MONITORAMENTO REMOTO E EM TEMPO REAL DE SINAIS VITAIS

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1 UNIVERSIDADE POSITIVO NÚCLEO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS CURSO DE ENGENHARIA DA COMPUTAÇÃO Fabio Gustavo Hoffmann Edson Luiz Sieczka Junior MONITORAMENTO REMOTO E EM TEMPO REAL DE SINAIS VITAIS Trabalho de Conclusão de Curso. Prof. Alessandro Brawerman. Orientador Curitiba, dezembro de 2009.

2 UNIVERSIDADE POSITIVO Reitor: Prof. Oriovisto Guimarães Vice-Reitor: Prof. José Pio Martins Pró-Reitoria de Graduação: Prof. Renato Casagrande Diretor do Núcleo de Ciências Exatas e Tecnológicas: Prof. Marcos José Tozzi Coordenador do Curso de Engenharia da Computação: Prof. Edson Pedro Ferlin

3 UNIVERSIDADE POSITIVO NÚCLEO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS ENGENHARIA DA COMPUTAÇÃO MONITORAMENTO REMOTO E EM TEMPO REAL DE SINAIS VITAIS Fabio Gustavo Hoffmann Edson Luiz Sieczka Junior Proposta de Projeto Final de Curso apresentada à disciplina de Projeto Final como requisito parcial à conclusão do Curso de Engenharia da Computação, orientada pelo Prof. Alessandro Brawerman. Curitiba, dezembro de 2009.

4 TERMO DE APROVAÇÃO Fabio Gustavo Hoffmann Edson Luiz Sieczka Junior Monitoramento Remoto e em Tempo Real de Sinais Vitais Monografia aprovada como requisito parcial à conclusão do curso de Engenharia da Computação da Universidade Positivo, pela seguinte banca examinadora: Prof. Alessandro Brawerman (Orientador) Prof. José Carlos Cunha Prof. Amarildo Geraldo Reichel Curitiba, dezembro de 2009

5 AGRADECIMENTOS Agradecemos ao nosso orientador Alessandro Brawerman pela ideia do projeto, por todo seu conhecimento e seu apoio transmitido. Aos nossos pais por nos ensinar a superar as dificuldades e seu apoio incondicional, para nos tornarmos profissionais dignos. Às nossas companheiras por estar presente em todos os momentos, sempre nos apoiando, compreendendo nossa falta e não nos deixando jamais desistir. Obrigado por fazerem parte da nossa vida. Aos meus colegas de aula que ao longo deste curso se desesperaram com tantos trabalhos, nos fizeram rir com tantas piadas contadas, contribuindo de alguma forma para que esse desafio fosse alcançado. A todos os amigos que compreenderam nossa ausência, durante todo este projeto, e àqueles que nos ajudaram. A todos os professores do curso de Engenharia da Computação da Universidade Positivo por nos preparar, ao longo destes cinco anos, não somente para o mundo profissional, mas também para a vida. Obrigada por fazerem parte deste desafio. A Universidade Positivo pela sua infraestrutura digna de um estudante, sendo possível assim se tornar um profissional qualificado para o mercado de trabalho.

6 SUMARIO LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS... 9 LISTA DE FIGURAS RESUMO...13 ABSTRACT INTRODUÇÃO FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA GSM Serviços GSM GPRS Principais vantagens do GPRS Disponibilidade do GPRS Acesso ao serviço GPRS Características principais da rede GPRS Radio-Frequência Frequências Servidor web Características do Servidor web Páginas Dinâmicas e Páginas Estáticas do Servidor web Sistemas web TCP/IP IP TCP Criptografia Microcontrolador PIC TRABAHOS RELACIONADOS... 30

7 3.1 Uma estrutura para a monitoração remota da saúde em tempo real (A Framework for Real-Time Remote Health Care Monitoring) Monitoramento cardíaco remoto em tempo real de pacientes a distancia (Real-time remote monitoring cardiac patients at distance) Monitoramento remoto de eletrocardiograma baseado na Internet (Remote electrocardiogram monitoring based on the internet) Monitoração remota móvel de sinais biológicos (Mobile Remote Monitoring Of Biological Signals) ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA Visão geral Descrição do Objeto do Desenvolvimento Definição do Sistema Descrição das Partes, Componentes e de Relacionamento Cinta de captação Módulo de recepção do sinal de frequência cardíaca Módulo micro-controlado de avaliação da frequência cardíaca e condicionamento do sinal para comunicação Módulo GSM Servidor Alimentação Software Módulo de Avaliação Servidor Diagrama de Caso e Uso Diagrama de Classes Diagrama de Entidade e Relacionamento Banco de Dados IMPLEMENTAÇÃO DO PROJETO Visão geral do equipamento VALIDAÇÃO E TESTES Testes de validação do sistema Testes de performance Tempo de aquisição do batimento cardíaco pelo módulo de recepção Tempo de aquisição do batimento cardíaco pelo servidor TCP... 63

8 6.2.3 Tempo de atualização da página web após o servidor TCP receber os dados Teste de performance do sistema como um todo Testes de interferência CONCLUSÃO REFERÊNCIAS ANEXO A ESPECIFICAÇÕES CHAVE DO MODEM GSM SIM 340 MODEM...Er ro! Indicador não definido. ANEXO B TIPOS DE CODIFICAÇÕES E MÁXIMAS TAXAS DE TRANSFERÊNCIA PELO AR... Erro! Indicador não definido. ANEXO C CUSTOS DO PROJETO... Erro! Indicador não definido. ANEXO D ARTIGO CIENTÍFICO... Erro! Indicador não definido. ANEXO E MANUAL TÉCNICO... Erro! Indicador não definido.

9 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS NCET- Núcleo de Ciências Exatas e Tecnológicas UP Universidade Positivo PIC - Peripherical Interface Controller LCD - Liquid Crystal Display (Display de Cristal Liquido) LC Circuito Indutor e Capacitor RLC - Circuito Resistor, Indutor e Capacitor BAN - General Packet Radio Service GSM - Global System for Mobile Communications VGCS - Voice Group Call Service IP - Internet Protocol EDGE - Enhanced Data rates for GSM Evolution UMTS - Universal Mobile Telecommunications System ETSI - European Telecommunication Standard Institute SMS - Short Message Service VHF - Very High Frequency UHF - Ultra High Frenquency HTML - HyperText Markup Language HTTP - HyperText Transfer Protocol RSS - Really Simple Syndication SIM - Subscriber Identity Module

10 USB - Universal Serial Bus m - mili k - kilo M - mega s - segundos Hz Hertz Ω - Ohn V - Volt

11 LISTA DE FIGURAS Figura 2.1- Fases da tecnologia GSM...19 Figura 2.2- Convergência para o protocolo da Internet (IP)...20 Figura 2.3- Evolução da rede GSM...20 Figura Funcionalidades da tecnologia GPRS...21 Figura 3.1 Interconexão entre os módulos...31 Figura 3.2 Esquemático do funcionamento de um sistema telemedicina...32 Figura 3.3 Diagrama de bloco do sistema...34 Figura 4.1 Diagrama de Blocos do Projeto...36 Figura 4.2 Cinta Cardíaca...37 Figura Modem SIM Figura Diagrama funcional...40 Figura 4.5 Fluxograma do Módulo de Avaliação...41 Figura 4.6 fluxograma do algoritmo do microcontrolador...43 Figura Diagrama de Caso e Uso...45 Figura 4.8 Diagrama de Classes...46 Figura 4.9 Entidades...47 Figura 4.10 Entidades e Relacionamentos...48 Figura Tabelas do Banco de Dados...49 Figura 5.1 Diagrama em blocos da implementação do projeto...50

12 Figura 5.2 Esquemático do circuito de amplificação e filtragem do sinal recebido...52 Figura 5.3 Esquemático da interface do microcontrolador com todos os outros módulos (módulo de entrada, módulo GSM, display LCD)...53 Figura Interface do modem SIM340 com o Chip GSM...54 Figura Interface do modem SIM340 com interface RS Figura 6.1 Circuito do módulo de recepção e módulo micro-controlado montados...58 Figura 6.2 Módulo GSM...59 Figura 6.3 Display LCD controlado pelo microcontrolador...59 Figura 6.4 Dados recebidos pelo servidor TCP...60 Figura 6.5 Visão de acesso do serviço web...61 Figura 6.6 Visão dos pacientes diagnosticados pelo médico...61 Figura 6.7 Tabela dos dados adquiridos pelo módulo remoto...62 Figura 6.8 Gráfico construído a partir dos dados obtidos pelo módulo remoto...62 Figura 6.9 Gráfico do tempo de resposta do módulo micro-controlado até o servidor TCP...63 Figura 6.10 Gráfico do tempo de resposta de atualização da página web...64 Figura 6.11 Gráfico do tempo máximo e mínimo medido referente à quantidade de usuários, a partir da aquisição dos batimentos cardíacos até a atualização da página web...65

13 RESUMO Este projeto descreve o desenvolvimento de um instrumento não invasivo, para a leitura de batimentos cardíacos de um paciente à distância e em tempo real. Os valores obtidos por este equipamento são filtrados e tratados interpretando a frequência cardíaca do paciente, enviando os dados via GSM para um servidor WEB que os disponibiliza na Internet. Este equipamento é composto de uma cinta leitora dos batimentos cardíacos, situada ao peito do paciente, que transmite o sinal via radiofrequência para um módulo próximo a cinta, na qual é feita toda a filtragem desse sinal. A interpretação é feita por um microcontrolador, contido também no módulo que se comunica com o módulo GSM enviando os dados para o servidor WEB. Palavras-Chaves: Batimentos Cardíacos, GSM, Servidor WEB

14 14 REMOTE MONITORING IN REAL TIME OF VITAL SIGNS ABSTRACT This project describes the development of a noninvasive instrument, for remote reading of a patient heartbeat at a distance and in real time. The values obtained by this device are filtered and treated interpreting the patient's heart rate, sending the data with GSM technologies to a web server which provides the data in Internet. This equipment consists of a heartbeat reader belt, located at the patient's chest, that transmits the radio frequency signal to a next module, which is responsible for filtering this signal. The interpretation is made by the microcontroller, contained in module that communicates with the GSM module sending the data to the web server available. Keywords: Heartbeat, GSM, WEB Server

15 15 1 INTRODUÇÃO Exames para analisar os batimentos cardíacos são uma necessidade frequente para pessoas com problemas do coração, níveis de stress altos, entre outros. Atualmente, há várias maneiras de se analisar este, um dos mais comuns é o teste ergométrico, onde são feitos exercícios físicos por um período pré-determinado e, com os dados gerados, é feita uma análise (WASSERMAN et.al., 2005). Um dos grandes problemas e dificuldades desses métodos atuais é a análise dos batimentos cardíacos em um curto período de tempo, exigindo que o paciente esteja na clínica dispondo do tempo necessário para a avaliação, desta forma não é avaliado como esses batimentos reagem ao logo do cotidiano do paciente (WASSERMAN et.al., 2005). Com a necessidade desses exames e vendo que os pacientes cada vez dispõem de menos tempo para efetuá-los, seria de grande importância que cada um pudesse efetuar o exame, contudo, no seu próprio cotidiano (trabalhando, estudando, festejando, dormindo, etc.) e o médico responsável dispor desses resultados pela Internet de onde estiver e em tempo real. O objetivo deste projeto é por meio da tecnologia de transmissão de dados GSM/GPRS, criar um equipamento que ao captar os batimentos cardíacos, filtre, interprete e envie a um servidor TCP onde, ao receber, disponibilize esses dados na Internet, assim possibilitando ao médico, através de um usuário e senha, ver e analisar em tempo real os batimentos cardíacos de todos os seus pacientes. Nos capítulos a seguir será visto a fundamentação teórica, trabalhos relacionados, especificação técnica, validação dos testes e conclusão do o projeto, possibilitando a compreensão dos objetivos, dificuldades, benefícios e resultados.

16 16 No Capítulo 2 são apresentadas todas as tecnologias usadas no projeto, teorias e técnicas utilizadas. No Capítulo 3 são apresentadas pesquisas, artigos científicos e dissertações relacionadas a fim de descrever os projetos focando em objetivos, novidades, vantagens e desvantagens no que se assemelham ao projeto atual. No Capítulo 4 é apresentada a especificação técnica do projeto, levandando dados necessários para o seu desenvolvimento onde, nos Capítulo 5 e 6 é apresentado todo o desenvolvimento e implementação do projeto, descrevendo problemas e dificuldades, detalhando então os testes realizados e resultados obtidos. No Capítulo 7 é apresentado a conclusão obtidas em relação ao objetivo do projeto e resultados alcançados.

17 17 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Neste capítulo descreve-se o funcionamento e o envio de dados via tecnologia GSM e recepção dos batimentos cardíacos. Para melhor entendimento deste assunto, são abordados tópicos sobre GPRS, que está diretamente ligado ao envio de dados para um servidor web via protocolo TCP, rádio frequência e serviços web. 2.1 GSM Segundo Sverzut (2005), o Sistema Global para Comunicações Móveis (Global System for Mobile communications GSM) é uma tecnologia extraordinária, de sucesso e rápida expansão. Há menos de cinco anos havia algumas poucas dezenas de empresas trabalhando com GSM. Em cada uma delas havia poucos especialistas, que traziam o conhecimento dos comitês do Instituto Europeu de Normas de Telecomunicações (European Telecommunication Standard Institute ETSI), os criadores das especificações para o GSM. Atualmente, há centenas de empresas e milhares de especialistas trabalhando com a tecnologia GSM. Antes de 1980, o mercado celular europeu era caracterizado por um grande número de padrões analógicos incompatíveis (tais como TACS Total Access Communication System e NMT - Nordic Mobile Telephone), levando a uma situação em que os serviços eram limitados ao próprio país (SVERZUT, 2005). Portanto, o mesmo autor destaca que com a padronização da tecnologia GSM foi possível ter um fator de escala maior, reduzindo o custo do sistema Serviços GSM Sverzut (2005) destaca que os serviços GSM são desenvolvidos à medida que a demanda por novas aplicações cresce. Basicamente, a tecnologia GSM passou por três fases de evolução, conforme descrito a seguir:

18 18 Fase 1: fase inicial da tecnologia GSM, na qual foram desenvolvidos os seguintes serviços básicos: Telefonia (voz); Chamadas de emergência (911 nos EUA, 112 na Europa); SMS (serviço de mensagens curtas): ponto a ponto e ponto multiponto; Dados assíncronos ( kbps); Dados síncronos ( kbps); Transmissão de pacotes assíncronos. Fase 2: ampliou o número de serviços, tais como: Telesserviços; Voz a meia taxa (half rate); Melhorias no serviço SMS; Serviços de dados; Pacotes com transmissão síncrona e dedicada a taxas entre 2.4 e 14.4 kbps; Serviços adicionais: identificação do número de assinante chamador (A), restrição de chamadas por número, chamada em espera, teleconferência e grupo de usuários (Voice Group Call Service VGCS), entre outros. Fase 2+: fase que introduziu o serviço de dados por pacotes a altas taxas de transmissão (General Packet Radio Service GPRS) na rede GSM. A figura 2.1 ilustra os serviços associados com as respectivas fases.

19 19 Figura 2.1- Fases da tecnologia GSM (SVERZUT, 2005) GPRS Para suportar a evolução tecnológica aliada à demanda por novos serviços e aplicações, a indústria de equipamentos de telecomunicações está trabalhando, fortemente, na convergência tecnológica. Analisando as tendências do mercado, a tecnologia a ser usada nessa convergência tecnológica é o protocolo da Internet (Internet Protocol IP). Conforme ilustrado na figura 2.2 pode-se ver que a quantidade de serviços web por equipamentos móveis está aumentando devido aos avanços de banda larga e altas velocidades (SVERZUT, 2005).

20 20 Figura 2.2- Convergência para o protocolo da Internet (IP) (SVERZUT, 2005). De acordo com Sverzut (2005), visando acompanhar as evoluções tecnológicas, provocadas pelas mudanças nos perfis dos assinantes, estão sendo implementados novos serviços e aplicações nas redes GSM. Atualmente, se encontram em operação os serviços 2.5G GPRS (General Packet Radio Service), 2,75G EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution) e o sistema móvel celular de terceira geração UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), tecnologia WCDMA. A figura 2.3 ilustra todos os recursos associados a cada tecnologia. Figura 2.3- Evolução da rede GSM (SVERZUT, 2005). O GPRS - Serviço de Rádio de Pacote Geral é uma tecnologia que aumenta as taxas de transferência de dados nas redes GSM existentes. Esta permite o transporte de dados por pacotes (comutação por pacotes). Sendo assim, o GPRS oferece uma taxa de

21 21 transferência de dados muito mais elevada que as taxas de transferência das tecnologias anteriores, que usavam comutação por circuito, que eram em torno de 12kbps. Já o GPRS, em situações ideais, pode ultrapassar a marca dos 170kbps. No entanto na prática, essa taxa está em torno dos 40 kbps. Diferente das tecnologias de comutação de circuitos, que é um modo no qual uma conexão (ou circuito) é estabelecida do ponto de origem da transferência de dados ao destino e os recursos da rede são dedicados por toda a duração da chamada, ou até que o usuário interrompa a conexão, no GPRS o serviço é "sempre ativo", ou seja, ele é um modo no qual os recursos somente são atribuídos a um usuário quando for necessário enviar ou receber dados. Assim como ilustrado na figura 2.4, esta técnica permite que vários usuários compartilhem os mesmos recursos, aumentando assim a capacidade da rede e permitindo uma gerência razoavelmente eficiente dos recursos. Isto permite às operadoras de GPRS disponibilizar acesso à Internet móvel em média velocidade e a um custo razoável, pois a cobrança é feita pela quantidade de pacotes de dados transmitidos e não pelo tempo de conexão à rede (RADIODADOS, 2009). Figura Funcionalidades da tecnologia GPRS (RADIODADOS, 2009) Principais vantagens do GPRS De acordo com RADIODADOS (2009), as principais vantagens da tecnologia GPRS são: Utilização de voz e dados no mesmo canal simultaneamente. Ampla cobertura em todas as unidades.

22 22 Acesso imediato e permanente para dados. Para se conectar a rede, utilizando GSM, são necessários de 15 a 30 segundos, sendo que esse tempo é consumido a cada reconexão. Com o GPRS, uma vez estabelecida à conexão, a mesma estará permanentemente ativa. Aumento significativo na velocidade de transmissão de dados (através da rede GSM é possível alcançar uma velocidade máxima de 9,6 kbps; com o GPRS a velocidade varia de 40 kbps até 144 kbps). Utilização de protocolos X.25 e IP amplamente divulgados. Possibilidade de utilização de várias operadoras de telefonia e modelos diferentes celulares/modens, havendo assim uma maior flexibilidade e independência em relação ao mercado. Redução de custos. Com o GSM a tarifa é efetuada por tempo de conexão. Com o GPRS, a tarifa é efetuada com base na quantidade de dados transmitidos. Os celulares/modens utilizados em GPRS podem ser classificados em três tipos diferentes, conforme abaixo: Classe A: Para uso simultâneo de voz e dados. Classe B: Para uso de voz e dados, porém não simultâneo. Classe C: Para uso apenas de dados Disponibilidade do GPRS O GPRS facilita conexões instantâneas, pois a informação pode ser enviada ou recebida imediatamente conforme a necessidade do usuário. Não há necessidade de conexões dial-up através de modens. Algumas vezes, diz-se que os usuários de GPRS estão "sempre conectados". Disponibilidade imediata é uma das vantagens de GPRS (e SMS) quando comparado com CSD (Circuit Switched Data). Alta disponibilidade imediata é uma característica muito importante para aplicações críticas como autorização remota de lançamento em cartões de crédito, quando é inaceitável que o cliente seja mantido em estado de espera por mais de 30 segundos (RADIODADOS, 2009).

23 Acesso ao serviço GPRS Segundo RADIODADOS (2009), para usar GPRS, os usuários precisam especificamente de: Um telefone móvel ou terminal que suporte GPRS; Uma assinatura em uma rede de telefonia móvel que suporte GPRS; Ter o uso de GPRS habilitado. Acesso automático ao GPRS pode ser permitido por algumas operadoras; outras poderão requerer uma opção específica de adesão; Conhecimento de como enviar e receber informações através do GPRS usando seu aparelho telefônico, incluindo configurações de hardware e software, o que cria a necessidade de um serviço de atendimento ao cliente; Um destino para enviar ou um local de onde receber informações através do GPRS. Enquanto que com SMS esse destino ou origem era frequentemente outro telefone móvel, com GPRS é mais provável que se pareça com um endereço Internet, já que GPRS foi projetado para tornar o acesso à Internet totalmente disponível aos usuários móveis desde o início. Desde a disponibilidade do serviço, os usuários do GPRS podem acessar qualquer página da web ou outras aplicações Internet - fornecendo uma massa crítica inicial de uso Características principais da rede GPRS Com o GPRS, a informação é dividida em "pacotes" relacionados entre si antes de ser transmitida e remontada no destinatário. A comutação de pacotes é semelhante a um jogo de quebra-cabeças (puzzle) - a imagem que os quebra-cabeças representa é dividida em pequenas peças pelo fabricante e colocada em um saco plástico. Durante o transporte dos quebra-cabeças entre a fábrica e o comprador, as peças são misturadas. Quando o comprador do jogo retira as peças da embalagem ele as remonta, formando a imagem original. Todas as peças são relacionadas entre si e se encaixam, mas a forma como são transportadas e remontadas varia (RADIODADOS, 2009).

24 Radio-Frequência Ondas de rádio são radiações eletromagnéticas com comprimento de onda maior e frequência menor do que a radiação infravermelha. São usadas para a comunicação em rádios amadores, radiodifusão (rádio e televisão), telefonia móvel. Nesta também estão incluídas as ondas do tipo VHF e UHF. Um dos vários tipos de onda, as ondas hertzianas são popularmente conhecidas como ondas de rádio-frequência ou simplesmente ondas de rádio. Usadas, principalmente, em difusão de rádio, elas estão também presentes na difusão de televisão, em sistemas de comunicação terrestre ou via satélite, radionavegação, radiolocalização e diatermia. Em Física, as ondas hertzianas podem ser definidas, de maneira simples, como radiações eletromagnéticas produzidas por inversões rápidas de corrente em um condutor. Elas são parte das ondas que formam uma onda eletromagnética, juntamente com ondas sonoras, luminosas, de calor, de raios X, entre outros (RADIODADOS, 2009) Frequências A radiodifusão é baseada em uma estação de rádio (transmissor) que transforma voz dos locutores, músicas e outros sons em ondas eletromagnéticas que são enviadas para a atmosfera através de uma antena. O rádio (receptor) é um aparelho que tem a função de receber estas ondas eletromagnéticas, através de sua antena, e transformá-las em sons compreensíveis ao ouvido humano. As ondas hertzianas dividem-se em bandas de rádio que variam entre as frequências de 3 khz (muito baixas) a 300 mil MHz (extremamente altas). Estas bandas são agrupadas e classificadas de acordo com a frequência em que transmitem. As frequências são classificadas em grupos, e estes grupos são comumente chamados por: onda curta, onda média e onda longa. Dentro destes segmentos, encaixam-se estações de radiodifusão, serviços de comunicação aérea, marítima, telegrafia, etc (RADIODADOS, 2009). 2.3 Servidor web Os servidores WEB são responsáveis pelo atendimento dos pedidos de informações oriundos dos navegadores da WEB. Essas informações podem ser um arquivo obtido do disco local do servidor, ou dados gerados por um programa chamado pelo servidor a fim de realizar uma função específica (MURHAMMER et.al., 2000). Ainda os mesmos autores, destacam que há inúmeros servidores web de domínio público disponíveis para uma variedade de plataformas, incluindo a maioria das

25 25 variantes do Unix, bem como para ambientes de computadores pessoais como OS/2 Warp e Windows NT. Alguns servidores de domínio público bem conhecidos são os CERN, NCSA, httpd e Apache Características do Servidor web Os pedidos http que se referem habitualmente a páginas HTML são normalmente feitos através de navegadores de Internet. Todo processo em que o usuário acessa o site hospedado no servidor, consume processamento do mesmo, e também espaço na memória RAM para os programas alocados necessários (YKYU, 2007). O processo se inicia com a conexão entre o computador onde está instalado o servidor web e o computador do cliente; como na web não é possível prever a que hora se dará essa conexão, os servidores web precisam estar disponíveis dia e noite. A partir daí é processado o pedido do cliente, e conforme as restrições de segurança e a existência da informação solicitada, o servidor devolve os dados (MURHAMMER et.al., 2000). Genericamente tudo o que se enquadre no conceito do arquivo pode ser enviado como resultado de um pedido http. Finalmente, os servidores web também podem executar programas e scripts, interagindo com o usuário Páginas Dinâmicas e Páginas Estáticas do Servidor web A origem do conteúdo enviado pelo servidor web numa resposta a um pedido HTTP pode ser: Estática: se vier diretamente de uma pasta já existente no servidor Dinâmica: se for criada dinamicamente por outro programa, script ou API chamado pelo servidor. No caso de uma página dinâmica, o pedido, depois de recebido, é processado pelo servidor web que vai criar dinamicamente o conteúdo que depois será enviado para o cliente. As páginas dinâmicas têm a vantagem de poderem ser programadas, ou seja, usando alguma linguagem de programação (que dependendo do servidor web pode ser php, Java, Perl, Visual Basic.NET, C#, etc), é possível criar programas que são executados

26 no servidor web, eventualmente acessando a bases de dados e cujo resultado é enviado para o browser Sistemas web Atualmente no Brasil e no mundo a Internet cresceu muito em infra-estrutura suportando as mais variadas soluções em sistemas e redes de informação que utilizam a mesma como plataforma de trabalho. Desse modo, tem-se sistemas baseados na web funcionando com uma grande portabilidade, ou seja, podem ser utilizados de qualquer computador com acesso a Internet possuindo vantagens, como manutenção em tempo real, independência de sistema operacional, abrangência mundial (CONECTASUL, 2009). 2.5 TCP/IP TCP/IP é o nome que se dá a toda a família de protocolos utilizados pela Internet. Esta família de protocolos foi desenvolvida pela DARPA (Defense Advanced Research Project Agency) no DoD (Departamento de Defensa dos Estados Unidos). Este conjunto de protocolos foi desenvolvido para permitir aos computadores compartilharem recursos numa rede. Toda a família de protocolos inclue um conjunto de padrões que especificam os detalhes de como comunicar computadores, assim como também convenções para interconectar redes e rotear o tráfego (UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL, 2009). Oficialmente esta família de protocolos é chamada, Protocolo Internet TCP/IP, comumente referenciada só como TCP/IP, devido a seus dois protocolos mais importantes (TCP: Transport Control Protocol e IP: Internet Protocol) (UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL, 2009) IP Segundo a Universidade Federal do Rio Grande do Sul (2009), o protocolo IP define mecanismos de expedição de pacotes sem conexão. IP define três pontos importantes: A unidade básica de dados a ser transferida na Internet. O software de IP executa a função de roteamento, escolhendo um caminho sobre o qual os dados serão enviados.

27 27 Incluir um conjunto de regras que envolvem a idéia da expedição de pacotes não confiáveis. Estas regras indicam como os hosts ou gateways poderiam processar os pacotes; como e quando as mensagens de erros poderiam ser geradas; e as condições em que os pacotes podem ser descartados TCP TCP é um protocolo da camada de transporte. Este é um protocolo orientado a conexão, o que indica que neste nível vão ser solucionados todos os problemas de erros que não forem solucionados no nível IP, dado que este último é um protocolo sem conexão (UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL, 2009). Alguns dos problemas com os que TCP deve tratar são : pacotes perdidos ou destruídos por erros de transmissão. expedição de pacotes fora de ordem ou duplicados. O TCP especifica o formato dos pacotes de dados e de reconhecimentos que dois computadores trocam para realizar uma transferência confiável, assim como os procedimentos que os computadores usam para assegurar que os dados cheguem corretamente (UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL, 2009). Entre estes procedimentos estão: Distinguir entre múltiplos destinos numa máquina determinada. Fazer recuperação de erros, tais como pacotes perdidos ou duplicados. 2.6 Criptografia Um dos principais objetivos da criptografia é garantir o armazenamento e circulação segura de mensagens. Quando se usar o termo remetente, está-se referindo à pessoa que manda uma mensagem para outra, a qual será o destinatário. Na criptografia existem dois tipos de textos (ou mensagens). O primeiro é a mensagem a ser transmitida, na sua forma original. Este chamado de texto puro. O texto puro passa por um processo que se denomina encriptação, e assume uma nova forma. Esta nova forma, chamada de texto cifrado, é a que será transmitida, e que, quando interceptada por um terceiro, deve permanecer ininteligível. Ao receber o texto cifrado, o destinatário usará um processo que se chama desencriptação para recuperar o texto puro. Criptografar ou encriptar é o

28 28 ato de encriptação de uma mensagem e decriptografar ou desencriptar é o ato de desencriptação de uma mensagem. A chave é uma informação que o remetente e o destinatário possuem, e que será usada para criptografar e para decriptografar a mensagem. Nem sempre a chave do remetente será igual à do destinatário, mas estarão sempre relacionadas (CARVALHO, 2001). Ainda o mesmo autor, ressalta que se a criptografia é usada então os dados a serem criptografados deverão transitar por um meio, ou canal, não seguro, que pode ser desde uma carta até a Internet. Uma outra possibilidade é a de os dados terem de ser armazenados em um local onde terceiros possam ter acesso. Neste caso, o meio por onde a mensagem transita é o local e armazenamento. Já foram apresentados dois personagens: o remetente e o destinatário. Existe também um terceiro personagem, além destes: o inimigo. Este ganha acesso ao texto cifrado ou a algum outro tipo de informação, e tentará fazer uma análise criptográfica para tentar recuperar algum tipo de informação a respeito do texto puro (ou o próprio texto puro). O inimigo pode adotar também outros tipos de ataques. A análise criptográfica consiste na utilização de alguma técnica, ou técnicas, para obter informações a partir do texto interceptado. A palavra inimigo está sendo usada para designar o adversário, ou oponente, do remetente e do destinatário. Isto não significa que o inimigo seja necessariamente alguém com motivos torpes. 2.7 Microcontrolador Os microcontroladores são chips inteligentes, que tem um processador, pinos de entradas/saídas e memória. Através da programação dos microcontroladores podemos controlar suas saídas, tendo como referencia as entradas ou um programa interno (MICROCHIP TECHNOLOGY INCORPORATED, 2009). O que diferencia os diversos tipos de microcontroladores, são as quantidades de memória interna (programa e dados), velocidade de processamento, quantidade de pinos de entrada/saída (I/O), alimentação, periféricos, arquitetura e set de instruções PIC O PIC é um circuito integrado produzido pela Microchip Technology Inc. que pertence a categoria dos microcontroladores, ou seja, um componente integrado que em um único dispositivo contem todos os circuitos necessários para realizar um completo

29 29 sistema digital programável (MICROCHIP TECHNOLOGY INCORPORATED, 2001). O PIC pode ser visto externamente como um circuito integrado TTL ou CMOS normal, mas internamente dispõe de todos os dispositivos típicos de um sistema microprocessado, ou seja: Uma CPU (Central Processor Unit ou Unidade de Processamento Central) e sua finalidade é interpretar as instruções de programa; Uma memória PROM (Programmable Read Only Memory ou Memória Programavel Somente para Leitura) na qual ira memorizar de maneira permanente as instruções do programa; Uma memória RAM (Random Access Memory ou Memória de Acesso Aleatório) utilizada para memorizar as variáveis utilizadas pelo programa; Uma serie de LINHAS de I/O (entrada e saída) para controlar dispositivos externos ou receber pulsos de sensores, chaves, etc.; Uma serie de dispositivos auxiliares ao funcionamento, ou seja, gerador de clock, bus, contador, etc. A presença de todos estes dispositivos em um espaço extremamente pequeno, da ao projetista ampla gama de trabalho e enorme vantagem em usar um sistema microprocessado, onde em pouco tempo e com poucos componentes externos podemos fazer o que seria oneroso fazer com circuitos tradicionais. O PIC esta disponível em uma ampla gama de modelos para melhor adaptar-se as exigências de projetos específicos, diferenciando-se pelo numero de linha de I/O e pelo conteúdo do dispositivo. Inicia-se com modelo pequeno identificado pela sigla PIC12Cxx dotado de oito pinos, até chegar a modelos maiores com sigla PIC17Cxx dotados de 40 pinos.

30 30 3 TRABAHOS RELACIONADOS Neste capítulo são vistos projetos relacionados e artigos científicos a fim de discutir e analisar as vantagens e desvantagens deste projeto em relação aos atualmente desenvolvidos. 3.1 Uma estrutura para a monitoração remota da saúde em tempo real (A Framework for Real-Time Remote Health Care Monitoring) Segundo Brawerman, Perreto e Bordginon (2009) destacam que Body Area Network - BAN é uma tecnologia de rede de sensores para monitorar os sinais vitais de uma pessoa. O objetivo principal da tecnologia BAN é fazer com que seja possível o monitoramento remoto. Este trabalho apresenta um quadro de monitoração remota de sinais vitais. O objetivo é usar um dispositivo médico de alta precisão para capturar vários sinais vitais de um indivíduo, por exemplo, a frequência cardíaca, pressão arterial, temperatura, oximetria, entre outros. Conectado a este dispositivo está um pequeno módulo de hardware capaz de transmitir os sinais vitais sem fios a um segundo módulo de hardware, que está diretamente conectado à Internet. A figura 3.1 demonstra o fluxo do dispositivo e seus equipamentos interligados. O segundo módulo codifica e envia as informações para um servidor web, que armazena os resultados e gera relatórios periodicamente, fazendo o possível para acompanhar os sinais vitais de um paciente em tempo real. Como os dados vão para a Internet, há a necessidade de aplicação de segurança de dados, mais precisamente de criptografia. Experimentos práticos são apresentados para demonstrar a viabilidade e desempenho de todo o quadro.

31 31 Figura 3.1 Interconexão entre os módulos (BRAWERMAN; PERRETO; BORDGINON, 2009) O projeto atual foi baseado no projeto descrito neste tópico, tendo apenas como grande diferencial e vantagem de ao invés de precisar um computador próximo para a recepção dos dados antes de serem disponibilizados na Internet, agora é transmitido via GSM para um servidor com acesso a Internet. O projeto em comparação usa, além de um dispositivo contido com o paciente, um dispositivo conectado junto ao computador, já o projeto atual utiliza-se apenas de um dispositivo que está junto ao paciente e a cinta, facilitando o uso do dispositivo para o paciente. 3.2 Monitoramento cardíaco remoto em tempo real de pacientes a distancia (Real-time remote monitoring cardiac patients at distance) Conforme Jasemian, Toft e Arendt-Nielsen (2004), salientam que o sistema consiste em três partes bem definidas, ou seja, uma unidade do paciente, que é provido de um dispositivo de telemetria de ECG e um telefone celular GSM, uma Teleguard Modem Server (TGMS) e uma Estação de Monitorização Teleguard (TMS). A figura 3.2 demonstra o fluxo do dispositivo e seus equipamentos interligados. O sistema utiliza tecnologia GSM como rede pública de comunicações móveis.

32 32 Figura 3.2 Esquemático do funcionamento de um sistema telemedicina (JASEMIAN, TOFT, ARENDT-NIELSEN, 2004) O objetivo é criar um sistema que monitore remotamente pacientes com aneurisma cardíaco ou outros problemas cardíacos que já foram dispensados do hospital, porém, tem a necessidade de ser monitorado mesmo à distância. O projeto abordado se assemelha com o projeto atual em vários pontos, sendo os principais: monitoramento remoto de batimentos cardíacos e uso da tecnologia GSM. Como vantagem do projeto atual ele tem um dispositivo de telemetria de ECG, tendo leitura mais detalhada dos batimentos cardíacos, porém, sua desvantagem é que se torna mais difícil e desconfortável de um usuário colocar sobre seu corpo. 3.3 Monitoramento remoto de eletrocardiograma baseado na Internet (Remote electrocardiogram monitoring based on the internet) Alajel et.al. (2005) ressaltam que a telemedicina está produzindo um grande impacto no acompanhamento de pacientes localizados fora das clínicas em ambientes como casas, bases militares, navios e etc. Um número de aplicações, que vão desde a coleta dos dados, a vigilância do doente crônico, e mesmo para o controle dos procedimentos terapêuticos, estão sendo implementados em muitas partes do mundo. Como parte desta tendência crescente, neste trabalho, é apresentado um serviço através do World Wide Web (WWW) de monitoramento remoto em tempo real de pacientes, que permite aos médicos acompanhar seu paciente em locais remotos usando o navegador da web. O sistema protótipo é composto de aquisição de dados e módulo de pré-processamento

33 33 conectado ao computador como um site remoto através da sua porta RS-232. Dois computadores pessoais equipados com rede e cartões de analógico para digital, e módulos de software para lidar com protocolos de comunicação aquisição de dados entre o módulo e o computador pessoal. O objetivo do sistema é a prestação da extensão do acompanhamento dos pacientes sob terapêutica medicamentosa após infarto, coleta de dados, em alguns casos particulares, consulta à distância, e de baixo custo para o monitoramento de ECG para os idosos. O projeto descrito neste módulo se assemelha muito com o projeto atual pelo fato de disponibilizar na Internet os dados do paciente para o médico responsável, porém, como desvantagens o paciente não poderá sair de sua casa por precisar necessariamente de um computador em sua casa e por se tratar de interface RS-232 entre o dispositivo e o computador, sendo esta uma tecnologia defasada. Os computadores atuais não vem mais com essa interface disponível. 3.4 Monitoração remota móvel de sinais biológicos (Mobile Remote Monitoring Of Biological Signals) Rocha et. al. (2009) destacam que a proposta de sua pesquisa é o desenvolvimento de um sistema de telemedicina, que é capaz de fazer monitoramento remoto e digitalização dos sinais biológicos dos pacientes. Ele inclui um dispositivo móvel que transmite o eletroencefalograma (EEG) e eletrocardiograma (ECG) do paciente para um acompanhamento médico utilizando a comunicação sem fio, permitindo mobilidade ao paciente em hospital ou em sua rotina diária. O projeto usa como meio de comunicação entre o dispositivo móvel e o servidor rede sem fio, infravermelho e bluetouth. A figura 3.3 mostra o diagrama de blocos do projeto em comparação, demonstrando a conexão entre os dispositivos de comunicação.

34 34 Figura 3.3 Diagrama de bloco do sistema (ROCHA et.al, 2009) No caso deste projeto em comparação, tem-se como semelhança o monitoramento remoto do paciente, tendo como desvantagem do projeto atual a dificuldade em necessitar de um servidor próximo que receba o sinal do módulo móvel, porém, como é um dispositivo que pode captar sinais de EEG e ECG, abrangendo uma gama maior de dados do paciente, se torna mais eficiente no diagnóstico do paciente, algo que futuramente também poderá ser implementado no projeto atual.

35 35 4 ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA Nesse tópico são descritas todas as funcionalidades (hardware e software), descrição técnica e fases do projeto. Com isso é possível a análise como um todo do projeto assim como montagem, custos e tempo investido. 4.1 Visão geral Através deste tópico é descrito de uma forma geral o funcionamento e aspectos principais do projeto Descrição do Objeto do Desenvolvimento Com um sistema já desenvolvido de captação de sinais vitais, o projeto tem por objetivo usar a tecnologia GSM para, ao captar os batimentos cardíacos de um paciente, calcular sua frequência cardíaca, enviando a um servidor e disponibilizando na rede mundial computadores (Internet), podendo o médico responsável monitorar esses sinais em tempo real, e caso tenha alguma informação de urgência enviar diretamente uma mensagem eletrônica (SMS) ao responsável médico do paciente. Operacionalmente este projeto capta por meio de eletrodos posicionados em uma cinta (fixada abaixo do peito do indivíduo), os sinais de frequência cardíaca do paciente e transmite através de um circuito RLC (Resistor, Indutor e Capacitor) na forma de trem de pulsos. Este sinal é captado por um circuito que também se localiza junto ao paciente próximo a cinta, este circuito condiciona o sinal de forma a gerar um sinal de onda quadrada através de um algoritmo embarcado. Mede-se o tempo entre um pulso do sinal e outro subsequente, possibilitando, desta maneira, o cálculo da frequência cardíaca do paciente em questão. Esta informação é inserida em um sistema micro-controlado embarcado, que faz a análise de situações de emergência e condiciona o sinal para que o mesmo seja enviado a um modem GSM operando na faixa de 1900MHz. Este é o dispositivo responsável pela transmissão do sinal para disponibilização em uma página na Internet e envio de mensagens eletrônicas.

36 36 Esta informação depois de recebida fica disponível em um endereço na web com segurança de acesso, com constantes atualizações possibilitando a qualquer especialista, a avaliação em tempo real de possíveis patologias que causam variações anormais no comportamento cardíaco Definição do Sistema O objetivo do sistema é proporcionar uma real monitoração de pacientes com problemas cardíacos, diminuindo a necessidade deslocamentos e agendamentos para consultas, provendo um diagnóstico em tempo real 24 horas por dia com a possibilidade de armazenamento das informações em períodos pré-determinados Descrição das Partes, Componentes e de Relacionamento O projeto consiste dos módulos: Cinta de Captação, Módulo de Recepção, Módulo de Avaliação, Módulo GSM, Servidor TCP e Serviço Web. Após a compreensão destes, é possível o entendimento do funcionamento total do sistema assim como todas as tecnologias e artifícios usados. Na figura 4.1 pode ser visto o diagrama de blocos do projeto, com a conexão de todos os módulos descritos nos sub-tópicos a seguir. Figura 4.1 Diagrama de Blocos do Projeto

37 Cinta de captação Para a captação da frequência cardíaca é utilizada uma cinta leitora de batimentos cardíacos, que fica situada abaixo do peito do paciente. Para o um bom funcionamento do projeto foi utilizada a cinta T31 do fabricante POLAR (vide figura 4.2), que emite os batimentos por rádio frequência a uma frequência de 5kHz. Este equipamento foi desenvolvido para durar até 2500 horas com medição exata. Figura 4.2 Cinta Cardíaca (POLAR, 2009) Módulo de recepção do sinal de frequência cardíaca O circuito tanque digital, é o módulo responsável pela captação do sinal eletromagnético. Ele é composto por um capacitor de 250uF em paralelo a um indutor de 4mH, que através da equação de circuitos LC obtém-se a frequência de captura de 5035,47Hz, próximo à harmônica de maior amplitude de emissão da cinta de captação que opera a 5kHz. Depois de recebido, este sinal é injetado em dois módulos de ganho, compostos pelo amplificador operacional LM324 operando em alimentação simples de 12V. O primeiro estágio de amplificação está implementado em modo não inversor e com ganho fixo em 1001V/V, e o segundo estágio de amplificação, também é implementado com o mesmo amplificador operacional e com uma configuração não inversora com ganho ajustável de V/V podendo assim ter um ajuste fino de acordo com a necessidade. O alto ganho aplicado ao sinal gera ruídos de alta frequência, que são eliminados por um filtro ativo de segunda ordem projetado com amplificador operacional LM324 com alimentação simples. Este, por usa vez, elimina os sinais de alta frequência. Saindo do filtro, o sinal passa por um comparador de nível ajustado para disparo a 1,2V onde não existem ruídos de baixa frequência nesta amplitude. O sinal de saída

38 deste estágio de ganho e filtragem é uma onda quadrada, que quando está recebendo o trem de pulso de 5kHz, se mantêm em uma amplitude de 10,8V e quando não tem excitação, apresenta 0V na saída. Como a entrada do micro controlador é de padrão TTL, o sinal de saída do módulo de entrada não pode ser injetado diretamente devido aos níveis de tensão serem maior que 5V. Sendo assim, um acoplador óptico é inserido como interface entre o circuito para o microcontrolador Módulo micro-controlado de avaliação da frequência cardíaca e condicionamento do sinal para comunicação Este módulo é responsável por receber os sinais dos batimentos cardíacos na entrada do microcontrolador, interpretando-os e formatando-os para serem enviados, via RS- 232 para o modem GSM onde serão então, interpretado pelo servidor e disponibilizado na Internet. Além destes recursos, ele é responsável por controlar um display LCD a fim de o usuário ter uma visualização sobre o que o dispositivo está fazendo. O circuito digital de processamento do sinal e regras de comunicação serial com o modem GSM baseia-se em um microcontrolador da família PIC modelo PIC16F877A (MICROCHIP TECHNOLOGY INCORPORATED, 2001), o qual, através de uma interface de desenvolvimento, a aplicação de baixo nível foi desenvolvida em ANSI C. Este firmware é gravado neste microcontrolador e iniciado automaticamente sempre que o dispositivo é iniciado. O circuito desenvolvido para o PIC opera na frequência de 20MHz, e alimentação padrão TTL de 5V. O sinal de entrada vindo do acoplador óptico é inserido em um pino de interrupção, que por sua vez, ao receber um nível lógico alto inicia o algoritmo de cálculo da frequência cardíaca baseado na razão de pulsos de entrada em função de uma fração de tempo dada em minutos, assim o equipamento calcula uma frequência cardíaca média que é atualizada a cada oito batimentos cardíacos. Além da entrada do sinal e do cálculo da informação desejada, este módulo é responsável pela interface serial de comunicação com o modem GSM. Para o microcontrolador conseguir se comunicar pelo padrão serial RS-232 foi utilizado o componente MAX232, que faz a mediação desse sinal. Esta interface contém pinos de controle, ativados pela aplicação que os habilita quando a informação está pronta para ser enviada. O PIC faz a chamada de inicialização do modem (parâmetros de comunicação serial padrão RS232), inicia os códigos de configuração (melhor 38

39 39 detalhados no Tópico ), se comunica com o servidor a fim de fechar uma conexão e adquirir uma porta de comunicação, fazendo então, o empacotamento TCP por GPRS. Outra função controlada por este módulo é o controle da interface LCD, que disponibiliza a informação enviada para que o indivíduo avaliado, possa acompanhar a informação enviada e durante o processo de inicialização do dispositivo são apresentados às informações sobre a inicialização e conexão com o servidor, sendo assim possível, avaliar se o módulo está comunicando normalmente com o servidor hospedeiro Módulo GSM O módulo de comunicação adotado no projeto foi desenvolvido totalmente separado do circuito de aquisição e processamento, visando à possibilidade de se conectar qualquer dispositivo com entrada padrão RS232, fornecendo maior flexibilidade na utilização do produto. O modem GSM adotado é de modelo SIM340 (vide figura 4.3), utilizado em larga escala no mercado e com muito material de desenvolvimento disponível, o circuito desenhado para a utilização deste modem possui duas entradas para chips SIM possibilitando uma maior garantia de entrega da informação, diversificando a operadora escolhida. Na figura 4.4 mostra-se o diagrama funcional do modem escolhido. Note que o diagrama funcional mostra que o modem possui além das interfaces usadas para o projeto como alimentação, leitura do chip SIM, oferece funções normais de um celular como áudio, LCD e interface com memória flash, sendo de grande aproveitamento para futuras atualizações do projeto.

40 40 Figura Modem SIM340 (SIMCom, 2008) Figura Diagrama funcional (SIMCom, 2008) Servidor O Servidor é o ultimo módulo onde, desta vez, o médico terá os acessos de seus pacientes de uma maneira gráfica e em tempo real. Ele é composto de duas diferentes partes, descritas neste tópico.

41 41 Para a comunicação entre o GPRS foi criado um servidor que conseguisse se comunicar por protocolo TCP, o mesmo protocolo que a tecnologia GPRS e o modem SIM340 dispõe. O primeiro passo desse servidor é estabelecer uma comunicação com o modem GSM. Quando o modem GSM tenta estabelecer essa comunicação com o servidor, é enviado automaticamente um ID do modem, vinculado a um paciente e um médico. Após essa comunicação ser aberta, o modem GSM envia a frequência cardíaca calculada pelo microcontrolador (ver Tópico ) de tempos em tempos, onde é gravado no banco de dados. A segunda parte desse módulo é a página web, onde o médico possui um usuário e senha no sistema, podendo entrar e visualizar os dados de seus pacientes. Esta página poderá mostrar os dados em forma de tabela e ou, em forma de gráfico, podendo o médico escolher dependendo da sua preferência Alimentação Para ter uma alimentação adequada do sistema, foi pesquisada alguma tecnologia de bateria ou pilha de 12V que fosse pequena, leve e com grande potencial de carga. Por esse motivo foram utilizadas quatro pilhas de lítio em série com 3,3V, tendo uma carga máxima de 12Ah, somando um total de 13,2V de tensão máxima Software O software do projeto é dividido em três partes assim demonstrado na figura 4.5, sendo elas: módulo micro-controlado de avaliação, servidor e a página web. Cada um destes módulos é detalhado nos sub-tópicos seguintes.

42 42 Figura 4.5 Fluxograma do Módulo de Avaliação Módulo de Avaliação O software do módulo de avaliação, conforme comentado no tópico , foi programado com a linguagem de microcontroladores ANSI C. A figura 4.6 demonstra como ocorre o fluxo de informações pelo microcontrolador, que tem o objetivo primeiramente de abrir conexão com entre o módulo GSM e o servidor TCP, em seguida coletar os sinais da cinta filtrados e modulados, calculando a média da frequência cardíaca a cada oito batimentos, analisado se está a baixo de 40 batimentos por segundo, assim encriptando os dados enviado-os pelo módulo GSM para o servidor.

43 43 Figura 4.6 fluxograma do algoritmo do microcontrolador Quando é inicializado o sistema, esse módulo executa algumas configurações do modem GSM e se conecta ao servidor. Estas configurações têm o objetivo de preparar o modem para enviar mensagens, como código de SMS da operadora, usuário e senha da tecnologia GPRS da operadora e tipo de protocolo a ser usado junto com o servidor, onde, no projeto foi utilizado TCP. Após as configurações gerais do modem e conexão com o Servidor vem o processo de leitura dos batimentos cardíacos do paciente. Estes batimentos cardíacos entram na porta de interrupção do microcontrolador (pino 33, vide figura 5.3), onde é começada a contagem entre um pulso e outro, somado à média entre oito intervalos. O cálculo referente entre a média dos batimentos para saber a frequência cardíaca exata é feito da seguinte maneira:

44 44 Tendo a frequência cardíaca e o modem configurado, o microcontrolador tem, por sua vez, a tarefa de encaminhar esses dados para o servidor, disponibilizando também os valores no display LCD para consulta local do usuário Servidor O servidor é responsável por receber os dados enviados do Módulo de Avaliação pelo Módulo GSM, armazenar e disponibilizar em tempo real para que o sistema web possa disponibilizar na Internet de uma maneira gráfica para o médico responsável. Pelo fato do Módulo de Avaliação enviar os dados criptografados o servidor também é responsável em decriptografá-los antes de armazená-los. Ele é uma aplicação JAVA e recebe os dados por protocolo TCP. Para se ter um software mais estruturado e organizado, foi montada toda à parte de documentação do software, como diagrama de caso de uso, diagrama de classes e diagrama de entidade e relacionamento. Esses diagramas são mais detalhados nos subtópicos seguintes Diagrama de Caso e Uso O diagrama de caso, ilustrado na figura 4.7, do serviço web mostra todas as funcionalidades do servidor, seus respectivos relacionamentos e interação de todos os métodos contidos no software. Com este, é possível ver a interação que cada usuário ou objeto tem com as funções do sistema.

45 45 Figura Diagrama de Caso e Uso Diagrama de Classes Como o software do servidor dispõe da tecnologia Java, o qual é uma linguagem orientada a objeto, foi criado o diagrama de classes para se ter uma ampla visualização da arquitetura do software. A figura 4.8 mostra a interação entre as classes, as quais são: Patient, UserGeneral, Medic, GSM e Main. A classe Medic e Patient são favorecidas ao cadastro do médico e o paciente, porém, todos os dados em comum entre elas como ID, nome, telefone, etc, estão contidas na classe UserGeneral. Como cada equipamento (implementado neste projeto) capta a frequência cardíaca de apenas um paciente por vez, a classe GSM se refere a cada equipamento cadastrado no sistema, vinculado diretamente a apenas um paciente. Por se tratar de um sistema com usuário e senha, a classe Main, onde estão as funções principais do sistema, necessita da existência de um médico cadastrado no sistema, sendo então, esta vinculada à classe Medic.

46 46 Figura 4.8 Diagrama de Classes Diagrama de Entidade e Relacionamento O diagrama de entidade e relacionamento mostra em blocos todo o relacionamento entre as classes do software do servidor. Nas figuras 4.9 e 4.10 é possível observar de uma maneira gráfica como funciona a comunicação entre as classes.

47 47 Figura 4.9 Entidades A figura 4.9 mostra os atributos de cada entidade, onde, estas entidades são relacionadas conforme a figura Estas demonstram seus relacionamentos e limitações pelo software. Cada usuário (UserGeneral) é um médico (Médic) ou um paciente (Patient), onde um médico pode ter vários pacientes e vice-versa. Cada paciente pode ter apenas um dispositivo (projeto desenvolvido, entidade GSM), porém o mesmo dispositivo pode ser cadastrado para vários médicos.

48 48 Figura 4.10 Entidades e Relacionamentos Banco de Dados O banco de dados do servidor é responsável por armazenar todos os sinais vitais dos pacientes, incluindo os dados de cadastro dos pacientes e dos médicos (usuário e senha). Na figura 4.11 mostra-se as tabelas do banco de dados necessárias para gravação e consulta dos dados desejados. O banco de dados do sistema se assemelha muito as classes dos sistema, assim como suas entidades e relacionamentos. Analisando pela figura pode-se verificar que cada usuário (tabela UserRandom) é um Paciente (tabela Patient) ou um Médico (tabela Medic), onde um médico pode ter vários pacientes (tabela Medic_has_Patients) e o paciente pode ter vários médicos. Como cada paciente cadastra vários batimentos cardíacos entre um determinado tempo à tabela do banco de dados VitalSignal grava os mesmos, portanto, um paciente pode ter vários dados na tabela VitalSignal, porém, o mesmo pertence a apenas um paciente.

49 Figura Tabelas do Banco de Dados 49

50 50 5 IMPLEMENTAÇÃO DO PROJETO Neste capítulo explica-se como foi implementado o equipamento mostrando os esquemáticos do hardware e falando um pouco sobre seu firmware e software. 5.1 Visão geral do equipamento Através deste tópico é descrita toda a implementação do projeto conforme do diagrama em blocos contido na figura 5.1. Este, ilustra todos os módulos implementados e qual caminho que percorre os dados no sistema. Figura 5.1 Diagrama em blocos da implementação do projeto. O receptor RF ilustrado na figura 5.1, recebe os sinais RF emitidos pela cinta de batimentos cardíacos a uma frequência calculada de 5kHz em forma de trem de pulsos (onda quadrada). Para cada pulso emitido pela cinta foi analisado que, este fica em nível lógico alto por 15ms não prejudicando na leitura do microcontrolador descritos ainda neste tópico. Para a leitura desses sinais, foi calculado um circuito LC pela fórmula: 1 / (2π LC) obtendo-se um valor de 5035,47Hz.

51 51 A partir dos sinais captados pelo circuito tanque LC (receptor RF), este injeta o sinal em um circuito de ganho e filtragem para o condicionamento do sinal possibilitando a leitura por um micro controlador. Como o sinal recebido pelo circuito tanque LC é muito baixo, na ordem de mais ou menos 5mV, foram calculados dois amplificadores operacionais não inversores. O primeiro amplificador foi calculado com um ganho fixo de 1001V/V e o segundo amplificador com um ganho variável entre 1V/V e 1001V/V. O ganho variável do segundo amplificador é variável para um melhor ajuste do sinal conforme os componentes utilizados. Após o sinal amplificado foi analisado que o sinal ainda continha vários ruídos, porém com amplitudes muito baixas. Através desses dados, viu-se que todo o sinal recebido pela cinta e amplificado passava de 1,2 volts e os demais ruídos não, por esse motivo foi utilizado um comparador de nível disparando a partir de 1,2V. Para os dois amplificadores não inversores e o comparador de nível foi utilizado o componente LM324, por ser um componente de baixo custo integrado de três amplificadores operacionais no mesmo componente. Por o componente LM324 se tratar de um componente de baixo custo, tem algumas características as quais deixam a desejar para um bom funcionamento do projeto. Os amplificadores contidos neste, tem uma impedância de entrada muito baixa em relação a uns melhores existentes no mercado. Por esse motivo, o amplificador elimina o sinal a uma distância de 13cm, não conseguindo então, ler o sinal emitido da cinta a partir desta distância. Com um amplificador com um componente de maior impedância de entrada estimasse uma distância máxima de leitura de 90cm. Analisou-se que em uma placa de circuito impresso, o oscilador de 20MHz do microcontrolador pode gerar ruídos, por esse motivo, colocou-se um acoplador ótico na saída do comparador de nível alimentando todo o circuito já descrito com 12V. O componente utilizado foi 4N25 (FAIRCHILD SEMICONDUCTOR CORPORATION, 2002), onde, na entrada de excitação do LED o sinal de 10,8V é aplicado sobre um resistor de 680kΩ gerando uma corrente suficiente para saturar o transistor bipolar o qual é alimentado com 5V no coletor, assim se adequando ao nível de tensão do micro controlador, também estabelecendo um isolamento elétrico entre o módulo microcontrolado e o circuito tanque. A figura 5.2 apresenta o circuito de ganho e

52 52 amplificação, comparador de nível e foto-acoplador, onde temos no primeiro amplificador operacional começando da esquerda um amplificador de 1001V/V, o segundo um amplificador com ajuste variável de 1V/V até 1001V/V e o terceiro amplificador um comparador de nível com disparo em 1,2V. Figura 5.2 Esquemático do circuito de amplificação e filtragem do sinal recebido O sinal da saída do acoplador ótico vai diretamente para o pino 33 do microcontrolador (vide figura 5.3), que é um pino de interrupção conseguindo calcular o tempo entre um pulso e outro. Esse calculo se dá por: Se: ((frequência/ciclos de clock)/divisor)*bits do timer=tempo da interrupção Portanto: ((20MHz/4)/256)*256(8bits)=13ms Tempo de interrupção = 13ms O algoritmo pega o total de interrupções contadas entre o intervalo dos oito batimentos, calculando quantos batimentos por minutos que o paciente teve no intervalo de dois batimentos se dá por: Frequência cardíaca = (1 /(quantidade de interrupções* 0.013)) * 60

53 53 A figura 5.3 apresenta as ligações e interfaces do circuito micro-controlado, onde temos a saída do acoplador ótico na porta 33 do microcontrolador (porta de interrupção), saída serial do microcontrolador para o MAX232 que faz a comunicação com o modem e imprimindo seus dados pelo display LCD. Figura 5.3 Esquemático da interface do microcontrolador com todos os outros módulos (módulo de entrada, módulo GSM, display LCD) A partir do microcontrolador é controlado o modem GSM através da porta serial. A entrada de dados e negociação serial é feita através de uma entrada padrão DB9 que respeita o padrão definido para utilização universal desta tecnologia, aceita alimentação de entrada entre 9V a 18V englobando assim um grande número de fontes de

54 54 alimentação ou baterias disponíveis no mercado, possui uma saída para acoplamento de antena de ganho de sinal utilizada em regiões onde o sinal GSM tem pouca potência. O modem SIM340, utilizado no projeto, também opera nas quatro bandas de frequências disponíveis para esta tecnologia, podendo assim aceitar chips de todas as operadoras locais. A figura 5.4 e a figura 5.5 apresentam a interface com chip GSM e RS-232. Note que na figura 5.4 pode-se ver a conexão dos pinos de alimentação do chip SIM, o chip também possui um porta chamada presence (porta oito), que tem como função, mostrar ao modem GSM que contém um chip SIM conectado a ele e como a saída e entrada de dados é utilizado a três. Figura Interface do modem SIM340 com o Chip GSM (SIMcom, 2005) Através da figura 5.5 é possível ver que o modem além da comunicação normal RS232 onde se usa apenas dois pinos de comunicação (RXD e TXD) e um pino de aterramento usados para o projeto, pode também usar a configuração serial onde se usa todos os pinos de comunicação (DCD, TXT, CTS, RI, RXD, DTR e RTS), o qual não foram necessários para a conclusão do projeto.

55 55 Figura Interface do modem SIM340 com interface RS232 (SIMCom, 2008) Os Anexos A e B mostram as especificações técnicas e físicas do modem SIM340 escolhido para a conclusão do projeto, assim como peso, tensão de alimentação, velocidade de transferência de dados, etc. Para a troca de dados entre o modem GSM e o servidor TCP, precisa-se primeiramente configurar o modem GSM para que seja possível essa troca de dados, assim como envio de mensagens SMS também. Para estas configurações e troca de dados foram usados os seguintes comandos: Configuração de SMS (CHAO & MING, 2003) //Configurando o código de envio SMS da operadora de telefonia móvel AT+CSCA= código SMS da operadora <ENTER> //Configurando modo texto dos SMS AT+CMGF=1 <ENTER> Configuração e conexão com o servidor (MAMGA, 2006) AT <ENTER> //registro da internet

56 56 AT+CREG=1 <ENTER> //configurando endereço da operadora, usuário e senha AT+CSTT= endereço da operadora, usuário, senha <ENTER> //pegando o ip local AT+CIICR <ENTER> //configurando protocolo de comunicação, Ip do servidor e a porta disponível AT+CIPSTART= TCP, IP do servidor, porta <ENTER> //enviando o código de identificação para o servidor AT+CIPSEND= código do modem <CTRL-Z> Envio de mensagens: //comando para enviar mensagens AT+CMGS= número do celular <ENTER> Mensagem <CTRL-Z> Envio de dados: //comando para enviar dados (texto) para o servidor AT+CIPSEND= mensagem <CTRL-Z> Após digitar-se o código AT+CMGS ou AT+CIPSEND (no caso do comando AT+CMGS enviar o comando ENTER antes de redigir a mensagem), quando redigido o a mensagem, para ser concluído o envio, é necessário enviar para o modem o comando CTRL-Z ou o número 26 da tabela ASC II. A partir dos comandos descritos acima para o módulo GSM e tendo a frequência cardíaca calculada pelo microcontrolador, estes são enviados para o servidor TCP, onde armazena os dados em um banco de dados (no caso deste projeto, foi usado o bando de dados MySQL), disponibilizando-os em uma página web.

57 57 6 VALIDAÇÃO E TESTES Neste capítulo apresenta-se toda à parte de captura dos dados até a amostragem dos mesmos, visando executar testes de desempenho, funcionalidade e resultados deste projeto. 6.1 Testes de validação do sistema O equipamento mostrou-se ser bastante eficiente para as respostas esperadas, porém com algumas restrições físicas, as quais são detalhadas neste tópico. No módulo de recepção do sinal (ver Tópicos e ), mostrado na figura 6.1, foi verificada e analisada sua leitura através de um osciloscópio, onde o sinal captado e tratado até a entrada do microcontrolador é satisfatório para uma boa leitura, tendo em vista que, a distância máxima entre a cinta e o circuito LC é de 13cm (ver Tópico 6.3). Na figura 6.1 pode-se ver toda à parte de entrada (circuito LC) e tratamento do sinal (amplificadores e filtros) no canto inferior direito da placa, tendo o resto do circuito pertencendo ao microcontrolador, LCD e saída serial. Próximo ao microcontrolador, ainda na figura 6.1 pode-se ver um botão, onde o mesmo serve para reiniciar o microcontrolador, caso ocorra algum problema de comunicação.

58 58 Figura 6.1 Circuito do módulo de recepção e módulo micro-controlado montados. Na figura 6.2 pode-se ver o modem GSM contido de um chip GSM para sua leitura, antena para aumentar o ganho do seu sinal e sua entrada serial, a qual recebe os comando emitidos pelo microcontrolador.

59 59 Figura 6.2 Módulo GSM. Após o módulo de recepção receber o sinal injetado pela cinta e enviar para o módulo micro-controlado, é feita a interpretação do pulso recebido e os cálculos da frequência cardíaca média. Esta frequência cardíaca é amostrada no display LCD ilustrado na figura 6.3 e é enviada via GSM para o Servidor TCP. Para se ter uma confiança desses dados enviados, foi comparado o sinal impresso conforme a figura 6.3 com o resultado obtido pelo relógio do fabricante da cinta POLAR (cinta utilizada para aquisição dos batimentos cardíacos). Figura 6.3 Display LCD controlado pelo microcontrolador

60 60 Figura 6.4 Dados recebidos pelo servidor TCP A figura 6.4 mostra que logo que se inicia o servidor TCP, este abre conexão com a porta e fica aguardando os módulos GSM se conectarem. Assim que o servidor TCP recebe os dados, estes são automaticamente gravados para serem disponibilizados pela página web. Para o médico visualizar os dados de seu paciente é necessário entrar com seu usuário e senha pré-cadastrados. A figura 6.5 mostra a visão de acesso que o médico tem ao iniciar o serviço web.

61 61 Figura 6.5 Visão de acesso do serviço web Após o médico entrar com o seu usuário e senha na visão de acesso da página web, é possível a consulta dos dados de todos os seus pacientes, conforme a figura 6.6. Através dessa visão ele consegue selecionar o paciente e a data a ser consultada, podendo então analisar o intervalo de um dia de cada vez. Figura 6.6 Visão dos pacientes diagnosticados pelo médico Quando um paciente é selecionado é possível à verificação de todos os dados obtidos pelo aparelho móvel até o instante. Esses dados são demonstrados de duas formas (gráfica ou tabela), vistas nas figuras 6.7 e 6.8. A partir desses dados, cabe ao médico saber o procedimento de diagnóstico a ser tomado de seu paciente.

62 62 Figura 6.7 Tabela dos dados adquiridos pelo módulo remoto Figura 6.8 Gráfico construído a partir dos dados obtidos pelo módulo remoto 6.2 Testes de performance Para verificar a performance do dispositivo e do sistema web, a fim de analisar sua viabilidade, foi feita uma série de testes, que é descrita a seguir Tempo de aquisição do batimento cardíaco pelo módulo de recepção O tempo de aquisição do batimento cardíaco pelo módulo de recepção, por se tratar de um circuito digital com frequências baixas indo diretamente para a porta do

63 63 microcontrolador, é praticamente instantâneo, não sendo possível então fazer a medição deste tempo Tempo de aquisição do batimento cardíaco pelo servidor TCP Para todos os testes com o servidor TCP e o servidor WEB, foi utilizado um notebook com um processador INTEL core 2 duo 2.0Ghz, 4GB de memória RAM, sistema operacional Windows Vista 32bits e como meio de comunicação à Internet um modem USB 3G com conexão de 512Kb/s. Ao se tratar de um equipamento que pode sustentar até 32 usuários simultâneos, foram executados vários testes, para que se tenha a análise do tempo de resposta em relação à quantidade de usuários simultâneos. Este é delimitado entre o envio do equipamento do usuário pelo módulo micro-controlado e o servidor web. Na figura 6.9 mostra-se à curva do tempo de resposta em relação à quantidade de usuários. Figura 6.9 Gráfico do tempo de resposta do módulo micro-controlado até o servidor TCP. Através da figura 6.9 acima, conclui-se que para as configurações do servidor utilizando descrito neste tópico, principalmente por limitações da conexão 3G, o equipamento tem um bom desempenho não afetando muito na leitura do médico pelo serviço web podendo, com uma infra-estrutura melhor, conseguir atingir resultados ainda mais satisfatórios.

64 Tempo de atualização da página web após o servidor TCP receber os dados Assim como demonstrado no tópico anterior, a página web também tem um tempo de atualização referente ao número de usuários simultâneos usando o serviço web. Na figura 6.10 demonstra-se o tempo médio medido para cada quantidade de usuários simultâneos. Figura 6.10 Gráfico do tempo de resposta de atualização da página web. Com os dados adquiridos na figura 6.10, conclui-se que, assim como comentado no Tópico 6.2.2, por limitações de recursos e principalmente velocidade de acesso da rede 3G, o tempo de demora referente ao número de usuários simultâneos é satisfatório, pois, em raras as vezes que o sistema vai se deparar com 16 usuários ou mais verificando os dados ao mesmo tempo Teste de performance do sistema como um todo Para se obter os resultados ilustrados nas figuras 6.9 e 6.10, contidas nos Tópicos e 6.2.3, foram extraídas várias amostras da quantidade de usuários em relação ao tempo de resposta entre os módulos do sistema, obtendo-se os dados necessários para a construção dos gráficos. Os dados colocados nos gráficos anteriores são médias entre todas as amostras coletadas. A figura 6.11 ilustra os valores mínimos e máximos do tempo em relação à quantidade de usuários, dês do sinal recebido pela cinta até a página web. Os testes foram feitos até uma média de 50 usuários simultâneos.

65 65 Figura 6.11 Gráfico do tempo máximo e mínimo medido referente à quantidade de usuários, a partir da aquisição dos batimentos cardíacos até a atualização da página web. A partir da figura 6.11 tem-se o tempo de demora em relação ao número de usuários simultâneos usando os dispositivos de captação e acessando a página web. Através desses dados é possível concluir que, por se tratar de dados muito pequenos (bytes) enviados pelo módulo GSM para o servidor e cada usuário emite o valor da frequência cardíaca a cada oito batimentos, não se tem um peso muito grande ao servidor, não afetando muito o seu desempenho. O tempo máximo de demora para 50 usuários simultâneos foi de aproximadamente 7,3 segundos, podendo o médico então, ter um máximo de demora ver a frequência cardíaca do paciente 7,3 segundos após o dado ser coletado. 6.3 Testes de interferência Por se tratar de um circuito que recebe frequências na faixa de 5kHz da cinta de captação, o módulo de captação de dados pode interpretar qualquer sinal próximo a ele que opere nessa frequência, como sinais dos batimentos cardíacos que não pertencem ao paciente, podendo até mesmo ser de outra cinta. A distância máxima medida que a cinta pode ficar do módulo de recepção do projeto é de 13cm e a distância máxima ideal é de 12cm. Caso tenha algum outro paciente próximo portando a cinta consigo, e estiver a uma distância menor que os 13 cm de limite, o sistema irá receber os dados errados, interpretando como sinais normais do paciente.