Monografia_Elétrica_G3_Final_v7

7/22/2019 Monografia_Eltrica_G3_Final_v7

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UNIVERSIDADE PAULISTA

ALYSSON CELSO DE ALMEIDA SILVADANIEL DA SILVA SANTOSRAFAEL MACHADO FERNANDES DE MENDONA

SAMUEL HENRIQUE DE OLIVEIRATHIAGO NONIS

MONITORAMENTO REMOTO DA FREQUNCIA CARDIACA EM AMBIENTESHOSPITALARES UTILIZANDO REDE ZIGBEE

ARARAQUARA

2013


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ALYSSON CELSO DE ALMEIDA SILVADANIEL DA SILVA SANTOS

RAFAEL MACHADO FERNANDES DE MENDONASAMUEL HENRIQUE DE OLIVEIRA

THIAGO NONIS

MONITORAMENTO REMOTO DA FREQUNCIA CARDIACA EM AMBIENTESHOSPITALARES UTILIZANDO REDE ZIGBEE

Trabalho de Concluso de Curso

(monografia) apresentado para a

obteno do ttulo de Bacharel em

Engenharia Eltrica (nfase eletrnica) noInstituto de Cincias Exatas e Tecnologia,

da Universidade Paulista (ICET/UNIP).

Orientador: Me. Luciano Cssio Lulio

ARARAQUARA

2013


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ALYSSON CELSO DE ALMEIDA SILVADANIEL DA SILVA SANTOS

RAFAEL MACHADO FERNANDES DE MENDONASAMUEL HENRIQUE DE OLIVEIRA

THIAGO NONIS

MONITORAMENTO REMOTO DA FREQUENCIA CARDIACA EM AMBIENTESHOSPITALARES UTILIZANDO REDE ZIGBEE

Monografia de Concluso de Curso para

obteno do ttulo de Bacharel em

Engenharia Eltrica (Eletrnica)

apresentado Universidade Paulista

UNIP.

Aprovado em:

BANCA EXAMINADORA

______________________________________________________/____/________Orientador: Prof. MSc. Luciano Cssio Llio

UNIVERSIDADE PAULISTAUNIP

______________________________________________________/____/________Prof. Dr, Pedro Bertarini


______________________________________________________/____/________Prof. Roberval Catholico



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AGRADECIMENTOS

Primeiramente aos nossos familiares que, com carinho e apoio, no mediram

esforos para que chegssemos at esta etapa de nossa vida.

Ao professor Luciano Lulio, pela sua orientao, sua erudio e seus

questionamentos crticos, pontos de suma importncia para o desenvolvimento deste

trabalho.

Aos colegas de sala pelas opinies emitidas, pelo profissionalismo,

disponibilidade e cordialidade em nos receber, alm de emitir diversas contribuiespara o desenvolvimento deste trabalho.


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Se o dinheiro for a sua esperana de

Independncia, voc jamais a ter.

A nica segurana verdadeira consiste

numa reserva de sabedoria, de

experincia e de competncia

(Henry Ford)


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RESUMO

ALMEIDA, A. C., MENDONA, R. M. F., NONIS, T., OLIVEIRA, S. H., SANTOS, D.

S., MONITORAMENTO REMOTO DA FREQUENCIA CARDIACA EM AMBIENTE

HOSPITALAR UTILIZANDO REDE ZigBee. 83 p. Trabalho de Concluso de Curso,

Instituto de cincias e tecnologia (UNIP/ICET), campus AraraquaraSP, 2013.

Unidades de Tratamento/Terapia Intensiva (UTI) de ambientes hospitalares pblicos

e particulares apresentam necessidade constante de internao de pacientes e poucafacilidade no monitoramento destes, em que os dados referentes ao batimentos por

minuto (bpm) do corao devem ser processados e interpretados a todo instante por

uma equipe dedicada ao trabalho. Tal necessidade tratada localmente, dificultando

o acesso imediato e ininterrupto por equipes mdicas aos pacientes envolvidos.

Devido a estes problemas, o projeto consiste em um monitor cardaco remoto, para

inspeo e anlise dos batimentos cardacos em pacientes com tendncia a

taquicardia e bradicardia. O prottipo desenvolvido composto por um circuitoeletrnico com microcontrolador PIC16F913, mdulos de comunicao sem fio ZigBee

responsveis pela transmisso dos dados em uma malha de rede com uma central

(host) e um monitor cardaco local conectado ao paciente, e o aplicativo supervisrio

em linguagem C# que interpreta e manipula em tempo real no host, todas as

informaes compatveis e derivadas dos batimentos cardacos de pacientes. Como

resultados obteve-se um monitor cardaco robusto e eficaz, capaz de: realizar a

aquisio, condicionamento, transmisso e exibio do sinal, eliminar rudos externos

por filtros analgicos e digitais, transmitir dados com alcance considervel e de baixo

consumo de energia. Conclui-se que o projeto pode minimizar as deficincias de

tratamento local de pacientes em ambientes hospitalares, com consumo de energia

eficiente e monitoramento remoto de pacientes.

Palavras-chave: Transmisso sem fio, Fisiologia do corao, Monitoramento

Cardaco, Linguagens de programao, Circuitos eletrnicos.


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ABSTRACT

ALMEIDA, A. C., MENDONA, R. M. F., NONIS, T., OLIVEIRA, S. H., SANTOS, D.

S., REMOTE MONITORING OF HEART RATE IN A HOSPITAL ENVIRONMENT

USING ZigBee NETWORK. 83 p. Course Conclusion Work, Institute of Exact and

Technological Sciences(UNIP/ICET), campus AraraquaraSP, 2013.

Public and private Intensive Care Units (ICU) have constant need of inpatient and little

facility in the monitoring of these, wherein the heart beats per minute (bpm) data must

be frequently processed and interpreted by a dedicated team. This necessity is treated

locally, causing delay in the immediate and uninterrupted access to the patients by

medical staff. Because of these problems, the proposed project consists in a remote

heart rate monitor for inspection and analysis of heart rate in patients with a tendency

to tachycardia and bradycardia. The prototype consists in an electronic circuit with

PIC16F913 microcontroller, ZigBee wireless communication modules that transmits

data in a mesh network with a central (host) and a heart rate monitor circuit connected

to the patient and a C# developed application that interprets and manipulates allinformation, from the remote heart rate monitor circuit, in real time on the host. The

results obtained are a robust and effective cardiac monitor, able to: heart beating data

acquisition, conditioning, transmission and display of the computed signal; eliminate

external noise using analog and digital filters and transmit data with considerable range

and low power consumption. It is concluded that the prototype can minimize the

deficiencies of local treatment of patients in hospitals environment, with efficient power

consumption and able to remote monitoring.

Keywords: 1.Wireless transmition; 2. Hearts fisiology; 3. monitoring of heart;

4.Programations languages; 5.Electronics circuits.


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LISTA DE ILUSTRAES

Figura 2.1 Estrutura de um corao humano. Disponvel em www.isaude.net. ........ 17

Figura 2.2 Esquema de circulao sangunea. Fonte: Adaptado de Salles, 2008, p.

102. ........................................................................................................................... 19

Figura 2.3 Esquema de sinais do comportamento do corao. Fonte: Salles, 2008, p.

233. ........................................................................................................................... 20

Figura 2.4 Exemplo um emissor de luz e um fotodetector. Fonte: Elaborado pelo autor.

.................................................................................................................................. 23

Figura 2.5 Exemplo da aplicao de fotopletismografia. Fonte: Disponvel emHttp://embedded-lab.com .......................................................................................... 24

Figura 2.6 Sinal caracterstico do PPG. Fonte: GAN, 2009, p. 48. ............................ 24

Figura 2.7 Padres Wireless. Fonte: Adaptado de Wireless Network, Tecnologias, Lan

Core Networks 2011. ................................................................................................. 25

Figura 2.8 Aplicaoes da tecnologia ZigBee. Fonte: Disponivel em

www.rogercom.com. .................................................................................................. 27

Figura 2.9 Camadas de protocolos ZigBee. Fonte: Adaptado de PINHEIRO, 2011. . 28Figura 2.10 topologias de rede: estrela, rvore e malha. Fonte: Disponivel em

www.zigbee.org. ........................................................................................................ 31

Figura 2.11 dispositivo Xbee fabricado pela Digi International e utilizado neste projeto.

Fonte: Disponivel em www.digi.com. ......................................................................... 33

Figura 2.12 Modo de comunicao Transparente. Fonte: Adaptado de Ramos, 2012,

p. 94. ......................................................................................................................... 35

Figura 2.13 Estrutura do frame API. Fonte:SOCORRO, 2012 .................................. 36

Figura 2.14 Transmissao em Unicast. Fonte: adaptado de FARAHANI, 2008. ......... 38

Figura 2.15 Transmissao em Multicast. Fonte: Disponivel em www.digi.com. .......... 38

Figura 2.16 Interface do software X-CTU. Fonte:print screenda aplicao no sistema

operacional Windows 7. ............................................................................................ 39

Figura 2.17 Amplificador operacional. Fonte: WENDLING, 2010. ............................. 43

Figura 2.18 Amplificador operacional inversor com sinal em corrente alternada. Fonte:

WENDLING, 2010. .................................................................................................... 44

Figura 2.19 Amplificador operacional no inversor com sinal em corrente alternada.

Fonte: WENDLING, 2010. ......................................................................................... 44


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Figura 2.20 PIC modelo 16F913, Fonte: datasheet Microchip Technology, 2007..... 45

Figura 3.1 Viso geral da rede proposta. Fonte: Elaborado pelo autor. .................... 46

Figura 3.2 Viso geral da unidade remota. Fonte: Elaborado pelo autor. ................. 47

Figura 3.3 Funcionamento do sensor de sinais PPG. Fonte: Disponvel em embedded-

lab.com. ..................................................................................................................... 48

Figura 3.4: Circuito de aquisio do sinal de BPM. Fonte: Elaborado pelo autor. ..... 49

Figura 3.5 Circuito de filtragem e amplificao do sinal. Fonte: Elaborado pelo autor.

.................................................................................................................................. 50

Figura 3.6 Exemplo Processo de Mediana. Fonte: Elaborado pelo autor. ................ 54

Figura 3.7 Circuito de digitalizao e filtrao digital. Fonte: Elaborado pelo autor. . 54

Figura 3.8 Circuito regulador de tenso. Fonte: Elaborado pelo autor. ..................... 55

Figura 3.9 layout do circuito das placas desenvolvidas. Fonte: Elaborado pelo autor.

.................................................................................................................................. 56

Figura 3.10 Simulao 3D dos circuitos desenvolvidos. Fonte: Elaborado pelo autor.

.................................................................................................................................. 56

Figura 3.11 Diagrama de Pinos do ModuloXBee. Fonte: adaptado de RAMOS, 2012.

.................................................................................................................................. 57

Figura 3.12 RedeXBee/ZigBee. Fonte: Elaborado pelo autor. ................................. 58Figura 3.13 Placa CON-USBBEE. Fonte: Disponvel em www.rogercom.com. ........ 59

Figura 4.1 Teste de Alcance da rede. Fonte: Elaborado pelo autor. ......................... 62

Figura 4.2 Placa inferior do prottipo. Fonte: Elaborado pelo autor. ......................... 63

Figura 4.3 Placa superior do prottipo. Fonte: Elaborado pelo autor. ....................... 63

Figura 4.4 Prottipo da unidade remota e sensor. Fonte: Elaborado pelo autor. ...... 64

Figura 4.5 Interior da unidade remota. Fonte: Elaborado pelo autor. ........................ 64

Figura 4.6 Estao coordenadora. Fonte: Elaborado pelo autor. .............................. 66Figura 4.7 Comparao de sistemas com filtro, imagem a, e sem filtro, imagem b,

utilizando software X-CTU. Fonte: print screenda aplicao no sistema operacional

Windows 7. ................................................................................................................ 66

Figura 4.8 Grficos referentes aos dados da figura 4.7. Fonte: Elaborado pelo autor.

.................................................................................................................................. 67

Figura 4.9 Software de monitoramento cardaco. Fonte:print screenda aplicao no

sistema operacional Windows 7. ............................................................................... 68

Figura 4.10 Fluxograma do Software de monitoramento cardaco. Fonte: Elaborado

pelo autor. ................................................................................................................. 69


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Figura 4.11 Diagrama de Bode para os dois filtros passa banda. Fonte: print screen

da aplicao no sistema operacional Windows 7. ..................................................... 70

Figura 4.12 Comparao de medies de BPM entre monitor cardaco desenvolvido,

a esquerda, e monitor cardaco do hospital, a direita. Fonte: Elaborado pelo autor.. 71

Figura 4.13 Testes com paciente da Unidade de Atendimentos Emergncias. Fonte:

Elaborado pelo autor. ................................................................................................ 72


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LISTA DE TABELAS

Tabela 1 Comparativo de idade e bpm ideal ............................................................. 21

Tabela 2 Especificaes da Camada Fsica.............................................................. 29

Tabela 3 Comparao com outras tecnologias Wireless .......................................... 32

Tabela 4 especificaes dos mdulos XBee e XBee PRO ....................................... 34

Tabela 5 Consumo do prototipo desenvolvido .......................................................... 65


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LISTA DE ABREVIATURAS

UTI - Unidades de Tratamento/Terapia Intensivo

BPM- batimentos por minuto

ECGEletrocardiograma

WLANs - Wireless Local Area Networks (Rede local sem fio)

NWK- Network Layer (Camada de Rede)

APL - Application Layer (Camada de Aplicao)

WPAN - Wireless Personal Area Network (Rede sem fio pessoal)

WSN - Wireless Sensor Network (Rede de Sensores Sem Fio)PHYPhysical (Fisico)

MAC- Medium Access Control (Controle de Acesso Medio)

APL- Application Layer (Camada de Aplicao)

ZDO- ZigBee Device Objects (Dispositivo ZigBee)

APS- Application SubLayer (Subcamada de Aplicao)

PWMPulse with Modulation (Pulso com modulao)

WiMax- Worldwide interoperability for Microwave Access (Interoperabilidade Mundialpara Acesso de Micro-ondas)

Wi-fi - Wireless Fidelity(Fidelidade sem fio)

PAN- Personal Area Network(Rede de rea Pessoal)

CCP - Capture, Compare and PWM (Comparao, Captura e PWM)

PPGPhotoplethysmography(Fotopletismografia)

GHZGigahertz


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SUMRIO

1. INTRODUO ............................................................................................... 15

1.1 Motivao para o Trabalho ............................................................................. 15

1.2 Objetivo .......................................................................................................... 16

1.3 Organizao do Trabalho ............................................................................... 16

2. FUNDAMENTAO TERICA ..................................................................... 17

2.1 Fisiologia do corao ...................................................................................... 17

2.1.1 Atividade eltrica do corao .................................................................... 19

2.1.2 A importncia do monitoramento cardaco................................................ 21

2.2 Pletismografia ................................................................................................. 23

2.3 Comunicao .................................................................................................. 24

2.3.1 Tecnologias sem fio ......................................................................................... 25

2.4 ZigBee ............................................................................................................ 26

2.4.1 Padro ZigBee.......................................................................................... 27

2.4.2 Camadas 802.15.4 (PHY e MAC) ............................................................. 28

2.4.3 Camada de rede (NWK)............................................................................ 292.4.4 Camada de Aplicao (APL) ..................................................................... 30

2.4.5 Formao e Topologias de uma rede ZigBee........................................... 30

2.4.6 Comparao com outras tecnologias ........................................................ 32

2.5 DispositivoXBee/ZigBee ................................................................................ 33

2.5.1 Modos de Comunicao ........................................................................... 34

2.5.2 Modos de operao .................................................................................. 36

2.5.3 Transmisso e roteamento de dados ........................................................ 37

2.5.4 Configurao dos mdulosXBee.............................................................. 39

2.5.5 Regulamentao Legal ............................................................................. 40

2.6 Software ......................................................................................................... 40

2.6.1 Supervisrio VS C# ................................................................................... 41

2.7 Hardware ........................................................................................................ 42

2.7.1 Amplificadores operacionais ..................................................................... 42

2.7.2 Tenso de offset ....................................................................................... 43

2.7.3 Configuraes do amplificador operacional .............................................. 43

2.7.4 Amplificador com sinais em corrente alternada ........................................ 43


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2.8 Microcontroladores PIC .................................................................................. 45

2.8.1 O PIC modelo 16F913 .............................................................................. 45

3. MATERIAIS E MTODOS ............................................................................. 46

3.1 Unidade Remota ............................................................................................. 47

3.2 Hardware ........................................................................................................ 47

3.2.1 Mdulo de aquisio do sinal .................................................................... 48

3.2.2 Mdulo de filtragem e amplificao ........................................................... 49

3.2.3 Mdulo de digitalizao do sinal ............................................................... 52

3.2.4 Montagem do circuito eletrnico ............................................................... 55

3.3 Mdulo ZigBee ............................................................................................... 57

3.4 Unidade de monitoramento e processamento. ............................................... 58

3.5 Estao coordenadora .................................................................................... 59

3.6 Software ......................................................................................................... 59

4. RESULTADOS ............................................................................................... 61

4.1 Alcance das Transmisses ............................................................................. 61

4.2 Aspecto Final do Prottipo .............................................................................. 62

4.3 Consumo de Energia ...................................................................................... 65

4.4 Integrao com Software de Monitorao ...................................................... 654.5 Anlise da resposta em frequncia do filtro passa banda .............................. 70

4.6 Teste do prottipo em um ambiente hospitalar ............................................... 70

5. CONCLUSES .............................................................................................. 73

5.1 Trabalhos Futuros .......................................................................................... 73

6. REFERNCIAS .............................................................................................. 75

ANEXO I ....................................................................................................................80

APNDICE A .............................................................................................................81


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1. INTRODUO

Ao longo dos ltimos anos, o desenvolvimento da eletrnica vem

proporcionando dispositivos como sensores e transceptores cada vez menores e com

menor consumo de energia. As tecnologias que permitem o monitoramento remoto de

pessoas e equipamentos, a todo momento e em todo lugar, vem emergindo e se

tornando um recurso cada vez mais utilizado na sociedade atual e em constante

desenvolvimento. Tal desenvolvimento possibilita que dispositivos sejam otimizadas

para o uso destes pelos mdicos, enfermeiros e dentistas, de forma a aumentar a

eficincia, agilidade e reduo de custos de operao pela equipe mdica. Destaforma, este projeto foi desenvolvido para facilitar o trabalho dos profissionais da

sade, permitindo que estes se concentrem mais nas prioridades de atendimento,

liberando estes profissionais do monitoramento constante de pacientes.

1.1 Motivao para o Trabalho

Os hospitais, em geral os mais conservadores, so carentes de novas

tecnologias que facilitem o acesso a um atendimento mais adequado para o paciente,

na maioria das vezes o atendimento no feito de maneira adequada devido

ausncia de recursos financeiros, disponibilidade de profissionais, quantidade de

leitos disponveis, dentre outros. Alm disso o custo de internao de um paciente,

principalmente de um idoso, muito alto (PEIXOTO, 2004).

As Redes de Sensores Sem Fio que representam uma tecnologia emergenteque tem proporcionado um crescimento significativo das perspectivas industriais e

cientficas em todo o mundo. O avano da eletrnica tem permitido o desenvolvimento

de sensores e transceptores com consumo de energia e dimenses cada vez

menores. Assim, o uso de sensores sem fio organizados em rede com o objetivo de

monitorar e controlar um determinado ambiente, como o de um hospital, uma forte

tendncia para os prximos anos.


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1.2 Objetivo

O objetivo deste trabalho implementar um sistema de monitoramentocardaco de pacientes em um ambiente hospitalar e assim identificar situaes de

bradicardia e taquicardia, baseado em uma rede de sensores sem fio composta por

mdulosXBee/ZigBee. Cada paciente ser equipado com um sensor de batimentos

cardacos, e assim a informao ser enviada atravs do moduloXBee/ZigBeepara

uma central de monitoramento.

1.3 Organizao do Trabalho

A apresentao dos principais conceitos utilizados no desenvolvimento deste

projeto apresentado no capitulo 2, onde estudou-se a fisiologia do corao,

sensoriamento do corao e tecnologias de comunicao sem fio. A metodologia

utilizada no desenvolvimento apresentada no capitulo 3, onde explicado de forma

detalhada os matrias e mtodos empregados no desenvolvimento do prottipo dacentral de monitoramento proposta. No captulo 4 apresentado os resultados

obtidos com o prottipo desenvolvido, atravs de testes sobre o alcance das

transmisses, consumo de energia e a integrao com o software de monitorao.

Finalmente, o capitulo 5 apresenta as concluses obtidas a partir deste projeto e

recomendaes para trabalhos futuros.


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2. FUNDAMENTAO TERICA

Este capitulo limita-se a apresentao dos conceitos utilizados no

desenvolvimento do projeto. Inicia-se com o estudo sobre a fisiologia do corao. Em

um segundo tpico define-se conceitos utilizados para o monitoramento do corao e

finalmente conceitos utilizados para a comunicao sem fio.

2.1 Fisiologia do corao

O corao um rgo oco, aproximadamente esfrico, tem o tamanho de uma

mo fechada e pesa cerca de 300g, constitudo de paredes musculares que delimitam

quatro cmaras - os trios direito e esquerdo (cmaras superiores), e os ventrculos

direito e esquerdo (cmaras inferiores). O trio direito e o ventrculo direito constituem

o corao direito, ou lado direito do rgo, e o trio esquerdo e ventrculo esquerdo

integram o corao esquerdo, ou lado esquerdo do rgo (SOBOTTA, 2009). Est

localizado na regio centro-lateral da caixa torcica, pendendo para a esquerda, tendo

sua ponta inferior situada prxima ao mamilo esquerdo, e sua base superiormente

situada no centro do trax, como visto ver na figura 2.1.

Figura 2.1 Estrutura de um corao humano. Disponvel em www.isaude.net.


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Os trios esto separados pelo septo interarterial, e os ventrculos pelo septo

interventricular. Entre o trio esquerdo e o ventrculo esquerdo, separando as duas

cavidades, encontra-se a valva mitral; entre o trio direito e o ventrculo direito est a

valva tricspide. Para o trio direito drenam diretamente as veias cavas superior e

inferior, que so os condutores terminais do sangue que vem de todas as partes do

organismo.

No ventrculo esquerdo tem-se a artria aorta, que leva sangue para todo o

organismo, por meio das suas ramificaes arteriais; na sada do ventrculo esquerdo

situa-se a valva artica, a qual separa a cavidade ventricular da aorta. Do ventrculo

direito emerge a artria pulmonar, que conduz do sangue em direo aos pulmes;

entre a sada da cavidade ventricular direita e o incio da artria pulmonar encontra-se a valva pulmonar (RUNGE, 2006). Assim, o corao composto de uma estrutura

muscular espessa, de cerca de 1 a 2 cm, denominada miocrdio, que integra as

paredes das cavidades atriais e ventriculares.

O miocrdio est envolto externamente por uma estrutura membranosa, que

o pericrdio, cuja funo proteger o miocrdio e permitir o suave deslizamento das

paredes do rgo durante o seu funcionamento, pois contm um lquido que lubrifica

seu interior. Internamente, o miocrdio recoberto pelo endocrdio, que se constituina membrana de proteo interna que fica em contato com o sangue, separando a

musculatura, do interior das cavidades do rgo. O corao possui tambm um grupo

de valvas intracavitrias, as quais tm a funo de direcionar o fluxo de sangue em

um nico sentido no interior do corao (SOBOTTA, 2009).

Por definio um ciclo cardaco ocorre desde o incio do batimento cardaco at

o incio do batimento seguinte. Em mdia a cada minuto, 72 ciclos cardacos so

concludos, a estes ciclos d-se o nome de frequncia cardaca. O processo pode sermelhor visualizado na Figura 2.2.


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Figura 2.2 Esquema de circulao sangunea. Fonte: Adaptado de Salles, 2008, p. 102.

2.1.1 Atividade eltrica do corao

O corao um rgo ativado por estmulos eltricos e pode ser comparado a

uma bomba hidrulica. Esta bomba bate em mdia 100 mil vezes por dia, devendo

ser eficaz durante toda a nossa vida. As paredes musculares de cada uma das

cmaras citadas anteriormente, se contraem em uma sequncia precisa,

impulsionando um fluxo mximo de sangue com o menor desgaste de energia

possvel (RUNGE, 2006). A contrao do corao controlada por uma descarga

eltrica que flui atravs de vias eltricas do sistema de conduo, em um fluxo

controlado, a frequncia da descarga eltrica influenciada pelos impulsos nervosos

e pelos nveis de hormnios que circulam na corrente sangunea.

Frequncias cardacas baixas (bradicardia) podem ser normais em adultos

jovens, geralmente entre aqueles que apresentam um bom condicionamento fsico.

Variaes so normais durante as atividades do dia, assim como certas drogas e

substncias como a nicotina do cigarro e o lcool.

Quando um impulso eltrico flui sobre os trios direito e esquerdo (cmaras

cardacas superiores), fazendo que estes se contraiam, o sangue imediatamente ser

deslocado para os ventrculos (cmaras cardacas maiores e inferiores). Quando o

impulso eltrico chega ao n atrioventricular (estao intermediria do sistemaeltrico), este impulso sofre um ligeiro retardo. Em seguida o impulso eltrico


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20

dissemina-se ao longo do feixe de Hiss (SOBOTTA, 2009), o qual divide-se em ramo

direito (direcionado para o ventrculo direito) e ramo esquerdo (direcionado para o

ventrculo esquerdo). Este ltimo dividido em dois fascculos: o anterossuperior

esquerdo e o pstero-inferior direito.

Na sequncia o impulso eltrico atinge os ventrculos fazendo com que estes

se estimulem (sstole ventricular), permitindo a sada de sangue para fora do corao.

O ventrculo esquerdo ejeta o sangue para o crebro, msculos e outros rgos do

corpo humano. Ao mesmo tempo o ventrculo direito ejeta o sangue exclusivamente

para a circulao do pulmo, para que este sangue venha com oxignio.

O ritmo cardaco ditado pelo n sinusal chamado de sinusal. O ritmo cardaco

ditado pelo n atrioventricular (estao intermediria do sistema eltrico do corao) chamado de juno. Muitas vezes, esse ltimo pode no ser indicativo de uma

doena cardaca propriamente dita. A Figura 2.3 mostra o comportamento do corao

e uma parte do sinal gerado tambm conhecida como complexo QRS:

Figura 2.3 Esquema de sinais do comportamento do corao. Fonte: Salles, 2008, p.

233.

Esquema de sinais e comportamentos referentes a figura 2.3:

a) trio comea a despolarizar;

b) trio despolariza;

c) Ventrculos comeam a despolarizar no vrtice. trio repolariza;

d) Ventrculos despolarizam;

e) Ventrculos comeam a repolarizar no vrtice;

f) Ventrculos repolarizar.


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2.1.2 A importncia do monitoramento cardaco

A medio da frequncia cardaca um dos mais importantes parmetros dosistema cardiovascular humano. A frequncia cardaca de um adulto saudvel, em

repouso, de cerca de 72 batimentos por minuto (bpm). Atletas normalmente tm

taxas menores de pulsao do que as pessoas menos ativas. Os bebs tm um ritmo

cardaco muito maior em torno de 120 bpm, enquanto as crianas mais velhas tm

frequncia cardaca em torno de 90 bpm (RUNGE, 2006). A tabela 1 mostra uma

comparativa com idades diferentes e suas respectivas frequncias cardacas

consideradas ideais:

Tabela 1 Comparativo de idade e bpm ideal

Faixa Etria Idade Frequncia cardaca ideal

Recm-nascidos 0 - 1 meses 70150 bpm

Bebes 1 - 3 meses 90120 bpm

Bebes 612 meses 80120 bpm

Crianas 110 anos 70130 bpm

Jovens, Adultos e Idosos Acima de 10 anos 60100 bpmExtrado de: SOBOTTA, 2009.

A frequncia cardaca simples e tradicionalmente medida colocando o polegar

sobre a artria do indivduo e sentindo seu pulso, a cronometragem e de contagem

dos impulsos normalmente realizado num perodo de 30 segundos (SOBOTTA,

2009). A frequncia cardaca do sujeito , ento, encontrado atravs da multiplicao

do nmero obtido por este mtodo, embora simples, no preciso e pode dar erros

quando a taxa alta. Hoje so usados mtodos mais sofisticados com o auxlio de

equipamentos eletrnicos. O eletrocardiograma (ECG) um dos mtodos mais

usados e precisos para se fazer a medio, muito til no diagnstico de infarto agudo

do miocrdio apesar de ser um dispositivo caro e seu exame de alto custo.

Dispositivos de baixo custo, na forma de relgios de pulso tambm esto disponveis

para uma medio instantnea. A maioria dos hospitais e clnicas utilizam dispositivos

robustos, integrados e projetados para fazer o mesmo tipo de monitoramento.

A frequncia cardaca aumenta gradualmente durante os exerccios e retorna

lentamente ao valor de repouso aps o exerccio. Quando o pulso volta ao normal,


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22

pode-se fazer uma indicao da condio da pessoa. Menores taxas cardacas so

geralmente uma indicao de uma condio conhecida como bradicardia, enquanto

maiores so conhecidas como taquicardia.

Bradicardia um termo utilizado na medicina para designar uma diminuio

na frequncia cardaca. definida como sendo uma arritmia (perturbao), que se

traduz em uma diminuio na frequncia cardaca. Normalmente, um ser humano

possui uma frequncia cardaca de 60 a 100 batimentos por minuto, sendo assim,

quando o batimento est abaixo de 60, definido como bradicardia (SOBOTTA,

2009). Embora isto seja comum em pessoas em boa forma fsica e atletas, na maioria

dos casos, esta condio pode estar associada problemas na conduo do estmulo

eltrico.As causas deste problema podem ser vrias, e so divididas em cardacas e

no-cardacas (geralmente secundrias, relacionadas ao uso de drogas, questes

metablicas ou endcrinas, desequilbrio eletroltico, fatores neurolgicos, reflexos

autnomos, fatores circunstanciais, como por exemplo, repouso por um grande

perodo de tempo). J as causas cardacas incluem doena cardaca vascular e

doena cardaca (RUNGE, 2006).

A Taquicardia uma forma dearritmia cardacaque refere-se a uma aceleraodo batimento cardaco. Por conveno, o termo define a taxa de batimento cardaco

superior 100 por minuto no caso de pacientes adultos. Tambm pode ser uma

resposta fisiolgica perfeitamente normal ao estresse (RUNGE, 2006). Porm,

dependendo da situao do corao do paciente, pode ser danosa e necessitar

tratamento mdico. Em casos extremos, taquicardia pode ameaar a vida sendo

prejudicial de trs formas:

O corao bater muito rpido por um longo perodo de tempo, mudando o equilbrio

de oxignio e dixido de carbono no sangue, isso normal durante o exercciofsicomas pode ser muito perigoso durante repouso.

Quando o corao bate muito rapidamente ele pode bombear sangue com menos

eficincia.

Quanto mais rpido o corao bater, mais oxignio e nutrientes ele necessitar.

Isso pode fazer com que o paciente fique sem flego e causaangina(dor no peito),o que pode ser problemtico para aqueles que j sofrem de alguma outra doena

cardaca.


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2.2 Pletismografia

Esta uma tcnica usada principalmente para determinar e registrar variaesde volume sanguneo em diferentes partes do corpo. De acordo com o tipo de sensor

utilizado, pode-se ter vrios tipos de pletismografia, como por exemplo a

fotopletismografia, onde geralmente utilizado um emissor de luz e um fotodetector

como visto ver na figura 2.4.

Figura 2.4 Exemplo um emissor de luz e um fotodetector. Fonte: Elaborado pelo autor.

A frequncia cardaca pode ser medida utilizando o princpio de

fotopletismografia, ou seja, a medio de alteraes do fluxo sanguneo utilizando um

mtodo ptico. No caso particular dos sensores de que medem a quantidade de luz

infravermelha absorvida ou refletida pelo sangue, as alteraes de volume so

provocadas por variaes da presso sangunea nos vasos, que ocorrem ao longo do

ciclo cardaco (AKAY, 2006). Dada a relao existente entre o volume dos vasos, a

presso sangunea e a quantidade de luz absorvida ou refletida, possvel observar

a variao de volume com base na luz detectada pelo sensor. Para se conseguirdetectar a variao de volume atravs do sensor, os locais de aplicao tero de

possuir uma elevada perfuso e poucas camadas de tecidos envolventes, como por

exemplo o lbulo da orelha e a ponta dos dedos. Na figura 2.5 pode-se verificar um

exemplo da aplicao da tcnica de fotopletismografia.


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Figura 2.5 Exemplo da aplicao de fotopletismografia. Fonte: Disponvel em

Http://embedded-lab.com

A medio da variao da presso em funo da fase do ciclo cardaco permiteassim estimar a frequncia cardaca (AKAY, 2006). A Figura 2.6, mostra um tpico

sinal obtido por um sensor fotoplestimogrfico. Cada pico equivale a um batimento

cardaco.

Figura 2.6 Sinal caracterstico do PPG. Fonte: GAN, 2009, p. 48.

2.3 Comunicao

Desde o incio dos tempos, a comunicao um instrumento de integrao,

instruo, de troca mtua e desenvolvimento. O processo consiste na transmisso de

informao entre um emissor e um receptor que a interpreta. A mensagem codificada em um sistema de sinais definidos que podem ser gestos, sons, uma lngua


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natural ou outros cdigos que possuem um significado (por exemplo, o semforo), e

transportada at o receptor atravs de um canal de comunicao que o meio por

onde circula a mensagem, seja por carta, telefone, comunicado na televiso, sinais de

rdio, etc. (CONSTANTINE, 2009).

A comunicao wireless (sem fio) uma que j vem se tornando mais presente

no cotidiano das pessoas, tendo enorme desenvolvimento nos ltimos anos.

Ultimamente comeou a se pensar em um modelo especifico para se comunicar com

sistemas de monitorao e sensoriamento, tais como sistemas de automao

domstica, segurana, controle de iluminao e de acesso, etc. Os principais

requisitos deste tipo de sistema so a baixa latncia, otimizao para o baixo consumo

de energia, possibilidade de implementao de redes com um nmero elevado dedispositivos e baixa complexidade de rede.

2.3.1 Tecnologias sem fio

H um vasto nmero de padres de comunicao sem fio disponvel no

mercado, que abrangem tanto redes pessoais quanto redes metropolitanas, como

ilustrado na figura 2.7.

Figura 2.7 Padres Wireless. Fonte: Adaptado de Wireless Network, Tecnologias, Lan Core

Networks 2011.

No mbito metropolitano, as redes de dados e voz via celular, que j esto na

quarta gerao (NEWSCIENTIST, 2005), conseguem transferncias multimdias a


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taxas de transmisso na ordem de Dezenas de Mbit/s tericos. Alm do celular, outras

tecnologias de transmisso sem fio para redes metropolitanas so muitas vezes

motivadas devido dificuldade da construo de estruturas cabeadas para longas

distancias. Uma estrutura cabo-rdio, que consiste de uma estrutura com ncleo

cabeado (par tranado, fibras pticas, etc.) e acesso via rdio uma opo que tem

despertado bastante interesse. Nesse sistema, o link de rdio pode utilizar ondas

eletromagnticas numa tecnologia j padronizada pelo IEEE 802.16, chamada WiMax

(Worldwide interoperability for Microwave Access)(BARONTI, 2007).

Com relao s redes locais WLANs, (Wireless Local Area Networks) pode-se

citar a conhecida rede Wi-fi, difundida em cidades, empresas, residncias, hotis, etc.

Definido pela norma IEEE 802.11, o Wi-fiutiliza a frequncia 2.4 Ghzcomo frequnciade propagao.Apesar da grande quantidade de modelos existentes, foi identificado

um nicho de mercado ainda no explorado e que motivou a criao do padro ZigBee.

2.4 ZigBee

Em 2002, grandes empresas do setor de eletrnicos e reas afins decidiram

padronizar um sistema de comunicao eletrnica sem fio para o setor de automao.

Com uma finalidade promissora de tornar este sistema compatvel

independentemente da empresa que produzisse o circuito. Com esta aliana

ocasionou a formao de uma sociedade conhecida comoAlliance ZigBee (RAMOS,

2012). Na figura 2.8 vemos as vrias aplicaes da tecnologia ZigBee.


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Figura 2.8 Aplicaoes da tecnologia ZigBee. Fonte: Disponivel em www.rogercom.com.

ZigBee um padro de comunicao wireless que ministra uma rede de curto

alcance e boa relao custo benefcio (RAMOS, 2012). Foi desenvolvido com nfase

em aplicaes de baixo custo, tais como automao predial, controle industrial e

comercial, assistncia mdica pessoal e sistemas de tag avanados.

Com baixos requisitos de memria quando em comparao com o Bluetoothe

baixo poder de processamento se comparado aos dispositivos de rede 802.11, ZigBee

est sendo considerado como um opo para sistemas de comunicao de baixa taxa

de dados (20 a 250 kbps) e de razovel alcance (10 a 100 metros) (STANFIELD,

2005). Aplicaes residenciais e comerciais incluem controles de iluminao, fumaa

e detectores de CO, segurana interna e comunicao entre um controle remoto e

uma cmera digital. Na indstria, os exemplos esto no monitoramento deequipamentos medicos, construo, automao industrial e controle ambiental.

2.4.1 Padro ZigBee

O padro ZigBeefoi desenvolvido a partir do padro IEEE 802.15.4 que define

regras de comunicao divididas em camadas. A figura 2.9 apresenta a arquitetura do


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ZigBee, onde cada camada do padro tem sua funo e interfaces bem definidas e

mostra quais foram definidas pelo padro da IEEE 802.15.4.

Figura 2.9 Camadas de protocolos ZigBee. Fonte: Adaptado de PINHEIRO, 2011.

importante lembrar que os padres IEEE 802.15.4 e ZigBee so diferentes.O padro IEEE 802.15.4 define as regras para as duas camadas inferiores: a camada

fsica PHY (Physical) e de enlace ouMAC (Medium Access Control).

O padro ZigBee, define as duas camadas de nvel superior: a camada de rede

NWK (Network Layer) e a camada de aplicaoAPL (Application Layer), que por sua

vez engloba o Framework da aplicao (Application Framework), de dispositivos

ZigBee ZDO (ZigBee Device Objects) e de suporte a aplicao APS (Application

SubLayer) (BARONTI, 2007).

2.4.2 Camadas 802.15.4 (PHY e MAC)

A camada fsica (PHY) responsvel, por definir caractersticas de hardwares

e comandos eltricos. Sua principal tarefa modificar pacotes de dados digitais em

ondas eletromagnticas que sero transmitidas atravs do ar e vice versa. Dentre as

principais funcionalidades da camada fsica, pode-se citar: a funcionalidade seleo


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de canais, estimativa da qualidade da transmisso, adequao dos dados para enviar

a camada de enlace, entre outros. Para tanto, o padro suporta trs bandas de

frequncia: 2.4 GHz, 915 MHz e 868 MHz. A Tabela 2 mostra as caractersticas

especificadas na camada fsica, como, taxa de transmisso, sensibilidade, nmero de

canais, potencia, alcance e modulao.

Tabela 2 Especificaes da Camada Fsica

2450 MHz 915 MHz 868 MHzMxima taxa de transmisso 250 kbps 40 kbps 20 kbpsSensibilidade na recepo -85 dBm -92 dBm -92 dBm

Nmero de canais 16 10 1

Potncia de sada na transmisso 1 mW (0 dBm)

Alcance na transmisso30100 m 1000 m 1000 m

Latncia15 ms

Modulao O-QPSK BPSK BPSK

Bits por smbolo 4 1 1Fonte: Extrado de RAMOS,2012

A camada MAC responsvel por toda a operao que envolve o canal fsico

de comunicao. Esta camada define o papel de um dispositivo em uma PAN,

associao e desassociao de uma PAN e segurana do dispositivo (RAMOS,2012).

Tambm oferece a funcionalidade de confirmao de comunicao entre ns e alguns

comandos para a formao de redes ponto a ponto e estrela. No entanto essa camada

no possibilita a formao de redes em malha.

2.4.3 Camada de rede (NWK)

A camada de rede (NWK) oferece basicamente dois servios, sendo dados e

gerenciamento. responsvel por garantir transmisses de mltiplos saltos, ou seja,

habilita a funcionalidade de formao de redes em malha (Mesh Networking). Esta

caracterstica inclui controle da distncia em que um frame pode viajar na rede, a

forma de comunicao do frame com outros dispositivos (transmisses em broadcast,

unicastou multicast) determinao de rotas de pacotes, bem como a verificao da

entrega confivel destes pacotes. (BARONTI, 2007).


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2.4.4 Camada de Aplicao (APL)

Essa camada o nvel mais alto do sistema de comunicao. Esta camada esuas subcamadas, so responsveis por filtrar pacotes destinados a ns no

registrados na rede, assim, fornecendo uma confirmao de recebimento do pacote

quando em modo unicast, mantendo as tabelas de endereamento de dispositivos na

PAN e controlando a retransmisso quando no h confirmao de entrega bem

sucedida de um pacote. Tambm so armazenados nesta camada o estado atual do

dispositivo e suas caractersticas de criptografia da PAN, quando configurado.

2.4.5 Formao e Topologias de uma rede ZigBee

A rede de trabalho ZigBee formada quando o coordenador seleciona um canal

de comunicao PAN ID.Aps isso, roteadores e dispositivos finais podem ter acesso

rede formada (RAMOS, 2012). importante lembrar que s h um dispositivo

coordenador numa rede formada, no podendo existir na mesma rede doisdispositivos coordenadores com o mesmo PAN ID.

Para a formao das redes ZigBee possivel utilizar at trs tipos de

dispositivos: ZigBee Coordinator (coordenador), ZigBee Router (Roteador)e ZigBee

End Device (dispositivo Final).

O ZigBee Coordinator o responsvel por formar a rede de trabalho,

selecionando um canal de comunicao e um endereo especifico. Ele permite a

seleo de acesso aos roteadores e dispositivos finais que pretendem juntar-se redede trabalho pr-estabelecida. Esse papel exercido por dispositivos do tipo FFD (Full

Function Device)

O ZigBee Routertem o papel de fazer a ligao entre o dispositivo coordenador

e o dispositivo final, oferecendo um rota de caminhos alternativos para pacotes de

dados, quando um destino possui certas barreiras fsicas, ou troca de informaes

em ambientes diferentes, etc.

O ZigBee End Device, como o prprio nome diz, o dispositivo final da rede,geralmente exercem tarefas reduzidas RFD (Reduced Function Device), sendo


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normalmente relacionado ao envio e recebimento de informaes vindas de

dispositivos FFD. Usualmente encontrado onde esto os sensores ou atuadores.

Como pode-se ver na figura 2.10, estes dispositivos podem formar trs

topologias de rede: estrela, rvore e malha.

Figura 2.10 topologias de rede: estrela, rvore e malha. Fonte: Disponivel em www.zigbee.org.

Na topologia de rede em estrela, o dispositivo coordenador diretamente

conectado aos dispositivos finais, o que sugere que toda a informao que circula na

rede passe por ele.No caso de uma rede em malha, a comunicao deixa de ser centralizada,

podendo cada dispositivo comunicar com qualquer outro que esteja no seu alcance.

Esta uma rede mais confivel pois pode haver a possibilidade de um dispositivo

roteador falhar, e assim o coordenador poder encontrar outro roteador para fechar a

comunicao com o dispositivo final.A rede em rvore, um caso, em que o dispositivo coordenador faz a ligao

entre dispositivos roteadores para ento liga-los entre si. Em outras palavras, a redepode se expandir com a incluso de novos dispositivos roteadores rede.


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2.4.6 Comparao com outras tecnologias

Atualmente, a tecnologia ZigBee tem sido alvo de comparaes com astecnologias Wi-Fi, Bluetooth, entre outras, mas importante mencionar que estas

tecnologias possuem finalidades diferentes e somente com a aplicao final ser

possvel definir qual a tecnologia mais adequada.

Na tabela 3, apresentado uma comparao das principais caractersticas da

tecnologia ZigBee com outras tecnologias de transmisso sem fio, onde so

apresentados as peculiaridades como, padres de comunicao, consumo, topologias

suportadas, frequncias de operao, etc.

Tabela 3 Comparao com outras tecnologias Wireless

ZigBee Bluetooth Wi-Fi

Padro IEE802.15.4 IEEE802.15.1 IEEE802.11b/g

Taxa de

transferncia20-250kbps 1-10Mbps 11-300Mbps

Distncia de

comunicao100 m at 1,4Km 10 m 100 m

Durao da

bateriaMeses at anos Algumas semanas N/A

Tipos de RedeAd-hoc, peer-to-peer, estrela,

malha e arvore

Ad-hoc, peer-to-

peer, redes

pequenas

Ponto para

multi-ponto

Frequncia de

operao

868 MHz, 900-928 MHz e 2,4

GHz2,4 GHz 2,4 GHz e 5 GHz

Dispositivos

por rede65535 8 N/A

Fonte: Extrado de RAMOS,2012

A tecnologia Bluetooth utiliza radiofrequncia para estabelecer a transferncia de

dados e voz entre os dispositivos, dentro de um alcance em torno de 10 metros

(RAMOS, 2012). Os transmissores Bluetooth aproveitam a banda de radiofrequncia

denominada de ISM (Industrial, Scientific and Medical), situada na faixa entre 2,4 GHz

e 2,48 GHz. Os equipamentos operantes nesta banda no dependem de licenas para

operao, mas tambm dividem seu uso com outros dispositivos no compatveis com

a tecnologia Bluetooth.

Bluetooth mais apropriado para aplicaes como:


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Sincronizao de PCs, telefones celulares e PDAs;

Aplicaes de udio como fone sem fio;

Transferncia de arquivos entre PDAs, PCs e Impressoras.

Enquanto ZigBeetem melhor performance em aplicaes:

De Controle;

Rede de Sensores;

Redes com muitos dispositivos;

Com pequenos pacotes de dados;

Um diferena muito relevante entre estes dois padres o consumo de energia.Dispositivos com Bluetooth, geralmente so recarregados periodicamente, como por

exemplo, celulares. Enquanto, os dispositivos do padro ZigBee podem ser

alimentados com pilhas comuns e a expectativa de durao das mesmas de meses

ou at anos.

2.5 Disposit ivoXBee/ZigBee

Dentre os vrios fabricantes integrantes da ZigBee Alliance, a Digi International,

fabricante dos mdulos XBee ZigBee utilizados para este projeto. Na figura 2.11

abaixo possivel visualizar o dispositivo XBeecom antena integrada fabricado pela

Digi.

Figura 2.11 dispositivo Xbee fabricado pela Digi International e uti l izado neste projeto. Fonte:

Disponivel em www.digi.com.

O mdulo XBee pode ser definido como uma plataforma embarcada de

radiofrequncia que utiliza uma mesma configurao fsica de pinos para diferentes


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sries de arquitetura de hardware e software (RAMOS 2012). Os mdulos XBee

devem conter um firmware, cuja seleo depende da aplicao desejada pelo usurio.

Dentre os mdulosXBeefabricados pela Digi, possvel citar o mduloXBee

eXBeePro, cuja potncia e alcance de transmisso so as principais diferenas de

um para o outro. A Tabela 4 mostra as especificaes, como, tenso de operao,

corrente, frequncia de operao, dimenses fsicas do modulo e topologias de rede

suportadas, estas informaes so fornecidos pelo prprio fabricante.

Tabela 4 especificaes dos mdulos XBee e XBee PRO

Xbee XbeePRO

Tenso de alimentao 2.8 - 3.4v 2.8 - 3.4v

Corrente (Transmisso) 40 - 35 mA 295 mA

Corrente (Recebimento) 40 - 38 mA 45 mA

Corrente (Modo Inativo) 15 mA 15 mA

Frequncia de operao 2.4 GHZ 2.4 GHZ

Dimenses 2.438 cm X 2.761 cm 2.438 cm X 3.294 cm

Temperatura de

operaoDe -40 at 85 C De -40 at 85 C

Topologias suportadas

Ponto-a-ponto, ponto-a-

multiponto,

Ponto-a-ponto, ponto-a-

multiponto,peer-to-peer , malha, estrela

e arvore

peer-to-peer , malha, estrela e

arvore

Fonte: Extrado de RAMOS,2012

2.5.1 Modos de Comunicao

Quando se trata de comunicao, os dispositivosXBeepodem operar em duasformas distintas, sendo: Comunicao em modo Transparente e comunicao em

modo API (Application Programmimg Interface).

O modo de transmisso transparente a alternativa padro nos mdulos

XBee. No modo transparente todos os dados que chegam atravs da porta serial so

enviados diretamente para o mdulo de destino. A desvantagem desse tipo de

comunicao que s haver troca de dados entre dois dispositivos, no havendo a

utilizao de outros recursos de comunicao que uma rede ZigBeeem API podeoferecer (RAMOS, 2012). A vantagem deste modo de transmisso a facilidade de


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implementao de uma nova rede ZigBee, pois no h necessidade de adaptao da

aplicao do usurio. Na figura 2.12 pode-se observar um modelo de comunicao

transparente, onde os dados enviados de um microcontrolador chegam exatamente

iguais ao outro microcontrolador.

Figura 2.12 Modo de comunicao Transparente. Fonte: Adaptado de Ramos, 2012, p. 94.

Diferente do modo de comunicao transparente, o modo API (Application

Programming Interface) possui um formato de dados estruturado em frames que

seguem um determinado ordenamento e uma alternativa ao modo de transmisso

padro transparente. O modo API especifica como os mdulos de uma rede XBee

podem interagir com comandos, respostas a comandos e status dos mdulos na rede

pelos quais so enviados e recebidos utilizando uma comunicao serial UART

(Universal Asynchronous Receiver Transmission) (RAMOS, 2012). O modo API

possibilita a manipulao da tabela de roteamento de dados atravs da camada de

aplicao. Atravs do modo API, uma aplicao pode transmitir dados para diferentes

destinos manipulando diretamente o frame que contm os endereos de destino dos

dados, sem ser necessrio entrar no modo de configurao para modificar o endereo

(DIGI, 2007). A desvantagem deste modo a dificuldade de se implementar, j que

necessita que os dados sejam formatados de forma estruturada em frames que

seguem um determinado ordenamento. A figura 2.13 mostra a estrutura geral de um

frame API.


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Figura 2.13 Estrutura do frame API. Fonte:SOCORRO, 2012

2.5.2 Modos de operao

Essa funcionalidade est diretamente ligada ao consumo de energia eltricaque o dispositivo pode despender em seus diferentes modos de trabalho. Os modos

que o padro ZigBeeprope so os seguintes: modo inativo, modo de recepo, modo

de comando, modo Sleep, modo de transmisso e modo ativo.

O modo inativo o momento em que o dispositivo no est recebendo ou

transmitindo dados. Nesse modo o dispositivo est em processo de verificao de

dados vlidos vindos da antena.

O dispositivo sai desse estado com a seguintes condies:

Quando os dados vindos do bufferesto prontos para serem empacotados (modo

de transmisso)

Dados prontos pra transmisso so coletados da antena do dispositivo (modo de

recepo)

Quando a sequncia de dados de comando iniciada (modo de comando)

No modo de recepo, se um dado vlido (ou informao, cujo formatopertence ao padro ZigBee) recebido, o dado transferido para o buffer de

transmisso serial.

Para modificar ou ler os parmetros do mdulo de radiofrequncia, ele deve

ficar no modo de comando. Ao entrar nesse modo, todos os dados recebidos so

interpretados como linha de comando.

O modo sono ou sleep mode, o mdulo de menor consumo de energia,

chegando a consumir alguns micro-ampres. a soluo encontrada para que que o


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padro ZigBee e seus mdulos gastem menos energia da classe de rede curto

alcance.

No modo de transmisso, quando o dispositivo recebe os dados seriais e est

pronto para empacota-los, ele sai do modo inativo e tenta transmitir o dado para o

destino desejado. O endereo de destino do dado determina qual mdulo na rede

receber o dado. O dispositivo assegura-se de que o endereo do mdulo que

recebera os dados e a rota dos dados so previamente conhecidos. Se todos os

requisitos forem satisfeitos, os dados sero transmitidos (RAMOS, 2012).

Quando o dispositivo se prepara para enviar os dados, ele verifica se o

endereo de 16 bits conhecido. Caso seja negativo, o dispositivo entra no estado de

busca do endereo na rede. Se a rota no for conhecida, o mesmo dispositivo entraem estado de busca de rota com a inteno de estabelecer uma ligao entre os

mdulos. Caso o endereo de 16 bits no seja encontrado na rede ou se uma rota de

comunicao no foi estabelecida, o dado ser descartado (RAMOS, 2012).

Quando um dado transmitido de um mdulo para o outro, uma mensagem de

confirmao enviada para o transmissor que o dado foi recebido com sucesso. Caso

essa mensagem no chegue ao mdulo transmissor, o dado ser retransmitido

O modo ativo assim definido quando o dispositivo ZigBeeest no modo derecepo, de comando ou de transmisso.

2.5.3 Transmisso e roteamento de dados

A transmisso de informao no padro ZigBee pode ser feita de modo

Broadcast, Unicast ou Multcast.

A transmisso em Broadcast a forma como a informao enviada para todos

os dispositivos finais da rede PAN. Para que o pacote seja seguramente entregue, o

coordenador, junto com os roteadores, ao receber o comando de transmisso em

broadcast, retransmite trs vezes o pacote desejado aos dispositivos finais da rede

formada.

A transmisso em Unicast o modo como um pacote de informao, originrio

de um mdulo fonte, enviado para um nico destinatrio na rede formada. Quandoum mdulo ZigBee(transmissor) envia um pacote em modo unicastpara um outro


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determinado mdulo (destinatrio), ele inclui o endereo de rede do destinatrio

(endereo de 16 bits). Desta forma, ser feita uma busca pela rede, atravs de uma

transmisso broadscast, pelo endereo de rede solicitado. Ao acha-lo, enviado um

pacote de resposta ao mdulo transmissor e por conseguinte a informao enviada

ao mdulo destinatrio. Quando o endereo de 16 bits no conhecido, o endereo

de 64 bits do destinatrio utilizado. A mesma transmisso broadcast realizada na

rede, porem os dispositivos finais vo comparar se o endereo de 64 bits solicitado

o mesmo que possuem em sua memria. Ao encontrar o mdulo destinatrio, um

pacote de resposta enviado ao mdulo transmissor com o endereo de 16 bits e,

consequentemente, a informao enviada para o mdulo, como pode ser visto na

figura 2.14.

Figura 2.14 Transmissao em Unicast. Fonte: adaptado de FARAHANI, 2008.

No caso da transmisso multicast, a mesma tratada da mesma forma que

unicast, ou seja, possui as mesmas caractersticas. O grande diferencial do multicast

que ele permite uma conexo simultnea com um grande nmero de dispositivos,

como visto na figura 2.15, assim esse modo de transmisso facilita a existncia de

alguma atividade que exija uma aplicao de um para muitos na rede.

Figura 2.15 Transmissao em Multicast. Fonte: Disponivel em www.digi.com.


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2.5.4 Configurao dos mdulos XBee

Para configurar os mdulos XBee necessrio utilizar o software X-CTU,visualizado na figura 2.16,disponibilizado gratuitamente no site http://www.digi.com,

que o responsvel por realizar as configuraes e alteraes de firmware dos

mdulos XBee; um dispositivo de configurao responsvel por gravar as

configuraes, feitas no softwareX-CTU, no mduloXBee, atravs da porta USB ou

RS232 de um computador pessoal.

Figura 2.16 Interface do software X-CTU. Fonte: pr int sc reenda aplicao no sistema

operacional Windows 7.

As configuraes mais destacveis so: Identificao da rede, Identificao do

n; velocidade de comunicao RS232 (bald rate), comportamento dos pinos de I/O,

chave de criptogrfica da rede, papel do dispositivo XBee, modo de comunicao

transparente ou API,entre outros.


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2.5.5 Regulamentao Legal

No Brasil, segundo a agncia reguladora de telecomunicaes, Anatel, no necessrio a autorizao de servios de telecomunicaes e de licena para

funcionamento se o dispositivo se enquadra no Regulamento sobre equipamentos de

radiocomunicao de radiao restrita, aprovado pela resoluo n506/2008. A seo

IX do regulamento determina que equipamentos que operam nas faixas 902-907,5

MHz, 915-928 MHz, 2.400-2.483,5 MHz e 5.725-5.850 MHz devem ter potncia

mxima irradiada E.I.R.P. (Equivalent isotropically radiated power) de at 400 mWe

no tem direito a proteo contra interferncias prejudiciais provenientes de qualqueroutra estao de radiocomunicao (ANATEL, 2008).

Os dispositivos XBeeesto homologados para o funcionamento no Brasil na

faixa de 2.400-2.483,5 MHz, conforme certificado de homologao n1123-08-1209,

conforme possvel verificar no ANEXO 1 deste trabalho.

2.6 Software

Pode-se definir software como sendo um conjunto de instrues que, quando

executadas, produzem a funo e o desempenho desejados, estrutura de dados que

permitam que as informaes relativas ao problema a resolver sejam manipuladas

adequadamente. (PRESSMAN, 1995)

O software a parte programvel de um sistema de informtica. Ele um

elemento central: realiza estruturas complexas e flexveis que trazem funes,utilidade e valor ao sistema. Mas outros componentes so indispensveis: as

plataformas de hardware, os recursos de comunicao de informao, os documentos

de diversas naturezas, as bases de dados e at os procedimentos manuais que se

integram aos automatizados. (FILHO, 2003)

Os softwares podem ser classificados em trs tipos:

Software de Sistema: o conjunto instrues processadas pelo sistema interno de

um computador que possibilita a interao entre o usurio e os perifricos do

computador por meio de uma interface grfica, conhecido como sistema


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operacional, Engloba os controladores de dispositivos (memria, impressora,

teclado e outros).

Software de Programao: o conjunto de ferramentas que permitem ao

programador desenvolver sistemas informticos, geralmente usando linguagens

de programao e um ambiente visual de desenvolvimento integrado.

Software de Aplicao: so programas de computadores que permitem ao usurio

executar uma srie de tarefas especficas em diversas reas de atividade como,

por exemplo, na arquitetura, contabilidade, educao, medicina e outras reas

comerciais, videogames, os sistemas de automao industrial, etc.

2.6.1 Supervisrio VS C#

Em 1999 a Microsoftmotivada pela incompatibilidade dos softwaresantigos

com os novos dispositivos eletrnicos inteligentes, e pela necessidade de um software

de programao que fosse acessvel para qualquer um e disponvel por meio de

praticamente qualquer tipo de dispositivo criou uma equipe liderada por Anders

Hejlsberg, criador do turbo pascal, para criar uma nova e verstil linguagem de

programao, no incio foi criado uma linguagem chamada cool e apenas no ano

seguinte ano 2000 foi renomeada e apresentada na Professional Developers

Conference (PDC) como C# (C Sharp). O C# foi desenvolvido em conjunto com a

plataforma .NET e foi criada especialmente para esta plataforma.

Em sua construo foram reunidas caractersticas de outras linguagens como

VB, C++ e Java, corrigindo defeitos e rompendo limitaes alm de incluir novos

recursos, tornando-a uma linguagem poderosa e atrativa.

Dentre as principais caractersticas da linguagem C# pode se citar:

O C# tem razes em C, C++ e Java, unindo os melhores recursos de cada

linguagem e acrescentando novos recursos prprios.

Ele fornece os recursos que so mais importantes para os programadores, como

programao orientada a objetos, elementos grficos, componentes de interface

com o usurio, tratamento de excees, mltiplas linhas de execuo, multimdia(udio, imagens, animao e vdeo), processamento de arquivos, estruturas de


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dados pr empacotadas, processamento de banco de dados, redes

cliente/servidor com base na Internet e na World Wide Web.

Os programas escritos em C# rodam sob um ambiente gerencivel, onde todo o

controle de memria feito pelo .NET Framework e no diretamente pelo

programador, isto reduz falhas na programao enquanto a alocao e liberao

de um objeto na memria.

2.7 Hardware

o conjunto de componentes eletrnicos, circuitos integrados, placas de

circuitos impressos que se comunicam atravs de barramentos. O hardware do projeto

proposto possui como principais componentes eletrnicos amplificadores

operacionais e um microcontrolador.

2.7.1 Amplificadores operacionais

O amplificador operacional um componente eletrnico capaz de realizar

diversas operaes matemticas como adio, subtrao, diferenciao, integrao,

comparao, dentre outras operaes matemticas, alm de ser capaz tambm de

amplificar o sinal resultante, ou seja, o resultado da operao matemtica

(BOYLESTAD, 2006).

Um amplificador operacional ideal possui as seguintes principaiscaractersticas:

Impedncia de entrada infinita;

Impedncia de sada nula;

Ganho de tenso infinito;

Resposta de frequncia infinita;

Insensibilidade a temperatura.


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Este componente possui basicamente 2 entradas e 1 sada, sendo que para as

entradas uma delas uma entrada inversora e a outra uma entrada no inversora,

conforme demonstrado na figura 2.17.

Figura 2.17 Amplificador operacional. Fonte: WENDLING, 2010.

2.7.2 Tenso de offset

A tenso de offset de um amplificador operacional um erro no sinal resultante

do amplificador, sendo ocasionado pelas diferenas construtivas dos transistores

utilizados na montagem do componente (BOYLESTAD, 2006).

2.7.3 Configuraes do amplificador operacional

Um amplificador operacional pode assumir diversas configuraes diferentes,

que so selecionadas de acordo com a sua aplicao. As principais configuraes que

um amplificador operacional pode assumir so o amplificador inversor, amplificador

no inversor, amplificador seguidor unitrio, amplificador somador, amplificador

somador no inversor, amplificador diferencial ou subtrator, amplificador diferenciador

e o amplificador integrador (BOYLESTAD, 2006).

2.7.4 Amplificador com sinais em corrente alternada

O amplificador operacional configurado para receber sinais em correntealternada (CA) utilizado quando se torna necessrio isolar a componente em


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corrente contnua (CC) de um sinal para que se possa trabalhar apenas com a

componente em CA.

Para se obter tal configurao necessrio adicionar um capacitor em srie

com a entrada do sinal em outro capacitor em srie com a sada do sinal, tal

configurao ser adotada tanto para amplificadores operacionais configurados como

amplificadores inversores como para amplificadores operacionais configurados como

amplificadores no inversores, porm para amplificadores configurados como no

inversores, como a impedncia de entrada ser alta, ser necessrio adicionar um

resistor em paralelo com a entrada inversora (-), para que se possa reduzir esta

impedncia de entrada onde o valor deste resistor pode variar de 10 ka 100 k.

Como figuras 2.18 e 2.19 possvel visualizar a configurao do amplificadoroperacional citado sendo utilizado como amplificador inversor e amplificador no

inversor respectivamente.

Figura 2.18 Amplificador operacional inversor com sinal em corrente alternada.Fonte:

WENDLING, 2010.

Figura 2.19 Amplificador operacional no inversor com sinal em corrente alternada.

Fonte: WENDLING, 2010.


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2.8 Microcontroladores PIC

O micro controlador PIC um circuito integrado produzido pela MicrochipTechnology e que constitudo basicamente de um processador, memria, pinos de

entradas e sadas, sendo que estas podero ser digitais ou analgicas e um programa

utilizado na manipulao das informaes recebidas nas portas de entradas e sadas.

2.8.1 O PIC modelo 16F913

O micro controlador PIC 16F913 um micro controlador que possui como

caractersticas bsicas a alimentao de 2,0 V a 5,5 V em corrente contnua, oscilador

interno de 125 KHz a 8 MHz, memria flash com capacidade de 7 kb, memria

EEPROM com capacidade de 256 bytes, 4 mdulos de comunicao analgica, 3

portas de comunicao I/O sendo 8 bits de interface para cada porta, 2 mdulos

timers, 1 mdulo CCP, 5 mdulos de interrupo e comunicao serial. (datasheet

Microchip Technology, 2007).A figura 2.20 ilustra o PIC modelo 16F913 com suas respectivas portas de

comunicao I/O e demais perifricos.

Figura 2.20 PIC modelo 16F913, Fonte: datasheet Microc hip Technolo gy, 2007.


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3. MATERIAIS E MTODOS

O sistema de monitoramento remoto da frequncia cardaca em ambientes

hospitalares utilizando rede ZigBee apresentado na figura 3.1.

Figura 3.1 Viso geral da rede proposta. Fonte: Elaborado pelo autor.

O sistema composto de uma central de monitoramento com a comunicao

com um computador, e unidades remotas portteis que so responsveis pela

aquisio dos sinais cardacos do paciente e monitoramento da bateria que alimenta

o circuito de aquisio dos sinais e transmisso dos dados atravs de mduloXBee.

Com a aplicao desenvolvida para a central de monitoramento, um operador

poder analisar os dados de diferentes pacientes em tempo real.

O sistema proposto engloba vrias reas de estudo e ferramentas como:

eletrnica embarcada por engenharia de software e rede. Desta forma, para facilitar o

desenvolvimento, dividiu-se o projeto em duas partes: Unidade remota e unidade de

monitoramento e processamento.


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3.1 Unidade Remota

A unidade remota responsvel pela aquisio do sinal dos batimentoscardacos, efetuar as tratativas necessrias e a transmisso dos sinais para a unidade

de monitoramento.

Para realizar esta tarefa o hardware utilizado composto de unidades lgicas

de condicionamento do sinal, microcontrolador com conversor A/D incorporado e

dispositivoXBeepara transmisso de dados sem fio. A Figura 3.2 ilustra, utilizando

diagrama em blocos, o sistema que compem a unidade remota.

Figura 3.2 Viso geral da unidade remota. Fonte: Elaborado pelo autor.

A unidade remota pesa aproximadamente 300g, com as baterias e carregada

facilmente pelo paciente em repouso ou em movimento quando preso ao corpo. A

fixao da unidade ao paciente pode-se realizar utilizando fitas de Velcro, permitindo

desta forma, fcil ajuste a diferentes pacientes.

As sees subsequentes, apresentam os detalhes dos mdulos queconstituem a unidade remota.

3.2 Hardware

O mdulo de aquisio, filtragem e amplificao do sinal PPG constitudo de

um sensor tico, dois conjuntos de filtros passa faixa, cada um contendo um filtro


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passa baixa e um passa alta, e amplificadores operacionais configurados para

operarem como amplificadores no inversores.

3.2.1 Mdulo de aquisio do sinal

O sensor HRM-2511E foi utilizado neste projeto para obter o sinal atravs da

plestismografia, explicada no Capitulo 2. Este sensor fabricado pela Kyoto Electronic

Corporation, China, e opera em modo fotoplestimogrfico utilizando o dedo de uma

pessoa, sendo o mtodo mais comum utilizado nos dias de hoje em hospitais. O corpo

sensor construdo com um material de borracha de silicone flexvel que ajuda a

manter o sensor firmemente ao dedo. Internamente, o sensor constitudo de um

diodo emissor de luz e um fotodetector infravermelhos que esto colocados nos dois

lados opostos e esto um de frente para o outro. A luz captada pelo fotodetector varia

com o fluxo sanguneo resultante do batimento cardaco. O funcionamento do sensor

entendido na Figura 3.3.

Figura 3.3 Funcionamento do sensor de sinais PPG. Fonte: Disponvel em embedded-

lab.com.

Para controlar a sensibilidade do sensor, implementou-se um circuito de

aquisio do sinal, ilustrado na Figura 3.4.


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Figura 3.4: Circuito de aquisio do sinal de BPM. Fonte: Elaborado pelo autor.

O resistor R1 utilizado como limitador de tenso para que seja controlado o

fluxo luminoso do diodo emissor de luz uma vez que uma intensidade de luz muito alta

pode saturar o foto detector e aumentar a susceptibilidade a rudos externos. O

resistor R2 responsvel por limitar a tenso que circular por pelo foto detector. O

foto detector ser responsvel por emitir uma determinada tenso para estgio de

filtrao e amplificao do sinal de acordo com o fluxo luminoso que ele receber do

diodo emissor de luz.

Com o intuito de uma melhor preciso e adaptabilidade ao sensor, adotou-se

resistores variveis (RV1 e RV2) para R1 e R2, onde verificou-se o melhor

desempenho quando utilizado os valores de 330 e 220K, em R1 e R2,

respectivamente.

3.2.2 Mdulo de filtragem e amplificao

O sinal PPG obtido pelo sensor fraco e ruidoso e por este motivo

implementou-se o mdulo de filtragem e amplificao do sinal PPG. A filtragem do

sinal responsvel por evitar que frequncias parasitas passem junto com o sinal dos

batimentos cardacos, uma vez que este prottipo trabalhar com uma faixa de


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frequncia entre 0,72 e 2,34 Hz, que correspondem a uma faixa de batimentos

cardacos de 43 a 140 BPM. Tais frequncias foram determinadas de acordo com a

tabela 1, que se determina o nmero de BPM para cada idade de paciente.

A amplificao do sinal torna-se necessrio pois o nvel de tenso gerado pelo

sensor muito baixa, em torno de 40mV, e por este motivo no poderia ser amostrado

corretamente pelo microcontrolador PIC utilizado.

O processo de filtragem est sendo realizado por dois filtros passa banda, onde

cada um deles composto por um filtro passa alta e um filtro passa baixa. O primeiro

filtro passa banda constitudo pelos componentes C1 e R1 como filtro passa alta e

R2, R3, C2 e U1:A como filtro passa baixa. O segundo filtro passa banda constitudo

pelos componentes C3 e R4 como filtro passa alta e R5, R6, C4 e U1:B como filtropassa baixa. O processo de amplificao est sendo realizado atravs de dois

amplificadores operacionais denominados U1:A e U2:B e seus respectivos

componentes de configurao R2, R3, R5 e R6. A figura 3.5 demonstra o circuito de

filtragem e amplificao do sinal desenvolvido no aplicativo ISIS Proteus.

Figura 3.5 Circuito de filtragem e amplificao do sinal. Fonte: Elaborado pelo autor.

O dimensionamento dos componentes do filtro foi realizado de acordo com as

equao (1) e (2), onde o valor de FC inferior foi determinado de acordo com a

frequncia mnima de trabalho do circuito que 0,72 Hz (43 bpm) e o valor de C1

adotado foi 4,7 F.


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=1

2 R C 0,72 =

1

2 R 4 . 7 x 1 0 1 = 0,72 (2 R 4 . 7 x 1 0 )

R =1

0,72 2 4.7x10 R = R1 = 47,03 K

47 K (1)

Sendo:

FC:Frequncia de corte

R:Valor do resistor

C:Valor do capacitor

O dimensionamento dos componentes do filtro para a FC superior, foideterminado de acordo com a frequncia mxima de trabalho do circuito que 2,34

Hz (140 bpm) onde o valor de C2 foi estimado em 100 nF.

=1

2 R C 2,34 =

1

2 R 1 0 0 x 1 0 1

= 2,34 (2 R 1 0 0 x 1 0 ) R =1

2,34 2 100x10 R = R3

= 680,14 K

680 K (2)

Sendo:

FC:Frequncia de corte

R:Valor do resistor

C:Valor do capacitor

Os amplificadores operacionais so responsveis pela amplificao do sinal e,

por sua vez, tambm sero utilizados como filtros para o sinal. Os amplificadores

operacionais denominados de U1:A e U2:B so amplificadores modelo LM358, que

so alimentados por uma tenso em corrente contnua de 3,3 V e possuem uma

configurao de amplificadores no inversores. Estes amplificadores so

responsveis por receber o sinal dos batimentos cardacos e amplifica-lo para a faixa

de operao no micro controlador.


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Na sada do amplificador operacional U1.B, instalou-se um LED vermelho,

denominado de D3, que deve acender a cada batimento cardaco, e conectou-se ao

micro controlador para a digitalizao do sinal.

Com o intuito de garantir uma tenso mnima de 3 V na porta de entrada do

micro controlador, determinou-se um ganho de 100 para o amplificador. Considerando

que a tenso de alimentao do amplificador operacional de 3,3 V, haver uma

tenso mxima de sada para o amplificador operacional de 3,3 V, porm se o sensor

fornecer uma tenso abaixo de 40 mV em funo de erros de leitura dos batimentos

provenientes de fatores externos como sensor mau encaixado e diferentes dimetros

de dedos, ainda possvel garantir uma tenso mnima de 3 V na porta de entrada do

microcontrolador.

= 1 +

1 0 0 = 1 +

.

1 0 0 1 =

.

99 =

.

R2 =.

R2 = 6,86 K 6,8 K (3)

Sendo:

A:ganho do amplificador operacional

Rf:resistor de realimentao

R4:Resistor de configurao do ganho

Na sada do amplificador operacional U1.B, instalou-se um LED vermelho,

denominado de D3 que deve piscar a cada batimento cardaco, e conectou-se a sada

ao micro controlador para a digitalizao do sinal.

3.2.3 Mdulo de digitalizao do sinal

O mdulo de digitalizao responsvel por receber o sinal dos batimentos

cardacos do mdulo aquisio, filtragem e amplificao, digitaliza-lo, filtra-lo por meio

de um filtro digital, obter o valor dos batimentos cardacos do paciente e por fim envi-

lo ao mdulo de transmisso.

Este mdulo constitudo por um microcontrolador da famlia PIC 16F913,

alimentado por uma tenso de 3,3 volts com oscilador de 4 Mhz. O clockfoi definido


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de acordo com especificaes do projeto e recomendaes do fabricante. Para

interpretar o sinal dos batimentos cardacos foi desenvolvido uma rotina utilizando

uma ferramenta denominada de CCP (Capture, Compare and PWM). A rotina CCP

utilizada para medir o perodo entre cada ciclo cardaco oriunda do sinal PPG.

Uma vez que o sinal de batimentos cardacos no projeto dado em uma faixa

de frequncia entre 0,72 Hz e 2,34 Hz, pode-se obter o nmero de batimentos

cardacos, atravs das equaes (4) e (5). Posteriormente, para simplificar a leitura,

converte-se o valor da frequncia cardaca em Hz (segundos) para BPM (minutos)

utilizando a equao (5).

F =1T

(4)

Sendo:

F:frequncia dos batimentos cardacos

T:perodo da frequncia dos batimentos cardacos

= F x 60 (5)

Sendo:BPM:nmero de batimentos cardacos

F:frequncia dos batimentos cardacos

Conseguinte a etapa de digitalizao do sinal, criou-se a etapa de filtro digital

do sinal. A rotina elaborada analisa e filtra os valores da frequncia cardaca obtidos

em uma amostra dos ltimos nove batimentos. Foi adotado amostra de nove

batimentos para que o filtro execute sua funo antes da rotina de envio explicadadetalhadamente adiante. Primeiramente o filtro ordena, em ordem crescente, os

valores na amostra e determina sua mediana. Em seguida, o filtro substitui os valores

de pico pelos valores da mediana. A Figura 3.6 ilustra o processo realizado pelo filtro

de mediana sobre nove valores. O filtro de mediana foi utilizado devido sua

caracterstica de eliminao de picos de medies oriundos de rudos externo. O

objetivo deste filtro no projeto eliminar valores de batimentos que esto fora do

padro em uma amostra.


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Figura 3.6 Exemplo Processo de Mediana. Fonte: Elaborado pelo autor.

A rotina elaborada para o filtro de mdia, executada aps a rotina de mediana,

faz a mdia sobre os ltimos seis valores e libera os dados para a rotina de envio.

A rotina de envio responsvel por empacotar os dados de forma a serem

interpretados pelo unidade de monitoramento e processamento. Est rotina

executada a cada 10 batimentos cardacos capturados, o que normalmente ocorre

entre 6 e 10 segundos. Essa estratgia foi adotada para economizar energia, j que o

mduloXBeefoi configurado para ser habilitado somente quando necessrio. Essa

rotina tambm utilizada para solicitar o nvel de tenso da bateria para a rotina de

medio de nvel da bateria. Finalmente com os dados referentes ao batimentocardaco e nvel de bateria, a rotina empacota essas informaes e transmite ao

mduloXBee. Na Figura 3.7 est ilustrado o mdulo de digitalizao e filtragem digital

do sinal dos batimentos cardacos.

Figura 3.7 Circuito de digitalizao e filtrao digital. Fonte: Elaborado pelo autor.


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Todos os circuitos empregados neste prottipo so alimentados pela tenso de

3.3V, contudo a bateria que alimenta o prottipo deve ter tenso mnima de 5V e

mxima de 12V, devido as especificaes do regulador de tenso utilizado no projeto.

A rotina de medio do nvel da bateria responsvel por ler, atravs de

conversor analgico-digital e circuito prprio, o nvel de tenso atual da bateria que

alimenta o prottipo.

O circuito utilizado para monitoramento da tenso de bateria baseado em um

divisor de tenso, onde a alimentao do circuito conectado ao terminal positivo da

bateria e a sada do circuito foi ajustada para obter uma tenso mxima de 3,3 V. A

tenso de sada do circuito divisor de tenso ento conectada a entrada analgica

do micro controlador para que se verifique o nvel de tenso e converta a leitura obtidaentre 0 e 3.3V em uma leitura de 5V a 12V. A figura 3.8 mostra o circuito utilizado para

medio do nvel de bateria utilizando o micro controlador PIC.

Figura 3.8 Circuito regulador de tenso. Fonte: Elaborado pelo autor.

Todas as rotinas contidas no micro controlador foram desenvolvidas na

linguagem C, utilizando o compilador CCS.

3.2.4 Montagem do circuito eletrnico

Para a montagem das placas do circuito eletrnico do projeto, primeiramente

foi necessrio desenhar o layoutdo circuito que ficar contido na placa.


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Foi utilizado como base para o circuito eletrnico do projeto, o circuito virtual

desenvolvido no software Proteus para simulao e tambm o mdulo Ares do

software Proteus, dedicado ao desenvolvimento de layouts de placas de circuito

impresso. Com a finalidade de se reduzir as dimenses do circuito, foi dividido o

circuito original em duas placas de circuito impresso, sendo uma placa de alimentao

e transmisso de dados, onde acoplado o mdulo XBee, o regulador de tenso da

bateria e a placa do circuito geral, onde todos os demais itens foram inseridos.

A figura 3.9 ilustra o layoutdo circuito de alimentao e transmisso de dados,

e o circuito geral.

Figura 3.9 layout do circuito das placas desenvolvidas. Fonte: Elaborado pelo autor.

Aps o desenvolvimento do layoutdos circuitos, realizou-se a simulao em 3D

das placas j finalizadas e montadas com o intuito de analisar a disposio de

componentes nas mesmas. A Figura 3.10 ilustra as placas desenvolvidas em software

simuladas em 3D.

Figura 3.10 Simulao 3D dos circuitos desenvolvidos. Fonte: Elaborado pelo autor.


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Projetou-se as placas nas seguintes dimenses: a placa de circuito geral

possui a dimenso de 100 mm de comprimento por 75 mm de altura e a placa de

transmisso e alimentao possui a dimenso de 50 mm de comprimento por 50 mm

de altura.

3.3 Mdulo ZigBee

Basicamente, para o funcionamento do mduloXBee utilizado no prottipo, foi

configurado a conexo de cinco pinos: VCC, GND, SLEEP_RQ, DOUT e DIN. Os

dois ltimos so responsveis pela sada e entrada de dados atravs da UART,

conectada ao micro controlador PIC16F913. O pino SLEEP_RQ utilizado pela rotina

de envio de dados no mdulo de digitalizao do sinal, explicada no Subitem 3.1.1.3.

Esse pino responsvel por economizar a energia utilizada pelo mdulo quando no

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