Sensores e dispositivos

Sensor de temperatura e humidade

O sensor Sensirion SHT11 permite medir a temperatura e humidade relativa do ar. Este possui internamente dois micro-sensores, um para a temperatura e outro para a humidade relativa, acoplados a um conversor anal´ogico-digital de 14 bits e a um circuito de interface s´erie (I2

C).

A convers˜ao pode ser programada com 8, 12 ou 14 bits, dependendo da resolu¸c˜ao ou velocidade de aquisi¸c˜ao necess´arias. Com ele ´e poss´ıvel efectuar a medi¸c˜ao da humidade relativa entre os 0 e os 100% e da temperatura no intervalo de −40 a 85◦_C.

Na plataforma, o sensor pode ser utilizado de forma a representar um sensor de automa¸c˜ao residencial ou at´e mesmo simular um sensor fisiol´ogico para monitorizar a temperatura corporal. Este foi conectado a um m´odulo ZigBee que realiza a aquisi¸c˜ao dos parˆametros referidos minuto a minuto, e envia essa informa¸c˜ao para o coordenador atrav´es do seu canal de r´adio.

Sensor de fluxo de ´agua

Para detectar o estado do fluxo de ´agua numa divis˜ao ou numa habita¸c˜ao, pode ser instalada na canaliza¸c˜ao um pequeno gerador hidroel´ectrico como ´e ilustrado na Figura 4.3. Este permite converter a energia cin´etica do fluxo de um l´ıquido (normalmente ´agua) em energia el´ectrica. Desta forma, se uma torneira da habita¸c˜ao for aberta, o fluxo de ´agua ao atravessar o pequeno gerador produz uma pequena tens˜ao cont´ınua nos seus terminais, esta tens˜ao ´e suficiente para informar um micro controlador da presen¸ca de fluxo nesse canal.

Figura 4.3– Gerador hidroel´ectrico.

Para tal, conectou-se os terminais do gerador a um conversor anal´ogico-digital (ADC) do m´odulo ZigBee. Este quando detecta uma transi¸c˜ao, de ausˆencia para presen¸ca, de tens˜ao no canal de ADC, envia para o coordenador uma mensagem que informa que o fluxo est´a activo, caso contr´ario envia uma mensagem a informar a ausˆencia de fluxo.

Sensor de press˜ao arterial

Para medir os valores da tens˜ao de um paciente, foi necess´aria a utiliza¸c˜ao de um dis- positivo de medi¸c˜ao de press˜ao arterial. Como referido no cap´ıtulo anterior, existem no mercado solu¸c˜oes de dispositivos deste g´enero com capacidade de transmiss˜ao sem fios, no entanto as solu¸c˜oes encontradas integram tecnologia Bluetooth.

A plataforma realizada utiliza tecnologia ZigBee, raz˜ao pela qual foi necess´ario mo- dificar um dispositivo comum de forma a dar-lhe capacidade de comunica¸c˜ao r´adio dessa tecnologia. O dispositivo utilizado ´e fabricado pela empresa Taurus, o seu mo- delo denomina-se de Tensio Easy, este aparelho pode ser encontrado em qualquer farm´acia ou em locais de venda de produtos electr´onicos do g´enero (Fig. 4.4). Para efectuar as medi¸c˜oes ´e necess´ario acoplar o dispositivo no pulso, este ´e capaz de obter os valores da press˜ao sist´olica, diast´olica e da pulsa¸c˜ao em poucos segundos. Como

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interface com o utilizador, possui um ecr˜a onde os valores obtidos s˜ao apresentados, e um conjunto de quatro bot˜oes que tem como fun¸c˜ao iniciar e parar o dispositivo (Start/Stop) e gerir a sua mem´oria (Mode, Set, Recall ).

Figura 4.4– Dispositivo de monitoriza¸c˜ao de press˜ao arterial acoplado ao m´odulo ZigBee.

Este dispositivo comercial, como descrito, n˜ao possui integrada nenhuma tecnologia de r´adio, por´em a sua adapta¸c˜ao torna-se ainda mais complexa porque n˜ao possui qualquer interface de sa´ıda de dados ou um manual ou esquema do seu hardware. Foi ent˜ao necess´ario desmontar o aparelho para analisar poss´ıveis solu¸c˜oes a fim de obter os valores medidos. No seu interior, foi poss´ıvel encontrar uma EEPROM s´erie (I2

C) Atmel AT24C08AN que sugeriu que os dados medidos seriam a´ı armazenados. Conectaram-se ent˜ao os pinos SCL e SDA da EEPROM ao oscilosc´opio, onde foi poss´ıvel verificar que ap´os a leitura da press˜ao arterial e ao pressionar o bot˜ao Set, este envia um conjunto de dados para a EEPROM. Quando pressionado o bot˜ao

Recall, o microcontrolador do dispositivo envia informa¸c˜ao `a EEPROM ao qual esta

responde um conjunto de dados.

Para interpretar os dados enviados, conectou-se os pinos SCL e SDA da EEPROM ao PICkit Serial Analyzer, que permite de forma simples atrav´es de uma aplica¸c˜ao de computador comunicar com dispositivos s´erie, neste caso, utilizando o protocolo I2

C. Assim, enviou-se um comando de leitura de 8 bytes a partir do endere¸co 10, ao qual se obteu a resposta [01][01][0C][01][10][11][84][55], onde foi poss´ıvel descobrir a

correspondˆencia dos bytes em rela¸c˜ao aos valores de press˜ao arterial apresentados no ecr˜a. O que possibilitou determinar onde e como a EEPROM armazena os dados obtidos ap´os pressionar o bot˜ao Set numa medi¸c˜ao.

Para realizar a tarefa de enviar os dados via r´adio foi necess´ario que o m´odulo

ZigBee comunica-se com a EEPROM do dispositivo. Desta forma a EEPROM ficou

conectada a dois masters, a do dispositivo que tem como fun¸c˜ao armazenar os dados obtidos e o m´odulo ZigBee que ap´os uma grava¸c˜ao, pede `a EEPROM os ´ultimos dados armazenados e transmite-os via r´adio para a esta¸c˜ao base.

Para tal conectou-se os pinos SCL e SDA da EEPROM aos pinos de I2

C do m´odulo

ZigBee, um outro pino conectado foi o do bot˜ao Set (Fig. 4.5).

Figura 4.5 – Liga¸c˜oes realizadas no dispositivo de press˜ao arterial.

O m´odulo, foi programado para que a cada clique no bot˜ao Set este aguarde 200ms e em seguida envie o comando de leitura, descrito acima, de forma a obter a ´ultima informa¸c˜ao armazenada na EEPROM, o delay foi utilizado para evitar o acesso em simultˆaneo dos dois masters. Assim a cada medi¸c˜ao da press˜ao arterial, basta pressionar o bot˜ao Set e este automaticamente transmite os dados da monitoriza¸c˜ao para a esta¸c˜ao base da plataforma.

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Sensor de peso

Foi utilizada uma balan¸ca digital de cozinha Taurus que possibilitou simular uma balan¸ca de medi¸c˜ao de peso corporal. Por´em esta balan¸ca n˜ao possui integrado qualquer tipo de tecnologia de comunica¸c˜ao sem fios. No mercado existe dispon´ıveis balan¸cas digitais com tecnologia Bluetooth no entanto a plataforma foi desenvolvida para utilizar tecnologia ZigBee, o que levou a adaptar uma balan¸ca digital comum.

A sua adapta¸c˜ao passou por desmontar o dispositivo, e atrav´es do aux´ılio de um oscilosc´opio foi poss´ıvel detectar um ponto no seu circuito onde a varia¸c˜ao da sua tens˜ao corresponde `a varia¸c˜ao do peso colocado na balan¸ca, por´em essa varia¸c˜ao n˜ao ´e linear o que obrigou a realizar c´alculos para determinar a sua curva caracter´ıstica.

Figura 4.6– Balan¸ca conectada ao m´odulo ZigBee.

Assim conectou-se esse ponto a uma entrada do ADC do m´odulo ZigBee (Fig. 4.6), desta forma o m´odulo pode detectar os valores de tens˜ao ai presentes e enviar a informa¸c˜ao recolhida para a esta¸c˜ao base.

Sensor de portas

Para detectar o estado de uma porta, aberta ou fechada, utilizou-se o sensor repre- sentado na Figura4.7. Este sensor funciona como um simples interruptor, accionado por magnetismo quando as duas partes se aproximam.

Figura 4.7 – Sensor de abertura de portas.

Esse sinal foi conectado a uma entrada digital de um m´odulo ZigBee, que quando de- tecta uma transi¸c˜ao do estado, envia uma mensagem para o coordenador informando o estado em que a porta se encontra, aberta ou fechada.

Sensor para electrocardiograma

Para registar a actividade el´ectrica superficial gerada pelo cora¸c˜ao, foi utilizado um sensor desenvolvido na Universidade do Minho.

Para o sistema optou-se por realizar a medi¸c˜ao de um ECG de monitoriza¸c˜ao, em que os sinais registados tˆem uma gama de aproximadamente ±2mV e requerem uma largura de banda de [0,5; 40]Hz, o sistema de aquisi¸c˜ao ´e constitu´ıdo pelos seguintes componentes:

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Amplificador de instrumenta¸c˜ao: Amplificador que liga os el´ectrodos ao resto do sistema de aquisi¸c˜ao;

Filtro passa-alto: Filtro activo de segunda ordem utilizado para rejeitar as com- ponentes DC;

Filtro rejeita-banda ou notch: filtro activo de segunda ordem utilizado para eli- minar a interferˆencia de 50Hz proveniente da rede el´ectrica;

Filtro passa-baixo: Filtro activo de segunda ordem que elimina componentes que est˜ao para l´a das componentes espectrais do ECG;

Amplificador n˜ao-inversor: Amplificador utilizado para dar ganho ao sinal pro- veniente do ´ultimo filtro;

Circuito de Driven-right-leg : Circuito utilizado para reduzir a interferˆencia de modo comum evitando principalmente a satura¸c˜ao dos amplificadores.

Na Figura 4.8 apresenta-se o diagrama de blocos do sistema de aquisi¸c˜ao utilizado, quando aplicado `a monitoriza¸c˜ao de ECG.

Figura 4.8– Diagrama de blocos do sistema de aquisi¸c˜ao de ECG.

A Figura 4.9 demonstra o prot´otipo da placa de circuito impresso do sistema, que permite uma f´acil integra¸c˜ao mecˆanica e el´ectrica com o m´odulo de comunica¸c˜oes

ZigBee, que tem como fun¸c˜ao realizar as amostragens da actividade el´ectrica gerada

as mensagens geradas por este sensor possuem cerca de 100 bytes e s˜ao transmitidas de 200 em 200ms.

Figura 4.9– Prot´otipo do m´odulo de instrumenta¸c˜ao, necess´ario para aquisi¸c˜ao de ECG e de oximetria.

Sensor de oximetria

A oximetria ´e um dos sinais que ´e necess´ario monitorizar em alguns tipos de pato- logias, actualmente no mercado existem diversas solu¸c˜oes que permitem medir tal sinal. Essas solu¸c˜oes baseiam-se em dois m´odulos, o m´odulo com os emissores e receptores ´opticos e o m´odulo de instrumenta¸c˜ao que permite realizar a leitura do valor de oximetria.

A solu¸c˜ao adoptada consistiu em utilizar um m´odulo com os sensores ´opticos (at´e porque ´e um m´odulo que j´a est´a homologado) e uma placa para fazer o interface com o sistema de aquisi¸c˜ao relatado anteriormente para a aquisi¸c˜ao de ECG. A Figura4.10 apresenta o prot´otipo utilizado.

Na Figura4.11podemos observar o sistema completo que permite realizar a aquisi¸c˜ao do sinal de oximetria. Este sistema ´e o resultado da jun¸c˜ao do m´odulo comercial com os sensores ´opticos, com o interface especificamente desenvolvido para o efeito e com o interface desenvolvido para a aquisi¸c˜ao do ECG.