| Card | Table | RUSMARC | |
|
|
Зайнетдинов, Тагир Ильдусович. РАЗРАБОТКА МАКЕТНОГО ОБРАЗЦА УСТРОЙСТВА КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ СЕРДЦЕБИЕНИЯ ПОЖИЛОГО ЧЕЛОВЕКА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ IoT: выпускная квалификационная работа бакалавра. Направление подготовки (специальность) 11.03.04 Электроника и наноэлектроника
|
Document access rights
| Network | User group | Action | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Library BashGU Local Network | Authenticated users |
|
||||
| Library BashGU Local Network | All | |||||
| Internet | Authenticated users |
|
||||
|
Internet | All |
Table of Contents
- Содержание
- ВВЕДЕНИЕ
- 1. Устройство, актуальность и преимущества.
- Прибор (датчик), который измеряет ЭКГ, — это полезное и важное устройство. Оно измеряет электрическую активность сердца.
- ЭКГ — это неинвазивный (не прямой или не внутренний) метод диагностики, который позволяет оценить работу сердца и его ритм. Он регистрирует электрическую активность сердца, измеряемую в мВ (если брать график, то высота каждого пика измеряется в мм) ко...
- Нормальный ритм ЭКГ состоит из зубца P, комплекса QRS и зубца T. Для интерпретации электрокардиограммы необходимо учитывать наличие этих зубцов, их форму и продолжительность, а также сегмент ST (время, прошедшее между окончанием деполяризации и начало...
- Рисунок 1.1 - Пример графика ЭКГ.
- Зубцы P позволяют определить время между сердечными сокращениями, которое отображается в виде прямой линии между самой низкой и самой высокой точками. Зубцы T представляют собой небольшое заметное сокращение после первого и обозначают окончание сердеч...
- Актуальность и преимущества разрабатываемого устройства. В настоящее время сердечно-сосудистые заболевания являются основной проблемой для людей старше 50 лет. Это объясняется, по крайней мере частично, сидячим и напряженным образом жизни и нездоровым...
- Рост интереса к здоровью: в последние годы наблюдается значительный рост интереса к мониторингу состояния здоровья, особенно в области кардиологии. Устройства, которые могут отслеживать сердечный ритм, становятся все более востребованными как среди пр...
- Увеличение числа сердечно-сосудистых заболеваний: По данным Всемирной организации здравоохранения, сердечно-сосудистые заболевания остаются одной из основных причин смертности во всем мире. Раннее обнаружение и мониторинг таких заболеваний могут значи...
- С увеличением сердечно-сосудистых заболеваний, особенно у пожилых людей, растет спрос и популярность на устройства, которые можно было бы носить в кармане и не доставляющих неудобств в повседневности. С этой целью и была выбрана тема. Основным устройс...
- - подключить датчик к медицинскому оборудованию или к микроконтроллеру, который будет собирать и обрабатывать данные;
- - правильно выбрать место установки электродов (три электрода, красный, желтый и зеленый). Например: один на правом запястье, один на левом запястье и один на правом бедре или на груди. На рисунке 1.2 можно увидеть еще несколько возможных расположений...
- Рисунок 1.2 - Варианты расположения электродов.
- Ознакомившись с медицинскими статьями и рекомендациями, я пришел к выводу, что при мониторинге сердечно-сосудистых заболеваний важно учитывать возраст, историю и наследственные болезни, уровень физической активности и наличие других заболеваний. Это с...
- После проведения консультаций и анализа с врачом можно будет установить оптимальные параметры и датчик. Данные с датчика будут отправляться по сети LoRaWAN в центральную систему для мониторинга и в дальнейшем обработаны и переданы медицинскому работни...
- Основные преимущества моего устройства:
- - точность, обеспечивает высокую точность и стабильность измерений.
- - компактность, устройство будет минимально ощущаться в повседневной жизни, за счет малого размера.
- - низкое потребление, за счет использования батарейного питания и правильного выбора компонентов, устройство будет мало потребляющим и работать в течение активной жизнедеятельности.
- - доступность, благодаря тому что устройство будет передавать данные самостоятельно, без участия носителя. Впрочем, если человеку нужно, он может ознакомиться с данными с помощью приложения. Также предполагается, что устройство будет стоить меньше кон...
- - гибкость, предполагается что устройство будет совместимо с большинство приложений, а так же можно будет разработать отдельное приложение для него [2].
- 2. Обзор аналогов.
- 2.1 Датчик ЭКГ einstein ENEKG189.
- Устройство для регистрации электрокардиограммы einstein ENEKG189 (см. рисунок 2.1) предназначено для измерения электрических сигналов, возникающих при сокращении сердечной мышцы. Датчик позволяет получить информацию об электрической активности сердца.
- Для обеспечения правильной работы устройства необходимо соблюдать следующие условия: хранить электроды в холодильнике.
- Стоимость датчика составляет от 45 000 до 55 000 рублей.
- Характеристики устройства:
- − диапазон измерений — от 0 до 5 В;
- − разрешение — 12 бит, что соответствует 1,23 мВ;
- − рекомендуемая частота дискретизации — 100 выборок в секунду;
- − защита от перенапряжения - 4 кВ;
- − изоэлектрическая линия (усиление) - 1 мВ потенциала тела = 1 В на выходе датчика [3].
- 2.2. Беспроводной датчик ЭКГ Vernier.
- Устройство для измерения электрической активности сердца Go Direct (рис. 2.2) позволяет регистрировать электрические сигналы, возникающие при сокращении мышц. Благодаря функции беспроводной связи, устройство минимизирует риск запутывания и повреждения...
- 3. Разработка проекта.
- Проект был разработан на Mbed – это платформа разработки и операционная система для устройств, подключённых к интернету (Интернету вещей), на базе 32-битных микроконтроллеров ARM Cortex-M. Полная версия представляет собой операционную систему реальног...
- Была выполнена программа для считывания с датчика AD8232 аналоговых сигналов, измеряемых в мВ (Приложение А) и выводящие эти значения понятные для человека (Приложение Б). Это помогает использовать облачные технологии для мониторинга за состоянием чел...
- Проект создан на платформе EasyEDA — кросс-платформенная веб-ориентированная среда автоматизации проектирования электроники, включающая в себя редактор принципиальных схем, редактор топологии печатных плат, SPICE-симулятор, облачное хранилище данных, ...
- Перед сборкой проекта в EasyEDA, нужно выбрать микроконтроллер для разработки устройства "контроля параметров сердцебиения пожилого человека с использованием IoT". Был выбран микроконтроллер STM32F411RET6.
- Микроконтроллер STM32 – современная платформа, позволяющая создавать профессиональные решения для автоматизации в самых различных областях. В отличие от доступного Arduino, STM32 требует более глубокого погружения в детали, она сложнее для начинающих,...
- STM32 — платформа, объединяющая микроконтроллеры STMicroelectronics на базе процессора ARM, разнообразные модули и периферийные устройства. В комплекте идут программные инструменты (IDE) для работы с оборудованием.
- Популярность решений на основе STM32 объясняется высокой производительностью микроконтроллера, удачной архитектурой, низким энергопотреблением и доступной ценой. Сегодня платформа предлагает несколько линеек для разных задач.
- Семейство STM32 имеет широкий ассортимент изделий, различающихся по объему памяти, производительности, потреблению энергии и другим характеристикам.
- Серии микроконтроллеров систем STM32F-1, STM32F-2 и STM32L абсолютно совместимы. Широчайший выбор микросхем в каждой из указанных серий помогает обеспечить гибкость и легко заменить на альтернативные продукты. Линейка F-1, ограничена в своей вычислите...
- Был выбран микроконтроллер серии STM32F411RET6 для моего устройства, предназначенного для контроля параметров сердцебиения. Данный микроконтроллер известен своей высокой производительностью и широким спектром встроенных функций, что делает его хорошим...
- Кроме того, ознакомившись с характеристиками STM32F411RET6, можно сделать вывод, что он имеет 32-битную архитектуру с поддержкой операций с плавающей запятой, что позволяет ему эффективно выполнять задачи в режиме реального времени. Еще, можно узнать ...
- Благодаря своим характеристикам и высокой скорости работы, STM32F411RET6 идеально подходит для сложных приложений, таких как системы мониторинга параметров сердцебиения, где требуется быстрая и надёжная обработка данных (рис. 3.1).
- Рисунок 3.1 - Микроконтроллер STM32F411RET6.
- Однако разработка макета неудобна на голом микроконтроллере. Прямой доступ к низкоуровневым функциям требует значительных усилий и времени, которые нужны для отладки и тестирования устройства. Для доступа было бы необходимо подключать большое количест...
- Было принято решений, что вместо STM32F411RET6 будет использован Nucleo-F411RE на этой же базе. Благодаря этому разработка проекта значительно облегчается. (рис. 3.2). Сам микроконтроллер представляет собой гибкую платформу, позволяющую значительно ра...
- Рисунок 3.2 - Программно-аппаратная платформа NUCLEO-F411RE.
- 3.1 Разработка принципиальной схемы.
- Как обозначалось ранее в роли микроконтроллера будет выступать 32 битный микроконтроллер семейства STM, а именно STM32F411RET6. Для считывания ЭКГ будет использоваться датчик AD8232. Данные с датчика необходимо считать и преобразовать в цифровой сигна...
- В устройство будет включен аналоговый датчик AD8232 для измерения ЭКГ. Рабочий ток, питание которого равен 170 мкА.
- Также понадобится реализация аварийных сообщений при выходе показаний датчиков из нормы, запись данных на память устройства, наличие выхода под программатор и возможность лёгкого конфигурирования.
- Всё это реализуется на мощностях микроконтроллеров STM32, которые легки в освоении, программировании, поскольку используется высокий уровень программирования, не нужно использовать регистры.
- На плате устройства должны быть светодиоды индикации, кнопка перезагрузки, выводы под USB для конфигуратора, зарядки, аккумуляторная колодка.
- На рисунке 3.3 изображена схема устройства.
- В качестве приемопередатчика выбрано устройство, поддерживающее протокол LoRaWAN. В соответствии со спецификацией протокола LoRaWAN каждому региону выделяются свой допустимый диапазон частот. Для Российского и Европейского региона выделяется частоты 8...
- В качестве такого устройства был выбран RAK811 (Рисунки 3.4). Он может работать на различных частотах, в том числе и 868 МГц, содержит реализацию протокола LoRaWAN для взаимодействия с базовой станцией.
- Рисунок 3.4 - Схема устройства RAK811.
- Модуль RAK811 представляет собой небольшой и компактный модуль LPWAN (Low Power Wide Area Network) для беспроводной коммуникации. Основные характеристики:
- Технология связи: поддержка LPWAN на основе LoRaWAN.
- Диапазон частот: поддержка различных диапазонов частот (EU433/470/868/915, CN470/779/785/868, IN865-867, KR920-923 и AS923).
- Низкое энергопотребление: обеспечивает длительный срок службы от батарей или других источников питания.
- Интерфейсы: имеет различные интерфейсы, включая UART, I2C, SPI, GPIO, ADC и другие, для подключения к различным устройствам и сенсорам.
- Благодаря малым размерам его можно с легкостью использовать в большинство электронных устройств. Так же различная поддержка протоклов, таких как LoRaWAN, MQTT и HTTP. Еще имеется стек протоколов LoRaWAN. В добавок есть возможность поддержи множества д...
- При совокупности всех вышеперечисленных характеристик и возможностей, модуль RAK811 становится подходящим для широкого использования и разнообразия в области IoT технологий, одним из примеров которого служит данная тема.
- На рисунке 3.5 изображен разъем для программирования STM32 через Serial Wire Debug (SWD). Это интерфейс служит для отладки и прошивки микроконтроллеров, разработанный компанией ARM. SWD применяется для отладки микроконтроллеров ARM, например, Cortex-...
- − останавливать и возобновлять выполнение кода;
- − задавать программные и аппаратные точки останова;
- − читать и записывать память и регистры.
- Принцип работы. SWD устанавливает двунаправленный канал связи между отладочным зондом и портом отладки целевого устройства. Процесс работы включает следующие этапы:
- 1. Отладочный зонд (хост) подключается к выводам SWCLK и SWDIO целевого устройства.
- 2. Устанавливается согласование сигналов такта и обмен информацией о версии.
- 3. Хост отправляет запросы на чтение/запись регистров и памяти в целевую систему.
- 4. Целевое устройство отвечает подтверждением и данными.
- Используя данный интерфейс SWD в моем проекте, имеет следующее обоснование. Во-первых, необходим для загрузки программного обеспечения (ПО) в сам микроконтроллер и для настройки его работы. Вторым является, то что с его помощью можно более точно настр...
- Рисунок 3.5 - Разъем для программирования STM32 через Serial Wire Debug (SWD).
- Для того, чтобы обеспечить стабильность работы цепи питания, нужно было добавить дополнительные конденсаторы в количестве 4 штук с емкостью 100 нФ. Благодаря такому решению удалось уменьшить помехи и шумы в электрической сети, это особенно важно при р...
- Рисунок 3.6 - Конденсаторы для питания.
- 3.2 Учет реального времени
- Для учета времени в устройстве был реализованы часы реального времени (RTC, ЧРВ). Сами часы реального времени представляют собой электронную схему, предназначенную для учета реального времени и состоящая из кварцевого резонатора (обычно работает на ча...
- Чаще всего часы реального времени встречаются в вычислительных машинах, хотя, на самом деле, ЧРВ присутствуют практически во всех электронных устройствах, которые должны хранить время (рис. 3.7). Используется для пробуждения и запуска операций, завися...
- Рисунок 3.7 - Типовая схема подключения чипа DS1338-33.
- 3.3 Питание устройства.
- Устройство может питаться стационарно и на батарее.
- Стационарное и батарейное питание микроконтроллера представляют собой два основных метода обеспечения энергией для работы микроконтроллерных устройств.
- При стационарном питании микроконтроллера используется постоянный источник энергии, как правило, это электрическая сеть. Это обеспечивает непрерывную работу микроконтроллера без необходимости замены или зарядки батарей. Для стационарного питания микро...
- Батарейное питание, с другой стороны, основывается на использовании одной или нескольких батарей, которые обеспечивают энергией микроконтроллер. При батарейном питании важно учитывать длительность работы устройства без подзарядки и выбор соответствующ...
- Рисунок 3.8 - Питание устройства.
- Оба способа имеют свои достоинства и ограничения. Стационарное питание обеспечивает стабильную работу, но ограничено местом установки и наличием электрической сети. Батарейное питание обеспечивает мобильность, но требует заботы о состоянии батарей и и...
- 3.4 Стабилизация напряжения.
- Для работы микроконтроллера STM32, приёмопередатчика RAK811 и измерительной части схемы нужно напряжение 3,3 В.
- Чтобы поддерживать стабильное напряжение на микроконтроллере, используют стабилизаторы. Они обеспечивают постоянное выходное напряжение, независимо от колебаний входного или нагрузки.
- Стабилизаторы бывают линейными, импульсными и комбинированными. Линейные стабилизаторы подходят для микроконтроллеров благодаря низкому уровню шума и простоте использования.
- Стабилизатор MC78LC33NTRG имеет минимальное потребление тока, что соответствует требованиям по максимальному току и падению напряжения. Поэтому для стабильного напряжения 3,3 В лучше выбрать этот стабилизатор (рис. 3.9).
- 3.5. Датчик AD8232.
- AD8232 - датчик сердечного ритма, который измеряет электрическую активность сердца, известную как ЭКГ или электрокардиография, измеряет электрические изменения, вызванные движением сердца (рис 3.10).
- В перспективе можно создать прибор реагирующее на ненормальный режим работы сердца. Например, датчик обнаружил повышенное значение на R пике и сообщил своему владельцу об этом через СМС или приложение.
- Рисунок 3.10 - Датчик AD8232.
- AD8232 - это интегрированный интерфейс для формирования сигналов биопотенциалов сердца для мониторинга сердечного ритма. Он состоит из специализированного измерительного (IA), операционного (A1) и усилителя привода правой ножки (A2) и опорного буфера ...
- Модуль AD8232 предназначен для получения, усиления и фильтрации слабых био сигналов в условиях сильных помех. Благодаря этому датчик можно напрямую подключать к осциллографу через контакт OUTPUT и делает его идеальным для медицинских приложений, таких...
- Рисунок 3.12 - Схематичное изображение датчика AD8232.
- Таблица 3.1. Характеристики модуля AD8232:
- 4. Экономическая часть
Usage statistics
|
|
Access count: 0
Last 30 days: 0 Detailed usage statistics |