CC BY
40
УДК: 623.746-519
Баткаев Р.А., Князьков А.В., Королев В.С., Чайковский В.М.
ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия
ОНЛАЙН-СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ЗДОРОВЬЯ ЧЕЛОВЕКА
Предложена система, предназначенная для сбора информации о значениях ряда параметров о состоянии здоровья человека, в режиме реального времени и отправки её по каналу Bluetooth с дальнейшим отображением полученных результатов на экране монитора лечащего врача. Конфигурация системы имеет блочную структуру, что позволяет значительно расширить ее функциональные возможности путем добавления целого ряда новых измерительных датчиков без значительных временных затрат Ключевые слова:
СИСТЕМА СБОРА, СОСТОЯНИЕ ЗДОРОВЬЯ, ВЫВОД ДАННЫХ НА ЭКРАН, МОДУЛЬНОСТЬ Настоящее время характеризуется не только значительной занятостью человека, но и резко возросшим его безразличием к состоянию собственного здоровья. В купе эти факторы приводят к тому, что человек уклоняется от посещения больницы с целью проведения достаточно полной проверки состояния собственного здоровья. Поэтому много граждан, которым требуется либо послеоперационная реабилитация или задействованных во вредном производстве, уклоняется от посещения врачей не только в силу своей склонности к безответственному отношению к собственному здоровью, но и в силу своей производственной занятости, будут находиться в группе риска
Сочетание указанных факторов приводит к тому, что наличие серьезных проблем со здоровьем у таких граждан выявляется уже на финальном этапе
развития болезни, а это несомненно приводит либо к продолжительному лечению, либо оказывается, что проводить последнее уже бессмысленно.
Снижение влияния данного фактора возможно путём использования предлагаемой онлайн системы контроля, осуществляющей оценку значений ряда жизненно важных параметров человека. При этом предлагаемый подход позволяет своевременно фиксировать даже не ощущаемые самим человеком, симптомы ухудшения состояния его здоровья, которые вызовут тяжелые последствия.
Предлагаемая система (Рис.1) содержит целый ряд различных датчиков, позволяющих круглосуточно проводить мониторинг значения основных, жизненно важных показателей состояния здоровья человека и своевременно сигнализировать об отклонения:': эти:: значений от нормы.
Рисунок 1 - Структурная схема аппаратно-программного комплекса
На сегодняшний день одним из наиболее эффективных способов решения подобной задачи является применение систем, основанных как на постоянном ношении достаточно универсального датчика в виде наручного браслета, так и систем, содержащих плату контроллера с рядом подключенных к ней необходимых измерительных датчиков. Причем последние могут применяться как стационарно, так и мобильно в силу своей компактности. Первые позволяют осуществлять постоянный контроль значений целого ряда жизненно важных параметров, с последующим выводом этих значений либо на экран собственного устройства, либо на экран монитора лечащего врача [1]. Вторые позволяют постоянно (круглосуточно) осуществлять контроль за состоянием здоровья человека, как в ходе рабочего дня, так и после.
Следует отметить, что последняя, выполненная в виде наручного браслета, постоянно находящегося на запястье человека, является не только весьма удобной и универсальной по своему использованию, но и практичной. Однако, в силу ограниченности её функциональных возможностей, не позволяющих оценивать значения всех важных показателей состояния здоровья, тогда как использование данных систем в совокупности позволяет уменьшить риск пропуска момента начала ухудшения состояния здоровья.
Предлагается новый, сравнительно недорогой, универсальный аппаратно-программный комплекс (АПК), ориентированный на мультимодальное (использование нескольких способов) получение биосигнала. Который может использоваться для поддержки интерфейса с других устройств или выполнения быстрого прототипирования (быстрая замена базовых элементов и схем для анализа работы в целом) приложений конечных пользователей в области физиологических вычислений.
Данная система, содержащая микроконтроллер, модуль для зарядки аккумулятора управления, модуль беспроводной связи типа Bluetooth, позволяет подключаться к компьютеру, мобильному телефону или любому другому устройству, имеющего опцию Bluetooth. При этом для получения ряда физиологических сигналов, АПК объединяет ряд специализированных датчиков, таких как: для измерения активности сердца, мышц и активности симпатической нервной системы.
Отличительной особенностью предлагаемого АПК является её схожесть с конструктором Lego, позволяющем любые её блоки отключать/подключать к основной плате, тем самым давать возможность пользователю объединить их таким образом, как это наиболее удобно для собственных программных приложений данных блоков.
Органы тела человека, параметры которого подлежат контролю, такие как нервная система, мышечная ткань, создают свои собственные биоэлектрические потенциалы, называемые биопотенциалами, возникающими в результате электрохимической активности ряда клеток, а также мозговой активностью, сердечными сокращениями и т. д. [2]. Исследованием этих параметров занимается биомеханика - раздел естественных наук, изучающий на основе моделей и методов механики механические свойства живых тканей, отдельных органов и систем, или организма в целом, а также происходящие в них механические явления. В этой работе основное внимание уделяется биопотенциалам (ЭКГ, ЭМГ и ЭДА).
Одним из важнейших параметров, по значению которого судят о состоянии здоровья человека является пульс [3], отражающим ритмичность колебаний стенок артерий, по которым судят о соответствующих данному ритму сокращениях сердечной мышцы, свидетельствующих критерию правильного
сей сердечно-сосудистой си-
функционирования стемы.
При этом одним из важнейших факторов общего состояния человека является частота его сердцебиений (ЧСС). Каждому возрасту человека соответствует определенный диапазон значений ЧСС, выход за пределы которого свидетельствует о его нездоровом состоянии.
Основным из целого ряда различных методов измерения пульса [4], является традиционная электрокардиография и получающая все большее распространение плетизмография, позволяющая получать значение пульса по результатам оценки изменения в единицу времени объема крови, наполняющего кровеносные сосуды. Последнее получается путем оценки значения максимальной амплитуды, возникающей при этом волны пульсации, реализуемого с помощью хорошо развитых к настоящему времени механических, оптических или импедансных (электродных) методов.
В стационарном варианте построения АПК в качестве основного управляющего элемента предлагается использовать микроконтроллер АТтеда328Р [5].
Измерение пульса осуществляется при помощи датчиков ЭКГ и ЭМГ, входящих в состав соответствующих модулей. Структурная схема устройства представлена на рисунке 1. Датчики ЭКГ и ЭМГ основаны на фиксации дифференциального потенциала напряжения и используют микросхемы АБ8694 [6]. Причем уровень их выходных сигналов должен быть согласован с уровнем, необходимым для записи в МК, соблюдение последнего исключает неоднозначность восприятия выходных данных датчиков при измерении ими соответствующих параметров.
Используемый датчик ЭКГ специально предназначен для размещения на пальце или на руке. Этот подход приводит к узкой полосе пропускания ЭКГ (до 4 0 Гц), которая обеспечивается предлагаемым схемным решением. При этом, чтобы отделить (исключить) сигнал с высоким значением частоты (т.к. информативный сигнал от датчика низкочастотный), необходимо чтобы передаточная функция фильтра Баттерворта в области высоких частот имела спад.
Рисунок 2 - Схема электрическая принципиальная модуля ЭКГ
В связи с этим в предлагаемой схеме так же, как и в схеме ЭМГ используется фильтр Баттерворта 4-го порядка, реализованный на операционных усилителях БА2.2, БА2.3, располагающихся в одном корпусе микросхемы АБ8694, которая в данном случае обеспечивает наивысшую степень равномерности АЧХ в заданной полосе пропускания.
Датчик ЭМГ фиксирует биоэлектрическую активность мышц любого интересуемого участка тела человека.
Аналогично датчику ЭКГ, его принцип действия также основан на фиксации разности потенциалов на кожном покрове человека, для чего используется полосовой фильтр, реализованный на базе операционных усилителей БА2.2 и БА2.3 микросхемы БА2, с более широкой полосой пропускания, необходимой для выделения без ослабления амплитуды
всех частотных составляющих, присутствующих в электромиографическом сигнале.
Предлагаемая схема ЭМГ приведена на рисунке 3, ее АЧХ имеет такой же характер изменения, что и схема ЭКГ (полосовой фильтр), с обеспечением эффекта "отсечки" на частотах 10 Гц и 400 Гц.
В предлагаемом устройстве, для оценки проводимости кожи используется датчик электродермаль-ной (т.е. электрической активности кожи на ладонях или пальцах рук). активности (ЭДА), схема которого представлена на рисунке 5. Последний реализуется на базе микросхемы DA1 типа AD8 692 [6]. ЭДА измеряет проводимость кожи, а именно: уровень проводимости кожи (УПК) и реакцию проводимости кожи (РПК) при испытании человеком сильных эмоций, при нахождении его в стрессовой ситуации.
Рисунок 3 - Схема электрическая принципиальная модуля ЭМГ
Для фиксации данной ситуации электроды наносятся на его ладони или пальцы рук, в результате чего фиксируется изменение сопротивления его кожи по активности секреции (выделении) пота.
Датчик реализован на базе усилителя сопротивления (OTA), и работает путем пропускания постоянного тока через поверхность кожи (проводимость / сопротивление) , с последующей фиксацией, возникающего при этом напряжения.
Рисунок 5 - Схема электрическая принципиальная модуля ЭДА
Vout = (- ^ • Vcc + • Fss) • G,
Передаточная функция схемы ЭДА, т.е. зависимость его выходного напряжения, будет описываться следующим выражением:
где
Vout -выходное напряжение ЭДА, Rskin - сопротивление кожи, Vcc - входное напряжение ЭДА, Vss - напряжение питания микросхемы AБ8692, R - сопротивление токоограничительного резистора R1,
9 - проводимость кожи.
Значение сопротивления кожи Rskin изменяется в диапазоне от 1кОм до 500к0м при действии постоянного тока силой в несколько мкА. Однако, использование
R1 = 1МОм в предлагаемой схеме, обеспечивает более широкий диапазон измеряемых значений сопротивления кожи:
Кбк1п = 1кОм ^ Vout * Vсс; Кбк1п = 1МОм ^ Vout * 0.
Токоограничительный резистор R1 задает силу тока, протекающего по поверхности кожи человека. Для чего необходимо, чтобы Vcc = 3,3 В, Vss = 1,65 В и 9 = 2, при этом:
AG = G •
skin
= 2 •
1.65 мкА
■ = 1,03 мОм-1 ^AR = 970 Ом
Vcc-Vss
1.65 В
= 1,65 мкА
а К 1МОм
С учетом разрешающей способности выборки микроконтроллером (МК) в 10 бит/сек, можно получить минимальное допустимое значение напряжения, которое можно фиксировать при работе датчика:
= 231 = з,2 мВ
210-1
Тогда минимально допустимые значения проводимости и сопротивления, которые могут быть получены работе датчика схемы будут иметь значения:
Ду 3.2 мВ
Микроконтроллер ATmega328P, на базе которого реализованы модули контроля, питания и соединения, осуществляет управление питанием и всеми протекающими измерительными процессами. Основная задача блока управления заключается в физическом обеспечении работоспособности всей системы. МК (ATmega328P) обеспечивает доступ к периферийным устройствам.
Питание устройства осуществляется от источника постоянного тока напряжением +12 В. Так же возможна его работа от литиево-ионной батарея lipo 652535, у которой уровень номинальных значений соответственно составляет: напряжения +3,7 В и емкости 500 мА*ч. Управление зарядным устройством обеспечивается контроллером управления зарядом (MCP73831 [7]), использующего алгоритм заряда постоянного тока/ напряжения, и работающего с непрерывным мониторингом уровня напряжения батареи 4,8 В, и если уровень последней будет ниже уровня перезарядки (от Micro USB - обычно 4,2 В), начинается цикл зарядки. Схема зарядки устройства представлена на рисунке 6.
Процесс заряда осуществляется при отключении всей системы и подключении её к источнику питания через Micro-USB. Время полной зарядки не превышает 3 часов, продолжительность работы составляет одни сутки, этого достаточно при отключении от сети постоянного тока.
Рисунок 6 - Схема управления зарядным устройством
Центральный модуль и измерительный модуль питаются от источника постоянного тока напряжением +12 В, при силе тока потребления не более 2 А.
Блок питания центрального и измерительного модуля построен по принципу бесперебойного, что позволяет сохранить достаточно долго требуемый
уровень напряжения питания данного модуля от встроенной аккумуляторной батареи при отключении напряжения питания сети.
Следует отметить, что предлагаемая система может быть усовершенствована путём использования датчика пульса с фотоэлементом и акселерометра представленных в системе в виде наручного браслета [1]. Дополнительно, имеется возможность организации передачи оповещений через интернет на
удаленный сервер, путем подключения к предлагаемой системе GSM-модуля, так как используемый в системе GSM модем позволяет поддерживать пакетную передачу данных GPRS. Последнее позволит дополнительно организовать передачу сообщений человеку (пациенту) от лечащего врача о необходимости принятия тех или иных лекарственных препаратов по показаниям, получаемых в ходе анализа текущей ситуации.
ЛИТЕРАТУРА
1. Князьков А.В., Королев В.С., Чайковский В.М. «Система ОНЛАЙН-КОНТРОЛЯ ЗНАЧЕНИЙ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЗДОРОВЬЯ ЧЕЛОВЕКА С ПЕРЕДАЧЕЙ ПО КАНАЛУ GSM» Труды Международного симпозиума «Надежность и качество», 2017, том 2 стр. 148-150.
2. Популярная медицинская энциклопедия/ Под ред. Петровского Б.В. - М.: «Советская энциклопедия», 198 4
3. Пульс под контролем. Чем и зачем измерять пульс в движении. https://geektimes.ru/company/icover/blog/252054/
4. Как умные часы, спортивные трекеры и прочие гаджеты измеряют пульс? Часть 1 https://geektimes.ru/company/darta_systems/blog/246856/http://www.rlocman.ru/shem/schematics.html ?di=144220 _
5. Atmel-42735B-ATmega328/P_Datasheet_Complete-11/2016
6. One Technology Way, P.O. Box 9106, Norwood, MA 02062-9106, U.S.A 2008 Microchip Technology Inc.
УДК: 623.746-519
Баткаев Р.А., Жестков А.Е., Князьков А.В., Чайковский В.М.
ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия
РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ УЗЛОВ СИСТЕМЫ АЭРОПОНИКИ
Предлагается система, предназначенная для автоматизированного процесса выращивания растений в воздушной среде без использования почвы.
Ключевые слова:
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА, АЭРОПОНИКА, МИКРОКОНТРОЛЛЕР, ДАТЧИК
Системы аэропоники, предназначенные для без грунтового выращивания различных сельскохозяйственных культур, начинают в настоящее время приобретать всё большее распространение не только при проведении различных селекционных исследований в лабораторных условиях, но и используются в различных фермерских, тепличных хозяйствах, занимающимися выращиванием сельскохозяйственной продукции.
В [1] была предложена система для автоматизации процесса выращивания растений в теплицах методом аэропоники. Упрощенная структурная схема, которой приведена на рисунке 1. Суть данного подхода заключается в том, что культивируемое растение фиксируется опорной конструкцией 1, а их корневая система просто находится в воздушной среде и, с использованием туманообразую-щи:с форсунок 2, орошается питательным раствором.
Питательный раствор
Рисунок 1 - Структурная схема системы автоматизированного выращивания растений
Работой и функционированием данной системы, строго в соответствии с требуемой программой исследования, управляет микроконтроллер МК, алгоритм которой заносится в память МК на предварительном этапе.
Вся необходимая информация, как то: о значении температуры как окружающей среды, так и питательного раствора, о концентрации углекислого газа и уровне освещенности, формируемая датчиками Д1-4 поступает на МК, который начинает управлять работой ключа К и ШИМ-регуляторов ШИМ1-3 [3].
Ключ К предназначен для включения/выключения, посредством реле Р, насоса Н, осуществляющего подачу питательного раствора для орошения кор-
невой части растения. ШИМ-регуляторы осуществляют управление уровнем яркости свечения источников света различной цветовой гаммы, действие которых, согласно [4], оказывают значительное влияние на процесс роста растения.
В виду того, что в данной работе рассматривается подход к построению системы аэропоники, предназначенной для использования при проведении лабораторных исследований, направленных на отработку различных селекционных методик, то для освещения растений на этапе их роста, в качестве источников света предлагается использовать све-тодиоды как-то: красный (СК), синий (СС) и белый (СБ).
Устройство ввода/вывода информации УВВ предназначено для управления работой МК, а также для
