Západočeská univerzita v Plzni Fakulta aplikovaných věd Katedra informatiky a výpočetní techniky

Za´padoˇceska´ univerzita v Plzni Fakulta aplikovanyćh vˇed Katedra informatiky a vy´poˇcetn´ı techniky

Bakal´ aˇ rsk´ a pr´ ace Syst´ em pro bezdr´ atov´ e mˇ eˇ ren´ı tepov´ e frekvence

Plzeˇ n 2012

Ondˇrej Pillár

Prohl´ aˇ sen´ı Prohlaˇsuji, ˇze jsem bakaláˇrskou práci vypracoval samostatnˇe a v´ yhradnˇe s pouˇzit´ım citovan´ ych pramen˚ u. V Plzni dne 11. kvˇetna 2012 Ondˇrej Pillár

Podˇ ekov´ an´ı Na tomto m´ıstˇe bych rád podˇekoval vedouc´ımu práce Ing. Jiˇr´ımu Ledvinovi, CSc. za metodické veden´ı, Ing. Karlu Dudáˇckovi, Ing. Karlu Novotnému a v neposledn´ı ˇradˇe své rodinˇe za vytvoˇren´ı vhodn´ ych podm´ınek.

2

Abstract Hearth rate monitoring system This bachelor thesis deal with the development of battery system for heart rate gauging. In this work are stated and described a few basic gauging methods. Next there is described wireless net ZigBEE and evolutional kit eZ430-RF2480. Practical part deal with plan of functional gauging prototype.

Keywords ZigBee, MSP430, CC2480, heart rate, ez430-RF2480, oxymetr, measurement, wireless network, Texas Instruments, ZASA, ZACCEL

Obsah ´ 1 Uvod

1

2 Mˇ eˇ ren´ı tepov´ e frekvence 2.1 Fotoelektrická metoda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Impedanˇcn´ı metoda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Akustická metoda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2 2 4 5

3 ZigBee 3.1 OSI model ZigBee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Topologie s´ıtˇe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6 6 8

4 Popis hardwarov´ eho vybaven´ı 4.1 V´ yvojov´ y kit eZ430-RF2480 . . . . . 4.2 Procesor MSP430F2274 . . . . . . . 4.3 Procesor CC2480 . . . . . . . . . . . 4.3.1 Komunikace mezi procesory . 4.3.2 Aplikaˇcn´ı rozhran´ı . . . . . . 4.3.3 Simple API . . . . . . . . . . 4.4 Sn´ımaˇc tepové frekvence PulseSensor

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

10 10 12 13 14 17 17 19

5 Realizace bezdr´ atov´ eho mˇ eˇ ren´ı tepov´ e frekvence 5.1 Blokové schéma mˇeˇr´ıc´ıho systému . . . . . . . . . 5.2 Pˇrenos zpráv . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.1 Aplikaˇcn´ı protokol . . . . . . . . . . . . . 5.3 Aplikace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.1 Koncové zaˇr´ızen´ı . . . . . . . . . . . . . . 5.3.2 Koordinátor . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

20 20 21 21 22 23 30

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

6 Programov´ e vybaven´ı pro vizualizaci namˇ eˇ ren´ ych dat

32

7 Porovn´ an´ı fin´ aln´ıho produktu s komerˇ cn´ım prostˇ redkem

33

OBSAH

OBSAH

8 Z´ avˇ er

35

A Pˇ r´ılohy 41 A.1 Uˇzivatelská pˇr´ıruˇcka programu WorkOut . . . . . . . . . . . . 41 A.2 Popis tˇr´ıd programu WorkOut . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

5

´ 1 Uvod Bakaláˇrská práce se zab´ yvá návrhem systému pro bezdrátové mˇeˇren´ı tepové frekvence. K tomu je potˇreba analyzovat dostupné bezdrátové technologie, zejména pak komunikaˇcn´ı technologii ZigBee, a jej´ı realizaci firmou Texas Instruments, které patˇrila a stále patˇr´ı k pr˚ ukopn´ık˚ um pˇri v´ yvoji toho standardu. K tomu u ´ˇcelu je k dispozici v´ yvojov´ y kit eZ430-RF2480 s n´ımˇz je potˇreba se detailnˇe seznámit. Ned´ılnou souˇca´st´ı je samozˇrejmˇe zorientovat se v metodách mˇeˇren´ı tepové frekvence. V praktické ˇca´sti pak popsat proces v´ yvoje celého mˇeˇr´ıc´ıho systému a v závˇeru jej porovnat s komerˇcn´ımi prostˇredky. Tep a t´ım pádem i tepová frekvence patˇr´ı mezi základn´ı pozorovatelné tˇelesné signály, které se daj´ı na lidském tˇele sledovat. Tato práce je v mnoh´ ych ohledech koncipována jako prvn´ı krok pˇri snaze o návrh systému, kter´ y by v budoucnu mohl slouˇzit jako mˇeˇr´ıc´ı systém pro sledován´ı tepové frekvence pˇri sportovn´ıch aktivitách, zejména pak fitness sportech jako je napˇr. Spinning, Schwin, Heat. K tomu je nutné se teoreticky a samozˇrejmˇe i prakticky seznámit se vˇsemi v´ yˇse jmenovan´ ymi ˇcástmi, navrhnout jist´ y prototyp systému, kter´ y bude moˇzné v následuj´ıc´ıch projektech dále vyv´ıjet.

1

2 Mˇeˇren´ı tepové frekvence Tepová frekvence je jedna ze základn´ıch informac´ı, podle kter´ ych m˚ uˇzeme sledovat ˇcinnost srdce a ˇcasto slouˇz´ı jako ukazatel pˇri posuzován´ı stavu organismu v klidu i pˇri zátˇeˇzi. Tepová frekvence typicky udává poˇcet srdeˇcn´ıch tep˚ u za urˇcitou jednotku ˇcasu. Zmˇenami tepové frekvence lze snadno sledovat i pˇr´ıpadné v´ yjimeˇcné stavy srdeˇcn´ıho tepu, jako je napˇr´ıklad arytmie – nepravidelnost v ˇcinnosti srdce, abnormáln´ı bradykardii – sn´ıˇzen´ı tepové frekvence pod urˇcitou hladinu, ˇci abnormáln´ı tachykardii – zv´ yˇsen´ı tepové frekvence nad urˇcitou hladinu. Zvláˇstˇe pˇri sledován´ı stavu organismu pˇri sportovn´ıch aktivitách, udává pr˚ ubˇeˇzné sledován´ı tepové frekvence cenné informace o choˇ ván´ı sportovcova organismu [Seda(2010)]. Pro stanoven´ı tepové frekvence mus´ıme jednoznaˇcnˇe detekovat ˇcinnost srdce, tu lze z´ıskat mˇeˇren´ım projev˚ u, které vznikaj´ı pˇri jeho ˇcinnosti. Mezi tyto veliˇciny patˇr´ı: • elektrick´ y signál • akustick´ y signál • zmˇeny tlaku krve v obˇehovém systému • zmˇeny impedance tkánˇe souvisej´ıc´ı se zmˇenou mnoˇzstv´ı krve v daném u ´seku tkánˇe • zmˇeny rychlosti proudˇen´ı krve Pro mˇeˇren´ı tepové frekvence pˇri sportovn´ıch aktivitách nen´ı kladen velk´ y d˚ uraz na pˇresnou znalost okamˇzité hodnoty. Taková hodnota by byla velmi kol´ısavá a u ´daje by byly ˇspatnˇe ˇcitelné. Je proto lepˇs´ı sledovat tzv. klouzav´ y pr˚ umˇer – pr˚ umˇer namˇeˇren´ ych hodnot za posledn´ıch nˇekolik tep˚ u. V následuj´ıch ˇra´dc´ıch budou proto rozebrány metody mˇeˇren´ı z pohledu vyuˇzitelnosti v praxi, nároˇcnosti realizace a pouˇzitelnost pˇresnosti mˇeˇren´ı.

2.1

Fotoelektrick´ a metoda

Fotoelektrická pletysmografie registruje zmˇeny svˇetelné propustnosti tkánˇe d´ıky zmˇenám tlaku krve pˇri srdeˇcn´ı ˇcinnosti (viz obrázek2.1). Vyuˇz´ıvaj´ı se 2

Mˇeˇren´ı tepové frekvence

Fotoelektrická metoda

dvˇe metody: • pr˚ usvitové • reflexivn´ı

Obrázek 2.1: Reflexivn´ı a pr˚ usvitová fotoelektrická metoda

Uvedená metoda se vyuˇz´ıvá ke sledován´ı srdeˇcn´ı frekvence také vyhodnocován´ı objemov´ ych zmˇen. Fotoelektrick´ y sn´ımaˇc nesm´ı b´ yt citliv´ y na nasycen´ı krve kysl´ıkem, které zp˚ usobuje zmˇenu zabarven´ı krve. Systém je velmi ˇcasto pouˇz´ıván v komerˇcn´ıch aplikac´ıch pˇri orientaˇcn´ım mˇeˇren´ı v tzn. Oxymetrech (obrázek 2.2). Konstrukce sn´ımaˇce je velmi jednoduchá a namˇeˇrená data se daj´ı zrekonstruovat bez nutnosti hlubˇs´ı lékaˇrské teorie. Proto bude této metody pouˇzito i ve v´ ysledné realizaci mˇeˇr´ıc´ıho systému. Princip mˇeˇr´ıc´ıho zaˇr´ızen´ı je detailnˇe rozebrán v kapitole 4.4. Mezi nedostatky patˇr´ı velmi velká náchylnost na ruˇsen´ı signálu. Tkán ˇ by mˇela b´ yt pokud moˇzno ve stálém dotyku se senzorem, nemˇela by se moc pohybovat. Oxymetry k tomuto u ´ˇcelu pouˇz´ıvaj´ı jakési skˇripce, které vymezuj´ı polohu a zajiˇst’uj´ı konstantn´ı mˇeˇr´ıc´ı prostˇred´ı.

3


Impedanˇcn´ı metoda

Obrázek 2.2: Komerˇcn´ı oxymetr firmy Masimo [Mas(2011)]

2.2

Impedanˇ cn´ı metoda

Impedanˇcn´ı kardiogragie(IKG) vyuˇz´ıvá mˇeˇren´ı zmˇen hrudn´ı impedance v pr˚ ubˇehu srdeˇcn´ıho cyklu. Impedanˇcn´ı senzory jsou um´ıstˇeny na hrudn´ıku. Celková impedance hrudn´ıku je nepˇr´ımo u ´mˇerná obsahu tekutiny. Zmˇeny impedance tkánˇe lze dobˇre zjistit napˇr´ıklad zapojen´ım mˇeˇráku do m˚ ustku a mˇeˇrit jeho vyváˇzen´ı [Fak(2010)]. Na tomto principu funguje i hrudn´ı pás z vodivé gumy, kter´ y je vyuˇz´ıván v komerˇcn´ıch produktech tzv. SportTesterech. Princip spoˇc´ıvá v mˇeˇren´ı promˇenlivé impedance tkánˇe. Pˇri mˇeˇren´ıch, které byly provádˇeny na pásu se ale metoda ukázala jako znaˇcnˇe komplikovaná a nároˇcná na filtraci namˇeˇren´ ych dat, coˇz by pˇresáhlo rozsah této bakaláˇrské práce. Jako dalˇs´ı komplikace se ukázal nedostatek informac´ı a podklad˚ u k této metodˇe, protoˇze v´ yrobci hrudn´ıch pas˚ u tyto materiály samozˇrejmˇe nikde nezveˇrejˇ nuj´ı.

4


2.3

Akustická metoda

Akustick´ a metoda

V podstatˇe nejjednoduˇsˇs´ı a nejstarˇs´ı z moˇzn´ ych mˇeˇr´ıc´ıch metod, spolu se zmˇenou tlaku v soustavˇe. Z trupu pacienta se mikrofonem sn´ımá signál a pˇrevád´ı jej na signál elektrick´ y. Jakkoli je tento princip jednoduch´ y, je velmi citliv´ y na parazitn´ı ˇsum a následné z´ıskáván´ı dat z takového signálu m˚ uˇze ˇ b´ yt pomˇernˇe sloˇzité [Seda(2010)]. Mezi dalˇs´ı metody pro mˇeˇren´ı tepu patˇr´ı: • Detektor R vlny • Metoda objemové zmˇeny tkánˇe

5

3 ZigBee ZigBee je bezdrátová komunikaˇcn´ı technologie, standardizovaná od roku 2004, která je vystavˇená na normˇe IEEE 802.15.4. Je urˇcena zejména pro spojen´ı n´ızkov´ ykonov´ ych zaˇr´ızen´ı na malé vzdálenosti (cca 70 metr˚ u). Primárn´ı nasazen´ı je tud´ıˇz v pr˚ umyslov´ ych aplikac´ıch a v senzorick´ ych s´ıt´ıch. Tato technologie patˇr´ı do skupiny bezdrátov´ ych s´ıt´ı PAN (Personal Arrea Networks), podobnˇe jako dalˇs´ı velmi rozˇs´ıˇren´ y standard Bluetooth. Ten má uplatnˇen´ı zejména ve spotˇrebn´ı elektronice, ale v pr˚ umyslu je celá ˇrada aplikac´ı, ve kter´ ych nen´ı jeho nasazen´ı vhodné. Z tˇechto d˚ uvod˚ u byla roku 2002 zaloˇzena ZigBee Aliance v´ıce neˇz 60 firem napˇr. Texas Instruments, Honeywell, Motorola, Philips, Samsung, Omron atd. které se pod´ılely a stále pod´ıl´ı na v´ yvoji a rozvoji tohoto standardu [J. Koton(2006)]. Mezi základn´ı vlastnosti patˇr´ı: • spolehlivost • pˇr´ıznivá cena • velmi malá spotˇreba energie

3.1

OSI model ZigBee

Jak jiˇz bylo zm´ınˇeno v u ´vodn´ım odstavci, je technologie zaloˇzena na IEEE normˇe 802.15.4. Konkrétnˇe to znamená, ˇze ZigBee pˇrej´ımá prvn´ı dvˇe vrstvy (Fyzickou a MAC). Referenˇcn´ı OSI model popisuje obrázek 3.1, ze kterého je patrné, ˇze ZigBee v podstatˇe rozˇsiˇruje normu IEEE 802.15.4 o dalˇs´ı tˇri vrstvy. Vrstvu s´ıt’ovou (NTW), bezpeˇcnostn´ı (SSP) a vrstvu aplikaˇcn´ı(APL). Z obrázku je dále patrno, ˇze APL se skládá z pomocné aplikaˇcn´ı podvrstvy, ZiigBee objekt˚ u a aplikaˇcn´ıch objekt˚ u. Pomocná aplikaˇcn´ı podvrstva je zodpovˇedná za párován´ı zaˇr´ızen´ı podle poskytovan´ ych sluˇzeb a poˇzadavk˚ u. To je realizováno pomoc´ı tzv. párovac´ı (binding) tabulky. ZigBee objekt definuje roli jednotliv´ ych zaˇr´ızen´ı v rámci s´ıtˇe (koordinátor, smˇerovaˇc, koncové zaˇr´ızen´ı). Dále zajiˇst’uje vyhledáván´ı nov´ ych zaˇr´ızen´ı a jimi poskytovan´ ych sluˇzeb. V neposledn´ı ˇradˇe zodpov´ıdá za zabezpeˇcen´ı (vol´ı jeho zp˚ usob, jako napˇr. veˇrejné kl´ıˇce, symetrické kl´ıˇce). 6

ZigBee

OSI model ZigBee

Uˇzivatelské aplikaˇcn´ı objekty implementuj´ı konkrétn´ı poˇzadavky aplikace dle definovaného ZigBee profilu. ZigBee profil zastˇreˇsuje definice moˇzn´ ych zaˇr´ızen´ı, formát˚ u a typ˚ u zpráv. Kaˇzd´ y profil je urˇcen unikátn´ım 16 bitov´ ym identifikátorem podle specifikace ZigBee Alliance [zig()]. Dohromady jsou tyto vrstvy naz´ yvány ZigBee Stack (ˇcesky ZigBee Zásobn´ık).

Obrázek 3.1: Referenˇcn´ı model ZigBee

Frekvenˇcn´ı pásma, ty jsou popsány v normˇe IEEE 802.15.4 a ZigBee je nijak nemˇen´ı, stejnˇe tak jako princip adresován´ı v s´ıti. To je provádˇeno bud’ nezkrácenou 64 bitovou adresou, nebo zkrácenou 16 bitovou adresou. Norma také obecnˇe dˇel´ı typy zaˇr´ızen´ı mezi tzv ZPF (Zaˇr´ızen´ı s Plnou Funkˇcnost´ı) a ZOF(Zaˇr´ızeni s Omezenou Funkˇcnost´ı). ZPF je typyck´ y koˇrenov´ y prvek s´ıtˇe, kter´ y mus´ı b´ yt stále aktivn´ı. Naproti tomu ZOF je koncov´ y prvek s´ıtˇe. Norma dále definuje 3 prvky topologie s´ıtˇe (Koordinátor, PAN Koordinátor, Device). ZigBee tuto koncepci upravuje. Typy zaˇr´ızen´ı jsou detailnˇe popsány v následuj´ıc´ı kapitole.

7

ZigBee

3.2

Topologie s´ıtˇe

Topologie s´ıtˇ e

ZigBee umoˇzn ˇuje sestavit 3 typy s´ıt´ı (viz obrázek 3.2), neˇz budou bl´ıˇze popsány je potˇreba jeˇstˇe doplnit princip adresován´ı a pˇrehled prvk˚ u, které mohou tvoˇrit ZigBee s´ıt’. Kaˇzdá novˇe vytvoˇrená s´ıt’ je jednoznaˇcnˇe identifikována 16 bitov´ ym PAN ID pro pˇr´ıpad ˇze by v jednom m´ıstˇe bylo souˇcasnˇe provozováno v´ıce ZigBee s´ıt´ı (obecnˇe v´ıce s´ıt´ı standardu IEEE 802.15.4). Nezkrácená adresa je vˇzdy pevnˇe urˇcena v´ yrobcem zaˇr´ızen´ı, zkrácená adresa m˚ uˇze b´ yt zaˇr´ızen´ı pˇridˇelována koordinátorem s´ıtˇe s tou v´ yjimkou, ˇze koordinátor má vˇzdy adresu 0. Prvky ZigBee s´ıt´ı jsou: • Koordin´ ator (Coordinator)- Nejd˚ uleˇzitˇejˇs´ı ˇclen kaˇzdé s´ıtˇe. Koordinátor tvoˇr´ı koˇren kaˇzdé s´ıtˇe a m˚ uˇze fungovat jako most do dalˇs´ı s´ıtˇe. V kaˇzdé jedné s´ıti m˚ uˇze b´ yt maximálnˇe jeden koordinátor a je to právˇe ta jednotka, která zaloˇzila s´ıt’. Koordinátor pˇridˇeluje nové s´ıti PAN ID a urˇcuje komunikaˇcn´ı kanál. Po vytvoˇren´ı s´ıtˇe a pˇripojen´ı dalˇs´ıch jednotek by jiˇz mohl b´ yt koordinátor vyˇrazen. Z popisu je tedy zˇrejmé, ˇze zaˇr´ızen´ı mus´ı b´ yt typu ZPF (viz odstavec 3.1). • Smˇ erovaˇ c (Router)- Tento ˇclen m˚ uˇze ve znaˇcné m´ıˇre pˇreb´ırat funkcionalitu koordinátoru a stávat se tedy jak´ ymsi rodiˇcem pro dalˇs´ı jednotky, které se k nˇemu pˇripoj´ı. I smˇerovaˇc mus´ı b´ yt typu ZPF. • Koncov´ e zaˇ r´ızen´ı (End Device)- Koncov´ y list celé topologie. Koncové zaˇr´ızen´ı je nejlevnˇejˇs´ı a nejjednoduˇsˇs´ı ze vˇsech uveden´ ych prvk˚ u. Zaˇr´ızen´ı je urˇceno pouze k pˇrijet´ı resp. odeslán´ı dat. Mezi tˇemito stavy m˚ uˇze b´ yt zaˇr´ızen´ı ve stavu n´ızké spotˇreby a t´ım se v´ yraznˇe prodluˇzuje délka provozu zaˇr´ızen´ı na jedno nabit´ı. Nyn´ı jiˇz k popisu jednotliv´ ych typ˚ u topologi´ı (viz obrázek 3.2): • Hvˇ ezda - Koordinátor je centráln´ım prvkem s´ıtˇe a pˇres nˇej komunikuj´ı vˇsechny koncové jednotky. V tuto chv´ıli se koordinátor nepostradatelnou souˇca´st´ı s´ıtˇe. • Strom - Tato moˇznost vyuˇz´ıvá k práci smˇerovaˇc. Ten pˇreb´ırá v funkci centráln´ıho prvku ke kterému jsou pˇripojeny koncové jednotky, ty tedy 8

ZigBee

Topologie s´ıtˇe

komunikuj´ı s koordinátorem nepˇr´ımo. To umoˇzn ˇuje vˇetˇs´ı rozsah celé s´ıtˇe. Koordinátor stále z˚ ustává centráln´ım prvkem celé soustavy pˇres kter´ y jde veˇskerá komunikace. • S´ıt’ - Nejsloˇzitˇejˇs´ı moˇznost. Kombinuje oba dva v´ yˇse zm´ınˇené typy a umoˇzn ˇuje komunikaci mezi dvˇema rovnocenn´ ymi prvky.

Obrázek 3.2: Topologie s´ıtˇe ZigBee

9

4 Popis hardwarového vybaven´ı 4.1

V´ yvojov´ y kit eZ430-RF2480

eZ430-RF2480 je demonstraˇcn´ı kit firmy Texas Instruments. Cel´ y pˇr´ıpravek poskytuje vˇsechny nezbytné hardwarové a softwarové souˇca´sti pro v´ yvoj ZigBee s´ıt´ı. V´ yvojov´ y kit obsahuje následuj´ıc´ı hardwarové ˇcásti (viz obrázek4.2) : • 3x eZ430-RF2480 koncové zaˇr´ızen´ı (1) • 1x MSP430 USB FET programátor (2) • 2x AAA eZ430 bateriov´ y adaptér (3) Koncové zaˇr´ızen´ı obsahuje 2 procesory, jimˇz jsou vˇenovány samostatné kapitoly, sn´ımaˇc okoln´ıho osvˇetlen´ı, SMD anténu, ˇcervenou a zelenou LED diodu, tlaˇc´ıtko a perifern´ı obvody. Dále je k dispozici 2x6 pin˚ u po stranách desky, na které jsou vyvedeny nˇekteré v´ yznamné piny z uˇzivatelského procesoru (viz obrázek 4.1) a 6 pin˚ u pro pˇripojen´ı USB programátoru. Zejména onˇech 12 pin˚ u, sdruˇzen´ ych po 6 do dvou port˚ u je z pohledu uˇzivatele zaj´ımav´ ych. Napˇr. se na nich dá sledovat komunikace mezi procesory (piny P1.6, P2.6), jsou k dispozici kanály AD pˇrevodn´ıku (P2.4, P3.1, P3.2, P3.3, P3.4, P3.5), atd. [Tex()].

10

Popis hardwarového vybaven´ı

Vývojový kit eZ430-RF2480

Obrázek 4.1: Rozloˇzen´ı v´ yvod˚ u procesoru na desku

Obrázek 4.2: V´ yvojov´ y kit eZ430-RF2480

11


4.2

Procesor MSP430F2274

Procesor MSP430F2274

Procesor MSP430F2274 od firmy Texas Instruments patˇr´ı do rodiny procesor˚ u MSP430, coˇz jsou ultra-n´ızko napˇet’ové mikroprocesory urˇcené pro ˇsirokou ˇskálu vyuˇzit´ı. Jedná se o 16 bitov´ y RISC procesor zaloˇzen´ y na von Neumannovˇe architektuˇre, se sd´ılen´ ym m´ıstem pro instrukce i data, ˇcas jednoho instrukˇcn´ıho cyklu je 62,5ns. Kódován´ı slov je systémem little-endian [Tex(2011b)]. Mezi základn´ı vlastnosti procesoru patˇr´ı: • 6 pracovn´ıch reˇzim˚ u - 1 aktivn´ı - odbˇer 270µA, 5 reˇzim˚ u n´ızké spotˇreby - standby 0.7µA, vypnut´ y 0.1µA • 32KB Flash • 1KB RAM • 10 bitov´ y, 200K vzork˚ u/s, AD pˇrevodn´ık • 2 operaˇcn´ı zesilovaˇce • 2 16 bitové ˇc´ıtaˇce/ˇcasovaˇce, ”Watchdog” ˇcasovaˇc Vˇsechny komponenty procesoru ukazuje obrázek 4.3

Obrázek 4.3: Popis komponent procesoru MSP430

12


Procesor CC2480

Obrázek 4.4: Rozloˇzen´ı pin˚ u procesoru MSP430

4.3

Procesor CC2480

CC2480, nˇekdy také oznaˇcován jako CCZACC06, je prvn´ı s´ıt’ov´ y procesor od firmy Texas Instruments implementuj´ıc´ı technologii ZigBee 2006 a v´ yvojov´ y model Z-Accel. Z-Accel je koncept, kter´ y znaˇcnˇe usnadˇ nuje práci pˇri návrhu a v´ yvoji nov´ ych bezdrátov´ ych produkt˚ u, jakoˇzto i zakomponován´ı bezdrátov´ ych rozhran´ı do jiˇz existuj´ıc´ıch produkt˚ u. Z-Accel jednotky, jako je procesor CC2480, kombinuj´ı vˇsechny nezbytné ˇca´sti pro vytvoˇren´ı bezdrátové s´ıtˇe v jednom pouzdˇre. Uˇzivatelsk´ y procesor potom komunikuje s jednotkou Z-Accel pomoc´ı rozhran´ı SPI (viz obrázek 4.5) a ke komunikaci vyuˇz´ıvá pˇredem definovanou API. Dá se proto ˇr´ıct, ˇze Z-Accel pˇresnˇe a ˇcistˇe oddˇeluje vlastn´ı systém a bezdrátové komponenty [Tex(2006)]. Mezi nejd˚ uleˇzitˇejˇs´ı vlastnosti procesoru patˇr´ı: • Napájec´ı napˇet´ı 2.0V - 3.6V • Mal´ y proudov´ y odbˇer RX: 27mA, TX: 27mA • 4 operaˇcn´ı módy 13


Procesor CC2480

• Mˇeˇra´k napˇet´ı baterie, teplotn´ı senzor • 7-12 bitov´ y, 2 kanálov´ y AD pˇrevodn´ık Co se t´ yˇce vlastnost´ı procesoru, nen´ı jiˇz tˇreba ho dále pˇredstavovat, ty nejd˚ uleˇzitˇejˇs´ı byly zm´ınˇeny. Pro uˇzivatele tohoto ˇcipu to ani nen´ı nijak nutné. Je totiˇz mnohem d˚ uleˇzitˇejˇs´ı znalost komunikaˇcn´ıho rozhran´ı (API), kter´ ym se procesor ovládá.

4.3.1

Komunikace mezi procesory

Jak jiˇz bylo zm´ınˇeno v´ yˇse, základn´ı filozofi´ı celého konceptu Z-Accel spoˇc´ıvá ve striktn´ı oddˇelen´ı bezdrátového a aplikaˇcn´ıho procesoru. Tyto procesory spolu komunikuj´ı po spoleˇcné sbˇernici SPI. Seriová linka nab´ız´ı vysokou pˇrenosovou rychlost, teoreticky aˇz 70 MHz a je urˇcena k pˇrenos˚ um na kratˇs´ı vzdálenost stylem Master - Slave [SPI()]. Aplikaˇcn´ı procesor (MSP430F2274) komunikuje v roli master, s´ıt’ov´ y procesor (CC2480) je slave. Pro vzájemnou

Obrázek 4.5: Koncept Z-Accel

14


Procesor CC2480

komunikaci vyuˇz´ıvaj´ı procesory následuj´ıc´ı signály: • MDRY - Master ready. Generuje master ve chv´ıli, kdy má k dispozici data pro CC2480. Je aktivn´ı v n´ızké u ´rovni. • SRDY - Slave ready. Signál je nastaven zaˇr´ızen´ım slave ve chv´ıli, kdy je pˇripraveno ke komunikaci, tzn. bud’ odes´ılat, nebo pˇrij´ımat data. • SI/TX - Slave input / Master output data. • SO/RX - Master output / Slave input data. • RESET - Slave reset. Resetuje s´ıt’ov´ y procesor. Aktivn´ı v n´ızké u ´rovni. Pˇri vzájemné komunikaci existuj´ı tˇri typycké scénáˇre, které popisuj´ı obrázky 4.6, 4.8, 4.7 • AREQ - Aplikaˇcn´ı procesor odes´ılá pˇr´ıkaz s´ıt’ovému procesoru (viz obrázek 4.6). • SREQ - Velmi podobná situace s t´ım rozd´ılem, ˇze po odeslán´ı dat ˇceká aplikaˇcn´ı procesor na obdrˇzen´ı SRSP rámce. (viz obrázek4.7). • POLL - S´ıt’ov´ y procesor ˇzádá o zahájen´ı komunikace (viz obrázek 4.8).

Obrázek 4.6: Pˇr´ıkaz AREQ

Pozn.: Detailn´ı popis komunikace je k dispozici v [Tex(2006)] str 15 Pˇri bliˇzˇs´ım prozkoumán´ı celé situace ovˇsem vyvstává pomˇernˇe d˚ uleˇzit´ y moment. V jednu chv´ıli by o komunikaci mohly poˇzádat obˇe dvˇe jednotky (master i slave). Situaci na lince názornˇe popisuje obrázek 4.9. Podle pravidel 15


Procesor CC2480

Obrázek 4.7: Pˇr´ıkaz SREQ

Obrázek 4.8: Pˇr´ıkaz POLL

Obrázek 4.9: Konflikt pˇri komunikaci

16


Procesor CC2480

komunikace nastav´ı zaˇr´ızen´ı, které chce komunikovat, sv˚ uj ˇr´ıd´ıc´ı signál do n´ızké u ´rovnˇe a oˇcekává reakci od druhého procesoru. Pokud by tedy napˇr´ıklad master chtˇel odeslat pˇr´ıkaz AREQ, sn´ıˇzil by MRDY do 0 a ˇcekal by na n´ızkou u ´rovˇen ˇ signálu SRDY. V tu samou chv´ıli by ovˇsem chtˇel komunikovat i s´ıt’ov´ y procesor. Analogicky by tedy shodil SRDY a oˇcekával by signál MRDY v 0. A nyn´ı nastává zmiˇ novan´ y problém. Obˇe dvˇe zaˇr´ızen´ı mylnˇe interpretuj´ı tuto situaci jako stav, ve kterém mohou zahájit komunikaci mysl´ı si, ˇze opaˇcné zaˇr´ızen´ı je pˇripraveno pˇrij´ımat data. Na tuto situaci ovˇsem s´ıt’ov´ y procesor CC2480 nen´ı pˇripraven a pˇrestává reagovat na dalˇs´ı pˇr´ıkazy. Jediná moˇznost je s´ıt’ov´ y procesor CC2480 resetovat signálem RESET. Tento jeho stav nen´ı nikde dokumentován a m˚ uˇze p˚ usobit znaˇcné komplikace.

4.3.2

Aplikaˇ cn´ı rozhran´ı

Pˇr´ıkazy, které nab´ız´ı s´ıt’ov´ y procesor lze obecnˇe rozdˇelit do ˇctyˇr následuj´ıch typ˚ u rozhran´ı [Tex(2006)]: • Rozhran´ı SYS - jedná se o velmi ”n´ızko u ´rovˇ nov´ y pˇr´ıstup” k hardwaru a softwaru procesoru CC2480. Umoˇzn ˇuje pˇr´ıstup napˇr k AD pˇrevodn´ıku, IO pin˚ um, a dalˇs´ım komponentám. • Konfiguraˇ cn´ı rozhran´ı - pro konfiguraci r˚ uzn´ ych promˇenn´ ych procesoru CC2480. • AF, ZDO rozhran´ı - nejrobustnˇejˇs´ı rozhran´ı pro zpˇr´ıstupnˇen´ı vˇsech funkc´ı s´ıt’ového procesoru a pro vytvoˇren´ı jakékoli ZigBee s´ıtˇe. • Simple API - zjednoduˇsené rozhran´ı pro základn´ı jednoduchou konfiguraci ZigBee s´ıt´ı, jednotek a pˇrenos zpráv. Aˇckoli rozhran´ı AF a ZDO nab´ız´ı zdaleka nejˇsirˇs´ı pˇr´ıstup k s´ıt’ovému procesoru a ZigBee s´ıti, velká vˇetˇsina (je udáváno zhruba 85%) vˇsech aplikac´ı si pohodlnˇe vystaˇc´ı pouze se zjednoduˇsen´ ym Simple API rozhran´ım. Je proto dobré rozebrat pˇr´ıkazy, které toto rozhran´ı nab´ız´ı podrobnˇeji.

4.3.3

Simple API

Rozhran´ı obsahuje 10 pˇr´ıkaz˚ u z nichˇz 1 slouˇz´ı pro reset CC2480, 2 pro jeho konfiguraci a zbyl´ ych 7 je urˇceno pˇr´ımo ke správˇe ZigBee s´ıtˇe : 17


Procesor CC2480

• ZB SYS RESET REQ - pˇr´ıkaz pro resetován´ı s´ıt’ového procesoru. Je vhodné procesor resetovat po nˇekter´ ych konfigurac´ıch. ymi • ZB APP REGISTER REQUEST - urˇcuje parametry se kter´ se bude tato jednotka pˇripojovat do s´ıtˇe. • ZB START REQUEST - startuje ˇcinnost ZigBee Zásobn´ıku v s´ıt’ovém procesoru. CC2480 naˇcte konfiguraˇcn´ı hodnoty z pamˇeti. Po ukonˇcen´ı tohoto procesu je zaˇr´ızen´ı schopno pos´ılat, pˇrij´ımat a smˇerovat provoz v s´ıti (záleˇz´ı samozˇrejmˇe na konfiguraci). • ZB PERMIT JOINING REQUEST - slouˇz´ı k urˇcován´ı pravidel pˇripojován´ı se nov´ ych zaˇr´ızen´ı do jiˇz existuj´ıc´ı s´ıtˇe. • ZB BIND DEVICE - umoˇzn ˇuje zaslat zprávu i do zaˇr´ızen´ı, jehoˇz adresa nen´ı známá (resp známe pouze jeho MAC adresu). Pokud nen´ı ani MAC adresa známá, je moˇzno vyuˇz´ıt také moˇznosti tzv ”bindován´ı”. K tomu ale c´ılové zaˇr´ızen´ı mus´ı b´ yt nakonfigurováno (viz následuj´ıc´ı bod). • ZB ALLOW BIND - zadán´ım toho pˇr´ıkazu je zaˇr´ızen´ı nastaveno do reˇzimu ”bindován´ı” coˇz umoˇzn ˇuje, ˇze mu jsou zas´ılány i neadresované zprávy. • ZB SEND DATA REQUEST - Pˇrikaz zaháj´ı pˇrenos dat do jiného zaˇr´ızen´ı. Mˇel by b´ yt pouˇzit pouze ve chv´ıli, kdy jiˇz probˇehla registrace ´spˇeˇsnˇe vytvoaplikaˇcn´ıho procesoru (ZB APP REQUEST) a zaˇr´ızen´ı u ˇrilo nebo se pˇripojilo do s´ıtˇe. • ZB GET DIVICE INFO - na základˇe pˇredaného parametru vrac´ı informaci o zaˇr´ızen´ı (viz 4.3.3). Parametr Typ pˇr´ıkazu 0 stav zaˇr´ızen´ı 1 MAC adresa zaˇr´ızen´ı 2 s´ıt’ová adresa zaˇr´ızen´ı 3 s´ıt’ová adresa rodiˇcovského zaˇr´ızen´ı 4 MAC adresa rodiˇcovského zaˇr´ızen´ı 5 kanál s´ıtˇe 6 PAN ID s´ıtˇe 7 rozˇs´ıˇrené PAN ID s´ıtˇe

18


Sn´ımaˇc tepové frekvence PulseSensor

• ZB FIND DEVICE REQUEST - Z´ıskán´ı s´ıt’ové adresy libovolného zaˇr´ızen´ı v s´ıti za pˇredpokladu znalosti MAC adresy. • ZB WRITE CONFIGURATION, ZB READ CONFIGURATION - zápis / ˇcten´ı ˇr´ıd´ıc´ıch registr˚ u s´ıt’ového procesoru.

4.4

Sn´ımaˇ c tepov´ e frekvence PulseSensor

Projekt PulseSensor je volnˇe dostupn´ y sn´ımaˇc tepové frekvence za jehoˇz v´ yvojem stoj´ı Joel Murphy a Yury Gitman. Jedná se o sn´ımaˇc zaloˇzen´ y na principu fotoelektrické metody (viz 2.1). Jako sn´ımaˇc prosvˇetlen´ı je pouˇzit fotoˇclen APDS-9008. Cel´ y pˇr´ıpravek je moˇzné zakoupit pˇr´ımo u v´ yrobce [Joel Murphy()]. Pro u ´ˇcel této práce byl pˇr´ıpravek vyroben na Západoˇceské univerzitˇe. Schéma zapojen´ı a v´ yslednou realizaci ukazuje obrázek 4.4.

Obrázek 4.10: Schéma zapojen´ı a v´ ysledná realizace

19

5 Realizace bezdrátového mˇeˇren´ı tepov´ e frekvence Nyn´ı, kdyˇz byl urˇcen potˇrebn´ y teoretick´ y základ ke vˇsem ˇca´stem projektu je nasnadˇe popsat vˇsechny komponenty mˇeˇr´ıc´ıho systému a jejich vzájemnou komunikaci. K tomu u ´ˇcelu se dobˇre hod´ı blokov´ y diagram.

5.1

Blokov´ e sch´ ema mˇ eˇ r´ıc´ıho syst´ emu

Cel´ y mˇeˇr´ıc´ı systém lze dekomponovat na jednotlivé d´ılˇc´ı ˇcásti a ty následnˇe ˇreˇsit samostatnˇe. Mˇeˇr´ıc´ı senzor generuje analogová data, která je potˇreba nˇejak´ ym zp˚ usobem vzorkovat a zpracovávat. Je tud´ıˇz nutné pouˇzit´ı AD pˇrevodn´ıku. Koncové zaˇr´ızen´ı mus´ı data zpracovat, upravit a bezdrátovˇe pˇrenést ke koordinátoru, ten informaci pˇrijme a odeˇsle do PC. V personáln´ım poˇc´ıtaˇci jsou data pˇrijata a graficky zobrazena. Celou situaci pˇrehlednˇe popisuje obrázek 5.1.

Obrázek 5.1: Blokové schéma

20

Realizace bezdrátového mˇeˇren´ı tepové frekvence

Pˇrenos zpráv

Bezdrátov´ y pˇrenos zpráv technologi´ı ZigBee je spoleˇcn´ y pro obˇe dvˇe strany systému, proto bude rozebrán ve spoleˇcné kapitole 5.2 Pˇrenos zpráv, v kapitole 5.3 Aplikace je popsáno nastaven´ı a funkce obou jednotek .

5.2

Pˇ renos zpr´ av

Pˇred t´ım, neˇz bude uveden princip pˇrenosu zpráv je nutné zm´ınit nˇekolik skuteˇcnost´ı, které vedly k v´ ybˇeru toho typu pˇrenosu. Systém mˇeˇren´ı tepové frekvence je systém informaˇcn´ı, nic nereguluje ani nijak neˇr´ıd´ı. Nen´ı tud´ıˇz kladen tak velik´ y d˚ uraz na zaruˇcené pˇrenesen´ı zprávy ani na rychlost pˇrenosu. Koncové zaˇr´ızen´ı by také mˇelo b´ yt energeticky co moˇzné nej´ uspornˇejˇs´ı a pˇri vys´ılán´ı/pˇr´ıj´ımán´ı má jednotka pomˇernˇe velik´ y proudov´ y odbˇer (ˇra´dovˇe des´ıtky mA). Snaha je tud´ıˇz tyto ˇcasy minimalizovat. Tyto skuteˇcnosti vedly k volbˇe nejjednoduˇsˇs´ıho moˇzného typu pˇrenosu, tj. s náhodn´ ym pˇr´ıstupem ke komunikaˇcn´ımu kanálu a bez potvrzen´ı pˇrenesené zprávy.

5.2.1

Aplikaˇ cn´ı protokol

Protoˇze systém poˇc´ıtá s pˇr´ıpadn´ ym pouˇzit´ım v´ıce koncov´ ych zaˇr´ızen´ı, mohlo by pˇri komunikaci s centráln´ım prvkem docházet k pˇr´ıpadn´ ym koliz´ım, nelze ani vylouˇcit situaci, kdy nen´ı zpráva u ´spˇeˇsnˇe doruˇcena z d˚ uvod˚ u nejr˚ uznˇejˇs´ıch ruˇsen´ı atd. Bylo by proto dobré uvaˇzovat o moˇznosti jestli by pˇrece jen neˇsly pˇr´ıpadné kolize pˇri pˇrenosu nˇejak´ ym zp˚ usobem eliminovat ˇci detekovat a následnˇe opravit. Nejprve rozvaˇzme, jaká data budou z koncového zaˇr´ızen´ı smˇerem ke koordinátoru pˇrenáˇsena. Vzhledem k tomu, ˇze veˇskerá informace, kterou sn´ımaˇc pˇrenáˇs´ı se omezuje pouze na pr˚ umˇern´ y ˇcas mezi dvˇema pulzy za jednotku ˇcasu (1s), staˇc´ı tedy pˇrenáˇset pouze poˇcet sekund a milisekund. K tomu staˇc´ı jeden byte pro kaˇzdé ˇc´ıslo. Dle normy IEEE 802.15.4 je pˇrenáˇsená informace (payload) v kaˇzdém packetu 0-104 byt˚ u (viz kapitola 3.1) [J. Koton(2006)], je zde znaˇcn´ y prostor k pˇridán´ı jeˇstˇe nˇejak´ ych informac´ı do pˇrenáˇsené zprávy. Pokud nav´ıc nebude pˇresaˇzeno onˇech 104 byt˚ u, odeˇsle se pouze 1 zpráva, ˇc´ımˇz se tedy nijak neprodlouˇz´ı doba komunikace a tud´ıˇz ani energetické náklady.

21


Aplikace

Jaké informace tedy pˇridávat do pˇrenáˇsené zprávy, které by umoˇzn ˇovaly detekci, ˇci opravu chyby? Zcela nepochybnˇe je to ˇc´ıslo zprávy, pˇr´ıpadnˇe jiná forma ˇcasové znaˇcky. To umoˇzn´ı koordinátoru kontrolovat kontinuitu komunikace. T´ım by byla vyˇreˇsena detekce chyby. Pokud bude nav´ıc do zprávy pˇridaná informace o pˇredchoz´ıch nˇekolika mˇeˇren´ıch, bude koordinátor pˇri detekci chyby pˇrenosu schopen zpˇetnˇe zrekonstruovat data, které pˇri pˇredchoz´ıch vys´ılán´ıch nebyla pˇrenesena. Aplikaˇcn´ı protokol popisuje obrázek 5.2. Na základˇe této rozvahy byl vytvoˇren model komunikace, kter´ y je velmi

Obrázek 5.2: Aplikaˇcn´ı protokol podobn´ y pˇrenosu s tzv. klouzav´ ym okénkem [Ing. Jiˇr´ı Ledvina(2012)]. Jeho princip znázorˇ nuje obrázek 5.3.

Obrázek 5.3: Pˇrenos s klouzaj´ıc´ım okénkem

5.3

Aplikace

´ Uvodem je nutné zd˚ uraznit, ˇze nˇekteré ˇca´sti zdrojového kódu, zejména ty, které se t´ ykaj´ı inicializace rozhran´ı (SPI, UART), vytvoˇren´ı ZigBee s´ıtˇe a dalˇs´ı konfiguraˇcn´ı funkce jsou vytvoˇreny na základˇe volnˇe dostupn´ ych projekt˚ u v´ yrobce. Jedná se zejména o aplikaci ZASA (ZigBee Accelerator Sample Application), která tvoˇr´ı v podstatˇe referenˇcn´ı projekt pro v´ yvoj ZigBee 22


Aplikace

s´ıt´ı. Dále bylo vyuˇzito pˇr´ıklad˚ u (Software examples) t´ ykaj´ıc´ıch se aplikac´ı v procesoru MSP430 [Tex(2011a)]. Aˇckoli obˇe zaˇr´ızen´ı maj´ı principiálnˇe odliˇsnou u ´lohu, lze zde naj´ıt spoleˇcné u ´seky, zejména se jedná o inicializaci zaˇr´ızen´ı a nastaven´ı s´ıt’ového procesoru. Bˇeh programu lze velmi dobˇre znázornit stavov´ ym diagramem (viz obrázek 5.4). Kaˇzd´ y stav bude detailnˇe rozebrán na následuj´ıc´ıch ˇra´dc´ıch.

Obrázek 5.4: Stavov´ y diagram aplikace

5.3.1

Koncov´ e zaˇ r´ızen´ı

´ Ukolem koncového zaˇr´ızen´ı je samozˇrejmˇe pˇripojit se do vytvoˇrené s´ıtˇe. Poté pˇrijmout analogov´ y signál ze sn´ımaˇce, odfiltrovat ruˇsivé sloˇzky a z tˇechto dat z´ıskat informaci o tom, kdy doˇslo k u ´deru srdce. Od této chv´ıle se spust´ı 23


Aplikace

ˇc´ıtaˇc, kter´ y mˇeˇr´ı dobu do následuj´ıc´ıho u ´deru. Pr˚ umˇerná doba mezi dvˇema pulzy je poté odeslána na koordinátor. Pojd’me si nyn´ı celou situaci rozebrat ponˇekud podrobnˇeji.

Pˇ ripojen´ı do ZigBee s´ıtˇ e Nyn´ı pˇricház´ı chv´ıle, kdy v´ yvojáˇr pracuj´ıc´ı s technologi´ı Z-Accel nejv´ıce ocen´ı cel´ y tento koncept a zvláˇstˇe pak zjednoduˇsené aplikaˇcn´ı rozhran´ı SAPI. Cel´ y proces pˇripojen´ı koncového zaˇr´ızen´ı do s´ıtˇe je totiˇz omezen na volán´ı funkc´ı, které jiˇz fyzicky ovládaj´ı SPI linku a implementuj´ı konkrétn´ı pˇr´ıkazy. Firma Texas Instruments nav´ıc dává tyto funkce k dispozici jako souˇca´st aplikace ZASA. Pˇripojen´ı prvku do s´ıtˇe a jeho konfigurace je tud´ıˇz maximálnˇe usnadnˇeno. Vˇzdyt’ to je také jeden základn´ıch poˇzadavk˚ u celé technologie ZAccel! Pro ilustraci jednoduchosti konfigurace PAN_ID, ˇc´ısla kanálu a typu zaˇr´ızen´ı je uveden zdrojov´ y kód. Kompletn´ı zdrojov´ y kód je k dispozici v pˇr´ıloze. /∗ t y p z a r i z e n i ∗/ d e v i c e = ZG DEVICETYPE ENDDEVICE ; z b W r i t e C o n f i g u r a t i o n (ZCD NV LOGICAL TYPE, 1 , &tmp ) ; /∗ PAN ID s i t e ∗/ panID16 = 0xFFFF ; z b W r i t e C o n f i g u r a t i o n (ZCD NV PANID , 2 , &v a l 1 6 ) ; /∗ k a n a l c . 16 ∗/ c h a n n e l 3 2 = 0 x00010000 ; z b W r i t e C o n f i g u r a t i o n (ZCD NV CHANLIST, 4 , &v a l 3 2 ) ; /∗ r e s e t z a ˇ r ´ı z e n´ı ∗/ zb SystemReset ( ) ;

Po u ´spˇeˇsné konfiguraci zaˇr´ızen´ı a pˇripojen´ı prvku do s´ıtˇe generuje s´ıt’ov´ y procesor potvrzovac´ı zprávu START_CONFIRM na jej´ım základˇe je tento stav indikován rozsv´ıcen´ım ˇcervené LED diody, zaˇr´ızen´ı je pˇrepnuto do módu n´ızké spotˇreby. V nˇem ˇceká zaˇr´ızen´ı na stisk tlaˇc´ıtka po nˇemˇz zapoˇcne mˇeˇren´ı.

Sn´ım´ an´ı analogov´ eho sign´ alu, AD pˇ revodn´ık V kapitole 4.4 byl popsán pouˇzit´ y senzor tepové frekvence. Aby bylo moˇzné jeho v´ ystup zpracovávat je nejprve potˇreba jej pˇrevést do digitáln´ı podoby. K tomuto u ´ˇcelu je drtivá vˇetˇsina procesoru vybavena AD pˇrevodn´ıkem, nejinak je tomu i v pˇr´ıpadˇe MSP430 (viz kapitola 4.2). Následuj´ıc´ı ˇrádky budou vˇenovány seznámen´ı se s jeho ˇr´ıd´ıc´ımi registry a jejich nastaven´ım. 24


Aplikace

AD pˇ revodn´ık ´ Ukolem této periferie (jak naznaˇcuje název) je pˇrevést analogov´ y signál na 10 bitovou digitáln´ı reprezentaci. Pro svou funkci vyuˇz´ıvá dvˇe programovˇe volitelné napˇet’ové u ´rovnˇe (Vr+ a Vr− ) s jejichˇz definuje horn´ı a doln´ı hladinu vzorkovaného napˇet´ı. Pˇrevedená hodnota m˚ uˇze b´ yt uloˇzena jak v pˇr´ımém kódu tak v dvojkovém kódu v registru ADC10MEM. Vzorkovaná digitáln´ı data (NADC )m˚ uˇzeme jednoduˇse odvodit podle vztahu:

NADC = 1023 ·

VIN − VR− VR+ − VR−

(5.1)

Pro generován´ı vzorkovac´ıho hodinového signálu m˚ uˇze b´ yt vyuˇzito 4 zdroj˚ u: SMCLK, MCLK, ACLK a intern´ı oscilátor ADC10OSC. K pˇriveden´ı vzorkovaného signálu m˚ uˇze b´ yt vyuˇzito 9 extern´ıch a 4 intern´ıch analogov´ ych kanál˚ u. Kanály které nejsou vybrány jsou izolovány od ADC kv˚ uli eliminaci ˇsumu. Jako ˇr´ıd´ıc´ı registry procesoru slouˇz´ı ADC10CTL0 a ADC10CTL1. Pozn.: To je samozˇrejmˇe jen zlomek moˇznost´ı, ale dostaˇcuj´ı pro jednorázové navzorkován´ı dat. Dalˇs´ı nastaven´ı AD pˇrevodn´ıku popisuje datasheet procesoru MSP430F2274 odd´ıl 20, strana 25 [Tex(2011b)] V kapitole 4.1 je popsána testovac´ı deska a piny procesoru, které jsou na ni vyvedeny. Po nahlédnut´ı do tabulky vypl´ yvá, ˇze na desce je k dispozici 6 kanál˚ u AD pˇrevodn´ıku. Vzorkovan´ y signál je pˇripojen k pinu P2.2, oˇcekávané napˇet´ı je v rozmez´ı 0V-2V. Konfigurace AD pˇrevodn´ıku bude tud´ıˇz následuj´ıc´ı:

25


Aplikace

/∗ 16 t a k t˚ u pro v z o r k o v ´ a n´ı , r e f 2 ,5V, pˇ r e r uˇs e n´ı ON, z a p n i j ´ a d r o ADC∗/ ADC10CTL0 = ADC10SHT 2 + REF2 5V + REFON + ADC10ON + ADC10IE ; /∗A2 j a k o v s t u p n´ı k a n a ´ l ∗/ ADC10CTL1 = INCH 2 ; /∗ a n a l o g o v ´ y vstup kan´ a l u A2 p o v o l e n ∗/ ADC10AE0 = 0 x04 ;

Kaˇzdé vzorkován´ı AD pˇrevodn´ıku poté vyvolá pˇreruˇsen´ı které je obslouˇzeno konkrétn´ı rutinou ve které dojde k aktualizaci hodnoty vzorkovaného signálu, nastav´ı se pˇr´ıznak konkrétn´ıho pˇreruˇsen´ı a AD pˇrevodn´ık se vypne. #pragma v e c t o r=ADC10 VECTOR i n t e r r u p t void i s r A d c ( ) { halAdcVal = ADC10MEM; e v e n t F l a g |= HAL EVT ADC ; ADC10CTL0 = 0 ; low power mode off on exit ( ) ; }

Filtrov´ an´ı sign´ alu Nyn´ı je jiˇz k dispozici digitáln´ı reprezentace analogového signálu. Bohuˇzel jako vˇetˇsina analogovˇe mˇeˇren´ ych dat, jsou i tyto hodnoty znaˇcnˇe ovlivnˇeny ruˇsen´ım. Je proto potˇreba tato data filtrovat a normalizovat, aby bylo moˇzné z nich z´ıskat informaci o aktuáln´ım stavu srdce. Analogov´ y signál je vzorkován a filtrován kaˇzdou 1ms. Následuj´ıc´ı u ´sek zdrojového kódu popisuje algoritmus filtrace a normalizace signálu, obrázek 5.5 ukazuje signál po jeho navzorkován´ı AD pˇrevodn´ıkem, na obrázeku 5.6 je vidˇet vyfiltrovan´ y signál.

26


Obrázek 5.5: Vzorkovan´ y signál

Obrázek 5.6: Filtrovan´ y signál

27

Aplikace


Aplikace

S i g n a l = halAdcVal ; /∗ N o r m a l i z o v a ´ n´ı s i g n a ´ l u do 0 ∗/ r e a d i n g s += S i g n a l ; // p oˇ c e t v z o r k˚ u pro n o r m a l i z o v ´ a n´ı sampleCounter++; // promˇ e nn´ a v y uˇz i t a ´ jako ˇ c ´ı t a ˇ c v z o r k˚ u i f ( ( sampleCounter %300) == 0 ) { o f f s e t = r e a d i n g s / 3 0 0 ; // pr˚ umˇ e rov´ a n´ı readings = 0; } N S i g n a l = S i g n a l − o f f s e t ; // v tomto m´ıs tˇ e p r o b´ıh ´ a normalizace Lxv [ 1 ] = Lxv [ 0 ] ; Lxv [ 0 ] = Lxv [ 1 ] + ( NSignal−Lxv [ 1 ] ) / 2 ; // F i l t r o v ´ a n´ı 100 Hz F S i g n a l = Lxv [ 0 ] ∗ S c a l e ; // Z e s´ı l e n´ı i f ( F S i g n a l >= Peak && P u l s e == f a l s e ) { // S r d eˇ c n´ı uder z p˚ u s o b´ı , ˇz e ADC v z o r e k r o s t e . Peak = F S i g n a l ; // H l e d ´ a n´ı momentu v r c h o l u k ˇ rivky peakTime = sampleCounter ; // Pokud j e t o v r c h o l , n a s t a l nyn´ı } /∗ j e ˇ c a s z j i s t i t , j e s t l i kˇ rivka nedosa ´ h l a v r c h o l u ∗/ // K v˚ uli u ´ s p oˇ re ˇ c asu n e n´ı nutn´ e poˇ c ´ı t a t kaˇz dou 1ms , s t a ˇ c ´ı po 20ms . i f ( ( sampleCounter %20) == 0 ) { // pokud s i g n ´ al nˇ ekolikra ´ t po s o bˇ e klesa ´ , b y l zazanamen´ am p u l s i f ( F S i g n a l < 0 && P u l s e == f a l s e ) { P u l s e = t r u e ; // dokud j e p u l s , bude t r u e lastHRV = HRV; l e d B l i n k (BOTH DIOD ) ; HRV = peakTime − lastPeakTime ; // mˇ eˇ r en´ı ˇ c asu mezi 2 p u l z y lastPeakTime = peakTime ; updateData (HRV) ; } i f ( F S i g n a l > 0 && P u l s e == t r u e ) { // k d yˇz s i g n a ´ l r o s t e , m˚ uˇzeme vymazat promˇ e nn´ e P u l s e = f a l s e ; // p u l z uˇz n e n´ı Peak = 0 ; // } }

Pozn.: Algoritmus filtrace je volnˇe dostupný na stránkách výrobce sn´ımaˇce PulseSensor [Joel Murphy()]

Agregace dat Ve chv´ıli, kdy algoritmus detekuje srdeˇcn´ı ˇcinnost, spoˇcte ˇcas od minulého pulsu, uloˇz´ı jej do lokáln´ı promˇenné time a aktualizuje globáln´ı promˇennou timeToBeat podle vzorce:

timeT oBeatt = 0, 7 · timeT oBeat + 0, 3 · timeT oBeatt−1

(5.2)

Je tedy vidˇet, ˇze pˇri aktualizaci promˇenné timeToBeat nen´ı pouze stará 28


Aplikace

hodnota nahrazena novou, ale je zde stará hodnota jeˇstˇe zohlednˇena. D˚ uvodem je fakt, ˇze tepová frekvence se v ˇcase mˇen´ı pomˇernˇe spojitˇe a tud´ıˇz nen´ı ˇzádouc´ı, aby hodnota v´ yraznˇe kol´ısala. Napˇr´ıklad pˇri mˇeˇren´ı byl vypoˇcten ˇcas 50ms, pˇri následuj´ıc´ım mˇeˇren´ı se tento ˇcas zmˇenil na 55ms. Pˇri v´ ypoˇctu by tedy tepová frekvence kol´ısala:

[

tep ] min

100 · 60 timeT oBeat tep ] · 60 = ˙ 120 [ min tep · 60 = ˙ 109 [ ] min

Tf 100 50 100 55

=

(5.3)

Rozd´ıl 5ms je pˇritom velmi mal´ y a m˚ uˇze b´ yt zp˚ usoben bud’ skuteˇcnou zmˇenou tepové frekvence, ale stejnˇe tak nepˇresnost´ı mˇeˇr´ıc´ı metody ˇci chybou pˇri filtrován´ı. Pouˇzijeme-li popsanou metodu postupného zpˇresˇ nován´ı v´ ysledku, vypoˇctené ˇcasy mezi jedn´ım pulzem se zmˇen´ı na 50ms, resp 53.5ms. V´ ysledky budou následuj´ıc´ı:

100 tep ] · 60 = ˙ 120 [ min 50 100 tep · 60 = ˙ 112 [ min ] 53.5

(5.4) (5.5)

Je také dobré vz´ıt v u ´vahu, ˇze pˇri sn´ımán´ı m˚ uˇze doj´ıt k nepˇresnostem. Napˇr. prst m˚ uˇze b´ yt oddˇelen od sn´ımaˇce, sn´ımac´ı algoritmus nedetekuje tep atd. V tom pˇr´ıpadˇe by samozˇrejmˇe doba mezi detekc´ı pulzu znaˇcnˇe narostla (aˇz na nˇekolika násobek skuteˇcné hodnoty). Je proto dobré s touto situac´ı poˇc´ıtat a hodnoty, které pˇresáhnou ˇctyˇrnásobek ˇcasu mezi signály ignorovat a nemˇenit p˚ uvodn´ı hodnotu.

29


Aplikace

Nyn´ı si zrekapitulujme situaci. Koncové zaˇr´ızen´ı je nakonfigurováno, pˇripojeno do funguj´ıc´ı ZigBee s´ıti a kaˇzdou milisekundu je vyvoláno pˇreruˇsen´ı ˇcasovaˇce na jehoˇz základˇe jsou vzorkována a filtrována data. Je tedy k dispozici vˇse potˇrebné, aby jednotka mohla kaˇzdou 1s vyslat zprávu (viz obrázek 5.2) smˇerem ke koordinátoru. Vˇsechna data jsou pr˚ ubˇeˇznˇe uloˇzena v poli buffer které reprezentuje naposledy odeslanou zprávu. Ve chv´ıli kdy má doj´ıt k dalˇs´ımu odeslán´ı je inkrementováno ID_zpr´ avy a zbylé poloˇzky v poli jsou posunuty o 2 m´ısta vpravo, ˇc´ımˇz dojde k realizaci plovouc´ıho okénka, nejstarˇs´ı hodnoty budou smazány a na prvn´ı m´ısto zaˇrazeny aktuáln´ı hodnoty.

5.3.2

Koordin´ ator

Vytvoˇ ren´ı ZigBee s´ıtˇ e Proces vytvoˇren´ı nové s´ıtˇe je podobn´ y jako pˇri pˇripojen´ı zaˇr´ızen´ı do s´ıtˇe. Je vyuˇzito rozhran´ı SAPI a funkc´ı dostupn´ ych z aplikace ZASA. Pro názornost je uveden jeden krok pˇri konfiguraci. Kompletn´ı zdrojov´ y kód je uveden v pˇr´ıloze. /∗ t y p z a r i z e n i ∗/ d e v i c e = ZG DEVICETYPE COORDINATOR; z b W r i t e C o n f i g u r a t i o n (ZCD NV LOGICAL TYPE, 1 , &tmp ) ; /∗ PAN ID s i t e ∗/ panID16 = 0xFFFF ; z b W r i t e C o n f i g u r a t i o n (ZCD NV PANID , 2 , &v a l 1 6 ) ; /∗ c h a n n e l c . 16 ∗/ v a l 3 2 = 0 x00010000 ; z b W r i t e C o n f i g u r a t i o n (ZCD NV CHANLIST, 4 , &v a l 3 2 ) ; zb SystemReset ( ) ;

Kaˇzd´ y u ´spˇeˇsnˇe proveden´ y konfiguraˇcn´ı krok potvrzuje s´ıt’ov´ y procesor adekvátn´ım CONFIRM pˇr´ıkazem. V pˇr´ıpadˇe u ´spˇeˇsného pˇripojen´ı do s´ıtˇe je to START_CNF, pokud u ´spˇeˇsnˇe odeˇsle zaˇr´ızen´ı zprávu, generuje SEND_DATA_CNF atd.

Pˇ r´ıjem zpr´ av Nyn´ı kdyˇz je s´ıt’ vytvoˇrena ˇceká zaˇr´ızen´ı na pˇr´ıjem zprávy v nekoneˇcné smyˇcce. Pˇri pˇr´ıjmu zprávy je vyvoláno pˇreruˇsen´ı. To generuje signál SRDY. V jeho obsluˇzné rutinˇe je detekováno o jak´ y typ SPI pˇr´ıkazu se jedná. Pokud jde 30


Aplikace

o indikaci pˇrijat´ ych dat RCV_DATA_IND zpracuje koordinátor data a v poˇzadovaném formátu je odeˇsle pˇres UART do PC. /∗ Pˇ r e r uˇs e n´ı v y v o l a l a z p r a ´va o p ˇ r i j e t´ı d a t ∗/ i f ( r p c F l a g s == RCV DATA IND) { receive (); } void r e c e i v e ( ) { /∗ Vstup do f u n k c e , k t e r ´ a o d eˇs l e d a t a pˇ r e s UART do PC∗/ printMessage ( zaccelDataBuf ) ; }

Odes´ıl´ an´ı dat pˇ res UART Aby bylo moˇzné komunikovat pˇres rozhran´ı UART, mus´ı b´ yt rozhran´ı inicializováno. K tomu slouˇz´ı registry UCACTL0, UCACTL1, UCAMCTL, UCA0BR0, UCA0BR1 a jsou nastaveny následovnˇe: UCA0CTL1 = UCSWRST; /∗ S o f t w a r o v ´ y r e s e t ∗/ UCA0CTL1 |= UCSSEL 3 ; /∗ Form´ a t r´ a mce : b e z p a r i t y ; 1 s t o p −b i t ; 8 b i t˚ u / b y t e . ∗/ UCA0CTL0 = 0 ; /∗ N a s t a v´ı z d r o j ˇ casova ´ n´ı & r y c h l o s t pˇ r en o su . ∗/ UCA0BR0 = 0 x34 ; UCA0BR1 = 0 x00 ; UCA0MCTL = UCOS16 | UCBRF0 ; /∗ N a s t a v e n´ı p o r t˚ u P3 . 4 , . 5 − UART0 TXD, RXD∗/ P3SEL |= 0 x30 ; UCA0CTL1 &= ˜UCSWRST; /∗ p o v o l e n´ı pˇ r e r uˇs e n´ı ∗/ IE2 |= UCA0RXIE ;

S tˇemito parametry tedy prob´ıhá pˇrenos pˇres UART do USB programátoru a následnˇe pˇres USB do PC. Formát pˇrenáˇsené zprávy po UART je identick´ y jako zpráva pˇrenáˇsená od koncového zaˇr´ızen´ı ke koordinátoru (viz obrázek 5.2).

31

6 Programové vybaven´ı pro vizualizaci namˇ eˇ ren´ ych dat Pro vizualizaci namˇeˇren´ıch hodnot byl vytvoˇren program WorkOut v programovac´ım jazyce Java v prostˇred´ı NetBeans. Program m˚ uˇze slouˇzit jako nástroj pro pr˚ ubˇeˇzné zobrazován´ı aktuáln´ı tepové frekvence (viz obrázek ??), pˇr´ıpadnˇe umoˇzn ˇuje zobrazit historii mˇeˇren´ı formou grafu (viz obrázek ??). Uˇzivatelsk´ y manuál je k dispozici v pˇr´ıloze , pˇr´ıpadnˇe se v pˇr´ıloze nacház´ı struˇcn´ y popis vˇsech nezbytn´ ych tˇr´ıd programu. Podrobná dokumentace je vygenerována programem JavaDoc a je k dispozici na pˇriloˇzeném CD.

32

7 Porovnán´ı fináln´ıho produktu s komerˇ cn´ım prostˇ redkem Pro otestován´ı vyvinutého mˇeˇr´ıc´ıho systému byl zap˚ ujˇcen komerˇcn´ı SportTester Sigma PC 15 od firmy Sigma Sport (viz 7.1). Za jehoˇz zap˚ ujˇcen´ı dˇekuji své pˇr´ıtelkyni. Testován´ı prob´ıhalo následovnˇe. s V´ ysledky mˇeˇren´ı ukazuje

Obrázek 7.1: Komerˇcn´ı sport tester Sigma PC 15 následuj´ıc´ı tabulka. Vzhledem k tomu, ˇze nen´ı k dispozici ˇza´dná zaruˇcenˇe pˇresná metoda, je pouˇzit jako referenˇcn´ı komerˇcn´ı produkt a chyba je poˇc´ıtána v pomˇeru k jeho v´ ysledk˚ um Sigma PC 15[tep/min] Pˇr´ıpravek Chyba 30 29 - 31 <1% 60 55-67 8% 90 80-102 10% 120 105-130 ±12% 150 145-153 10% 180+ znaˇcnˇe kol´ısá >20% Z mˇeˇren´ı je patrno ˇze pˇri ustálené hodnotˇe chyba pˇri mˇeˇren´ı vyˇsˇs´ı se vzr˚ ustaj´ıc´ı frekvenc´ı srdeˇcn´ıho u ´deru. 33

Porovnán´ı fináln´ıho produktu s komerˇcn´ım prostˇredkem

Pˇri rychle se mˇen´ıc´ı tepové frekvenci se ukázala nepˇresnost metody a zejména nepˇresnost pˇri filtrován´ı a pr˚ umˇerován´ı. V tomto smˇeru by zcela nepochybnˇe bylo potˇreba provést rozsáhlejˇs´ı testován´ı s r˚ uzn´ ymi nastaven´ımi filtrovac´ıch konstant a zváˇzit dalˇs´ı metody agregace dat.

34

8 Závˇer V teoretické ˇca´sti práce je vysvˇetlena tepová frekvence, jsou rozebrány nˇekteré v´ yznamné dˇeje ˇci poruchy rytmu, které mohou nastat bˇehem srdeˇcn´ıho cyklu. Dále jsou uvedeny základn´ı metody sn´ımán´ı tepové frekvence vˇcetnˇe jejich klad˚ u a zápor˚ u, pˇr´ıpadnˇe princip˚ u realizace. Na základˇe této rozvahy je vybrána metoda, která bude pouˇzita pˇri v´ yvoji systému sn´ımán´ı tepové frekvence. ´ Ukolem druhé poloviny teoretické ˇca´sti je popsat s´ıt’ ZigBee, jej´ı OSI model, prvky s´ıtˇe a typy topologi´ı. Dále se bl´ıˇze seznámit s pˇr´ıpravkem eZ430RF2480, zejména s obˇema jeho procesory, modelem komunikace a komunikaˇcn´ı API. V rozsáhlejˇs´ı praktické ˇca´sti je krok po kroku rozebrán proces v´ yvoje mˇeˇr´ıc´ıho systému. Základn´ım krokem je návrh blokového schématu a následnˇe popsán´ı kaˇzdé z jeho ˇca´st´ı. Následuj´ıc´ı kapitoly popisuj´ı kaˇzdou jednu ˇcást, od sestaven´ı funguj´ıc´ı bezdrátové s´ıtˇe, vytvoˇren´ı programu pro ˇcleny s´ıtˇe aˇz po vizualizaci namˇeˇren´ ych dat. Posledn´ı ˇca´st´ı práce je porovnán´ı vytvoˇreného pˇr´ıpravku s komerˇcn´ım produktem. Pˇri testován´ı bylo doc´ıleno následuj´ıc´ıch v´ ysledk˚ u: Pˇri klidné tepové frekvenci se rozd´ıl mezi komerˇcn´ım SportTesterem a vytvoˇren´ ym pˇr´ıpravkem pohybuje kolem ±10%, pˇri prudk´ ych zmˇenách tepové frekvence a vysoké frekvenci (180+ tep/min) docház´ı k nepˇresnosti zp˚ usobené pr˚ umˇerován´ım hodnot a nepˇresnost´ı sn´ımac´ı metody zhruba ±30%. V souˇcasné pracovn´ı verzi se sn´ımaˇc nedá pˇr´ıliˇs pouˇz´ıt v reálném provozu, chyb´ı zde optimalizace spotˇreby u koncového zaˇr´ızen´ı, jednotky by bylo tˇreba opatˇrit vhodn´ ym krytem, je tˇreba doladit pr˚ ubˇeˇzné pˇripojován´ı a odpojován´ı dalˇs´ıch jednotek za bˇehu mˇeˇren´ı a nebylo provedeno testován´ı provozu pˇri v´ıce pˇripojen´ ych koncov´ ych zaˇr´ızen´ı. Vizualizaˇcn´ı program je pˇripraven pro ˇsirˇs´ı vyuˇzit´ı. Je zde implementováno vytváˇren´ı nov´ ych uˇzivatel˚ u, správa jejich databáze a moˇznost vytvoˇren´ı SQL databáze. S tˇemito u ´daji by v budoucnu bylo moˇzné do systému pˇridat informaci o spálen´ ych kalori´ıch pˇri cviˇcen´ı, sledovat dlouhodobou aktivitu cviˇc´ıc´ıch atd. To vˇsak pˇresahuje rámec bakaláˇrské práce.

35

Literatura [SPI()] What is SPI. Dostupné z: http://www.fpga4fun.com/SPI1.html. [zig()] [Fak(2010)] E-Learningové prostˇeed´ı pro integraci výuky klinických pˇeedmˇetu na LF a FZV UP Olomouc. Fakulta zdravotnick?ch vˇed Univerzity Palackého v Olomouci, 2010. Dostupné z: http://pfyziollfup.upol.cz/castwiki2/?p=4338. [Ing. Jiˇr´ı Ledvina(2012)] ING. JIr´ı LEDVINA, C. Pˇrednáˇsky k pˇredmˇetu ´ Uvod do poˇc´ıtaˇcov´ ych s´ıt´ı. 2012. [J. Koton(2006)] J. KOTON, V. K. P. v. Standard n´ızkorychlostn´ı bezdrátové ˇ e vysoké uˇcen´ı technické, 2006. Dostupné z: komunikace ZigBee. Cesk´ http://access.feld.cvut.cz/view.php?cisloclanku=2006032001. [Joel Murphy()] JOEL MURPHY, Y. G. www.pulsesensor.com.

Pulse Sensor.

Dostupné z:

[Mas(2011)] Pulsn´ı oxymetr Masimo radical 7. Masimo, 2011. Dostupné z: http://www.hoyer.cz/produkty/intenzivni-pece/pulsnioxymetry/masimo-radical-7/. [Tex()] eZ430-RF2480 User’s Guide (Rev. A). Texas Instruments. Dostupné z: http://www.ti.com/lit/ug/swru151a/swru151a.pdf. [Tex(2006)] CC2480 Developer’s Guide. Texas Instrumets, 2006. Dostupné z: http://focus.ti.com/lit/an/swra176/swra176.pdf. [Tex(2011a)] MSP430F2x7x code examples (Rev. E). Texas Instrumets, 2011a. Dostupné z: http://www.ti.com/litv/zip/slac123d.

36

LITERATURA

LITERATURA

[Tex(2011b)] MSP430x2xx Family User’s Guide (Rev. E). Texas Instrumets, 2011b. Dostupné z: http://focus.ti.com/lit/ug/slau144e/slau144e.pdf. ˇ eˇriˇc tepové frekvence, 2010. ˇ [Seda(2010)] SEDA, J. Mˇ

37

Seznam obr´ azk˚ u

2.1

Reflexivn´ı a pr˚ usvitová fotoelektrická metoda . . . . . . . . .

3

2.2

Komerˇcn´ı oxymetr firmy Masimo [Mas(2011)] . . . . . . . . .

4

3.1

Referenˇcn´ı model ZigBee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

3.2

Topologie s´ıtˇe ZigBee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

4.1

Rozloˇzen´ı v´ yvod˚ u procesoru na desku . . . . . . . . . . . . . . 11

4.2

V´ yvojov´ y kit eZ430-RF2480 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

4.3

Popis komponent procesoru MSP430 . . . . . . . . . . . . . . 12

4.4

Rozloˇzen´ı pin˚ u procesoru MSP430 . . . . . . . . . . . . . . . . 13

4.5

Koncept Z-Accel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

4.6

Pˇr´ıkaz AREQ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

4.7

Pˇr´ıkaz SREQ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

4.8

Pˇr´ıkaz POLL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

4.9

Konflikt pˇri komunikaci . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

4.10 Schéma zapojen´ı a v´ ysledná realizace . . . . . . . . . . . . . . 19 5.1

Blokové schéma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

38

´ ˚ SEZNAM OBRAZK U

´ ˚ SEZNAM OBRAZK U

5.2

Aplikaˇcn´ı protokol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

5.3

Pˇrenos s klouzaj´ıc´ım okénkem . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

5.4

Stavov´ y diagram aplikace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

5.5

Vzorkovan´ y signál . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

5.6

Filtrovan´ y signál . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

7.1

Komerˇcn´ı sport tester Sigma PC 15 . . . . . . . . . . . . . . . 33

A.1 V´ ybˇer COM portu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 A.2 Zobrazen´ı aktuáln´ı tepové frekvence . . . . . . . . . . . . . . . 41 A.3 Zobrazen´ı tepové frekvence formou grafu . . . . . . . . . . . . 42

39

Pˇ rehled pouˇ zit´ ych zkratek IKG Impedanˇcn´ı kardiografie IEEE The Institute of Electrical and Electronics Engineers MAC Media Access Control NTW Network layer SSP Security Services Provider APL Aplication Layer USB Universal Serial Bus SPI Serial Peripheral Interface API Application Programming Interface PC Personal Computer UART Universal Asynchronous Receiver and Transmitter ZASA ZigBee Accelerator Sample Aplication LED Light Emitting Diode AREQ Asynchronous Request SRDY Synchronous Request ZDO ZigBee Device Objects PAN Personal Area Network SMCLK Sub-System Master Clock MCLK Master Clock ACLK Auxiliary Clock

40

A Pˇr´ılohy A.1

Uˇ zivatelsk´ a pˇ r´ıruˇ cka programu WorkOut

Po spuˇstˇen´ı aplikace je tˇreba vybrat jeden z dostupn´ ych port˚ u, na kterém je pˇripojen USB FET programátor (viz A.1). Po vybrán´ı jednoho z port˚ u

Obrázek A.1: V´ ybˇer COM portu

lze jiˇz program spustit tlaˇc´ıtkem START. Program je nyn´ı nakonfigurován na zobrazován´ı aktuáln´ı tepové frekvence dvou jednotek. Stisknut´ım tlaˇc´ıka

Obrázek A.2: Zobrazen´ı aktuáln´ı tepové frekvence

Graf se zobraz´ı historie mˇeˇren´ı tepové frekvence.

41

Pˇr´ılohy

Popis tˇr´ıd programu WorkOut

Obrázek A.3: Zobrazen´ı tepové frekvence formou grafu

A.2

Popis tˇ r´ıd programu WorkOut

Program se skládá z 4 hlavn´ıch tˇr´ıd a nˇekolika dalˇs´ıch pomocn´ ych knihoven pro realizaci grafického uˇzivatelského rozhran´ı. • PortTester.java - tˇr´ıda inicializuj´ıc´ı komunikaci se sériovou linkou. Umoˇzn ˇuje nastavit parametry pˇrenosu a vytvoˇr´ı seznam dostupn´ ych COM port˚ u. • PortReader.java - vlákno které realizuje ˇcten´ı hodnot ze sériové linky. A zpracovává pˇrijatá data. • Message.java - datová tˇr´ıda reprezentuj´ıc´ı posledn´ı obdrˇzenou zprávu. • User.java - datová tˇr´ıda reprezentuj´ıc´ı jednoho uˇzivatele, jeho váhu, v´ yˇsku, vˇek, jméno. Vyuˇz´ıvá kolekce ArrayList pro uchován´ı vˇsech doruˇcen´ ych zpráv. • BeepThread.java - vlákno které jednou za stanoven´ y ˇcas zmˇen´ı barvu rámeˇcku. 42

Pˇr´ılohy

Popis tˇr´ıd programu WorkOut

• OneUserForm.java - grafická tˇr´ıda která zobrazuje rámeˇcek v nˇemˇz je aktuáln´ı tepová frekvence. • WorkOutView.java - hlavn´ı tˇr´ıda uˇzivatelského rozhran´ı, zobrazuje formuláˇr, na nˇem okno kaˇzdého uˇzivatele. Umoˇzn ˇuje pˇrepnout zobrazen´ı na vizualizaci pomoc´ı grafu. • HeartRateMonitor.java - zobrazuje graf tepové frekvence, pouˇz´ıvá k tomu historii zpráv.

43

Západočeská univerzita v Plzni Fakulta aplikovaných věd Katedra informatiky a výpočetní techniky

Recommend Documents