Sistema portátil para obtener magnitudes térmicas en la interface de pie y calzado

Transcripción

1 Sistema portátil para obtener magnitudes térmicas en la interface de pie y calzado José de Jesús Sandoval Palomares, José Martín López Vela, Javier Yañez Mendiola Ciatec, A.C jsando@ciatec.mx; malopez@ciatec.mx; jyanez@ciatec.mx Ciatec, A.C Omega 201, León Gto, México Dirección, Ciudad, País RESUMEN Este trabajo muestra el resultado el diseño y aplicación de un sistema portátil para obtener la las magnitudes físicas de temperatura y humedad entre la planta del pie y la plantilla del calzado. El sistema contiene 10 sensores que leen las magnitudes, dentro de un alcance nominal de lectura 100% ±2% de humedad relativa y -40 a 123.8±0.3 C de temperatura en el mismo integrado. Los sensores pueden colocarse en diferentes configuraciones dentro del calzado. Las lecturas de pruebas espaciadas cada minuto fueron tomadas a 20 participantes. Se desarrolló software embebido en C para coordinar las acciones de los microcontroladores PIC18F452 y PIC18F2550, ambos fabricados por Microchip. PALABRAS CLAVE: Sensores, temperatura, humedad, portátil. 1 INTRODUCCIÓN Un aspecto de confort del calzado es que mantenga las condiciones térmicas del pie de forma apropiada y en casos de enfermedades como la diabetes saludable [1]. Estudios al respecto se enfocan a proporcionar al calzado algún mecanismo para protección en climas fríos [2], [3], [4] y en casos reducidos hacia algún grupo particular como son los diabéticos [1]. El trabajo realizado, fue el desarrollar un sistema de adquisición de las variables físicas de temperatura y humedad, así como un segundo módulo para la interconexión y envió de datos obtenidos a la PC vía USB y un software para la comunicación y lógica de proceso de los componentes electrónicos. El desarrollo de este sistema tiene como propósito principal el poder realizar estudios experimentales sobre el comportamiento de las magnitudes térmicas en los miembros inferiores, centrados en la interface pie-calzado. 2 METODOLOGÍA 2.1 Componentes Los sensores utilizados fueron, los SHT15 del fabricante Sensirion, se hace notar que los sensores están previamente calibrados por el fabricante. 1

2 Para almacenar la información se utilizó la memoria AT24C256, con alimentaciones de 2.7V (2.7V a 5.5V) y 1.8V (1.8V a 3.6V), lo que es importante si el dispositivo trabaja a baterías y es portátil. El módulo de adquisición de datos contiene un microcontrolador PIC18F452, el módulo de interface a la PC contiene un PIC18F2550. La comunicación entre los sensores y manejo de componentes periféricos de los microcontroladores de los módulos electrónicos, se codifico en lenguaje ANSI C. 2.2 Desarrollo El desarrollo se puede resumir en 5 fases; en la fase uno se llevó a cabo la búsqueda de componentes electrónicos y diseñar el layout. En una segunda fase se desarrollaron las subrutinas, para programar los microcontroladores, la comunicación con la memoria, obtención de lecturas de los sensores, comunicación con puertos y escritura de datos, verificando su operación dentro de la simulación de los componentes, esto en un el software llamado Proteus. En la fase 3 considerando el layout electrónico definitivo, se realizó en físico el Printed Circuit Board (PCB) de los módulos electrónicos. En la fase 4, se realizaron pruebas para verificar el correcto funcionamiento del sistema ya integrado, se tomaron una serie de lecturas de validación con condiciones controladas a 25 C de temperatura y 50% humedad relativa. La Figura 1 muestra un diagrama esquemático representativo del sistema integrado. En una fase 5, se tomaron datos de 20 participantes de ambos géneros, 10 hombres y 10 mujeres entre los de 40 y 45 años, sanos y sin patologías en sus pies, los sensores se colocaron en plantillas del calzado, en las áreas referentes al antepié (dedos), mediopié (arco) y retropié (talón), 5 por cada pie, estas plantillas fueron colocadas dentro de su zapato respectivo y estos puestos en los pies de los participantes de prueba, Figura 2. Figura 1. Diagrama esquemático del sistema para obtención de las magnitudes de temperatura y humedad en calzado. 2

3 Figura 2.Vista de las plantillas con los sensores de temperatura y humedad colocados en calzado. 3 RESULTADOS La Figura 3 y 4, muestran una imagen de los componentes físicos integrados finales del módulo de adquisición de datos y el correspondiente al módulo de interface. Figura 3. Módulo de adquisición, que muestra los componentes asociados al diseño. 3

4 Figura 4. Módulo de interface PC, en la parte izquierda se muestra el conector USB. Los algoritmos de programación relevantes del módulo monitor de temperatura y humedad y módulo de interface USB, se enfocaron a inicialización y lecturas de sensores, manejo de la memoria, intervalos de lecturas, fechas y hora de lecturas, presentación de datos en display, verificación de la carga de la batería, interface USB y descarga de datos. La Figura 5, muestra algunos ejemplos de pantallas relativas a estos aspectos y la Figura 6, la interface para descarga de datos a archivo TXT, separado en columnas y por comas. Figura 5. Imágenes del display. a) Configuración de fecha y hora, b) Configuración e intervalo, c) Lectura de datos, d) registros en memoria, e) interface USB, f) Estado de la batería. 4

5 Figura 6. Interface para la descarga de datos Una vez obtenidas las lecturas, se realizó un análisis de maneras grupal, observándose en el grupo de hombres la temperatura se encuentran entre los 26 a 32 C de temperatura y una humedad relativa de 66 al 71%, ahora bien en el grupo de mujeres oscilan entre 30 y 33 C y de 56 a 60% respectivamente. La Figura 8 muestra el promedio de las temperaturas y la Figura 9 lo referente a la humedad identificado por cada género. Figura 8. Temperatura promedio de 20 participantes, 10 hombres H y 10 mujeres M. 5

6 Figura 9. Humedad promedio de 20 participantes, 10 hombres H y 10 mujeres M 4 CONCLUSIONES El sistema para medición de temperatura y humedad, fue desarrollo en su totalidad, para cumplir con el objetivo de tomar lecturas en la interface pie-calzado. Los componentes electrónicos son de un costo razonable, esto permitirá integrar más sensores y ampliar las lecturas en otros puntos de interés en un futuro. Se comprobó que la tecnología e integración en un dispositivo de toma de datos portátil de temperatura y humedad es viable, para poder hacer estudios y aportar información de utilidad para realizar pruebas con diferentes tipos de materiales y tipos de calzado. Aunque el uso de los sensores ya empieza a mostrar resultados como los mencionados, es requerido mayor tiempo para concretar aún más. Sin embargo se piensa que se realizarán cambios en el diseño y posiblemente del material utilizado en este calzado de muestra. De los datos tomados se observó que la temperatura y humedad en la planta del pie no es la misma entre el grupo hombres y mujeres analizado, lo que siguiere un abanico de posibles estudios utilizando este dispositivo. 5 AGRADECIMIENTOS Red de calzado especializado del estado de Guanajuato, la gestión del proyecto. Calzado Pies cuidado S.A de C.V, por financiamiento al proyecto. Fondos del CONCYTEG, por financiamiento del proyecto. 6

7 REFERENCIAS [1] R.M. Morley, E.J Richter, J. W. Klaesner, K.S. Maluf y M.J. Mueller, In-shoe multisensory data adquisition system, IEEE transaction on biomedical engineering, vol 48, no 7, Jun [2] [3] K.S. Maluf, R.M. Morley, E.J Richter, J. W. Klaesner, M.J. Mueller, Monitoring in-shoe plantar pressure, temperature and humidity: reliability and validity of measures from a portable device, Arsch. Phy. Med. Rehabil., vol 82, Aug. 2001, pp [4] [5] J.J Wertsch, J.G Webster, W.J Tompkins, A portable insole plantar pressure measurement system, J. Rehabil. Resear. and Develop. Vol 29, No. 1, 1992, pp [6] [7] J.J Sandoval Palomares, J.M Lopez Vela. Plantilla móvil para determinar condiciones térmicas en el calzado, CIINDET 2010, VIII Congreso Internacional sobre Innovación y Desarrollo Tecnológico. 7