SSSNS: rede de sensores sem fios para cuidados de saúde pessoais e monitorização ambiental
Introdução
A evolução tecnológica permitiu a criação de dispositivos de baixo custo com elevada capacidade de processamento e comunicações sem fios. Exemplos desses dispositivos são a plataforma Arduino e o Raspberry Pi, entre outros. Através de sensores, estas plataformas adquirem dados físicos do meio envolvente e, através de atuadores, podem responder a variações dos valores adquiridos. Os mesmos dispositivos, quando aplicados em espaços convencionais, constituem os chamados “espaços inteligentes”. Esses espaços podem ser utilizados em várias áreas, como a monitorização ambiental, os cuidados de saúde e a domótica
O sistema foi concebido para ser integrado em qualquer cenário. Por um lado, quando aplicado à monitorização ambiental, o consumo de energia do dispositivo é muito baixo. Por outro lado, na área dos cuidados de saúde, inclui um localizador no interior de edifícios, o que constitui uma grande vantagem e um avanço significativo.
Arquitetura do sistema
O sistema em si é uma solução de código aberto e baixo custo que pode ser adaptada a muitas aplicações. O sistema tem três dispositivos, todos adaptados a vários cenários. Existe um dispositivo pessoal que recolhe parâmetros vitais e monitoriza a atividade física das pessoas que o transportam. Além disso, é instalado um dispositivo ambiental para recolher dados do meio envolvente. Este funciona também como repetidor. Outro dispositivo, o gateway, é utilizado para ligar o sistema à Internet e proporciona uma interação bidirecional com o mundo exterior. O gestor do sistema pode aceder a uma página web onde todos os dados podem ser consultados e os módulos podem ser interrogados.
O Gateway XBee / GPRS inicia a rede e funciona como coordenador da rede Digimesh e cria uma ligação ao servidor web. A partir desse momento pode receber e enviar dados através da web. Todos os módulos podem então enviar dados dos sensores ou de posição.
Conceção do hardware
O dispositivo ambiental é um Arduino Diecimila ATmega168 com 16 KB de memória flash, 1 KB de SRAM e 512 bytes de EEPROM. Ligado ao Arduino temos um shield XBee. Este shield é utilizado para ligar os rádios XBee e o Arduino.
O dispositivo corporal é um Arduino Fio com um ATmega328P com 32KB de flash, 2KB de SRAM e 1KB de EEPROM. Existe um socket XBee disponível na parte inferior da placa.
O gateway é um Arduino Mega com um ATmega1280 com 128KB de flash, 8KB de SRAM e 4KB de EEPROM e quatro portas série. Ligado ao Arduino temos um shield GPRS. Este shield é utilizado para ligar o rádio GPRS e o Arduino
A ligação sem fios entre os dispositivos e o gateway é estabelecida através do protocolo Digimesh (IEEE 802.15.4). A nossa escolha foi o XBee-PRO® ZNet 2.5 OEM RF Module da DIGI
A ligação sem fios entre o gateway e o servidor web é estabelecida através de GPRS. Para isso utilizámos um módulo GSM/GPRS pronto para Arduino da LIBELIUM.
Para a medição da temperatura utilizámos um sensor de temperatura analógico da PHIDGETS que mede valores entre -40°C e 125°C.
Dispositivo corporal
O dispositivo corporal foi uma evolução de um outro projeto, Remote Patient Monitoring (2009, Paulo Gonçalves). Neste caso utilizámos um Arduino Fio, um rádio XBee, um acelerómetro de 3 eixos e uma bateria de lítio para alimentação. Cada pessoa utiliza este dispositivo.
Dispositivo ambiental
O dispositivo ambiental utiliza um Arduino Diecimilla, um rádio XBee e um sensor de temperatura. Este dispositivo é colocado numa localização conhecida e pode executar três tarefas principais: medir a temperatura do ambiente, funcionar como router da rede mesh e indicar os seus vizinhos de rede para a localização de dispositivos.
Gateway
O Gateway utiliza um Arduino Mega, um módulo GPRS e um rádio Xbee. Este dispositivo liga-se à eletricidade e funciona como coordenador da rede mesh e como ponte para o servidor web.
Servidor web
O servidor web recolhe todos os dados e armazena-os numa base de dados MySQL. Em seguida, disponibiliza toda a informação numa página web. Essa página web é utilizada para observar todos os dados do ambiente ou do doente e para pedir a todos os dispositivos, ou a um dispositivo específico, os valores dos seus sensores ou o seu posicionamento. Tudo isto é realizado em tempo real.
Resultados
Realizámos testes de localização para determinar onde se encontravam os dispositivos corporais. Para isso medimos os vizinhos de dois dispositivos ambientais com localização conhecida. Obtivemos também o valor de RSSI de cada vizinho.
| Localização do dispositivo móvel | Dispositivos vizinhos | RSSI |
| 1 | R01 – 404bfeda | -27 |
| 1 | R02 – 405c2c78 | -58 |
| 5 | R01 – 404bfeda | -38 |
| 5 | R02 – 405c2c78 | -66 |
| 8 | R01 – 404bfeda | -40 |
| 8 | R02 – 405c2c78 | -47 |
Nesta situação podemos ver que quanto maior o RSSI, mais próximos estamos dos dispositivos. O dispositivo móvel deslocou-se entre a posição 1 e a 9. A tabela acima mostra a média dos valores obtidos ao longo das várias medições dos vizinhos visíveis em cada posição do dispositivo móvel e mostra também os valores de intensidade do sinal recebido (RSSI) medidos em cada caso. Por exemplo, os vizinhos do dispositivo móvel na posição 1 são o R01 e o R02. A ligação ao R01 tem o valor de -27dBm e ao R02 de -58dBm. Assim, podemos verificar que estamos mais perto do R01 e longe do R02. Com esses valores podemos ter uma ideia de onde se encontra o dispositivo móvel.
Conclusão
O nosso sistema mantém a ideia de não ser necessária nenhuma rede existente no local de instalação. Isto mostra que pode ser utilizado em qualquer área de investigação. Este aspeto e a utilização de equipamento de baixo custo ajudam a evidenciar um dos requisitos propostos do projeto, a criação de um sistema de baixo custo.