CEFET/RJ UnED Petrópolis Relatório de Estágio Supervisionado Empresa: CEFET/RJ UnED Petrópolis Curso: Técnico em Telecomunicações/TV Digital Estagiária: Elisa de Freitas Carneiro Telefones: (24) 2257-2876 /(24) 8819-2876 Petrópolis, de de.
Elisa de Freitas Carneiro Relatório referente às atividades exercidas no trabalho voluntário para estágio de 400 horas, supervisionado, realizado no CEFET/RJ UnED Petrópolis, no período de fevereiro a agosto de 2012. Supervisor: Professor Felipe da Rocha Henriques Curso Técnico em Telecomunicações/ TV Digital CEFET/RJ Dezembro de 2012 2
RESUMO Descrição das atividades realizadas e desenvolvidas no período de fevereiro a agosto de 2012, fazendo-se cumprir às 400 horas de estágio obrigatório. Tendo em vista o estudo e desenvolvimento da tecnologia de rede sem fio ZigBee com foco na área médica. As atividades são relacionadas à transmissão e a reconstrução de sinais de eletrocardiograma utilizando uma rede ZigBee. Essas atividades foram desenvolvidas sob supervisão do professor Felipe da Rocha Henriques, na UnED Petrópolis do CEFET/RJ. 3
SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO... 7 2. ESTÁGIO NA UNED PETRÓPOLIS CEFET/RJ... 8 2.1. PADRÃO DE REDE SEM FIO USADO... 8 2.1.1. ZigBee... 8 2.1.2. Aplicações... 8 2.1.2.1. Aplicação Médica... 8 3. O SINAL DE ELETROCARDIOGRAMA... 10 4. AVALIAÇÃO EXPERIMENTAL... 12 4.1. MÉTRICAS... 12 4.1.1. RSSI ( Received Stregth Signal Indicator)... 12 4.1.2. Taxa de Entrega de Pacotes... 13 4.1.3. Erro de Reconstrução do Sinal... 14 4.2. MÓDULO XBEE... 14 4.3. COMANDOS NO SOFTWARE X-CTU... 14 5. RESUTADOS EXPERIMENTAIS... 15 6. QUANTO À ADAPTAÇÃO E ATIVIDADES GERAIS... 17 7. CONCLUSÃO... 18 8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFIA... 19 ANEXOS... 20 4
IDENTIFICAÇÃO Da Empresa Empresa: CEFET/RJ UnED Petrópolis Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Foseca CNPJ: 42441758/0001-05 Endereço: Rua do Imperador, 971 Centro Petrópolis RJ CEP: 25.620-003 Tel.: (24) 2242-5716 Da Aluna Nome: Elisa de Freitas Carneiro Curso: Técnico em Telecomunicações/ TV Digital Matrícula: 0911272TELP Local do Estágio: CEFET UnED Petrópolis Data de início: Fevereiro de 2012 Data de término: Agosto de 2012 5
Área de atuação: Atuou se na área de Redes de Sensores Sem Fio, utilizando-se a tecnologia ZigBee, padrão que permite comunicação confiável, de baixo custo, baixo consumo de energia e baixas taxas de transmissão, até 250kbps, operando, no Brasil, na faixa de frequência não-licenciada de 2,4 GHz. Verificou-se a viabilidade da utilização desta tecnologia na área da saúde para o monitoramente remoto de pacientes. Objetivos do Estágio: O Estágio supervisionado tem como objetivo o contato, a análise e a compreensão do contexto real que é um elemento indissociável do conhecimento teórico. Ele é parte integrante do processo de formação em que se realiza a integração entre a teoria e a prática. O trabalho desenvolvido durante o estágio está relacionado ao projeto REConsTruct, que estuda a implementação do uso de uma rede ZigBee para transmissão e a reconstrução de sinais de eletrocardiograma (ECG). 6
1. INTRODUÇÃO Este relatório objetiva a descrição das atividades de estágio exercidas pela aluna Elisa de Freitas Carneiro na UnED Petrópolis do CEFET, que serviram para engrandecer a prática e a teoria da referida estudante na área de telecomunicações, em complemento aos pontos estudados realizados no Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca. Como complemento dos projetos desenvolvidos [1] no laboratório LEZig (Laboratório de Estudos e desenvolvimento em redes ZigBee) realizou-se a primeira etapa do estágio onde estudouse a morfologia do sinal de ECG, o padrão ZigBee e os módulos usados. Partiu-se então para etapa prática composta pela implementação de uma rede ZigBee para transmissão e reconstrução de um sinal de eletrocardiograma através de comunicação sem fio. Para isto, um computador foi ligado via porta serial à um módulo ZigBee transmissor e o sinal foi recebido por um módulo ZigBee que atua como sorvedouro também ligado via porta serial à um outro computador. Foram então analisados métricas, como a taxa de entrega, nível de potência (RSSI) e erro de reconstrução, variando-se as distâncias entre o transmissor e o receptor para verificação da viabilidade de implementação dessa rede ZigBee. 7
2. ESTÁGIO NA UnED PETRÓPOLIS CEFET/RJ 2.1. PADRÃO DE REDE SEM FIO USADO 2.1.1. ZigBee A tecnologia conhecida como ZigBee [2], base para a realização das atividades desse estágio, foi definida por um grupo de empresas de diferentes seguimentos do mercado chamado ZigBee Alliance. Essa tecnologia foi criada para disponibilizar a utilização de uma rede com baixa potência de operação e baixo consumo de energia. A ZigBee Allience trabalha nas camadas superiores desenvolvendo da camada de Redes à camada de aplicação, já o grupo 802.15.4 do IEEE ficou responsável pela criação das duas camadas mais baixas da tecnologia implementando a subcamada de Acesso ao Meio e a camada Física (vide anexo I). 2.1.2. Aplicações Qualquer aplicação que necessite de longa duração de bateria, baixo custo e tenha uma baixa transferência pode ser implementada utilizando a tecnologia Zigbee. Constatou-se durante levantamento bibliográfico diversas aplicações que podem aproveitar das características dessa tecnologia [2], como por exemplo: manutenção de rede elétrica; monitoramento de tropas inimigas; monitoramento de florestas e animais; automação de controles domésticos e industrial. monitoramento remoto de sinais biométricos de pacientes; 2.1.2.1. Aplicação Médica A aplicação considerada neste trabalho é o monitoramento remoto de pacientes. Esse monitoramento pode ser episódico utilizado em pacientes não-crítico, nesse caso a informação é coletada e armazenada para consultas futuras, contínuo, com a análise constante do estado de saúde do paciente; ou através do acionamento de um alarme caso o paciente atinja condições já estabelecidas. [3] 8
Nesse primeiro momento realizamos experimentos para observar a viabilidade da transmissão e reconstrução de dados biométricos através da tecnologia ZigBee. Produzimos através da simulação do sinal de eletrocardiograma um estudo que envolve redes de sensores sem fio para aplicação médica. Os dados do ECG foram gerados através da simulação com um computador, ligado via porta serial em um módulo ZigBee transmissor. O sinal é recebido por um módulo ZigBee, que atua como sorvedouro, ligado via porta serial em um computador, de modo a reconstruir o sinal. Pode-se observar no anexo II uma representação do ambiente experimental. Para avaliar a rede e a reconstrução do sinal, foram consideradas as seguintes métricas: Taxa de entrega de pacotes; Nível de sinal; Erro de Reconstrução; As atividades foram implementadas no Laboratório de Estudos e desenvolvimento de redes ZigBee (LEZig), que tem como o intuito motivar os alunos a desenvolverem, na prática, conteúdos abordados em sala de aula. 9
3. O SINAL DE ELETROCARDIOGRAMA Durante o estágio foram feitas pesquisas sobre o eletrocardiograma. Esse é um exame médico bastante utilizado e muito útil para a avaliação do impulso cardíaco, simplesmente por registrar as variações do potencial elétrico em vários pontos do corpo. Ele registra a atividade elétrica do coração durante duas fases distintas: a fase de sístole, que é a fase de contração dos músculos cardíacos e a fase de diástole, que é a fase de seu relaxamento. Através da análise dos componentes da atividade elétrica do coração, que são: a onda P, o complexo QRS e a onda T é possível analisar a condição cardíaca de uma pessoa. Onda P: Primeira onda de cada batimento. Representa o nível da atividade elétrica gerada pela ativação dos músculos localizados nos átrios. Possui pequena amplitude. Sua duração normal é aproximadamente de 100ms e sua amplitude 0,25mV. Uma onda P irregular ou ausente pode indicar presença de anomalia. Complexo QRS: Informa o comportamento da sístole dos ventrículos que, por sua, vez causa o bombeamento do sangue para o corpo. Resulta na deflexão mais significativa do ECG. A anomalia do complexo QRS pode ser um indicador de doenças graves. Sua duração varia entre 60 e 100ms. Onda T: Representa a recuperação dos músculos, repolarização dos ventrículos. É a preparação para um novo ciclo cardíaco. Sua duração é de aproximadamente 0.14s com amplitude de aproximadamente 0.35mV. Para além dessas ondas é ainda definido um conjunto de seguimentos, tais como: Seguimento PR: é o intervalo entre o final da onda P eu inicio do complexo QRS. Ocorre devido ao tempo que o estimulo elétrico leva para atingir os ventrículos. Dependendo da frequência cardíaca, leva em torno 120 a 210 ms. Seguimento ST: é o intervalo existente entre o final da onda S e o início da onda T. Representa o tempo em que os ventrículos estão em estado ativo e a repolarização ventricular pode ser iniciada. 10
Seguimento QT: é definido desde o inicio do complexo QRS até o fim da onda P. Representa a sístole elétrica ventricular, ou seja, é a duração total da atividade elétrica ventricular. Dura, em média, 0,4 s. O sinal de eletrocardiograma pode ser visualizado no Anexo III. 11
4. AVALIAÇÃO EXPERIMENTAL 4.1. MÉTRICAS 4.1.1. RSSI ( Received Stregth Signal Indicator) O RSSI representa a potência com que um sinal chega a um receptor e quanto mais próximo estiver o transmissor do receptor, a força do sinal transmitido na antena receptora aumentará. A estimativa da distância entre os nós, e consequentemente sua localização, pode ser determinada baseando-se em um Indicador de Potência de Sinal Recebido (Received Stregth Signal Indicator - RSSI). A equação (1), conhecida como Fórmula de Friis, relaciona a potência do sinal recebido com a distância a partir do qual foi transmitido [4]. (1) Onde, -PRX: Potência na antena receptora -PTX: Potência enviada pela antena de transmissão -GRX: Ganho da antena de recepção -GTX: Ganho da antena de transmissão -λ: Comprimento de onda -d: Distância em metros Para o módulo ZigBee utilizado neste trabalho e para a maioria das tecnologias de dispositivos de comunicação sem fio, o RSSI é expresso em dbm. A potência do sinal recebido é convertida em um indicador de intensidade do sinal recebido (RSSI), que é definido como a proporção entre a potência recebida com uma potência de referência (PRef). Normalmente a potência de referência é definida com um valor de Pref = 1mW. A equação 12
(2) do indicador do sinal recebido (RSSI) é dado por: (2) A potência do sinal foi calculada tendo como base o valor obtido pela utilização de funções disponibilizadas pelo software X-CTU, que indicam o valor da potência do sinal transmitido ou recebido ( Exemplo no anexo IV). 4.1.2. Taxa de Entrega de Pacotes Essa métrica é usada para avaliar a conectividade da rede. A utilização da taxa de entrega de pacotes como garantia da qualidade de serviço é de grande importância para o desempenho de aplicações médicas, assim como para transmissão de sinais de eletrocardiograma estudada nesse projeto. A qualidade da conexão representada pela taxa de entrega de pacotes é um ponto muito importante para o monitoramento de pacientes. A taxa de entrega de pacotes (TEP) é calculada pela quantidade de pacotes recebidos sobre a quantidade de pacotes enviados multiplicado por 100%. Como visto na equação (3): TEP Pa cot es Recebidos Pa cot es Enviados *100% (3) Consideramos Pacotes Recebidos como a quantidade de pacotes que chegam ao receptor (sorvedouro) e Pacotes Enviados como a quantidade de pacotes transmitidos pelo nó transmissor. Com a finalidade de se avaliar a conectividade da rede, foram realizados experimentos em diferentes cenários e diferentes distâncias entre o dispositivo transmissor e o receptor. A taxa de entrega de pacotes também foi calculada tendo como base o valor obtido pela 13
utilização de funções disponibilizadas pelo software X-CTU, vide anexo IV. 4.1.3. Erro de Reconstrução do Sinal Consideramos que o nó sensor monitora um sinal um sinal de ECG, f (t). A reconstrução do sinal f (t) ocorre no sorvedouro, a partir das amostras recebidas por ele, gerando um sinal reconstruído fˆ (t). Portanto, é importante avaliarmos o erro de reconstrução do sinal monitorado pela rede. Neste trabalho, consideramos o erro de reconstrução, definido pela equação (4). ER (t) = f (t) - fˆ (t) (4) 4.2. MÓDULO XBEE As atividades abaixo descritas foram realizadas e desenvolvidas com o auxílio de módulos XBEE [5] vide anexo V e do software X-CTU, ambos do fabricante DIGI. Para determinar a eficiência da transmissão e recepção do sinal de eletrocardiograma através da módulos foi utilizado um sinal de ECG artificial obtido por meio das componentes PQRST. Para a obtenção desse sinal artificial foi utilizado o algoritmo ecgsyn [6]. 4.3. COMANDOS NO SOFTWARE X-CTU O modo API e o modo AT são os dois possíveis modos de comunicação usados pelo X- CTU, para a realização dos testes em laboratório foi utilizado o modo AT. Com os comandos do modo de comunicação AT, houve a possibilidade de endereçar, configurar e ler parâmetros provenientes dos módulos. Através da aba terminal ou da aba modem configuration do software foi possível configurar os módulos. No Anexo VI podemos visualizar a aba terminal onde é possível digitar comandos para a procura de dispositivos na rede, assim como verificar alguns parâmetros de rede. Na aba modem configuration que pode ser visualizada no anexo VII os módulos configuram- se automaticamente, apenas com a identificação da rede em que o dado dispositivo irá se associar. 14
5. RESUTADOS EXPERIMENTAIS Para verificar a viabilidade de se implementar uma rede ZigBee para transmissão e reconstrução do sinal de eletrocardiograma foram analisados métricas, como a taxa de entrega, nível de potência (RSSI) e erro de reconstrução e variou-se a distância entre o Tx e Rx de 1m, 6m e 10m. No último caso os mesmos estavam em andares distintos da UnED, considerando também paredes entre os dois dispositivos. Inicialmente verificou-se o nível de potência do sinal, a taxa de entrega dos pacotes e o erro de reconstrução em função da distância em torno 1 metro, estando os dispositivos transmissor e receptor dentro da mesma área de alcance em visada direta. Como pode ser visto no anexo VIII, foram realizados cinco simulações para o cálculo médio, o desvio padrão e o intervalo de confiança que é utilizado para se obter medidas de incerteza dos dados analisados. Considerou-se o intervalo de confiança de 95% para a média. A uma distância de um metro o sinal se manteve em média - 40,4 dbm e verificou-se 100% de aproveitamento em relação à taxa de entrega de pacotes. Para os testes foram utilizadas 2500 amostras do sinal de ECG tendo visto no anexo XI que para essa dada distância a presença do erro de reconstrução é muito pequeno, quase nulo. Verificou-se os mesmos parâmetros analisados para distância acima como nível de potência (RSSI), taxa de entrega, e erro de reconstrução, agora em função da distância de seis metros também em visada direta, tendo visto no anexo IX que para esta dada distância a potência média do sinal foi de -70 dbm, e taxa de entrega foi em média 96,45%, para o mesmo número de amostras 2500 o erro de reconstrução aumentou como pode ser visto no anexo XI. Com o aumento da distância foi visto que a potência do sinal diminuiu como era de se esperar, assim como a taxa de entrega dos pacotes. Para o cenário de 10 metros o sinal foi transmitido de uma sala do primeiro andar do CEFET para a coordenação no segundo andar. Desta forma, as simulações não foram feitas em visada direta, existindo obstáculos entre o transmissor e o receptor, como paredes por exemplo. Pode-se observar no anexo X que a potência do sinal média foi de -92 dbm, e a taxa de entrega de pacotes foi de 95,87%. Houve uma pequena perda de pacotes e perda de potência de transmissão, e o erro na reconstrução foi maior como visto no anexo XI. Contudo, para essa distância quase todos os pacotes foram entregues corretamente ao destino. Espera-se melhorar esses resultados com a utilização de roteadores, de modo a se estender a área de cobertura da rede e também mitigar os efeitos dos obstáculos. 15
Com as simulações realizadas podemos analisar os resultados obtidos através dos gráficos RSSI x distância (vide anexo XII), taxa de entrega x distância (vide anexo XIII) e erro de reconstrução comparando o sinal original, com os sinais referentes às demais distâncias (vide anexo XIV). Verificou-se então a viabilidade de implementação da rede ZigBee para transmissão e reconstrução do sinal de eletrocardiograma, nesse caso para distâncias não muito grandes até 10 metros. Observou-se que apesar do nível de potência ser bem pequeno para essa distância obteve-se uma taxa de entrega de pacotes bem elevadas com o mínimo de 95,87% em média. O sinal reconstruído não teve uma mudança significativa em relação ao original sendo possível a utilização dessa tecnologia na área médica para transmissão do sinal de ECG. 16
6. QUANTO À ADAPTAÇÃO E ATIVIDADES GERAIS Devido ao estágio ser realizado no CEFET, onde foram realizadas as aulas teóricas de todo curso a adaptação ocorreu sem problemas. O professor supervisor Felipe da Rocha Henriques ajudou bastante na adaptação estando sempre à disposição para esclarecimentos de possíveis dúvidas. Para o desenvolvimento do projeto, havia o material necessário, permitindo que a estagiária desempenhasse suas funções, concretizando o objetivo do estágio, que é preparar a então estagiária para o verdadeiro exercício de sua profissão. As atividades realizadas estiveram voltadas ao complemento dos projetos realizados no laboratório automatizado na UnED Petrópolis CEFET/RJ. Foram explorados os recursos oferecidos pela tecnologia ZigBee, com foco principal na área médica. Desse modo, testes para verificação da viabilidade de transmissão e recepção entre os módulos, dentro da UnED foram essenciais. Comprovando-se e registrando-se a possibilidade de implementação dessa tecnologia para essa aplicação. 17
7. CONCLUSÃO As características como baixo consumo de energia, baixo custo, segurança, confiabilidade, interoperabilidade e a criação de uma rede de dispositivos e sensores que conversem entre si ou com a base de forma coordenada faz do padrão ZigBee uma solução atualmente ideal para diversas aplicações como foi visto no trabalho, assim como para aplicações médicas. O trabalho consiste principalmente no estudo de uma aplicação médica que através do uso de métricas como RSSI, taxa de entrega e erro de reconstrução garanta a qualidade do serviço. Observou-se com os resultados encontrados nas simulações, que é viável a implementação da tecnologia ZigBee para essa dada aplicação. Com as atividades realizadas no estágio, conhecimentos teóricos que foram adquiridos ao longo do curso puderam ser aplicados na prática possibilitando uma interação bastante construtiva entre esses aspectos. Petrópolis, de de. Assinatura 18
8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFIA [1] DE MORAES, Dayana Kelly Turquetti; Relatório de Estágio CEFET/RJ UnED Petrópolis, Agosto 2011. [2] CAPRILE, S. R., Xbee Desarollo de aplicaciones con comunicación remota baseadas en módulos ZigBee y 802.15.4., Editora Albacore, 2009. [3] VASQUES, Bruna; COUTINHO, Igor; LIMA, Manuela; CARNEVAL, Vitor. ZigBee. Disponível em: <http://www.gta.ufrj.br/grad/10_1/zigbee/index.html>. Acesso em: 23 jun. 2012. [4] Ralf Grossmann, Jan Blumenthal, Frank Golatowski, Dirk Timmermann, Localization in Zigbee-based Sensor Networks, Intelligent Signal Processing, 2007. WISP 2007. IEEE International Symposium on, 3-5 October 2007. [5] MESSIAS, Antonio Rogério. Rogercom. Disponível em: <www. rogercom.com.br >. Acesso em: 27 jun. 2012. [6] Patrick McSharry. ECGSYN: A Realistic ECG Waveform Generator. Disponível em: < http://www.physionet.org/physiotools/ecgsyn/>. Acesso em: 10 março 2012. 19
ANEXOS Anexo I. Camadas do 802.15.4 e ZigBee Anexo II. Ambiente Experimental 20
Anexo III. Exemplo do sinal de eletrocardiograma Sinal de Eletrocardiograma Anexo IV. Exemplo RSSI e Taxa de Entrega teste de alcance e taxa de entrega de pacotes 21
Anexo V. Exemplo de um módulo XBEE. Módulo XBEE Anexo VI. Aba terminal do software X-CTU. Aba terminal 22
Anexo VII. Aba modem configuration do software X-CTU. Aba modem configuration Anexo VIII. Resultados obtidos para distância de 1m entre Tx e Rx. Simulação 1m Simulação RSSI (dbm) Taxa de Entrega (%) 1-40 100,0000 2-40 100,0000 3-41 100,0000 4-40 100,0000 5-41 100,0000 Média -40,4000 100,0000 Desvio Padrão 0,5477 0,0000 Intervalo Conf 0,6801 0,0000 Medições de campo 23
Anexo IX. Resultados obtidos para distância de 6m entre Tx e Rx Simulação 6m Simulação RSSI (dbm) Taxa de Entrega (%) 1-69 91,2800 2-71 99,0000 3-70 94,4000 4-70 99,9200 5-70 95,0400 Média -70,0000 96,4533 Desvio Padrão 0,7071 3,5391 Intervalo de Confiança 0,8780 2,5317 Medições de campo Anexo X. Resultados obtidos para distância de 10m entre Tx e Rx Simulação 10m com obstáculo Simulação RSSI (dbm) Taxa de Entrega 1-91 99,8000 2-93 96,0000 3-92 87,3600 4-92 99,6400 5-92 96,5600 Média -92,0000 95,8720 Desvio Padrão 0,7071 6,3891 Intervalo de Confiança 0,8780 4,5705 Medições de campo 24
Anexo XI. Resultados referente ao Erro de reconstrução do sinal reconstruído Erro de reconstrução x distância 25
Anexo XII. Demonstração Gráfica RSSI 26
Anexo XIII. Demonstração Gráfica Taxa de Entrega de Pacotes 27
Anexo XVI. Demonstração Gráfica Sinal original e reconstruído sobrepostos 28