SISTEMA DE MONITOREO CONTINUO DE TEMPERATURA EN INFANTES MEDIANTE TRANSMISION INALAMBRICA

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1 Revista Espectro Tecnológico / Instituto de Ingeniería y Tecnología / Universidad Autónoma de Ciudad Juárez 1 SISTEMA DE MONITOREO CONTINUO DE TEMPERATURA EN INFANTES MEDIANTE TRANSMISION INALAMBRICA Del Valle Ayala Uzziel, Lázaro Ambrosio Roberto, Garcés Guzmán Héctor, Mireles Jr. García José Universidad Autónoma de Ciudad Juárez Departamento de Ingeniería Eléctrica y Computación Av. Del Charro 450N, Ciudad Juárez Chihuahua México, C.P Tel: Ext y Resumen En este artículo se presenta el diseño y desarrollo del prototipo denominado Monitor Continuo de Temperatura en Infantes (MCTI), el cual funciona como termómetro digital con transmisión inalámbrica. El MCTI consta de un sensor de temperatura corporal la cual se transmite mediante un sistema de radiofrecuencia (RF) para posteriormente desplegar la información en una pantalla de cristal líquido y en caso de valores anormales activar una alerta sonora. Este prototipo funcionó correctamente a una distancia máxima de 8 metros con una repetibilidad y reproducibilidad del 36.89%. Con sus dimensiones y estructura el MCTI cumplió con el objetivo de comprobar el funcionamiento del diseño. Abstract This paper presents the design and development of prototype called Continuous Temperature Monitor Infants (MCTI), which functions as a digital thermometer with wireless transmission. The MCTI has a body temperature sensor which is transmitted through a radio frequency (RF) and then display the information on an LCD screen and in case of abnormal values activate an alert sound. This prototype worked well at a maximum distance of 8 meters with a repeatability and reproducibility of 36.89%. With their size and structure of MCTI met the objective of verifying the operation of the design. Palabras Clave: Termómetro digital, infantes, sistema de radiofrecuencia, pantalla de cristal líquido. información, procesamiento de los datos y finalmente la interfaz de usuario. En la primera etapa el sensor adquiere la temperatura y la transforma en una señal eléctrica, posteriormente convierte su magnitud en un dato digital de diez bits para poder transmitirlo utilizando el bus de comunicación serial I²C a un dispositivo externo. Para la segunda etapa un microcontrolador (MCU) se comunica con el sensor de temperatura y con un rfpic que funciona como transmisor de radiofrecuencia, este último se encargará de enviar la información inalámbricamente al módulo receptor. La tercera etapa del MCTI esta formada por el receptor de RF y un microcontrolador PIC16F84A independiente que procesa la información para tomar las decisiones pertinentes. Por último la cuarta etapa llamada interfaz de usuario se encarga de visualizar en una pantalla de cristal líquido (LCD) la información y enviar una alerta sonora en caso de que la temperatura esta fuera del rango considerado normal. Para elegir la zona de medición de la temperatura corporal del bebé se requirió de bibliografía médica y de la asesoría del Médico Adriana Hernández Salas [1], optando por la zona hepática del cuerpo humano, debido a que esta región aloja en su parte interna al hígado, por el cual circulan hasta 1.45 litros de sangre por minuto con lo que mantiene una temperatura constante. El MCTI realiza mediciones en el intervalo de los 32 C a 42 C, considerando que el rango de valores de temperatura normales en los infantes es de 35 C a 37 C. I. INTRODUCCIÓN El principal problema que afecta a los infantes desde su nacimiento y aproximadamente hasta sus 2 ó 3 años vida, es su incapacidad para expresar a los adultos con precisión las dolencias y malestares que padece en su organismo. Lo anterior obliga a los padres de familia a utilizar técnicas auxiliares que les ayuden a mantener vigilado el estado de salud del pequeño, la técnica mas confiable es la medición continua de la temperatura corporal. El MCTI tiene como objetivo ayudar a los adultos a monitorear y detectar continuamente cambios en la temperatura corporal del bebé, enviando la información mediante un sistema de radiofrecuencia para desplegar el valor de temperatura y activar una alarma sonora en caso de valores fuera de rango. II. DESARROLLO El MCTI se implementó en dos módulos como se muestra en la figura 1, el primero integra el sensor de temperatura, un MCU y el transmisor de RF, mientras que el segundo contiene el receptor de RF, un segundo MCU y los componentes de la interfaz de usuario. La arquitectura del MCTI se divide en cuatro etapas: adquisición de la temperatura, transmisión/recepción de la Figura 1.- Diagrama a bloques del prototipo MCTI.

2 Revista Espectro Tecnológico / Instituto de Ingeniería y Tecnología / Universidad Autónoma de Ciudad Juárez 2 Para la construcción del MCTI se eligieron los siguientes componentes: de la empresa Microchip Technology (MT), específicamente el circuito integrado (CI) sensor de temperatura TC72, dos microcontroladores PIC16F84A, el transmisor de radiofrecuencia rfpic12f675f y el receptor de RF rfrx0420. Otro componente utilizado fue un visualizador LCD de 2x14. El sensor TC72 mide la temperatura utilizando un termo diodo que envía una señal de voltaje hacia un convertidor análogo a digital (ADC) de tipo sigma delta el cual la transforma en un dato digital de 10 bits y lo almacena en los registros internos del TC72. Para el acceso y recuperación de los datos de temperatura se utiliza el protocolo de comunicación del bus serial I²C. En la figura 2 se puede observar la distribución de terminales de conexión del CI TC72, mientras en la figura 2 se muestra la estructura interna del sensor y por último en la figura 2 (c) se encuentra la imagen física del sensor. Figura 3.- Terminales del MCU PIC16F84A. El transmisor rfpic12f675f es un dispositivo que contiene un microcontrolador con memoria flash y un transmisor de radiofrecuencia para modulación por desplazamiento de amplitud (ASK) y modulación por desplazamiento de frecuencia (FSK). El transmisor del rfpic trabaja en la banda de ultra alta frecuencia (UHF) y cuenta con un oscilador de cristal, un filtro y un amplificador. La tasa máxima de transmisión de datos en modulación ASK es de 0 a 40 Kbps y además cuenta con poder de transmisión ajustable para bajo consumo de energía. (c) Figura 2.-Sensor de temperatura TC72. Terminales, estructura interna y (c) muestra física. Como datos adicionales el sensor TC72 tiene dimensiones de 3 x 3 mm, resolución de 10 bits con una precisión de 0.25 C, rango de operación de -55 C a +125 C, opera con niveles de voltaje de entre 2.65 a 5.5 volts, consume una corriente máxima de 250 ua y cuenta con dos modos de operación: El primero se denomina modo de conversión continua de temperatura que monitorea automáticamente la temperatura aproximadamente cada 150ms y el otro se llama conversión de temperatura de un disparo, el cual toma solo una medición de temperatura en el tiempo indicado y al terminar manda al sensor al modo de bajo consumo de energía. Por otra parte los PIC16F84A son microcontroladores de 8 bits con memoria de datos RAM (Random Access Memory) de 68 bytes, memoria de datos EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) de 64 bytes, velocidad de operación de hasta 20 MHz, trece terminales de conexión de entrada/salida, un temporizador/contador de 8 bits y pre-escalador programable, operación con voltajes de 2 a 5.5 volts y consumo de corriente aproximada de 2mA con una alimentación de 5 volts a una velocidad de operación de 4MHz. Figura 4.- Transmisor rfpic12f675f. Terminales muestra física. El último componente utilizado para la construcción del MCTI es el módulo receptor rfrx0420 el cual es un CI receptor de señales en UHF con modulación ASK o FSK que utiliza la técnica receptora superheterodina. Algunas características del receptor rfrx0420 son: Compatibilidad con la serie de los rfpic, control de ganancia para diferentes rangos de frecuencia, banda de frecuencia intermedia seleccionable, detector y demodulador de FSK/FM, demodulador ASK, configuración de frecuencia receptora a través de la frecuencia de un cristal, rango de recepción de frecuencias entre 300 a 450 MHZ y tasa de recepción de datos máxima para modulación ASK de 80 Kbps. Figura 5.- Receptor rfrx0420. Muestra física, terminales.

3 Revista Espectro Tecnológico / Instituto de Ingeniería y Tecnología / Universidad Autónoma de Ciudad Juárez 3 El sistema de transmisión/recepción de radiofrecuencia del MCTI utiliza la frecuencia de MHz, la cual está permitida en México para transmisiones inalámbricas de radioaficionados establecida en el cuadro nacional de atribución de frecuencias de la Secretaria de Comunicaciones y Transportes (SCT) del año Para ilustrar el funcionamiento e interrelación de los módulos del MCTI en la figura 6 se presenta el diagrama de flujo general del prototipo. Figura 8.- Módulo receptor-interfaz de usuario. Circuito impreso, montaje de dispositivos. III. RESULTADOS Como método para evaluar el funcionamiento del MCTI se realizó un análisis de la señal de radiofrecuencia transmitida por el módulo sensor-transmisor y captada por el módulo receptor-interfaz de usuario con ayuda de un osciloscopio, obteniendo la señal mostrada en la figura 9, la cual muestra los pulsos de información a la salida del receptor enviados por el módulo transmisor. En la misma figura se puede observar lo siguiente: Dieciséis bits de sincronización, un preámbulo y treinta y dos bits de información. El preámbulo entre los trenes de pulsos se utiliza para indicar el comienzo de la señal de información. Figura 6.- Diagrama de flujo general del funcionamiento del MCTI. Por su parte en la figura 7 se muestra el circuito y el montaje de los componentes del módulo de sensortransmisor de la temperatura, mientras que en la figura 8 se puede observar las partes correspondientes al módulo receptor- interfaz de usuario. Figura 9.- Bits de sincronización y de información separados por un preámbulo. Para observar con mayor detalle el periodo y amplitud de los pulsos de información a la salida del receptor, en la figura 10 se muestran solo dieciséis de los treinta y dos bits. Figura 7.- Módulo sensor-transmisor. Circuito impreso, montaje de dispositivos.

4 Revista Espectro Tecnológico / Instituto de Ingeniería y Tecnología / Universidad Autónoma de Ciudad Juárez 4 Por último para demostrar la funcionalidad del prototipo, el MCTI se utilizó para realizar mediciones de temperatura en infantes (las pruebas en los infantes se realizaron con la previa autorización y consentimiento de los padres de familia). En la figura 13 se puede observar la medición de temperatura que se realizó con el MCTI en la zona hepática de un bebé, esto para obtener diferentes lecturas de temperatura y realizar comparaciones. Figura 10.- Dieciséis pulsos de información a la salida del receptor. Para comprobar la precisión del prototipo se realizó la comparación de valores obtenidos de las mediciones realizadas por el sensor de temperatura TC72 del MCTI con respecto a una magnitud de referencia o patrón. Para realizar lo anterior se empleo un horno utilizado para calentar sustancias químicas, ubicado en el laboratorio de Física del Instituto de Ingeniería y Tecnología (IIT - UACJ), el cual tiene temperatura regulable y termómetro digital integrado. En la figura 11 se presentan imágenes del horno utilizado para crear ambientes regulados de temperatura utilizados como patrones de referencia. Figura 13.- Medición de la temperatura con el MCTI a un infante. Las mediciones a infantes se realizaron seleccionando tres individuos para realizar con el MCTI tres mediciones cada uno a diez individuos diferentes, esto con la finalidad de determinar y comparar los promedios obtenidos. Los resultados se muestran en el gráfico de la figura 14, con los cuales se obtiene que el prototipo tiene un valor de r&r (repetibilidad y Reproducibilidad) igual al 36.89%. El valor de r&r expresa un valor equivalente a la dispersión entre los resultados de mediciones sucesivas realizadas bajo las mismas condiciones de medición. Un porcentaje arriba del 30% se considera que el sensor necesita mejoras en su diseño para mayor precisión en sus mediciones. Grafica de promedios Figura 11.- Horno con temperatura controlada y termómetro digital. Para la validación del MCTI respecto al patrón de referencia se realizaron nueve mediciones de 25 C a 40 C que corresponde aproximadamente al rango de temperaturas presentes en el cuerpo humano. Los resultados obtenidos se compararon y permitieron obtener la curva de calibración del sensor de temperatura mostrada en la figura 12, que demuestra que el comportamiento del sensor es lineal con un factor de ajuste del Temperatura, C Series Series Series Numeros de personas medidas Figura 14.- Gráfica de promedios de las mediciones de temperatura. Curva de calibracion Temperatura medida, ºC 42 y = 0.967x R 2 = Temperatura de Referencia, ºC Series1 Linear (Series1) Figura 12.- Curva de calibración del sensor TC72. IV. CONCLUSIONES Aunque el MCTI cumple con el objetivo de monitorear y detectar continuamente cambios en la temperatura corporal de los infantes, por su tamaño y estructura requerirá de mejoras para hacerlo ergonómico y así considerar su implementación como equipo medico auxiliar. El prototipo logra su objetivo comunicando dos módulos a través de radiofrecuencia, el primer módulo adquiere la

5 Revista Espectro Tecnológico / Instituto de Ingeniería y Tecnología / Universidad Autónoma de Ciudad Juárez 5 temperatura con un sensor que se comunica con un microcontrolador encargado de codificar la información y transmitirla a un rfpic para ser enviada al espacio. Un segundo módulo recupera la información de RF y la transmite a otro MCU que se encarga de decodificarla y evaluarla para determinar si la temperatura se encuentra entre el rango considerado como normal que es entre los 35 y 37 grados centígrados, o de lo contrario enviar una alerta sonora indicando que la temperatura se encuentra fuera de rango. [10] Leon W. Couch II. Sistemas de comunicación digitales y analógicos. Prentice Hall, México, [11] Muhammad Ali Mazidi, et al. PIC microcontroller and embedded systems, Using assembly and C for PIC18. Prentice Hall, United States of America, V. AGRADECIMIENTOS. Los autores agradecen el apoyo y asesoría del Médico Cirujano y Partero Adriana Bernarda Hernández Salas egresada de la Universidad Autónoma de Chihuahua, con Título de Pediatra otorgado por la Universidad Autónoma de Ciudad Juárez y con certificación número concedida por el Consejo Mexicano de Certificación en Pediatría A.C. VI. REFERENCIAS. [1] B.P. Lathi. Modern digital and analog communication systems. Oxford University Press, Inc., United States of America, [2] D.R. Martinez Berber. Evaluando la Repetibilidad y Reproducibilidad de Sistemas de Medición. Instituto Tecnológico de Querétaro. 1/Tecnointelecto%20Vol%204%20No%201%20pp% %20Mart%C3%ADnez.pdf, consultada el 20 de noviembre de [3] Eduardo J. Carletti. Bus I2C comunicación, descripción y funcionamiento. cion_busi2c.htmbus, consultada el 20 de noviembre de [4] El pequeño Larousse ilustrado Ed. Larousse, México, [5] Enrique Palacios, et al. Microcontrolador PIC16F84 Desarrollo de proyectos. Alfaomega, México, [6] Xavier Crespo, et al. Gran Atlas Visual/Anatomía. Printer Colombiana S.A., Colombia, [7] John T. Hansen, Bruce M. Koeppen. Netter s Atlas of Human Physiology - Liver Structure, Elsevier Science Health Science Div, United States of America. [8] Han - Way Huang. PIC microcontroller: An introduction to software and hardware interfacing. Thomson, United States of America, [9] Imágenes del hígado. besthealth/surgery/spanish/pages/images/10264.jpg, consultada el 10 de octubre de 2008.

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