Moznosti bezdrátového prenosu biologických signál˚u Jir´ıˇS´ıla

Transkript

České vysoké učenı́ technické v Praze
Fakulta elektrotechnická
Diplomová práce
Možnosti bezdrátového přenosu biologických signálů
Jiřı́ Šı́la
Vedoucı́ práce: Ing. Vratislav Fabián
Studijnı́ program: Elektrotechnika a informatika dobı́hajı́cı́ magisterský
Obor: Biomedicı́nské inženýrstvı́
květen 2008
Poděkovánı́
Rád bych poděkoval vedoucı́mu práce Ing. Vratislavu Fabiánovi za odborné vedenı́ a
vstřı́cný přı́stup během našı́ spolupráce. Dále děkuji vývojovému týmu Freescale Polovodiče Česká Republika, jmenovitě pánům Gargulákovi, Mienkinovi a Moravčı́kovi, za
zapůjčenı́ ZigBee modulů a konzultace při vývoji aplikace. Největšı́ část dı́ků pak pochopitelně patřı́ mé rodině za dlouhodobou podporu při studiu.
ii
Prohlášenı́
Prohlašuji, že jsem svou diplomovou práci vypracoval samostatně a použil jsem pouze
podklady ( literaturu, projekty, SW atd.) uvedené v přiloženém seznamu.
V Praze dne
..........................
...................................
iii
České vysoké učení technické v Praze - Fakulta elektrotechnická
Školní rok: 2006/2007
Katedra kybernetiky
ZADÁNÍ
DIPLOMOVÉ
Student:
Jiří Šíl a
Obor:
Biomedicínské inženýrství
PRÁCE
Název tématu: Bezdrátový přenos EKG signálu s využitím technologie Zigbee
Zásady pro vypracování:
Na základě důkladné analýzy možností přenosu fyziologických
technologie Zigbee:
signálů
pomocí bezdrátové
1. Navrhněte a realizujte bezdrátový systém pro přenos EKG s využitím technologie ZigBee
založený na standardu 802.15.4 pracující v IBM pá~mu 2,4 GHz.
2. Zjistěte možnost současného přenosu signálů z více koncových stanic na jednu centrální
stanici ajejich zpracování na EKG přístroji.
3. Diskutujte vhodné napájení systému z hlediska minimalizace spotřeby a možností nabíjení.
4. Diskutujte výhody a nevýhody ZigBee komunikace při uplatnění v přenosu EKG signálu.
Seznam odborné literatury: Dodá vedoucí práce.
Vedoucí diplomové práce:
Ing. Vratislav Fabián
Termín zadání diplomové práce:
zimní semestr 2006/2007
Termín odevzdání diplomové práce:
leden 2008
(1/
~tM1.
prof. Ing. Zbyněk Škvor, CSc.
prof. Ing. V adimír Mařík, DrSc.
ved ucí katedry
děkan
V Praze dne 19.02.2007
Abstrakt
Modernı́ medicı́na vyžaduje, aby byl stav pacientů nepřetržitě monitorován. Sleduje se zejména tělesná teplota, krevnı́ tlak, tep, EKG, saturace krve kyslı́kem nebo
hladina krevnı́ch cukrů. K těmto účelům sloužı́ tzv. systémy měřenı́ biologických signálů.
V současné době jsou staré systémy nahrazovány novějšı́mi bezdrátovými, které výrazně
zvyšujı́ mobilitu pacienta. Jejich dalšı́ nespornou výhodou je snadné ovládánı́ a dı́ky
napájenı́ bateriemi také menšı́ riziko úrazu elektrickým proudem.
Vzhledem k trvalému nedostatku kvalifikovaného personálu a zároveň rostoucı́mu počtu
pacientů důchodového věku lze očekávat, že se bezdrátové systémy měřenı́ biologických
signálů brzy stanou nepostradatelným vybavenı́m každé nemocnice. Bylo by však chybou domnı́vat se, že jejich uplatněnı́ je vázáno pouze na nemocničnı́ zařı́zenı́. Bezdrátové
systémy jsou s úspěchem použı́vány také ke sledovánı́ stavu pacientů v domácı́ péči (tzv.
home-care) nebo nacházı́-li se pacient mimo domov (tele-care).
Veškerá data zı́skaná od jednotlivých pacientů jsou shromažd’ována tzv. dohledovými
systémy na jednom mı́stě. Setřı́děná a vyhodnocená data jsou rychle přı́stupná a
pomáhajı́ výrazně zefektivnit práci kvalifikovaného personálu. Nezanedbatelné jsou rovněž úspory finančnı́ch prostředků za jednotlivé monitorovacı́ jednotky, které jsou plně
nahrazeny centrálnı́m dohledovým systémem.
Práce nastiňuje problematiku topologie a druhu sı́tı́, které jsou využı́vány k propojenı́
jednotlivých zařı́zenı́ a možnosti snı́mánı́ biologických veličin.
Klı́čová slova: EKG, ZigBee, telemetrie.
v
Abstract
Permanent monitoring of patients´health is required in modern medicine. The most
monitored values are body temperature, blood pressure, pulse, ECG, blood oxygen saturation and blood sugar level. The biological signals measurement systems serve for this
purpose. Old systems are currently being replaced with newer wireless systems which significantly increase patient´s mobility. Easy operation and battery power supply reduce
the possibility of electrical injury.
The wireless biological signals measurement systems are expected to soon become essential equipment in every hospital due to long–time qualified manpower shortage and
the growing number of patients of pensionable age. These systems are used not only in
hospitals, but also to monitor patient´s health in home care or to monitor the condition
of the patient outside his home (tele–care).
All data obtained from patients are collected by so–called supervisory monitors in one
place. The analysed and sorted data are quickly and easily available to qualified staff to
markedly improve their work.
The financial savings resulting from full replacement of the individual monitoring units
with a central supervisory monitor are also significant.
The thesis deals with the issue of topology and types of networks used for connection of
several devices and with the possibilities of biological signals sensing.
Keywords: ECG, ZigBee, telemetry.
vi
Obsah
1 Úvod
1.1 Biosignály . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2 EKG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.1 Srdce . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.1.1 Anatomie srdce . . . . .
1.2.1.2 Převodnı́ systém srdečnı́
1.2.1.3 Činnost srdce . . . . . .
1.2.2 Vznik EKG signálu . . . . . . . .
1.2.3 Svody . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.4 EKG křivka . . . . . . . . . . . .
1.2.5 Elektrody . . . . . . . . . . . . .
1.2.6 Holter . . . . . . . . . . . . . . .
1.3 Bezdrátové technologie . . . . . . . . . .
1.3.1 Sı́tě . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3.1.1 Topologie . . . . . . . .
1.3.1.2 Rozsah sı́tě . . . . . . .
1.3.2 Přenosová pásma a standardy . .
1.3.2.1 IEEE 812.11 . . . . . .
1.3.2.2 IEEE 802.15 . . . . . .
1.3.2.3 IEEE 812.16 . . . . . .
1.3.2.4 IrDA . . . . . . . . . . .
1.3.3 Přenos . . . . . . . . . . . . . . .
1.3.4 ZigBee, IEEE 802.15.4 . . . . . .
1.3.5 Bluetooth, IEEE 802.15.1 . . . .
1.3.6 Porovnánı́ ZigBee a Bluetooth . .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
1
1
3
3
3
3
4
4
6
9
11
14
15
15
15
16
17
17
18
19
19
19
21
25
28
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
29
29
30
32
35
37
38
38
41
41
42
44
46
3 Zhodnocenı́
3.1 Závěr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2 Návrhy pro budoucı́ práce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
49
49
49
4 Literatura
50
2 Realizace
2.1 Analogová část . . . . . . .
2.1.1 Souhlasné rušenı́ . .
2.1.2 Snı́mánı́ EKG . . . .
2.1.3 Napájenı́ . . . . . . .
2.1.4 Návrh plošného spoje
2.2 Přenosová část . . . . . . .
2.2.1 ZigBee moduly . . .
2.3 Měřenı́ . . . . . . . . . . . .
2.3.1 Spotřeba . . . . . . .
2.3.2 Zkreslenı́ . . . . . . .
2.3.3 Rušenı́ signálu EKG
2.3.4 Korelace . . . . . . .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
vii
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
A Obsah přiloženého CD
53
B Tabulky
54
C Obrázky
56
D Seznam použitých zkratek
60
Seznam tabulek
62
Seznam obrázků
63
viii
KAPITOLA 1. ÚVOD
1
1 Úvod
Prvnı́ kapitola práce se zabývá druhy a původem biosignálů využı́vaných v lékařské praxi.
Krevnı́ oběh je základnı́ životnı́ funkcı́. Hlavnı́ část kapitoly je proto věnována detailnı́mu
popisu stavby a činnosti srdce. Přibližuje vznik EKG signálu, způsoby a prostředky pro
jeho měřenı́. V závěru kapitoly jsou popsány druhy a vlastnosti bezdrátových technologiı́
a sı́tı́ užı́vaných pro přenos biosignálů. Největšı́ důraz je kladen na technologie s nı́zkou
spotřebou energie.
Druhá kapitola nejprve rozebı́rá teoretický návrh zapojenı́ pro měřenı́ EKG signálu.
Následně popisuje výběr součástek a výsledné hardwarové řešenı́ přı́pravku.
1.1
Biosignály
Biologické signály jsou generovány živými organismy spontánně nebo po vnějšı́ stimulaci. Podle charakteru měřených veličin lze biologické signály rozdělit do následujı́cı́ch
kategoriı́ [30] [32] [7]:
• Elektrické - Elektrické biosignály jsou generovány nervovými a svalovými buňkami
v důsledku jejich činnosti. Majı́ původ ve složitých biochemických procesech.
Většina bioelektrické aktivity probı́há na buněčných membránách. Působı́-li na nervovou nebo svalovou buňku stimul silnějšı́ než prahová hodnota drážděnı́, buňka generuje akčnı́ potenciál. Celkový akčnı́ potenciál reprezentuje tok iontů membránou
buňky. Elektrické pole generované činnostı́ buněk se dobře šı́řı́ organismem. Měřı́me
ho nejčastěji neinvazivně na povrchu těla jako časový průběh biosignálu. Pro měřenı́
je třeba zvolit vhodné elektrody, protože docházı́ k převodu toku iontů na tok elektronů. Elektrickými biosignály jsou např. EKG, EEG nebo EMG.
• Impedančnı́ - Impedance tkánı́ nesou informace o jejich skladbě, perfusi, objemu
krve, nervové a endokrinnı́ aktivitě a dalšı́ch. Nejedná se o spontánnı́ biosignály, ale
o signály způsobené průchodem velmi malého proudu tkánı́. Proud musı́ být natolik
malý, aby tepelně nepoškodil tkáně. Např. při bioelektrické impedančnı́ analýze
proud určitou buňkou a jejı́mi součástmi procházı́ v závislosti na své frekvenci. Ta
se nejčastěji volı́ v rozmezı́ 1 - 100 kHz. Na základě měřeného napětı́ se určuje
skladba tkáně.
• Magnetické - Srdce, mozek a některé dalšı́ orgány v těle generujı́ velmi slabá magnetická pole. Tato pole nám dávajı́ informace o specifických fyziologických aktivitách. Vzhledem ke srovnatelné permeabilitě tkánı́ a vzduchu nedocházı́ na hranicı́ch prostředı́ k odrazům magnetických polı́. Měřenı́ proto probı́há bezkontaktně.
Bohužel vzhledem k velmi malé úrovni magnetické indukce v řádu pT je velmi
obtı́žné měřit tyto signály z důvodu rušivých polı́ z okolı́.
• Akustické - Bioakustický signál je napřı́klad generován při činnosti srdce. Mluvı́me
o srdečnı́ch ozvách. Jsou způsobeny pohybem krve v komorách a sı́nı́ch. Fonokardiogram pak zaznamenává vibrace vzniklé akceleracı́ a deceleracı́ krve.
Do kategorie akustických signálů se řadı́ také otoakustické emise. Původ majı́
ve vnitřnı́m uchu a vznikajı́ pohybem vnějšı́ch vláskových buněk bud’ samovolně
(spontánnı́), nebo po vybuzenı́ zvnějšku (evokované). Využı́vajı́ se jako screeningová metoda k ověřenı́, zda pacient slyšı́.
KAPITOLA 1. ÚVOD
2
Zvuky jsou dále generovány v zažı́vacı́m traktu a v kloubech. Snı́majı́ se mikrofony
nebo akcelerometry. V lékařské praxi se také posuzujı́ zvuky vzniklé průchodem
vzduchu dýchacı́mi cestami.
• Chemické - Měřı́me koncentrace různých látek v tkánı́ch. V praxi se nejčastějı́ měřı́
saturace krve kyslı́kem, jejı́ pH a glykémie. Dále se měřı́ koncentrace iontů draslı́ku
a vápnı́ku v buňkách.
• Mechanické - Biomechanické signály souvisı́ se zdroji vibracı́ generovaných pohybem. Můžeme měřit např. nepřı́mo krevnı́ tlak, srdečnı́ výdej, změny objemů částı́
těla (pletysmogram) nebo respiračnı́ frekvenci.
• Optické - Optické biosignály jsou výsledkem pozorovánı́ optických vlastnostı́ biologického systému. Vyplývajı́ z podstaty systému nebo jsou indukovány při měřenı́.
Např. při měřenı́ saturace krve kyslı́kem se využı́vá Lambertova-Beerova zákona
[34], který řı́ká, že koncentrace roztoku může být vypočı́tána z množstvı́ světla
známé vlnové délky jı́m absorbovaného.
• Tepelné - Nejzákladnějšı́ biologický signál spojitého nebo diskrétnı́ho charakteru,
který dává informaci o teplotě tělesného jádra nebo rozloženı́ teplot na povrchu
organismu. Můžeme měřit kontaktně a bezkontaktně.
• Radiologické - Vznikajı́ interakcı́ ionizujı́cı́ho zářenı́ s biologickými strukturami. Na
všech aplikovaných vlnových délkách i úrovnı́ch energiı́ nesou informace o vnitřnı́ch
anatomických strukturách organismu. Využı́vajı́ se v diagnostice a při plánovánı́
radiačnı́ terapie.
• Ultrazvukové - Vznikajı́ interakcı́ ultrazvukového vlněnı́ s tkáněmi organismu a
dávajı́ nám informace o akustických impedancı́ch biologických struktur a jejich
anatomických změnách.
Biologické signály primárně zachycujeme, abychom mohli sledovat určité patologické
nebo fyziologické stavy za účelem diagnózy a určenı́ terapie. Zı́skané signály je třeba dále
zpracovat. Cı́lem zpracovánı́ signálu může být odstraněnı́ rušenı́, přesné stanovenı́ modelu
systému rozborem signálu nebo extrakce vlastnostı́ pro rozhodnutı́ o funkci nebo dysfunkci. Na základě rozboru signálu můžeme také předpovı́dat patologické nebo funkčnı́
stavy.
Sledovaný biosignál můžeme považovat za kombinaci užitečného signálu a šumu. Tento
šum může pocházet ze samotného měřicı́ho přı́stroje nebo z elektromagnetických interferencı́. Měřenı́ a přenos všech biologických signálů má několik společných rysů. Jednı́m
z nich je nutnost zajistit maximálně bezpečný a spolehlivý přenos všech měřených dat
v reálném čase. Signály se vyhodnocujı́ v reálném čase a na základě jejich analýzy se
přijı́majı́ přı́slušná opatřenı́ k zajištěnı́ zdravı́ pacientů. Z tohoto důvodu je nepřı́pustné,
aby docházelo napřı́klad k výpadkům přenosu. K zajištěnı́ spolehlivosti pomáhá dodržovánı́ jednotlivých standardů, které budou podrobněji probrány dále.
KAPITOLA 1. ÚVOD
1.2
EKG
1.2.1
Srdce
1.2.1.1
3
Anatomie srdce
Srdce je dutý svalový orgán, který svými pravidelnými stahy pohánı́ krev v krevnı́m
oběhu. Je uloženo v osrdečnı́ku (perikardu) za hrudnı́ kostı́, třetinou vpravo, dvěma
třetinami vlevo a spočı́vá na bránici. Hmotnost srdce se pohybuje mezi 230-240 g. Ženy
majı́ srdce menšı́. Přibližně do šedesáti let věku hmotnost srdce roste. Srdce je tvořeno
předevšı́m myokardem - přı́čně pruhovanou srdečnı́ svalovinou, která je zevnitř vystlána
endokardem a zvenku potažená epikardem.
Pravá a levá předsı́ň (atrium dextrum et atrium sinistrum) a dále pravá a levá komora
(ventriculus dexter et ventriculus sinister ) jsou dutiny, které dělı́ srdce do čtyř funkčnı́ch
částı́. V závislosti na velikosti oběhu, který musı́ jednotlivé části srdce obsloužit, se lišı́
velikosti jednotlivých dutin i množstvı́ svalové hmoty, které dutiny obklopujı́. Svalovina
stěn levé komory dosahuje až trojnásobné tloušt’ky stěn pravé komory.
Srdečnı́ svalové buňky jsou krátké, rozvětvené a vzájemně mezi sebou propojené vodivými
spoji. Podrážděnı́ jedné srdečnı́ buňky se tak přenášı́ na dalšı́ srdečnı́ svalovou buňku.
1.2.1.2
Převodnı́ systém srdečnı́
Převodnı́ systém srdečnı́ je soubor specializovaných částı́ myokardu, které vytvářejı́ vzruchy vedoucı́ ke kontrakci myokardu a rozvádějı́ je svalovinou srdečnı́ [10]. Tyto části myokardu se nazývajı́ centry automacie. Myokard nepotřebuje ke své činnosti nervy. Nervy
pouze činnost srdce ovlivňujı́ - zrychlujı́ nebo zpomalujı́ dle aktuálnı́ potřeby. Převodnı́
systém se svou stavbou přı́liš nelišı́ od pracovnı́ho myokardu.
Obrázek 1.1: Převodnı́ systém srdečnı́, převzato z [31]
KAPITOLA 1. ÚVOD
4
Převodnı́ systém srdečnı́ se skládá:
• Sinusový uzel (Nodus sinuatrialis) - je základnı́m útvarem převodnı́ho systému.
Udává rytmus srdce a je uložený ve stěně pravé předsı́ně, kde je obklopen pracovnı́m
myokardem. Je bohatě inervovaný sympatickými a parasympatickými nervovými
vlákny. Bývá také nazýván Pacemakerem.
• Sı́ňokomorový uzel (Nodus atrioventricularis) - je uložen na rozhrannı́ předsı́nı́ a
komor v předsı́ňovém septu. Podněty ze sinusového uzlu se do uzlu sı́ňokomorového
nešı́řı́ myokardem, ale myocyty typu purkyňových vláken.
• Spoje ze sinusového uzlu k sı́ňokomorovému uzlu - vzruch mezi uzly je veden rychleji
než pracovnı́m myokardem.
• Atrioventrikulárnı́ (Hisův) svazek - vycházı́ ze sı́ňokomorového uzlu a dále se větvı́.
• Levé a pravé atrioventrikulárnı́ raménko - jsou pokračovánı́m Hisova svazku a
směřujı́ směrem k srdečnı́mu hrotu.
• Purkyňova vlákna - představujı́ konečné větvenı́ ramének převodnı́ho systému.
Větvı́ se po stěnách komor směrem od srdečnı́ho hrotu.
1.2.1.3
Činnost srdce
Do levé předsı́ně vstupuje okysličená krev z plicnı́ch žil. Z levé komory je pak vypuzována
aortou do velkého tělnı́ho oběhu. Do pravé předsı́ně je přiváděna neokysličená krev z těla.
Pravou komorou je pak hnána do plic.
Stejným způsobem, jakým se větvı́ vlákna převodnı́ho systému srdečnı́ho docházı́ ke
kontrakci srdečnı́ho svalu. Kontrakčnı́ vlny myokardu postupujı́ od ústı́ žil předsı́němi
k srdečnı́mu hrotu a dále stěnami komor k tepenným ústı́m.
Srdečnı́ činnost má dvě základnı́ fáze. Při systole (srdečnı́m stahu) se uzavı́rajı́ atrioventrikulárnı́ chlopně a otevı́rajı́ se poloměsı́čité chlopně. Krev je z komor vypuzena do oběhu.
Druhou fázı́ je diastola (uvolněnı́ stahu svaloviny). Docházı́ k uzavřenı́ poloměsı́čitých chlopnı́ a otevřenı́ chlopnı́ atrioventrikulárnı́ch. Předsı́ně a komory se pak pasivně plnı́ krvı́.
Na jeden srdečnı́ stah je vypuzeno kolem 80 ml krve. Při frekvenci 75 tepů za minutu trvá
jeden srdečnı́ cyklus 0,8 s. Systola předsı́nı́ trvá 0,06 s a systola komor 0,27 s. Diastola
probı́há téměř současně na předsı́nı́ch i komorách a trvá 0,47 s.
1.2.2
Vznik EKG signálu
Mechanizmus elektrické vodivosti v těle je založen na pohybu iontů a nabitých molekul
v buňkách a tkánı́ch. Tělo je tedy vodičem druhé třı́dy.
Buněčná membrána je polopropustná fosfolipidová dvojvrstva oddělujı́cı́ extracelulárnı́
a intracelulárnı́ tekutiny. Na membráně vzniká elektrochemický gradient, který popisuje Nernstova rovnice 1.1. V klidovém stavu je membrána slabě propustná pro N a+
a vı́ce propustná pro K + a Cl− . Pro draslı́kové kationty je 50–100x propustnějšı́ než
pro sodı́kové kationty. Draselný kationt K + unikajı́cı́ z buňky polarizuje membránu:
jejı́ vnitřek se nabije záporně a vnějšek kladně. Udrženı́ ustáleného stavu mezi intracelulárnı́m a extracelulárnı́m prostředı́m vyžaduje neustálý aktivnı́ transport iontů proti
koncentračnı́mu gradientu. Transport zajišt’ujı́ Na-K pumpy. Sodı́k se aktivně přesouvá
KAPITOLA 1. ÚVOD
5
z buňky a draslı́k do buňky v poměru 3N a+ : 2K + [36]. Dalšı́m činitelem ovlivňujı́cı́m
tok iontů přes membránu je vzniklé elektrické pole. Výsledný potenciál lze určit pomocı́
Nernstovy rovnice [33]:
RT
ai
V =
(1.1)
ln
zF
ao
• kde:
R = plynová konstanta = 8,314 J/K
T = teplota ◦ K
z = náboj iontu
F = Faradayova konstanta = 9, 649 × 104 C/Mol
a = koncentrace iontů v prostoru uvnitř a vně buňky
Biopotenciály vznikajı́ chemickou aktivitou excitabilnı́ch buněk, které jsou součástı́
nervových, svalových a žlázových tkánı́. Jsou generovány změnou koncentrace iontů
vzájemně oddělených buněčnou membránou. Před stimulacı́ majı́ buňky myokardu klidový potenciál přibližně -90 mV. Po nadprahové stimulaci docházı́ k depolarizaci.
Počátečnı́ prudká depolarizačnı́ část cyklu má rychlost náběhu většı́ než 150 Vs−1 a
je způsobena proudem sodı́kových iontů vstupujı́cı́ch do buňky. Poté následuje rychlá
repolarizačnı́ část, která přecházı́ ve fázi plató (plateau). Během fáze plató přetrvává depolarizace buňky a do buňky na základě koncentračnı́ho gradientu proudı́ Ca2+ po dobu
přibližně 200–300 ms. Docházı́ tak k relaxaci myokardu. Konečná repolarizace obnovujı́cı́
klidový membránový potenciál trvá po zbytek srdečnı́ho cyklu. Průběh polarizace a depolarizace je označován jako elektrická systola. Klidová část, ve které se buňka myokardu
nacházı́ v klidovém stavu, se nazývá elektrická diastola.
Obrázek 1.2: Průběh akčnı́ho potenciálu buňky pracovnı́ho myokardu, převzato z [37]
KAPITOLA 1. ÚVOD
1.2.3
6
Svody
Akčnı́ potenciály vznikajı́cı́ v souvislosti s pracı́ srdečnı́ svaloviny měřı́me na povrchu
těla několika různými způsoby. Úplně prvnı́ způsob měřenı́ EKG křivky navrhl nositel
Nobelovy ceny Willem Einthoven v roce 1903. Jedná se o rozdı́lové - bipolárnı́ měřenı́
potenciálů vždy mezi dvěma body na těle. Každé toto měřenı́ se označuje jako svod.
Einthoven definoval tři končetinové svody čı́slované řı́mskými čı́slicemi I, II, a III. Jsou
definovány následovně [7]:
I = VLA − VRA
(1.2)
II = VLL − VRA
(1.3)
III = VLL − VLA ,
(1.4)
kde LA označuje levou ruku, RA pravou ruku a LL levou nohu. Elektrody se umı́st’ujı́
mimo svalové skupiny končetin, aby se minimalizoval vliv myopotenciálových artefaktů.
Mezi svody existuje vztah [7]:
II = I + III
(1.5)
Tento vztah vyplývá z druhého Kirchhoffova zákona zachovánı́ energie. Končetinové
Obrázek 1.3: Einthovenovi končetinové svody, převzato z [11]
svody jsou daleko od srdce (mohou být označeny jako globálnı́) a jsou projekcı́ elektrického pole srdce jako celku do frontálnı́ roviny. Obsahujı́ pouze dvojdimenzionálnı́
vektor snı́maný ze třı́ elektrod. Největšı́ výchylka vektoru je na II. svodu.
Druhý způsob měřenı́ navrhl F.N. Wilson. Nazývá se unipolárnı́m měřenı́m, i když
označenı́ unipolárnı́ je zavádějı́cı́. Všechny svody jsou ve své podstatě bipolárnı́ [12].
Referenci navrhl v podobě aritmetického průměru potenciálů třech končetinových elektrod. Bývá označována jako Wilsonova svorka.
Třetı́ způsob měřenı́ zavedl Goldberger. Jedná se o augmentované bipolárnı́ svody, které
odstraňujı́ problém malých výchylek napětı́ při měřenı́ podle Wilsona. Amplitudy jsou
o 50% většı́. Jako reference sloužı́ vždy průměr potenciálu protějšı́ strany Einthovenova trojúhelnı́ku. Výsledné potenciály ve vrcholech Einthovenova trojúhelnı́ka jsou dány
KAPITOLA 1. ÚVOD
7
vztahy [30][12]:
UaV R = VRA − 0, 5 (VLA − VLL )
(1.6)
UaV L = VLA − 0, 5 (VRA − VLL )
(1.7)
UaV F = VLL − 0, 5 (VLA − VRA )
(1.8)
UaV R + UaV L + UaV F = 0
(1.9)
Šest unipolárnı́ch hrudnı́ch svodů značených V1 − V6 snı́má pouze lokálnı́ informace
Obrázek 1.4: Augmentované končetinové svody, převzato z [11]
o srdečnı́ činnosti v horizontálnı́ rovině. Referencı́ je Wilsonova svorka vzniklá propojenı́m
končetinových svodů přes rezistory o hodnotě 5kΩ. Často se využı́vá dvanáctisvodového
Obrázek 1.5: Hrudnı́ svody, převzato z [11]
měřenı́ EKG, které zahrnuje tři končetinové svody podle Einthovena, tři končetinové
svody měřené proti modifikované Wilsonově svorce a šest svodů hrudnı́ch měřených proti
referenci v podobě Wilsonovy svorky. Kompletnı́ dvanáctisvodové měřenı́ ale obsahuje
KAPITOLA 1. ÚVOD
8
spoustu redundantnı́ch dat. Můžeme vystačit s šesti hrudnı́mi a dvěma končetinovými
svody. Všechny ostatnı́ svody lze přı́padně dopočı́tat. Rozmı́stěnı́ elektrod na povrchu
těla podstatně ovlivňuje EKG. Změna polohy pacienta může ovlivnit velikosti zaznamenávaných amplitud signálu.
Ortogonálnı́ svodové systémy vytvářejı́ obraz elektrické aktivity srdečnı́ho svalu pomocı́
průmětu elektrického vektoru do třı́ rovin ortogonálnı́ho systému [30]. Tři ortogonálnı́
osy x (horizontálnı́, směřujı́cı́ od pravé ruky k levé ruce), y (vertikálnı́, směřujı́cı́ od hlavy
k nohám) a z (dorzálnı́, směřujı́cı́ od hrudi k zádům) definujı́ tři ortogonálnı́ průmětové
roviny: sagitálnı́ (rovina yz ), horizontálnı́ (rovina xz ), frontálnı́ (rovina xy). Nejvı́ce se
rozšı́řil Frankův ortogonálnı́ systém. Elektrody jsou označeny I, E, C, A, M, F a H.
Obrázek 1.6: Frankův ortogonálnı́ svodový systém, převzato z [13]
Nehomogenita těla způsobuje zkreslenı́ vektorkardiogramu. Rezistorová sı́t’ zajišt’uje ortonormalitu systému. Všechny tři části srdečnı́ho vektoru jsou pak měřeny se stejnou
citlivostı́. Pouze 5% elektrokardiogramů je zaznamenáno pomocı́ vektorkardiografů [13].
KAPITOLA 1. ÚVOD
1.2.4
9
EKG křivka
Každá srdečnı́ buňka tvořı́ při průběhu akčnı́ho potenciálu dipól - vektor směřujı́cı́ od
depolarizované části k polarizované. Součtem všech vektorů v jednom časovém okamžiku
vznikne vektor elektrické srdečnı́ osy. EKG křivka (elektrokardiogram) je časový záznam
velikosti průmětu elektrického srdečnı́ho vektoru do přı́slušného svodu. Vektorovým
složenı́m výchylek ze třı́ svodů zı́skáme výsledný vektor elektrické srdečnı́ osy. Z EKG
záznamu lze tedy odhadnout směr vektoru elektrické srdečnı́ osy, který by měl směřovat
doleva dozadu dolů. Na jeho základě můžeme usuzovat, jak je srdce uloženo, a jaké jsou
jeho proporce.
Akčnı́ potenciály majı́ za normálnı́ch okolnostı́ původ v sinusovém uzlu a jsou v srdci
rozvedeny pomocı́ převodnı́ho systému srdečnı́ho. Vzruch může vzniknout i v atrioventrikulárnı́m uzlu, což je sekundárnı́ pacemaker. Pokud je vše v pořádku, jsou vzruchy
vzniklé v centrech náhradnı́ automacie potlačeny nadřazeným sinusovým uzlem. V patologických přı́padech vznikajı́ vzruchy v patologických ohniscı́ch zcela mimo oblast uzlů.
Akčnı́ potenciál na buněčné membráně myokardu dosahuje hodnot kolem 100 mV. Hodnoty elektrického potenciálu měřeného na povrchu těla se pohybujı́ kolem 0,05–4 mV.
Frekvence se pohybuje v rozmezı́ 0,01–150 Hz u dospělých osob [36]. U dětı́ dosahuje frekvence 250 Hz. Na EKG křivce jsou definovány body a úseky, které se po řadě označujı́ P,
Obrázek 1.7: Vznik EKG křivky, převzato z [37]
Q, R, S, T a U. Toto označenı́ zavedl již Einthoven. Vlna P je způsobena depolarizacı́ sı́nı́
a je iniciována činnostı́ sinusového uzlu. Interval PQ odpovı́dá časovému úsek průběhu
vzruchu od sinusového uzlu převodnı́m systémem srdečnı́m. QRS komplex je způsoben
postupnou depolarizacı́ komor. Podstatou intervalu ST je repolarizace komor. Vznik
KAPITOLA 1. ÚVOD
10
vlny U nenı́ zcela jasný. Vyskytuje se předevšı́m u mladých lidı́ a sportovců. Normy
pro převodnı́ systém stanovı́, že trvánı́ jednotlivých úseků musı́ být kratšı́ než určitá
kritická hodnota. Na základě morfologie EKG křivky lze stanovit diagnózu. Základnı́
frekvence QRS komplexu na povrchu těla je ≈10 Hz a většina diagnostických informacı́
je u dospělých obsažena pod 100 Hz. Základnı́ frekvence T vlny je přibližně 1–2 Hz.
Filtrace signálu v pásmu mezi 1–30 Hz poskytne EKG bez artefaktů, ale toto pásmo
je nedostatečně široké pro diagnostický záznam, protože deformuje nı́zkofrekvenčnı́ a
vysokofrekvenčnı́ části signálu. Vysokofrekvenčnı́ části EKG signálu definujı́ nejstrměji
se měnı́cı́ části signálu, např. Q vlnu. Měřenı́ amplitudy QRS závisı́ na přesné detekci
špičky R vlny. Nedostatečná vysokofrekvenčnı́ odezva vede k systematickému podhodnocenı́ amplitudy signálu a vyhlazenı́ kmitů.
KAPITOLA 1. ÚVOD
1.2.5
11
Elektrody
Elektrody mohou sloužit ke snı́mánı́ biopotenciálů nebo aplikaci léčebných proudů. Obvody elektrického přı́stroje jsou tvořeny vodičem prvnı́ třı́dy (přenosu náboje se účastnı́
elektrony), kdežto tělo je vodičem druhé třı́dy. Převodnı́ funkci zajišt’ujı́ právě elektrody. Na jejich kvalitě a provedenı́ je závislá kvalita výsledného měřenı́ snı́maných biopotenciálů. Obecně lze elektrody rozdělit dle druhu na:
• Povrchové
– Plovoucı́ - kovová elektroda a vodivá pasta.
– Suché
∗ Neizolované - kovová elektroda umı́stěná přı́mo na kůži. Půlčlánkový potenciál vytvářı́ pot. Nevýhodou je požadavek na velký vstupnı́ odpor zesilovače v řádech GΩ. Elektroda musı́ být přitisknuta velkým tlakem.
∗ Izolované - kovová elektroda s vrstvou dielektrika na povrchu.
• Podpovrchové
– Vpichové - platinové nebo nerezové jehly.
– Implantabilnı́ - elektrody kardiostimulátorů a kochleárnı́ch implantátů.
EKG se snı́má in vivo. Pro jeho snı́mánı́ se nejčastěji použı́vajı́ tři druhy elektrod [30]:
• Standardnı́ kovové velkoplošné elektrody
Jsou nejčastěji vyrobeny ze slitiny zinku, mědi a niklu. Užı́vajı́ se pro krátkodobý
záznam signálu EKG z končetinových svodů. Aplikujı́ se s tenkou vrstvou elektrodového gelu nebo elektrolytu tvořeného vodným roztokem chloridu sodného a
chloridu draselného. Ke kůži se fixujı́ elastickým obinadlem nebo pérovou svorkou.
• Přı́savné elektrody
Užı́vajı́ se pro krátkodobé snı́mánı́ signálu EKG z hrudnı́ch svodů. Nejčastěji majı́
tvar duté čı́šky s gumovým přı́savným balónkem. Aplikujı́ se také s vrstvou elektrolytu.
• Plovoucı́ elektrody
Elektroda je vyrobena ze střı́bra a na povrchu je pokryta chloridem střı́brným.
Jako vodivá pasta sloužı́ chlorid draselný v podobě gelu. Ke kůži se fixujı́ pomocı́
oboustranně adhezivnı́ pásky. Elektrody jsou vhodné pro dlouhodobá měřenı́.
I když rozhranı́m kovu a elektrolytu elektrody neprotéká žádný proud, existuje zde
v důsledku elektrochemické reakce elektrický potenciál. Vzniká zde tzv. galvanický
půlčlánek - elektrická dvojvrstva. Pokud rozhrannı́m začne protékat proud, tento potenciál se začne měnit. Rozdı́l mezi potenciálem při nulovém proudu a měřeným potenciálem při průchodu proudu je označován jako přepětı́. Toto přepětı́ je výsledkem
změny v rozloženı́ náboje v roztoku a na elektrodě. Tento efekt je znám jako polarizace a vede ke zhoršenı́ vlastnostı́ elektrody. Přepětı́ je tedy mı́rou polarizace. K dalšı́mu
zhoršenı́ vlastnostı́ docházı́ při pohybu roztoku vůči elektrodě. Dokonale polarizovatelné
elektrody vedou proud mezi elektrodou a roztokem změnou rozloženı́ náboje v roztoku
blı́zko elektrody. Nepolarizovatelné elektrody vedou proud volně rozhrannı́m bez změny
KAPITOLA 1. ÚVOD
12
rozloženı́ náboje v blı́zkosti elektrody. V reálných podmı́nkách nelze vytvořit žádnou
z elektrod, ale pouze se lze jejich vlastnostem přiblı́žit. Elektrody vyráběné ze vzácných
kovů jako je platina jsou vysoce polarizovatelné. Napětı́ galvanických půlčlánku se pro
různé materiály elektrod lišı́ 1.1. Uvedená napětı́ jsou vztažena k standardnı́ vodı́kové
elektrodě, jejı́ž půlčlánkový potenciál byl určen jako nulový.
Chlorid střı́brná elektroda se vlastnostmi blı́žı́ nepolarizovatelné elektrodě, takže je
Kov a reakce
Půlčlánkový potenciál
[V]
AL→ AL3+ + 3eNi → Ni2+ + 2eH2 → 2H+ + 2eAg + Cl- → AgCl + eAg → Ag+ + eAu → Au+ + e-
-1,706
-0,230
0,000
+0,223
+0,779
+1,680
Tabulka 1.1: Napětı́ galvanických půlčlánků
vhodná pro měřenı́ biopotenciálů. Ve srovnánı́ s polarizovatelnými elektrodami jsou zde
vysoce potlačeny pohybové artefakty, protože zde docházı́ k minimálnı́ polarizaci. Také
má lepšı́ šumové vlastnosti. Snahou tedy je, aby docházelo pouze ke koncentračnı́ polarizaci. Pak docházı́ k menšı́mu úbytku napětı́ na přechodu elektroda - elektrolyt.
Chlorid střı́brná elektroda se skládá ze střı́brného drátku, který je potažen vrstvičkou
chloridu střı́brného ponořeného do roztoku chloridových iontů. Je charakterizována
článkovou poloreakcı́ [34]:
AgCl + e− *
(1.10)
) Ag + Cl−
Model rozhrannı́ elektroda-elektrolyt (impedance rozhrannı́ elektroda - elektrolyt):
Obrázek 1.8: Model rozhrannı́ elektroda-elektrolyt, převzato z [7]
• kde:
– Uep - půlčlánkový potenciál přechodu elektroda-pasta
– Cep a Rep - ztrátový kondenzátor
KAPITOLA 1. ÚVOD
13
Impedance rozhrannı́ je frekvenčně závislá dı́ky paralelnı́ kombinaci Cep a Rep . Na vysokých frekvencı́ch je impedance malá a nedocházı́ k útlumu vysokofrekvenčnı́ části
signálu. Na nı́zkých frekvencı́ch může být impedance velmi velká a z toho důvodu může
být významně utlumena nı́zkofrekvenčnı́ část signálu. Jako celek tak přechod působı́
jako hornı́ propust. V přı́padě EKG tak může docházet k deformaci vln P, S a T, nebo
změně ST segmentu, což je velmi nežádoucı́ [37]. Pro měřenı́ biopotenciálů se užı́vá dvou
elektrod. Vzniklý půlčlánkový potenciál se pak neuplatnı́. Pokud dojde k rychlé změně
potenciálu na jedné z elektrod např. z důvodu změny velikosti odporu kontaktu elektrody
s kůžı́ v důsledku pohybu pacienta, dojde ke stejnosměrnému ofsetu měřeného napětı́,
průchodu proudu elektrodami přes tkáň, a tak k driftu nulové linie zaznamenávaného
biosignálu. Tento drift by měl být odfiltrován. Pomalé změny by se projevit neměly.
Materiál elektrody nebo elektrolytu nesmı́ být agresivnı́ vůči organismu. Na výsledky
měřenı́ má vliv pocenı́ pacienta, které se měnı́ v čase. Tento problém lze omezit očištěnı́m
a obroušenı́m zrohovatělé pokožky před aplikacı́ elektrod, čı́mž dojde ke snı́ženı́ šumu a
zlepšenı́ kvality zaznamenaného signálu EKG.
Obrázek 1.9: Jednorázová elektroda, převzato z [37]
KAPITOLA 1. ÚVOD
1.2.6
14
Holter
Přenosný monitor EKG, neboli Holter [7], je zařı́zenı́ užı́vané pro nepřetržité sledovánı́
elektrické aktivity srdce po dobu 24 hodin denně. Jméno zı́skal po svém tvůrci, DR. Normanu J. Holterovi. Účelem dlouhodobého monitorovánı́ je detekce nepřirozené elektrické
aktivity srdce pacienta, která nastává náhodně, nebo za určitých podmı́nek, jako je stres
nebo velká fyzická zátěž takto zı́skané informace mohou pomoci zjistit jinak nezaznamenatelé srdečnı́ stavy. Jedná se předevšı́m o arytmie nebo ischémie.
Elektrody jsou připevněny na kůži hrudnı́ku pacienta. Jejich počet a umı́stěnı́ je dáno
vlastnı́m technickým řešenı́m přı́stroje. Tyto elektrody jsou připojeny k záznamovému
a vyhodnocovacı́mu přı́stroji, který pacient nosı́ připevněn napřı́klad k opasku. Dnešnı́
holtery jsou schopné detekovat a analyzovat arytmie, variabilitu R-R intervalu, analyzujı́
tepovou frekvenci, ST a QT segmenty EKG křivky.
Obrázek 1.10: Umı́stěnı́ elektrod pro záznam EKG ze třı́ svodů, převzato z [11]
Holtery můžeme dělit do dvou kategoriı́ podle způsobu zaznamenávánı́ srdečnı́ činnosti.
Prvnı́ skupinu tvořı́ zařı́zenı́ s nepřetržitým záznamem. Do druhé skupiny patřı́ zařı́zenı́,
u kterých určuje pořı́zenı́ záznamu sám pacient v okamžiku výskytu určitých událostı́.
Přı́stroj tedy trvale monitoruje, ale zaznamenává do své paměti jen přı́ležitostně.
Většina holterů využı́vá pět až sedm elektrod připevněných na hrudnı́k, které zaznamenávajı́ signál ze dvou nebo třı́ bipolárnı́ch svodů do dvou nebo třı́ kanálů.
Nejběžnějšı́ konfigurace bipolárnı́ch svodů je složena z upraveného pátého, třetı́ho a aVF
svodu. Některé systémy snı́majı́ skutečné dvanáctisvodové EKG a některé dopočı́távajı́
dvanáctisvodové EKG pouze ze třı́ svodů.
KAPITOLA 1. ÚVOD
1.3
15
Bezdrátové technologie
Telemetrie, neboli dálkové měřenı́, zajišt’uje přenos hodnot měřených elektrických i neelektrických veličin na požadovanou vzdálenost [35]. Přenos informacı́ může probı́hat
analogově nebo digitálně, ale předevšı́m bezdrátově (dřı́ve radiotelemetrie). V souvislosti
s medicı́nou a měřenı́m biologických signálu vznikla biotelemetrie, která nacházı́ využitı́
napřı́klad v telemedicı́ně.
1.3.1
Sı́tě
Sı́tě tvořı́ soubory autonomnı́ch zařı́zenı́, které jsou určitým způsobem vzájemně propojeny tak, aby si mohli předávat informace a komunikovat mezi sebou. Vlastnı́ fyzické
propojenı́ je realizováno různými médii, napřiklad optickými a metalickými kabely nebo
vzduchem. Informace mezi členy sı́tě přenášı́ elektromagnetické vlněnı́ z širokého spektra
frekvencı́, nebo jsou přenášeny ve formě akustického tlaku. Každé médium má své vlastnosti, výhody a nevýhody. Jsou jimi dosah, náročnost realizace, rychlost přenosu dat,
ovlivněnı́ přenášené informace rušenı́m, možnost odposlechu nebo nutnost sdı́lenı́ média.
Bezdrátové sı́tě sloužı́ k propojenı́ dvou a vı́ce objektů bez použitı́ kabelů. Výhoda je
zřejmá. Spočı́vá předevšı́m v mobilitě jednotlivých zařı́zenı́ zapojených do sı́tě. Komunikace může probı́hat bud’ opticky, nebo pomocı́ radiového přenosu a přenášet můžeme
analogové nebo digitálnı́ signály. Sı́tě od sebe můžeme rozlišit podle různých vlastnostı́.
Nejčastěji se dělı́ podle topologie nebo velikosti geografické oblasti, kterou pokrývajı́.
1.3.1.1
Topologie
Topologie sı́tě specifikuje způsob, jakým jsou jednotlivá zařı́zenı́ propojena a jakým
způsobem spolu komunikujı́ 1.11. Topologie rozlišujeme logické a fyzické. Fyzickou topologii definujı́ fyzická a spojová vrstva OSI modelu, logickou pak sı́t’ová vrstva. Logická
topologie určuje, jakým způsobem jsou data v sı́ti přenášena bez ohledu na fyzické propojenı́. Obecně užı́vané fyzické topologie jsou Sběrnice (Bus), Hvězda (Star ), Strom (Tree),
Kruh (Ring), (Mesh) a Bod-Bod (Point-To-Point). V bezdrátových sı́tı́ch se nejčastěji
využı́vajı́ topologie Point-To-Point, Hvězda, Strom, Mesh a jejich vzájemné kombinace.
Obrázek 1.11: Sı́t’ové topologie
• Hvězda - star topology
Topologie hvězda je specifická připojenı́m prvků sı́tě, často označovaných jako slave,
KAPITOLA 1. ÚVOD
16
k jednomu centrálnı́mu prvku zvanému master. Za výhodu lze považovat jednoduchou centralizovanou správu sı́tě, rychlou odezvu a velkou šı́řku pásma. Při selhánı́
centrálnı́ho prvku se ale sı́t’ stává nefunkčnı́, centrálnı́ prvek má také většı́ nároky
na spotřebu energie. K dosaženı́ většı́ho pokrytı́ se užı́vá topologie Extended star,
která vı́cenásobně propojuje několik sı́tı́ typu Hvězda v jednu.
• Strom - hierarchical topology
Tato topologie je podobná topologii Extended star, ovšem propojenı́ je hierarchické.
Dva uzly jsou tak vždy propojeny pouze jednou cestou.
• Mesh
Podstatou Mesh topologie je vytvořenı́ vı́cenásobných redundantnı́ch spojenı́.
Účastnı́ci jsou propojeni navzájem, čı́mž je zajistěna maximálnı́ spolehlivost komunikace. Nevýhodou je složitost řešenı́ a velká režie při řı́zenı́.
• Point-To-Point
V sı́ti Point-To-Point spolu komunikujı́ jednotlivı́ účastnı́ci přı́mo bez asistence
centrálnı́ho prvku.
1.3.1.2
Rozsah sı́tě
Rozlišenı́ sı́tı́ podle své geografické rozlehlosti nenı́ zcela přesné, protože nelze přesně
definovat hranice jednotlivých sı́tı́ [16]. I přesto se toto dělenı́ použı́vá velmi často.
• WAN - wide area network.
Jedná se o rozlehlé sı́tě v podstatě celosvětového měřı́tka. Použı́vajı́ se k propojenı́
menšı́ch sı́tı́ lokálnı́ho rozsahu. Z bezdrátových technologiı́ se nejčastěji použı́vá
přenos dat přes satelity. Na kvalitu spojenı́ má však velký vliv zářenı́ z kosmu i
počası́ na Zemi.
• MAN - metropolitan area network.
MAN jsou sı́tě propojujı́cı́ menšı́ sı́tě pouze v rozsahu několika kilometrů. Nejčastěji
jsou realizovány radiovými skoky point-to-point v licencovaných nebo koordinovaných kmitočtových pásmech. Dosahujı́ přenosových rychlostı́ až desı́tek Mbps.
Dosah může být až kolem 50km. Dalšı́ možnostı́ je přenos pomocı́ optických
bezdrátových spojů, užı́vajı́cı́ch k přenosu světlo emitované diodami nebo laserem v infračervené části světelného spektra. Poskytujı́ velkou přenosovou kapacitu,
dosah je v řádu stovek metrů. Na rozdı́l od radiofrekvenčnı́ho přenosu nelze toto
spojenı́ odposlouchávat ani rušit (pokud pomineme přerušenı́ přenosové cesty),
proto je velmi bezpečné. Při použitı́ laseru je nutné zajistit bezpečnost v přı́padě,
že by byl kdokoliv zasažen zářenı́m. Nevýhodou obou řešenı́ je nutná přı́má viditelnost mezi propojovanými body. Kvalita přenosu bývá ovlivněna povětrnostnı́mi
podmı́nkami.
• LAN - local area netwok. WLAN - wireless LAN.
Jedná se o sı́tě point-to-point a point-to-multipoint s malým dosahem v řádu
stovek metrů. Použı́vajı́ se k pokrytı́ mı́stnostı́ a budov. Nejčastěji nasazovanou
bezdrátovou technologiı́ je WiFi v bezlicenčnı́m pásmu 2,4 GHz. Přenosové rychlosti jsou dle norem 11 nebo 54 Mbps (standard IEEE 802.11b a 802.11g). Slabou
stránkou těchto sı́tı́ je nı́zká imunita vůči rušenı́ (mikrovlnné trouby, bezdrátové
KAPITOLA 1. ÚVOD
17
telefony nebo zařı́zenı́ komunikujı́cı́ přes Bluetooth) a slabá úroveň zabezpečenı́.
V brzké budoucnosti bude přijata finálnı́ verze standardu 802.11n, což je nástupce
dněšnı́ch WiFi sı́tı́. Tento nový standard bude dosahovat přenosových rychlostı́
v řádu stovek Mbps.
• PAN - personal area network.
Sı́tě PAN jsou standardizovány pracovnı́ skupinou 802.15 organizace Institute of
Electrical and Electronic Engineers. Dosavadnı́ sı́tě PAN si nekladou za cı́l přenášet
data velkou rychlostı́ na velké vzdálenosti, ale předevšı́m se snažı́, aby použité technologie byly co nejméně energeticky náročné, jednoduché na implementaci a provoz,
snadno rozšiřitelné a předevšı́m cenově dostupné. Jejich dosah je typicky v řádech
jednotek až desı́tek metrů a přenosové rychlosti se pohybujı́ v rozmezı́ desı́tek kilobitů až jednotek megabitů. S přı́chodem nových technologiı́ dosah i přenosové
rychlosti postupně vzrůstajı́.
Představiteli těchto sı́tı́ jsou např. ZigBee a Bluetooth. Technologie jsou definovány
standardy IEEE 802.15.4 - zigbee a IEEE 802.15.1 - Bluetooth. Dalšı́mi alternativami pro sı́tě PAN jsou bezdrátové USB, tzv. UWB, které definuje norma
IEEE 802.15.3a, nebo IrDA přenos v infračervené části světelného spektra.
1.3.2
Přenosová pásma a standardy
Využitı́ přenosových pásem je v Evropě regulováno nevládnı́ organizacı́ CEPT. Pro
přenos telemetrických dat lze využı́t pásma UHF (předevšı́m 868-928 MHz) a ISM. ISM
je zkratka pro bezlicenčnı́ pásmo určené pro průmysl, vědu a lékařstvı́ (Industry, Science
and Medical). V Evropě je toto pásmo definováno od 2471 MHz do 2497 MHz. Maximálnı́
ekvivalentnı́ izotropně vyzářený výkon (EIRP) je pro systémy s frekvenčnı́m skákánı́m
nosné omezen na 100mW, pro systémy s přı́mým rozprostřenı́m spektra na 10mW. Pásmo
kolem 900 MHz může kolidovat s mobilnı́ sı́tı́ GSM. Pro medicı́nské využitı́ existuje pásmo
MICS (402-405 MHz), které sloužı́ pro komunikaci s implantovanými zařı́zenı́mi.
Jednotlivé druhy bezdrátových přenosů jsou definovány standardy. Tyto standardy jsou
vyvı́jeny různými organizacemi. Jsou jimi např. IEEE - Institute of Electrical and
Electronics Engineers, ISO - International Organization for Standardization nebo ITU
- International Telecommunications Union. Dodržovánı́ jednotlivých standardů je nutné
napřı́klad z důvodu koexistence vı́ce různých bezdrátových sı́tı́, které se mohou vzájemě
ovlivňovat. Jen tak může být zajištěna funkčnost jednotlivých systémů.
1.3.2.1
IEEE 812.11
Standard 802.11 je nasazován v lokálnı́ch bezdrátových sı́tı́ch (WLAN). Je také znám pod
názvem Wi-Fi. Vzhledem k vývoji standardu bylo postupně vytvořeno několik doplňků,
které specifikujı́ předevšı́m použité vysı́lacı́ pásmo, přenosové rychlosti a modulaci RF
signálu. Specifikuje tedy fyzickou a spojovou vrstvu. Nejrozšı́řenějšı́ a v praxi použı́vané
jsou standardy 802.11b a 802.11g.
• IEEE 802.11b
Standard 802.11b pracuje v bezlicenčnı́m pásmu 2,4 GHz a podporuje přenosové
rychlosti 1, 2, 5,5 a 11 Mbit/s. K modulaci využı́vá DSSS (Direct Sequence Spread
Spectrum).
KAPITOLA 1. ÚVOD
18
• IEEE 802.11g
802.11b pracuje v bezlicenčnı́m pásmu 2,4 GHz stejně jako jeho předchůdce. Je
zpětně kompatibilnı́ a navı́c dı́ky modulaci OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) je méně náchylný k chybovosti, což umožnilo zvýšenı́ přenosových
rychlostı́ až na 55 Mbit/s.
Obě technologie využı́vajı́ přı́stupovou metodu CSMA/CA.
1.3.2.2
IEEE 802.15
Patnáctá pracovnı́ skupina IEEE 802 se specializuje na bezdrátové sı́tě PAN (Personal
Area Network). Zahrnuje pět pracovnı́ch podskupin popsaných dále.
• IEEE 802.15.1 [1]
Tento projekt byl odvozen v roce 2002 od standardu wireless PAN založeném na
Bluetooth v1.1. Definuje MAC a fyzickou vrstvu technologie Bluetooth. Bluetooth
je průmyslovou specifikacı́ pro přenosná osobnı́ zařı́zenı́ komunikujı́cı́ na krátké
vzdálenosti.
• IEEE 802.15.2 [2]
Tematická skupina 2 pro bezdrátové PAN vyvinula doporučené směrnice pro koexistenci jednotlivých bezdrátových sı́tı́ PAN spolu se sı́těmi standardu 802.11 pracujı́cı́mi v bezlicenčnı́m pásmu 2,4 GHz. Byl vytvořen model koexistence stanovujı́cı́ vzájemné interference jednotlivých sı́tı́ a mechanismy podporujı́cı́ součinnost
zařı́zenı́ WLAN a WPAN.
• IEEE 802.15.3 [4]
Tato tematická skupina se zabývá návrhem nového standardu pro vysokorychlostnı́ bezdrátové PAN pracujı́cı́ s přenosovými rychlostmi přes 20 Mbit/s. Dále se
soustředı́ na řešenı́ vı́ce energeticky nenáročného a levnějšı́ho řešenı́ směřovaného
pro mobilnı́ multimediálnı́ aplikace s vysokou úrovnı́ zabezpečenı́ a QoS. Stejně
jako skupina 802.15.1 vyvinula návrh požadavků definujı́cı́ MAC a PHY vrstvy
pro výměnu dat mezi sı́těmi LAN/MAN. Stanovené rychlosti přenosu dat jsou 11,
22, 33, 44 a 55 Mbps. Technologie založené na tomto standardu se nazývajı́ UWB.
• IEEE 802.15.3b [3]
Tematická skupina pracujı́cı́ na dodatku ke standardu 182.15.3 zlepšujı́cı́m realizaci a součinnost MAC vrstvy. Zahrnuje menšı́ vylepšenı́ zachovávajı́cı́ zpětnou
kompatibilitu. Dále opravuje některé chyby.
• IEEE 802.15.4 [28]
Čtvrtá skupina byla pověřena výzkumem jednoduchého nı́zkorychlostnı́ho řešenı́,
které by bylo napájeno z bateriı́ a bylo schopno pracovat po dobu několika měsı́ců až
let. Zařı́zenı́ by mělo pracovat ve všech národnı́ch bezlicenčnı́ch pásmech. Vlastnosti
sı́tı́ specifikovaných standardem IEEE 802.15.4 jsou přenosové rychlosti 20, 40 a
250 kbps, dva adresovacı́ módy (16-bit a 64-bit), přı́stup ke sdı́lenému médiu CSMACA, automatická organizace sı́tě realizovaná koordinátorem, protokol pro spolehlivý způsob komunikace, energetické řı́zenı́ pro minimálnı́ spotřebu a rozvrženı́ jednotlivých přenosových pásem. Přijatý standard byl vydán jako 802.15.4-2003 a na
jeho dalšı́ch revizı́ch pracuje skupina 802.15.4b. Na základech tohoto standardu
byla vytvořena komunikačnı́ technologie ZigBee.
KAPITOLA 1. ÚVOD
1.3.2.3
19
IEEE 812.16
WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access)se svým rozsahem řadı́ mezi
sı́t’e MAN. Jeho pokrytı́ dosahuje až 50 km s přenosovou rychlostı́ do 70 Mbps. Dle
standaru 802.16 pracuje v pásmech 10–66 GHz, dle novějšı́ revize 802.16a v pásmech
2–11 GHz. Jeho výhodou je, že se přı́jı́mač může pohybovat až rychlostı́ 100 km/h.
1.3.2.4
IrDA
IrDA - Infrared Data Association (založena v roce 1994) je nezisková organizace, která
vyvı́jı́ specifikace pro bezdrátovou komunikaci v infračervené oblasti světelného spektra,
předevšı́m na vlnové délce 875 nm. Ve standardech jsou specifikována jak fyzická koncová
zařı́zenı́, tak komunikačnı́ protokoly. K vysı́lánı́ se využı́vajı́ infračervené LED diody a
pro přı́jem PIN fotodiody. Hlavnı́ nevýhodou tohoto přı́stupu je nutná přı́má viditelnost
mezi zařı́zenı́mi a pouze určitý úhel mezi vysı́lačem a přijı́mačem. Dosah a propustnost se
lišı́ podle normy. Jedná se o jednotky metrů a přenosová rychlost se pohybuje od 2,4 kbps
do 16 Mbps. Vzhledem k dosažitelné šı́řce pásma je dnes již zcela nahrazeno radiovými
technologiemi. Nevýhodou je pouze halfduplex spojenı́ - nelze současně vysı́lat a přijı́mat
data.
Na druhé vrstvě ISO/OSI modelu nespecifikuje standard žádné zabezpečenı́, takže
o bezpečnost se musı́ starat vyššı́ vrstvy.
1.3.3
Přenos
Bezdrátová zařı́zenı́ využı́vajı́ ke komunikaci společné fyzické médium, proto se o něj musı́
určitým způsobem dělit. Jednou z technik zabezpečujı́cı́ přı́stup ke sdı́lenému médiu
je CSMA-CA (Carrier sense multiple access with collision avoidance). Je to protokol
definovaný na druhé vrstvě referenčnı́ho modelu ISO/OSI. Na rozdı́l od metody CSMACD, nasazené napřı́klad u legacy ethernetu1 , tato technika pouze nedetekuje a neřešı́ již
nastalou kolizi, ale snažı́ se jı́ předcházet. Zjednodušeně se toho dosahuje přı́poslechem
média a použitı́m komunikačnı́ch rámců. Pokud chce nějaké zařı́zenı́ zahájit komunikaci,
musı́ si nejdřı́ve ověřit, zda je médium bez provozu. Pokud na médiu probı́há komunikace,
počká zařı́zenı́ určitou dobu, tzv. backoff. Pokud je již médium volné, může se zahájit
komunikace. Nejprve se vyšle požadavek na komunikaci. Tı́m se všechny okolnı́ zařı́zenı́ uzly - upozornı́, že sı́t’ je užı́vána. Adresát pak odpovı́ zaslánı́m informace, že je připraven
ke komunikaci. Pokud tuto informaci vysı́lacı́ uzel nepřijme, je pokus o navázánı́ spojenı́
považován za kolizi a celý postup se opakuje. Systém je efektivnı́ pouze pokud nenı́ pod
velkou zátěžı́.
Sı́tě WPAN užı́vajı́ dva druhy CSMA-CA [28]. Jsou jimi unslotted a slotted CSMA-CA.
Mechanismy se lišı́ v délce backoff časovače. V přı́padě unslotted CSMA-CA je délka
backoff náhodná na rozdı́l od slotted CSMA-CA, kdy je doba čekánı́ určena náhodným
počtem stejně dlouhých backoff slotů.
Přenos zajišt’uje fyzická vrstva PHY pomocı́ několika přenosových metod. V sı́tı́ch PAN
se použı́vajı́ předevšı́m FHSS a DSSS, které řešı́ problém interferencı́ mezi zařı́zenı́mi
pracujı́cı́mi ve stejném frekvenčnı́m pásmu. Množstvı́ interferencı́ je dáno množstvı́m
přenášených dat v jednotlivých sı́tı́ch a vysı́lacı́m výkonem zařı́zenı́ [29].
1
původnı́ ethernet 10 mbit využı́vajı́cı́ koaxiálnı́ kabel
KAPITOLA 1. ÚVOD
20
• FHSS - frequency hopping spread spectrum [1] [2]
Technika frekvenčnı́ho přeskakovánı́ nebo také frekvenčnı́ skákánı́ nosné je založena
na rychlých změnách kmitočtů nosné vlny - tzv. hops. V přı́padě bezlicenčnı́ho
pásma 2,4 GHz je v USA a evropě definováno 79 podkanálů. Každý kanál má šı́řku
pásma 1 MHz. Pseudonáhodná změna nosné frekvence (v přı́padě bluetooth 1600x
za sekundu) umožňuje maximálně snı́žit množstvı́ interferencı́ s dalšı́mi zařı́zenı́mi
pracujı́cı́mi ve stejném frekvenčnı́m pásmu. Znamená to, že špatně přenesené rámce
se vysı́lajı́ znovu, ovšem již na jiné nosné frekvenci. Provoz vı́ce zařı́zenı́ v sı́ti
umožňuje rozdělenı́ jednotlivých kanálů do timeslotů. Novějšı́ verze Blutetooth 1.2
z roku 2003 dovede zaznamenat, ve kterých kanálech docházı́ k interferencı́m, a
v dalšı́ch přenosech je již nevyužı́vá.
• DSSS - direct sequence spread spectrum
Technika přı́mého rozprostřenı́ spektra nahrazuje každý přenášený bit skupinou
vı́ce bitů, které jsou generovány pseudonáhodně (využı́vá se Goldových a Barkerových kódů). Dı́ky tomu pak signál zabı́rá většı́ část kmitočtového spektra, takže
je méně citlivý na ostatnı́ signály přı́tomné ve stejném frekvenčnı́m pásmu. Dı́ky
pseudonáhodnosti generovánı́ kódů může být současně provozováno vı́ce zařı́zenı́.
Tato technika je nasazena u bezdrátové technologie ZigBee.
KAPITOLA 1. ÚVOD
1.3.4
21
ZigBee, IEEE 802.15.4
ZigBee [6] [28] [27] je velmi nenáročná bezdrátová technologie. Při jejı́m zrodu v roce
2004 bylo cı́lem vývojářů vytvořit bezdrátový systém, který by byl spolehlivým a levným
řešenı́m pro domácı́ automatizaci. Systém vyvinulo uskupenı́ desı́tek společnostı́ v čele
s firmami Honeywell, Motorola, Philips, Samsung a spoustou dalšı́ch. Standard je volně
přı́stupný pro nekomerčnı́ využitı́.
Protokol ZigBee je založen na vrstvovém modelu. Jednotlivé vrstvy poskytujı́ prostředky
a vlastnı́ soubor služeb a schopnostı́ nadřazeným vrstvám. Rozvrženı́ vrstev je založeno na
ISO/OSI modelu. Komunikace mezi jednotlivými vrstvami probı́ha skrze SAP. Základnı́
rozdělenı́ vrstev je následujı́cı́:
• fyzická vrstva (PHY)
• spojová vrstva (MAC)
• sı́t’ová vrstva (NWK)
• aplikačnı́ vrstva (APL)
Application (APL) Layer
Application Framework
…
ZigBee Device Object
(ZDO)
Endpoint 1
APSDE-SAP
Endpoint 0
APSDE-SAP
IEEE 802.15.4
defined
Layer
interface
-
Network (NWK) Layer
NWK Message
Broker
Routing
Management
Network
Management
MLDE-SAP
MLME-SAP
Medium Access Control (MAC) Layer
End manufacturer
defined
Layer
function
Reflector
Management
NLDE-SAP
NWK Security
Management
ZigBeeTM Alliance
defined
APS Message
Broker
NLME-SAP
Security
Service
Provider
APSME-SAP
Application Support Sublayer (APS)
ASL
APS Security
Management
ZDO Management Plane
Endpoint 240
APSDE-SAP
Application
Object 1
ZDO Public
Interfaces
Application
Object 240
PLME-SAP
PD-SAP
Physical (PHY) Layer
2.4 GHz Radio
868/915 MHz
di
Obrázek 1.12: Vrstvový model ZigBee, převzato z [27]
ZigBee využı́vá specifikaci fyzické a spojové vrstvy dle standardu IEEE 802.15.4-2003.
Fyzická vrstva obsluhuje radiový transceiver spolu s jeho ovládacı́m ústrojı́m a umožňuje
vysı́lánı́ a přı́jem fyzických PDU skrze rádiový kanál. Dále poskytuje služby pro výběr
kanálu, detekci energetické hladiny (ED), hodnocenı́ kvality signálu (LQI) a detekci
volného kanálu (CCA). Standard definuje dva druhy fyzických vrstev. Prvnı́ v pásmu
KAPITOLA 1. ÚVOD
22
868/915 MHz (1/11 kanálů) a druhou v pásmu 2,4 GHz (16 kanálů). V obou pásmech
je využita technika rozprostřenı́ spektra metodou DSSS. Signál je modulován metodou
O-QPSK. V pásmu 2,4 GHz lze dosáhnout rychlosti přenosu dat 250 kbps. V pásmech
868/915 MHz je podporována rychlost přenosu dat 20 kbps a 40 kbps. Výběr fyzické
vrstvy závisı́ na mı́stnı́ch nařı́zenı́ a výběru uživatele pro jeho konkrétnı́ aplikaci.
PHY
(MHz)
868/915
2450
Spreading parameters
Frequency
band
(MHz)
Chip rate
(kchip/s)
868-868.6
300
Data parameters
Modulation
Bit rate
(kb/s)
Symbol rate
(ksymbol/s)
Symbols
BPSK
20
20
Binary
902-928
600
BPSK
40
40
Binary
2400-2483.5
2000
O-QPSK
250
62.5
16-ary
Orthogonal
Tabulka 1.2: Frekvenčnı́ pásma a přenosové rychlosti, převzato z [27]
Spojová vrstva (MAC) poskytuje přı́stup k fyzickým kanálům. Standard využı́vá sı́t’
s mnohonásobným přı́stupem s předcházenı́m kolizı́m (CSMA-CA). Pro komunikaci mezi
uzly sı́tě jsou definovány čtyři typy rámců. Jsou jimi Data frame pro přenos užitečné informace a Acknowledgement frame pro potvrzenı́ při komunikaci. Dále MAC command
frame sloužı́cı́ ke konfiguraci a řı́zenı́ zařı́zenı́ zapojených v sı́ti a Beacon frame, který
synchronizuje zařı́zenı́. Synchronizace zařı́zenı́ pomocı́ beacon framů je důležitá pro řı́zenı́
spotřeby. Beacon framy definujı́ čas uspávánı́ jednotlivých koncových zařı́zenı́ na přesně
určenou dobu. Tato doba může být nastavena v intervalu 15 ms až 15 minut. Standard IEEE 802.15.4-2003 dále definuje tzv. superframe. Ten je ohraničen beacony, které
jsou pravidelně vysı́lány coordinátorem sı́tě. Superframe je rozdělen na 16 stejně velkých
slotů, ve kterých mohou vysı́lat jednotlivá zařı́zenı́ synchronizovaná pomocı́ beaconů.
Tento způsob přenosu dat je využı́ván pro aplikace vyžadujı́cı́ rychlou odezvu, např.
měřenı́ EKG signálu. Pro přı́stup k přenosovému médiu je pak využita metoda slotted
CSMA/CA.
Utvářenı́ sı́tě realizuje sı́t’ová vrstva NWK, jejı́ž definice již nenı́ součástı́ standardu
IEEE 802.15.4-2003, ale definuje ji standard ZigBee. Sı́t’ová vrstva NWK tedy zahrnuje
mechanismy pro připojenı́ a odpojenı́ od sı́tě. Zabezpečuje a směruje rámce na mı́sto
jejich určenı́ a vytvářı́ a udržuje přenosové cesty mezi jednotlivými uzly podobně jako
routery v ethernetových sı́tı́ch. Každá nezávislá PAN sı́t’ si volı́ jedinečný 16ti bitový
identifikátor PAN ID. Všechna zařı́zenı́ musı́ mı́t již od výrobce jedinečnou 64-bitovou
adresu. Tato adresa může být využita pro přı́mou komunikaci v sı́ti, nebo pro přenos dat
mezi zařı́zenı́mi napřı́č nezávislými sı́těmi. PAN koordinátor může při připojenı́ zařı́zenı́
přidělit namı́sto 64-bitové adresy krátkou adresu délky 16 bitů pro komunikaci pouze
v rámci sı́tě, kterou spravuje. V jedné sı́ti pak může být přes 65 000 zařı́zenı́.
Definované sı́t’ové topologie jsou Hvězda, Strom a Mesh. Sı́t’ libovolné topologie musı́
zahrnovat alespoň jedno zařı́zenı́ v roli koordinátora, který zajišt’uje komunikaci mezi
zařı́zenı́mi. Koordinátor je zodpovědný za založenı́ sı́tě, připojovánı́ a odpojovánı́ jednotlivých zařı́zenı́ k sı́ti. Ostatnı́ zařı́zenı́ jsou bud’ routery, nebo koncová zařı́zenı́. Aplikace využı́vajı́cı́ topologii hvězda zahrnujı́ domácı́ automatizaci, periferie počı́tačů a
prostředky osobnı́ zdravotnı́ péče. U topologie strom se mohou vyskytovat mezilehlé uzly
- směrovače (routery), které zprostředkovávajı́ komunikaci mezi koncovými zařı́zenı́mi
a zařı́zenı́m centrálnı́m. Směrovacı́ strategie je hierarchická, přı́padně může být řı́zena
KAPITOLA 1. ÚVOD
23
směrovacı́mi tabulkami. Peer-to-Peer topologie umožňuje realizovat složitějšı́ sı́t’ová spojenı́, jakým je napřı́klad sı́t’ová topologie mesh. Mesh topologie má také PAN koordinátora. Od topologie hvězda se odlišuje v tom, že každé zařı́zenı́ může komunikovat s jakýmkoliv jiným zařı́zenı́m, dokud je v jeho dosahu. Dále umožňuje vı́cenásobné
přeskoky přes mezilehlé uzly pro směrovánı́ zpráv mezi zařı́zenı́mi v sı́ti.
Součástı́ LR-WPAN sı́tě mohou být zařı́zenı́ dvou typů, FFD a RFD. FFD - Full-function
device pracuje ve třech režimech. Jsou jimi PAN koordinátor, koordinátor nebo zařı́zenı́.
Může komunikovat s dalšı́m FFD nebo RFD. Zařı́zenı́ RFD - Reduced-function device
pracuje pouze v režimu zařı́zenı́ a může komunikovat jen se zařı́zenı́m FFD. RFD je
určeno pro velmi jednoduché aplikace, které nepotřebujı́ vysı́lat většı́ množstvı́ dat. Může
být implementováno s minimalnı́mi prostředky a kapacitou paměti. Zařı́zenı́ vykonává
určitý úkol a je počátečnı́m nebo koncovým bodem komunikace. PAN koordinátor může
vykonávat úkoly jako zařı́zenı́, ale předevšı́m je využit pro zahájenı́, ukončenı́ a řı́zenı́
komunikace v sı́ti. Koordinátor sı́tě může být napájen z elektrické sı́tě, zatı́mco zařı́zenı́
jsou nejčastěji napájena bateriově.
Aplikačnı́ vrstva APL obsahuje pomocnou podvrstvu APS (application support sublayer), objekty ZigBee (ZDO - ZigBee device object) a uživatelsky definované aplikačnı́
objekty vestavěné v Application Framework. ZDO specifikuje postavenı́ objektu v sı́ti může být koordinátorem, směrovačem nebo koncovým zařı́zenı́m, nacházı́ zařı́zenı́ v sı́ti
a určuje, které služby budou poskytovat. Zahajuje a odpovı́dá na požadavky navázánı́
spojenı́ a zajištuje jejich zabezpečenı́. APS poskytuje rozhrannı́ mezi sı́t’ovou NWK a
aplikačnı́ APL vrstvou skrze obecný soubor služeb, které jsou užity jak v ZDO, tak
ve výrobcem definovaných aplikačnı́ch objektech. APS podvrstva je zodpovědná za
udržovánı́ spojovacı́ch tabulek, které sloužı́ pro párovánı́ zařı́zenı́ dle poskytovaných
služeb a požadavků. Dále odpovı́dá za doručovánı́ zpráv mezi spojenými zařı́zenı́mi.
Pro adresovánı́ zpráv lze využı́t jeden ze třı́ režimů. Jedná se o přı́mé adresovánı́, které
využı́vá 64-bit nebo 16-bit adresu a čı́slo endpointu (přı́slušı́ aplikačnı́mu objektu). Pro
nepřı́mé adresovánı́ nenı́ třeba znát cı́lovou adresu. Směrovánı́ provádı́ coordinátor na
základě směrovacı́ch tabulek. Třetı́m způsobem je všeobecné adresovánı́ (broadcast).
Sı́t’ se sestává z několika zařı́zenı́. Za zařı́zenı́ je považován veškerý hardware, který sdı́lı́
jednu radiovou jednotku. V každém zařı́zenı́ může být až 240 aplikačnı́ch objektů, které
modelujı́ jednotlivé části hardwaru (např. teploměr, akcelerometr, vypı́nač). Jednotlivé
aplikačnı́ objekty (endpoints) majı́ přiděleno čı́slo v rozmezı́ 1-240, které sloužı́ k jejich
identifikaci. Součástı́ aplikačnı́ch objektů jsou datové atributy, které reprezentujı́ nějakou
hodnotu nebo stav, ve kterém se přı́slušná část zařı́zenı́ nacházı́.
K popisu aplikačnı́ch objektů sloužı́ deskriptory, které jsou definovány ZigBee aliancı́ nebo výrobcem. Každý deskriptor má přiřazen unikátnı́ identifikátor. ZDO pomocı́ deskriptorů zjišt’ujı́, jaké služby dané zařı́zenı́ poskytuje. Skupina deskriptorů je
označován jako ZigBee Device Profile. Pro ovládánı́ osvětlenı́ je definován např. HCL
- Home Control Lightning profile. Ve vývoji je PHHC - Personal, Home and Hospital
Care profile. Dı́ky použitı́ profilů spolu mohou komunikovat zařı́zenı́ různých výrobců.
Proprietárnı́m řešenı́m sloužı́ tzv. private profiles.
Pro realizaci logického propojenı́ mezi jednotlivými aplikačnı́mi objekty sloužı́ clustery.
Cluster se chová jako port, má vstupnı́ a výstupnı́ identifikátor. Na základě identifikátorů
docházı́ k logickým propojenı́m - tzv. cluster binding. Každý cluster je tvořen skupinou
datových atributů, které majı́ také své identifikátory.
Zabezpečenı́ jsou realizována v několika úrovnı́ch a na různých vrstvách modelu [29]:
KAPITOLA 1. ÚVOD
• Bez zabezpečenı́
• Využitı́ přı́stupových seznamů ACL
• Autentizace a šifrovánı́ pomocı́ AES v režimech 32-bit až 128-bit.
24
KAPITOLA 1. ÚVOD
1.3.5
25
Bluetooth, IEEE 802.15.1
Standard definovaný pracovnı́ skupinou IEEE 802.15.4 vznikl na základě spolupráce firem Ericsson, Motorola, Nokia, Toshiba a Intel seskupených v neziskové organizaci Bluetooth Special Interest Group (SIG)[15]. Již ze skladby firem je patrné, že rozhrannı́
je předurčeno k využitı́ v mobilnı́ telekomunikačnı́ technice a komunikaci počı́tačových
periferiı́ předevšı́m jako náhrada kabelových spojenı́. Verze 1.0 vznikla v roce 1999 a
dosahovala přenosové rychlosti do 1 Mbit/s. Dnes je aktuálnı́ verze 2.1 + EDR. Dosah
Power
Class
Maximum Output
Power (Pmax)
Nominal
Output Power
Minimum
Output Power1
1
100 mW (20 dBm)
N/A
1 mW (0 dBm)
2
2.5 mW (4 dBm)
1 mW (0 dBm)
0.25 mW (-6 dBm)
Optional:
Pmin2) to Pmax
3
1 mW (0 dBm)
N/A
N/A
Optional:
Pmin2) to Pmax
Power Control
Pmin<+4 dBm to Pmax
Optional:
Pmin2 to Pmax
Table 3.1: Power classes
1. Minimum output power at maximum power setting.
2. The lower power limit Pmin<-30dBm is suggested but is not mandatory, and may be
chosen according to application needs.
Tabulka 1.3: Rozdělenı́ do výkonových třı́d, převzato z [14]
se lišı́ podle výkonové třı́dy. Zařı́zenı́ spadajı́cı́ do prvnı́ třı́dy s maximálnı́m vyzářeným
výkonem 20 dBm majı́ dosah kolem 100 m. Zařı́zenı́ druhé třı́dy majı́ definován maximálnı́ vyzářený výkon 4 dBm. Dosah se pak pohybuje kolem 10 m Zařı́zenı́ třetı́ třı́dy
majı́ maximálnı́ vyzářený výkon pouze 0 dBm a dosah 1 m. Hodnota 0 dBm odpovı́dá
1 mW. Bluetooth verze 1.2 je schopno přenést nejvýše 1 Mbps, verze 2.0 až 3 Mbps.
Na rok 2008 je plánována dalšı́ evoluce bluetooth, která zvyšuje přenosovou rychlost na
100 Mbit/s při dosahu kolem 10 metrů za použitı́ MB-OFDM. S tı́m je spojena i změna
frekvenčnı́ho pásma z 2,4 GHz na 6 GHz.
Jádro systému Bluetooth lze rozdělit do dvou částı́ a čtyř vrstev 1.13. Každá vrstva má
své funkčnı́ bloky a svůj komunikačnı́ protokol. Specifikace Bluetooth definuje protokoly
mezi přı́slušnými vrstvami, aby byla zajištěna součinnost zařı́zenı́. Prvnı́ tři vrstvy tvořı́
subsystém nazývaný Bluetooth Controller.
• Radio Layer
RF blok rádiové vrstvy je zodpovědný za vysı́lánı́ a přı́jem paketů na fyzickém
kanálu.
• Baseband Layer
Vrstva zahrnuje dva funkčnı́ bloky - Link Controller a Baseband Resource Manager. Link Controller zabezpečuje řı́zenı́ spojenı́. Přenášı́ informace o doručenı́
paketů a signalizaci sloužı́cı́ k řı́zenı́ toku. Baseband Resource Manager zodpovı́dá
za přidělovánı́ timeslotů na fyzických kanálech všem entitám, které majı́ sjednaný přı́stup. Dále sjednává tento přı́stup s jednotlivými entitami tak, aby byl
splněn požadavek na QoS za účelem poskytnutı́ uživatelské aplikace s očekávaným
výkonem.
KAPITOLA 1. ÚVOD
26
• Link Mannager Layer
Komunikuje pomocı́ Link Manager Protokolu s Link Managerem dalšı́ho zařı́zenı́
za účelem vytvářenı́ a změn logických linek a logických přenosů mezi zařı́zenı́mi.
Zajišt’uje obecné řı́zenı́ spojenı́, např. přizpůsobenı́ vysı́lacı́ho výkonu fyzické linky
nebo upravenı́ nastavenı́ QoS logické linky.
Na pomezı́ mezi druhou a třetı́ vrstvou se nacházı́ Device Manager zodpovědný za
všechny operace systému, které přı́mo nezajišt’ujı́ přenos dat. Zjišt’uje přı́tomnost
blı́zkých Bluetooth zařı́zenı́ a zajišt’uje k nim připojenı́. Dále se zpřı́stupňuje pro
navázánı́ spojenı́ s okolnı́mi zařı́zenı́mi. K přenosovému médiu přistupuje přes Baseband Resource Manager.
• L2CAP (Logical Link Control and Adaptation) Layer
L2CAP vrstva obsahuje dva funkčnı́ bloky - L2CAP Resource Manager a Channel
Manager. Spodnı́ tři vrstvy jsou s vrstvou L2CAP propojeny rozhrannı́m Host
Controller Interface (HCI), které zajišt’uje jednotný přı́stup k hardwaru nezávisle
na implementaci a přı́stup ke službám Link Manager vrstvy.
Pro praktické nasazenı́ se musı́ Bluetooth zařı́zenı́ zařadit do určitého profilu, který
definuje možné aplikace tohoto zařı́zenı́. Bluetooth profily jsou obecné režimy, kterými
Synchronous
unframed traffic
Asynchronous and
isochronous framed traffic
data control
data
C-plane and control
services
control
U-plane and data traffic
Protocol signalling
Device
control
services
L2CAP
layer
L2CAP
Resource
Manager
Channel
Manager
L2CAP
HCI
Bluetooth Controller
Link
Manager
layer
Link
Manager
LMP
Device
Manager
Baseband Resource
Manager
Baseband
layer
Radio
layer
Link Controller
LC
Radio
RF
Obrázek 1.13: Jádro BT, převzato z [14]
KAPITOLA 1. ÚVOD
27
zařı́zenı́ komunikujı́ mezi sebou. Každá specifikace profilu obsahuje informace o závislosti
na jiných profilech, navržených uživatelských formách rozhrannı́ a zvláštnı́ch částech
Bluetooth protocol stacku užitého profilem. Profilů je definováno celkem 22. Podstatné
jsou Generic access profile a Personal Area Networking Profile:
• Generic access profile (GAP) poskytuje základ pro ostatnı́ profily a definuje shodné
prostředky pro zajištěnı́ základnı́ho spojenı́ mezi zařı́zenı́mi. Musı́ být implementován ve všech Bluetooth zařı́zenı́ch. Obsahuje obecné protokoly pro nalezenı́ a
propojenı́ zařı́zenı́. Zajišt’uje vysoký stupeň součinnosti mezi apliakce a zařı́zenı́mi.
Umožňuje vývojářům snadno definovat nové profily na základě existujı́cı́ch definic.
Bluetooth zařı́zenı́, která nevyhovujı́ žádnému z profilů se musı́ podřı́dit GAP pro
zajištěnı́ základnı́ funkce a koexistence.
• Personal Area Networking Profile (PAN) definuje, jakým způsobem mohou dvě a
vı́ce zařı́zenı́ vytvářet ad hoc propojenı́ a jak může být stejný postup užit k přı́stupu
vzdálených sı́tı́ skrze sı́t’ový přı́stupový bod.
• Serial port profile (SPP) definuje nastavenı́ virtuálnı́ch sériových portů a propojenı́ dvou Bluetooth zařı́zenı́. Užı́vá RFCOMM protokol. Dı́ky němu poskytuje
bezdrátové nahrazenı́ fyzické sériové linky.
– RFCOMM protokol emuluje sériový port RS-232. Je užı́ván pro poskytovánı́
sériového přenosu dat. Propojuje dvě nejnižšı́ vrstvy vrstvového modelu Bluetooth skrz L2CAP vrstvu.
Aplikace založené na Bluetooth vyžadujı́ několik dalšı́ch služeb a protokolů na vyššı́ch
vrstvách, které jsou blı́že definovány ve specifikaci Bluetooth.
Standard podporuje jak dvoubodovou komunikaci, tak komunikaci mnohobodovou. Vı́ce
jak dvě synchronizovaná zařı́zenı́ v jedné sı́ti tvořı́ skupinu - piconet, která je řı́zena
jendı́m zařı́zenı́m zvaným master. Řı́dicı́ zařı́zenı́ určuje pseudonáhodné změny nosné
frekvence na základě adresy a synchronizačnı́ho signálu. V jeden okamžik může být
navázáno až sedm souběžných spojenı́ s podřı́zenými zařı́zenı́mi. Propojenı́m vı́ce piconets vzniká rozprostřená sı́t’ zvaná scatternet. Fyzický kanál je rozdělen do časových
jednotek zvaných timesloty. Data přenášená mezi zařı́zenı́mi jsou posı́lána v paketech,
které jsou umı́stěné v těchto slotech. Několik po sobě následujı́cı́ch timeslotů může být
vyčleněno pro jeden paket. Specifikace Bluetooth poskytuje tři stupně zabezpečenı́ [29]:
• bez zabezpečenı́ - jakékoliv zařı́zenı́ může zahájit komunikaci
• bezpečnost na úrovni služeb - přistup ke službám je autorizován
• bezpečnost na úrovni spoje - autentizace a šifrovánı́
KAPITOLA 1. ÚVOD
1.3.6
28
Porovnánı́ ZigBee a Bluetooth
ZigBee je určeno předevšı́m pro ovládánı́ a komunikaci různých bezpečnostnı́ch systémů
(pohybová a hluková čidla), přenos dat z požárnı́ch detektorů, ovládánı́ klimatizacı́
atd. z jednoho centrálnı́ho mı́sta. Postupně se ale vyvinulo v technologii nasazenou jak
v domácnostech, tak v průmyslové automatizaci (diagnostika, měřenı́ různých fyzikálnı́ch
veličin), lékařské péči (pro vzdálený monitoring životnı́ch funkcı́), v počı́tačových periferiı́ch (myši, klávesnice) a spotřebnı́ elektrotechnice. ZigBee má mnoho společných prvků
s Bluetooth, ale tyto technologie si nekonkurujı́. Bluetooth je koncipován pro nasazenı́
v mobilnı́ch telefonech, PDA a dalšı́ch podobných mobilnı́ch zařı́zenı́ch k jednorázovému
přenosu většı́ho množstvı́ dat spı́še multimediálnı́ho charakteru. Jako sı́t’ nenı́ přı́liš flexibilnı́. Pokud ze sı́tě vypadne master zařı́zenı́, sı́t’ se okamžitě zhroutı́. Propojenı́ piconet
sı́tı́ je řešeno pouze proprietárně. ZigBee narozdı́l od Bluetooth vı́ce směřuje do oblasti
průmyslu a medicı́ny. Výhodou ZigBee je předevšı́m jeho malá spotřeba energie, spolehlivost a nı́zká cena, která se dnes pohybuje kolem 2 USD za transceiver a 4 USD
za SiP. Navı́c specifikace dovoluje vytvářet jednoduššı́ koncová zařı́zenı́. Dále umožňuje
lepšı́ konfigurovatelnost sı́tě
Technologie
ZigBee
Výrobce, Typ
Napájení [V]
Spotřeba
[mA]
Bluetooth
Texas Instruments
CC2420
Atmel
AT86RF230
Freescale
MC13192
Texas Instruments
BRF6150
Atmel
T0724
STMicroelectronics
STLC2150
2,1 - 3,6
1,8 – 3,6
2,O – 3,4
1,65 – 3,6
2,7 – 5,5
2,5 – 3,6
TX
17,4
17
30
25
190
80
RX
18,8
16
37
37
8
52
Tabulka 1.4: Porovnánı́ spotřeby ZigBee a Bluetooth RF Transceiverů
Vzhledem ke všem zmı́něným faktorům bylo rozhodnuto otestovat možnosti přenosu
EKG signálu technologiı́ ZigBee.
KAPITOLA 2. REALIZACE
29
2 Realizace
Realizace spočı́vá v obvodovém návrhu, výběru součástek, návrhu a osazenı́ desky
plošného spoje a fyzickém provedenı́ kompletnı́ho řešenı́. V přı́padě bezdrátového přenosu
EKG lze návrh rozdělit na dvě samostatné části. Prvnı́ je návrh analogové části obvodu,
která realizuje měřenı́ EKG signálu. Druhou částı́ je přenosový systém.
2.1
Analogová část
Při návrhu vstupnı́ jednotky elektrokardiografu musı́me vzı́t v úvahu různé nároky na
zesilovač tak, aby byly splněny požadavky kriteria věrnosti [30][5]:
• Dynamický rozsah vstupnı́ho napětı́. Zesilovač musı́ přenést bez tvarového zkreslenı́
signál od ±20 µV do ± 5 mV .
• Amplitudová kmitočtová charakteristika. Kmitočtová charakteristika má doporučenou dolnı́ meznı́ frekvenci 0,05 Hz. Doporučená hornı́ meznı́ frekvence je 250 Hz.
• Vstupnı́ impedance. Vstupnı́ impedance měřená včetně předepsaného pacientského
kabelu musı́ mı́t pro všechny aktivnı́ elektrody na kmitočtu 10 Hz minimálnı́ velikost
2,5 M Ω.
• Svalové akčnı́ potenciály. Mohou být filtrovány filtrem s meznı́m kmitočtem 35–
45 Hz redukujı́cı́m svalové potenciály. Strmost filtru by měla být -6 dB/okt.
• Kolı́sánı́ nulové linie. Kolı́sánı́ nulové linie lze potlačit vazebnı́m RC obvodem
s časovou konstantou minimálně 3,2 s.
• Potlačenı́ soufázového signálu sı́t’ového kmitočtu. Vstupnı́ obvody zesilovače s připojeným pacientským kabelem musı́ při soufázovém buzenı́ všech elektrod potlačit
vstupnı́ signál nejméně o 89 dB.
• Ustálenı́ po defibrilaci. Po provedenı́ defibrilačnı́ho výboje musı́ přechodový děj
v kontrolovaném kanálu odeznı́t do 5 s.
Důležitým stupněm všech zesilovačů je jejich vstupnı́ část - předzesilovač. Předzesilovač
musı́ účinně potlačit rušenı́, protože jeho výstup je dále zesilován následujı́cı́mi stupni
zesilovače. Tzn. že by rušenı́ bylo dále zesilováno spolu s užitečným signálem. Mezi
nežádoucı́ součásti signálu lze zařadit vysokofrekvenčnı́ rušenı́ nebo sı́t’ový brum. Vstup
musı́ být připojen k elektrodám bez použitı́ kapacitnı́ vazby aby byla zajištěna optimálnı́
odezva na nı́zkých frekvencı́ch. Mezi vstupem a elektrodami tedy nesmı́ být sériově zapojen kondenzátor blokujı́cı́ stejnosměrná napětı́. Dı́ky tomu ale nastává problém s polarizacı́ elektrod vstupnı́mi klidovými proudy.
Předzesilovače bývajı́ galvanicky odděleny od ostatnı́ch zesilovacı́ch stupňů, aby byla
zajištěna bezpečnost při měřenı́. Při bateriovém napájenı́ problém galvanického oddělenı́
odpadá. Přı́klad řešenı́ předzesilovače je uveden na obr.2.1
Přı́strojový zesilovač v prvnı́ části poskytuje vysokou hodnotu impedance diferenčnı́ch
stupňů. Tı́m se omezı́ množstvı́ energie přenášené z měřeného systému. Elektrody mohou generovat napět’ový offset do velikosti 0,3 V. Aby se přı́strojový zesilovač nedostal
do saturace, má nastaveno malé zesı́lenı́ Au = 26. Za přı́strojovým zesilovačem následuje
30
Obrázek 2.1: Předzesilovač, převzato z [36]
pasivnı́ hornı́ propust. Jejı́ meznı́ kmitočet je při použitı́ rezistoru 3,3 MΩ a kondenzátoru
1µF roven:
1 ∼
(2.1)
ωmez =
= 0, 05 Hz
2πRC
Poslednı́ část tvořı́ neinvertujı́cı́ zesilovač se zesı́lenı́m Au = 32, který je zároveň aktivnı́
dolnı́ propustı́ s meznı́m kmitočtem ωmez = 100Hz. Spı́nač S1 může být sepnut pro snı́ženı́
doby vybitı́ v přı́padě, že se výstup dostane do saturace. Tento stav může nastat např. při
přepojovánı́ svodů nebo po defibrilaci. Kondenzátor hornı́ propusti se pak rychleji nabije
na novou hodnotu a výstup se dostane zpět do lineárnı́ oblasti. Kondenzátor by neměl
být vybit zcela. Spı́nánı́ může být automatické, řı́zené obvodem detekujı́cı́m saturaci
výstupu, nebo může být manuálnı́.
2.1.1
Souhlasné rušenı́
Jako souhlasné napětı́ je označováno napětı́ přivedené současně na oba vstupy zesilovače.
Potlačenı́ souhlasného signálu CMRR znamená schopnost diferenčnı́ho zesilovače potlačit
signály shodné pro oba jeho vstupy. Tzn. že velikost napětı́ na výstupu zesilovače závisı́
pouze na diferenciálnı́m napětı́ na vstupu zesilovače a na diferenčnı́m zesı́lenı́ Ad . Mezi
invertujı́cı́ a neinvertujı́cı́ vstupnı́ částı́ operačnı́ho zesilovače jsou vždy malé rozdı́ly,
takže při připojenı́ souhlasného napětı́ bude na výstupu malé výstupnı́ napětı́. To je
určeno souhlasným zesı́lenı́m As . Pokud je kterýkoliv ze vstupů zesilovače uzemněn, je
chyba souhlasného napětı́ nulová. Přı́strojové zesilovače dosahujı́ lepšı́ch hodnot parametru CMRR, který je definován:
Ad CM RR = → ∞
As
Ad → ∞ [dB]
CM R = 20log (2.2)
(2.3)
As
CMRR se zmenšuje s rostoucı́m kmitočtem vstupnı́ho signálu. Použitı́ preciznı́ho přı́strojového zesilovače pro EKG dovoluje využitı́ systému Driven-right-leg [36][9].
31
U modernı́ch kardiografů nenı́ pacient uzemněn. Mı́sto toho je k jeho noze připevněna
elektroda, na kterou je přiveden výstup pomocného zesilovače. Souhlasné rušenı́ na těle
je snı́máno dvěma průměrujı́cı́mi rezistory, následně je invertováno, zesı́leno a přivedeno
zpět na elektrodu na levé noze. Záporná zpětná vazba tak snižuje souhlasné napětı́
na nižšı́ hodnotu. Zapojenı́ jednak účinně uzemňuje pacienta a má také bezpečnostnı́
funkci. Pokud mezi zemı́ a pacientem vznikne abnormálně velké napětı́ vzniklé napřı́klad
průrazem, pomocný operačnı́ zesilovač se dostane do saturace. To v podstatě odpojı́ pacienta od země, protože operačnı́ zesilovač nenı́ dále schopen budit elektrodu na pravé
noze. Mezi pacienta a zem se dostává paralelnı́ zapojenı́ rezistorů Rf a R0 (viz.2.2), které
mohou mı́t dohromady hodnotu v řádech M Ω, což je dostatečné k omezenı́ proudu.
Obrázek 2.2: Driven-right-leg, převzato z [36]
2.1.2
32
Snı́mánı́ EKG
Signál z elektrod je přiveden na vstupnı́ svorky přı́strojového zesilovače přes analogový pasivnı́ filtr prvnı́ho řádu typu dolnı́ propust s meznı́m kmitočtem 1 kHz. Byl
zvolen přı́strojový zesilovač INA128/129 výrobce Texas Instruments. Vyniká vysokým
potlačenı́m souhlasného signálu CMRR=120 dB při zesı́lenı́ G ≥ 100. K blokovánı́
napájenı́ byly použity keramické kondenzátory 0,1 µF. Zesı́lenı́ zesilovače lze nastavit
Obrázek 2.3: Přı́strojový zesilovač INA128, převzato z [22]
rezistorem RG v rozmezı́ 1–1000. Závislost zesı́lenı́ na rezistoru je hyperbolická. Pro zesilovač INA128 je zesı́lenı́ dáno rovnicı́ 2.4, pro INA129 2.5.
G=1+
49, 4kΩ
RG
R2
R4
1+2
=
R3
RG
G=1+
+
VIN
V0
−
− VIN
50kΩ
RG
(2.4)
(2.5)
(2.6)
Vzhledem k požadavku na malé zesı́lenı́ kolem hodnoty 25 byla zvolena velikost rezistoru
RG = 2 kΩ. V přı́padě prvnı́ho přı́strojového zesilovače je nastavenı́ zesı́lenı́ realizováno
sériovou kombinacı́ rezistorů velikosti 1kΩ sloužı́cı́ch systému Driven-right-leg. Zesilovač
má široký rozsah napájecı́ch napětı́ od ±2,25 V do ±18 V. Maximálnı́ proudový odběr zesilovače činı́ ±750 µA. Nutnost symetrického napájenı́ je nevýhodná vzhledem k použitı́
baterie jako zdroje. Hodnota vstupnı́ch klidových proudů dosahuje maximálně 5 nA.
Vstupnı́ napět’ový offset je maximálně 50 µV.
Systém Driven-right-leg byl spolu s aktivnı́m stı́něnı́m realizován pomocı́ operačnı́ch zesilovačů typu OPA2132 [21]. Je použit pouze u prvnı́ho svodu. Blokovánı́ napájenı́ zajišt’uje
keramický kondenzátor 10 nF. Stı́něnı́ kabelu je připojeno za oddělovacı́m zesilovačem.
33
Aktivnı́ stı́něnı́ je vhodné při použitı́ delšı́ch přı́vodnı́ch kabelů od elektrod. Rušenı́ lze
také omezit umı́stěnı́m předzesilovače blı́zko zdroji signálu tak, aby nedocházelo k jeho
pohlcovánı́ vodiči. Druhý zesilovač zesiluje a invertuje napětı́ přiváděné na elektrodu levé
nohy. Operačnı́ zesilovač OPA2132 má stejný rozsah napájecı́ho napětı́ jako INA128. Ma-
Obrázek 2.4: Realizace Driven-right-leg a aktivnı́ho stı́něnı́, převzato z [22]
ximálnı́ proudový odběr je ±4,8 mA na jeden zesilovač.
Výstup z přı́strojového zesilovače je přes pasivnı́ dolnı́ propust přiveden na vstup neinvertujı́cı́ho zesilovače, jak bylo řečeno výše 2.1. Pro tuto závěrečnou část obvodu byly
použity operačnı́ zesilovače z řady TLV247x [25] výrobce Texas Instruments. Zesilovač je
typu Rail-to-Rail, tzn. že maximálnı́ povolený rozkmit vstupnı́ho a výstupnı́ho signálu se
velmi blı́žı́ k mezı́m daným velikostı́ napájecı́ho napětı́. Dı́ky této vlastnosti je zesilovač
vhodný jako předstupeň analogově-čı́slicového převodnı́ku. Zesilovač lze napájet nesymetricky i symetricky. Při nesymetrickém napájenı́ je doporučené maximálnı́ napájecı́ napětı́
6 V. V druhém přı́padě jsou meznı́ hodnoty napájecı́ch napětı́ v rozmezı́ od ±1,35 V do
±3 V. Při použitı́ stabilizátoru LP2985 je doporučená hodnota překročena o ±0,3 V.
Integrovaný obvod TLV2474 je v obvodu použit dvakrát. Blokovánı́ napájenı́ je řešeno
keramickým kondenzátory 0,1 µF v těsné blı́zkosti napájecı́ch pinů. Dále je paralelně
připojen tantalový kondenzátor 6,8 µF společný pro oba zesilovače.
Před analogově-čı́slicovým převodem je třeba signál ze zesilovače posunout do kladných
hodnot, což je možné realizovat neinvertujı́cı́m součtovým zesilovačem, který k signálu
přičte napětı́ z napět’ové reference. Výchozı́ vztahy jsou:
up = (ip1 + ip2 + . . . + ipm ) × Rp1 ||Rp2 . . . ||Rpm ||Rp
ip1 =
up1
...
Rp1
(2.8)
R1
un = u0 ×
RF + R1
Pro výsledný vztah platı́ podmı́nka:
up ∼
= un
RF
u0 = up × 1 +
R1
(2.7)
(2.9)
(2.10)
(2.11)
34
Obrázek 2.5: Neinvertujı́cı́ součtový zesilovač, převzato z [8]
V obvodu byla použita napět’ová reference LM385-1,2 V [23] od Texas Instruments spolu
s proudovým zdrojem LM334, který umožňuje činnost reference v širokém napět’ovém
rozsahu 2,3 V–30 V. Reference má toleranci výstupnı́ho napětı́ 1% a jejı́ výstupnı́ proud
je maximálně 20 mA.
lm385bdrg4-1-2
R1
4
1
2
3
ANODE
NC
NC
NC
CATHODE
NC
NC
NC
ref
8
2.74k
5
6
7
1 R
+VDD
V-
3
2 V+
LM334/TO92
Obrázek 2.6: Referenčnı́ napětı́
Pro ověřenı́ kmitočtové charakteristiky výsledného zapojenı́ byl využit simulačnı́ software
NI Multisim. Výsledky naprosto odpovı́daly předpokladům, na zapojenı́ nebylo třeba nic
měnit, viz. obr.C.1.
2.1.3
35
Napájenı́
Volba napájenı́ je úzce spjata s volbou součástek pro měřenı́ signálu a naopak výběr
součástek je závislý na zvoleném napájenı́. U bezdrátového měřenı́ EKG připadá v úvahu
pouze bateriové napájenı́. Použité baterie musı́ mı́t dostatečnou kapacitu pro co nejdelšı́
dobu provozu. Dále musı́ umožnit rychlé a bezpečné nabı́jenı́. V úvahu připadá použitı́
běžných Ni-MH a Ni-Cd článků, nebo Li-Ion a Li-Pol bateriı́. Nabı́jecı́ baterie Ni-MH
velikosti AAA dosahujı́ kapacit až 1000 mAh. Jejich elektromotorické napětı́ 1,3 V je ale
pro napájenı́ nedostatečné. Tento problém lze řešit sériovým zapojenı́m několika článků.
Baterie jsou ale konstruovány pro většı́ proudové odběry, takže se lépe hodı́ do spotřebnı́
elektroniky.
Vhodnějšı́ volbou jsou Li-Ion akumulátory. Hodı́ se pro přı́stroje s malým a střednı́m
odběrem. Jejich jmenovité napětı́ 3,7 V je dostatečné pro napájenı́ většiny součástek
vyvinutých pro přenosná zařı́zenı́ a nenı́ tedy třeba kombinovat vı́ce článků. Vynikajı́ předevšı́m velkou hustotou energie, nı́zkou hmotnostı́, dlouhou životnostı́, nemajı́
pamět’ový efekt a netrpı́ samovybı́jenı́m. Navı́c mohou mı́t různé tvary dle potřeby. Existujı́ ve formě jednotlivých článků nebo akupacků. Akupacky majı́ navı́c ochranné obvody, které hlı́dajı́ minimálnı́ a maximálnı́ napětı́ článku a dále minimálnı́ a maximálnı́
nabı́jecı́ proud. Zamezujı́ tedy úplnému vybitı́ článku (elektromotorické napětı́ nesmı́
klesnout pod 3 V), zničenı́ nebo explozi při špatném způsobu nabı́jenı́ tak, že článek
jednoduše odpojı́. Dále mohou mı́t integrovaný termistor, který dává nabı́jecı́mu obvodu
informaci o teplotě článku. Při nabı́jenı́ je nutné dodržet co nejpřesněji konečné nabı́jecı́
napětı́ 4,2 V. Pokud dojde k překročenı́ napětı́, zkrátı́ se životnost článku. Při menšı́m
napětı́ se článek nenabije zcela. Nabı́jecı́ proud může nabývat hodnot od 0,1 C do 2 C,
kde C je jmenovitá kapacita článku. Přesnou hodnotu nabı́jecı́ho proudu určuje výrobce.
Průběh nabı́jenı́ lze rozdělit do třı́ fázı́. V závislosti na napětı́ akumulátoru je nastaven
nabı́jecı́ proud. Nové a hluboce vybité baterie s napětı́m pod 3 V jsou nabı́jeny proudem
50–150 mA. Po dosaženı́ napětı́ 3–3,1 V je baterie nabı́jena proudem 1C (např. baterie s kapacitou 750 mAh je nabı́jena proudem 750 mA). Tato fáze probı́há do dosaženı́
maximálnı́ho nabı́jecı́ho napětı́ 4,2 V. V tento okamžik je baterie nabita přibližně na 70–
90% své kapacity. Ve třetı́ fázi je baterie nabı́jena konstantnı́m maximálnı́m nabı́jecı́m
napětı́m 4,2 V a nabı́jecı́ proud klesá k nulové hodnotě. Nabı́jecı́ napětı́ je třeba dodržet
s přesnostı́ do ±1%. Ve chvı́li kdy nabı́jecı́ proud poklesne pod určitou meznı́ hodnotu,
je nabı́jenı́ ukončeno.
Regulation
Voltage
Pre-Conditioning
Phase
Current Regulation
Phase
Voltage Regulation
and Charge Termination Phase
Regulation
Current
Charge
Voltage
Minimum
Charge
Voltage
Charge
Complete
Charge
Current
Pre-Conditioning
and Taper Detect
t (PRECHG)
t(CHG)
t(TAPER)
Figure 2. Typical Charging Profile
Obrázek 2.7: Průběh nabı́jenı́, převzato z [24]
36
Pro nabı́jenı́ Li-Ion a Li-Pol akumulátorů existuje řada specializovaných integrovaných
obvodů. Jednı́m z nich je jednočipové řešenı́ bq24010 od firmy Texas Instruments pro
jednočlánkové akumulátory. Poskytuje nabı́jecı́ napětı́ 4,2 V s přesnostı́ ±0,5%. Dı́ky
časovači může být nabı́jenı́ ukončeno nezávisle na poklesu nabı́jecı́ho proudu. Nabı́jecı́
proud určuje rezistor RSET připojený k pinu ISET.
IO(OU T ) =
KSET ∗ VSET
RSET
(2.12)
• kde:
IO(OU T ) = nabı́jecı́ proud
KSET = 335
VSET = 2,5 V
Pro maximálnı́ nabı́jecı́ proud 750 mA je hodnota rezistoru RSET ∼
= 1k2.
Obvod umožňuje trvalou kontrolu teploty akumulátoru. Napětı́ z napět’ového děliče
RT1, RT2 je přivedeno na pin TS a je porovnáváno s internı́mi prahovými hodnotami
VT S1 =30% VCC a VT S2 =60% VCC. Pokud se teplota dostane mimo povolené rozpětı́, je
akumulátor okamžitě odpojen. Nabı́jenı́ je automaticky spuštěno pokud se teplota vrátı́
zpět do normálnı́ho rozpětı́. Teplota nenı́ monitorována, je-li na pin TS přivedeno konstantnı́ napětı́ spadajı́cı́ do rozpětı́ VT S2 a VT S1 .
Obvod je dále chráněn proti zkratu, detekuje připojenı́ a odpojenı́ akumulátoru a poskytuje výstupy pro indikaci stavu nabitı́ a připojenı́ správného napájecı́ho napětı́. Po
odpojenı́ napájecı́ho napětı́ přecházı́ do stavu spánku, ve kterém odebı́rá maximálně
5 µA. Obvod je vybaven termálnı́ ploškou, která musı́ být připojena spolu s pinem VSS
přı́mo na zem.
BATTERY
PACK
bq24010DRC
DC +
0.47 mF
1 IN
OUT 10
2 VCC
BAT 9
PACK+
VCC
+
PACK
0.1 mF
CHARGE
DONE
RT1
3 STAT1
TS 8
4 STAT2
PG 7
5 VSS
RT2
ISET 6
RSET
DCPOWERGOOD
Obrázek 2.8: Doporučené zapojenı́ obvodu bq24010, převzato z [24]
Stabilnı́ napájecı́ napětı́ 3,3 V zajišt’uje low–dropout regulátor LP2985 [26] od Texas Instruments dimenzovaný na odběr 150 mA. Pokles napětı́ při plném zatı́ženı́ činı́ 280 mV.
Stabilizátor umožňuje vypnutı́ výstupnı́ větve obvodu. Spotřeba obvodu pak činı́ pouhých
0,01 µA. Tato funkce nebyla využita. Před stabilizátorem je Schottkyho dioda zajišt’ujı́cı́
ochranu proti přepólovánı́.
37
Symetrické napájenı́ zesilovačů zajišt’uje invertor napětı́ LT1054 [20] výrobce Texas Instruments v pouzdře SOIC16. Invertor pracuje v rozsahu 3,5–15 V, přičemž výstupnı́
napětı́ je typicky -5 V. Při maximálnı́m proudovém zatı́ženı́ 100 mA činı́ pokles výstupnı́ho
napětı́ 1,1 V. Napětı́ menšı́ než 0,45 V přivedené na pin FB/SD vypı́ná invertor. V tomto
stavu invertor odebı́rá maximálně 200 µA. Napájecı́ vstup je blokován tantalovým filtračnı́m kondenzátorem C2. Tantalový kondenzátor C1 je střı́davě přepı́nán mezi vstupem a výstupem. Nejprve je nabı́jen vstupnı́m napětı́m a následně je paralelně připojen
k výstupnı́mu kondenzátoru C3. Toto přepı́nánı́ je řı́zeno frekvencı́ vnitřnı́ho oscilátoru.
+VDD
CAP+
CAPFB/SD
1
2
7
8
9
NC
NC
NC
NC
NC
OSC
VOUT
VREF
13
11
12
NC
NC
NC
10
15
16
-VDD
C3
CT100M
GND
4
6
3
5
+ C1
CT10M
VCC
lt1054idwrg4
14
C2
CT2M2
+
+
Obrázek 2.9: Invertor napětı́ LT1054
2.1.4
Návrh plošného spoje
Návrh dvouvrstvého plošného spoje vstupnı́ jednotky EKG probı́hal v programu OrCAD
Layout. Pro realizaci byla zvolena třı́da přesnosti 4. Realizece DPS je v přı́loze C.2,
výrobnı́ data a kompletnı́ obvodové schéma jsou součástı́ přiloženého CD A.
2.2
2.2.1
38
Přenosová část
ZigBee moduly
Po prostudovánı́ specifikacı́ ZigBee modulů různých výrobců bylo zvoleno kompletnı́
SiP řešenı́ MC13213 firmy Freescale, které integruje transceiver, 8-bit MCU s 60 kB
flash paměti a 4 kB RAM. MCU je dostatečně dimenzované, aby zvládlo kompletnı́
implementaci ZigBee stacku spolu s uživatelskou aplikacı́. Mikrořadič může být taktován
frekvencı́ až 40 MHz (20 MHz sběrnice) při napájenı́ nad 2,08 V a 16 MHz (8 MHz
sběrnice) při napájenı́ nad 1,8 V. LGA pouzdro má 64 pinů a jeho rozměry jsou pouze
9x9x1 mm. Základnı́ parametry obvodu jsou následujı́cı́:
• RF část:
transceiver 2.4 GHz vyhovujı́cı́ IEEE 802.15.4 umožňujı́cı́ přenos 250 kbps
jmenovitý výstupnı́ výkon 1 mW programovatelný v rozsahu -27 dBm–+3 dBm
citlivost přijı́mače < −92 dBm při 1%PER
16 kanálů o šı́řce 5 MHz
integrovaný oscilátor 16 MHz
integrovaný přepı́nač vysı́lánı́ a přı́jmu
• MCU:
nı́zkopřı́konové MCU 40 MHz s jádrem HCS08
60 kB flash a 4 kB RAM paměti
16-ti bitové časovače
dvě nezávislá sériová rozhrannı́ SCI, I 2 C rozhrannı́
8–10 bit A/D převodnı́k s postupnou aproximacı́, 8 kanálů
In system programovánı́ pomocı́ Bacground Debug Module (BDM)
Napájecı́ napětı́ modulu by mělo být v rozsahu 2–3,4 V. Pro minimalizaci spotřeby se
nabı́zı́ využitı́ jednoho ze třı́ úsporných režimů. Jedná se o Wait režim a dva Stop režimy.
V režimu Wait jsou povolena přerušenı́, hodiny procesorového jádra jsou zablokovány.
Ve Stop2 režimu jsou navı́c vypnuty periferie taktované centrálnı́ sběrnicı́. Je uchován
pouze obsah paměti RAM. Dle datasheetu odebı́rá jednotka ve spánku 1 µA, při vysı́lánı́
30 mA a při přı́jmu 37 mA. Integrovaný obvod MC1321x nabı́zı́ dva nezávislé moduly
časovačů. Jedná se o jednokanálový a čtyřkanálový 16-bit časovač.
A/D převodnı́k může pracovat s volitelným rozlišenı́m 8 nebo 10 bit, v nepřetržitém
nebo jednorázovém módu. Dobu převodu lze nastavit v rozmezı́ 14–60 µs. Analogový
multiplexer umožňuje připojenı́ osmi analogových vstupnı́ch kanálů. Každý kanál A/D
převodnı́ku může být samostatně nastaven jako univerzálnı́ vstupně výstupnı́ pin. Kromě
pracovnı́ho módu lze převodnı́k uvést do dvou módů šetřı́cı́ch energii. Dále je k dispozici
KBI modul, který umožňuje využı́t osm pinů portu A jako zdroje přerušenı́ generované
připojenou klávesnicı́.
Pro testovánı́ modulů byly využity desky ZCOMM C.6 poskytnuté Českým Systémovým
Centrem Freescale Polovodiče. Desky obsahujı́ všechny komponenty potřebné k funkci
modulu. Jedná se např. o lineárnı́ regulátor NCP502SQ33T1 s jmenovitým výstupnı́m
39
napětı́m 3,3 V. Kromě napájenı́ sloužı́ výstupnı́ napětı́ regulátoru jako referenčnı́ napětı́
A/D převodnı́ku. Deska může být napájena ze stejnosměrného zdroje 3,3–12 V. Pro
vypı́nánı́ a zapı́nánı́ sloužı́ vypı́nač poblı́ž napájecı́ho konektoru. Konverzi TTL úrovnı́
z mikrokontroléru na napět’ové úrovně RS-232 realizuje zařı́zenı́ Sipex SP3220. Port
RS-232 je vyveden na standardnı́ DB9 konektor. Pro taktovánı́ je využit externı́ krystal 16 MHz NX2520SA. Deska je navı́c vybavena čtyřmi tlačı́tky připojenými k portu
C (nelze využı́t Keyboard Interupt modul MCU) a čtyřmi LED diodami připojenými
k portu A (blokujı́ 4 vstupy A/D převodnı́ku). Na desce je osazen konektor ladicı́ho rozhrannı́ BDM. Na aplikačnı́m konektoru jsou vyvedeny časovače, piny A/D převodnı́ku,
SCI2 a I 2 C rozhrannı́, piny GPIO a KBD. Pro snadnějšı́ ovládánı́ aplikace byla vytvořena externı́ klávesnice, která se přes aplikačnı́ konektor připojuje k pinům KBI modulu. Rámová anténa (smyčka) je umı́stěna na vrchnı́ části plošného spoje. Schéma desky
ZCOMM je součástı́ přiloženého CD A.
Freescale poskytuje 3 různá softwarová řešenı́ bezdrátového přenosu, která obsahujı́ jak
zdrojové kódy, tak přeložené bloky potřebné pro komunikaci a tvorbu požadované aplikace. Jednotlivé balı́čky jsou porovnány v tabulce B.2. SMAC je poskytován v podobě
ANSI C zdrojového kódu. IEEE 802.15.4 MAC a BeeStack jsou k dispozici v podobě
strojového kódu. BeeStack typicky zabı́rá 40–50 KB paměti podle toho, které z jeho
modulů jsou využity. Freescale BeeKit dovoluje uživatelům vytvářet, upravovat a aktualizovat jednotlivé bezdrátové implementace, zahrnujı́cı́ SMAC, 802.15.4 MAC a BeeStack.
BeeKit zastřešuje komplexnı́ sadu bezdrátových sı́t’ových knihoven, aplikačnı́ch šablon a
vzorových aplikacı́. Sloužı́ předevšı́m pro vygenerovánı́ pracovnı́ch souborů, které lze importovat do CodeWarrioru. CodeWarrior nabı́zı́ pro dalšı́ vývoj a laděnı́ aplikace ANSI
C/C++ kompilátor, linker, debugger, assembler, simulátor a vlastnı́ vývojové prostředı́
IDE. Navı́c je do programu integrován velmi praktický generátor kódu UNIS Processor
Expert.
Jako výchozı́ pro bezdrátový přenos EKG signálu byla zvolena šablona GenericApp, která
využı́vá BeeStack Codebase 1.0.5., jenž je součástı́ BeeKitu verze 1.6.1. Pro práci s vygenerovaným projektem je třeba CodeWarrior 6.1 nebo novějšı́. Na webových stránkách
firmy Freescale by měly být k dispozici dvě bezplatné testovacı́ verze CodeWarrioru. Lze
volit mezi verzı́ s omezenı́m velikostı́ kódu na 32 kB nebo třicetidennı́ testovacı́ verzı́,
jejı́ž licenci lze prodloužit až na šedesát dnı́.
Připravená vzorová aplikace GenericApp je napsána pro demonstračnı́ kity vybavené akcelerometry, např. 1321xEVK. Na desce SRB je zabudován akcelerometr, který snı́má
náklon této desky ve třech osách a změřená data odesı́lá dvakrát za sekundu pomocı́ ZigBee modulu na desku NCB. Na té jsou data zobrazena na LCD displeji. Na deskách jsou
navı́c USB rozhrannı́, senzor teploty, pamět’ EEPROM nebo klávesnice připojená ke KBI
modulu. Tato aplikace byla nejprve v BeeKitu přizpůsobena pro hardwarové řešenı́ desek
ZCOMM. Jedná se např. o změny v nastavenı́ vstupně–výstupnı́ch portů, UART rozhrannı́, nebo vyřazenı́ ovladačů LCD z projektu. Navı́c byly nastaveny přenosové kanály,
adresy zařı́zenı́ a sı́tě a některé dalšı́ parametry týkajı́cı́ se zabezpečenı́ a směrovánı́.
Následuje vygenerovánı́ řešenı́ v podobě zdrojových souborů a vlastnostı́ IDE projektu.
Během vývoje aplikace vyšlo najevo, že vlastnosti IDE projektu vygenerované BeeKitem
do XML souboru jsou nepoužitelné v kombinaci s OSBDM programátorem. Pokud je
takto vytvořený projekt zapisován do flash paměti MCU, uložı́ se regulérně pouze obsah
paměti RAM, což odpovı́dá 4 kB. Tento problém se projevuje nemožnostı́ změnit cı́lové
zařı́zenı́ nebo programátor a dále nefunkčnostı́ a nemožnostı́ debuggovánı́ kódu. Nestan-
40
dardnı́m, ale funkčnı́m řešenı́m tohoto problému je ručnı́ založenı́ projektu pro vybrané
zařı́zenı́ a programátor. Následně musı́ být všechny vygenerované soubory odstraněny.
Dále je třeba ručně importovat celou adresářovou strukturu včetně jednotlivých soborů
vygenerovaných BeeKitem. Poslednı́m krokem je změna nastavenı́ kompilátoru a linkeru
ve vlastnostech ručně založeného projektu dle nastavenı́ vygenerovaného projektu.
Inicializace radiové části, MAC vrstvy, jednotlivých komponent a ZigBee stacku je
spuštěna funkcı́ main() v BeeAppInit.c1 . Následně je funkcı́ BeeAppInit() inicializována
uživatelská aplikace. Pro vytvořenı́ sı́tě využı́vá BeeStack plánovač procesů. Procesy jsou
plánovány prioritně bez předbı́hánı́. Tzn. každý proces má přiřazenu svou prioritu a běžı́,
dokud nenı́ zpracován a nevrátı́ řı́zenı́. Nejvyššı́ prioritu má MAC proces pro zajištěnı́
přenosu dat. Procesů může být maximálně 255, přičemž BeeStack užı́vá nejvı́ce 11 procesů. Každý proces vyžaduje 6 bytů v RAM. Přidělenı́ počtu procesů probı́há při kompilovánı́.
Pokud zařı́zenı́ vyžaduje připojenı́ do sı́tě podle standardu 802.15.4, musı́ se nejprve
asociovat se zařı́zenı́m, které již v sı́ti je. Tı́mto zařı́zenı́m je koordinátor, který může
poskytovat synchronizačnı́ služby pro zařı́zenı́, které jsou s nı́m asociovány. V sı́ti s topologiı́ hvězda může být pouze jeden PAN koordinátor, v sı́ti s topologiı́ peer-to-peer je
vı́ce koordinátorů a jeden PAN koordinátor.
ZigBee stack potřebuje pro svou komunikaci s fyzickou a spojovou vrstvou definovanou
standardem IEEE 802.15.4-2003 služby, které mu zpřı́stupnı́ funkce poskytované těmito
vrstvami. Jsou jimi MLME-SAP a MCPS-SAP. Dle specifikace ZigBee lze využı́t beaconů v sı́tı́ch se stromovou topologiı́. Mesh sı́t’ podle specifikace ZigBee vylučuje nasazenı́
beacon framů. Routery v mesh sı́tı́ch totiž nejsou schopny beacony vysı́lat. Implementace BeeStacku použitı́ beaconů a GTS neumožňuje. Pro testovánı́ přenosu EKG je po
stisku prvnı́ho tlačı́tka založena sı́t’ bez zabezpečenı́. Založenı́ a připojenı́ do sı́tě zajišt’uje
funkce ZDO Start().
Po připojenı́ koncové stanice je třeba vytvořit logické propojenı́ mezi endpointy. Toto propojenı́ je realizováno mezi clustery na základě jejich identifikátorů. Ke spárovánı́ docházı́
po stisku třetı́ho tlačı́tka na koncové stanici. Ihned po propojenı́ je spuštěn časovač, který
zahajuje odběry vzorků 8-bit A/D převodnı́kem a jejich přenos. Počet časovačů musı́
být určen předem nastavenı́m konstanty gTmrApplicationTimers c. Před spuštěnı́m se
časovače alokujı́ funkcı́ TMR AllocateTimer(), která vracı́ unikátnı́ ID časovače. Trvánı́
časovače lze nastavit v rozmezı́ od 4 ms do přibližně 4 minut. Doba 4 ms odpovı́dá
vzorkovacı́ frekvenci 250 Hz. Koncová stanice by mohla přejı́t do režimu spánku pouze
v přı́padě zastavenı́ všech časovačů. Na cı́lové stanici je k přijatým datům volitelně přidán
synchronizačnı́ byte a data jsou následně odeslána sériovým rozhrannı́m do počı́tače.
1
Detailnı́ popis jednotlivých funkcı́ je v komentářı́ch zdrojových kódů na přiloženém CD.
2.3
41
Měřenı́
2.3.1
Spotřeba
Spotřeba vstupnı́ jednotky a desky ZCOMM byla měřena multimetrem Metex M-3270D.
Výsledky jsou shrnuty v tabulce 2.1. Spotřeba modemu integrovaného v obvodu MC13213
Po spuštění [mA]
Připojení do sítě [mA]
Vysílání / příjem
[mA]
Velikost kódu [B]
ZCOMM pouze MCU
15,8
-
-
1100
ZCOMM MCU+LED
19,8
-
-
1100
ZCOMM cooridnator
26,5 – 30,5
65
65
46500
ZCOMM endpoint
23,5 - 28
63,5
54-55
39850
ZCOMM a vstupní
jednotka EKG
61-65
100
91-92
39850
Vstupní jednotka EKG
49
-
-
-
Tabulka 2.1: Spotřeba vstupnı́ jednotky EKG a desky ZCOMM v různých režimech
je dle [18] při přı́jmu 37 mA a při vysı́lánı́ 30 mA. Tento poměr potvrzujı́ i naměřené hodnoty. Měřenı́ bylo provedeno při nastavenı́ jmenovitého výstupnı́ho výkonu zesilovače modemu na výchozı́ hodnotu 0 dBm. Spotřeba desky ZCOMM v roli koordinátora sı́tě, která
data přijı́mala, byla přibližně o 10 mA vyššı́ než u desky v roli koncového zařı́zenı́.Při
nepřetržitém provozu a napájenı́ prismatickým Li–Ion akumulátorem s jmenovitou kapacitou 1100 mAh by koncové zařı́zenı́ mohlo pracovat přibližně 11–12 hodin na jedno
nabitı́ akumulátoru. Spotřebu koncové jednotky lze snı́žit přibližně o 1 mA vypnutı́m
zařı́zenı́ SP3220 v přı́padě, že nenı́ využito sériové rozhrannı́.
Mnohem výrazněji lze celkovou spotřebu energie snı́žit změnou měřenı́ EKG signálu.
Stačı́ zaznamenávat pouze signál ze dvou svodů a třetı́ dopočı́távat na vyhodnocovacı́m
zařı́zenı́ podle rovnice 1.5. Tento přı́stup současně snı́žı́ zatı́ženı́ bezdrátové sı́tě o 1/3 a
ušetřı́ nezanedbatelné náklady na součástky použité na vstupnı́ jednotce.
Lead II, blue - measured, red - calculated
2.5
ECG [mV]
2
1.5
1
0.5
0
-0.5
0
1
2
3
4
5
Time [s]
6
7
8
Obrázek 2.10: Porovnánı́ změřeného a vypočteného svodu II
9
10
2.3.2
42
Zkreslenı́
Pro testovánı́ kvality přenosu byl využit pacientský simulátor BC Biomedical PS–21000
zapůjčený z firmy Medicton C.8. Přı́stroj generuje QRS komplex 30, 60, 120 a 240-krát
za minutu. Pulsy prvnı́ho a třetı́ho svodu jsou generovány s amplitudou 1.75 mV a 1 mV.
Pulsy druhého svodu jsou generovány s amplitudou 2.75 mV a odchylkou ±2%. Frekvence je generována s přesnostı́ 0.5%.
Přı́pustné zkreslenı́ měřeného signálu se lišı́ dle způsobu zpracovánı́ a analýzy EKG
[30]. Jedno z kritériı́ řı́ká, že odchylka zpracovaného nezarušeného signálu EKG od
jeho lineárnı́ reprezentace nemá v přı́padě vizuálnı́ analýzy, překročit 25 µV, pokud je
velikost signálu menšı́ než 0,5 mV. Pro úroveň signálu většı́ než 0,5 mV potom 5%.
Pro počı́tačovou analýzu a přenos či uchovávánı́ dat jsou tyto požadavky přı́snějšı́.
V těchto přı́padech nesmı́ být rozdı́l mezi zpracovaným signálem a lineárnı́ reprezentacı́
vstupnı́ho signálu většı́ než 10 µV. V přı́padě že je signál většı́ než 0,5 mV, má rozdı́l
činit maximálně 2%. Před vyhodnocenı́m bylo třeba upravit naměřený signál v Matlabu.
Od naměřených dat byla odečtena hodnota odpovı́dajı́cı́ přı́spěvku napět’ové reference
k měřenému signálu. Následně byl signál 832x zmenšen, což odpovı́dá navrženému zesı́lenı́
vstupnı́ho zesilovače. Průměrné zkreslenı́ QRS komplexu vztažené k signálu generovaným
přı́strojem PS–2100 činilo přibližně 2.2%.
Lead1
ECG [mV]
2
1
0
0
1
2
3
4
5
Time [s]
Lead2
6
7
8
9
10
0
1
2
3
4
5
Time [s]
Lead3
6
7
8
9
10
0
1
2
3
4
5
Time [s]
6
7
8
9
10
ECG [mV]
2
1
0
ECG [mV]
2
1
0
Obrázek 2.11: Průběh bezdrátově přeneseného EKG – 30 tepů za minutu
43
Lead1
ECG [mV]
2
1
0
0
1
2
3
4
5
Time [s]
Lead2
6
7
8
9
10
0
1
2
3
4
5
Time [s]
Lead3
6
7
8
9
10
0
1
2
3
4
5
Time [s]
6
7
8
9
10
ECG [mV]
2
1
0
ECG [mV]
2
1
0
Lead1
ECG [mV]
2
1
0
0
1
2
3
4
5
Time [s]
Lead2
6
7
8
9
10
0
1
2
3
4
5
Time [s]
Lead3
6
7
8
9
10
0
1
2
3
4
5
Time [s]
6
7
8
9
10
ECG [mV]
2
1
0
ECG [mV]
2
1
0
2.3.3
44
Rušenı́ signálu EKG
Při napájenı́ koncové jednotky ze sı́t’ového adaptéru se výrazněji projevilo rušenı́ pronikajı́cı́ z rozvodné sı́tě. Jedná se o úzkopásmové rušenı́ vzniklé indukcı́ napětı́ ze silových
elektrických rozvodů [30]. Širokopásmové rušenı́ způsobené myopotenciály se vzhledem
k použitı́ pacientského simulátoru nemohlo v signálu vyskytnout. Stejně tak se v signálu
nemohlo vyskytnout kolı́sánı́ izoelektrické linie, které způsobuje např. dýchánı́ pacienta.
Porovnánı́ signálů při napájenı́ ze sı́tě a z baterie je na obr. 2.14.
Na obr.2.15 jsou zobrazeny spektra signálů měřených při napájenı́ z baterie a sı́t’ového
adaptéru.
45
Battery powered
2.5
ECG [mV]
2
1.5
1
0.5
0
-0.5
0
1
2
3
4
5
Time [s]
6
7
8
9
10
6
7
8
9
10
Adapter powered
2.5
ECG [mV]
2
1.5
1
0.5
0
-0.5
0
1
2
3
4
5
Time [s]
Obrázek 2.14: Porovnánı́ zarušenı́ signálu při bateriovém a sı́t’ovém napájenı́ koncové
jednotky
-5
7
Single-Sided Amplitude Spectrum of ECG - battery powered
x 10
6
|A|
5
4
3
2
1
0
0
20
-5
7
40
60
Frequency (Hz)
80
100
120
100
120
Single-Sided Amplitude Spectrum of ECG - adapter powered
x 10
6
|A|
5
4
3
2
1
0
0
20
40
60
Frequency (Hz)
80
Obrázek 2.15: Spektra EKG signálů při bateriovém a sı́t’ovém napájenı́ koncové jednotky
2.3.4
46
Korelace
Pro porovnánı́ referenčnı́ho signálu se signálem přeneseným bezdrátově byl použit algoritmus korelace. Referenčnı́ signál z pacientského simulátoru byl vzorkován 8-bit A/D
převodnı́kem, který je součástı́ integrovaného obvodu MC13213 a přes sériové rozhrannı́
přenesen přı́mo do počı́tače. Při psanı́ této aplikace byla využita utilita Processor Expert, která je itegrována do vývojového prostředı́ CodeWarrior IDE. Pro odhad korelačnı́
posloupnosti podle rovnice 2.13 byla použita funkce Matlabu xcorr.
X
1 N −k−1
x1 [n] x2 [n + k]
Rx1 x2 [k] =
N n=0
(2.13)
Protože je EKG signál periodický, je třeba ve vztahu pro odhad korelačnı́ posloupnosti
výkonových signálů použı́t multiplikativnı́ koeficient 1/N před sumou součinu vzorků
signálů (parametr ’biased’ ve funkci xcorr).
3 Leads By Wire
ECG [mV]
2
1
0
2
2.2
2.4
2.6
2.8
3
3.2
Time [s]
3 Leads Wireless
3.4
3.6
3.8
4
2
2.2
2.4
2.6
2.8
3.4
3.6
3.8
4
-400
-300
-200
-100
200
300
400
500
ECG [mV]
2
1
0
-9
RX1X2[k]
15
x 10
3
3.2
Time [s]
Correlation - biased
10
5
0
-5
-500
0
k
100
Obrázek 2.16: Korelace EKG měřeného přı́mo a bezdrátově
47
ECG [mV]
Během zátěžových zkoušek kapacity přenosu a následném vyhodnocenı́ naměřených dat
bylo zjištěno, že s rostoucı́m zatı́ženı́m sı́tě roste množstvı́ QRS komplexů zaznamenaných v čase 2.17. Zvýšenı́ datového toku bylo simulováno vı́cenásobným přenosem
naměřených hodnot. Důvodem tohoto jevu je strategie plánovánı́ procesů implemen3 Leads, By Wire (fvz~249 Hz)
2
1
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
7
8
9
10
7
8
9
10
7
8
9
10
7
8
9
10
7
8
9
10
ECG [mV]
Time [s]
3 Leads, Wireless (fvz~220 Hz)
2
1
0
0
1
2
3
4
5
6
ECG [mV]
Time [s]
6 Samples, Wireless (fvz~215 Hz)
2
1
0
0
1
2
3
4
5
6
ECG [mV]
Time [s]
2
1
0
0
1
2
3
4
5
6
ECG [mV]
Time [s]
2
1
0
0
1
2
3
4
5
6
ECG [mV]
Time [s]
2
1
0
0
1
2
3
4
5
6
Time [s]
Obrázek 2.17: Počet QRS komplexů v čase v závislosti na množstvı́ přenášených vzorků
tovaná v BeeStacku. Jedná se o plánovánı́ bez předbı́hánı́, tzv. non–preemptive task
scheduling. Softwarový časovač tedy neběžı́ v reálném čase [19]. Časové hodnoty které
poskytuje jsou pouze přibližné. S rostoucı́mi požadavky na systém, který musı́ zpracovat vı́ce dat, se perioda odběru vzorků z A/D převodnı́ku prodlužuje z požadovaných
4 ms až k hodnotě blı́zké 6 ms. Vzorkovacı́ frekvence tedy klesá z nastavených 250 Hz
až ke 170 Hz 2.18. V důsledku poklesu vzorkovacı́ frekvence se měnı́ i přı́růstek rychlosti přenosu dat. Reálná rychlost přenosu dat tedy neroste tak prudce, jako rychlost
teoretická při konstantnı́ vzorkovacı́ frekvenci fvz = 250 Hz 2.19.
48
Závislost vzorkovací frekvence na počtu přenášených vzorků
250
Fvz [Hz]
200
150
100
50
0
0
10
20
30
40
50
60
Počet přenášených vzorků
Obrázek 2.18: Závislost vzorkovacı́ frekvence na počtu přenášených vzorků
Závislost rychlosti přenosu dat na počtu vzorků
Rychlost reálná
Rychlost teoretická
120000
Rychlost přenosu [bps]
100000
80000
60000
40000
20000
0
0
10
20
30
40
50
Počet přenášených vzorků
Obrázek 2.19: Změna přenosové rychlosti vzhledem k počtu přenášených vzorků
60
KAPITOLA 3. ZHODNOCENÍ
49
3 Zhodnocenı́
3.1
Závěr
Senzory životnı́ch funkcı́ tvořı́cı́ bezdrátové sı́tě jsou klı́čovou technologiı́ pro monitoring
zdravotnı́ho stavu pacientů. Jejich vysoký stupeň integrace minimálně omezuje pacienta. Data snı́maná senzory pro EKG nebo SpO2 lze navı́c obohatit o data poskytnutá
akcelerometry nebo GPS jednotkou. Využitı́ standardu ZigBee dovoluje vytvořit velmi
rozsáhlou sı́t’ senzorů, která může být prostřednictvı́m brány připojena k nemocničnı́mu
informačnı́mu systému.
Předmětem této práce bylo zjistit, jaké technologie jsou dnes použı́vány k měřenı́ biologických signálů a jejich přenosu. Byla otestována možnost bezdrátového přenosu
EKG signálu z jeho zdroje k vyhodnocovacı́mu zařı́zenı́. Během praktického testovánı́ se
volba standardu ZigBee a jeho implementace v podobě BeeStacku ukázala jako ne zcela
vhodná pro přenos EKG signálu v reálném čase. Přenos signálu z vı́ce koncových stanic
je s omezenı́m realizovatelný. Propustnost sı́tě se pohybuje kolem 70 kbps užitečných
dat. V přı́padě 8-bit vzorkovánı́ třı́ končetinových svodů vzorkovacı́ frekvencı́ 250 Hz by
byly teoreticky pokryty nároky jedenácti koncových stanic. S rostoucı́m počtem stanic
ale roste režie sı́tě, což výrazně zatěžuje výpočetnı́ prostředky jednotek. Data pak nemusı́
být k dispozici v požadovaném čase, což v přı́padě kontinuálnı́ho měřenı́ EKG může mı́t
fatálnı́ následky. Největšı́ výhoda, kterou ZigBee standard přinášı́ na rozdı́l od Bluetooh,
je široká možnost uspávánı́ koncových zařı́zenı́. Vzhledem k požadavku na kontinuálnı́
přenos dat je tato přednost zcela nevyužita. Chybı́ také standardizace dosud vyvı́jeného
PHHC profilu. Tento profil v budoucnu umožnı́ bezproblémovou spolupráci medicı́nských
senzorů různých výrobců.
3.2
Návrhy pro budoucı́ práce
Volba součástek byla omezena momentálnı́ nabı́dkou bezplatných vzorků společnostı́
Texas Instruments. Návrh plošného spoje probı́hal bez možnosti důkladného otestovánı́
jednotlivých součástek. V době návrhu PCB také nebylo známo, jaké bezdrátové řešenı́
bude nasazeno. Konstrukce je tedy maximálně univerzálnı́ s možnostı́ dodatečných
úprav. Při dalšı́m vývoji je vhodné použı́t předevšı́m SMD součástky a integrované
obvody s možnostı́ jejich vypnutı́ pro lepšı́ energetický management. Kvalitnı́ návrh
plošného spoje společného pro vstupnı́ jednotku EKG a integrovaný obvod MC13213
spolu s redukcı́ množstvı́ použitých součástek (viz.2.3.1) umožnı́ jeho zmenšenı́ na snadno
přenositelnou velikost.
Vliv nepřesného časovače může snı́žit kombinace rychlejšı́ho MCU a samostatného RF
transceiveru nebo optimalizace kódu. Lze ale využı́t jiný protokol založený na standardu
IEEE 802.15.4. Firma Freescale nabı́zı́ jednoduššı́ proprietálnı́ protokol SMAC a také
plnou implementaci Freescale 802.15.4 MAC, která má menšı́ režii při udržovánı́ sı́tě a
celkově nenı́ tak náročná jako BeeStack. Navı́c poskytuje funkce GTS management a
beacon notification, které nejsou při použitı́ BeeStacku přı́stupné.
KAPITOLA 4. LITERATURA
50
4 Literatura
[1] ALFVIN, R.: IEEE 802.15.1. 09-Feb-2004, [Online]; [cit. 2007-2-14].
URL <http://ieee802.org/15/pub/TG1.html>
[2] ALFVIN, R.: IEEE 802.15.2. 12-May-2004, [Online]; [cit. 2007-2-14].
[3] ALFVIN, R.: IEEE 802.15.3b WPAN Task Group. 21-Jan-2005, [Online]; [cit. 20072-14].
URL <http://ieee802.org/15/pub/TG3b.html>
[4] ALFVIN, R.: IEEE 802. 22-Jan-2007, [Online]; [cit. 2007-2-14].
[5] BAILEY, J. J.; BERSON, A. S.; GARSON, A.; aj.: Recommendations for standardization and specifications in automated electrocardiography: bandwidth and digital
signal processing. A report for health professionals by an ad hoc writing group of
the Committee on Electrocardiography and Cardiac Electrophysiology of the Council on Clinical Cardiology, American Heart Association. ročnı́k 81, 1990: s. 730–739,
ISSN 1524-4539.
[6] BRADÁČ, Z.: AUTOMATIZACE — Články — Bezdrátový komunikačnı́ standard
ZigBee. Apr-2005, [Online]; [cit. 2007-1-27].
URL <http://www.automatizace.cz/article.php?a=638d>
[7] BRONZINO, J.: The Biomedical Engineering Handbook, Second Edition. CRC Press,
Boca Raton, prvnı́ vydánı́, Červen 2000, ISBN 0-8493-0461-X, 3024 s.
[8] DOLEČEK, J.: Modernı́ učebnice elektroniky - Operačnı́ zesilovače a komparátory.
Praha: BEN - technická literatura, páté vydánı́, 2007, ISBN 978-80-7300-187-2, 232
s.
[9] GUDAITIS, A. M.: US Patent 5392784: Virtual right leg drive and augmented right
leg drive circuits for common mode voltage reduction in ECG and EEG measurements. 1993, [Online] c2004-2007 [cit 2007-8-11].
URL <http://www.freepatentsonline.com/5392784.html>
[10] ČIHÁK, R.: Anatomie 3. GRADA, 2004, ISBN 80-247-1132-X, 692 s.
[11] JONES, S. A.: ECG Notes: Interpretation and Management Guide. F. A. Davis
Company, 2005, ISBN 978-0803613478, 200 s.
[12] KLIGFIELD, P.; GETTES, L. S.; BAILEY, J. J.; aj.: Recommendations for the
Standardization and Interpretation of the Electrocardiogram: The Electrocardiogram and Its Technology. Journal of the American College of Cardiology, ročnı́k 49,
March 13 2007: s. 1109–1127, ISSN 0735-1097.
[13] MALMIVUO, J.; PLONSEY, R.: Bioelectromagnetism - Principles and Applications
of Bioelectric and Biomagnetic Fields. New York: Oxford University Press, 1995,
ISBN 978-0195058239, 506 s.
51
[14] Bluetooth SIG: BLUETOOTH SPECIFICATION Version 2.1 + EDR. 1420 s., [online]. c2007 [cit. 2007-12-28].
[15] Bluetooth SIG: Compare with Other Technologies. [online]. c2007 [cit. 2007-12-28].
URL <http://www.bluetooth.com/Bluetooth/Technology/Works/Compare/>
[16] Cisco Systems: Cisco Networking Academy Program — CCNA 1 Networking Basics.
[Online] c2003 [cit. 2007-2-21].
URL <http://netacad.siliconhill.cz/vyuka/curriculum/ccna1/CHAPID\-=
null/RLOID=null/RIOID=null/knet/311053022401441/coursetoc.html>
R 802.15.4 / ZigBeeTM Software Selector Guide.
[17] Freescale Semiconductor: IEEE
2007, [Online] c2007 [cit. 2008-04-02].
URL
<http://www.freescale.com/files/rf_if/doc/app_note/AN3403.pdf?
fsrch=1>
[18] Freescale Semiconductor: MC13211/212/213 ZigBeeTM - Compliant Platform - 2.4
R 802.15.4 Standard plus Microcontroller.
GHz Low Power Transceiver for the IEEE
2007, [Online] c2007 [cit. 2008-04-02].
[19] Freescale Semiconductor: Freescale Platform Reference Manual. 2008, [Online] c2008
[cit. 2008-05-21].
[20] Texas Instruments: LT1054 (SLVS033F). 2004, [Online] c2004 [2007-12-28].
URL <http://www.ti.com/>
[21] Texas Instruments: OPA2132 (SBOS054A). 2004, [Online] c2007 [2007-12-28].
[22] Texas Instruments: INA128 (SBOS051B). 2005, [Online] c2005 [2007-12-28].
[23] Texas Instruments: LM385-1.2 (SLVS075I). 2005, [Online] c2005 [2007-12-28].
[24] Texas Instruments: bq24010 (SLUS530I). 2007, [Online] c2007 [2007-12-28].
[25] Texas Instruments: TLV2474 (SLOS232E). 2007, [Online] c2007 [2007-12-28].
[26] Texas Instruments: LP2985 (SLVS522K). 2008, [Online] c2008 [cit. 2008-04-02].
[27] ZigBee Alliance: ZigBee Specification. San Ramon, USA, 378 s., [Online] c2007 [cit.
2007-11-30].
[28] NAEVE, M.: IEEE 802.15.4 WPAN-LR Task Group. 11-Sep-2006, [Online]; [cit.
2007-2-14].
URL <http://www.ieee802.org/15/pub/TG4.html>
52
[29] PUŽMANOVÁ, R.: Bezpečnost bezdrátové komunikace - Jak zabezpečit WiFi, Bluetooth, GPRS či 3G. CP Books, a.s., Brno, Listopad 2005, ISBN 80-251-0791-4, 184
s.
[30] ROZMAN, J.; BURIAN, J.; GROSS, M.; aj.: Elektronické přı́stroje v lékařstvı́. ACADEMIA, Praha, 2006, ISBN 80-200-1308-3, 408 s.
[31] SEELEY, R.; STEPHENS, T.; TATE, P.: Anatomy and Physiology. McGraw-Hill,
6 vydánı́, 2003, ISBN 978-0072932201, 1200 s.
[32] SVATOŠ, J.: Biologické signály I - Geneze, zpracovánı́ a analýza. Vydavatelstvı́
ČVUT, Praha, 1998, ISBN 80-01-01822-9.
[33] VOKURKA, M.: Patofyziologie pro nelékařské směry. Karolinum, Praha, 2005,
ISBN 978-80-246-0896-9.
[34] VOLKA, K.: Analytická chemie II. Vysoká škola chemicko-technologická, Praha,
1995, ISBN 80-7080-227-8.
[35] VÍTOVEC, J.: Telemetrie a přenos dat. Edičnı́ středisko ČVUT, Praha, 1985.
[36] WEBSTER, J. G.: Medical instrumentation: Application and design. John Wiley &
Sons, 1998, ISBN 0-471-15368-0.
[37] WEBSTER, J. G.: Encyclopedia of Medical Devices and Instrumentation, ročnı́k 6.
John Wiley & Sons, druhé vydánı́, Duben 2006, ISBN 978-0471263586, 3666 s.
DODATEK A. OBSAH PŘILOŽENÉHO CD
53
A Obsah přiloženého CD
V kořenovém adresáři CD jsou uloženy následujı́cı́ soubory a podadresáře:
bin/
BeeKit/
OpenSourceBDM/
Obsahuje software a jednoduchý program pro komunikaci
s jednotkou ZCOMM.
BeeKit verze 1.6.1, jehož součástı́ je použitý BeeStack codebase verze 1.0.5.
firmware, ovladače a dokumentace programátoru OSBDM.
doc/
schema/
srcThesis/
thesis/dp.pdf
Obsahuje dokumentaci diplomové práce.
schéma desky ZCOMM a vstupnı́ jednotky.
TEXový kód diplomové práce,
soubor diplomové práce,
results/
Obsahuje výsledky měřenı́, které byly použity jako podklady
pro kapitolu 2.3.
výsledky měřenı́ zpracované pro použitı́ v Matlabu.
výsledky měřenı́ zpracované v tabulkovém kalkulátoru.
Matlab
Tabs/
src/
BeeKit/
Capture
CodeWarrior/
Layout
Matlab
readme.txt
Obsahuje kompletnı́ zdrojový kód projektu.
projekt ECGApp pro BeeKit.
soubory návrhu schématu vstupnı́ jednotky.
adresáře se zdrojovými kódy pro přı́mé a bezdrátové měřenı́
EKG.
soubory návrhu desky plošného spoje a podklady pro výrobu.
zdrojové soubory pro zpracovánı́ naměřených dat v Matlabu.
Obsahuje stručný seznam souborů a podadresářů uložených
na CD a uživatelskou přı́ručku.
DODATEK B. TABULKY
54
B Tabulky
Classification
Bioelectric
Action potential
Electroneurogram (ENG)
Electroretinogram (ERG)
Electro-oculogram (EOG)
Electroencephalogram
(EEG)
Surface
Acquisition
Frequency Range
Comments
Invasive measurement of cell
membrane potential
Potential of a nerve bundle
Evoked flash potential
Steady-corneal-retinal potential
Microelectrodes
100 Hz–2 kHz
10 μV–100 mV
Needle electrode
Microelectrode
Surface electrodes
100 Hz–1 kHz
0.2–200 Hz
dc–100 Hz
5 μV–10 mV
0.5 μV–1 mV
10 μV–5 mV
Surface electrodes
0.5–100 Hz
2–100 μV
Multichannel (6–32) scalp
potential
Young children, deep sleep and
pathologies
Temporal and central areas
during alert states
Awake, relaxed, closed eyes
50–100 μV
100–200 μV
Bursts of about 0.2 to 0.6 s
Bursts during moderate and
deep sleep
Response of brain potential to
stimulus
Occipital lobe recordings,
200-ms duration
Sensory cortex
Vertex recordings
Recordings from exposed
surface of brain
Delta range
0.5–4 Hz
Theta range
4–8 Hz
Alpha range
Beta range
Sleep spindles
K-complexes
Evoked potentials (EP)
Dynamic Range
8–13 Hz
13–22 Hz
6–15 Hz
12–14 Hz
0.1–20 μV
Surface electrodes
Visual (VEP)
1–300 Hz
1–20 μV
Somatosensory (SEP)
Auditory (AEP)
Electrocorticogram
Needle electrodes
2 Hz–3 kHz
100 Hz–3 kHz
100 Hz–5 kHz
Electromyography (EMG)
Single-fiber (SFEMG)
Needle electrode
500 Hz–10 kHz
1–10 μV
Needle electrode
5 Hz–10 kHz
100 μV–2 mV
2–500 Hz
0.01–1 Hz
0.05–100 Hz
100 Hz–1 kHz
50 μV–5 mV
Motor unit action
potential (MUAP)
Surface EMG (SEMG)
Skeletal muscle
Smooth muscle
Electrocardiogram (ECG)
High-Frequency ECG
0.5–10 μV
Action potentials from single
muscle fiber
Surface electrodes
Surface electrodes
Surface electrodes
1–10 mV
100 μV–2 mV
Notchs and slus waveforms
superimposed on the ECG.
Tabulka B.1: Typické hodnoty vybraných biosignálů, převzato z [7]
DODATEK B. TABULKY
Feature
SMAC
55
802.15.4 MAC
ZigBee Stack
Provided level of
service
802.15.4 PHY (uses transceiver 802.15.4 MAC + PHY (uses transceiver Network level (uses transceiver
packet data mode)
streaming data mode)
streaming data mode; based on
802.15.4 MAC + PHY)
Primary types of
topologies
* Proprietary Point-Point links
* Proprietary star and repeaters
* Lack of true MAC limits number
of devices and amount of traffic
*802.15.4 Star or Cluster Tree
*Proprietary smaller Network Service
* MAC does not provide network
service but allows use of greater
density of nodes or more reliable
network traffic
* Beaconing (not supported in ZigBee)
* GTS (not supported in ZigBee)
* ZigBee compatibility
* Up to and including mesh
networking
Memory Size
(RAM/Flash)
* 2-4 kbytes SMAC ROM plus
application
* Typically < 0.15 kbytes RAM
* 24-27 kbytes MAC ROM plus
application
* Typically 2 kbyte RAM plus
application
* 45-50 kbytes stack ROM plus
application
* Typically 2.7-3.4 kbyte RAM
plus application
Cost
Source provided (no cost), easily
modified.
The development of higher layer
functions and applications may
be more costly.
Object provided (no cost), cannot
modify.
The development of higher layer
functions and applications may be
more costly.
Higher development tool cost
and cost to use software. Use of
ZigBee IP for profit requires
membership in the ZigBee
Alliance.
Security
Custom
AES-128 and CCM*
AES-128 and CCM*
Channel power
scan (CCA, ED,
and LQI)
Hardware provided
Hardware provided
Hardware provided
Effective data
throughput
~50-120 kbps
~90-120 kbps
~30-70 kbps
Tabulka B.2: Porovnánı́ vlastnostı́ softwaru, převzato z [17]
DODATEK C. OBRÁZKY
C Obrázky
Obrázek C.1: Kmitočtová charakteristika analogové části elektrokardiografu
Obrázek C.2: Plošný spoj, vrchnı́ vrstva mědi (TOP)
56
Obrázek C.3: Plošný spoj, spodnı́ vrstva mědi (BOT)
Obrázek C.4: Plošný spoj, vrchnı́ nepájivá maska (SMTOP)
Obrázek C.5: Plošný spoj, spodnı́ nepájivá maska (SMBOT)
57
58
Obrázek C.6: Deska ZCOMM
Obrázek C.7: Programátor Open Source BDM
Obrázek C.8: Pacientský simulátor BC Biomedical PS-2010
Obrázek C.9: Průběh měřenı́ a přenosu EKG
59
DODATEK D. SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK
D Seznam použitých zkratek
ACL Access control list
APL Application layer
APS Application support sub-layer
BER Bit error rate
CMRR Common mode Rejection Ration
CSMA-CA Carrier-sense, multiple-access, collision avoidance
DPS Deska plošného spoje
DSSS Direct sequence spread spectrum
EEG Elektroencefalogram
EKG Elektrokardiogram
EMG Elektromyogram
FFD Full-function device
FHSS Frequency hopping spread spectrum
GTS Guaranteed Time Slots
IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers
ISM Industrial, scientific, and medical
LLC Logical link control
LR-WPAN Low-Rate Wireless Personal Area Network
MAC Medium Access Control
MCU Micro Controller Unit
O-QPSK Offset quadrature phase-shift keying
OSI Open system interconnection
OZ Operačnı́ zesilovač
PAN Personal Area Network
PDU Protocol data unit
PHHC Personal, Home and Hospital Care
PHY Physical Layer
60
DODATEK D. SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK
POS Personal operating space
QoS Quality of Service
RFD Reduced-function device
SAP Service access point
SDU Service data unit
SiP System in Package
USB Universal Serial Bus
UWB Ultra-Wideband
WAN Wide Area Network
WiFi Wireless Fidelity
ZDO ZigBee device object
EDR Enhanced data rate
61
SEZNAM TABULEK
62
Seznam tabulek
1.1
1.2
1.3
1.4
Napětı́ galvanických půlčlánků . . . . . . . . . . . . . . .
Frekvenčnı́ pásma a přenosové rychlosti, převzato z [27] .
Rozdělenı́ do výkonových třı́d, převzato z [14] . . . . . .
Porovnánı́ spotřeby ZigBee a Bluetooth RF Transceiverů
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
12
22
25
28
2.1
Spotřeba vstupnı́ jednotky EKG a desky ZCOMM v různých režimech . .
41
B.1 Typické hodnoty vybraných biosignálů, převzato z [7] . . . . . . . . . . .
B.2 Porovnánı́ vlastnostı́ softwaru, převzato z [17] . . . . . . . . . . . . . . .
54
55
SEZNAM OBRÁZKŮ
63
Seznam obrázků
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
1.10
1.11
1.12
1.13
Převodnı́ systém srdečnı́, převzato z [31] . . . . . . . . . . . . . . . . .
Průběh akčnı́ho potenciálu buňky pracovnı́ho myokardu, převzato z [37]
Einthovenovi končetinové svody, převzato z [11] . . . . . . . . . . . . .
Augmentované končetinové svody, převzato z [11] . . . . . . . . . . . .
Hrudnı́ svody, převzato z [11] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Frankův ortogonálnı́ svodový systém, převzato z [13] . . . . . . . . . .
Vznik EKG křivky, převzato z [37] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Model rozhrannı́ elektroda-elektrolyt, převzato z [7] . . . . . . . . . . .
Jednorázová elektroda, převzato z [37] . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Umı́stěnı́ elektrod pro záznam EKG ze třı́ svodů, převzato z [11] . . . .
Sı́t’ové topologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Vrstvový model ZigBee, převzato z [27] . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Jádro BT, převzato z [14] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
2.10
2.11
2.12
2.13
2.14
2.15
2.16
2.17
2.18
2.19
Předzesilovač, převzato z [36] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Driven-right-leg, převzato z [36] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Přı́strojový zesilovač INA128, převzato z [22] . . . . . . . . . . . . . . . .
Realizace Driven-right-leg a aktivnı́ho stı́něnı́, převzato z [22] . . . . . . .
Neinvertujı́cı́ součtový zesilovač, převzato z [8] . . . . . . . . . . . . . . .
Referenčnı́ napětı́ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Průběh nabı́jenı́, převzato z [24] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Doporučené zapojenı́ obvodu bq24010, převzato z [24] . . . . . . . . . . .
Invertor napětı́ LT1054 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Porovnánı́ změřeného a vypočteného svodu II . . . . . . . . . . . . . . .
Průběh bezdrátově přeneseného EKG – 30 tepů za minutu . . . . . . . .
Porovnánı́ zarušenı́ signálu při bateriovém a sı́t’ovém napájenı́ koncové
jednotky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Spektra EKG signálů při bateriovém a sı́t’ovém napájenı́ koncové jednotky
Korelace EKG měřeného přı́mo a bezdrátově . . . . . . . . . . . . . . . .
Počet QRS komplexů v čase v závislosti na množstvı́ přenášených vzorků
Závislost vzorkovacı́ frekvence na počtu přenášených vzorků . . . . . . .
Změna přenosové rychlosti vzhledem k počtu přenášených vzorků . . . .
45
45
46
47
48
48
C.1
C.2
C.3
C.4
C.5
C.6
C.7
C.8
C.9
Kmitočtová charakteristika analogové části elektrokardiografu
Plošný spoj, vrchnı́ vrstva mědi (TOP) . . . . . . . . . . . . .
Plošný spoj, spodnı́ vrstva mědi (BOT) . . . . . . . . . . . . .
Plošný spoj, vrchnı́ nepájivá maska (SMTOP) . . . . . . . . .
Plošný spoj, spodnı́ nepájivá maska (SMBOT) . . . . . . . . .
Deska ZCOMM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Programátor Open Source BDM . . . . . . . . . . . . . . . . .
Pacientský simulátor BC Biomedical PS-2010 . . . . . . . . .
Průběh měřenı́ a přenosu EKG . . . . . . . . . . . . . . . . .
56
56
57
57
57
58
58
59
59
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
3
5
6
7
7
8
9
12
13
14
15
21
26
30
31
32
33
34
34
35
36
37
41
42
43
43

Moznosti bezdrátového prenosu biologických signál˚u Jir´ıˇS´ıla

Transkript

Podobné dokumenty

Fototoxicita - Lékárna u Madony

ABSOLVENTSK´A PR´ACE

Pˇrihláška na farn´ı prázdninový tábor

16A. Svetová meziválecná próza

fronte VR 38 EUROPE - Viroplastic CZ, as

hydromode_2010