Sistema Móvil Basado en Open Source Hardware para la Adquisición de Datos de Movimiento Humano

Transcripción

1 Sistema Móvil Basado en Open Source Hardware para la Adquisición de Datos de Movimiento Humano César Llamas, Kiara Ottogalli, Cármen Hernández, Manuel A. Delgado y Jesús Vegas 24/09/2015 PERCOMP - Universidad de Valladolid Jornadas de Computación Empotrada 2015

2 Índice 1. Introducción y Objetivos 2. Desarrollo 3. Discusión y Conclusiones 2

3 Introducción y Objetivos

4 Contexto Proyecto de identificación de actividades de personas en movimiento: gait identification actividades individuos Aproximaciones: imágenes modelo mecánico basado en mediciones de aceleración y giro Detectamos ausencia de un corpus con datos de individuos 4

5 Contexto Proyecto de identificación de actividades de personas en movimiento: gait identification actividades individuos Aproximaciones: imágenes modelo mecánico basado en mediciones de aceleración y giro Detectamos ausencia de un corpus con datos de individuos construcción de un corpus 4

6 Contexto Proyecto de identificación de actividades de personas en movimiento: gait identification actividades individuos Aproximaciones: imágenes modelo mecánico basado en mediciones de aceleración y giro Detectamos ausencia de un corpus con datos de individuos construcción de un corpus plataforma de adquisición de muestras 4

7 El problema de la adquisición de muestras Modelo de hilos + sensorización de puntos clave aceleraciones y velocidades angulares Velocidad de muestreo 100 muestras/s Sensibilidad/rango suficiente acc: ± 4g, 10 bits gyr: ± 1000 o /s, 10 bits 6 puntos de sensorización Series entre 15 y 20 segundos de duración Movimiento del sujeto sin demasiadas restricciones (cables, traje,...) 5

8 Objetivo Construir una plataforma de adquisición de datos 6

9 Objetivo Construir una plataforma de adquisición de datos Requisitos Sistema autónomo controlado mediante tecnologías inalámbricas Poco restrictivo en el movimiento por tamaño y peso Ancho de banda suficiente Equipo reducido 6

10 Objetivo Construir una plataforma de adquisición de datos Requisitos Sistema autónomo controlado mediante tecnologías inalámbricas Poco restrictivo en el movimiento por tamaño y peso Ancho de banda suficiente Equipo reducido Contexto Poca experiencia en el campo de los dispositivos embebidos Recursos económicos limitados 6

11 Estrategia a tomar Conceptual Identificar escenarios similares Emplear sistemas open-source harware de coste reducido Metodológica Aprendizaje Crear un prototipo de adquisición Desarrollo Refinar el prototipo con el conocimiento adquirido 7

12 Estrategia a tomar Conceptual Identificar escenarios similares Emplear sistemas open-source harware de coste reducido Metodológica Aprendizaje Crear un prototipo de adquisición flexibilidad y fiabilidad Desarrollo Refinar el prototipo con el conocimiento adquirido 7

13 Estrategia a tomar Conceptual Identificar escenarios similares Emplear sistemas open-source harware de coste reducido Metodológica Aprendizaje Crear un prototipo de adquisición flexibilidad y fiabilidad Desarrollo Refinar el prototipo con el conocimiento adquirido consumo energía, usabilidad 7

14 Antecedentes de sistemas de sensores para e-health Sistemas habituales son propietarios y no obedecen necesariamente a estándares Son deseables diseños modulares donde se concluye que: cada componente se diseña sobre un cuerpo de conocimiento bien conocido se reaprovecha la fase de diseño de circuitos se simplifica el prototipado Ejemplos: SHIMMER, TinyOS, DexterNet 8

15 Auge de las iniciativas OSHW Cualidades positivas que buscan los desarrolladores en OSHW: personalización, reutilización y adaptación de la plataforma de desarrollo documentación y diseños boiler-plate soporte de una comunidad amplia Los desarrolladores tienden a buscar primero soluciones OSHW en diseño plataformas adquisición en fase aprendizaje FPGAs acercan la construcción del hardware al modo del software Más sencillo en el caso de µcontroladores (Arduino) y µprocesadores (Rasberry-Pi) 9

16 Desarrollo

17 Plataforma de adquisición: Diseño 11

18 Capas Operación: control de la adquisición, visualización, almacenamiento y metadatos. Infraestructura: intermediación entre la adquisición y la operación Adquisición: reúne los datos de campo. Contempla dispositivos: con conectividad total (smartphones, tablets,...) con conectividad limitada por el tipo de red (BT, Zigbee, RFID,...) con conectividad limitada por el modo de acceso a la red (eduroam, ad-hoc,...) 12

19 Capa de infraestructura Servicios a la capa de operación Servicios a la capa de adquisición 13

20 Capa de infraestructura Servicios a la capa de operación unificación de modo de acceso a la adquisición almacenamiento intermedio en la adquisición transparencia de acceso a datos Servicios a la capa de adquisición 13

21 Capa de infraestructura Servicios a la capa de operación unificación de modo de acceso a la adquisición almacenamiento intermedio en la adquisición transparencia de acceso a datos Servicios a la capa de adquisición servicios de registro y descubrimiento funciones de conectividad a dispositivos de conectividad limitada 13

22 Capa de adquisición Requisitos Ancho de banda, sensibilidad Conectividad inalámbrica Robustez Almacenamiento in situ 14

23 Plataforma de adquisición: Esquema sensors sensor control-loop low level protocol (serial) websocket client mobile subsystem Transient database high level protocol (internet) API REST (operation) static subsystem websocket enabled web server Persistent database 15

24 Características del subsistema estático Plataforma PC Intel i5, 4Gb, conexión DSL. Desarrollo en GCC Mongoose como servidor de la capa de operación y para la conexión con el dispositivo portatil vía WebSocket. 16

25 Características del subsistema móvil Híbrido Raspberry-Pi y Arduino conectados mediante Serie (USB) Arduino UNO (ATmega 328P): 6 sensores tipo 6DOF Sensibilidad ± 10 bit (± 4 g y ± o /s) T muestreo 10 ms Conexión SPI. Cables de hasta 1,10 m blindados (cables y conectores USB 3.0) Cliente del sistema Raspberry-Pi Transmisión de frames con el reloj local de arduino 17

26 Características del subsistema móvil (cont.) Raspberry-Pi B+ Conexión serie (USB) con Arduino a bps (errata artículo!!) Programación en GCC Conexión wifi (Eduroam) con la infraestructura Cliente WebSocket sobre libwebsockets Resultados: 120 frames/s Permite hasta 7 sensores a más de 100 muestras/s 18

27 OSHSP 19

28 OSHSP (2) 20

29 Discusión y Conclusiones

30 Discusión y conclusiones Hemos resuelto un desafío para nosotros en el que no teníamos experiencia Aproximación por capas como la mostrada documentación precio suficiente robustez Apreciamos la utilización de OSHW como elemento clave de la solución, especialmente útil en la fase de aprendizaje Deseamos incluir otros dispositivos utilizando tecnologías inalámbricas y optimizar volumen y peso 22

31 Preguntas? 23

32 OSHSP (3) 24