A monitorização de atletas é feita através da utilização de um equipamento de monitorização dedicado para o efeito. Este equipamento é constituído por dois módulos: a banda torácica de monitorização do ritmo cardíaco e o módulo de cintura. Na figura 4.20 apresenta-se a localização dos componentes de monitorização no atleta.
Figura 4.20 – Componentes de monitorização no atleta.
4.8.1 Descrição Funcional
O funcionamento do módulo de monitorização do atleta, compreende: medição do período entre batimentos cardíacos, registo das coordenadas GPS, medição de 100 amostras da aceleração vertical, e registo do nível de sinal das mensagens de broadcast das balizas de referência a cada segundo. Findo o qual, envia os dados para a gateway do sistema. Na figura 4.21 apresenta-se o diagrama funcional do módulo de monitorização do atleta.
Figura 4.21 – Diagrama funcional do módulo de monitorização de atleta.
4.8.2 Componentes Utilizados
Realizou-se uma pesquisa de mercado da qual escolheu-se e adquiriu-se os sensores: módulos de GPS, sensor de batimento cardíaco e acelerómetros. De seguida descreve-se os componentes utilizados no módulo de monitorização de atletas e razões da sua escolha.
Os módulos de recepção de GPS no mercado apresentam uma precisão em torno dos cinco metros. Adquiriu-se dois módulos de recepção de GPS, o EM-406 da GlobalSat [110] e LS20031 da Locosys [38], com 5 metros e 2,6 metros de precisão respectivamente. Ambos apresentam um formato de hardware e de funcionamento padronizado muito similar. Ambos são módulos completos com antena incorporada, que oferecem uma interface UART, e utilizam o formato de mensagens NMEA, mas o modelo da LOCOSYS destaca-se em todos os parâmetros. Este apresenta actualizações de posicionamento a 5 Hz, consumo médio de 41 mA a 3.3 V, tempo de arranque médio de 36 segundos, e precisão de posição de 3 m e de 2.5 m aquando dados de correcção disponíveis (DGPS). Este módulo apresenta elevada
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sensibilidade, mesmo em ambientes com elevada folhagem. Na figura 4.22 apresenta-se o módulo GPS [38].
Figura 4.22 – Módulo GPS LS20031.
A mensagem NMEA contém, além dos dados de posicionamento, diversas informações sobre o sistema de posicionamento, como número de satélites utilizados, hora actual entre outros. Desta mensagem são extraídos para a aplicação, a Latitude, Longitude, e o indicador da validade da posição.
A escolha do sensor de batimento cardíaco, teve por base o trabalho apresentado no relatório intermédio do projecto de mestrado de Roberto Fernandes [111]. Foi escolhida a banda torácica da Polar [112] em conjunto com o receptor RMCM-01 [113]. Um receptor simples que detecta o impulso electromagnético de 5 KHz gerado pelas bandas torácicas de monitorização do ritmo cardíaco. O receptor gera um impulso de 1ms, por cada batimento cardíaco detectado. Na figura 4.23 apresenta-se a bandas da Polar e o receptor RMCM-01.
Figura 4.23 – Monitor de ritmo cardíaco da Polar.
O sinal do receptor é conectado a uma interrupção do microcontrolodador do módulo, que com recurso a um contador, realiza a cronometragem do tempo entre batimentos para calcular o ritmo cardíaco. A distância máxima entre a banda e o receptor é de 80cm, e para a melhor recepção estes deverão estar orientados como mostra a figura 4.24 [113]. O curto alcance, permite que as interferências entre atletas sejam quase nulas.
Figura 4.24 – Disposição adequada do receptor de batimento cardíaco.
Para o acelerómetro, adquiriu-se duas opções: o ADXL330 da Analog Devices [114] e o modelo LIS3LV02DQ do fabricante STMicroelectronics [115]. Ambos apresentam,
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características comuns adequadas à monitorização de atletas, três eixos ortogonais de medida dando liberdade de colocação, pequenas dimensões, baixo consumo, sensibilidade na ordem do 1 mg, gama de medida de ±3,6 g e ±6 g respectivamente. Divergem essencialmente pelo ADXL330 apresentar uma saída analógica, implicando a necessidade de condicionamento de sinal, e por outro lado o LIS3LV02DQ apresentar uma saída digital, com o protocolo SPI. A saída digital já oferece uma saída filtrada e digitalizada facilitando o desenho do hardware e evitando complicações com ruído do andar de condicionamento de sinal, razões que ditaram a escolha deste acelerómetro para a monitorização de atletas. Na figura 4.25 apresenta-se o acelerómetro utilizado [99].
Figura 4.25 – Acelerómetro LIS3LV02DQ.
O restante hardware segue as opções tomadas no módulo de monitorização ambiental. Optou-se pelo microcontrolador ATmega324, novamente pela disponibilidade de duas portas UART, de forma a comunicar assincronamente com o módulo XBee e o GPS. Para a alimentação, uma vez que todos os componentes trabalham aos 3,3 v, utilizou-se também um
step-up MAX1675 para a partir de um par de baterias alimentar o módulo.
4.8.3 Arquitectura
O módulo de monitorização do atleta é constituído por quatro partes: • Controlo do nó (realizado por um microcontrolador);
• Sensores (Ritmo cardíaco, Acelerómetro, GPS); • Periféricos de interface (ZigBee, LED e Botão); • Alimentação (bateria e conversor DC-DC).
Na figura 4.26 apresenta-se a arquitectura do nó de monitorização de atletas desenvolvido.
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Como já foi referido, o nó de monitorização de atletas é um dispositivo de cintura. Isto trás condicionamentos, nomeadamente, as dimensões e o peso do dispositivo deverão ser relativamente pequenos. Atendendo à necessidade de medir a aceleração vertical, como exposto no ponto 4.4, definiu-se o lado direito da cintura como um dos sítios mais idóneos para utilizar o dispositivo.
4.8.4 Protótipo Implementado
Desenvolveu-se um protótipo final, tendo em conta as folhas de características dos vários componentes e das seguintes considerações de construção: o XBee foi colocado por forma a afastar o campo electromagnético, gerado pela antena, dos outros componentes. A placa de circuito impresso é composta por dois planos, um de massa e outro ligado ao pólo positivo da alimentação, de forma a reduzir a propagação de ruído electromagnético pelo módulo [116]. O GPS foi posicionado na parte dianteira, de forma a proporcionar a melhor recepção de sinal. O acelerómetro foi colocado no lado interior do módulo com o eixo dos ZZ em paralelo com a placa principal. Por fim o sensor de batimento cardíaco foi colocado perpendicularmente ao circuito, de forma a que o módulo colocado na lateral da cintura, esteja orientado, em relação à banda torácica, da forma indicada pelo fabricante, como apresentado na figura 4.24. Na figura 4.27 apresenta-se o protótipo final do módulo de monitorização de atletas.
(a) (b)
Figura 4.27 – Protótipo de monitorização de atleta: a) Frente; b) Topo.
4.8.5 Controlo Embebido
Análogo ao módulo de monitorização de atleta o programa pode ser subdividido em dois tipos de tarefas periódicas e assíncronas. As tarefas periódicas incluem a recolha da amostra da aceleração a cada 2 ms e o envio dos dados amostrados para o coordenador a cada segundo. As tarefas assíncronas são iniciadas por uma série de interrupções afectas aos componentes sensoriais embebidos no módulo. Estas são responsáveis por receber e processar informações do sensor de batimento cardíaco, do módulo GPS e da recepção e medição de mensagens de referência. Na figura 4.28 apresenta-se o diagrama de fluxo de dados que representa o funcionamento do programa desenvolvido. O diagrama encontra-se dividido em vários ramos que representam as diversas interrupções que são executadas assincronamente
77 Figura 4.28 – Diagrama de fluxo de dados do controlo do módulo de monitorização de atletas.
No Anexo H apresenta-se o código fonte com os comentários respectivos que contribuem para uma melhor compreensão do programa.
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