Συστημα συλλογης μετρησεων ανθρωπινης δραστηριοτητας

Φορητό ηλεκτρονικό σύστημα συλλογής φυσιολογικών μετρήσεων ανθρώπινης δραστηριότητας

Στόχος της παρούσας εργασίας είναι η σχεδίαση και κατασκευή του υλικού και λογισμικού μέρους ενός φορητού ηλεκτρονικού συστήματος ασύρματης συλλογής φυσιολογικών μετρήσεων. Οι μετρήσεις αυτές αφορούν στo ρυθμό λειτουργίας της ανθρώπινης καρδιάς και την κίνηση του κορμού του σώματος κατά τη διεξαγωγή φυσικής άσκησης.

Η καταγραφή απλού ηλεκτροκαρδιογραφήματος (ΗΚΓ) πραγματοποιείται με τη βοήθεια 3 αυτοκόλλητων επιδερμικών ηλεκτροδίων και συστοιχίας τελεστικών ενισχυτών. Τα ηλεκτρόδια που απαιτούνται για την λειτουργία του φορητού καρδιογράφου τοποθετούνται σε κατάλληλα σημεία στο στήθος του υποκειμένου.

Η ανίχνευση της κινητικής δραστηριότητας γίνεται μέσω επιταχυνσιόμετρου τριών αξόνων. Το σύστημα είναι κατάλληλα σχεδιασμένο ώστε α) να πραγματοποιεί αναγνώριση της άσκησης που εκτελείται, β) να υπολογίζει το χρόνο εκτέλεσής της και γ) να μετρά τον αριθμό των επαναλήψεων.  Το πρωτότυπο αυτό σύστημα σχεδιάστηκε έτσι ώστε να ανιχνεύει και να κατηγοριοποιεί τρεις μορφές άσκησης: τρέξιμο, κοιλιακούς και κάμψεις.

Η συλλογή δεδομένων από την καταγραφή του ΗΚΓ πραγματοποιείται μέσω της πλακέτας μικροελεγκτή Arduino Uno, η οποία στέλνει τις πληροφορίες αυτές ασύρματα στον Η/Υ μέσω ραδιοκυματικού διαύλου επικοινωνίας Bluetooth. Η ανίχνευση της κίνησης γίνεται με τη βοήθεια του ασύρματου χειριστηρίου Wii της Nintendo, το σήμα Bluetooth του οποίο ανακόπτεται και καταγράφεται από τον Η/Υ.

Τέλος, το σύστημα χρησιμοποιεί στοιχεία βάρους, φύλου και ηλικίας του ασκούμενου που εξαρχής εισάγονται στον Η/Υ, την ταυτοποίηση της φυσικής άσκησης, την καταγεγραμμένη διάρκειά της και τους καρδιακούς παλμούς ανά λεπτό, έτσι ώστε να παρέχει  εκτίμηση της κατανάλωσης ενέργειας σε θερμίδες καθόλη τη διάρκεια άσκησης.

Σχεδιαστικές προδιαγραφές

Στην παρακάτω εικόνα παρουσιάζονται οι απαιτήσεις του συστήματος

sxed prod

Γενικό διάγραμμα hardware

geniko diagramma

Περιγραφή υλικού

Wii

wii

Το Wii Remote (ή Wiimote) αποτελεί το ασύρματο χειριστήριο της κονσόλας παιχνιδιών Nintendo Wii. Με την χρήση αυτού του χειριστηρίου, αναγνωρίζεται σε πραγματικό χρόνο η κίνηση σε τρεις άξονες που εκτελεί ο χειριστής και στη συνέχεια το σήμα του μεταδίδεται ασύρματα στην κονσόλα.

Για την επίτευξη της ανίχνευσης των κινήσεων σε τρεις άξονες, το Wii remote χρησιμοποιεί έναν συνδυασμό ενσωματωμένου επιταχυνσιομέτρου και υπέρυθρης ακτινοβολίας.

Πρόκειται για ένα ευαίσθητο επιταχυνσιόμετρο το οποίο έχει την δυνατότητα να συλλέγει πληροφορίες για την κίνηση σε τρεις άξονες. Το εύρος της μέτρησης βρίσκεται ανάμεσα στα ±3G (όπου G: επιτάχυνση βαρύτητας) ενώ η ευαισθησία της ανίχνευσης αγγίζει το 10%.

Arduino board

arduino board

Γενικά, όταν λέμε Arduino εννοούμε μία ηλεκτρονική πρότυπη πλατφόρμα ανοιχτού κώδικα, η λειτουργία της οποίας βασίζεται: α) σε μία απλή πλακέτα εισόδων-εξόδων, β) σε ένα περιβάλλον ανάπτυξης το οποίο υλοποιεί την γλώσσα Processing. Το hardware μέρος της συσκευής αποτελείται από έναν μικροελεγκτή της Atmel, τις I/O και άλλα βασικά εξαρτήματα που απαιτούνται για την λειτουργία και την επικοινωνία του ελεγκτή, με το PC, τους ενεργοποιητές, τα αισθητήρια κτλ.

Η πλακέτα του καρδιογράφου

electro

Ο ηλεκτροκαρδιογράφος είναι μια συσκευή, η οποία μετρά το ηλεκτρικό σήμα που παράγεται από την καρδιά. Το σήμα αυτό δημιουργείται κατά την διάρκεια του καρδιακού κύκλου και έχει μικρή τάση. Αυτό απαιτεί την χρήση ηλεκτροδίων, τα οποία τοποθετούνται στο στήθος του υποκειμένου, ώστε να είναι εφικτή η λήψη του σήματος. Σε κάθε περίπτωση κατά την διάρκεια ενός καρδιακού κύκλου παράγεται μια κυματομορφή, η οποία αποτελεί το ηλεκτροκαρδιογράφημα. Τα ηλεκτρόδια τοποθετούνται στο στήθος του υποκειμένου κατά τέτοιο τρόπο, ώστε να μπορούν να λαμβάνουν τη διαφορά δυναμικού.

Περιγραφή λογισμικού

Το πρόγραμμα του Wii Remote

Στο σημείο αυτό θα παρουσιάσουμε και θα αναλύσουμε με τη βοήθεια μπλοκ διαγράμματος το τμήμα του προγράμματος του LabVIEW, που είναι απαραίτητο για την επεξεργασία του σήματος του Wii Remote.

wii b diagram

Το πρόγραμμα του καρδιογράφου

e b diagramUntitled

Εδώ παρουσιάζεται και αναλύεται μέσω μπλοκ διαγράμματος ο κώδικας του ηλεκτροκαρδιογράφου. Παραπάνω παρουσιάζεται ένα γενικό διάγραμμα από τον κώδικα από τον οποίο εξάγεται α) το αρχικό ηλεκτροκαρδιογράφημα, β) το φιλτραρισμένο ηλεκτροκαρδιογράφημα, γ) η απεικόνιση των R-κορυφών και δ) η κατανάλωση των θερμίδων.

Η λειτουργία του προγράμματος Real Term

Ο σκοπός της χρήσης του προγράμματος Real Term είναι η συλλογή των δεδομένων του καρδιογράφου από την σειριακή θύρα (μέσω της οποίας επικοινωνεί το Arduino Uno με το PC) και η αποθήκευσή τους σε αρχείο txt. Το αρχείο με τα δεδομένα του ΗΚΓ διαβάζεται και επεξεργάζεται αργότερα από τον κώδικα που LabVIEW.

Το πρόγραμμα δειγματοληψίας του Arduino board

Κατά την ανάπτυξη του συστήματός μας, θεωρήθηκε απαραίτητη η μετατροπή του αναλογικού σήματος του καρδιογράφου σε ψηφιακό (ADC conversion). Η γλώσσα προγραμματισμού του Arduino Uno, μας δίνει αυτή τη δυνατότητα, πραγματοποιώντας την κατάλληλη δειγματοληψία στο αναλογικό σήμα.

arduino sampingΠαρουσίαση αποτελεσμάτων

Στην παρακάτω εικόνα εμφανίζεται το αποτέλεσμα της αναγνώρισης της άσκησης των κοιλιακών καθώς και της καταμέτρησης των επαναλήψεων, με τη βοήθεια του προγράμματος LabVIEW

apot

AK_LAB==

FRONT BIO

Επιμέλεια άρθρου:

Γιάννης Σοφιανίδης

Μηχανικός Αυτοματισμού Τ.Ε.

 

Πηγή:

Πτυχιακή εργασία των φοιτητών Μιχάλη Ελευθεριάδη και Γιάννη Σοφιανίδη με τίτλο

Φορητό Ηλεκτρονικό Σύστημα Συλλογής Φυσιολογικών Μετρήσεων Ανθρώπινης Δραστηριότητας“.

Επιβλέπων καθηγητής: κ. Αστάρας Αλέξανδρος

Εδώ ή εδώ μπορείτε να βρείτε ολόκληρη την πτυχιακή εργασία.