Σύστημα εξ' αποστάσεως παρακολούθησης της απόλυτης κίνησης στο χώρο μελών του ανθρωπίνου σώματος με την χρήση επιταχυνσιομέτρων τεχνολογίας MEMS: εφαρμογή σε συμπεριφορικές μελέτες και ψυχοσωματικές διαφορικές διαγνώσεις
Creators: name: Κωνσταντινίδης, Ευδόκιμος Ιωάννη
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2008
Subjects: Δίκτυο αισθητήρων στο ανθρώπινο σώμα
Επιταχυνσιόμετρο
Ασύρματο Bluetooth
Μελέτη κίνησης ανθρώπου
Μικροεπεξεργαστής
Λογισμικό μετρήσεων
Body sensor network
Accelerometer
Wireless bluetooth
Body Movement study
Microcontroller
Measurement software

description: O στόχος της εφαρμογής που θα περιγραφεί είναι ένα δίκτυο διαφορετικών αισθητήρων και η συλλογή των δεδομένων. Έγινε προσπάθεια να συλλέγονται όσο το δυνατόν περισσότερα δεδομένα και όχι ενδεικτικά αποτελέσματα. Κατά την διάρκεια της σχεδίασης θεωρήθηκε σημαντικό το να δοθεί μεγαλύτερη βαρύτητα στην υλοποίηση ενός “εργαλείου”, αξιόπιστου, το οποίο θα μπορεί να αντεπε-ξέλθει και σε άλλου είδους πειράματα. Δηλαδή ένα εργαλείο το οποίο μπορεί εύκολα να βρει εφαρμο-γή και σε άλλου είδους μετρήσεις, για παράδειγμα μέτρηση της ηλεκτρικής αγωγιμότητας του δέρμα-τος σε πολλά σημεία του ανθρωπίνου σώματος ταυτόχρονα. Πρώτα από όλα σχεδιάστηκε το υλικό. Το υλικό χωρίζεται σε δύο κομμάτια. Την συσκευή ελέγχου και επικοινωνίας (CCU) καθώς και τις συσκευές μέτρησης (transducers). Η CCU αποτελεί την καρδιά του υλικού. Είναι υπεύθυνη να συλλέγει πληροφορίες δομής αλλά και μετρήσεις από τις περιφερειακές συσκευές μέτρησης, να τις οργανώνει σε πακέτα ή αρχεία και να τα αποστέλλει στον υπολογιστή όταν ζητηθεί. Αποτελεί τον αφέντη (master) του δικτύου επικοινωνίας με τις συσκευές μέτρησης και ορίζει τις ερωτήσεις και απαντήσεις σε αυτό. Η ασύρματη επικοινωνία με τον υπολογι-στή γίνεται μέσω Bluetooth. Τα σημαντικότερα περιφερειακά είναι οι transducers. Κάθε transducer αποτελείται από έναν μικροεπεξεργαστή και το εκάστοτε αισθητήριο μέτρησης. Ο μικροεπεξεργαστής γνωρίζει τον τρόπο ανάγνωσης των μετρήσεων από το αισθητήριο (κάθε αισθητήριο διαφέρει ως προς την μορφή εξόδου του αποτελέσματος, αναλογικό – ψηφιακό), αλλά και το πρωτόκολλο επικοινωνίας με το δίκτυο.. Για την λήψη των μετρήσεων από τον υπολογιστή σχεδιάστηκε μία υπηρεσία λειτουργικού συστήματος (windows service). Συλλέγει δομημένα δεδομένα μέσω του Bluetooth από την συσκευή επικοινωνίας και τα αποθηκεύει στην βάση δεδομένων. Η δομή και ο αριθμός των δεδομένων σε κάθε πακέτο δεν είναι σταθερός, αλλά εξαρτάται από τον αριθμό και το είδος των αισθητηρίων που βρίσκο-νται στο δίκτυο. Για να κατανοήσει ο αλγόριθμος του service την εκάστοτε δομή του πακέτου πρέπει κατά την εκκίνησή του να δεχθεί σαν όρισμα ένα XML που περιγράφει το υλικό αλλά και τις παραμέ-τρους για την βάση δεδομένων. Το αρχείο XML που περιέχει την σημαντική πληροφορία, δημιουργείται και αποστέλλεται από την CCU στο λογισμικό. Το λογισμικό προσθέτει πληροφορία για την βάση δεδομένων και κάνει την εκκίνηση του service αποστέλλοντας το σαν όρισμα. Για κάθε πείραμα δημιουργείται και ένας πίνακας στην βάση δεδομένων. Ο πίνακας δημιουργείται δυναμικά, δηλαδή τα πεδία του αντιπροσω-πεύουν τα αισθητήρια και αριθμός των πεδίων είναι ίσος με των αριθμό των αισθητηρίων, με επιπλέον κάποια πεδία σημαντικών πληροφοριών. Το service πλέον είναι έτοιμο να αρχίσει την αποθήκευση δεδομένων, μέχρι να διακοπεί από επιλογή στο λογισμικό. Για την απεικόνιση των μετρήσεων δεν αποστέλλονται εντολές στο υλικό, αλλά γίνεται απορρόφηση δεδομένων από την βάση. Η τελευταία μέτρηση στον πίνακα της βάσης αποθήκευσης αποτελεί και την “real time” μέτρηση. Οι μέθοδοι παρουσίασης των μετρήσεων σε πραγματικό ή μη πραγματικό χρόνο γίνονται σε γραφικές παραστάσεις 2 αξόνων (x – y), στο συχνοτικό πεδίο (FFT), καθώς και με τρισδιάστατο μοντέλο ανθρώπου (για τα αισθητήρια επιτάχυνσης).
description: In playing the role of the gateway, the CCU is responsible for collecting data from the sensor network and forwarding them to the PC. Acting as the master of the network, the CCU, scans all possible connected sensors and identifies the attached ones during the initialization process. The initialization process proceeds with a virtual transmission of acquired data. In this stage the CCU estimates the time needed for a complete cycle of gathering and transmitting data (maximum sampling frequency that can be achieved). The XML file that is generated by the CCU contains information about the available protocols of communication, the number and type of sensors and the registers that participate in the conversion of the “acquired data” to “measured data”. The conversion relies on the OS service in order to safeguard the CCU. Upon receiving a command from the PC, the CCU starts gathering data from the sensor network and transmits them through a Bluetooth wireless connection. The CCU and the sensors are connected physically through four wires. Two of them comprise the communication bus layer and the other two provide with power every device. For testing purposes, three different types of sensors have been developed: a) accelerometers, b) skin temperature sensor and c) skin conductance sensor. Every sensor is accompanied by a micro-controller. The microcontroller is responsible for communicating and gathering data from the sensor, having knowledge of the sensor type and replying to network questions (arriving from the CCU). During firmware programming, special registers in the microcontroller are programmed according to the sensor’s type and output format. Due to the requirement for less power consumption, every sensor consists the fewest possible number of parts. Trying to develop a user friendly platform on the PC side, we developed an OS service which is responsible for data acquisition and storage. The service’s argument is an XML file. This file con-tains the required description for the hardware, as well as, information for the database and the patient under monitoring. The service can be controlled by a wide variety of software. As a transmitted packet from the hardware contains header data, the service can distinguish packets between successive raw data. The database engines that are supported by the service are MySQL and MS Access files. When a project depended on a new XML file is started, a new table is constructed in the selected database. The table contains fields according to the attached sensors on the network (information from the XML file). In addition, the table contains fields about date and time of each sample. The software suite that has been developed integrates the control and management of the units that have been described up to this point. If a user needs to begin a new project, a wizard by the soft-ware asks for the XML file that describes the hardware, the desirable data storage engine, information about the patient under monitoring and a description of the sensors position on the human body. The software is able to control the OS service and to provide different representations/visualizations of the signals. 2D graphs of selected or all the signals can be displayed (filtered or not) in combination with their FFT transformations. Making use of the position description of the accelerometer sensors, a 3D human model, as it is represented by body movements, may be constructed