rvore e malha.
Figura 2.10 topologias de rede: estrela, rvore e malha. Fonte: Disponivel em www.zigbee.org.
Na topologia de rede em estrela, o dispositivo coordenador diretamente
conectado aos dispositivos finais, o que sugere que toda a informao que circula na
rede passe por ele.No caso de uma rede em malha, a comunicao deixa de ser centralizada,
podendo cada dispositivo comunicar com qualquer outro que esteja no seu alcance.
Esta uma rede mais confivel pois pode haver a possibilidade de um dispositivo
roteador falhar, e assim o coordenador poder encontrar outro roteador para fechar a
comunicao com o dispositivo final.A rede em rvore, um caso, em que o dispositivo coordenador faz a ligao
entre dispositivos roteadores para ento liga-los entre si. Em outras palavras, a redepode se expandir com a incluso de novos dispositivos roteadores rede.
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2.4.6 Comparao com outras tecnologias
Atualmente, a tecnologia ZigBee tem sido alvo de comparaes com astecnologias Wi-Fi, Bluetooth, entre outras, mas importante mencionar que estas
tecnologias possuem finalidades diferentes e somente com a aplicao final ser
possvel definir qual a tecnologia mais adequada.
Na tabela 3, apresentado uma comparao das principais caractersticas da
tecnologia ZigBee com outras tecnologias de transmisso sem fio, onde so
apresentados as peculiaridades como, padres de comunicao, consumo, topologias
suportadas, frequncias de operao, etc.
Tabela 3 Comparao com outras tecnologias Wireless
ZigBee Bluetooth Wi-Fi
Padro IEE802.15.4 IEEE802.15.1 IEEE802.11b/g
Taxa de
transferncia20-250kbps 1-10Mbps 11-300Mbps
Distncia de
comunicao100 m at 1,4Km 10 m 100 m
Durao da
bateriaMeses at anos Algumas semanas N/A
Tipos de RedeAd-hoc, peer-to-peer, estrela,
malha e arvore
Ad-hoc, peer-to-
peer, redes
pequenas
Ponto para
multi-ponto
Frequncia de
operao
868 MHz, 900-928 MHz e 2,4
GHz2,4 GHz 2,4 GHz e 5 GHz
Dispositivos
por rede65535 8 N/A
Fonte: Extrado de RAMOS,2012
A tecnologia Bluetooth utiliza radiofrequncia para estabelecer a transferncia de
dados e voz entre os dispositivos, dentro de um alcance em torno de 10 metros
(RAMOS, 2012). Os transmissores Bluetooth aproveitam a banda de radiofrequncia
denominada de ISM (Industrial, Scientific and Medical), situada na faixa entre 2,4 GHz
e 2,48 GHz. Os equipamentos operantes nesta banda no dependem de licenas para
operao, mas tambm dividem seu uso com outros dispositivos no compatveis com
a tecnologia Bluetooth.
Bluetooth mais apropriado para aplicaes como:
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Sincronizao de PCs, telefones celulares e PDAs;
Aplicaes de udio como fone sem fio;
Transferncia de arquivos entre PDAs, PCs e Impressoras.
Enquanto ZigBeetem melhor performance em aplicaes:
De Controle;
Rede de Sensores;
Redes com muitos dispositivos;
Com pequenos pacotes de dados;
Um diferena muito relevante entre estes dois padres o consumo de energia.Dispositivos com Bluetooth, geralmente so recarregados periodicamente, como por
exemplo, celulares. Enquanto, os dispositivos do padro ZigBee podem ser
alimentados com pilhas comuns e a expectativa de durao das mesmas de meses
ou at anos.
2.5 Disposit ivoXBee/ZigBee
Dentre os vrios fabricantes integrantes da ZigBee Alliance, a Digi International,
fabricante dos mdulos XBee ZigBee utilizados para este projeto. Na figura 2.11
abaixo possivel visualizar o dispositivo XBeecom antena integrada fabricado pela
Digi.
Figura 2.11 dispositivo Xbee fabricado pela Digi International e uti l izado neste projeto. Fonte:
Disponivel em www.digi.com.
O mdulo XBee pode ser definido como uma plataforma embarcada de
radiofrequncia que utiliza uma mesma configurao fsica de pinos para diferentes
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sries de arquitetura de hardware e software (RAMOS 2012). Os mdulos XBee
devem conter um firmware, cuja seleo depende da aplicao desejada pelo usurio.
Dentre os mdulosXBeefabricados pela Digi, possvel citar o mduloXBee
eXBeePro, cuja potncia e alcance de transmisso so as principais diferenas de
um para o outro. A Tabela 4 mostra as especificaes, como, tenso de operao,
corrente, frequncia de operao, dimenses fsicas do modulo e topologias de rede
suportadas, estas informaes so fornecidos pelo prprio fabricante.
Tabela 4 especificaes dos mdulos XBee e XBee PRO
Xbee XbeePRO
Tenso de alimentao 2.8 - 3.4v 2.8 - 3.4v
Corrente (Transmisso) 40 - 35 mA 295 mA
Corrente (Recebimento) 40 - 38 mA 45 mA
Corrente (Modo Inativo) 15 mA 15 mA
Frequncia de operao 2.4 GHZ 2.4 GHZ
Dimenses 2.438 cm X 2.761 cm 2.438 cm X 3.294 cm
Temperatura de
operaoDe -40 at 85 C De -40 at 85 C
Topologias suportadas
Ponto-a-ponto, ponto-a-
multiponto,
Ponto-a-ponto, ponto-a-
multiponto,peer-to-peer , malha, estrela
e arvore
peer-to-peer , malha, estrela e
arvore
Fonte: Extrado de RAMOS,2012
2.5.1 Modos de Comunicao
Quando se trata de comunicao, os dispositivosXBeepodem operar em duasformas distintas, sendo: Comunicao em modo Transparente e comunicao em
modo API (Application Programmimg Interface).
O modo de transmisso transparente a alternativa padro nos mdulos
XBee. No modo transparente todos os dados que chegam atravs da porta serial so
enviados diretamente para o mdulo de destino. A desvantagem desse tipo de
comunicao que s haver troca de dados entre dois dispositivos, no havendo a
utilizao de outros recursos de comunicao que uma rede ZigBeeem API podeoferecer (RAMOS, 2012). A vantagem deste modo de transmisso a facilidade de
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implementao de uma nova rede ZigBee, pois no h necessidade de adaptao da
aplicao do usurio. Na figura 2.12 pode-se observar um modelo de comunicao
transparente, onde os dados enviados de um microcontrolador chegam exatamente
iguais ao outro microcontrolador.
Figura 2.12 Modo de comunicao Transparente. Fonte: Adaptado de Ramos, 2012, p. 94.
Diferente do modo de comunicao transparente, o modo API (Application
Programming Interface) possui um formato de dados estruturado em frames que
seguem um determinado ordenamento e uma alternativa ao modo de transmisso
padro transparente. O modo API especifica como os mdulos de uma rede XBee
podem interagir com comandos, respostas a comandos e status dos mdulos na rede
pelos quais so enviados e recebidos utilizando uma comunicao serial UART
(Universal Asynchronous Receiver Transmission) (RAMOS, 2012). O modo API
possibilita a manipulao da tabela de roteamento de dados atravs da camada de
aplicao. Atravs do modo API, uma aplicao pode transmitir dados para diferentes
destinos manipulando diretamente o frame que contm os endereos de destino dos
dados, sem ser necessrio entrar no modo de configurao para modificar o endereo
(DIGI, 2007). A desvantagem deste modo a dificuldade de se implementar, j que
necessita que os dados sejam formatados de forma estruturada em frames que
seguem um determinado ordenamento. A figura 2.13 mostra a estrutura geral de um
frame API.
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Figura 2.13 Estrutura do frame API. Fonte:SOCORRO, 2012
2.5.2 Modos de operao
Essa funcionalidade est diretamente ligada ao consumo de energia eltricaque o dispositivo pode despender em seus diferentes modos de trabalho. Os modos
que o padro ZigBeeprope so os seguintes: modo inativo, modo de recepo, modo
de comando, modo Sleep, modo de transmisso e modo ativo.
O modo inativo o momento em que o dispositivo no est recebendo ou
transmitindo dados. Nesse modo o dispositivo est em processo de verificao de
dados vlidos vindos da antena.
O dispositivo sai desse estado com a seguintes condies:
Quando os dados vindos do bufferesto prontos para serem empacotados (modo
de transmisso)
Dados prontos pra transmisso so coletados da antena do dispositivo (modo de
recepo)
Quando a sequncia de dados de comando iniciada (modo de comando)
No modo de recepo, se um dado vlido (ou informao, cujo formatopertence ao padro ZigBee) recebido, o dado transferido para o buffer de
transmisso serial.
Para modificar ou ler os parmetros do mdulo de radiofrequncia, ele deve
ficar no modo de comando. Ao entrar nesse modo, todos os dados recebidos so
interpretados como linha de comando.
O modo sono ou sleep mode, o mdulo de menor consumo de energia,
chegando a consumir alguns micro-ampres. a soluo encontrada para que que o
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padro ZigBee e seus mdulos gastem menos energia da classe de rede curto
alcance.
No modo de transmisso, quando o dispositivo recebe os dados seriais e est
pronto para empacota-los, ele sai do modo inativo e tenta transmitir o dado para o
destino desejado. O endereo de destino do dado determina qual mdulo na rede
receber o dado. O dispositivo assegura-se de que o endereo do mdulo que
recebera os dados e a rota dos dados so previamente conhecidos. Se todos os
requisitos forem satisfeitos, os dados sero transmitidos (RAMOS, 2012).
Quando o dispositivo se prepara para enviar os dados, ele verifica se o
endereo de 16 bits conhecido. Caso seja negativo, o dispositivo entra no estado de
busca do endereo na rede. Se a rota no for conhecida, o mesmo dispositivo entraem estado de busca de rota com a inteno de estabelecer uma ligao entre os
mdulos. Caso o endereo de 16 bits no seja encontrado na rede ou se uma rota de
comunicao no foi estabelecida, o dado ser descartado (RAMOS, 2012).
Quando um dado transmitido de um mdulo para o outro, uma mensagem de
confirmao enviada para o transmissor que o dado foi recebido com sucesso. Caso
essa mensagem no chegue ao mdulo transmissor, o dado ser retransmitido
O modo ativo assim definido quando o dispositivo ZigBeeest no modo derecepo, de comando ou de transmisso.
2.5.3 Transmisso e roteamento de dados
A transmisso de informao no padro ZigBee pode ser feita de modo
Broadcast, Unicast ou Multcast.
A transmisso em Broadcast a forma como a informao enviada para todos
os dispositivos finais da rede PAN. Para que o pacote seja seguramente entregue, o
coordenador, junto com os roteadores, ao receber o comando de transmisso em
broadcast, retransmite trs vezes o pacote desejado aos dispositivos finais da rede
formada.
A transmisso em Unicast o modo como um pacote de informao, originrio
de um mdulo fonte, enviado para um nico destinatrio na rede formada. Quandoum mdulo ZigBee(transmissor) envia um pacote em modo unicastpara um outro
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determinado mdulo (destinatrio), ele inclui o endereo de rede do destinatrio
(endereo de 16 bits). Desta forma, ser feita uma busca pela rede, atravs de uma
transmisso broadscast, pelo endereo de rede solicitado. Ao acha-lo, enviado um
pacote de resposta ao mdulo transmissor e por conseguinte a informao enviada
ao mdulo destinatrio. Quando o endereo de 16 bits no conhecido, o endereo
de 64 bits do destinatrio utilizado. A mesma transmisso broadcast realizada na
rede, porem os dispositivos finais vo comparar se o endereo de 64 bits solicitado
o mesmo que possuem em sua memria. Ao encontrar o mdulo destinatrio, um
pacote de resposta enviado ao mdulo transmissor com o endereo de 16 bits e,
consequentemente, a informao enviada para o mdulo, como pode ser visto na
figura 2.14.
Figura 2.14 Transmissao em Unicast. Fonte: adaptado de FARAHANI, 2008.
No caso da transmisso multicast, a mesma tratada da mesma forma que
unicast, ou seja, possui as mesmas caractersticas. O grande diferencial do multicast
que ele permite uma conexo simultnea com um grande nmero de dispositivos,
como visto na figura 2.15, assim esse modo de transmisso facilita a existncia de
alguma atividade que exija uma aplicao de um para muitos na rede.
Figura 2.15 Transmissao em Multicast. Fonte: Disponivel em www.digi.com.
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2.5.4 Configurao dos mdulos XBee
Para configurar os mdulos XBee necessrio utilizar o software X-CTU,visualizado na figura 2.16,disponibilizado gratuitamente no site http://www.digi.com,
que o responsvel por realizar as configuraes e alteraes de firmware dos
mdulos XBee; um dispositivo de configurao responsvel por gravar as
configuraes, feitas no softwareX-CTU, no mduloXBee, atravs da porta USB ou
RS232 de um computador pessoal.
Figura 2.16 Interface do software X-CTU. Fonte: pr int sc reenda aplicao no sistema
operacional Windows 7.
As configuraes mais destacveis so: Identificao da rede, Identificao do
n; velocidade de comunicao RS232 (bald rate), comportamento dos pinos de I/O,
chave de criptogrfica da rede, papel do dispositivo XBee, modo de comunicao
transparente ou API,entre outros.
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2.5.5 Regulamentao Legal
No Brasil, segundo a agncia reguladora de telecomunicaes, Anatel, no necessrio a autorizao de servios de telecomunicaes e de licena para
funcionamento se o dispositivo se enquadra no Regulamento sobre equipamentos de
radiocomunicao de radiao restrita, aprovado pela resoluo n506/2008. A seo
IX do regulamento determina que equipamentos que operam nas faixas 902-907,5
MHz, 915-928 MHz, 2.400-2.483,5 MHz e 5.725-5.850 MHz devem ter potncia
mxima irradiada E.I.R.P. (Equivalent isotropically radiated power) de at 400 mWe
no tem direito a proteo contra interferncias prejudiciais provenientes de qualqueroutra estao de radiocomunicao (ANATEL, 2008).
Os dispositivos XBeeesto homologados para o funcionamento no Brasil na
faixa de 2.400-2.483,5 MHz, conforme certificado de homologao n1123-08-1209,
conforme possvel verificar no ANEXO 1 deste trabalho.
2.6 Software
Pode-se definir software como sendo um conjunto de instrues que, quando
executadas, produzem a funo e o desempenho desejados, estrutura de dados que
permitam que as informaes relativas ao problema a resolver sejam manipuladas
adequadamente. (PRESSMAN, 1995)
O software a parte programvel de um sistema de informtica. Ele um
elemento central: realiza estruturas complexas e flexveis que trazem funes,utilidade e valor ao sistema. Mas outros componentes so indispensveis: as
plataformas de hardware, os recursos de comunicao de informao, os documentos
de diversas naturezas, as bases de dados e at os procedimentos manuais que se
integram aos automatizados. (FILHO, 2003)
Os softwares podem ser classificados em trs tipos:
Software de Sistema: o conjunto instrues processadas pelo sistema interno de
um computador que possibilita a interao entre o usurio e os perifricos do
computador por meio de uma interface grfica, conhecido como sistema
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operacional, Engloba os controladores de dispositivos (memria, impressora,
teclado e outros).
Software de Programao: o conjunto de ferramentas que permitem ao
programador desenvolver sistemas informticos, geralmente usando linguagens
de programao e um ambiente visual de desenvolvimento integrado.
Software de Aplicao: so programas de computadores que permitem ao usurio
executar uma srie de tarefas especficas em diversas reas de atividade como,
por exemplo, na arquitetura, contabilidade, educao, medicina e outras reas
comerciais, videogames, os sistemas de automao industrial, etc.
2.6.1 Supervisrio VS C#
Em 1999 a Microsoftmotivada pela incompatibilidade dos softwaresantigos
com os novos dispositivos eletrnicos inteligentes, e pela necessidade de um software
de programao que fosse acessvel para qualquer um e disponvel por meio de
praticamente qualquer tipo de dispositivo criou uma equipe liderada por Anders
Hejlsberg, criador do turbo pascal, para criar uma nova e verstil linguagem de
programao, no incio foi criado uma linguagem chamada cool e apenas no ano
seguinte ano 2000 foi renomeada e apresentada na Professional Developers
Conference (PDC) como C# (C Sharp). O C# foi desenvolvido em conjunto com a
plataforma .NET e foi criada especialmente para esta plataforma.
Em sua construo foram reunidas caractersticas de outras linguagens como
VB, C++ e Java, corrigindo defeitos e rompendo limitaes alm de incluir novos
recursos, tornando-a uma linguagem poderosa e atrativa.
Dentre as principais caractersticas da linguagem C# pode se citar:
O C# tem razes em C, C++ e Java, unindo os melhores recursos de cada
linguagem e acrescentando novos recursos prprios.
Ele fornece os recursos que so mais importantes para os programadores, como
programao orientada a objetos, elementos grficos, componentes de interface
com o usurio, tratamento de excees, mltiplas linhas de execuo, multimdia(udio, imagens, animao e vdeo), processamento de arquivos, estruturas de
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dados pr empacotadas, processamento de banco de dados, redes
cliente/servidor com base na Internet e na World Wide Web.
Os programas escritos em C# rodam sob um ambiente gerencivel, onde todo o
controle de memria feito pelo .NET Framework e no diretamente pelo
programador, isto reduz falhas na programao enquanto a alocao e liberao
de um objeto na memria.
2.7 Hardware
o conjunto de componentes eletrnicos, circuitos integrados, placas de
circuitos impressos que se comunicam atravs de barramentos. O hardware do projeto
proposto possui como principais componentes eletrnicos amplificadores
operacionais e um microcontrolador.
2.7.1 Amplificadores operacionais
O amplificador operacional um componente eletrnico capaz de realizar
diversas operaes matemticas como adio, subtrao, diferenciao, integrao,
comparao, dentre outras operaes matemticas, alm de ser capaz tambm de
amplificar o sinal resultante, ou seja, o resultado da operao matemtica
(BOYLESTAD, 2006).
Um amplificador operacional ideal possui as seguintes principaiscaractersticas:
Impedncia de entrada infinita;
Impedncia de sada nula;
Ganho de tenso infinito;
Resposta de frequncia infinita;
Insensibilidade a temperatura.
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Este componente possui basicamente 2 entradas e 1 sada, sendo que para as
entradas uma delas uma entrada inversora e a outra uma entrada no inversora,
conforme demonstrado na figura 2.17.
Figura 2.17 Amplificador operacional. Fonte: WENDLING, 2010.
2.7.2 Tenso de offset
A tenso de offset de um amplificador operacional um erro no sinal resultante
do amplificador, sendo ocasionado pelas diferenas construtivas dos transistores
utilizados na montagem do componente (BOYLESTAD, 2006).
2.7.3 Configuraes do amplificador operacional
Um amplificador operacional pode assumir diversas configuraes diferentes,
que so selecionadas de acordo com a sua aplicao. As principais configuraes que
um amplificador operacional pode assumir so o amplificador inversor, amplificador
no inversor, amplificador seguidor unitrio, amplificador somador, amplificador
somador no inversor, amplificador diferencial ou subtrator, amplificador diferenciador
e o amplificador integrador (BOYLESTAD, 2006).
2.7.4 Amplificador com sinais em corrente alternada
O amplificador operacional configurado para receber sinais em correntealternada (CA) utilizado quando se torna necessrio isolar a componente em
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corrente contnua (CC) de um sinal para que se possa trabalhar apenas com a
componente em CA.
Para se obter tal configurao necessrio adicionar um capacitor em srie
com a entrada do sinal em outro capacitor em srie com a sada do sinal, tal
configurao ser adotada tanto para amplificadores operacionais configurados como
amplificadores inversores como para amplificadores operacionais configurados como
amplificadores no inversores, porm para amplificadores configurados como no
inversores, como a impedncia de entrada ser alta, ser necessrio adicionar um
resistor em paralelo com a entrada inversora (-), para que se possa reduzir esta
impedncia de entrada onde o valor deste resistor pode variar de 10 ka 100 k.
Como figuras 2.18 e 2.19 possvel visualizar a configurao do amplificadoroperacional citado sendo utilizado como amplificador inversor e amplificador no
inversor respectivamente.
Figura 2.18 Amplificador operacional inversor com sinal em corrente alternada.Fonte:
WENDLING, 2010.
Figura 2.19 Amplificador operacional no inversor com sinal em corrente alternada.
Fonte: WENDLING, 2010.
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2.8 Microcontroladores PIC
O micro controlador PIC um circuito integrado produzido pela MicrochipTechnology e que constitudo basicamente de um processador, memria, pinos de
entradas e sadas, sendo que estas podero ser digitais ou analgicas e um programa
utilizado na manipulao das informaes recebidas nas portas de entradas e sadas.
2.8.1 O PIC modelo 16F913
O micro controlador PIC 16F913 um micro controlador que possui como
caractersticas bsicas a alimentao de 2,0 V a 5,5 V em corrente contnua, oscilador
interno de 125 KHz a 8 MHz, memria flash com capacidade de 7 kb, memria
EEPROM com capacidade de 256 bytes, 4 mdulos de comunicao analgica, 3
portas de comunicao I/O sendo 8 bits de interface para cada porta, 2 mdulos
timers, 1 mdulo CCP, 5 mdulos de interrupo e comunicao serial. (datasheet
Microchip Technology, 2007).A figura 2.20 ilustra o PIC modelo 16F913 com suas respectivas portas de
comunicao I/O e demais perifricos.
Figura 2.20 PIC modelo 16F913, Fonte: datasheet Microc hip Technolo gy, 2007.
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3. MATERIAIS E MTODOS
O sistema de monitoramento remoto da frequncia cardaca em ambientes
hospitalares utilizando rede ZigBee apresentado na figura 3.1.
Figura 3.1 Viso geral da rede proposta. Fonte: Elaborado pelo autor.
O sistema composto de uma central de monitoramento com a comunicao
com um computador, e unidades remotas portteis que so responsveis pela
aquisio dos sinais cardacos do paciente e monitoramento da bateria que alimenta
o circuito de aquisio dos sinais e transmisso dos dados atravs de mduloXBee.
Com a aplicao desenvolvida para a central de monitoramento, um operador
poder analisar os dados de diferentes pacientes em tempo real.
O sistema proposto engloba vrias reas de estudo e ferramentas como:
eletrnica embarcada por engenharia de software e rede. Desta forma, para facilitar o
desenvolvimento, dividiu-se o projeto em duas partes: Unidade remota e unidade de
monitoramento e processamento.
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3.1 Unidade Remota
A unidade remota responsvel pela aquisio do sinal dos batimentoscardacos, efetuar as tratativas necessrias e a transmisso dos sinais para a unidade
de monitoramento.
Para realizar esta tarefa o hardware utilizado composto de unidades lgicas
de condicionamento do sinal, microcontrolador com conversor A/D incorporado e
dispositivoXBeepara transmisso de dados sem fio. A Figura 3.2 ilustra, utilizando
diagrama em blocos, o sistema que compem a unidade remota.
Figura 3.2 Viso geral da unidade remota. Fonte: Elaborado pelo autor.
A unidade remota pesa aproximadamente 300g, com as baterias e carregada
facilmente pelo paciente em repouso ou em movimento quando preso ao corpo. A
fixao da unidade ao paciente pode-se realizar utilizando fitas de Velcro, permitindo
desta forma, fcil ajuste a diferentes pacientes.
As sees subsequentes, apresentam os detalhes dos mdulos queconstituem a unidade remota.
3.2 Hardware
O mdulo de aquisio, filtragem e amplificao do sinal PPG constitudo de
um sensor tico, dois conjuntos de filtros passa faixa, cada um contendo um filtro
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passa baixa e um passa alta, e amplificadores operacionais configurados para
operarem como amplificadores no inversores.
3.2.1 Mdulo de aquisio do sinal
O sensor HRM-2511E foi utilizado neste projeto para obter o sinal atravs da
plestismografia, explicada no Capitulo 2. Este sensor fabricado pela Kyoto Electronic
Corporation, China, e opera em modo fotoplestimogrfico utilizando o dedo de uma
pessoa, sendo o mtodo mais comum utilizado nos dias de hoje em hospitais. O corpo
sensor construdo com um material de borracha de silicone flexvel que ajuda a
manter o sensor firmemente ao dedo. Internamente, o sensor constitudo de um
diodo emissor de luz e um fotodetector infravermelhos que esto colocados nos dois
lados opostos e esto um de frente para o outro. A luz captada pelo fotodetector varia
com o fluxo sanguneo resultante do batimento cardaco. O funcionamento do sensor
entendido na Figura 3.3.
Figura 3.3 Funcionamento do sensor de sinais PPG. Fonte: Disponvel em embedded-
lab.com.
Para controlar a sensibilidade do sensor, implementou-se um circuito de
aquisio do sinal, ilustrado na Figura 3.4.
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Figura 3.4: Circuito de aquisio do sinal de BPM. Fonte: Elaborado pelo autor.
O resistor R1 utilizado como limitador de tenso para que seja controlado o
fluxo luminoso do diodo emissor de luz uma vez que uma intensidade de luz muito alta
pode saturar o foto detector e aumentar a susceptibilidade a rudos externos. O
resistor R2 responsvel por limitar a tenso que circular por pelo foto detector. O
foto detector ser responsvel por emitir uma determinada tenso para estgio de
filtrao e amplificao do sinal de acordo com o fluxo luminoso que ele receber do
diodo emissor de luz.
Com o intuito de uma melhor preciso e adaptabilidade ao sensor, adotou-se
resistores variveis (RV1 e RV2) para R1 e R2, onde verificou-se o melhor
desempenho quando utilizado os valores de 330 e 220K, em R1 e R2,
respectivamente.
3.2.2 Mdulo de filtragem e amplificao
O sinal PPG obtido pelo sensor fraco e ruidoso e por este motivo
implementou-se o mdulo de filtragem e amplificao do sinal PPG. A filtragem do
sinal responsvel por evitar que frequncias parasitas passem junto com o sinal dos
batimentos cardacos, uma vez que este prottipo trabalhar com uma faixa de
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frequncia entre 0,72 e 2,34 Hz, que correspondem a uma faixa de batimentos
cardacos de 43 a 140 BPM. Tais frequncias foram determinadas de acordo com a
tabela 1, que se determina o nmero de BPM para cada idade de paciente.
A amplificao do sinal torna-se necessrio pois o nvel de tenso gerado pelo
sensor muito baixa, em torno de 40mV, e por este motivo no poderia ser amostrado
corretamente pelo microcontrolador PIC utilizado.
O processo de filtragem est sendo realizado por dois filtros passa banda, onde
cada um deles composto por um filtro passa alta e um filtro passa baixa. O primeiro
filtro passa banda constitudo pelos componentes C1 e R1 como filtro passa alta e
R2, R3, C2 e U1:A como filtro passa baixa. O segundo filtro passa banda constitudo
pelos componentes C3 e R4 como filtro passa alta e R5, R6, C4 e U1:B como filtropassa baixa. O processo de amplificao est sendo realizado atravs de dois
amplificadores operacionais denominados U1:A e U2:B e seus respectivos
componentes de configurao R2, R3, R5 e R6. A figura 3.5 demonstra o circuito de
filtragem e amplificao do sinal desenvolvido no aplicativo ISIS Proteus.
Figura 3.5 Circuito de filtragem e amplificao do sinal. Fonte: Elaborado pelo autor.
O dimensionamento dos componentes do filtro foi realizado de acordo com as
equao (1) e (2), onde o valor de FC inferior foi determinado de acordo com a
frequncia mnima de trabalho do circuito que 0,72 Hz (43 bpm) e o valor de C1
adotado foi 4,7 F.
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=1
2 R C 0,72 =
1
2 R 4 . 7 x 1 0 1 = 0,72 (2 R 4 . 7 x 1 0 )
R =1
0,72 2 4.7x10 R = R1 = 47,03 K
47 K (1)
Sendo:
FC:Frequncia de corte
R:Valor do resistor
C:Valor do capacitor
O dimensionamento dos componentes do filtro para a FC superior, foideterminado de acordo com a frequncia mxima de trabalho do circuito que 2,34
Hz (140 bpm) onde o valor de C2 foi estimado em 100 nF.
=1
2 R C 2,34 =
1
2 R 1 0 0 x 1 0 1
= 2,34 (2 R 1 0 0 x 1 0 ) R =1
2,34 2 100x10 R = R3
= 680,14 K
680 K (2)
Sendo:
FC:Frequncia de corte
R:Valor do resistor
C:Valor do capacitor
Os amplificadores operacionais so responsveis pela amplificao do sinal e,
por sua vez, tambm sero utilizados como filtros para o sinal. Os amplificadores
operacionais denominados de U1:A e U2:B so amplificadores modelo LM358, que
so alimentados por uma tenso em corrente contnua de 3,3 V e possuem uma
configurao de amplificadores no inversores. Estes amplificadores so
responsveis por receber o sinal dos batimentos cardacos e amplifica-lo para a faixa
de operao no micro controlador.
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Na sada do amplificador operacional U1.B, instalou-se um LED vermelho,
denominado de D3, que deve acender a cada batimento cardaco, e conectou-se ao
micro controlador para a digitalizao do sinal.
Com o intuito de garantir uma tenso mnima de 3 V na porta de entrada do
micro controlador, determinou-se um ganho de 100 para o amplificador. Considerando
que a tenso de alimentao do amplificador operacional de 3,3 V, haver uma
tenso mxima de sada para o amplificador operacional de 3,3 V, porm se o sensor
fornecer uma tenso abaixo de 40 mV em funo de erros de leitura dos batimentos
provenientes de fatores externos como sensor mau encaixado e diferentes dimetros
de dedos, ainda possvel garantir uma tenso mnima de 3 V na porta de entrada do
microcontrolador.
= 1 +
1 0 0 = 1 +
.
1 0 0 1 =
.
99 =
.
R2 =.
R2 = 6,86 K 6,8 K (3)
Sendo:
A:ganho do amplificador operacional
Rf:resistor de realimentao
R4:Resistor de configurao do ganho
Na sada do amplificador operacional U1.B, instalou-se um LED vermelho,
denominado de D3 que deve piscar a cada batimento cardaco, e conectou-se a sada
ao micro controlador para a digitalizao do sinal.
3.2.3 Mdulo de digitalizao do sinal
O mdulo de digitalizao responsvel por receber o sinal dos batimentos
cardacos do mdulo aquisio, filtragem e amplificao, digitaliza-lo, filtra-lo por meio
de um filtro digital, obter o valor dos batimentos cardacos do paciente e por fim envi-
lo ao mdulo de transmisso.
Este mdulo constitudo por um microcontrolador da famlia PIC 16F913,
alimentado por uma tenso de 3,3 volts com oscilador de 4 Mhz. O clockfoi definido
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de acordo com especificaes do projeto e recomendaes do fabricante. Para
interpretar o sinal dos batimentos cardacos foi desenvolvido uma rotina utilizando
uma ferramenta denominada de CCP (Capture, Compare and PWM). A rotina CCP
utilizada para medir o perodo entre cada ciclo cardaco oriunda do sinal PPG.
Uma vez que o sinal de batimentos cardacos no projeto dado em uma faixa
de frequncia entre 0,72 Hz e 2,34 Hz, pode-se obter o nmero de batimentos
cardacos, atravs das equaes (4) e (5). Posteriormente, para simplificar a leitura,
converte-se o valor da frequncia cardaca em Hz (segundos) para BPM (minutos)
utilizando a equao (5).
F =1T
(4)
Sendo:
F:frequncia dos batimentos cardacos
T:perodo da frequncia dos batimentos cardacos
= F x 60 (5)
Sendo:BPM:nmero de batimentos cardacos
F:frequncia dos batimentos cardacos
Conseguinte a etapa de digitalizao do sinal, criou-se a etapa de filtro digital
do sinal. A rotina elaborada analisa e filtra os valores da frequncia cardaca obtidos
em uma amostra dos ltimos nove batimentos. Foi adotado amostra de nove
batimentos para que o filtro execute sua funo antes da rotina de envio explicadadetalhadamente adiante. Primeiramente o filtro ordena, em ordem crescente, os
valores na amostra e determina sua mediana. Em seguida, o filtro substitui os valores
de pico pelos valores da mediana. A Figura 3.6 ilustra o processo realizado pelo filtro
de mediana sobre nove valores. O filtro de mediana foi utilizado devido sua
caracterstica de eliminao de picos de medies oriundos de rudos externo. O
objetivo deste filtro no projeto eliminar valores de batimentos que esto fora do
padro em uma amostra.
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Figura 3.6 Exemplo Processo de Mediana. Fonte: Elaborado pelo autor.
A rotina elaborada para o filtro de mdia, executada aps a rotina de mediana,
faz a mdia sobre os ltimos seis valores e libera os dados para a rotina de envio.
A rotina de envio responsvel por empacotar os dados de forma a serem
interpretados pelo unidade de monitoramento e processamento. Est rotina
executada a cada 10 batimentos cardacos capturados, o que normalmente ocorre
entre 6 e 10 segundos. Essa estratgia foi adotada para economizar energia, j que o
mduloXBeefoi configurado para ser habilitado somente quando necessrio. Essa
rotina tambm utilizada para solicitar o nvel de tenso da bateria para a rotina de
medio de nvel da bateria. Finalmente com os dados referentes ao batimentocardaco e nvel de bateria, a rotina empacota essas informaes e transmite ao
mduloXBee. Na Figura 3.7 est ilustrado o mdulo de digitalizao e filtragem digital
do sinal dos batimentos cardacos.
Figura 3.7 Circuito de digitalizao e filtrao digital. Fonte: Elaborado pelo autor.
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Todos os circuitos empregados neste prottipo so alimentados pela tenso de
3.3V, contudo a bateria que alimenta o prottipo deve ter tenso mnima de 5V e
mxima de 12V, devido as especificaes do regulador de tenso utilizado no projeto.
A rotina de medio do nvel da bateria responsvel por ler, atravs de
conversor analgico-digital e circuito prprio, o nvel de tenso atual da bateria que
alimenta o prottipo.
O circuito utilizado para monitoramento da tenso de bateria baseado em um
divisor de tenso, onde a alimentao do circuito conectado ao terminal positivo da
bateria e a sada do circuito foi ajustada para obter uma tenso mxima de 3,3 V. A
tenso de sada do circuito divisor de tenso ento conectada a entrada analgica
do micro controlador para que se verifique o nvel de tenso e converta a leitura obtidaentre 0 e 3.3V em uma leitura de 5V a 12V. A figura 3.8 mostra o circuito utilizado para
medio do nvel de bateria utilizando o micro controlador PIC.
Figura 3.8 Circuito regulador de tenso. Fonte: Elaborado pelo autor.
Todas as rotinas contidas no micro controlador foram desenvolvidas na
linguagem C, utilizando o compilador CCS.
3.2.4 Montagem do circuito eletrnico
Para a montagem das placas do circuito eletrnico do projeto, primeiramente
foi necessrio desenhar o layoutdo circuito que ficar contido na placa.
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Foi utilizado como base para o circuito eletrnico do projeto, o circuito virtual
desenvolvido no software Proteus para simulao e tambm o mdulo Ares do
software Proteus, dedicado ao desenvolvimento de layouts de placas de circuito
impresso. Com a finalidade de se reduzir as dimenses do circuito, foi dividido o
circuito original em duas placas de circuito impresso, sendo uma placa de alimentao
e transmisso de dados, onde acoplado o mdulo XBee, o regulador de tenso da
bateria e a placa do circuito geral, onde todos os demais itens foram inseridos.
A figura 3.9 ilustra o layoutdo circuito de alimentao e transmisso de dados,
e o circuito geral.
Figura 3.9 layout do circuito das placas desenvolvidas. Fonte: Elaborado pelo autor.
Aps o desenvolvimento do layoutdos circuitos, realizou-se a simulao em 3D
das placas j finalizadas e montadas com o intuito de analisar a disposio de
componentes nas mesmas. A Figura 3.10 ilustra as placas desenvolvidas em software
simuladas em 3D.
Figura 3.10 Simulao 3D dos circuitos desenvolvidos. Fonte: Elaborado pelo autor.
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Projetou-se as placas nas seguintes dimenses: a placa de circuito geral
possui a dimenso de 100 mm de comprimento por 75 mm de altura e a placa de
transmisso e alimentao possui a dimenso de 50 mm de comprimento por 50 mm
de altura.
3.3 Mdulo ZigBee
Basicamente, para o funcionamento do mduloXBee utilizado no prottipo, foi
configurado a conexo de cinco pinos: VCC, GND, SLEEP_RQ, DOUT e DIN. Os
dois ltimos so responsveis pela sada e entrada de dados atravs da UART,
conectada ao micro controlador PIC16F913. O pino SLEEP_RQ utilizado pela rotina
de envio de dados no mdulo de digitalizao do sinal, explicada no Subitem 3.1.1.3.
Esse pino responsvel por economizar a energia utilizada pelo mdulo quando no