ZigBee-teknikens möjligheter att trådlöst överföra EKG-signaler

Transkript

1 ZigBee-teknikens möjligheter att trådlöst överföra EKG-signaler Examensarbete i medicinsk teknik, utfört vid Linköpings Tekniska Högskola av Tho Nguyen LiTH-IMT/FMT10-EX--06/439--SE Handledare: Bengt Ragnemalm (IMT, Linköpings Universitet) Examinator: Peter Hult (IMT, Linköpings Universitet)

2

3 Linköpings tekniska högskola Institutionen för medicinsk teknik Rapportnr: LiTH-IMT/FMT10 EX--06/439--SE Datum: Svensk titel ZigBee-teknikens möjligheter att trådlöst överföra EKG-signaler Engelsk titel Wireless transmission of ECG signal using ZigBee Författare Tho Nguyen Uppdragsgivare: IMT, Linköpings Universitet Rapporttyp: Examensarbete Rapportspråk: Svenska Sammanfattning (högst 150 ord). Abstract (150 words) In many clinical applications, it is desirable to transmit sensor information wireless. In earlier research, investigation transmit ECG signal using Bluetooth, was performed. However, when Bluetooth has some drawbacks it is of interest to investigate alternative methods, one such method is ZigBee. Bluetooth has higher data rate speed (1Mbps) than ZigBee (250kbps). However, Bluetooth consumes more power. ZigBee uses in applications where low power consumption is important compared to high data rate. For industrial purposes, ZigBee is used in sensors and control unit technology. For medical treatment ZigBee can be used for patient monitoring. The aim of this work is to investigate if it is possible to wireless transmit an ECG signal with ZigBee-technology. The result shows that an ECG signal can be transmitted by using ZigBee. Since ZigBee is designed for low power consumption, the Zigbee-module must be set in passive mode in most of the time. Nyckelord (högst 8) Keyword (8 words) ZigBee, EKG, EKG-förstärkare, avledningsmetodik, retledningssystemet Bibliotekets anteckningar:

4

5 Förord Examensarbetet är utfört vid Institutionen för medicinsk teknik (IMT), Linköpings tekniska högskola. Examensarbetet resulterar i en högskoleingenjörsexamen i Elektroteknik. Jag vill tacka min handledare Bengt Ragnemalm för att ha hjälpt till med arbetet, och min examinator Peter Hult för att ha gett mig uppdraget samt korrekturläst rapporten. Linköping i december 2006 Tho Nguyen

6

7 Sammanfattning I många kliniska applikationer där signalinformation mäts så är det önskvärt att kunna överföra signalerna trådlöst från källan till mottagaren. I tidigare forskning har man undersökt möjligheten av att överföra EKG-signal med Bluetooth-teknik. Då denna teknik har en del nackdelar så är det av intresse att undersöka alternativa metoder, en sådan metod är ZigBee. Bluetooth har högre dataöverföringshastighet (1Mbps) än ZigBee (250kbps). Men däremot förbrukar Bluetooth mer ström. ZigBee är lämpad för applikationer som förbrukar lite ström, och därmed ger lång batterilivstid, och inte behöver hög dataöverföringshastighet. Industriellt används ZigBee i sensorer och styrenheter. I hemmet kan man ha ett ZigBee-nätverk. Inom sjukvården kan ZigBee användas för patientövervakning. Målet med examensarbetet är att undersöka om en EKG-signal kan överföras trådlöst med ZigBee-teknik. Resultatet visar att det går att överföra EKG-signalen med ZigBee. Eftersom ZigBee är designad för låg strömförbrukning så bör ZigBee-modulen vila ofta. För kontinuerlig sändning av data medför att ZigBee-modulen förbrukar mycket ström. Det är mest lämpligt att sampla signalen under en ganska lång tid (några sekunder) och sedan skicka iväg informationen snabbt, för att sedan låta ZigBee-modulen gå i viloläge. På så sätt sparas ström.

8

9 Abstract In many clinical applications, it is desirable to transmit sensor information wireless. In earlier research, investigation transmit ECG signal using Bluetooth, was performed. However, when Bluetooth has some drawbacks it is of interest to investigate alternative methods, one such method is ZigBee. Bluetooth has higher data rate speed (1Mbps) than ZigBee (250kbps). However, Bluetooth consumes more power. ZigBee uses in applications where low power consumption is important compared to high data rate. For industrial purposes, ZigBee is used in sensors and control unit technology. ZigBee can also be used as a Home Area Network. For medical treatment ZigBee can be used for patient monitoring. The aim of this work is to investigate if it is possible to wireless transmit an ECG signal with ZigBee-technology. The result shows that an ECG signal can be transmitted by using ZigBee. Since ZigBee is designed for low power consumption, the ZigBee-module must be set in passive mode in most of the time. Continuous transmission of data has the drawback that the ZigBeemodule must be active in long time, wich consumes power. It was shown that the power consumption could be decreased if the signal first was sampled in small time interval then all data was transmitted fast.

10

11 INNEHÅLL Terminologi Översikt V VI 1 INLEDNING BAKGRUND MÅL TEORI AKTIONSPOTENTIAL OCH HJÄRTATS ELEKTRISKA RETLEDNINGSSYSTEMET ELEKTROKARDIOGRAFI EKG Avledningsmetodik ZIGBEE IEEE Nätverkstopologier Arkitektur Olika typer av trafik ZigBees egenskaper ZigBee vs Bluetooth METOD & MATERIAL MATERIAL Mikroprocessorn (MCU) ZigBee-modulerna JTAGICE mkii Mjukvara METOD DESIGNPROCESSEN SYSTEMSKISS EKG-FÖRSTÄRKARE PROGRAMMERING AV MIKROPROCESSORN Samplingshastighet Sända data Kontinuerlig sändning Sändning med paus emellan UTVÄRDERING SIGNALKVALITET RÄCKVIDD STRÖMFÖRBRUKNING RESULTAT DISKUSSION KÄLLFÖRTECKNING APPENDIX A I

12 II

13 Figurförteckning Figur 1: Aktionspotential. 3 Figur 2: Hjärtats elektriska retledningssystemet. 4 Figur 3: Ett dipolfält som uppkommer när en depolarisation av muskeltråden sker. 5 Fältet vandrar längs muskeltråden i takt med hjärtkontraktionen. Figur 4: En standard EKG-kurva. 5 Figur 5: Aktionspotentialerna utbreder sig längs muskeltrådarna (streckade pilar). 6 De elektriska vektorerna sprider sig genom kroppen. Figur 6: Standardavledningarna I, II och III. 6 Figur 7: Unipolära extremitetsavledningar. 7 Figur 8: Unipolära bröstavledningar. 7 Figur 9a: Nätverks topologier. 9 Figur 9b: Mesh-nätverk. 10 Figur 10: ZigBee stack arkitektur. 10 Figur 11: En ZigBee-enhet som består av en enkel 8-bit mikroprocessor och 11 RF IC. Figur 12: Zigbee-modulerna DLP-RF1-Z och DLP-RF2-Z. 16 Figur 13: AVR Studio. 17 Figur 14: ICCV7 for AVR. 18 Figur 15: LabView. 18 Figur 16: Systemskiss. 21 Figur 17: Ett lågpassfilter med gränsfrekvensen 1KHz. 22 Figur 18: Operationsförstärkare med varierbar förstärkning. 22 Figur 19: Ett högpassfilter med gränsfrekvensen 0,3Hz. 22 Figur 20: Operationsförstärkare med varierbar förstärkning och lågpassfilter 22 (inringad). Figur 21: EKG-signal. 23 Figur 22: Flödesschema för kontinuerlig sändning. 24 Figur 23: Flödesschema för sändning med paus emellan. 24 Figur 24: EKG-signal samplad i 100Hz. 25 Figur 25: Figuren visar när omvandlingen (kanal 1) sker och när data skickas 26 (kanal 2). 100Hz samplingsfrekvens. Figur 26: EKG-signal samplad i 100Hz. 29 Figur 27: EKG-signal samplad i 150Hz. 29 Figur 28: EKG-signal samplad i 200Hz. 30 Figur 29: IMT plan III

14 Tabellförteckning Tabell 1: Jämförelse mellan ZigBee och Bluetooth. 13 Tabell 2: Jämförelse mellan Zigbee och Bluetooth. 13 Tabell 3: Jämförelse mellan fyra olika ZigBee-moduler. 16 Tabell 4: Jämförelse mellan fyra olika ZigBee-moduler. 17 Tabell 5: Datapaketets struktur. 25 Tabell 6: Strömförbrukning vid kontinuerlig sändning. 31 Tabell 7: Strömförbrukning vid sändning med paus emellan. 31 IV

15 Terminologi Membranpotential Aktionspotential Depolarisation Repolarisation Indifferent elektrod UART MCU PAN Spänningsskillnad mellan cellens insida resp. utsida En förändring av cellens membranpotential Cellens insida blir mer positivt, p.g.a. natriumjoner strömmar in i cellen Kalium pumpas ur cellen så insidan återgår till det normala negativa potentialen Med indifferent elektrod kan man registrera potentialerna i varje extremitet i förhållande till en mätpunkt vars potential inte ändras under hjärtcykeln Universal Asynchronous Receiver/Transmitter Micro Controller Unit Personal Area Network V

16 Översikt Rapporten är indelad i olika avsnitt. En kort beskrivning av varje avsnitt beskrivs nedan: Kapitel 2 Teori. Beskriver om hjärtats elektriska retledningssystemet, elektrokardiografi och ZigBee. Kapitel 3 Metod & material. Vilka metoder och material som använts. Kapitel 4 Designprocessen. Hur designprocessen gått till. Kapitel 5 Utvärdering. Vilka tester som gjordes. Kapitel 6 Resultat. Beskriver vilka resultat som fåtts fram. Kapitel 7 Diskussion. Analys av resultaten och vidareutveckling. Kapitel 8 Källförteckning. Källor som använts. VI

17 1 Inledning Du kommer hem efter en jobbig dag på jobbet. Du sätter dig på soffan och tar upp fjärkontrollen som ligger på soffbordet. Med ett knapptryck sätts TV:n på. Du känner dig hungrig och går till köket och med samma fjärrkontroll sätter du på lampan i köket. Du äter dig mätt och känner för att ta en promenad. Med fjärrkontrollen sätter du på säkerhetslarmet innan du går ut. När du får brev piper en signal. En sensor i brevlådan känner av att posten kommit och trådlöst meddelar detta genom ljudpip. I dörrar och fönster har du klistrat fast trådlösa sensorer som känner av om någon försöker bryta sig in. I så fall tänds ex. sovrumslampan och väcker dig. Tekniken som möjligtgör allt detta heter ZigBee, en ny standard för signalöverföring i trådlösa nätverk. 1.1 Bakgrund Projektet utfördes som ett examensarbete för en högskoleingenjörsexamen i Elektroteknik på Linköpings Universitet. Projektet genomfördes på Institutionen för medicinsk teknik (IMT), Linköpings Universitet. I många medicinska tillämpningar ses ett allt större behov av att kunna överföra signalinformation trådlöst. I tidigare projekt på IMT har man testat att överföra EKG-signaler med Bluetooth-teknik. Det har dock visat sig att även om överföringen med Bluetooth klarar av att överföra signaler så finns det vissa nackdelar, bl.a. strömförbrukning och räckvidd, detta gör att man önskar att studera alternativa metoder för trådlös överföring. ZigBee är en sådan alternativ metod som har visat sig vara av intresse att undersöka. 1.2 Mål Den huvudsakliga målsättningen med arbetet var att undersöka om en EKG-signal kan överföras trådlöst med ZigBee-teknik. Utöver detta var det önskvärt att utvärdera tekniken för att studera parametrar som strömförbrukning, signalkvalite och räckvidd. 1

18 2

19 2 Teori För att förstå hur EKG-signalen uppkommer behöver man kunskap om aktionspotential, hjärtats elektriska retledningssystemet och elektrokardiografi. ZigBee-tekniken är komplext och omfattande. Detta kapitel tar upp grundläggande teorier om aktionspotentialens uppkomst, hur hjärtats elektriska retledningssystemet fungerar och hur man registrerar EKG-signal. Samt även allmän beskrivning om ZigBee-tekniken. 2.1 Aktionspotential och hjärtats elektriska retledningssystemet I alla celler finns det en spänningsskillnad mellan cellens insida resp. utsida. Denna spänningsskillnad kallas membranpotential. Snabba och kortvariga förändringar av membranpotentialen bidrar till uppkomsten av elektriska impulser som utlöser muskelkontraktioner. Sådan impuls kallas aktionspotential. Nervsystemet använder aktionspotentialer för att sända information. För att utlösa en aktionspotential måste ett stimuli ha en viss styrka. Man talar om att retningen måste nå ett tröskelvärde. När retningen är tillräckligt stor och når tröskelvärdet kommer membranet att depolariseras, d.v.s. natriumkanaler öppnas och natriumjoner strömmar in i cellen så att cellens insida blir mer positivt. Det medför att membranpotentialen ändras från en vilopotential på ca -70mV till ca +50mV (figur 1). Vid denna membranpotential kommer spänningsreglerande natriumpumpar stängas, samtidigt börjar de långsamma spänningsstyrda kaliumpumpar att pumpa ut kalium ur cellen. Denna händelse kallas för repolarisation. Under repolarisationsfasen sjunker membranpotentialen snabbt till negativ. [2] Figur 1: Aktionspotential. (6) Hjärtat har en speciell inbyggd förmåga att kontraheras rytmiskt utan att ta emot någon form av nervsimulering. Det beror på att specialiserade muskelceller i vissa områden i hjärtat depolariseras spontant, så att en elektrisk impuls utlöses. Denna spontana deporalisation sker normalt i sinusknutan. När den elektriska impulsen har uppkommit i sinusknutan, sprider den sig genom hela hjärtat och utlöser kontraktion. [2] Hjärtats elektriska retledningssystemet består av atrioventrikulärknutan (AV-knutan), His bunt och purkinjefibrerna (figur 2). I AV-knutan fördröjs impulsledningen så att 3

20 förmaken hinner tömma sig innan kamrarna börjar sin kontraktion. Impulsen går sedan genom muskelfibrerna, His bunt, som passerar över purkinjefibrerna, som förgrenar sig under endokardiet, där de slutar på myokardiets insida. Aktionspotentialen fortplantar sig vidare från muskelcell till muskelcell till kammarväggens utsida. Aktionspotentialens spridningshastighet genom purkinjefibrerna är 5-10 gånger snabbare än genom hjärtmuskelcellerna, och därmed säkerställer en nästan samtidig kontraktion av hela kammarmuskulaturen. [2] Figur 2: Hjärtats elektriska retledningssystemet. (1) 2.2 Elektrokardiografi EKG De jonströmmar som passerar igenom cellmembranet under en aktionspotential leder också till spänningsskillnader och elektriska strömmar i vävnadsvätskan utanför cellerna. Om en stor ansamling av celler är elektriskt aktiva samtidigt, kan de extracellulära strömmarna bli så starka att det är möjligt att registrera potentialskillnader på kroppsytan. När hjärtat kontraheras utlöses en aktionspotential som kastar om cellmembranets polaritet. Vid denna tillfälliga depolarisation uppstår ett dipolfält mellan polariserade och depolariserade delar av muskeltråden (figur 3). Dipolfältet och kontraktionsvågen förflyttar sig längs muskeltråden. Efter en depolarisation sker en repolarisation av hjärtmuskulaturen, som medföljer ett likartad vandrande dipolfält med omvänd polaritet. [3] 4

21 Figur 3: Ett dipolfält som uppkommer när en depolarisation av muskeltråden sker. Fältet vandrar längs muskeltråden i takt med hjärtkontraktionen. (2) Ett standard-ekg har tre vågor (figur 4): Först sker en depolarisation av förmaken (P-vågen) under förmakskontraktionen som medför att potentialen ökar en aning. Sedan depolariseras kamrarna (QRS-komplexet). Eftersom kamrarna har en stor muskelmassa så är QRS-komplexet mycket större än P-vågen. Efter det så repolariseras kamrarna (T-vågen). Repolarisationen av kamrarna sker långsammare än depolarisationen, därför är T-vågen lägre än QRS-komplexet. Repolarisationen av förmaken kan vanligtvis inte registreras, eftersom den i tid sammanfaller med depolarisationen av kamrarna och därför undertrycks av QRS-komplexet. [3] Tolkningen av EKG-kurvan baseras på en tids- och amplitudanalys. Man har delat in kurvan i olika tidssegment. Normalt skall PQ-intervallet vara mellan 0,12 0,22s. QRS-komplexets bredd är normalt 0,07 0,10s. [2], [3] Figur 4: En standard EKG-kurva. (3) 5

22 EKG-signalen som skall mätas har mycket liten potential, vanligen ca 1mv. Därför måste man använda en EKG-förstärkare för att förstärka signalen väldigt mycket för att kunna se signalen på oscilloskop Avledningsmetodik De uppkomna elektriska signalerna (figur 5) från hjärtat kan i princip mätas med elektroder, som är placerade var som helst på kroppen. Man har utvecklat några olika standardiserade registreringsmetoder för att få bästa resultat vid avläsningen av EKGsignalen [3]. De vanligaste metoderna är: Bipolära extremitetsavledningar standardavledningar I, II och III: Med dessa metoder fästes elektroderna enligt figur 6 visar. Potentialförändringarna mellan de angivna mätpunkterna registreras och de erhållna kurvorna visar potentialskillnaden mellan de två punkterna. Eftersom potentialen mellan de två punkterna varierar samtidigt, medför att det blir svårt att teoretisk tolka informationen. [3] Figur 5: Aktionspotentialerna utbreder sig längs muskeltrådarna (streckade pilar). De elektriska vektorerna sprider sig genom kroppen. (2) Figur 6: Standardavledningarna I, II och III. (2) Unipolära extremitetsavledningar, avr, avl och avf: Beteckningarna kommer från engelskan och betyder: a = augmented ( förhöjd ), V = voltage, R = right, L = left och F = foot. Man kopplar elektroderna enligt figur 7. Med denna metod kan man registrera potentialerna i varje extremitet i förhållande till en mätpunkt vars potential inte ändras under hjärtcykeln, s.k. indifferent elektrod. I praktiken sammanbinder man varje extremitet med två lika resistanser. [3] 6

23 Figur 7: Unipolära extremitetsavledningar. (2) Unipolära bröstavledningar, CR1, CRn och V1, Vn etc: Genom att koppla elektroderna på bestämda punkter runt bröstkorgen erhålles mer precist information beträffande potentialändringar i olika delar av hjärtat (figur 8). [3] Figur 8: Unipolära bröstavledningar. (2) Som indifferent elektrod kan man välja höger arm (CR = Chest Right arm) eller en punkt som med tre olika resistanser är förbunden med vänster arm, höger arm och vänster ben (V-avledning). Med en s.k. Wilson-koppling kan man åstadkomma en indifferent elektrod. [3] 7

24 2.3 ZigBee ZigBee är namnet på en teknik baserad på IEEE standard för Wireless Personal Area Network (WPAN). ZigBee utvecklades i samarbete mellan de fem företagen, Mitsubishi Electric, Motorola, Philips, Honeywell och Invenys. ZigBee Alliance är en organisation som samlar företag som arbetar för att utveckla produkter som är driftsäkra, kostnadseffektiv, strömsnål och kan användas i trådlös nätverk, baserad på öppet globalt standard. ZigBee specifikationen ratificerades i december 2004 och senare i juni 2005 släppte organisationen specifikation 1.0 till allmänheten. ZigBee Alliances mål är att tillhandahålla kunden produkter med flexibilitet, mobilitet och lättanvändbar som kan integreras i vardagen. ZigBee är lämpligt att användas för applikationer som förbrukar lite ström (ger längre batterilivstid) och inte behöver hög dataöverföringshastighet. ZigBee kan användas i många olika tillämpningar. Inom industrin kan tekniken utnyttjas för sensorer och styrenheter. Inom sjukvården kan ZigBee användas för patientövervakning. I hemmet kan man ha en fjärrkontroll som styr TV:n, lamporna och olika sensorer som larm och värmeelement. Det finns många möjligheter och de begränsas endast av fantasin. [6], [7] IEEE När IEEE specifierade IEEE standarden var målet att skapa en standard för låg strömförbrukning, som ger lång batterilivstid (år), låg dataöverföringshastighet och låg komplexitet. IEEE används för applikationer inom industri, forskning och medicin- ZigBee använder (ISM) radioband; 868MHz i Europa, 915MHz i USA och 2,4GHz globalt. [10], [12] IEEE kan användas i tre olika enheter: 1. Koordinator nod: det finns endast en koordinator i varje nätverk och varje koordinator ska fungera som router till andra nätverk. Koordinatorn har information om själva nätverket. [10], [11] 2. The full function device (FFD): enheten kan överföra data till andra enheter. Den kan arbeta i alla topologier och kan fungera som koordinator i nätverket. Enheten använder mindre minne än koordinator noden, vilket medför mindre tillveknings kostnader. [10], [11] 3. The reduced function device (RFD): enheten kan endast ta emot data från andra enheter. Behöver ännu mindre minne, och är därför billigare än FFD. Enheten kommunicerar bara med nätverkets koordinator och kan enkelt implementeras i stjärntopologi. [10], [11] 8

25 2.3.2 Nätverkstopologier ZigBee kan hantera tre olika nätverks topologier, stjärn topologi, peer-to-peer topologi och mesh-nätverk (figur 9a). Om de två först nämnda topologierna kombineras fås en s.k. mesh-nätverk (figur 9b). Stjärntopologi Figur 9a: Nätverks topologier. (4) En FFD-enhet agerar som nätverkets koordinator (PAN koordinator) och är ansvarig för initiering och upprätthålla förbindelser med andra enheter. De andra enheterna kan vara FFD, eller RFD-enheter, och kallas då för end device. Varje enhet kan endast kommunicera med PAN koordinatorn. [11] Peer-to-Peer topologi Här finns också en PAN koordinater och alla enheter kan kommunicera med varandra, förutom end device som endast kommunicerar med PAN koordinatorn. [11] Mesh-nätverk Sammanbinder man de två ovan nämda nätverken fås ett mesh-nätverk. Det ska finnas endast en PAN koordinator som sammanbinder de andra enheterna. [11] 9

26 Figur 9b: Mesh-nätverk. (5) Arkitektur Zigbee stack protokollet är indelad i olika lager enligt en standard referens modell, Open Systems Interconnection (OSI). OSI utvecklades av International Organization for Standardization (ISO) som en modell för datorarkitektur och stomme för utveckling av protokoll standarder. [11] Man kan betrakta IEEE som en fysisk radioenhet och ZigBee som en logisk nätverk med mjukvaruapplikationer, som figur 10 illusterar. [9] Figur 10: ZigBee stack arkitektur. (5) 10

27 De två första lagerna, det fysiska (PHY) och media åtkomst (MAC), definieras av IEEE standard. Följande lager är nätverks lagret (NWK Network Layer), genom nätverkets koodinator, hanterar förbindelser med andra enheter; tilldelar nya enheter en adress. Den skalll även implementera säkerhet, och styra datapaket till rätt adress. Lagret därpå är General Operation Framework (GOF). GOF har hand om information om ex. enheterna, strömkälla, viloläge, och koordinator. Översta lagret är ZigBee Device Object (ZDO). Här finns användarapplikationen. Upp till 30 olika profiler kan ZigBee hantera. [9], [10] ZigBee har en mindre protokoll stack än andra trådlösa standarder. För en end device behövs endast 4KB minne. En full funktionell protokoll stack tar mindre än 32KB minne. Med en så kompakt protokoll kan man köra ZigBee med en 8-bit mikroprocessor. [10] Figur 11: En ZigBee-enhet som består av en enkel 8-bit mikroprocessor och RF IC. (5) Figur 11 visar en typisk ZigBee-enhet som består av en radiofrekvens krets (RF IC) och en 8-bit, strömsnål mikroprocessor kopplad till en sensor. Protokoll stacken och firmware programmeras på on-chip flash minnet. [9] Olika typer av trafik ZigBee nätverk är designad för låg strömförbrukning. Det mesta av tiden är slav-enheten i viloläge och vaknar endast för att bekräfta sin närvaro i nätverket. Från viloläge till uppvaknandet tar endast ~15ms och uppkoppling av ny enhet tar ca 30ms [16]. Det finns tre olika typer av trafik, regelbunden, oregelbunden och högprioterad trafik. Data som skickas regelbundet, vet nätverkskoordinatorn om och skickar ut en fyrsignal som signalerar att den finns och är beredd att skicka och ta emot data. En end device i viloläge vet när signalen kommer, vaknar snabbt till, tar emot eller skickar data, och går sedan i viloläge igen. En enhet som sällan skickar data behöver inte vara ansluten till nätverket. Bara när den behöver kommunicera, då ansluter den till nätverket, vilket gör att batteriet räcker mycket länge. Om ZigBee används i en trådlös mus eller ett trådlöst 11

28 tangentbord så ska överföringen ske snabbt utan fördröjning. Med s.k. gts (guaranted time slot) skickas då data utan fördröjning. [8] ZigBees egenskaper Överföringshastighet, ZigBee utnyttjar tre olika frekvensband, 868/915MHz och 2,4GHz. De är licensfria frekvensband: MHz, MHz och 2,4-2,4835GHz. Varje frekvensband tilldelas ett visst antal kanaler; 16 (nr 11-26), 1 (nr 0) och 10 (nr 1-10). Maximalt överföringshastighet för respektiv band är: 20kbps : 868MHz, 40kbps : 915MHz, och 250kbps : 2,4GHZ. Adressering, upp till 64 bitar (~10^19) enheter och nätverk. Säker hand-shaked dataöverförings protokoll. Strömsnålt och lång räckvidd, upp till 180m med 1mW [16]. Snabb accesstid, 15ms för att väcka en sovande nod och 30ms för att ansluta en ny nod [16] ZigBee vs Bluetooth Bluetooth är tänkt att ersätta sladdar mellan headset, mobiltelefon, handdator, dator och skrivare. ZigBee däremot är till för anvädning i sensorer och annan utrustning som inte behöver hög dataöverföringshastighet och vill ha låg strömförbrukning. Bluetooth har en dataöverföringshastighet på 1Mbps medan Zigbee klarar max. 250kbps. Däremot förbrukar Bluetooth mer ström och enheten kräver fast strömförsörjning eller att batteriet laddas upp då och då. Med ZigBee ska end device klara sig i flera år på ett vanligt batteri. ZigBee är snabbare än Bluetooth på att ansluta och aktivera noder. Det tar 15ms att väcka en nod som sover och 30ms för att ansluta en ny nod. För Bluetooth tar det sekunder att göra samma sak. Bluetooth har en räckvidd på 10m (klass 2 utan förstärkare) medan en ZigBee-nod har en räckvidd på 30m. ZigBee kan ha upp till 255 anslutna enheter medan Blueooth bara klarar av 8 enheter. Jämförelse mellan ZigBee och Bluetooth, se tabellerna 1 och 2. 12

29 Standard Bandbredd Strömförbrukning Protokoll stack storlek Räckvidd Accesstid Antal anslutna enheter i samma nätverk Bluetooth 1Mbps 40mA TX standby 0,2mA 1) ~100+KB 10m klass 2, 100m klass 1 <1s för återanslutning. Sekunder för att ansluta en ny enhet 8 ZigBee 250kbps 30mA TX, standby 30µA 1) 4KB (RFD) 32KB (FFD) Upp till 180m 2) 15ms för att väcka en sovande nod. 30ms för att ansluta en ny nod 255 Tabell 1. Jämförelse mellan Zigbee och Bluetooth. Standard Storlek Kostnad Kännetecken Användningsområde 385 kr 3) Ersätter kablar Trådlös USB, handset, Bluetooth 25 x 14mm 3) 33 x 14mm 4) 385 kr 4) headset, mobiltelefon, hög dataöverföringshastighet ZigBee 20,45 x 37,75mm 5) 28,0 x 43,2mm 6) 524 kr 5) 463 kr 6) Lång batterilivstid Fjärrkontroll, sensorer, batteri drivna produkter Tabell 2: Jämförelse mellan Zigbee och Bluetooth. 1) 2) 3) 4) Free2move F2M03C2 (klass 2) Free2move F2M03C1 (klass 1), datasoft.se, dec ) 6) Telegesis ETRX2 (rsonline.se, dec 2006) DLP-RF2-Z (lawicel.se, dec 2006) 13

30 14

31 3 Metod & material 3.1 Material Systemet består av: Hårdvara Differentialförstärkare, resistorer, kapacitanser, lysdioder, mikroprocessor, JTAGICE mkii, batteri och ZigBee-moduler. En vanlig PC. Mjukvara ICCV7 for AVR, C-kompilator. AVR-studio 4.12, för programmering av mikroprocessorn. Labview 8.0, för rita upp EKG-kurvan Mikroprocessorn (MCU) Mikroprocessorn (MCU) som användes är en Atmega88V från Atmel. Till uppgiften behövdes en mikroprocessor som kan omvandla den analoga EKG-signalen till digitalt. Sedan ska den digitala signalen överföras seriellt till en ZigBee-sändare. För detta ändamål passar Atmega88V väl. Atmega88Vs egenskaper: 8-bit mikroprocessor 1KB internal SRAM 6 kanaler 10-bit ADC Fem olika sleep modes Har UART ZigBee-modulerna ZigBee-modulerna som användes är DLP-RF1-Z (ZigBee-mottagare) och DLP-RF2-Z (ZigBee-sändare), från DLP Design (figur 12). RF1-Z har USB-gränssnitt, vilket innebär att den enkelt kan kopplas in i en PC. Modulen drivs via USB-porten och den är klar att använda. [14], [15] 15

32 RF2-Z Figur 12: ZigBee-modulerna DLP-RF1-Z och DLP-RF2-Z. (7) Har ADC Har 20 pinnar (I/O till ADC, drivspänning, Tx resp. Rx m.m.). Kommunikation till mikroprocessorn sker via 2-wire (Rx resp. Tx) gränssnitt. Utöver detta fungerar de båda modulerna i samma princip och har samma egenskaper: <35µA low-power mode Kan fungera i peer-to-peer och stjärnnätverk. Räckvidd > 150m (utomhus vid fri sikt) 2,4GHz frekvens (max 250kbps) Sleep length från 5s till 3,8 dagar En jämförelse med tre andra ZigBee-moduler har gjorts. De tre modulerna är IA OEM- DAMD (från Integration), Pixie (från FlexiPanel) och ETRX 2 (från Telegesis). Se tabell 3 och 4. Modul Strömförbrukning sändning (TX) Strömförbrukning mottagning (RX) Matningsspänning Strömförbrukning i viloläge DLP-RF2-2,0-3,4V - - <35µA Z 1) ETRX 2 2) 2,1-3,6V 35,5mA (+3dBm max. output power) 41,5mA (+5dBm at boost mode) 28mA (-32dBm min. output power) 35,5mA 37,5mA (boost mode) <1µA Pixie 3) 2,1-3,6V 25mA 25mA 2µA IA OEM- 2,6-3,6V 93mA (0dBm) 115mA 35µA DAMD2 4) Tabell 3: Jämförelse mellan fyra olika ZigBee-moduler. 16

33 1) VCC = 3,3V, 20 C 2) VCC = 3,0V, 25 C 3) VCC = -, - 4) VCC = 3,3V, - Modul Räckvidd Typ av Serial Interface DLP-RF2-Z 150m (vid fri sikt) 2-wire interface (UART) ETRX 2 - UART (har även AT command interface) Pixie 200m (vid fri sikt) UART 20-40m (inomhus) IA-OEM-DAMD 2 60m UART (har även AT command interface) Tabell 4: Jämförelse mellan fyra olika ZigBee-moduler JTAGICE mkii JTAGICE mkii är hårdvaran som laddar ner kod till mikroprocessorn. Med JTAGICE mkii kan man använda gränssnittet debugwire för att debugga, dvs felsöka koden. JTAGICE mkii stöder även direkt programmering med SPI. [13] Mjukvara AVR Studio i kombination med JTAGICE mkii används för att ladda ner koden till mikroprocessorn. Tillsammans med JTAGICE mkii kan man debugga. Figur 13 visar användargränssnittet för AVR Studio. Figur 13: AVR Studio. (6) 17

34 ICCV7 for AVR är en C-kompilator anpassad för programmering av Atmels AVR processorer. Figur 14 visar användargränssnittet. Figur 14: ICCV7 for AVR. (6) Med LabView kan man skriva eget program för insamling av data (figur 15). Här har använts ett färdigt program. Figur 15: LabView. (6) 18

35 3.2 Metod EKG-förstärkaren och mikroprocessorn byggdes på ett labbkort. Med ett oscilloskop kunde vi kontrollera att förstärkaren samt hela kretsen fungerar. Programkoden skrevs i ICCV7 for AVR, ty programmet är enkelt att använda. Nedladdningen av koden till mikroprocessorn gjordes med JTAGICE mk II i kombination med mjukvaran AVR Studio. Labview användes för visning av EKG-kurvan. Programmet var redan färdigt att använda. Strömförbrukningstestet gjordes med en vanlig digital multimeter. 19

36 20

37 4 Designprocessen I detta kapitel beskrivs hur designprocessen gått till. 4.1 Systemskiss Systemet består av två delar: sändarenheten och mottagarenheten (figur 16). Sändarenheten omfattar en EKG-förstärkare kopplad till mikroprocessorn som styr ZigBeesändaren. Medan mottagarenheten består av en ZigBee-mottagare kopplad till en PC. I PC:n använder vi LabView för visning av EKG-kurvan. Figur 16: Systemskiss. (6) 4.2 EKG-förstärkare Metoden unipolär extremitetsavledning användes. Signalen som skall registreras är som högst ca 1mV. Med så lite spänning så syns inte signalen på oscilloskopet. Förstärks signalen ca 1000 ggr, så får vi 1V spänning som syns tydligt på oscilloskopet. Högfrekvens signaler ger ett offset-fel på operationsförstärkaren. För att eliminera högfrekvensbrus på ingången installeras ett lågpassfilter. I detta fall är det övre gränsfrekvensen 1KHz. Här användes en enkel RC-krets till lågpassfiltret (figur 17). Med en resistor på 160 kω och 1,0nF stor kondensator fås den önskade gränsfrekvensen genom formeln: fc = 1 / 2πRC [1] där R är resistansen och C är kapacitansen. Efter filtreringen förstärks signalen ca 20 ggr. Här användes en operationsförstärkare vid namn INA126UA, från Burr Brown (figur 18). Operationsförstärkaren arbetar med spänningar mellan 0 Vcc. Men den har en s.k. deadspace vid nära 0, som gör att den ej kan jobba med en så liten spänning som 1mV. Därför måste basnivån höjas, i detta fall höjs den nivån med en DC-komponent på 1,65V. Genom att variera resistansen med en potentiometer fås olika förstärkning genom formeln: G = k / Rg [4] Där Rg är potentiometerns resistans. Förstärkningen på 20 ggr fås med Rg = 5,3 kω. 21

38 Figur 17: Ett lågpassfilter med gränsfrekvensen 1KHz. (6) Figur 18: Operationsförstärkare med varierbar förstärkning. (6) När elektroderna fästes på handlederna uppstår en liten DC-komponent som påverkar EKG-signalen. För att få bort denna spänning filtreras signalen med ett högpassfilter (figur 19). I detta fall väljs lämpligt gränsfrekvensen 0,3Hz. Med en 220nF kondensator och 2,2MΩ resistor åstadkoms den valda gränsfrekvensen genom formeln: fc = 1 / 2πRC Figur 19: Ett högpassfilter med gränsfrekvensen 0,3Hz. (6) Figur 20: Operationsförstärkare med varierbar förstärkning och lågpassfilter (inringad). (6) Nästa steg är att förstärka AC-komponenten. AC-komponenten förstärks 50 ggr. Totala förstärkningen blir då 1000 ggr. (20 x 50). Här användes OPA2134PA som innehåller två 22

39 operationsförstärkare (2 st. OPA344PA). Se figur 20. Med potentiometer kan man ändra förstärkningen. Förstärkningen fås genom formeln: F = 1 + Rp / R4 [5] Där Rp är potentiometerns resistans. Med potentiometern inställt på 49 kω, fås 50 ggr. förstärkning. Slutsteget är ett lågpassfilter som filtrerar bort eventuella brus som uppkommit i kretsen. Filtret har en varierande gränsfrekvens, dvs. den är beroende på inställningen på potentiometern. Med potentiometern inställt på 49kΩ fås gränsfrekvensen 895Hz. Figur 21 visar en registrerad EKG-signal. Figur 21: EKG-signal. (6) 4.3 Programmering av mikroprocessorn Mikroprocessorns uppgift är att omvandla den analoga EKG-signalen till digitalt. Vidare ska den, via 2-wire gränssnitt (UART), skicka data till ZigBee-sändaren som sänder vidare till ZigBee-mottagaren. Mikroprocessorn styr även ZigBee-sändaren så denna går i viloläge om så behövdes. Programmeringsspråket är C. Figur 22 visar flödesschema för kontinuerlig sändning: 23

40 Figur 22: Flödesschema för kontinuerlig sändning. (6) Figur 23 visar flödesschema för sändning med paus emellan: Figur 23: Flödesschema för sändning med paus emellan. (69 RF2-Z stöder UART-hastigheterna (bl.a.) 9,6kbps, 38,4kbps, 128kbps och 250kbps. För att skicka i 9,6kbps resp. 38,4kbps användes en extern kristall oscillator på 7,3728MHz. Vi kunde inte skicka i hastigheten 128kbps, ty det fanns ingen lämplig kristall oscillator med rätt frekvens. Om fel oscillator frekvens används medför det fel i sändningen. Sändningen kommer bli osynkad. För hastigheten 250kbps användes den interna 8,0MHz kristall oscillator i Atmega88V Samplingshastighet För att få en analysbar EKG-signal bör den samplas med minst 100Hz. Här har valts att sampla signalen i 100Hz. Även sampling i snabbare hastighet har testats. Här har använts Single Conversion Mode, dvs. sampla en gång. Sampla en gång, låt ADC gå i viloläge för att spara ström och väntar x antal ms (MCU är i viloläge för att spara ström) för att sedan sampla igen. x antal ms väntetid bestämmer vilken samplingsfrekvens vi vill ha. För att sampla i 100Hz så ska det ta 10ms mellan varje sample. Figur 24 visar EKG-signal samplad i 100Hz. 24

41 Figur 24: EKG-signal samplad i 100Hz. (6) Sända data ZigBee-sändaren fungerar så att varje datapaket som ska skickas måste innehålla minst 6 bytes. För att skicka data så skall mikroprocessorn skicka 6 obligatoriska bytes (se tabell 5) och x antal data bytes till ZigBee-sändaren som skickar vidare till destinationen. [15] Byte Beskrivning Kommentarer 0 Antal bytes i datapaketet, Varje datapaket måste innehålla (minst) antal bytes, destination ID, sändarens ID och command byte från 0: Destination ID MSByte ID adress: ID:1 för DLP-RF1-Z ID:2 för DLP-RF2-Z ID:0 reserverad för sändning till alla 2 Destination ID LSByte 3 Sändarens ID MSByte 4 Sändarens ID LSByte 5 Command Byte Varje datapaket måsta innehålla en command byte 6 Data Byte(s) Från data bytes får ingå i datapaketet Tabell 5: Datapaketets skruktur. 25

42 4.3.3 Kontinuerlig sändning Denna metod innebär att data skickas kontinuerligt. Signalen samplas en gång, omvandlar den till digitalt och skickar sedan i väg den. Allt detta sker i ca 10ms. Detta innebär kontinuerligt hög strömförbrukning. ZigBee-sändaren arbetar då i full-power mode hela tiden. Figur 25 visar när omvandlingen sker och när data skickas. Den visar även nästa tidpunkt för omvandling igen. Figur 25: Figuren visar när omvandlingen (kanal 1) sker och när data skickas (kanal 2). 100Hz samplingsfrekvens. (6) Datapaketet ser ut på följande sätt: Byte Kod 0x?? 0xD0 0x00 0x02 0x00 0x01 0x06 Kommentar ADCvärde Destination ID LSByte Cmd generic send data Sändaren ID LSByte Sändaren ID MSByte Destination ID MSByte Byte 0 anger antalet bytes i datapaketet, alltså totala antalet minus byte 0, dvs 6 bytes. Byte 1 anger destinationens ID Most Significant Byte, värde 1 för ZigBee-mottagaren. Byte 2 anger destinationens ID Least Significant Byte, vilket är 0. Byte 3 anger sändarens ID Most Significant Byte, värde 2 för ZigBee-sändaren. Byte 4 anger sändarens ID Least Significant Byte, vilket är 0. Byte 5 är en kommando byte, för generisk sändning av data är kommandot 0xD0. Byte 6 är ADCs digitala värde. Antal byte exkl. byte 0 26

43 4.3.4 Sändning med paus emellan ZigBee-sändaren har en minimum sleep length på 5s. Med denna metod så samplas signalen i 5s. I 100Hz samplas signalen var 10ms. I 5s får vi alltså 500 samples. Varje sample upptar en data byte. Alltså har vi 500 bytes data som ska lagras i mikroprocessorn. ZigBee-sändaren kan hantera 119 data bytes och sammanlagt 125 bytes i datapaketet = 500 Vi skickar fem gånger där paketerna 1-4 innehåller 119 data bytes och den 5:e innehåller 24 data bytes. Totalt antal bytes: = bitar = 4240 bitar Sändning i maximalt hastighet i 250kbps tar: 4240 bitar 250kbps = 17ms dvs. det tar ca 17ms att skicka iväg alla datapaketen. Med denna metod arbetar Zigbee-sändaren i 17 ms, sedan går den i viloläge i 5s. Datapaketets struktur är på liknande sätt som vid kontinuerlig sändning. Enda skillnaden är att resterande bytes är data bytes. 27

44 28

45 5 Utvärdering Tre olika tester gjordes: signalkvalitet, räckvidd och strömförbrukning. 5.1 Signalkvalitet Sampling i olika hastigheter testades: 100Hz, 150Hz och 200Hz. Sändning i olika hastigheter gjordes: 9,6kbps, 38,4kbps och 250kbps. Sändning i olika hastigheter påverkar inte signalkvaliteten. Skillnaderna i signalkvaliteten vid nämnda samplingshastigheter är anmärkningsvärt litet. Jämför figurerna 26, 27 resp. 28. Man kan se att sampling i högre hastighet ger lite mer brus. Figur 26: EKG-signal samplad i 100Hz. (6) Figur 27: EKG-signal samplad i 150Hz. (6) 29

46 Figur 28: EKG-signal samplad i 200Hz. (6) 5.2 Räckvidd Räckviddstestet gjordes på plan 12 på IMT (figur 29). I en rak sträcka längs hela korridoren ( 30m) kunde vi motta signalen. Men när ZigBee-mottagaren befinner sig ca 10m runt om hörnet så kunde inte signalen mottas. Figur 29: IMT plan 12. (6) 5.3 Strömförbrukning Tabell 6 visar strömförbrukningen för enheterna vid kontinuerlig sändning. Temperatur 20 C. strömmätningen gjordes med en digital multimeter (Biltema art ) 30

47 Enhet Matningsspänning (V) Strömförbrukning (ma) Kommentar EKGförstärkare 3,3 1,5 Atmega88V 3,3 3,3 I aktivt läge, går i viloläge efter sampling. ZigBeesändare (RF2-Z) 3,3 41 I ständigt aktivt läge, hinner ej gå i viloläge. Tabell 6: Strömförbrukning vid kontinuerlig sändning. Tabell 7 visar strömförbrukningen vid sändning med paus emellan. Enhet Matningsspänning (V) Strömförbrukning (ma) Kommentar EKGförstärkare 3,3 1,5 Atmega88V 3,3 3,3 I aktivt läge, går i viloläge efter varje sampling. ZigBeesändare (RF2-Z) 3, µA 1 I aktivt läge i 17ms, därefter är den i viloläge i 5s. I viloläge förbrukar den 35µA. 1 Low-power mode Tabell 7: Strömförbrukning vid sändning med paus emellan. 31

48 32

49 6 Resultat Sampling i olika hastigheter påverkar signalbruset. Sampling i högre hastighet ger fler punkter men bidrar även till lite mer brus eftersom mikroprocessorn får arbeta snabbare. Överföringshastigheten påverkar inte signalkvaliteten. Det är en fördel att skicka data snabbt och sedan låta ZigBee-modulerna gå i viloläge för att spara ström. Räckvidden beror på sändningsstyrkan och typ av antenn. Avståndstestet visade att vi inte kunde skicka på långt avstånd, bara 10m runt om hörnet. Det är därför inte möjligt att skicka data till ett annat rum. Däremot går det att skicka långt (>30m) om sikten är fri. Strömförbrukningstestet visade att ZigBee-sändaren förbrukar ganska mycket ström (41mA) i aktivt läge. Mikroprocessorn förbrukar 3,4mA vid aktivt läge. Om metoden kontinuerlig sändning används blir strömförbrukningen mycket i längden. Men vi förlorar ingen sample. Det är bättre att sampla data under lång tid, i detta fall i 5s, och sedan skickar iväg data snabbt som bara tar 17ms. Eftersom vi samplar i 100Hz, dvs. var 10:e ms kommer vi att förlora 1-2 sampels under tiden då data skickas iväg. I aktivt mode (vid sampling som tar några hundra µs) förbrukar mikroprocessorn 3,3mA, sedan går den i viloläge i knappt 10ms. I aktivt mode förbrukar ZigBee-sändaren 41mA och är aktivt i 17ms, sedan går den i viloläge i knappt 5s och förbrukar då endast 35µA. 33

50 34

51 7 Diskussion EKG-förstärkaren som byggdes var av den enklaste typen. En mer anvancerad förstärkare behövdes ej byggas, ty signalen som skickas är digitalt, vilket inte påverkar. ZigBeesändaren har en inbyggd ADC, trots det valde jag att jobba med en extern mikroprocessor, ty jag kan lite om AVRs processorer. Räckviddstestet visade att avståndet var inte långt om mottagaren befinner sig runt om hörnet. ZigBee standarden stödjer mycket längre räckvidd. Strömförbrukningstestet är inte tillförlitligt. Kretsen som byggdes är inte optimerad och så är den byggd på ett labbkort. Dessutom gjordes mätningen med en digital multimeter med en noggranhet på ±0,8%. Om vi hade haft mer tid kunde vi ha en till ZigBee-modul att testa och kunna jämföra två olika moduler. För att spara på komponent och ström så bör man programmera direkt på ZigBeemodulens egen inbyggd mikroprocessor. Alla ZigBee-moduler har en mikroprocessor där användaren kan programmera sin egen applikation på. Hur man sänder data beror på ZigBee-modulens firmware. ZigBee standarden är för strömsnåla applikationer. För att spara ström bör man låta Zigbee-modulen vila länge. I vårt fall, med metoden sändning med paus emellan, medför att vi förlorar 1-2 samples. En lösning är att fortsätta sampla medan data skickas iväg. En annan lösning är att använda en annan ZigBee-modul som stöder kortare sleep length. Sampla under lämpligt x ms så att man kan skicka iväg det under 10ms (om vi samplar i 100Hz). Kretsen byggdes på ett labbkort med ganska långa dragna sladdar och strömförsörjningen går till många komponenter med olika jordpunkter, vilket gör att kretsen är mer störningskänslig. Ett sätt att minska på bruset är att varje del får en egen strömkälla, så att de får egen jord, samt att bygga kretsen på ett kretskort. Arbetet kan vidareutvecklas med effektivare programkod, mindre komponenter och kompaktare krets. Och använda en annan ZigBee-modul. 35

52 36

53 8 Källförteckning [1] Kretsteori & Elektronik 2:a uppl. (1996). Sune Söderkvist. [2] Människokroppen fysiologi och anatomi (1998). Bjålie, Haug, Sand & Sjaastad. Liber. ISBN [3] Medicin och Teknik (4:e uppl. 1995). Bertil Jacobson. ISBN [4] Datablad för INA126UA: [okt 2006] [5] Datablad för OPA2134PA: [okt 2006] [6] ZigBee Alliance: [okt 2006] [7] Wikipedia sökord ZigBee: [okt 2006] [8] Se upp bluetooth nu kommer ZigBee: [okt 2006] [9] Home networking with Zigbee: [okt 2006] [10] ZigBee Tutorial: [okt 2006] [11] ZigBee for wireless networking, examensarbete: fulltext.pdf [okt 2006] [12] IEEE WPAN Task Group 4 (TG4): [okt 2006] [13] JTAG ICE mkii: [okt 2006] [14] Datablad för DLP-RF1-Z: [okt 2006] [15] Datablad för DLP-RF2-Z: [okt 2006] [16] ZigBee-ready modules for sensor networking: [okt 2006] 37

54 (1) Sjukvårdsrådgivningen: AllChap=True [nov 2006] (2) Medicin och Teknik (4:e uppl. 1995). Bertil Jacobson. ISBN (3) Utveckling av analysmodul till Zenicor Medical Systems EKG-system: fulltext.pdf [okt 2006] (4) Zigbee for wireless networkning: fulltext.pdf [okt 2006] (5) Home networking with ZigBee: [okt 2006] (6) Tho Nguyen (7) [okt 2006] 38

55 Appendix A Kretsschema och kopplingsschema Figur A.1: Kretsschema för EKG-förstärkare. 39

56 Figur A.2: Kopplingsschema. 40