Evolução de um dispositivo de medição de bio-sinais integrado na roupa

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1 Mestrado Integrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores Evolução de um dispositivo de medição de biosinais integrado na roupa Tiago Emanuel Pereira Marques Orientador: José Alberto Peixoto Machado da Silva (Professor) Coorientadores: Raquel Sousa e André Quinta (Engenheiros da IncreaseTime) 15 de Julho de

2 Conteúdo Lista de Figuras...3 Lista de Tabelas Introdução Contexto/Enquadramento Motivação e Objetivos O sistema atual Giroscópio MXR9500MZ (versão anterior) Termómetro MLX90614 (versão anterior) Dispositivo de controlo de movimento MPU Sensor de temperaturatmp Elétrodos Reguladores de tensão TPS73633DBVT/TPS76933DBVR Controlador de carga MCP Bateria LP S Bluetooth HC_ Microcontrolador DSPIC33FJ128MC804I/PT Circuito de Condicionamento Esquemático Visão Global do Sistema Soluções existentes VitalJacket HeartCycle Sensoria GOW Dshirt Lobin: intelligent tshirt Omsignal SmartLife HealthVest Comparação das várias soluções Soluções propostas Troca de componentes Microcontrolador Bluetooth: Gestão de energia Substituição de bateria Planeamento...34 Bibliografia

3 Lista de Figuras Figura 1: Esquema do integrado MPU Figura 2: TMP Figura 3: Elétrodos...12 Figura 4: Esquema do integrado TPS Figura 5: Esquema do integrado MCP Figura 6: Modelo de bateria de lítio LP S Figura 7: Estágios típicos de carregamento de uma bateria de iões de Lítio...16 Figura 8: Formas de onda retiradas da datasheet do componente MCP Figura 9: Dispositivo HC_05 e esquemático...17 Figura 10: Esquema do integrado DSPIC33FJ128MC02i/SO da Microchip...18 Figura 11: Esquemático do sistema...21 Figura 12: Tshirt VitalJacket...23 Figura 13: Tshirt e módulo de monitorização da Sensoria...24 Figura 14: Sistema completo GOW e interfaces de visualização dos dados adquiridos..25 Figura 15: Arquitetura do sistema Dshirt Figura 16: Lobin Figura 17: Omsignal...26 Figura 18: Sistema HealthVest...27 Figura 19: BLE112 da BlueGiga...30 Figura 20: PAN1740 da Panasonic...30 Figura 21: RN4020 da Microchip...31 Lista de Tabelas Tabela 1: Principais características técnicas do giroscópio MXR9500Z...9 Tabela 2: Características Técnicas do termómetro MLX Tabela 3: Características elétricas do controlador de movimento MPU Tabela 4: Características técnicas do sensor de temperatura da família TMP Tabela 5: Características técnicas do regulador de tensão TPS Tabela 6: Características técnicas do regulador de tensão TPS Tabela 7: Características técnicas do controlador de carga MCP Tabela 8: Características técnicas do regulador da bateria LP S Tabela 9: Características técnicas do módulo Bluetooth HC_ Tabela 10: Características gerais do microcontrolador dspic33fj128mc Tabela 11: Características elétricas do microcontrolador dspic33fj128mc

4 Tabela 12: Características técnicas do integrado INA Tabela 13: Características técnicas do integrado OPA Tabela 14: Comparação dos vários sistemas...28 Tabela 15: Características técnicas do módulo Bluetooth BLE Tabela 16: Características técnicas do módulo Bluetooth PAN Tabela 17: Características técnicas do módulo Bluetooth RN Tabela 18: Comparação de vários modelos de baterias

5 1. Introdução A saúde é o principal fator de estabilidade de todos os seres vivos e a terceira idade é uma etapa da vida associada à perda das capacidades físicas e/ou psicológicas. O envelhecimento da população é um problema crescente da atualidade. Segundo estudos realizados pelo Instituto Nacional de Estatística (INE), em 2050, os cidadãos com mais de 65 anos contribuirão para mais de 32% da população portuguesa. [1] Hoje em dia, infelizmente, existe uma grande quantidade de idosos que vivem sozinhos ou mesmo isolados da população. Recentemente, notícias de que idosos foram encontrados sem vida nos seus próprios lares, deixaram de ser novidade. Este, entre outros problemas, pode ser minimizado por uma maior e melhor vigilância, parcial ou total, deste grupo etário. Uma outra preocupação atual, não menos importante, é a taxa de mortalidade em consequência de doenças cardiovasculares. Estas são a principal causa de morte na Europa (mais de 4.3 milhões de mortes, anualmente), causando despesas de saúde diretas no valor de 120 mil milhões de euros. A prevenção constitui o principal objetivo no controlo destas patologias, porém, continua a ser o mais difícil de alcançar. Saber se o nível de oxigénio no sangue se encontra dentro dos limites aceitáveis é um bom exemplo de um método de prevenção. [2,3] O sucesso do rendimento desportivo de um atleta é determinado por diversos fatores biológicos e psicológicos. O diagnóstico eficaz no rastreio cardíaco e uma análise precisa e constante do estado fisiológico dos atletas de alta competição são pontos de enorme importância para a estabilidade e consequente sucesso dos desportistas. A diabetes assume, também, um papel significativo nas causas de morte no nosso país, representando, por ano, cerca de 4.5 pontos percentuais na totalidade de óbitos. Mais uma vez, o controlo efetivo por parte dos doentes e dos que os rodeiam, permite reduzir significativamente as complicações mais graves associadas a esta doença. [4] Perante estes quatro exemplos, fica clara a ideia de que a monitorização contínua do estado de saúde das pessoas é um importante assunto a ser abordado. Uma monitorização contínua, eficaz e eficiente, aliada à prevenção, permitem reduzir significativamente o número de mortes ou de outras consequências graves associadas a estes problemas da sociedade. A tecnologia é um recurso em constante evolução, cada vez mais aliada às atividades do Homem. As evoluções da medicina e das tecnologias da informação vêm permitindo uma melhoria significativa da qualidade e nível de vida da sociedade. Existem, atualmente, várias soluções que permitem a monitorização constante de parâmetros vitais dos pacientes/utilizadores, sendo as mais comuns sistemas que juntam a engenharia eletrónica e a medicina com a indústria têxtil. 5

6 Perante tais problemas, a IncreaseTime desenvolveu, ela própria, uma solução que permite uma monitorização constante dos utilizadores através de uma simples tshirt, a KShirt Contexto/Enquadramento Este trabalho será realizado em ambiente empresarial, junto da empresa IncreaseTime, uma empresa de base tecnológica que desenvolve e comercializa soluções inovadoras para um envelhecimento independente, ativo e com qualidade, de idosos e portadores de doenças crónicas e/ou degenerativas. A empresa posicionase como um fornecedor de soluções TIC (Tecnologias da Informação e Comunicação) inovadoras para apoio à saúde e assistência social destinadas ao mercado doméstico ou de residências assistidas (lares de idosos, centros de dia, residências séniores, etc). [5] O principal produto da IncreaseTime é o KeepCare. É um sistema de monitorização contínua do estado de saúde de um utente que promove ativamente a qualidade nos cuidados de saúde informais prestados a pessoas em convalescença, doentes crónicos, idosos e pessoas com grau significativo de dependência, através da monitorização contínua de sinais vitais e/ou níveis de atividade física, contribuindo para uma maior proximidade na prestação dos cuidados de saúde assim como para a celeridade da assistência em casos de urgência. Esta solução tem como objetivo proporcionar uma maior qualidade de vida, conforto e segurança aos utentes. [5] A IncreaseTime desenvolveu, também, a KShirt. Tratase de um equipamento de baixo custo que junta a componente têxtil com dispositivos eletrónicos. Permite a monitorização de diversos sinais vitais, tais como, batimento cardíaco, temperatura corporal, frequência cardíaca e ECG (eletrocardiograma). Esta solução é constituída por uma tshirt convencional, um conjunto de dispositivos que permitem a medição dos biosinais, incluindo sensores acoplados, e por um dispositivo que permite a recolha e tratamento dos sinais. A KShirt permite, ainda, a recolha dos dados em tempo real e o seu envio via Bluetooth para um smartphone/tablet. Assim, o trabalho a realizar em Dissertação enquadrase num contexto atual e cada vez mais procurado e abordado, a monitorização do estado de saúde das pessoas. Tal como referido na Introdução, a Kshirt é um equipamento que pode ser usado por pessoas de idades diversas, proporcionando aos seus utilizadores uma melhor qualidade de vida. 6

7 1.2. Motivação e Objetivos Em virtude de problemas como os mencionados anteriormente, novas soluções são produzidas e desenvolvidas regularmente. Isto é possível graças ao contínuo avanço e permanente melhoria da tecnologia, microeletrónica, medicina, física, etc., bem como, o aumento da preocupação dos utilizadores/utentes na sua saúde e bemestar. Hoje, a microeletrónica permite a realização de sistemas miniaturizados com capacidades semelhantes ou mesmo superiores à de sistemas convencionais implementados com unidades volumosas. É possível encontrar num mesmo equipamento, de reduzidas dimensões e peso, vários sensores, capacidade de processamento, tratamento e de comunicação de dados. A obtenção e monitorização de sinais vitais pode ser feita por sistemas deste género. O objetivo fulcral desta dissertação é a evolução de um produto já existente, tanto no sentido de aumentar a sua autonomia (mais que 12 horas numa carga) como na melhoria da utilização dos sensores ligados ao dispositivo (por exemplo do giroscópio integrado), ou seja, pretendese otimizar o consumo de energia do sistema. Como objetivo secundário, procuramse soluções alternativas para a carga da bateria, por exemplo, através de indução ou mesmo através da possibilidade de captura de energia (carga regenerativa). Por fim, o último objetivo, passa pelo desenvolvimento de um protótipo de uma nova versão do dispositivo, incluindo as novas funcionalidades desenvolvidas no decorrer da dissertação. 7

8 2. O sistema atual O sistema atual é composto por vários dispositivos essenciais ao seu correto funcionamento. Em termos gerais, o sistema é composto por um microcontrolador que efetua o processamento de todos os dados, um conjunto de elétrodos que permite adquirir sinais, um circuito de condicionamento de sinal, um carregador de bateria e reguladores de tensão, um dispositivo que engloba giroscópio, acelerómetro e bússola (campo magnético), um sensor de temperatura e um transmissor Bluetooth que permite a transmissão dos dados adquiridos para um sistema de receção apropriado. Este sistema é uma evolução de um outro, apresentado no início da dissertação. Contudo, apresenta duas ligeiras diferenças face ao sistema antigo: o giroscópio (MXR9500MZ) foi substituído pelo integrado que engloba giroscópio, acelerómetro e bússola (MPU9150) e o termómetro (MLX90614) foi substituído por outro de menor dimensão (TMP006). Apesar destas mudanças, o funcionamento do sistema atual é semelhante ao anterior. Em seguida, são apresentados os principais componentes do sistema, bem como, as principais características técnicas de cada um Giroscópio MXR9500MZ (versão anterior) O MXR9500MZ é um giroscópio de três eixos (x, y, z). Este sensor mede acelerações numa escala de ±1.5g e tem uma sensibilidade de 500mV/g. Permite medições de acelerações dinâmicas, como vibrações, e acelerações estáticas, como a aceleração gravítica. O giroscópio é um dispositivo que serve como referência de direção de um corpo. Figura 1: Giroscópio MXR9500MZ. [6] 8

9 Parameter Conditions Min Typ Max Units Measurement Range Each Axis ±1.5 g Alignment Erro X/YAxis ZAxis ±1.0 ±3.0 degrees degrees Sensivity mv/g 3 db 17 Hz Output Drive 100 μa TurnOn Time 75 ms Operating Voltage Range V Supply Current 4.2 ma Power Down Current 0.1 ua Tabela 1: Principais características técnicas do giroscópio MXR9500Z [6] 2.2. Termómetro MLX90614 (versão anterior) O MLX90614, ilustrado na figura seguinte, é um termómetro infravermelho projetado para a medição de temperatura, sem contacto. O valor medido é a temperatura média de todos os objetos no campo de visão do sensor. Este termómetro oferece medições com erros de apenas ±0.5ºC. Esta versão, especializada para aplicações médicas, permite uma precisão de ±0.1ºC, numa faixa de temperatura limitada em torno da temperatura corporal. Figura 2: Termómetro MLX [7] 9

10 Parameter Conditions Min Typ Max Units External supply V Supply current No load 1 2 ma Powerdown supply No load ua Powerdown current Full temperature range ua Wake up request 33 ms Operating Temperature ºC Range Tabela 2: Características Técnicas do termómetro MLX90614 [7] 2.3. Dispositivo de controlo de movimento MPU9150 O MPU9150 é um dispositivo que combina um giroscópio de 3 eixos, um acelerómetro e um magnetómetro (instrumento usado para medir a intensidade, direção e sentido de campos elétricos). Combina aceleração e movimento de rotação num único fluxo de dados. O MPU9150 possui três ADCs (analogtodigital convertors) de 16 bits, para a digitalização dos sinais de saída do giroscópio, três ADCs para digitalização das saídas do acelerómetro e três ADCs de 13 bits para digitalizar as saídas do magnetómetro. Este integrado, além de juntar três dispositivos num só, tem a vantagem de possuir pequenas dimensões, o que o torna apropriado para o sistema em causa. Figura 3: Esquema do integrado MPU9150. [8] 10

11 Parameter Conditions Min Typ Max Units Power supply V Gyro Operating Current At all rates 3.9 ma Accel Operating Current At 1kHz 900 µa Magnetometer Operating Current At 8 Hz 350 µa 1.25 Hz update rate 10 µa Accelerometer Low Power 5 Hz update rate 20 µa Mode Current 20 Hz update rate 70 µa 40 Hz update rate 140 µa Magnetometer Full Power Mode Current 100% dutycycle 6 ma Normal Operating Current 100 µa Tabela 3: Características elétricas do controlador de movimento MPU9150 [8] 2.4. Sensor de temperaturatmp006 TMP006 é uma família de sensores que mede a temperatura de um objeto sem necessidade de contacto com o mesmo. Estes sensores usam uma pilha termoelétrica para absorver a energia infravermelha emitida pelo objeto e usam a correspondente variação de tensão na pilha térmica para determinar a temperatura do objeto. No projeto é usado o integrado TMP006AIYZFR. Figura 4: TMP006. [9] 11

12 Parameter Conditions Min Typ Max Units Sensor Voltage Error T object = +40 to µv/ºc Poweron reset T=40ºC to 125ºC 1.6 V Specified Voltage Range T=40ºC to 125ºC V Quiscent Current Continuos Conversion Serial Bus inacive, shotdown mode Serial Bus active, fs=400 khz, shutdown mode µa µa µa Tabela 4: Características técnicas do sensor de temperatura da família TMP006. [9] 2.5. Elétrodos Um elétrodo é um terminal que tem como objetivo proporcionar a transferência de eletrões no meio no qual está inserido. Na Kshirt os elétrodos permitem efetuar a aquisição do batimento cardíaco e do ECG. Figura 1: Elétrodos. [10] ECG: O Eletrocardiograma (ECG) é um exame complementar importante para a interpretação do ritmo cardíaco, no qual é feito o registo da variação dos potenciais elétricos gerados pela atividade elétrica do coração. 12

13 2.6. Reguladores de tensão TPS73633DBVT/TPS76933DBVR Estes dispositivos permitem a regulação da tensão, ajustando assim a tensão na sua saída. Apresentam a vantagem de muito baixo consumo aliada à reduzida dimensão. Estes componentes são utilizados juntamente com controladores de carga e têm como objetivo manter a tensão constante (mesmo havendo variações na tensão de entrada ou na corrente de saída) no circuito num dado valor, valor esse que é usado para alimentar todos os restantes componentes. Figura 2: Esquema do integrado TPS [11] Parameter Conditions Min Typ Max Units Input Voltage Range V Output Voltage V Quiescent Current 0 ma < I O <100 ma I O = 100 ma µa µa Output current limit µa Standby Current 1 2 µa Tabela 5: Características técnicas do regulador de tensão TPS [11] 13

14 Parameter Conditions Min Typ Max Units Input Voltage Range V Output Current Limit ma Shut down Current µa Tabela 6: Características técnicas do regulador de tensão TPS [12] 2.7. Controlador de carga MCP73833 Tratase de um controlador de carga especializado para aplicações sensíveis e de espaço limitado. A sua principal aplicação surge no controlo de carregamento de baterias de iões de lítio. Através deste componente é possível efetuar o carregamento da bateria usando o método CCCV. Um controlador de carga tem como objetivo controlar o débito de corrente da bateria, impedindo situações de sobrecarga, de sobretensão e de descarga completa, protegendo assim o desempenho e vida útil de uma bateria. Figura 3: Esquema do integrado MCP [13] Parameter Conditions Min Typ Max Units Supply Voltage Charging V Charging µa Supply current Charge Complete Standby µa µa Shutdown µa Voltage Regulation (Constant Voltage Mode) Regulated Output Voltage I O = 10 ma T = 5ºC to +55 ºC V Current Regulation (Fast Charge Constant Current Mode) 14

15 Fast Charge Current Regulation PROG = 1.0 kω PROG = 10 kω ma ma Maximum Output Current Limit 1200 ma Tabela 7: Características técnicas do controlador de carga MCP [13] 2.8. Bateria LP S3 As baterias de iões de lítio (liion) e de polímeros de lítio (LiPo) têm vindo a ser amplamente utilizadas em vários tipos de dispositivos eletrónicos. A bateria usada no produto atual é apresentada na figura em baixo. Tratase de uma bateria recarregável de polímero de iões de lítio com capacidade de 155mAh e com 26x20x3.8 mm de dimensão. A bateria tem como objetivo, o fornecimento de toda a energia necessária ao correto funcionamento do sistema. Figura 4: Modelo de bateria de lítio LP S3. [14] Método CCCV: Estas baterias têm um processo de recarga diferente das mais tradicionais (por exemplo, de chumbo). Para realizar a recarga de uma bateria de iões de lítio ou polímeros de lítio são necessárias duas fases distintas. Numa primeira fase, chamada recarga de corrente constante, é utilizada uma corrente constante para recarregar a bateria, corrente esta que pode ser igual ou inferior à corrente nominal. A bateria é recarregada em corrente constante até atingir a sua tensão nominal, momento no qual o processo de recarga entra na segunda fase. A segunda fase caracterizase pelo facto de manter a tensão constante (recarga em tensão constante) aos terminais da bateria até que a corrente à qual a bateria está a carregar seja igual ou inferior a 3% da corrente nominal da bateria, momento no qual se dá por terminada a recarga. É possível visualizar este processo de recarga graficamente através da figura seguinte. 15

16 Figura 5: Estágios típicos de carregamento de uma bateria de iões de Lítio. [15] A figura apresenta as duas fases que ocorrem no carregamento. Na primeira fase, vêse que é aplicada uma corrente constante (linha amarela) e na segunda fase é aplicada uma tensão constante (linha verde). A título de curiosidade, apresentase as formas de onda retiradas da datasheet do regulador de tensão MCP Figura 6: Formas de onda retiradas da datasheet do componente MCP [13] Parameter Typ Units Nominal Capacity 155 mah Nominal Voltage 3.7 V Charging Voltage 4.20±0.05 V Max. Charging Current 155 ma Standard Charging Current 78 ma Tabela 8: Características técnicas do regulador da bateria LP S3. [16] 16

17 2.9. Bluetooth HC_05 O módulo Bluetooth HC_05 é um dispositivo projetado para configurações de conexão sem fios, que converte um sinal de uma convencional portasérie para o formato do protocolo Bluetooth. No sistema Kshirt, após processamento, os dados passam por este elemento para, posteriormente, serem enviados para um recetor apropriado. Este dispositivo efetua a comunicação do sistema Kshirt com o exterior. O módulo HC_05 permite o funcionamento em dois modos: mestre (master) e escravo (slave). Para a realização de uma conexão é necessário um emparelhamento prévio de um dispositivo com o elemento mestre e outro com o elemento escravo. Bluetooth: é um protocolo de comunicação sem fios projetado para baixo consumo de energia, que permite a troca de dados digitais através de uma frequência de rádio de curto alcance por parte de dispositivos como computadores, telemóveis, impressoras, etc. Assim sendo, os dispositivos não necessitam de estar na linha de visão um do outro. Os dispositivos Bluetooth operam na faixa ISM (Industrial, Scientific, Medical) centrada em 2.45 GHz. Nota: O módulo Bluetooth HC_05 não tem sleep mode. Figura 7: Dispositivo HC_05 e esquemático. [17] 17

18 Parameter Conditions Value Sensiivity 80dBm RF transmit power +4dBm During the paring 3040 ma Current Consumption Mean Current After paring 25 ma 8 ma PowerOn 100 ma Operating Voltage 3.3 V Flash Memory 8 Mbit Asynchronous Communication Velocity 2 Mbps Range 10 m Tabela 9: Características técnicas do módulo Bluetooth HC_05. [19] Microcontrolador DSPIC33FJ128MC804I/PT Como cérebro de todo o sistema, este microcontrolador (MCU) de sinais digitais de 16 bits, da Microchip, permite o processamento e tratamento de todos os sinais provenientes dos restantes componentes. O seu objetivo é efetuar o processamento necessário dos dados adquiridos de forma a estes serem, posteriormente, transmitidos pelo módulo Bluetooth. Figura 8: Esquema do integrado DSPIC33FJ128MC02i/SO da Microchip. [19] 18

19 dspic33fj128mc804 Architeture Value 16bit MIPS 40 Pins 44 Program Flash Memory (Kbytes) 64 RAM (Kbytes) 16 Remappable Pins 26 16bit timer 5 Input Capture 4 UART 2 ECAN 1 I 2 C 1 10bit/12bit ADC (channels) 9 6pin 16bit DAC 1 I/O Pins 35 Tabela 10: Características gerais do microcontrolador dspic33fj128mc804. [20] Parameter Conditions Min Typ Max Units Supply Voltage V Orerating Current T = 40 MIPS ma Idle Current T 40 MIPS ma PowerDown Current T = 3.3V µa Doze Current T = 40 Doze Ration 1: ma Tabela 11: Características elétricas do microcontrolador dspic33fj128mc804. [19] 19

20 2.11 Circuito de Condicionamento O circuito de condicionamento de sinal tem como intuito manipular um sinal analógico de tal forma que este possa ser processado, posteriormente. O condicionamento de sinal pode incluir fases de amplificação, filtragem, conversão, escala de harmonização, isolamento e outros processos necessários para tornar o sinal adquirido adequado para o processamento. Neste estágio, são usados, além de componentes passivos, amplificadores operacionais integrados nos dispositivos INA128 e OPA2277. Parameter Conditions Min Typ Max Units Power supply Voltage Range ±2.25 ±15 ±18 V Current ±700 ±750 µa Bias Current ±10 na Offset Current ±10 na Tabela 12: Características técnicas do integrado INA128. [21] Parameter Conditions Min Typ Max Units Power supply Voltage Range Quiescent Current ±5 ±15 V ±790 ±825 µa Bias Current ±0.5 ±1 na Offset Current ±0.5 ±1 na Tabela 13: Características técnicas do integrado OPA2277. [22] Relativamente ao consumo total do circuito de condicionamento de sinal, não foi feito esse cálculo. Contudo, de acordo com os dados técnicos descritos nas folhas de características o 20

21 consumo em funcionamento normal, rondará as centenas de ma (100 a 200 ma). Em sleep mode, o consumo rondará as dezenas de na (10 a 20 na) Esquemático A figura seguinte apresenta o esquemático completo do sistema Kshirt. Figura 9: Esquemático do sistema Visão Global do Sistema O sistema Kshirt funciona em dois modos. No modo de monitorização existe uma etapa de aquisição (realizada pelos sensores), uma etapa de condicionamento de sinal (amplificação e filtragem dos sinais), uma etapa de processamento e uma etapa de transmissão dos dados processados. O segundo modo é o modo de carregamento da bateria. Ambos os modos serão detalhados em seguida: Modo de Monitorização: O módulo é alimentado pela bateria de lítio interna, recarregável através de uma tensão ajustada pelos reguladores de carga. 21

22 O dispositivo está ligado enquanto detetar um ritmo cardíaco e desliga na ausência do mesmo por um período temporal superior a 1 minuto. O estado do dispositivo é indicado por um LED. A TShirt contém sensores passivos que detetam os sinais ECG. Existe um circuito de condicionamento para os sinais adquiridos. O termístor interno mede a temperatura interna do dispositivo. O acelerómetro interno de 3 eixos faz aquisição do nível de atividade e orientação do dispositivo. Todos os dados adquiridos pelos vários sensores são processados pelo microcontrolador. Os dados são transmitidos sem fios por radiofrequência, através de um módulo Bluetooth, para um recetor apropriado que dispõe de interface gráfica. O dispositivo transmite através de frequências Bluetooth e Modo de Carga: O dispositivo possui uma entrada para ligação PC USB de 5V. O LED com a cor vermelha de forma contínua indica que a bateria interna está a ser carregada. O LED com a cor verde de forma contínua indica que a bateria interna está carregada. Os tempos de carga são: 1h para 90% da capacidade, 3h para 100% da capacidade. O carregamento é controlado por um controlador de carga. 22

23 3. Soluções existentes O objetivo principal da realização deste trabalho é pesquisar, encontrar, analisar e documentar as principais soluções equivalentes já existentes no mercado. De forma a ser possível a elaboração de um plano de trabalhos e a procura de soluções aos requisitos apresentados pela IncreaseTime, é importante comparar o sistema Kshirt aos demais, e verificar as principais diferenças existentes. A pesquisa baseouse em sistemas equivalentes à Kshirt (tshirt + módulo de monitorização), deixando de parte outros, tais como, relógios de pulso ou cintas que medem apenas a frequência cardíaca. Sempre que possível, é descrita qual a bateria existente nos vários sistemas, bem como o modo como esta é carregada VitalJacket O Vital Jacket é um sistema capaz de adquirir, armazenar e analisar (online e offline) vários sinais fisiológicos como o ECG, frequência cardíaca, respiração, saturação de oxigénio, atividade, postura e temperatura corporal. É um vestuário eletrónico que permite recolher os sinais vitais do organismo e observar os dados em tempo real. Desenvolvido pelos grupos de Investigação & Desenvolvimento do Instituto de Engenharia Eletrónica e Telemática, na Universidade de Aveiro, este sistema tem a capacidade de adquirir dados continuamente durante mais de 72 horas. Todos os dados são armazenados num cartão de memória SD. O VitalJacket está equipado com um transmissor Bluetooth permitindo a visualização dos dados adquiridos, em tempo real. O sistema possui, ainda, um acelerómetro embebido. Todos os elementos intrínsecos ao sistema são alimentados por uma bateria de Liion recarregável de capacidade 1050mAh, sendo o seu carregamento feito por USB (5v). Figura 10: Tshirt VitalJacket. [23] 23

24 3.2. HeartCycle O HeartCycle é um protótipo de monitorização remota de doenças cardiovasculares, desenvolvido por 10 investigadores da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra (FCTUC), no âmbito de um projeto europeu [24]. Este equipamento de aquisição é composto por um conjunto de sensores têxteis para recolher o eletrocardiograma e o cardiograma de impedância. Segundo os coordenadores da investigação, o HeartCycle permite a medição de dois parâmetros fundamentais em cardiologia: o débito cardíaco e a resistência periférica Sensoria A Sensoria Fitness Tshirt tem sensores incorporados que permitem a medição da frequência cardíaca. Esta solução, especialmente focada para a prática desportiva, possui um dispositivo de transmissão Bluetooth que envia os dados adquiridos, por exemplo, para um smartphone. A Sensoria disponibiliza uma aplicação móvel que permite a visualização dos dados recolhidos, em tempo real. O carregamento da sua bateria é feito por USB (5V). Figura 11: Tshirt e módulo de monitorização da Sensoria. [25] 3.4. GOW Tratase de uma tshirt com sensores incorporados, bem como um monitor de frequência cardíaca, que capturam informações cardíacas. Possui, ainda, um acelerómetro e tem uma autonomia de 19 horas em constate aquisição. Esta autonomia é garantida por uma bateria de 24

25 polímero de lítio com capacidade de 340 mah, sendo o seu carregamento feito por Micro USB. Os dados adquiridos são armazenados num micro SD, ou enviados, em tempo real, via Bluetooth para um dispositivo de receção adequado. Figura 12: Sistema completo GOW e interfaces de visualização dos dados adquiridos. [26] 3.5. Dshirt A Dshirt é uma tshirt feita a partir de um tecido de deteção inteligente com microsensores integrados. É um equipamento que permite medir a frequência cardíaca, localização GPS, percurso, velocidade e altitude do utilizador. A Dshirt possui, também, um transmissor Bluetooh. Figura 13: Arquitetura do sistema Dshirt. [27] 25

26 3.6. Lobin: intelligent tshirt Desenvolvida por cientistas da Universidade de la Carlos III de Madrid, este sistema monitoriza temperatura, frequência cardíaca, entre outras funções corporais. A Lobin tem como função, também, a localização dos pacientes. Figura 14: Lobin. [28] 3.7. Omsignal Módulo de captura de sinais cardíacos e respiratórios. Possui memória para armazenamento de informação, tem uma autonomia de 23 dias de utilização continua e permite a conexão ao telemóvel através de um transmissor Bluetooth. Figura 15: Omsignal. [29] 26

27 3.8. SmartLife HealthVest A empresa britânica SmartLife criou um sistema para monitorizar sinais fisiológicos humanos, desenhado originalmente pela Universidade de Manchester. Esta tecnologia permite a monitorização remota de ECG, frequência cardíaca, frequência respiratória e temperatura corporal. Figura 16: Sistema HealthVest. [30] 3.9. Comparação das várias soluções Por fim, é feita uma breve comparação das característicaschave de cada sistema. Sistema Autonomia Bateria (mah) Modo de Carregamento Kshirt 8h (aquisição) 155 USB 2 semanas (sleep mode) VitalJacket 72h (aquisição) 1050 USB HeartCycle USB Sensoria USB GOW 19h (aquisição) 340 MicroUSB Dshirt Lobin Omsignal 48 a 72h (aquisição) USB 27

28 HealthVest Tabela 14: Comparação dos vários sistemas Após a pesquisa e análise realizadas, é possível retirar algumas conclusões: 1. O modo de carregamento é semelhante em todas as soluções. 2. De um modo geral (além de outros fatores tais como o nº de sensores, etc.), a autonomia está diretamente ligada com a capacidade da bateria usada, verificandose que este é sem dúvida o ponto fraco da Kshirt. 3. Todos os sistemas possuem um transmissor Bluetooth. 4. Soluções propostas Como descrito anteriormente, o principal objetivo deste trabalho é o estudo de soluções capazes de aumentar a autonomia do sistema para 12 ou mais horas de funcionamento. Este aumento pode ser feito de várias formas, no entanto, são focados 3 métodos, os quais se pensou serem os mais adequados para o projeto em causa. 4.1 Troca de componentes Numa primeira abordagem, temse em conta o consumo de cada componente no sistema completo. Analisando estes consumos, é notório que os responsáveis pelo maior consumo são o microcontrolador DSPIC33FJ128MC804I/PT e o transmissor Bluetooth HC_05. Assim sendo, o estudo de alternativas existentes no mercado passa por componentes que os possam substituir sem, obviamente, levar a uma perda de eficiência de todo o sistema. Assim, no decorrer da Dissertação, uma primeira tarefa passará por efetuar uma pesquisa dos componentes existentes no mercado Microcontrolador O atual microcontrolador, em Sleep Mode, consome cerca de 200µA. Embora esta seja uma tarefa a ser desenvolvida durante a Dissertação, foram já analisadas algumas soluções possíveis: 1. Da Microchip, microcontroladores da família PIC24F GB2. 28

29 2. Da Atmel, microcontroladores da família ATxmega. 3. Da Texas Instruments, microcontroladores da família MSP430. Todas as soluções serão analisadas com mais detalhe, uma vez que existem inúmeros fatores a ter em consideração, tais como o número de pinos, o número de MIPS, a própria arquitetura (número de bits), a memória, etc. Contudo, a principal atenção recairá sobre o consumo por ciclo de relógio e consumo em Sleep Mode, determinantes no consumo de energia Bluetooth: Como referido, o módulo HC_05 não possui sleep mode. A sua corrente de arranque é cerca de 100mA, e consome, em média, 35 ma durante a transmissão de dados. Segundo o estudo realizado, verificase que existe, atualmente, uma vasta gama de dispositivos Bluetooth de baixo consumo de energia (BLE). BLE (Bluetooth Low Energy), também designado de Smart Bluetooh, é uma emergente tecnologia sem fios de baixa potência, desenvolvida para aplicações de monitorização e de curto alcance, que se espera que seja incorporada em biliões de dispositivos nos próximos anos. O desenvolvimento de BLE ocorreu quando outras soluções de transmissão sem fios de baixa potência, como ZigBee, 6LoWPAN ou Z Wave, ganharam força nos vários domínios de aplicações. Embora diferente, a BLE constitui uma solução aplicável a áreas como a saúde, eletrónica de consumo, energia e segurança inteligente. Saúde, bemestar e desporto constituem um domínio de aplicações que requerem o uso de dispositivos Bluetooth, e para o qual a tecnologia BLE constitui uma melhoria substancial. De facto, a Continua Health Alliance, uma coligação industrial de empresas de saúde e tecnologia, anunciou a seleção da tecnologia BLE para monitores de atividade e sensores de frequência cardíaca a ser utilizada para monitorizar os níveis de saúde dos utilizadores. Assim, foram igualmente analisadas algumas alternativas ao atual módulo HC_05: 1. Da BlueGiga, Bluetooth BLE

30 Figura 17: BLE112 da BlueGiga. [31] Parameter Conditions Value TX power +3 dbm to 23 dbm RX sensivity 87 dbm to +93 dbm Current Consuption Transmit Sleep Mode 1 Sleep Mode 2/3 27 ma 235 ua 0.4 ua Tabela 15: Características técnicas do módulo Bluetooth BLE112. [32] 2. Da Panasonic, Bluetooth da família PAN17xx. Figura 18: PAN1740 da Panasonic. [33] Parameter Conditions Min Typ Max Units Sensivity 93 dbm Supply Voltage V Transmit 4.9 ma Current Consumption Receive 4.9 ma Sleep Mode µa Tabela 16: Características técnicas do módulo Bluetooth PAN1740. [34] 30

31 3. Da Microchip, Bluetooth da família RN4020. Figura 19: RN4020 da Microchip. [35] Parameter Conditions Value Sensivity 92.5 dbm Supply Voltage 1.8 to 3.6 V Working Current 12 ma (typical) Standby current <0.5 ma Current consumption Dormant Deep Sleep Idle Tx/Rx active < 700 na < 5.0 na < 1.5 ma 16 ma Tabela 17: Características técnicas do módulo Bluetooth RN4020. [36] 4.2 Gestão de energia A segunda abordagem centrase no conceito de gestão de energia que pode ser feita ao nível do software. Existem várias formas de reduzir o consumo de energia, principalmente ao nível de transmissão de dados. Uma possível solução passa por reduzir a cadência de transmissão dos sinais adquiridos. Ou seja, pode efetuarse uma transmissão periódica, com um período especificado, em alternativa a uma transmissão contínua. 31

32 Relativamente ao transmissor Bluetooth HC_05, é possível usar o Sniff Mode que permite o funcionamento de um modo de conservação de energia. Em Sniff Mode, o transmissor acorda em intervalos de tempo específicos, consumindo menos energia (cerca de 2mA). No HC_05 o intervalo Sniff máximo é de cerca de 20 segundos. Por defeito, este modo está desligado e a transmissão está conectada continuamente (entre 25 e 30 ma), tal como acontece no sistema atual. Seria importante, no entanto, tanto o transmissor como o recetor possuírem este modo de funcionamento. Um outro método de gestão de energia consiste na implementação de algoritmos de compressão de dados, em particular o algoritmo LempelZiv. Algoritmo de Compressão LempelZiv: consiste na localização de padrões de uma estrutura que usa a compressão baseada em dicionário, ou seja, é feita a construção de uma lista de símbolos a partir do fluxo de entrada. O método LempelZiv é um dos esquemas de codificação universal que pode ser aplicado a qualquer fonte discreta. Os passos que devem ser seguidos neste algoritmo são: 1. Inicializar o dicionário com todos os símbolos 2. Procurar, no código a ser comprimido, o bloco mais longo que esteja registado no dicionário 3. Codificar o bloco com o índice que consta no dicionário 4. Adicionar ao dicionário o bloco, seguido pelo próximo caracter da sequência, e voltar ao passo 2. No final da descodificação, os dados podem ser facilmente reconstruídos a partir dos blocos criados no dicionário. Estes três exemplos de soluções serão estudados ao longo da Dissertação. 4.3 Substituição de bateria Por fim, de acordo com as conclusões obtidas no capítulo anterior, surge a solução mais intuitiva: a troca da bateria por uma de capacidade superior. A capacidade definese como a potência que se pode ter numa hora. Capacidade (C) = corrente de descarregamento (I)*tempo de descarregamento (t) Por exemplo, a bateria empregue na Kshirt (155 mah) fornece 155mA numa hora, 15.5mA em 10 horas, etc. 32

33 Esta questão seria relativamente fácil de abordar caso o espaço disponível não fosse uma limitação. Contudo, seguindo o requisito dado pela IncreaseTime, uma possível substituição passaria por uma bateria de dimensões não superiores à atual (relativamente à espessura da mesma). Assim sendo, foi feito um breve levantamento de soluções alternativas. Convém destacar que, a análise foi feita para diferentes capacidades, para ser possível ver a relação entre a capacidade e o volume das baterias. Em contrapartida desta breve análise, será efetuada uma pesquisa aprofundada no decorrer da Dissertação, de acordo com as necessidades do projeto. Na primeira linha, da seguinte tabela, são apresentadas as características da bateria atual, a LP S3, sendo os restantes, modelos de baterias existentes no mercado. Baterias Modelo Capacidade Dimensões (mah) (mm) Distribuidor Preço LP S x20x x20x5 Miniinthebox 2, x20.5x4.2 newhopbattery LP x29x4,75 adafruit GSP x25x5 abraelectronics 5,84 PL C ,5x31x5,2 batteryspace 3,65 Plantronics C550 CPP 512 Q x19x3,3 Atbatt 10,30 SPB x18x4,5 houseofbatteries Turnigy Nanotech x17x6 hobbyking PGEB x44x1.0 powerstream 10$ PGEB x90x1.2 Powerstream GM x25x3.0 Powestream 7.8$ EFL700A x25.7x0.22 Mouser Tabela 18: Comparação de vários modelos de baterias As soluções que respeitam o requisito da espessura são apresentadas a sublinhado. Como se pode verificar, um aumento da capacidade da bateria implica um aumento do seu volume. 33

34 5. Planeamento Apresentase, em baixo, uma proposta de planeamento a seguir no decorrer da Dissertação. Semanas Objetivos Tarefas a realizar 08/09/2014 a 21/09/2014 Pesquisa de componentes no mercado (MCU, Bluetooth e Bateria) 22/09/2014 a 05/09/2014 Definição de requisitos e Estudo do código atual 06/10/2014 a 19/10/2014 funcionalidades de alto nível Estudo de algoritmos de compressão de dados (em particular, o algoritmo Zempel Ziv) Aplicação do(s) algoritmo(s) estudado(s) 20/10/2014 a 30/11/2014 Desenvolvimento Melhoramento do funcionamento do sistema atual (por exemplo, redução de frequências de operação de LEDs) Verificação de novos consumos/autonomia. 1/12/2014 a 21/12/2014 Testes e validação Implementação do novo sistema (desenho da nova placa) 20/12/2014 a 31/12/2014 1/01/2014 a 30/01/2015 Escrita da Dissertação Escrita da Dissertação 34

35 Bibliografia [1] INE (Instituto Nacional de Estatística), PROJECÇÕES DE POPULAÇÃO RESIDENTE EM PORTUGAL, 12 de Junho de [2] Mortes por doenças cardiovasculares na Europa podem ser evitadas. Disponível em: [3] Journal, Europian Heart, Em defesa da inovação na área da saúde cardiovascular na Europa. [4] Diabetes responsável por cerca de 9 mil mortes por ano em Portugal. Disponível em: [5] Disponível em: [6] Low cost ±1.5 g Tri Axis Accelerometer with ratiometric outputs, MEMSIC, Inc. [7] Single and Dual Zone Infra Red Thermometer in TO39, Microelectronic Integreted Systems. [8] MPU9150 Product Specification, InvenSense, Inc., 18/9/2013. [9] Infrared Thermopile Sensor in ChipScale Package, Texas Instruments, 12/2012 [10] Disposable ECG Electrode. Disponível em: [11] ULTRALOWPOWER 100mA LOWDROPOUT LINEAR REGULATORS, Texas Instruments, 04/2001 [12] CapFree, NMOS, 400mA LowDropout Regulator with Reverse Current Protection, Texas Instruments, 09/2005. [13] StandAlone Linear LiIon / LiPolymer Charge Management Controller, Microchip. [14] Disponível em: [15] Carregador de baterias de Iões de Lítio (LiIon) / Polímeros de Lítio (LiPo) de uma célula. Disponível em: [16] Specification of Lipolymer Rechargeable Battery Model No.: LP S3. 35

36 [17] HC05 Bluetooth. Disponível em: bluetooth/ [18] HC Serial Bluetooth Products User Instructional Manual, Guangzhou HC Information Technology Co., Ltd. [19] 16bit Digital Signal Controllers (up to 128 KB Flash and 16K SRAM) with Motor Control PWM and Advanced Analog, Microchip. [20] dspic33fj128mc804. Disponível em: [21] Precision, Low Power INSTRUMENTATION AMPLIFIERS, BurrBrown Products from Texas Instruments, 02/2005. [22] High Precision OPERATIONAL AMPLIFIERS, BurrBrown Products from Texas Instruments, 04/2005. [23] Valorização da PI. Disponível em: [24] Monitorização remota de doenças cardiovasculares: HeartCycle. Disponível em: [25] Chad's Crappy Corner! But it might be something good. Disponível em: [26 ] GOW UNIVERSE. Disponível em: [27] Smart Sensing. Disponível em: [28] LOBIN Intelligent TShirts Used to Monitor Patients Throughout the Hospital. Disponível em: [29] Disponível em: [30] SmartLife Technology. Disponivel em: [31] BLUEGIGA BLE112AV1 BLUETOOTH MODULE, CLASS 2, CHIP ANT. Disponivel em: [32] BLE112 DATA SHEET, BlueGiga, 20/12/

37 [33] Panasonic PAN1740 SingleMode Bluetooth Low Energy Module. Disponível em: ModeBluetoothLowEnergyModule.aspx [34] Place and Play Bluetooth Low Energy Module, Panasonic Corporation of North Amarica. [35] RN4020 Bluetooth Smart Module. Disponível em: [36] Bluetooth Low Energy Module, Microchip Technology Inc. Zhang, Wufei, Tutorial on LempelZiv Data Compression Algorithm, Dept. of Electrical Engineering University of Notre Dame Bo Yu, Liuqing Yang, ECG Monitoring over Bluetooth: Data Compression and Transmission, Department of ECE, University of Florida, Gainesville, FL and ChiaChin Chong DOCOMO USA Labs, 3240 Hillview Avenue, Palo Alto, CA Hyejung Kim, Yongsang Kim, Student Member, IEEE, and HoiJun Yoo, Fellow, IEEE, A Low Cost Quadratic Level ECG Compression Algorithm and Its Hardware Optimization for Body Sensor Network System, 30th Annual International IEEE EMBS Conference Vancouver, British Columbia, Canada, August 2024, 2008 ChiuYi Chen, YuTing Pai, and ShanqJang Ruan, Low Power Huffman Coding for High Performance Data Transmission, Department of Electronic Engineering National Taiwan University of Science and Technology No.43, Sec.4, Keelung Rd., Taipei, 106, Taiwan, R.O.C. Abhinandini U., Arpitha V., Madhuri C. R., Vijay V., Comparative Study On ECG Data Compression Methods, Department of Telecommunication, KSIT, India. Biodevices, SA, VitalJacket. Disponível em: Pinto, Cristina, Monitorização remota de doenças cardiovasculares: HeartCycle, Disponível em: r=267 37

38 Farias, Pedro, Vistaa, pela sua saúde. Disponível em: Murray, Charles, Microchip MCU Combines Low Power With Security. Disponível em: =ind_184,industry_consumer,aid_273927&dfplayout=article Murray, Charles, Bluetooth Module Enables Easy Implementation of LowPower Wireless. Disponível em: ind_184,industry_consumer,industry_machinery,aid_273942&dfplayout=article. 38