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Dispositivo para medida de variables corporales en aves y monitoreo GPS

Antonio Aguirre Núñez Página 1

Dispositivo para medida de variables corporales en

aves y monitoreo GPS.

Titulación : Ingeniero Superior de Telecomunicaciones.

Autor : Antonio Aguirre Núñez

Tutor : Antonio Jesús Torralba Silgado



Agradecimientos

A Antonio Torralba por darme la oportunidad de participar en este proyecto.

A Ricardo Labrador, y al grupo de ingeniería electrónica, por toda la ayuda y el

apoyo prestado.



Índice

1. Objeto ......................................................................................... 9

2. Antecedentes ............................................................................... 10

2.1 Medidas de variables corporales en aves................................... 10

2.2 Monitoreo de aves. .................................................................... 12

3. Fundamentos teóricos de las variables fisiológicas. ........................... 15

3.1. Temperatura corporal. .............................................................. 15

3.2 Pulso arterial ............................................................................ 17

4. Introducción ................................................................................ 19

4.1 Objetivo general ........................................................................ 19

4.2 Objetivos específicos .................................................................. 19

5. Estado del arte ............................................................................ 20

5.1 Redes de sensores inteligentes. ................................................... 20

5.2 Sensores de temperatura ........................................................... 23

5.3 Acelerómetros ........................................................................... 27

5.3.1Acelerómetro para medida del ritmo cardiaco. .......................... 30

5.4 GPS ......................................................................................... 34

6. Solución propuesta ....................................................................... 36

6.1 Introducción ............................................................................. 36

6.2. Especificaciones ....................................................................... 38

6.3 Solución Hardware..................................................................... 39

6.3.1 Componentes ...................................................................... 39

6.3.2 Diseño del Prototipo 1 .......................................................... 45

6.3.2.1 Diseño electrónico de la solución adaptada. ....................... 46

6.3.3 Diseño del prototipo 2 .......................................................... 55

6.3.3.1 Diseño electrónico de la solución adaptada. ....................... 56

6.4 Solución software. ..................................................................... 71

6.4.1 Introducción ........................................................................ 71

6.4.2 El Bus I2C ........................................................................... 73

6.4.3 Programación ...................................................................... 75

6.4.3.1 Configuración del sensor de temperatura. ......................... 76

6.4.3.2 Configuración del acelerómetro. ....................................... 81



6.4.3.3 Configuración del GPS. .................................................... 89

7. Validación ................................................................................... 91

7.1 Sensor de temperatura .............................................................. 91

7.2 Acelerómetro ......................................................................... 91

7.3 GPS ...................................................................................... 92

8. Conclusiones y trabajo futuro. ....................................................... 93

9. Referencias ................................................................................. 95

10. ANEXO I Diseño en Altium. Creación de una biblioteca. .................. 97

11. ANEXO II PROCESOS FÍSICOS .................................................. 102

12.ANEXO III Código ........................................................................ 106

13. ANEXO IV. ESQUEMÁTICOS ......................................................... 118



Índice de ilustraciones

Ilustración 1 Electrocardiograma típico de un ave .................................. 11 Ilustración 2 Producción de calor respecto a la temperatura ambiente ...... 16 Ilustración 3 Complejo QRS ................................................................ 17 Ilustración 4 Arquitectura de una red de sensores inteligente .................. 20 Ilustración 5 Termopar ....................................................................... 23 Ilustración 6 Termorresistencia ............................................................ 24 Ilustración 7 Termistores .................................................................... 25 Ilustración 8 Modelo para monitoreo de temperatura .............................. 26 Ilustración 9 Acelerómetro mecánico .................................................... 27 Ilustración 10 Acelerómetro piezoeléctrico ............................................ 28 Ilustración 11 Acelerómetro piezorresistivo ........................................... 28 Ilustración 12 Acelerómetro capacitivo ................................................. 29 Ilustración 13 Método para la medida de la frecuencia cardiaca ............... 30 Ilustración 14 Comparativa ECG/acelerómetro ....................................... 31 Ilustración 15 Señal original extraída del iPhone .................................... 32 Ilustración 16 Señal extraída del iPhone tras filtro paso alta .................... 32 Ilustración 17 Señal rectificada ............................................................ 33 Ilustración 18 Ondas R medidas con el iPhone ....................................... 33 Ilustración 19 Esquema de la solución propuesta ................................... 36 Ilustración 20 LPC1114 ....................................................................... 40 Ilustración 21 MCP9804 ...................................................................... 41 Ilustración 22 MMA8450Q ................................................................... 42 Ilustración 23 RMX-GPS-SR ................................................................. 43 Ilustración 24 Memoria EEPROM 24LC512 ............................................. 44 Ilustración 25 Prototipo. Zona 0. Conexiones......................................... 46 Ilustración 26 Prototipo. Zona 1. Acelerómetro ...................................... 48 Ilustración 27 Prototipo. Zona 2. Temperatura ...................................... 49 Ilustración 28 Prototipo. Zona 3. Regulador .......................................... 50 Ilustración 29 Prototipo. Zona 4. EEPROM ............................................. 52 Ilustración 30 PCB prototipo ................................................................ 53 Ilustración 31 Prototipo completo ........................................................ 54 Ilustración 32 Placa de sensores. Zona 0. Conexiones ............................ 56 Ilustración 33 Placa de sensores. Zona 1. Acelerómetro .......................... 58 Ilustración 34 Placa de sensores. Zona 2. Sensor de temperatura ............ 59 Ilustración 35 Placa del microcontrolador. Zona 0. Conexiones ................ 60 Ilustración 36 Placa del microcontrolador. Zona 1. Microcontrolador ......... 61 Ilustración 37 Placa del microcontrolador. Zona 2. Reloj y pines de programación .................................................................................... 63 Ilustración 38 Placa del microcontrolador. Zona 3. Regulador. ................. 64 Ilustración 39 Placa del microcontrolador. Zona 4. EEPROM y pullup. ....... 65 Ilustración 40 Placa del microcontrolador. Zona 5. GPS .......................... 66



Ilustración 41 Placa de sensores. PCB .................................................. 67 Ilustración 42 Placa de sensores completa ............................................ 68 Ilustración 43 Placa del microcontrolador. PCB ...................................... 69 Ilustración 44 Placa del microcontrolador completa ................................ 70 Ilustración 45 Algoritmo de funcionamiento .......................................... 71 Ilustración 46 Trama Bus I2C .............................................................. 74 Ilustración 47 Registro de resolución .................................................... 76 Ilustración 48 Registro de temperatura ................................................. 77 Ilustración 49 Registros TUPPER, TLOWER y TCRIT ......................................... 78 Ilustración 50 Registro de configuración ............................................... 79 Ilustración 51 Condiciones para detección de pulso ................................ 81 Ilustración 52 Registro de control de sistema 1 ..................................... 82 Ilustración 53 Registro de configuración de pulso ................................... 82 Ilustración 54 Registro valor límite pulso en eje Z .................................. 83 Ilustración 55 Registro de límite de tiempo de pulso ............................... 84 Ilustración 56 Registro de latencia de pulso .......................................... 84 Ilustración 57 Registro de control de las interrupciones .......................... 85 Ilustración 58 Registro de habilitación de interrupciones ......................... 85 Ilustración 59 Registro de configuración de interrupción ......................... 86 Ilustración 60 Diagrama de flujo de la rutina del acelerómetro ................ 87 Ilustración 61 Rutina de obtención de localización .................................. 90 Ilustración 62 Esquema y Huella MMA8450Q según Datasheet................. 98 Ilustración 63 Esquema y huella de MMA8450Q en Altium ....................... 98 Ilustración 64 Esquema y huella MCP9804 según Datasheet .................... 99 Ilustración 65 Esquema y Huella MCP9804 en Altium ............................. 99 Ilustración 66 Esquema y huella 24LC512 según Datasheet .................. 100 Ilustración 67 Esquema y huella 24LC512 en Altium ............................ 100 Ilustración 68 Esquema y huella del pin de conexión ............................ 101 Ilustración 69 Fotolito ...................................................................... 103 Ilustración 70 Placa PCB ................................................................... 104 Ilustración 71 Placa completa ............................................................ 105



Índice de tablas

Tabla 1 Temperatura normal de distintas especies ................................ 16 Tabla 2 Pulsaciones en estado normal de distintas especies .................... 18 Tabla 3 Características destacables del microcontrolador ........................ 39 Tabla 4 Características de operación del MCP9805 ................................. 40 Tabla 5 Características de operación del acelerómetro MMA8450Q ........... 42 Tabla 6 Características de operación del RXM-GPS-SR ............................ 43 Tabla 7 Características de operación de 24LC512 ................................... 44 Tabla 8 Formato de datos de localización GPS ....................................... 89



1. Objeto

Este proyecto se realiza en el marco del proyecto de fin de carrera de

Ingeniería superior de telecomunicaciones.

En él se describe la implementación de un sistema de recogida de datos de

variables corporales, así como localización geográfica, pensado para aves de gran

tamaño. Se pretende que estos datos puedan obtenerse de forma no invasiva y

continúa, para evitar en la medida de lo posible que afecte al ave.

Para este propósito, en lugar de los métodos tradicionales se pretende utilizar

distintos sensores que, colocados convenientemente en el cuerpo del ave, nos den

una estimación tanto de su temperatura como de su frecuencia cardiaca.

Asimismo se desea integrar un módulo GPS para realizar un monitoreo de la

localización del animal.



2. Antecedentes

En este apartado se hará una breve descripción de los distintos métodos que

existen para el control y monitoreo en aves.

2.1 Medidas de variables corporales en aves

El estudio de los hábitos de ciertas aves, así como su conservación, es un

tema de interés en distintas áreas de la biología.

El estudio de las variables corporales de las aves de forma no presencial es

un tema poco desarrollado actualmente, siendo necesaria la captura y enjaulado

del ave en cuestión para la toma de las medidas. [1]

Para la toma de temperatura se utilizan termómetros humanos para las

aves menores y termómetro veterinario para especies mayores.

El ritmo cardiaco puede ser medido de distintas formas:

a) Directamente con un estetoscopio o un monitor de ritmo cardiaco.

Este método es no invasivo pero es necesaria la captura del animal. Esta captura

y posterior enjaulado puede suponer cambios en las variables medidas por lo que

puede no ser fiable.



b) Electrocardiograma: Permite obtener un registro gráfico de la

actividad eléctrica del corazón. En las aves, al igual que en los mamíferos,

se utiliza un sistema de 6 derivaciones.

Ilustración 1 Electrocardiograma típico de un ave

c) Telemetría implantada. Se hará necesaria una intervención quirúrgica

tal como un cateterismo para la toma de datos, siendo esta una de las cosas que

queremos evitar.



2.2 Monitoreo de aves.

Durante mucho tiempo la observación directa fue el único método para

estudiar los hábitos de las aves.

Hoy en día se han desarrollado distintos métodos para ello, los cuales se

detallan a continuación. [2]

a) Censos:

-Censos desde punto fijo: Mediante la observación directa, un individuo debe

reconocer las aves por su forma, color o canto.

El observador realiza un recuento, durante un determinado tiempo el número de

aves observadas.

-Censos a lo largo de un transecto: El observador camina a ritmo constante

atravesando la zona de interés y apuntando el número de aves observadas.

b) Capturas con redes de niebla:

Son redes especiales elaboradas con hilos muy delgados.

Las aves atrapadas en ellas son retiradas para su examen y posterior liberación.



c) Marcación de individuos:

Se utiliza en investigaciones donde es necesario el reconocimiento de un

individuo concreto para su estudio o seguimiento.

El método más usado es el anillamiento, que consiste en colocar anillos

metálicos o de plástico en las patas de las aves.

d) Telemetría para aves:

Los avances tecnológicos han permitido recientemente el uso de transmisores

radio para estudiar los movimientos y la localización de distintas especies.

En Colombia, se utilizó la telemetría para el estudio de los hábitos del cóndor

andino, actualmente en peligro de extinción.

Se liberaron cóndores criados en cautividad a los que les fijaron

radiotransmisores con el fin de estudiar sus movimientos y supervivencia.

En Castellón, se utilizó la telemetría para el seguimiento de la migración

del aguilucho cenizo [3]. Esta ave pesa una media de 250 gramos.

A finales de 2005, Microwave Telemetry lanzó al mercado emisores de

satélite de 9.5 gramos de peso, los cuales permitieron este estudio.

Las localizaciones de los aguiluchos fueron obtenidas mediante el Sistema

Argos, un conjunto de satélites que localiza el origen de las fuentes gracias al

Efecto Doppler.

Con el conjunto de localizaciones obtenidas se pudieron diferenciar fases

migratorias y premigratorias.



Además, gracias al sistema Argos se pudo determinar la altura de vuelo de estas

aves en migración y su velocidad media.



3. Fundamentos teóricos de las variables fisiológicas.

En este apartado se va a realizar una breve descripción de las variables de

interés, así como del rango en el que se encuentran comprendidas para los sujetos

a estudiar, en nuestro caso las aves. [4]

3.1. Temperatura corporal.

Es la medida del grado de calor de un organismo. Es un factor de alta

importancia para la supervivencia de los seres vivos.

Se pueden diferenciar dos tipos:

a) Temperatura central: Representa la temperatura media de los órganos

vitales.

b) Temperatura superficial: Es la temperatura a la que se encuentra el

tejido cutáneo. Puede sufrir variaciones dependiendo del ambiente.

En la tabla 1 se muestran las temperaturas mínimas y máximas en estado normal

de distintas especies.



ESPECIES

TEMPERATURA MÍNIMA

TEMPERATURA MÁXIMA

Bovinos 38ºC 39ºC

Equinos 37ºC 38ºC

Caninos 37.5ºC 38.5ºC

Conejos 38.5ºC 39.5ºC

Ovicaprinos 38ºC 40ºC

Cerdos 38ºC 39.5ºC

Aves 40ºC 43ºC

Humanos 36.5ºC 37.5ºC

Tabla 1. Temperatura normal de distintas especies

La temperatura corporal del ave puede variar según la temperatura

ambiente, pudiendo llegar a causar la muerte en casos críticos [5]. Es por ello que

mantendremos una vigilancia de la temperatura.

Ilustración 2 Producción de calor respecto a la temperatura ambiente



3.2 Pulso arterial

Denominada frecuencia cardíaca, es la onda originada por la contracción

del ventrículo izquierdo del corazón. Representa el rendimiento del latido

cardiaco, que es la cantidad de sangre que entra en las arterias con cada

contracción.

Al medirla con un electrocardiograma, se puede comprobar que el latido

está compuesto por tres ondas, lo que se conoce como el complejo QRS.

Ilustración 3 Complejo QRS

Para calcular la frecuencia cardiaca será suficiente conocer la distancia entre las

ondas R, lo que se conoce como la serie R, o bien detectar cada uno de los

momentos en los que ocurre.

En la tabla 2 se muestran los valores típicos de la frecuencia cardíaca de las

distintas especies.



ESPECIES

PULSACIONES MÍNIMAS

PULSACIONES MÁXIMAS

Bovinos 60 80

Equinos 28 40

Caninos 60 120

Conejos 110 130

Ovicaprinos 60 80

Cerdos 60 80

Aves 120 300

Humanos 60 80

Tabla 2. Pulsaciones en estado normal de distintas especies

El corazón de un ave es similar al de los mamíferos, posee cuatro cámaras,

dos de ellas muy inferiores en tamaño. Permanece apoyado en el esternón,

cualidad que lleva a pensar la posibilidad de medir la frecuencia cardiaca

mediante el uso de un acelerómetro.



4. Introducción

Para la realización de este proyecto, se han marcado los siguientes objetivos:

4.1 Objetivo general

El objetivo de este proyecto es el desarrollo de un dispositivo de medidas

de variables corporales para aves, inalámbrico y no invasivo, y con capacidad de

monitoreo.

4.2 Objetivos específicos

En concreto, se pretende desarrollar una placa controlada por un

microcontrolador que mida la temperatura a través de un sensor de temperatura

en contacto con la piel y que mida la frecuencia cardiaca haciendo uso de un

acelerómetro.

Además, deberá recoger los datos de localización del GPS.

Se pretende que este dispositivo pueda ayudar en distintas tareas de la

biología, tales como el control de especies en peligro de extinción o la vigilancia

durante la reintroducción en hábitats de algunos animales.



5. Estado del arte

5.1 Redes de sensores inteligentes.

Se llaman así a las redes formadas por una serie de transductores que aportan

más información que la pensada en su propósito original. Esto se consigue

mediante el tratamiento de la información recibida a través de ellos con un

microprocesador.

Además, poseen un módulo de transmisión de datos, normalmente

inalámbrico, lo cual dota a la red de máxima autonomía.

Una vez obtenida la medida deseada, la red envía el dato a través de una

pasarela. La arquitectura de las redes de sensores inteligentes se muestra en la

Ilustración 4.

Ilustración 4 Arquitectura de una red de sensores inteligente



Cada nodo sensor se compone de una mota, microprocesador y enlace de

radio, y los sensores.

Algunas de las características más interesantes de estas redes son su facilidad

de despliegue, la utilización de nodos de muy bajo consumo, su tamaño reducido

y su bajo costo.

Las aplicaciones de las redes de sensores inteligentes son muy variadas: [6]

a) Aplicaciones militares: El estudio de las redes de sensores inteligentes

comenzó en el ámbito militar. Sus características y el hecho de no

necesitar atención humana las hacían muy interesantes en este sector. Las

redes de sensores pueden ser montadas en vehículos no tripulados para

coordinarlos o ser usadas para la detección de peligros, entre otras.

b) Aplicaciones en la agricultura: En este ámbito han tenido una gran

repercusión. Pueden ser usadas para múltiples tareas, como pueden ser el

control de la calidad del agua, el control de riego, la medida de los

parámetros ambientales o la gestión de alarmas.

c) Aplicaciones en el medio ambiente: En este ámbito se emplean este tipo

de redes para el seguimiento y monitorización de distintas variables

asociadas a él. Por ejemplo, pueden ser útiles para la detección de

incendios o inundaciones.

d) Aplicaciones en automoción: Actualmente la mayoría de los avances en

automoción no serían posibles sin las redes de sensores. Los sistemas

modernos de gestión del motor, el airbag o el ABS son todos gestionados

usando sensores.



e) Aplicaciones domóticas: Existen infinidad de uso de estas redes para

aplicaciones domóticas, como la optimización de recursos energéticos, la

gestión de la seguridad del hogar o la mejora de las comunicaciones.

f) Aplicaciones en el monitoreo de estructuras: Enfocadas principalmente

al control y detección de vibraciones en distintas estructuras, tales como

puentes o grandes edificios.

g) Aplicaciones en la medicina: La utilización de estas redes para la medida

de las variables fisiológicas [7] permite la monitorización continua de

pacientes, evitando desplazamientos y molestias en general al individuo.

Dependiendo de las necesidades de cada paciente se pueden implementar

distintas redes de sensores que satisfagan estos requerimientos. Uno de los

objetivos deseados de estos sensores es que se adapten al paciente,

evitando en la medida de lo posible molestias tales como la colocación de

cables a lo largo del cuerpo.

Para este proyecto, los sensores utilizados serán un acelerómetro, un sensor

de temperatura y un GPS que serán coordinados por un microcontrolador.

Aunque no se aborda el problema de la transmisión de datos, este se plantea para

el futuro, así como la intercomunicación de varios de estos dispositivos para

formar una red con la que poder obtener datos interesantes para el mundo de la

biología.



5.2 Sensores de temperatura

La temperatura corporal es uno de los parámetros de mayor importancia en lo

relativo a la salud. Una estimación de esta variable permitirá conocer en gran

parte el estado del animal. Para conseguir la monitorización de esta variable, se

utilizará un sensor de temperatura.

Existen diversos tipos de sensores para la medida de la temperatura, divididos

según su modo de funcionamiento [8]. Los principales son:

a) Los termopares: Se trata de dos hilos conductores de distinto material,

por ejemplo hierro y cobre, unidos por los extremos. En el punto de unión,

el aumento de temperatura genera un voltaje que puede medirse y a partir

de él estimar la temperatura.

Existen distintos tipos de termopar, dependiendo del material del que se

fabriquen.

Uno de los principales problemas de los termopares es que al unirlos a un

conductor normal de cobre se generan nuevos puntos donde la temperatura

generará un voltaje adicional.

Para compensar este efecto se debe colocar un sensor adicional que mida

la temperatura en el punto de unión con el cobre para cuantificar el efecto

de la temperatura en la unión, corregir y obtener la temperatura real.

Ilustración 5 Termopar



b) Termorresistencia: Basada en el principio de que la resistencia de un

material varía según la temperatura a la que se encuentre expuesto.

Esta variación se puede medir mediante un circuito con una fuente de

alimentación y un instrumento de medida, tal como un amperímetro.

Las termorresistencias más comunes, y las más precisas, están construidas

con platino.

Usualmente se fabrican a partir de alambres muy finos del material que se

haya elegido y se recubren de un material aislante.

Ilustración 6 Termorresistencia

c) Termistores: Su funcionamiento es similar al de las termorresistencias

pero son más económicos. Se fabrican con un semiconductor que actúa

como resistor térmico.

Posee una sensibilidad muy elevada, cambios mínimos de temperaturas

provocan grandes cambios en su resistencia.

Se puede utilizar para medir la temperatura tanto de gases como de

líquidos o sólidos.



Debido a que no tienen un comportamiento lineal es necesario añadir un

circuito de linealización.

La principal ventaja de los termistores es la posibilidad de medir

temperaturas en un rango muy pequeño con gran precisión.

Ilustración 7 Termistores

d) Termómetros infrarrojos : Se basan en la medida de la radiación

infrarroja emitida por los objetos. Debido a que no es necesario el

contacto directo con el objeto, resulta muy útil para la medida de la

temperatura en zonas de difícil acceso o en componentes muy frágiles.

La principal desventaja es que la medida de la radiación infrarroja puede

verse condicionada por factores externos.



Para este proyecto se ha elegido un sensor de temperatura del tipo

termistor por ser la opción más económica además de presentar características de

sensibilidad que lo hacen apto para el propósito de este proyecto.

En el campo que ocupa a este proyecto, se ha utilizado con exito un sensor

de temperatura para el monitoreo inalámbrico de bebés [9].

El sistema se basa en un sensor de temperatura pegado al cuerpo del bebé

controlado por un microcontrolador y unido a un transmisor RF. En el lado

opuesto se coloca el receptor RF unido a un microcontrolador que representa los

resultados en un display de cristal líquido.

Ilustración 8 Modelo para monitoreo de temperatura



5.3 Acelerómetros

Un parámetro fisiológico importante también es la frecuencia cardiaca. Se pretende controlar el estado del ave a través de la monitorización de esta. Para ello, se marca como objetivo la estimación de la frecuencia cardiaca a través de un acelerómetro.

Los acelerómetros son dispositivos que miden la aceleración de un objeto basándose en la fuerza que afecta a una masa inercial interna.

Según su modo de funcionamiento se pueden encontrar distintos tipos: [10]

a) Acelerómetros mecánicos: Se basan en medir la deformación de un resorte unido a una masa inercial. Para medir esta deformación se utilizan galgas extensométricas, que son dispositivos que permiten calcular la variación de la estructura del material por su cambio de resistencia.

Ilustración 9 Acelerómetro mecánico

b) Acelerómetro piezoeléctrico: La piezoelectricidad es la propiedad de algunos cristales por la cual cambian sus propiedades eléctricas en presencia de una fuerza. Colocando una masa inercial sobre uno de estos cristales, y al aplicar una fuerza, este genera una corriente que es proporcional a la fuerza aplicada. Midiendo esta corriente podremos determinar la aceleración.



Ilustración 10 Acelerómetro piezoeléctrico

c) Acelerómetro piezorresistivo: Su funcionamiento es similar al de los acelerómetros piezoeléctricos, pero en lugar de colocar un cristal se utiliza un sustrato. Al aplicar una fuerza sobre la masa, el sustrato sufre un cambio en su resistencia. Este cambio es el usado para determinar la aceleración.

Ilustración 11 Acelerómetro piezorresistivo



d) Acelerómetros capacitivos: Se basa en la variación de la capacidad de un condensador de placas paralelas al cambiar la posición relativa de estas. La aceleración provoca un acercamiento entre las placas que hace variar la capacidad. Midiendo esta variación se determina la aceleración.

Ilustración 12 Acelerómetro capacitivo

Para este proyecto se ha elegido un acelerómetro del tipo capacitivo. Este acelerómetro presenta una gran facilidad de uso, ha sido comprobado en otros proyectos y su precio es muy bajo.



5.3.1Acelerómetro para medida del ritmo cardiaco.

El acelerómetro para la medida del ritmo cardiaco ha sido hasta ahora únicamente utilizado en humanos. Es una técnica relativamente nueva y por lo tanto no existen muchos estudios sobre ella.

Uno de los primeros artículos sobre este tema postula la posibilidad de medir la frecuencia cardiaca con un acelerómetro a un sujeto tumbado [11].

Un acelerómetro de dos centímetros de ancho es colocado en un edredón y el sujeto es cubierto con él, tal y como se muestra en la ilustración 13.

Ilustración 13 Método para la medida de la frecuencia cardiaca

Originalmente el estudio se pensó para medir la frecuencia cardiaca del sujeto tumbado bocarriba, pero se pudo comprobar que al girar el sujeto con el edredón el eje involucrado del acelerómetro no cambia y por tanto la medida también es fiable. De hecho, la variable más importante que puede afectar a las medidas es la distancia del edredón al corazón.

El acelerómetro instalado en el edredón detecta la vibración mecánica producida por los latidos del corazón.

Para validar la información se utilizó un electrocardiógrafo a la vez que el acelerómetro durante 5 minutos, obteniéndose gráfica mostrada en la Ilustración 14.



Ilustración 14 Comparativa ECG/acelerómetro

Basándose en las ondas R, se determinó que las señales son similares en un 99% en el caso del sujeto bocarriba y en un 93% en el caso de el sujeto tumbado lateralmente.

A continuación se procedió a probar el método en un sujeto a lo largo de una noche entera, obteniéndose una eficiencia del 87%. Esto es debido a que en algunos periodos durante el sueño la contaminación debido a los movimientos del sujeto hace imposible esta medida.

Tomando como base el proyecto anteriormente explicado, se ha conseguido extraer la señal de ritmo cardiaco con el acelerómetro integrado en los teléfonos iPhone [12].

Para conseguirlo, es necesaria la inmovilidad del sujeto durante la recogida de datos. Usando el eje Z del acelerómetro, los datos son tomados con el teléfono colocado justo encima de la cavidad torácica.

La señal extraída se muestra en la Ilustración 15:



Ilustración 15 Señal original extraída del iPhone

Esta señal es tratada como se detallará a continuación y comparada con un umbral fijo para determinar los latidos.

Como se puede observar en la gráfica, está centrada en -1g. Esto es debido a que dada la posición en la que se encuentra el iPhone, la componente de la gravedad está presente. Para eliminarla se utiliza un filtro Butterworth paso de alta con frecuencia de corte de 4Hz, obteniendo entonces:

Ilustración 16 Señal extraída del iPhone tras filtro paso alta

Por la posición en la que se encuentra el teléfono, las partes positivas se corresponden con las ondas Q y S, innecesarias para la medida de la frecuencia cardiaca por lo que se procede a una rectificación de la onda, forzando a 0 todos los valores positivos.



Ilustración 17 Señal rectificada

Finalmente para suavizar la señal y eliminar en la medida de lo posible el ruido, se utiliza un filtro Butterworth paso de baja con frecuencia de corte de 3 Hz.

Tras esto e invirtiendo la señal se obtiene la señal deseada.

Ilustración 18 Ondas R medidas con el iPhone

La medida de la frecuencia cardiaca se completa corrigiendo los posibles errores, es decir, latidos que no hayan sido detectados y ruido que haya sido detectado como latido.

Esto se consigue midiendo la distancia entre latidos de los cinco latidos anteriores al actual y calculando su media. Si la distancia actual es superior a dos veces la media, se supone que existe un latido no detectado y se procede a corregirlo. En el caso de que la distancia actual sea menor a la mitad de la media, se supone que existe un ruido que ha sido detectado como latido, y se procede a eliminarlo de la señal.



5.4 GPS

El GPS, sistema de posicionamiento global, permite determinar la posición de un objeto, animal o persona con tan solo uno pocos metros de rango de error.

Funciona con una red de 24 satélites. Cuando se quiere determinar la posición se utilizan al menos tres de ellos, calculando la distancia a la que se encuentra cada uno y triangulando en consecuencia.

En materia de localización relacionada con la seguridad, como es el caso que nos ocupa con las aves, se ha desarrollado un prototipo de uniforme de pescador con un dispositivo GPS integrado [13].

Este uniforme posee además un transmisor GSM que avisará al barco en caso de caída al agua, utilizando el GPS para determinar la localización y permitir un rescate lo más rápido posible.

Relacionado con el monitoreo de animales, se ha utilizado el GPS para la monitorización del pastoreo de reses de lidia [14]. El dispositivo, colocado en el cuello del animal, permite realizar distintos estudios estadísticos sobre los hábitos de estos animales. Este proyecto está enfocado principalmente al estudio de variables tales como el estrés en distintas etapas de la vida del animal, utilizando el GPS para determinar la posición del animal y con esta saber la actividad que está realizando. Como la gran mayoría de proyectos relacionados con animales, se preocupa principalmente del bienestar de estos.

El sistema GPS se ha utilizado también en rebaños de ovejas para el control en granjas ecológicas [15]. Utilizando el GPS se pudo calcular la velocidad de desplazamiento de las ovejas y sus lugares de concurrencia. Además se delimitó un perímetro y se dotó al sistema de la posibilidad de enviar un SMS en caso de que alguno de los animales lo traspasará. El sistema permite al granjero conocer la posición de cada ejemplar en todo momento y así mantener un control de estos.

En el caso de las aves, se ha utilizado el GPS para controlar el Cóndor de California en Baja California [16]. Para ello, se utilizan transmisores fabricados por Microwave Telemetry, de unos 45 gramos de peso, que no afectan apenas al vuelo del Cóndor. Se tratan de transmisores satelitales PTT100, los cuales funcionan a través del sistema de satélites Argos. Además de poseer un bajo consumo, son alimentados con energía solar lo que permite su utilización durante



largos periodos de tiempo. Además, el sistema utilizado permite determinar la altura y velocidad del cóndor, pudiendo así averiguar datos útiles para el estudio, tales como lugares de anidamiento o zonas de mayor concurrencia.

En 2011 se puso en marcha uno de los proyectos más ambiciosos respecto al monitoreo de aves, el proyecto Migra. [17] Este proyecto pretende conocer los hábitos migratorios de distintas especies, así como los hábitos de reproducción, su fidelidad a rutas migratorias anteriores o sus cambios de patrones en relación con el cambio climático. Se utilizan tres tipos de localizadores:

a) Emisor satélite: Funciona con el sistema Argos, existiendo dos tipos, un emisor satélite que no incorpora GPS, cuyo peso es de alrededor de unos 5 gramos y el emisor satélite que incorpora GPS, de unos 22 gramos. Este tipo de emisor envía la información de la localización en tiempo real.

b) Data Logger GPS: Incorpora un GPS y almacena la información de la localización durante el tiempo que dure el estudio. No dispone de medio de envio de datos y es necesaria la recaptura del animal para obtenerlos.

c) Geolocalizadores: Detectan el amanecer y el anochecer y estiman la localización en función de las horas de luz según la fecha.

En este proyecto se va a usar el GPS para el monitoreo por ser el medio más efectivo a la hora de determinar la localización en tiempo real.



6. Solución propuesta

6.1 Introducción

La solución propuesta consiste en la realización de un dispositivo del mínimo tamaño posible que contenga un sensor de temperatura y un acelerómetro para la medida de la frecuencia cardiaca.

Además, se pretende utilizar un módulo GPS para el monitoreo.

El esquema de la solución propuesta se muestra en la Ilustración 19:

Ilustración 19 Esquema de la solución propuesta



El bloque de sensores poseerá un sensor de temperatura que será el encargado de determinar la temperatura corporal del ave y de enviar una alerta en caso de salir de un rango de temperaturas programado y un acelerómetro con el que se pretende medir el ritmo cardiaco.

El bloque del GPS será el encargado de determinar la posición del ave.

La misión del bloque del microcontrolador será coordinar la recogida de datos de los sensores, del GPS, así como de proporcionar la alimentación a cada sensor.

Los bloques de batería y envío de datos no serán abordados en este proyecto.



6.2. Especificaciones

Las especificaciones que se deben cumplir son las siguientes:

El dispositivo debe medir la temperatura corporal del ave con un margen de error bajo.

El dispositivo debe estimar la frecuencia cardiaca de forma no invasiva.

El dispositivo debe proporcionar la localización del ave en el momento de la toma de medidas.

A pesar de que es un dispositivo pensado para aves de gran tamaño, el bienestar del animal es un factor importante. Por lo tanto, se plantea realizar un dispositivo de un tamaño inferior a 30 centimetros cuadrados y un peso no superior a 100 gramos.

Con el fin de dotar al dispositivo de una autonomía larga, mayor de un año, se debe reducir al mínimo el consumo de batería.

Como añadido, este dispositivo debe ser de bajo coste para permitir la fabricación de varias unidades para el control de distintas aves.



6.3 Solución Hardware

6.3.1 Componentes

a) Microcontrolador

El microcontrolador que se ha elegido es el LPC1114 fabricado por NXP semiconductors.

Es un microcontrolador basado en la arquitectura ARM Cortex-M0. Los Cortex-M0 son actualmente los microcontroladores más eficientes del mercado, debido a su bajo consumo y a sus prestaciones.

Las características más destacables para este proyecto se detallan en la Tabla 3:

Frecuencia de operación 50 MHz

Alimentación De 1.8V a 3.6 V

Consumo de corriente 7mA

Memoria flash 56Kb

Pines de propósito general 42

Timers 4

Comunicación serie 1 UART

Comunicación serie 1 BUS I2C

Tabla 3. Características destacables del microcontrolador



Ilustración 20 LPC1114

b) Sensor de temperatura

Para la recogida de los datos de temperatura se ha elegido para el proyecto el MCP9804 de Microchip.

Las características principales que han llevado a elegir este sensor son:

-Tamaño muy reducido.

-Sensibilidad ajustable.

-Rango de medidas desde -40ºC hasta los 125ºC.

-Intervalo de error típico de 0.25ºC.

Las características de operación de este dispositivo se muestran en la Tabla 4.

Rango de alimentación De 2.7V a 5.5V

Corriente de operación 200µA

Corriente en modo shutdown 0.1 µA

Tabla 4. Características de operación del MCP9804



Como una de las principales motivaciones del proyecto es la salud y bienestar de los animales, se utilizará una función de alerta integrada en este dispositivo.

A través de un pin destinado para ello, el sensor mandará una interrupción en caso de que la temperatura salga del rango 39.5ºC -43.5ºC. Se ha añadido al intervalo típico en el que debe estar la temperatura central del animal 0.5ºC para tener en cuenta las posibles fluctuaciones ambientales.

Ilustración 21 MCP9804

c) Acelerómetro

Para las lecturas del ritmo cardiaco, el acelerómetro elegido es el MMA8450 de Freescale semiconductor.

Las principales características por las que fue elegido son:

-Bajo consumo.

-Programación por bus I2C.

-Medida de aceleración en los tres ejes.

-Sensibilidad seleccionable 2g/4g/8g.

-Montaje superficial.






Corriente en modo shutdown < 1 µA

Tabla 5. Características de operación del acelerómetro MMA8450

Ilustración 22 MMA8450Q

Se utilizará la función integrada en el acelerómetro llamada “Detector de pulsos”. Esta función permite, configurando correctamente los parámetros, detectar una aceleración que dure un periodo de tiempo determinado, descartando así movimientos continuos y la gravedad.

Para determinar el número de latidos, haremos un recuento del número de latidos detectados durante diez segundos. Tras correcciones posteriores y promediado se podrá conocer el ritmo cardiaco.

d) GPS

El GPS elegido es el RXM-GPS-SR de Linx Technologies. Las principales características por las que ha sido elegido son:

-Bajo consumo.



-Alta sensibilidad.

-Antena integrada, sin necesidad de componentes RF externos.

-No es necesaria su programación.


Rango de alimentación De 3 V a 4.3V

Corriente de operación 31mA

Corriente en modo shutdown < 0.1 mA

Tabla 6. Características de operación del RXM-GPS-SR

Ilustración 23 RMX-GPS-SR

e) EEPROM

Aunque no se utiliza en este proyecto, se ha añadido una memoria EEPROM 24LC512 para posibles futuras ampliaciones.






Corriente en modo shutdown 1 µA

Tabla 7. Características de operación del MMA8450

Ilustración 24 Memoria EEPROM 24LC512



6.3.2 Diseño del Prototipo 1

En primer lugar, se diseñó un prototipo de pruebas. En esta fase, el microcontrolador será programado a través de una placa de evaluación, y la placa de sensores contará con un acelerómetro, un sensor de temperatura y una memoria EEPROM. En este primer prototipo no se contempla el uso del GPS.

A continuación se detalla el diseño de esta placa.



6.3.2.1 Diseño electrónico de la solución adaptada.

6.3.2.2.1 Circuito

Para abordar el diseño de este circuito, se ha dividido en distintas zonas que serán detalladas a continuación.

a) Zona 0. Conexiones.

Es la parte encargada de comunicar los pines relevantes de los sensores al microcontrolador.

Ilustración 25 Prototipo. Zona 0. Conexiones

Se muestra a continuación una breve descripción de cada uno de los pines:



Pin 1: Alimentación. Irá conectado a uno de los pines de 3.3 V de los que dispone el microcontrolador.

Pin 2: Tierra. Irá conectado a una de las referencias disponibles en el microcontrolador.

Pin 3: Alert. Es el pin a través del cual enviaremos una interrupción en caso de que la temperatura medida salga del rango establecido. Irá conectado a uno de los GPIO del microcontrolador.

Pin 4: SDA. Es la línea de datos del bus I2C. Irá conectado al pin destinado al SDA del bus I2C de nuestro microcontrolador.

Pin 5: SCL. Es la línea de reloj del bus I2C. Irá conectado al pin destinado al SLC del bus I2C de nuestro microcontrolador.

Pin 6: INT1. Es el pin a través del cual el acelerómetro enviará una interrupción cada vez que detecte un pulso, en nuestro caso un latido. Irá conectado a uno de los GPIO del microcontrolador.



b) Zona 1. Acelerómetro.

Es la parte del circuito destinada al acelerómetro, el cual medirá la frecuencia cardiaca.

Ilustración 26 Prototipo. Zona 1. Acelerómetro

Dado que esta placa debe estar en contacto directo con la piel del animal, una de las caras debe ser totalmente lisa. Es por ello que serán necesarias resistencias puente para poder realizar el rutado sin utilizar vías.

Se trata de Resistencias SMD0805, de montaje superficial, cuyo valor nominal es de 0 Ohmios.

Además se pueden observar en esta zona las resistencias de pull-up, necesarias para mantener a nivel alto el bus I2C y los condensadores de desacoplo asociados al acelerómetro.



c) Zona 2. Temperatura.

Es la zona dedicada al sensor de temperatura MCP9804.

Ilustración 27 Prototipo. Zona 2. Temperatura

Como se puede ver, está conectado directamente al pin SCL y a través de una resistencia puente (R201) al pin SDA.

Los pines a0, a1 y a2 son pines de dirección, que como se observa en la Ilustración 27 se han configurado para tener el valor lógico ‘1’.



d) Zona 3. Regulador

Todos los dispositivos de nuestra placa se encuentran alimentados a 3.3 V, excepto el acelerómetro que lo está a 1.8 V.

Esta zona se encarga de regular la entrada de 3.3 V para obtener 1.8 V a la salida.

Ilustración 28 Prototipo. Zona 3. Regulador

Se ha utilizado un regulador LM117 para obtener la salida deseada.

Esta salida es dependiente de las resistencias que usemos con una relación de

Para este regulador, Vref se corresponde con 1.25V.

Según el circuito mostrado en la Ilustración 28, R2 se corresponde con R301 y tendrá un valor de 330 Ohmios.



R1 se corresponde con Pot301. Se ha utilizado un potenciómetro SMD de 1K para ajustar la salida, pues con resistencias fijas, pese a ser calculadas, no se obtenía el valor de salida deseado.

Al igual que en el caso del acelerómetro, los condensadores mostrados en esta zona son condensadores de desacoplo.



e) Zona 4. EEPROM

Es la zona destinada a la memoria EEPROM que se ha añadido para futuras ampliaciones.

Ilustración 29 Prototipo. Zona 4. EEPROM

Los pines A0, A1 y A2 son pines de dirección que hemos colocado a 0.

El reloj del bus I2C va directamente conectado al pin de conexión al exterior, y el bus de datos lo está a través de una resistencia puente.



6.3.2.2.2 Diseño del PCB

Una vez que se tiene el esquemático completo, se pasa al diseño del PCB.

Se ha elegido una anchura de pista de 0.5 mm y una separación mínima entre ellas de 0.3 mm.

Como se puede observar, el PCB solo tiene una cara pues todos los componentes son SMD.

Ilustración 30 PCB prototipo



Tras realizar la placa y soldar los componentes, se obtiene finalmente el prototipo.

Ilustración 31 Prototipo completo



6.3.3 Diseño del prototipo 2

Una vez determinado que era posible detectar pulsos cortos tales como la pulsación generada por un altavoz pero no las ondas R generadas por el corazón, se decidió dividir el dispositivo en dos placas.

Por un lado, una placa de unos dos centímetros de alto por uno de ancho que irá directamente apoyada en el cuerpo del ave, y que tendrá el sensor de temperatura y el acelerómetro. Con ello se pretende mejorar la sensibilidad y conseguir captar las ondas R. En esta placa todos los componentes serán de montaje superficial.

En la otra placa se integrará el microcontrolador, el GPS, la zona de regulación de voltaje y una memoria EEPROM para futuras ampliaciones. Esta placa será de mayor tamaño e iría colocada en una zona que no resultara incomoda al ave.



6.3.3.1 Diseño electrónico de la solución adaptada.

6.3.3.2.1 Circuito

6.3.3.2.1.1 Placa de sensores

En la placa de sensores se pueden encontrar tres zonas diferenciadas que serán detalladas a continuación.

a) Zona 0. Conexiones

Ilustración 32 Placa de sensores. Zona 0. Conexiones



Esta zona es la encargada de conectar la placa de sensores a la placa del microcontrolador.

Los objetivos de cada pin son los siguientes:

Pin 1: Alimentación general. Irá conectado al pin de alimentación de la placa del microcontrolador.

Pin 2: Alimentación acelerómetro. Irá conectado a la salida del regulador de voltaje que se encuentra en la placa del microcontrolador.

Pin 3: SCL. Es la línea de reloj del bus I2C. Irá conectado al pin destinado al SLC del bus I2C de nuestro microcontrolador.

Pin 4: SDA. Es la línea de datos del bus I2C. Irá conectado al pin destinado al SDA del bus I2C de nuestro microcontrolador.

Pin 5: INT1. Es el pin a través del cual el acelerómetro enviará una interrupción cada vez que detecte un pulso, en nuestro caso un latido. Irá conectado a uno de los GPIO del microcontrolador.

Pin 6: Alert. Es el pin a través del cual enviaremos una interrupción en caso de que la temperatura medida salga del rango establecido. Irá conectado a uno de los GPIO del microcontrolador

Pin 7: Tierra.



b) Zona 1. Acelerómetro

Ilustración 33 Placa de sensores. Zona 1. Acelerómetro

Posee únicamente la circuitería asociada al acelerómetro, esto es, los condensadores de desacoplo. Además se necesitó una resistencia puente para el rutado al diseñar el PCB.



c) Zona 2. Sensor de temperatura.

Ilustración 34 Placa de sensores. Zona 2. Sensor de temperatura

En ella se encuentra el sensor de temperatura y sus conexiones con la zona 0.



6.3.3.2.1.2 Placa del microcontrolador

De nuevo se han diferenciado distintas zonas para facilitar el diseño, las cuales serán mostradas a continuación.

a) Zona 0. Conexiones

Ilustración 35 Placa del microcontrolador. Zona 0. Conexiones

Además de los pines ya descritos anteriormente, se han añadido varios pines de propósito general para futuras ampliaciones.



b) Zona 1. Microcontrolador

Ilustración 36 Placa del microcontrolador. Zona 1. Microcontrolador

En esta zona se encuentra el microcontrolador y se definen sus conexiones. Encontramos además los condensadores de desacoplo.

Los pines 3, 28,29 y 39 son los pines de programación, a través de los cuales se cargará el código en el microcontrolador.



Los pines 46 y 47 se corresponden con la UART, irán conectados al GPS.

De los pines 17 al 23 se encuentran los pines de propósito general. Dos de ellos, el 22 y el 23, serán utilizados por los sensores para enviar interrupciones.

Los pines 15 y 16 se corresponden con el reloj y los datos del bus I2C.

Los pines 6 y 7 están destinados a la conexión con el reloj del microcontrolador.



c) Zona 2. Reloj y pines de programación.

Ilustración 37 Placa del microcontrolador. Zona 2. Reloj y pines de programación

En esta zona se halla el reloj de 12Mhz del microcontrolador y su circuitería asociada.

Además se encuentra el conector necesario para la alimentación de la placa y la programación del microcontrolador.



d) Zona 3. Regulador

Ilustración 38 Placa del microcontrolador. Zona 3. Regulador.

Será la zona encargada de proporcionar la salida de 1.8 voltios necesarios para el funcionamiento del acelerómetro a partir de la entrada de 3.3 voltios que inyectamos en la placa.



e) Zona 4. EEPROM y pullup

Ilustración 39 Placa del microcontrolador. Zona 4. EEPROM y pullup.

En esta zona se halla la memoria EEPROM para futuras ampliaciones. Además encontramos las resistencias de pullup del bus I2C, necesarias para mantener el bus a nivel alto y así permitir su funcionamiento.



f) Zona 5. GPS.

Ilustración 40 Placa del microcontrolador. Zona 5. GPS

En ella se encuentra el GPS y su conexión a través de la UART con el microcontrolador.

Como se puede observar, se utiliza uno de los pines de propósito general para habilitar su funcionamiento.



6.3.3.2.2 Diseño del PCB

a) Placa de sensores

Esta placa se deberá encontrar directamente sobre el cuerpo del ave, por lo que su diseño se ha realizado a una sola cara.

Ilustración 41 Placa de sensores. PCB

Tras soldar los componentes se obtiene una placa de dos centímetros de alto por uno de ancho, como se muestra en la Ilustración 42.



Ilustración 42 Placa de sensores completa



b) Placa del microcontrolador

Para este diseño si se ha permitido el uso de vías y componentes que no sean de montaje superficial, pues esta placa irá en un futuro en un cajetín junto con la batería.

Ilustración 43 Placa del microcontrolador. PCB



Tras la fabricación y soldadura, el resultado se muestra en la Ilustración 44.

Ilustración 44 Placa del microcontrolador completa



6.4 Solución software.

6.4.1 Introducción

En este apartado se hará una descripción de la programación realizada para conseguir nuestros objetivos. El flujo del programa se muestra en la Ilustración 44.

Ilustración 45 Algoritmo de funcionamiento



El peso de esta programación recae mayoritariamente sobre la utilización del bus I2C, por lo que en primer lugar se realizará una breve descripción de este.



6.4.2 El Bus I2C

Es un bus de comunicación serial síncrono que fue desarrollado originalmente por Philips Semiconductors.

Actualmente es un estándar aceptado y respaldado por la mayoría de los fabricantes de dispositivos. Permite la comunicación entre múltiples dispositivos, conectados en paralelo a las dos líneas.

La transferencia de datos se realiza entre los dispositivos en una relación maestro-esclavo. Normalmente el dispositivo maestro es un microcontrolador y los dispositivos esclavos memorias, sensores, convertidores analógicos-digitales, etc.

Las dos líneas del bus I2C son SDA y SCL. SCL es la línea del reloj del bus. En cada flanco se captura un bit de SDA, la línea de datos. La misma línea de datos se usa para transmitir en ambas direcciones, por lo que es necesario un control de acceso al bus y un direccionamiento de cada elemento. Cuando está en reposo, el valor del bus permanece a 1 gracias a las resistencias de pull-up. Cuando un dispositivo quiere comenzar una comunicación, modifica el estado del bus forzando a 0, y los demás dispositivos se dan cuenta de ello.

Cada dispositivo tiene una dirección de 7 bits, por lo que se pueden tener hasta 128 dispositivos conectados al mismo bus.

La trama I2C está comprendida por los siguientes campos:

1. Bit de Start: Provoca un cambio de 1 a 0 para sacar al bus del reposo.

2. Dirección: Indica el dispositivo con el que se quiere comunicar.

3. Lectura/escritura: Indica si se trata de una operación de lectura o escritura.

4. ACK: Permite asegurarnos que el byte ha llegado a su destino. El que envía deja el bit a 1 y si alguien recibe el mensaje fuerza ese bit a 0.



5. Primer byte de datos: Es el primer byte que enviamos libremente, pues el resto está fijado por el protocolo. Usualmente se trata del registro que vamos a modificar en el dispositivo esclavo.

6. Se mandan el resto de bytes de datos con la misma estructura.

7. Bit de Stop: Ocurre justo lo contrario que con el bit de Start. Se pasa de 0 a 1 el estado del bus, dando por finalizada la transmisión y liberando el bus.

Ilustración 46 Trama Bus I2C



6.4.3 Programación

En este apartado se va a explicar los detalles de la programación del sensor de temperatura, el acelerómetro y el GPS.

Para ello, se hará una descripción de cada registro modificado y se explicará que se ha hecho en él y los motivos por los que se hace.



6.4.3.1 Configuración del sensor de temperatura.

6.3.3.1.1 Configuración básica para medida de temperatura.

Solo se verán involucrados dos registros.

Por un lado se debe elegir la resolución deseada. Esto se consigue con el registro 0x18, el registro de resolución.

Ilustración 47 Registro de resolución

En este registro solo está permitido escribir en dos bits, el 0 y el 1.

Dependiendo de los valores elegidos se podrán obtener las siguientes resoluciones:

-[00]: 0.5ºC.

-[01]: 0.25ºC.

-[10]: 0.125ºC.

-[11]: 0.0625ºC.

La diferencia, aparte de la resolución conseguida, es el tiempo de conversión necesario, el cual aumenta con la resolución.

Para este proyecto se ha decidido utilizar el sensor a máxima resolución para tener una medida de la temperatura superficial del ave lo más fiable posible.

Por tanto en este registro se ha escrito [0x03].



El otro registro implicado en este apartado es el registro de temperatura. En este registro se muestra de forma continua la temperatura medida.

Ilustración 48 Registro de temperatura

Los tres bits más significativos son de comparación.

El primero y el segundo se pondrán a 1 si la temperatura medida es superior a una temperatura crítica o bien a una temperatura “superior”. Ambas son programables.

El tercero se pondrá a 1 si la temperatura medida es inferior a una temperatura “baja”, también programable.

El siguiente bit es el bit de signo, que estará a 1 si la temperatura es superior a 0ºC y a 0 en caso contrario.

El resto de bits son los que representan la temperatura medida.

La forma de realizar la conversión para saber la temperatura es la siguiente:

Temperatura = 24 x ByteSuperior + 2-4 x ByteInferior.

Cuando se habla del ByteSuperior solo se tienen en cuenta los cuatro bits menos significativos.



6.4.3.1.2 Configuración para envío de alerta.

En primer lugar se deben definir los límites para los cuales se activa una alerta.

Esto se hace con los registros [0x02], [0x03] y [0x04] que son, respectivamente, TUPPER, TLOWER y TCRIT.

Ilustración 49 Registros TUPPER, TLOWER y TCRIT

El registro TCRIT se usa para definir un valor de temperatura crítico, pero en para el propósito de este proyecto se ha decidido hacer las comparaciones con los registros de temperatura superior e inferior, TUPPER y TLOWER.

Por lo tanto en este registro se ha escrito [0x1FFF], el valor más elevado, para que no interfiera con la alerta que se pretende tener.

El registro de temperatura superior TUPPER se ha configurado para que mande una alerta en caso de que la temperatura supere los 43.5ºC.

En hexadecimal esto es [0x02B8].

El registro de temperatura inferior TLOWER se ha configurado para que mande una alerta en caso de que la temperatura descienda de los 39.5ºC.



En hexadecimal esto es [0x0278].

Finalmente, para que el sensor mande una interrupción cuando se dé alguno de los casos expuestos, se debe modificar el registro [0x01], el registro de configuración.

Ilustración 50 Registro de configuración

El significado de cada uno de los bits es el siguiente:

-THYST: Sirven para configurar los límites de histéresis para TUPPER Y TLOWER. No han sido utilizados.

-SHDN: Bit de Shutdown. Dejándolo a 0 se tiene conversión continua de temperatura.

-Crit. Lock: Estando a 1, bloquea registro TCRIT para que no se pueda escribir en él.

-Win. Lock: Estando a 1, bloquea registros TUPPER y TLOWER.

-Int. Clear: Eliminar la interrupción de salida.

-Alert Stat: Ponerlo a 1 permite mandar una interrupción al comparar la temperatura.

-Alert Cnt.: A 1 habilita la interrupción.

-Alert Sel: A 0 seleccionamos la interrupción para TUPPER, TLOWER y TCRIT. A 1 solo tiene en cuenta TCRIT.

-Alert Pol.: Polaridad de la interrupción, 0 a nivel bajo, 1 a nivel alto.



-Alert Mod: Modo de salida de la alerta. A 1 envía la interrupción.

Para los objetivos marcados, los bits que han sido puestos a 1 son Int. Clear, Alert Stat y Alert Mod.

Esto es, en hexadecimal, [0x19].



6.4.3.2 Configuración del acelerómetro.

6.4.3.2.1 Introducción

Para la medida de la frecuencia cardiaca se ha decidido utilizar una función implementada en el acelerómetro llamada “Tap Detection”.

Esta función detecta cambios en la aceleración de una duración determinada, y envía una interrupción cada vez que ocurre.

Configurando los parámetros que se explicarán a continuación se pretende determinar el momento en el que se produce la onda R del complejo QRS.

Ilustración 51 Condiciones para detección de pulso



6.4.3.2.2 Configuración para la detección de pulso.

Antes de comenzar a programar el acelerómetro es necesario configurarlo en StandBy, para ello se recurre al registro de control de sistema, en la posición [0x38].

Ilustración 52 Registro de control de sistema 1

DR2, DR1 y DR0 sirven para seleccionar la tasa de salida, de momento no es necesario.

FS1 y FS0 son los encargados de seleccionar la escala del acelerómetro, siendo los valores posibles:

-[00]: StandBy.

-[01]: 2g.

-[10]: 4g.

-[11]: 8g.

Una vez puesto en StandBy, se pasa a configurar los parámetros para la detección de pulso. En primer lugar es necesario escribir en el registro de configuración de pulsos, [0x2F].

Ilustración 53 Registro de configuración de pulso



En este registro se debe designar el eje en el que se activará la detección de pulso. Dada la distribución de nuestro circuito, el eje designado para ello es el eje Z.

En este registro se encuentran los bits necesarios para activar la detección de pulsos simples y dobles en cada eje, designados como DPEFE y SPEFE siguiendo al eje que queremos activar, X, Y o Z.

Por lo tanto se debe poner a 1 el bit 4, ZSPEFE, escribiendo en el registro el valor [0x10].

A continuación, comienza la configuración de los parámetros del pulso, los cuales se modificarán acorde a lo que debe ser el latido del corazón de un ave.

En primer lugar, usando el registro 0x33 se designa el límite que debe superar la aceleración en el eje Z para ser considerado un pulso.

Ilustración 54 Registro valor límite pulso en eje Z

Se tienen 5 bits para ello. Cada incremento en 1 aumentará un valor determinado el valor del límite. En este caso, con el acelerómetro configurado a la máxima sensibilidad, 2g, cada incremento tiene un valor de 0.01575g.

Como los latidos son muy tenues, se configura este valor al mínimo posible, 0.0175g.

El siguiente parámetro que se debe configurar es la duración del pulso. Para ello se usa el registro [0x34].



Ilustración 55 Registro de límite de tiempo de pulso

Este parámetro permite ignorar cualquier pulso de una duración superior a la deseada.

El valor de cada incremento de este registro depende de la tasa de salida de datos.

En este caso, con un ODR de 400Hz, cada incremento equivale a 0.625 milisegundos.

Como la frecuencia cardiaca de un ave suele ser unas 300 pulsaciones por segundo, se ha estimado que cada latido debe durar aproximadamente unos 10 milisegundos.

Por lo tanto se debe poner el valor decimal de 10/0.625 en este registro, esto es, en hexadecimal [0x10].

Para evitar parásitos e intentar realizar una estimación lo más fiable posible, se ha decidido ignorar los pulsos que pudieran producirse durante los siguientes 2.5 milisegundos tras la detección del pulso. Esto se consigue modificando el registro [0x35], asignándole el valor [0x04] calculado con el mismo método que el registro anterior.

Ilustración 56 Registro de latencia de pulso

Con esto termina la configuración de los parámetros del pulso y se pasa a configurar la interrupción.



6.4.3.2.3 Configuración de la interrupción

Se debe ahora configurar las interrupciones para que se produzcan cada vez que ocurra el evento “detección de pulso”. Para ello se utilizan los registros 0x3A, 0x3B y 0x3C.

En primer lugar se configura el registro de control de las interrupciones, el 0x3A.

Ilustración 57 Registro de control de las interrupciones

En este registro se puede definir la polaridad de la interrupción y el tipo.

Además, usando los bits del 2 al 6, podemos definir motivos por los cuales se despierte el acelerómetro en caso de estar dormido.

Con el bit 1, IPOL, a 0, ponemos la interrupción activa a nivel bajo.

Con el bit 0, PP_OD, a 1, hacemos que sea Open Drain.

Por tanto en este registro se escribirá [0x01].

A continuación se configura el registro de habilitación de interrupciones, el 0x3B.

Ilustración 58 Registro de habilitación de interrupciones



En este registro podemos determinar la interrupción que se va a habilitar.

Existen distintas posibilidades, para el propósito buscado se debe habilitar la interrupción por detección de pulso, por lo tanto se debe poner a 1 el bit 3, INT_EN_PULSE.

Por lo tanto en este registro se escribe [0x08].

Finalmente se deberá modificar el registro de configuración de interrupciones, [0x3C].

Ilustración 59 Registro de configuración de interrupción

Este registro sirve para encaminar las distintas interrupciones a uno de los dos pines designados para las interrupciones en el acelerómetro, INT1 e INT2.

En este caso, se configura la interrupción por detección de pulso para que se encamine por el pin INT1, el que ha sido conectado en el PCB, poniendo a 1 el bit 3, es decir, escribiendo en el registro el valor [0x08].

Con esto termina la configuración de los registros.



6.4.3.2.4 Rutina para el cálculo de la frecuencia cardiaca.

El diagrama de flujo de la rutina es el siguiente

Ilustración 60 Diagrama de flujo de la rutina del acelerómetro



A través del bit 6 del puerto 0 del microcontrolador se recibirán las interrupciones procedentes del acelerómetro.

Se monitorizarán estas interrupciones durante un intervalo de tiempo de diez segundo, incrementando el contador cada vez que se produzca una de ellas.

Una vez transcurridos los diez segundos de detección, se procede a realizar la corrección de falsos positivos y falsos negativos.

Los falsos negativos son aquellos latidos que no hayan sido captados por el acelerómetro. Para corregirlos, se calcula una media del intervalo de tiempo existente entre todos los latidos. Si alguno de los intervalos es mayor que 1.5 veces este valor, se considera que ha sido detectado un falso negativo y se incrementa en uno el contador.

En el caso de los falsos positivos ocurre lo contrario, son latidos detectados debido a algún efecto parasito. Se actua de igual manera, y en el caso de que algún intervalo entre latidos sea menor de 0.5 veces la media se considera que se ha producido un falso positivo, por lo que se decrementará en uno el contador.

Con el valor obtenido tras las correcciones se calculará la frecuencia cardiaca multiplicando ese valor por seis.



6.4.3.3 Configuración del GPS.

El GPS no necesita ser programado, una vez se habilita comienza a enviar los datos por UART.

Utiliza el protocolo NMEA, un estándar creado por la marina.

Para inicializar el rastreo de satélites y la navegación solo es necesario enviar un comando a través de la UART:

$PSRF104,0,0,0,96000,0,0,12,04,*1A

Atendiendo al protocolo, los datos de localización son enviados por el GPS con el siguiente formato:

Tabla 4. Formato de datos de localización GPS



La rutina que se seguirá se muestra en la ilustración 60.

Ilustración 61 Rutina de obtención de localización

Mientras que los datos no sean validos, en el lugar de la latitud se encontrarán huecos, por lo que para comprobar que se ha recibido un dato válido se buscará en la posición del byte 19. Si se encuentra una coma el dato aún no es válido.

Una vez obtenido un valor valido, se almacena el dato en un buffer para posteriores uso.



7. Validación

7.1 Sensor de temperatura

Para probar el sensor de temperatura se ha utilizado un termómetro convencional para medir la temperatura en distintos sujetos.

Acto seguido, se ha utilizado el prototipo para medir la temperatura a los mismos sujetos.

La diferencia entre ambas medidas era, de media, unos 0.2ºC.

Para probar el envío de la alerta, se comprobó con un termómetro la temperatura ambiente y la interrupción fue programada para activarse en caso de un aumento de dos grados en esta.

Al aplicar calor y aumentar los dos grados se comprobó que el sistema funcionaba correctamente.

7.2 Acelerómetro

Para la comprobación del funcionamiento de la detección de pulsos se recurrió a un altavoz en cuya membrana fue colocado el prototipo.

Este altavoz fue conectado a un generador de ondas cuadradas a frecuencia 1Hz.

La vibración generada en la membrana pudo ser captada por el prototipo, si bien se consiguió a partir de un nivel de potencia superior al generado por un corazón.



7.3 GPS

Para la validación de los datos de localización se comprobó en Internet la localización de la zona de trabajo.

Este dato fue comparado con el obtenido a través del GPS, obteniéndose una diferencia de apenas unos minutos.



8. Conclusiones y trabajo futuro.

En este proyecto se han desarrollado varias de las competencias adquiridas a lo largo de la carrera, especialmente las de la rama de electrónica, tales como diseño de placas de circuito impreso o programación de microcontroladores.

Se ha comprobado que, en situaciones reales de trabajo, se producen muchos efectos no deseados que hay que resolver, los cuales no son estudiados a nivel teórico durante la carrera.

Los resultados obtenidos han sido los siguientes:

-Se ha diseñado y fabricado una placa de circuito impreso con los componentes deseados.

-Se ha programado un microcontrolador para realizar las siguientes tareas:

-Medida de la temperatura.

-Envío de alerta en caso de salida de un rango de temperaturas.

-Medida de la frecuencia cardiaca a través de detección de pulsos.

-Adquisición de la localización a través del GPS.

Como conclusiones se pueden obtener las siguientes:

-El sensor de temperatura cumple su objetivo, no siendo necesario ningún cambio.

-La medida de la frecuencia cardiaca no es posible sin mejorar la sensibilidad del dispositivo.

-La localización por GPS proporciona un resultado positivo con apenas un minuto de error en las coordenadas proporcionadas.



-El tamaño y peso ha sido reducido al máximo, aunque será necesario considerar el tamaño de la batería en el momento de la implementación en un entorno real.

-Al trabajar con alimentación externa, sin bateria, no se ha optimizado el uso de energía.

Como trabajo futuro se plantea:

-Mejora de la estimación de la frecuencia cardiaca: Se plantean distintas opciones, tales como la disminución del tamaño de la placa de sensores o la utilización de otro tipo de acelerómetros, más sensibles, que permitan mejoras en la captación de las ondas R.

-Optimización de los recursos para mayor duración de una batería: Con elementos de menor consumo o modificando el código para permitir a los dispositivos entrar en estado de bajo consumo cuando no estén siendo utilizados.

-Integración de dispositivo para envío de datos: Mediante la utilización del sistema GSM o GPRS

-Intercomunicación con otros dispositivos para la formación de una red de sensores inteligentes: Con ello se pretende medir hábitos u otras características de las aves. Será necesario utilizar tecnología inalámbrica tal como Bluetooth, Wifi o ZigBee.



9. Referencias

[1] Medidas fisiológicas del bienestar animal: Sistema autónomo. World society for the protection of animals.

[2] Métodos para estudiar las aves. Revista Biocarta, julio 2005. Jorge E. Botero.

[3] Uso de la telemetría por satélite para el seguimiento de la migración: el aguilucho cenizo. Revista de Anillamiento, diciembre 2008. Rubén Limiñana, Álvaro Soutullo, Pascual López-López y Vicente Urios.

[4] Constantes fisiológicas de los animales. labclinveterinario.wordpress.com

[5] Instalaciones para el alojamiento de las aves. veterinaria.org

[6] Redes de sensores inalámbricas aplicadas a la medicina. Esther Elena Flores Carbajal. Universidad de Cantabria.

[7] Redes Inalámbricas de Sensores Inteligentes. Aplicación a la Monitorización de Variables Fisiológicas. Héctor Ramos Morillo, Francisco Maciá Pérez, Diego Marcos Jorquera. Universidad de Alicante.

[8] Sensores de temperatura. Jesús Bausà Aragonés, Carlos García Gómez, Benito Zaragozí Zaragozí, Alex Gil Martínez, Daniel Moreno Campos, Antonio Galiana Llinares.

[9] Sistema de monitoreo continuo de temperatura en infantes mediante transmisión inalámbrica. Del Valle Ayala Uzziel, Lázaro Ambrosio Roberto, Garcés Guzmán Héctor, Mireles Jr. García José. Universidad autónoma de Ciudad Juárez.

[10] Diseño e implementación de un sistema de adquisición de aceleraciones con procesamiento mediante microcontrolador. Marta Arena Más. Universidad de Sevilla.

[11] Proposal for a Method of Non-restrictive Measurement of Resting Heart Rate in a Lying Position. Journal of phisiological antropology, Shima Okada, Yoshihisa Fujiwara, Shingo Suzuki, Masashi Yasuda, Masaaki Makikawa and Takeo Iida.

[12] Desarrollo de una aplicación para dispositivos móviles para el estudio de hábitos de vida saludables. Hoostins Miranda Vidal. Universidad de Barcelona.



[13] Prototipo de sistema de localización por GPS para salvamento marítimo. Jorge Raldúa Veuthey. Universidad Carlos III de Madrid.

[14] Monitorización del pastoreo en una vacada de reses de lidia utilizando tecnologías gps-gprs. Alonso de la Varga, M., Bartolomé Rodríguez, D.J., García García, J.J., Posado Ferreras, R., Olmedo de la Cruz, S.,Vargas Giraldo,J. , Aparicio Tovar, M.A.; Gaudioso Lacasa, V. Universidad de León.

[15] Resultados preliminares de la monitorización del pastoreo en un rebaño de ovejas utilizando tecnologías gps-gprs. Sánchez, m.; Olmedo, S.; Palacios, C.; Rodríguez, L.; Bartolomé, D. y García, J. J.

[16] Reintroducción y establecimiento del Cóndor de California, Gymnogyps californianus, en la sierra de San Pedro Mártir, Baja California. Dr. Michael Wallace. Sociedad zoológica de San Diego

[17] Proyecto Migra. www.migraciondeaves.org



10. ANEXO I Diseño en Altium. Creación de una biblioteca.



Acelerómetro

Atendiendo al datasheet del acelerómetro MMA8450Q obtenemos los datos que necesitamos para la creación del componente.

Ilustración 62 Esquema y Huella MMA8450Q según Datasheet

Altium posee un asistente que ayuda en la creación de los componentes más usuales. En este caso se trata de un QFN16. Ayudándonos de este asistente y del diseñador de esquemas, procedemos a crear el componente.

Ilustración 63 Esquema y huella de MMA8450Q en Altium



Sensor de temperatura

Al igual que en el caso anterior, se obtiene del datasheet del MCP9804 los datos pertinentes.

Ilustración 64 Esquema y huella MCP9804 según Datasheet

Como se puede ver, se trata de un tipo de huella SOP8. Con la ayuda del asistente se crea el componente.

Ilustración 65 Esquema y Huella MCP9804 en Altium



Memoria

Recurriendo al datasheet se obtienen las especificaciones para la huella de la memoria 24LC512.

Ilustración 66 Esquema y huella 24LC512 según Datasheet

Se trata de una huella SOIJ8, la cual se introduce en la biblioteca.

Ilustración 67 Esquema y huella 24LC512 en Altium



Finalmente, cabe mencionar la creación de una superficie de cobre circular para utilizarla como pines de conexión de la placa de los sensores con el microcontrolador.

Ilustración 68 Esquema y huella del pin de conexión



.

11. ANEXO II PROCESOS FÍSICOS



En este apartado se va a describir los distintos procesos involucrados en la realización física de una placa.

En primer lugar, una vez diseñado en Altium el PCB, se debe imprimir un negativo de la zona de cobre que se quiere mantener en la placa. Esto se conoce como fotolito y se muestra en la Ilustración 69.

Ilustración 69 Fotolito

Este fotolito es colocado sobre nuestra placa de cobre para evitar que el siguiente proceso afecte a las zonas que queremos conservar.



Este proceso es la insolación. Durante dos minutos y medios la placa es bañada en luz ultravioleta haciendo que la resina fotosensible de las partes no protegidas se vea afectada. Este proceso se conoce como fotolitografía.

A continuación se sumerge la placa en un líquido revelador que fija la resina protegida al cobre.

Tras esto, la placa se ataca con una mezcla de agua, agua oxigenada y agua fuerte. Este proceso consigue que todo el cobre no protegido por la resina sea eliminado, quedando solo los pads y pistas que queríamos obtener.

Por último se limpia con acetona para limpiar los restos y se obtiene el PCB.

Ilustración 70 Placa PCB



Una vez se tiene la placa, con la ayuda de Altium se debe soldar cada componente en su sitio.

Para soldar la mayoría de los componentes, así como los cables que van a los pines de conexión se utilizó un soldador de punta fina.

En el caso del acelerómetro, los pads se encuentran en la zona inferior, inaccesibles para un soldador. Se utilizó un soldador de aire caliente.

Tras esto se obtiene la placa prototipo, lista para ser programada.

Ilustración 71 Placa completa



12.ANEXO III Código



13. ANEXO IV. ESQUEMÁTICOS

dispositivo para medida de variables corporales en...

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