1
GSM personlarm vid krissituation
Irina Eckhoff och Ala Eddin Al-Qut
Examensarbete inom Data- och telekommunikationsteknik (15hp)
Högskoleingenjörsprogram i Data- och telekommunikationsteknik (180hp) VT 2009
Examinator: Bengt Nilsson
2
Abstract
Patients with different diseases may faint or lose consciousness and require emergency assistance. They cannot know in advance that they will need help. Today, there are security alarms but communication and technology of these alarms have very limited functions. This report describes a final year project where we developed a prototype of a product, GSM- personal alarm.
The prototype continuously monitors the patient's pulse and if the pulse is greater than or less than the threshold values specified by the doctor, the alarm system will send an SMS message to an alarm help receiver. The system works equally well at home or outdoors. It uses the GSM network and thus increases the communication range.
Sammanfattning
Patienter med olika sjukdomar kan svimma eller tappa medvetandet och behöver akut hjälp. De kan inte veta i förväg att de kommer att behöva hjälp. Det finns trygghetslarm men kommunikationen och tekniken hos sådana larm är mycket begränsad. Denna rapport beskriver ett examensarbete där vi utvecklade en prototyp till en produkt, GSM personlarm. Prototypen övervakar kontinuerligt patientens puls och om pulsen överstiger eller understiget värdet som anges av en läkare skickas ett SMS-meddelande till en larmmottagare som kan skaffa hjälp. Systemet fungerar lika bra i bostaden som utomhus. Den utnyttjar GSM-nätet och på så sätt ökar kommunikationsräckvidden.
3
Innehåll
Abstract ... 2 Sammanfattning ... 2 1. Inledning ... 4 1.1 Problem ... 41.2 Precisering av syfte och avgränsning ... 4
2. Bakgrund... 5
2.1 Inledning ... 5
2.2 Dagens produkter ... 5
2.3 Intressenter ... 6
2.4 Konkurrenter ... 6
2.5 Fördelar och nackdelar med dagens produkter ... 7
2.6 Test av en existerande pulsmätare ... 8
3. Idealiserat system - tänkt produkt ... 9
3.1 Systembeskrivning ... 9 3.2 Komponenter ... 11 3.2.1 Fuktsensor ... 11 3.2.2 Pulssensor ... 12 3.2.3 Andningssensor ... 13 3.2.4 Processor ... 14 3.2.5 GSM-modem ... 14 3.2.6 Andra komponenter ... 14 4. Prototyp ... 15 4.1 Systembeskrivning ... 15 4.2 Pulssensor ... 16
4.2.1 Teori bakom metoden ... 17
4.2.2 Realisering ... 19
4.3 Pulsmätare ... 23
4.3.1 Teori bakom pulsmätningen ... 23
4.3.2 Realisering ... 25
4.4 PIC-GSM ... 28
4.4.1 GSM modem ... 28
4.4.2 Realisering ... 29
4
1. Inledning
1.1 Problem
Medicinska patienter med olika sjukdomar har gemensamt att de kan svimma eller tappa medvetandet och just då behöver akut hjälp. De kan alltså inte veta i förväg att de behöver hjälp.
Det finns trygghetslarm som kan användas vid behov av hjälp men kommunikationen och tekniken hos larm är mycket begränsad. För att använda detta måste man trycka på en larmknapp. Trygghetstelefonen ringer då upp larmcentralen SOS Alarm. Efter en stund får man svar och kan samtala med personalen. Om man inte kan prata åker de som har jouren hem till den personen inom 1 timme.1 Ett problem med systemet, är att det förutsätter att patienten inte tappar medvetandet. Det finns akutsituationer när man inte har möjlighet att
trycka på någon knapp (t.ex. när man svimmar).
I så fall behöver man ett personlarm som kan kontrollera hälsotillstånd med hjälp av sensorer och vid krissituationen varna sin ägare med en signal. Om personen under en viss tid inte reagerar på signalen ska personlarmet skicka meddelande vidare till larmcentralen eller till en annan signalmottagare.
1.2 Precisering av syfte och avgränsning
Vår idé är att utveckla ett personlarm som kan kontrollera hälsotillståndet med hjälp av några olika sensorer som vid krissituationen kan varna sin ägare med en signal. Om personen under en viss tid inte reagerar på signalen ska personlarmet skicka ett SMS till larmcentralen eller till en annan mottagare.
Vi begränsar vårt arbete till att konstruera en prototyp som demonstrerar konceptet. Prototypen kan i framtiden utvecklas till en färdig kommersiell produkt.
Prototypen innehåller en sensor som mäter puls, en mikroprocessor och ett GSM- modem.
”Alla bilder är publicerade med upphovsmannens tillåtelse ”
1
http://www.karlskrona.se/Global/Karlskrona%20kommun/Dokument/Stod%20och%20omsorg/Aldre%2 0dokument/broschyr_larmcentralen.pdf
5
2. Bakgrund
2.1 Inledning
Innan vi började utveckla larmet har vi tittat på liknande produkter och diskuterade med intressenter.
2.2 Dagens produkter
Trygghetslarmet är väldigt populärt bland ensamboende pensionärer. De känner sig
tryggare när de vet att de kan kalla på hjälp vid behov.
Bild 1. Vivago - hälsoarmband
Vår undersökning visade att det finns olika modeller av trygghetslarm på den
svenska marknaden. ”Falkom” är mest populär i Malmö. ”Vivago
2” (bild 1)
används avde äldre i andra kommuner. 2
6
Bild 2. Trygghetslarm
Dessa system3 erbjuder olika tjänster. Man kan t.ex. skicka en varningssignal till SOS-centralen för att kalla på sjuksköterska, brandman, polis, man kan ringa och berätta om sina behov osv.
(bild 2)
2.3 Intressenter
Vi pratade med sektionschef för Päronskogens vårdboende i Malmö kommun och med driftchef över larmteamet på äldreförvaltningen i Karlskrona kommun. Båda anser att tanken är god, att ha möjligheten att övervaka personer hela tiden. Inom sjukvården finns produkter som övervakar patienter efter exempelvis operationer och dylikt, och det vore bra att ha en mindre variant. Det finns personer med vissa sjukdomar som sömnsjuka, diabetes m.m som har en hund som övervakare. Det är speciellt tränade hundar som kostar mycket pengar. Men inte alla har möjlighet att skaffa en hund.
2.4 Konkurrenter
Med tanke på att vi vill att vårt arbete ska leda till en produkt, letade vi efter liknande
produkter runt om i Sverige och världen för att få en uppfattning om hur stor
3
http://www.karlskrona.se/Global/Karlskrona%20kommun/Dokument/Stod%20och%20omsorg/Aldre%20dokument/ broschyr_larmcentralen.pdf
7
konkurrens vi har. I Sverige lyckades vi inte hitta någon produkt som motsvarade vår.
I USA, Canada och Ryssland däremot fanns det några företag med liknande tjänster
men med andra användningsområden.
Bild.3 visar en rysk polygraf .En lögndetektor, ibland kallad polygraf, är en elektronisk apparat som används för att för att kontrollera om en person talar sanning eller ljuger genom att registrera ett flertal kroppsfunktioner med hjälp av olika sensorer (t.ex. puls, andning, blodtryck och handsvett). Det finns inga vetenskapliga bevis för att den fungerar.4
Bild 3. Polygraf
2.5 Fördelar och nackdelar med dagens produkter
Personlarm är designade för olika situationer som man kan befinna sig i. Det kan vara en enhet som man kan bära i fickan eller klämmer fast på kläderna, den kan hänga på väggen eller ligga på ett nattduksbord. Den mest populära och bekväma formen är ett armband, som bäraren hela tiden kan ha på sig och trycka på knappen för att kalla på hjälp vid behov. 5
4
http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BE%D0%BB%D0%B8%D0%B3%D1%80%D0%B0%D1%84
5
8 Andra tjänster som olika firmor erbjuder är bekväm design, låga priser och hög efterfrågan vilket gör personlarmet väldigt populära i hela världen6.
Oavsett teknologier, design och tjänster har alla personlarm nackdelar. För det första, är larmen avsedda för personer som kan kontrollera sin situation. Användaren måste vara vid medvetande för att kunna trycka på knappen och förklara problemet för att få rätt och snabb hjälp. Även om man inte har möjlighet att prata får man hjälp, fast den kommer senare. Oavsett vilket måste man trycka på knappen annars får man ingen hjälp.
För det andra, består personlarmet av två delar, en larmklocka och en trygghetstelefon. De har begränsad räckvidd 7. Signalen från armbandet förmedlas vidare endast när användaren befinner sig inom basenhetens räckvidd, som oftast är ca tjugo meter. Dagens produkter är baserade på Bluetooth eller Wifi teknik och båda två har en begränsad räckvidd som inte är mer är hundra meter8.
2.6 Test av en existerande pulsmätare
För att få en klar bild över funktioner som dagens pulsmätare kan utföra och vilka av dessa funktioner vi behöver använda i vårt arbete, samt för att studera problem som kan uppstå vid sensorns utveckling har vi testat en existerande pulsmätare.
Enheten vi valde kallas OxyTrue A . Mätaren är en av de senaste modellerna som finns på marknaden. Den används för permanent övervakning av den funktionella syremättnaden hos arteriellt hemoglobin (SpO2) och pulsfrekvensen, som ger möjlighet, inte bara att mäta pulsen utan också, att undvika ett blodprov som vanligen görs för att få syrevärden.
Pulsmätaren avläser signaler från sensorn och visar dessa på skärmen. Det finns även möjlighet att spara mätningar i enhetens minne och skriva ut dem på en dator. Mätarens hjärta är en processor som styr hela systemet.
6 http://www.corneskogteknik.se/ http://www.iqobject.se/index.php?id=1492 7 http://www.funkaportalen.se/Reportage/Stod-Service/Hjalpmedel/Trygghetslarm-via-IP-telefoni/ 8 http://en.wikipedia.org/wiki/Wi-Fi http://en.wikipedia.org/wiki/Bluetooth http://www.wifi-toys.com/wi-fi.php?a=articles&id=21
9 Sensorn är väldigt känslig mot omgivande ljus. Om ljuset är starkt måste man täcka över sensorns appliceringsställe med ett ljustätt material. I annat fall kan de uppmätta resultaten bli felaktiga.
Vi har också gjort ett antal experiment för att få insikt i pulsmätning där vi kontrollerade pulsen vid olika situationer.
3. Idealiserat system - tänkt produkt
3.1
Systembeskrivning
Systemet består funktionellt av tre delar (bild 4).
1. Mätning av patientens tillstånd. Sensorer mätar puls, andningsfrekvens och hudens fuktighet (svettning);
2. Analys. Mätningarna räknas separat från varandra och jämförs med motsvarande gränsvärde;
3. Larm. Ljud- och ljussignaler aktiveras vid akutsituationen; tio sekunder senare skickas varningsmeddelande till mottagaren.
S 1 – fuktsensor Z - summer
S 2 – andningssensor L - lysdiod S 3 - pulssensor
10
Den tänkta produkten (GSM-personlarm) kommer att innehålla följande sensorer: fuktsensor, andningssensor och pulssensor. Kombination av dessa tre sensorer anses mest lämplig för att indikera patientens tillstånd. När värdena överstiger gränsvärden som bestäms av en läkare, initieras larmfunktionen. Först kommer en summer att avge en ljudsignal och en lysdiod att blinka i några sekunder. Under denna tid har patienten möjlighet att avbryta larmet. Om patienten inte avbryter larmet kan man förmoda att denne inte är vid medvetande och behöver snabb hjälp. Personlarm skickar ett SMS till ett förbestämt telefonnummer. Numret kan vara till en anhörig eller till en larmcentral.
Både gränsvärdena och det avsedda telefonnumret laddas i personlarmet från en dator. Funktioner är realiserade i GSM-personlarm (bild.6) med
a) Sensorer (S1, S2, S3) b) en mikroprocessor
c) lysdiod (L), summer (Z) och GSM modem
Bild 5. Strukturellt schema
11
3.2 Komponenter
3.2.1 Fuktsensor
Fysiska belastningar, ändring av känslomässiga tillstånd, sjukdomar, mm. påverkar hudens fuktighet.
Det finns flera olika metoder att mäta fuktigheten på huden. Fuktsensor i vårt personlarm är implementerad som en GSR sensor (Galvanic Skin Respons).
GSR-sensorn är en enhet som mäter galvanisk hud-reflex (den elektriska spänningen/resistans i huden). Reflexen genererar resistansändringar i huden (bild.6). Dessa resistansändringar är proportionella mot hudens fuktighet.
Mellan två punkter på huden finns en elektrisk spänning som beror på svettning. Hudområdet där man svettas mer är en (V-)-punkt, och hudområdet där man svettas mindre är en (V+)-punkt. En fuktig hud har lägre resistans än en torr hud. Tabell 1. visar hudens resistans på olika kroppsdelar.
Tabell 1. Hudens resistans
Torr hud Kohm/cm
panna 10 hals 35 handflata 20 mage 525 lår 525 knä 400
GSR-metod som använder sig av sensorn genomförs genom att mäta hudens spänning med hjälp av två elektroder som fästs på huden. Avståndet mellan elektroderna är 1 cm. Potentialskillnaden förstärks och avläses av en galvanometer och överförs i Ohm enligt Ohms lag.
12
Bild 6. GSR- uppställningsdiagram
3.2.2 Pulssensor
Pulssensorn kan implementeras med en lysdiod och en fotodetektor. Ljuset från lysdioden passerar genom vävnad (t ex ett finger), vars ljusdämpning förändras i takt med varje hjärtslag (bild 7). Ljuset avläses av fotodetektorn som omvandlar ljussignalen till en elektrisk signal.
13 Dagens kommersiella pulssensorer innehåller två ljusdioder, en med rött ljus och en infrarött. Metoden som används är baserad på vävnadens förmåga att absorbera två typer av ljus med olika våglängder och skillnaden mäts med en detektor.
3.2.3 Andningssensor
Mätningen av andningsfrekvensen baserar sig ungefär på samma metod som mätning av pulsen, där använder man en eller flera sensorer som med hjälp av ljuset mäter mängden blod i ådrorna. Den tekniska skillnaden är att en fotodetektor mäter en speglande ljussignal istället för en passerande (bild 8). Resultat av mätningarna ändras i takt med andningen.
Bild 8. Andningssensor - uppställningsdiagram
Det finns sensorer som utför båda funktioner (puls och andningsfrekvens) och separerar mätningarna från varandra. En sådan sensor med namnet Hjärtrud9. utvecklades av
Linköpings universitet. Nackdelen är att sensorn är utvecklad till en stationär mätare som inte kan bäras i fickan.
9
14
3.2.4 Processor
Processorn är systemets hjärna som kontrollerar och styr personlarmet. Den avläser sensorernas värden beräknar parametrarna (puls, fuktighet, andningstakt), jämför dem med förinställda värden och initierar larmfunktioner. Processorn kan också kommunicera med en PC via en USBport för att hämta gränsvärdena och telefonnummer dit larm SMS kan skickas. Det finns olika modeller på marknaden som kan användas till vår produkt. Valet beror på antal funktioner som processorn kan utföra, energiförbrukningen, processorns kraft och priset.
3.2.5 GSM-modem
Ett GSM-modem fungerar som ett uppringt modem. Precis som en GSM-mobiltelefon, kräver ett GSM-modem ett SIM-kort från en trådlös operatör för att fungera. Modemet styrs av AT-kommandon som skickas från processorn.
GSM-modem stödjer ett antal standardiserade AT-kommandon för att:. • Läsa, skriva och radera SMS-meddelanden.
• Skicka SMS-meddelanden. • Övervaka signalstyrkan.
• Övervaka laddningsnivå på batteriet.
• Läsa, skriva och söka bland telefonbokens poster
3.2.6 Andra komponenter
I systemet ingår också batterier, summer, ljusdiod, avstängningsknapp, antenn och USBkontakt.
15
4. Prototyp
4.1 Systembeskrivning
Prototyp till personlarmet som vi utvecklade i vårt examensarbete består av följande delar: En pulssensor som innehåller lys- och fotodioder.
En pulsmätare som innehåller en PICprocessor, en ljusdiod, en display och ett tangentbord.
En meddelandesändare realiserad med ett GSM-modem
Bild 9. Strukturellt schema
Systemet fungerar på följande sätt (bild 10):
1. Pulssensorn som innehåller en ljusdiod reagerar på pulsfrekvensen, överför
ljussignaler till elektriska signaler som avläses av pulsmätare.
2. Pulsmätaren räknar antal pulser och visar dem på skärmen, samt jämför
mätningarna med gränsvärdena (minimum och maximum) som finns lagrade i
programmet. Om pulsvärdet går utanför de lagrade gränserna tänds en
ljusdiod som en varningssignal. I 10 sekunder efter detta befinner sig systemet
16
i ett vänteläge, då finns det möjlighet att avaktivera systemet genom att trycka
på en knapp.
3. Om systemet inte avaktiveras skickas ett meddelande genom GSM-modemet
till en mottagare på ett förutbestämt telefonnummer.
Bild 10. Funktionsdiagram
4.2 Pulssensor
Pulssensor är en enhet som ger möjlighet att mäta pulsfrekvensen i antal slags/min. Vid varje hjärtslag vidgas artärerna när blodet pressas genom dem.
Sensorn innehåller en ljusdiod som lyser infraröd. Strålningen passerar genom patientens finger och läsas av en fotodetektor som levererar mätningar vidare till förstärkaren, eftersom signalerna är väldigt svaga och måste bearbetas för att få ett tydligt resultat.
17
4.2.1 Teori bakom metoden
Bild 11. Pulsmätningsteknik
Ljus som färdas genom ett medium förändras enligt Beer-Lambert’s lag10
(bild.11):
𝐼 𝑥 = 𝐼𝑜 ∙ 𝑒
−𝜀 𝜆 𝑐(𝑥−𝑎) , där är−𝜀 𝜆
en absorbtionskonstant𝑐 koncentration (𝑥 − 𝑎) en ljusvåglängd;
𝑙𝑜 ljusets intensitet från en ljusdiod.
Ljuset (Io) som färdas genom ett finger absorberas delvis av vävnaden. Det förändrade ljuset(I) mäts med en fotodiod.
Det finns två grundläggande fysikaliska princip inom pulsoximetri.
Ljuset absorberas av blodet som består av två hemoglobinsorter
–
oxihemoglobin HbO
2(med syre) och deoxihemoglobin RHb (utan syre).
1110
S.J. Leno S. Pedrotti Frank L. Pedrotti. Introduction To Optics. John Wiley & Sons, 2nd edition, 1996. Sid.108
11
J GWebster. Design Of Pulse Oximeters. Institute of Physics Publishing,1997.
18
Skillnaden
mellan
de
två
ger
möjlighet
att
beräkna
syrehalt.
Beräkningsmetoden är ganska komplicerad
12.
Ljussignalen förändras till en pulserande signal vid varje hjärtslag när ljuset
passerar genom vävnaden. Så kan man räkna pulsfrekvensen. (bild.12)
De två hemoglobinsorterna har olika absorbtionskoefficienter beroende på färg. Oxihemoglobin är ljusrött (absorbtionskoefficient c.a 660nm) och deoxihemoglobin är mörkrött (absorbtionskoefficient c.a. 940nm).
Bild 12. Ljusteknik
På grund av detta använder man två ljusdioder med våglängder som motsvarar koefficienternas värde för att göra mätning av syremättnaden. En av dioderna är röd (660nm) och den andra är infraröd (940nm).
I vår enkla prototyp använder vi endast en ljusdiod. Eftersom det är enklare att upptäcka en pulserande signal när deoxihemoglobin är mörkt, därför används ljusdiod som lyser infraröd.
12
http://www.oximeter.org/pulseox/principles.htm
19
4.2.2 Realisering
PICprocessorn som styr hela systemet kommunicerar med andra elektroniska delar genom ett speciellt språk som består av ettor och nollar. En etta presenterar +5V och en nolla 0V. Det betyder att en idealiserad signal som kommer till processorns ingång måste vara tillräkligt stark (ca 5 V) för att processorn ska kunna bearbeta den och signalen får inte påverkas av störningar för att ge pålitliga beräkningar. Varje etta betyder ett hjärtslag.
Sändare och mottagare väljs så att deras våglängd är likadan hos båda dioder och att strålningsvinkeln är tillräckligt liten för att koncentrera största delen av ljuset mot fotodetektorn.
Pulssignalen som mäts av en fotodiod är ganska svag ca. 0,028 mV (bild 15.1) och påverkas av olika störningar. För att förstärka den och minska impulsdistorsionen använder vi ett antal operationsförstärkare och filter i pulsmätarens koppling. Signaler som kommer från fotodioden är analoga, det betyder att de ändras från 0V till 5V i vågor. För att få digitala signaler som växlar från 0V till 5V och kan mätas av processorn använder vi en analog-till-digital-omvandlare (exempel: analogt värde är [0, 2.5] V => digitalt värde är 0V, analogt värde är ]2.5, 5] => digitalt värde är 5V) .
Som tidigare nämnts är pulssignaler inte lika starka, signalamplituden kan varieras beroende på hjärtats arbete. Att få en stabil analog signal med amplituden 5V är omöjligt. Samtidigt störs signalerna av brus som måste filtreras bort. För det använder vi ett eller flera olika filter men att undvika störningar helt är väldigt svårt. Vanligt är att sådana signaler är svagare än pulssignalerna och med hjälp av A/D-omvandlare kan man filtrera bort dem.
l vårt fall använde vi den enklaste A/D-omvandlare kallad komparator. Komparatorn (analoga signaler) är en elektronisk krets som på sina ingångar får två analoga signaler och utfärdar en logisk "0" eller "1" beroende på signalernas storlek. Man kan beräkna en genomsnittlig amplitud och utgående från detta värde bygga en referens för att komparatorn ska kunna jämföra referensvärdet med mätarens. Då mätarens värde är högre (vid ett hjärtslag) skickar komporatorn 5V (en etta) till PICprocessorns ingång annars skickas en nolla.
Pulsmätarens utgång kopplas till processorns signalingång där signaler mäts och bearbetas enligt programmet.
20 Bild 13. presenterar pulssensorns principiella schema som utvecklades under arbetet.
Bild 13. Pulssensor – principiellt schema
21 Pulssensorns arbete sker stegvis och uppdela preliminärt i tre etapper. Bilder 15.1, 15.2 och 15.3 visar sambandet mellan det principiella schemat och ändringar av signalen från det första steget på ingången till det sista på sensorns utgång. Målet med den första är att få en tydlig pulserande signal i takt med hjärtslaget. Strålningen från ljusdiod D1 passerar genom patientens finger och läses av en fotodetektor D2. Signalen som är väldigt svag i den första punkten (ca 0,028 mV) passerar genom en krets som innehåller två operationsförstärkare (OP1A och OP1B) där den förstärkas 100 gånger. Efter det filtreras en del av bruset bort med hjälp av ett lågpassfilter (R5,C1). På utgången får vi en signal som är renare och högre (ca 2,8 mV) men ändå inte tillräkligt för att processorn ska kunna läsa den.
Bild 15.1 Ändringar av pulssignalen: 1- från en fotodiod, 2 - efter förstärkning och filtrering
Nästa steg är att förstärka signalen ännu mer och rensa ännu bättre(se bild 15.2).
Efter operationsförstärkaren (OP2A) passerar signalen genom en kaskad som består av tre filtrar, där två av dem är lågpass-(R9,C2 och R10,C3) och ett högpassfilter (C4,R11). Nu är pulssignalen tio gånger högre (ca 28 mV) och innehåller nästan inget brus.
22
Bild 15.2 Ändringar av pulssignalen på den andra etappen.
Efter den andra etappen är den analoga signalen tillräkligt stark för att omvandlas till en digital som ska mätas av en processor (se bild 15.3). Signalen levereras till plusingången på en komparator (IC1) samtidigt med en annan signal som kommer från en referens (R12, R13) till minusingången. Referenssignalen är hälften så stark som pulssignalen (ca 1,5 V). Komparatorn jämför alla signaler som kommer på dess plusingång med den referenssignalen och utfärdar en logisk "0" respektive "1" om pulssignalen är mindre eller större än referensens.
Därigenom når vi två mål samtidigt. Dels att komparatorn filtrerar bort resten av störningarna och dels att analoga signaler omvandlas till digitala och kan läsas av en processor.
23
Bild 15.3 Ändringar av pulssignaren efter A/D-omvandlingen.
4.3 Pulsmätare
Pulsmätaren är enheten som räknar pulser, kontrollerar ändringar av pulsfrekvensen under en bestämd tid, visar mätningarna på skärmen och sparar dem i minnet, jämför dem med lagrade gränsvärden och, vid krissituationen när pulsen går utanför gränserna, varnar sin ägare med en ljussignal.
4.3.1 Teori bakom pulsmätningen
Normalt pulsvärde hos olika personer skiljer sig åt. Det beror på kön, hälsotillstånd, ålder, osv. Exempel på pulsvärde (i slag per minut) hos olika personer i ett viloläge kan man se i tab.213.
13
24 Tab. 2. Pulsmedelvärde Man 70 - 75 Kvinna 75 - 80 Nyfött barn 120 - 140 Professionell idrottsman 70 - 90
Pulsen hos en person kan ändras beroende av situationen, åldern, klimatet, osv. Fysisk belastning, förändring av känslomässigt tillstånd och sjukdomar påverkar den också.
Man kan mäta pulsen genom att känna med ett finger på handleden. Vanligtvis är det tillräckligt att räkna pulsen under 6 eller 10 sekunder och multiplicera med 10 respektive 6. Men en genomsnittlig puls på N slag per minut innebär inte att intervallen mellan flera hjärtslag är likadana, utan de kan variera mellan 0,25 sek. och 2,0 sek14. Bild.16 visar en pulskurva där man kan se pulserna väldigt tydligt. T1, T2, T3, T4 är tidsintervallen mellan hjärtslagen.
Bild 16. Pulssignal
Därför mäter alla dagens pulsmätare antalet pulser under en kort tid (några sek) och beräknar ett genomsnittligt värde samt visar detta värde på skärmen.
25
4.3.2 Realisering
För vår pulsmätarprototyp använde vi ett färdigt laborationskretskort (bild.17). Kortet innehåller en PIC-processor, ett minneskort, en LCD-skärm och ett tangentbord.
Bild 17. PIC- kort
Den valda processorn heter PIC16F876A från Mikrochip. Det är en energieffektiv, billig och enkel processor med elektriskt raderbart flash-EPROM och en 5 eller 8-kanals, 10-bit A/D-omvandlare. Förutom vanligt RAM-minne finns ett extra dataminne i form av EEPROM. ISP15( In-System Programming ,förkortad ISP) gör att kretsarna kan programmeras och omprogrammeras inlödda på kretskortet. Stacken är 8 nivåer djup och processorn har inbyggda funktioner som reset vid spänningstillslag, power-up timer, oscillator start-up timer, watchdog timer och brown-out reset16.
Vi kompletterade laborationskortet med elektroniska komponenter enligt schemat (se bild 18). Val av komponenter gjorde vi med utgångspunkt från av tidigare undersökningar, systemets krav och komponenternas prestanda.
Minneskort (Seriellt EEPROM med SPI-interface) M95256 har vi valt på grund av att information ut och information in sker via två separata kanaler. Det ökar datahastighet och
15
http://en.wikipedia.org/wiki/In-System_Programming
16
26 kräver inte något speciellt program för mikroprocessorn. Minnesstorleken ger möjlighet att spara mycket information.
Processorn räknar tidsintervaller mellan 5 pulser, beräknar genomsnittligt pulsvärde och visar det på skärmen.
27
28
4.4 PIC-GSM
4.4.1 GSM modem
GSM17 (Global System for Mobile Communications) är en trådlös telefonteknik.
Ett GSM-modem är en enkel enhet som ger möjlighet att skicka meddelande till mottagare (bild.19).
Bild 19. GS64 Terminal
Modemet innehåller en GSM-modul, SIM korthållare och en antenn. USBdatakabel är dagens vanligaste datatransmissionsgränssnitt när det gäller mobiltelefoner, men modemet som vi använde är utrustat med USART in/utgång. PIC-processorn på det färdigtutvecklade kortet som vi använde i vårt examensarbete kan bara kommunicera med andra enheter via COM-port på kortet.
När man arbetar med ett GSM-modem, till exempel när man ändrar en inställning, ringer upp eller kopplar från, så görs det med ATkommandon. Nuförtiden skrivs inte koden manuellt, eftersom datorns program sköter det automatiskt. AT kommandon ska skrivas med stora bokstäver.
Skriptspråket ATHayes kommando är ett specifikt kommando språk som utvecklades för Hayes Smartmodem 300-baud modem18. Kommandouppsättningen består av en serie korta textsträngar som kombineras tillsammans för att utföra transaktioner såsom uppringning och
17
http://www.cepag.com/cep_telit-products/products/gprs-umts-terminals/gs64ca/gprs_terminal_gs64ca.html
29 ändra parametrarna för anslutningen. Ett vanligt uppringt modem följer specifikationen för Hayes Kommando set.
I vårt arbete använde vi de följande tre ATkommandon för att skicka SMSmeddelanden via modemet. Kommandona består av två funktionsdelar, den ena är initiering för att konfigurera modemet d.v.s.”Standby läge” och den andra skickar ett sms meddelande.
Följande källkod är ett exempel:
4.4.2 Realisering
GSM-modemet kopplas via USBdatakabel enligt schemat (bild.20) till PICprocessorn som styr pulsmätaren.
AT+CSMP=17,167 Sätt text mode parameter
AT+CMGF=1 Sätt Modulen på text mod
AT+CMGS= ”07XXXXXXXX” skicka meddelande till följande nummer
> Test SMS Text man vill skicka
30
5. Diskussion och slutsatser
Patienter med olika sjukdomar kan svimma eller tappa medvetandet och behöver då akut hjälp. Vi tänkte utveckla en produkt som skulle varna vid sådana situationer. Liknande produkter finns på marknaden fast med begränsade funktionalitet, så vår tanke är att förbättra redan existerande lösningar.
Vi kontaktade flera tänkbar intressanta kunder samt medicinska experter som visade ett stort intresse för iden. Tekniken i produkten kan användas i andra sammanhang inom larmteknik . Vi valde GSM system för att öka tryggheten och säkerheten inom ett större geografisk område där patienten vistas i. En fördel är att GSM också kan användas för positionering. Man kan utnyttja basstationernas position i mobilnätet för att bestämma var larmsystem befinner sig. Denna möjlighet skulle kunna användas i en framtida utveckling av vår produkt. Området var nytt för oss, vi insåg ganska snabbt att vi inte kunde utveckla hela produkten, därför bestämde vi i samråd med vår handledare att bygga en prototyp som demonstrerar konceptet.
Den största svårigheten var elektroniken i sensorn. För att kunna utveckla programmet samtidigt med konstruktion och test av elektroniken ersatte vi sensorn med en signalgenerator. När sensorn äntligen började fungera kunde vi koppla den till PICprocessorn istället för signalgeneratorn.
Efter att ha byggt en prototyp kan vi konstatera att prototypen fungerade och produkten går att implementera. Vi kan mäta pulsen och skicka SMS till ett förvald telefonnummer. Syftet med vårt examensarbete var att undersöka, testa och utveckla ett antal mål och utföra uppgifter med hjälp av kunskap som vi har fått under våra studier. Projektet var lärorikt och givande fast det var ett stort arbete och det krävdes mycket resurser och tid. Examensarbetet behandlade mjukvara och hårdvara och gav oss erfarenhet av att se helheten och sambandet mellan hårdvaran och mjukvaran. Vissa problem som uppstod under arbetet hade vi underskattat (t.ex. pulssensorns konstruktion). Med ett GSM modem hade vi aldrig arbetat förut.
Insamlingen av informationen för utvecklingen inom det området skedde huvudsakligen från olika källor som exempelvis artiklar från Internet. Den konkreta tekniska Informationen om andra liknande produkter inom detta område är begränsad eftersom det betraktas som företagshemligheter. Från början ville vi bygga ett eget GSM-modem. Vi fick använda extra tid för att undersöka och testa olika mobiltelefoner.
31 Signalfiltrering är oerhört viktigt när det gäller sensorer, därför är det lämpligt att använda digitala filter för att förbättra signalen. Dessa kan implementeras med ARMprocessor eller PIC.
För att få ett bättre resultat bör utvecklaren utgå från att designa hela systemet som ett ”embedded system”, i detta fall behöver man använda flera processorer men resultaten blir noggrannare och pålitligare. Samtidigt medför det att produkten skulle bli mycket dyrare. En viktig lärdom från vårt arbete är att en designer hela tiden måste göra kompromisser mellan teknisk perfektion och ekonomi.
Vi hoppas att vårt arbete kan bli inspiration för framtida examensarbeten inom data och telekommunikationsområdet.
32
Käll- och litteraturförteckning
Följande lista visar böcker och andra källor som vi konsulterade under vårt arbete.
IJ GWebster. Design Of Pulse Oximeters. Institute of Physics Publishing,1997.
S.J. Leno S. Pedrotti Frank L. Pedrotti. Introduction To Optics. John Wiley & Sons, 2nd edition, 1996.
Parin V.V., Baevsky R.M., Gazenko O.G. Heart and circulation under space conditions. Cor et Vasa, 1995
PIC C: an introduction to programming the microchip PIC in C / by Nigel Gardner Gardner, Nigel [Storbritannien]: Bluebirds electronics , cop. 1998
http://www.karlskrona.se/sv/Familj--omsorg/Aldre/Hjalp-och-Service/Trygghetslarm/ 2008-12-28 http://www.karistelefon.fi/sv/till-hemmet/vivago-halsoarmband 2008-12-28 http://trygghetslarm.nu/content/view/143/2/ 2008-12-28 http://www.triator.se/?art_id=3&_Triator_Care 2009-01-11 http://www.neatelectronics.se/se/index.htm 2009-01-11 www.medicinehatpolice.com/polygraph.html 2009-01-11 http://www.bluepoint-medical.com/documents//flyer_oxytruea_en.pdf 2009-01-12 http://www.nyteknik.se/nyheter/it_telekom/allmant/article2216.ece 2009-01-19 https://www1.elfa.se/elfa~se_sv/b2b/catalogstart.do?tab=catalog2009-01-20 http://www.allpinouts.org/index.php/Main_Page2009-02-01 http://www.developershome.com/sms/howToSendSMSFromPC.asp2009-02-05 https://www1.elfa.se/elfa~se_sv/b2b/start.do 2009-02-10 http://www.kirovregion.ru/cgi-bin/news/index.cgi?id=3872 2009-02-16 http://www.diplus.ru/di_history.html 2009-03-02 http://www.chip-dip.ru/product0/476454014.aspx 2009-03-04 http://www.sm.luth.se/csee/courses/sms/030/2003/puls/report.pdf 2009-03-05 http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BE%D0%BB%D0%B8%D0%B3%D1%80%D0%B0%D1%8 4 2009-03-08
33 http://sv.wikipedia.org/wiki/L%C3%B6gndetektorhttps://www1.elfa.se/elfa~se_sv/b2b/catalogstart.do?t ab=catalog 2009-03-12 http://www.digitaldawgpound.org/wp-content/uploads/2006/08/max233.gif 2009-04-20 http://www.bloc.se/moodicator/moodicator.pdf 22.04.2009 http://www1.telecomsys.com/downloads/carriers/pdf/Xypoint_SUPL_server_070703.pdf28.04.29
34
Appendix
Mjukvaran
A. Inledning
Programmet i prototypen, se Bild 21, som exekveras av PIC-processorn, hanterar pulsmätningen, fattar beslut om att larma vid behov samt sänder SMS. Programmet är uppbyggt av följande delar:
Initiering
Avläsning av signalen från sensor
Beräkning av pulsen
Visning av pulsens värde på displayen
Jämförelse men gränsvärdena
Larmfunktion 1 - lampa/ avstängning Larmfunktion 2 – SMS
Ett enkelt flödesschema. Bör man göra innan man börjar programmera ett system. Det visar hur programmet skall exekveras eller utföra.
35 Bild 21. Programmets uppbyggnad.
36
B. Initiering
Varje I/O pinna i PIC-processorn bör sättas eller nollställas för att den ska bete sig enligt den önskade funktionen. Detta avsnitt beskrivar vilka stiftpinnar användes för att kunna nå ett fullständigt styrprogram till vårt system. På Microchips hemsida finns mycket bra beskrivningar på hur de olika delarna i en PIC fungerar.
1. För att kunna använda tangentbord som finns på den utvecklade PIC-kort som kallas PCB bör ske en typ initiering där definieras varje knapp som i sin tur kopplades till en specifik pinna. Följande kod visar hur och vilka pinnar skulle initieras:
2. PICen har eget internräknare, initieringen ger mikrokontrollers internräknare ett starttecken. PIC16F876A utrustades med två interna räknare, följande beskrivningen visar hur man sätter räknaren igång. Räknarna kan användas för två olika syften, den ena är som en klocka och den andra är som en räknare. Här användes som en klocka .
3. CCP(Capture/Compare/PWM) är en PIC16F876 funktion som kan förprogrammeras. Funktionen är avsett för att kunna fånga, jämföra räknarens (i vårt fall TMR1) innehåll med en innehål av 16-bitars register CCP1 eller CCP2. En händelse kan inträffas omen av följande lägen:
Vid fallande kant
Vid stigande kant (användes i vårt fall) Var fjärde stigande kant
Var sextonde stigande kant void init_PCB(void){
ADCON1 = 0x8E; //RA0 analog
TRISA = 0xF9; //RA1 and RA2 outputs. RA0, RA3-RA5 inputs TRISB = 0; //PORTB output
}
void init_timer1(void){
T1CON = 0x01; //timer1 on T1CON = 0x01; //timer1 on
37 Följande koden visar hur konfigureras mikrokontroller för att implementera CCP funktion:
4. Interrupt är oerhört alldeles viktigaste funktion i vårt fall. Bild22 visar hur avbrottsstrukturen är uppbyggd i PIC16F876 familjen:
Bild 22 : Interruptsstruktur
Följande kod genomför initieringen av interrupt.
1.
5. Vid en ned knapptryck bör systemet detektera lätt det. Att tilldela en siffra ett mer lättförståelig namn kan lösa problemet. En ytterligare tangentbordsinitiering sker genom att nollställs de följande två variabeln .
void init_CCP(void) {
CCP1CON = 0x0A; //CCP1 in compare mode CCP2CON = 0x05; //CCP2 in capture mode } void init_CCP_interrupt(void) { TMR1IE= 1; CCP2IE = 1; CCP1IE = 1; PEIE = 1; GIE = 1; } void init_keyboard(void) { new = 0; down = 0 }
38 6. Initiering av LCD skärm , det är en färdig subrutin som anropas i programmet för att
redogöra skärmen klart för användning.
7. Initiering av USART port. USART19 står för (Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter). Med en USART kan data skickas och tas emot med hjälp av seriell kommunikation t.ex. RS232.
RS232 är den standard som man bl.a. använder för kommunikation mellan datorns com-port och ett modem. Det behövs även lite kringkomponenter för att få de spänningar som RS232 standarden kräver. I vårtfall, USART-port används för kommunikation med GSM modem. USART kan konfigureras i följande lägen:
• Asynchronous (full duplex)
• Synchronous - Master (halv duplex) • Synchronous - Slave (halv duplex)
Följande konfiguration aktiverar USART funktion i PIC: n
8. Initiering av GSM Modem. Modemet initieras genom ett antal AT-kommandon skickas till modemet via USART port. Nedanstående kommandon konfigurerar modemets funktionssätt:
C. Avläsning av signalen från sensor
Alla sensorns utsignaler skickas vidare till PIC genom en stiftpinne RC1 i PIC 16F876. När signalen detekteras av PICen, fångar CCP1 värdet som finns i räknaren ( i detta fall Timer1)för att lagras och behandlas vidare.
19 http://www.isk.kth.se/~jaka/PIC/picguide12.pdf void init_USART(void) { //SPBRG = 64; // 19200 KBS för 20 000 MHz SPBRG = 129; // 9600 KBS för 20 000 MHz
BRGH = 1; // Async High speed SYNC = 0; // Async transmission SPEN = 1; //enable serial port pins TXEN = 1; // enable the transmission }
AT+CSMP=17,167; antalet bokstäver AT+CMGF=1
39
D. Beräkning av pulsen
För att kunna beräkna det verkliga antalet pulser, räknade programmet tiden mellan fem insignaler för noggrannhetsskull . Sedan beräknades (löpande) medelvärde. På detta sätt
garanterar vi att fånga rätt insignal. Aktivitetsdiagram, se Bild 21, visar hur programmet
byggdes upp. Timer i PIC 16F876 är 16-bitars timer, den går från 0 till 65535 och varje steg är bestämt av intern processornsklocka. En timerpuls är 1/4MHz = 0.25 µ sekund. Timern löper automatiskt efter att systemet ger timern ett starttecken. Varje timersvarv behöver så långtid: 65535 * 0.25 µs ≈ 16,4 ms och det innebär att vid 1 Hz frekvens, som motsvarar 60 pulser/sekund, bör timern löpa (1000/16,4) ≈ 61 varv och för att kunna realisera denna operation i PIC finns det en Capture-funktion som konfigureras i PIC med en interrupt - funktion. Det betyder att varje gång en signal matas in, fångar Capture värdet som finns i timern, efteråt lagras värdet i en variabel, väntar på nästa insignal och lagrar den igen i en annan variabel. Skillnaden av de två värden beräknas och lagras in i en fempositionersvektor. På det sättet skull beräknas medelvärde för alla fem värden.
if(CCP2IF&&CCP2IE){ // när capture CCP2IF = 0;
timer_lap=timer_lap2-t
if(TMR1IF){ // när timer löper TMR1IF=0; timer_lap2++; }
if(CCP2IF&&CCP2IE){ // när capture sker CCP2IF = 0;
timer_lap=timer_lap2-timer_lap1;
for(i=5;i>0;i--){ //uppdate the array of the last 5 signals puls[i]=puls[i-1]; } puls[0]=timer_lap; timer_lap1=timer_lap2; period=0; for(i=0;i<=4;i++){ period+=puls[i]; } period=4600/(period/5);
send_instruction(0x01);// clear the display print_decimal(period);
40
E. Att visa de mättade pulsernas antal värde på displayen
Utvecklingskortet är utrustat med en LCD skärm. Pulsen visas med hjälp av metoderna send_character(){... }och send_instruction(){...}
F. Att jämföra de mättade antal pulserna med de angivna gränsvärdena
Att fatta beslut om pulsvärdet som över- eller understiger gränsvärdena, görs i en logisk sats som i sin tur kontrollera om antalet pulser är mindre än variabeln (min_value) eller större än variabeln ( max_value) som skulle dessa värden bestäms i verkligheten av en läkare.Om systemet inte nollställs, skickar GSM-modemet ett SMSmeddelande vidare till en mottagare på förutbestämt telefonnummer.
G. Den första larmfunktionen – som varningssignal är att tända lysdioden eller avbryta systemet:
Om pulsvärdet är utanför lagrade gränser, tänds en lysdiod som en varningssignal i 10 sekunder. Efter detta befinner systemet sig i ett vänteläge, då finns det möjlighet att nollställer larmet genom att trycka på en knapp för att undvika falskt larm.
send_instruction(0x01);// clear the display print_decimal(period); if(period<min_value||period >max_value ){ CCP2IE=0; wait_ten_sec(); period=60; } void wait_ten_sec(void){ for(i=0;!new&&i<252;i++){ wait_30ms(); PORTC &= ~ON; if(i%3==0)PORTC |= ON; } if(!new){ send_sms(); } PORTC=0x1;
send_instruction(0x01); //Clear The Display write_string(sms);
41
H. Den andra larmfunktionen – Att skicka SMSmeddelande:
Om patienten inte nollställer larmet samt en tiosekund tid har gått utan att avbryta lysdiodens blinkning, skickar GSM-modemet ett akut Sms-meddelande till den förprogrammerades telefonnummer.
// the function to send an sms void send_sms(void){
send_character_To_Comport(larm_Nr); // send the AT command with the desired mobile Nr. send_character_Comport(0x22);// send Citationstecken
send_character_To_Comport(Nr); // the sms text send_character_Comport(0x22);// send Citationstecken send_character_Comport(0x0D);// send Return Carrige <CR> send_character_To_Comport(text); // the sms text send_character_Comport(0x1A);// send Ctrl-z
send_character_Comport(0x0D);// send Return Carrige <CR>
