UUNNIIVVEERRSSIITTAATTEEAA TTEEHHNNIICCĂĂ ddiinn CCLLUUJJ–NNAAPPOOCCAA [611326]

UUNNIIVVEERRSSIITTAATTEEAA TTEEHHNNIICCĂĂ ddiinn CCLLUUJJ–NNAAPPOOCCAA
FACULTATEA de INGINERIE ELECTRICĂ

SISTEM DE MONITORIZARE A
ACTIVITĂȚII PACIENȚILOR

I. ENUNȚUL TEMEI:
………………………………………………………..

II. CONȚINUTUL proiectului de diplomă/lucrării de disertație
a) Piese scrise
b) Piese desenate
c) Anexe

III. LOCUL DOCUMENTĂRII: …………………………………………………

IV. CONDUCĂTOR ȘTIINȚIFIC: ………………………………………………

V. Data emiterii temei: ………………………………………………

VI. Termen de predare: ……………………………………………….

Conducător științific , Absolvent: [anonimizat]. Mihai Stelian Munteanu Cristiana -Maria Ganea

Sistem de monitorizare a activității pacienților

Pagina 2

Sistem de monitorizare a activității pacienților

Pagina 3

Declarație -angajament : Deoarece acest proiect de diplomă/lucrare de disertație nu ar fi putut fi
finalizat(ă) fără ajutorul membrilor departamentului ……………………….… și a echipamentelor
de la departament , mă angajez să public informațiile conținute în lucrare numai cu acordul scris al
conducătorului științific și al directorului de departament .

Data: ………… Semnătura

Declarație : Subsemnat a Ganea Cristiana Maria declar că am întocm it prezentul proiect de
diplomă prin eforturi proprii, fără nici un ajutor extern, sub îndrumarea conducătorului științific și
pe baza bibliografiei indicate de acesta.

Data: ………… Semnătura

Sistem de monitorizare a activității pacienților

Pagina 4

Sistem de monitorizare a activității pacienților

Pagina 5
Capitolul I

1.1 Accelerometrul – Utilizarea acest uia ca și senzor în localizarea pacienților
cu probleme medicale
Localizarea automată a dispozitivului plasat pe corp asigură corectitudine și precizie în
efectuarea măsurătorilor în domeniul medical precum și în sistemele de monitorizare a pacienților
cu probeme medicale cronice sau grave. In plus, prezintă oportunități pentru îmbunătățirea
performanței și utilizarea în orice loc și orice moment a unor dispozitive de monitorizare medicală
prin utilizarea unui accelerometru pentru detectarea datelor în mișc are astfel ca se poate estima
locația dispozitvului aflat pe pacient: [anonimizat].
Metoda a fost aplicată și testată astfel încât s -a constatat faptul că aceasta prezintă o
precizie de aproximativ 89% în detectarea locației senzorului aflat pe corpul pacientului.
Tehnologia sistemului integrat purtabil a dus la utilizarea rețelelor de senzori care pot fi purtate de
corp pentru monitorizarea la distanță a sănătății și activității. Prin ur mare, rețelele de senzori care
pot fi purtate pe corp permit o abordare personalizată a sănătății. Astfel de rețele pot oferi aplicații
promițătoare în sistemele medicale pentru a îmbunătăți calitatea vieții oamenilor, pentru a facilita
viața independentă și chiar pentru a salva viața persoanelor care prezintă riscul de atacuri bruște
(de exemplu, insuficiență cardiacă) .
Pedometrele și telefoanele inteligente cu senzori de mișcare sunt printre dispozitivele care
sunt folosite pentru a monitoriza continuu ca racteristicile vieții, cum ar fi activitatea zilnică și
exercițiile fizice. Odată cu producerea de interfețe cu senzori de putere foarte mica, se așteaptă ca
instrumentele inteligente de bandă să fie utilizate pe scară largă pentru aplicațiile de monitoriz are
a sănătății și medicatiei. Instrumentele inteligente de bandă pot fi utilizate pentru monitorizarea
mai multor valori precum cheltuielile zilnice de energie, temperatura corpului, umiditatea pielii,
ritmul cardiac și alte semne vitale ale omului. Proli ferarea acestor dispozitive purtabile duce la o
diversitate mai mare a utilizării lor. În plus, a fi neintruziv în activitățile zilnice necesită ca aceste
dispozitive să fie adaptabile la obiceiurile utilizatorilor individuali. [ 1].
Monitorizarea continuă a corpului uman devine din ce în ce mai largă odată cu apariția
dispozitivelor p ortabile capabile să prelucreze și să stocheze o cantitate mare de date referitor la
sănătatea unei persoane. Având în vedere cerințele fiziologice sau confortului, echipament ele
inteligente de bandă sunt atașate în diferite locații ale corpului.

Sistem de monitorizare a activității pacienților

Pagina 6 Problema senzorilor plasați pe corp nu a fost suficient de atent luată în considerare în
domeniul informatic, deoarece se cunoaște sau doar locația exacta actuală a senzorilor sau fapt ul
ca această localizare a senzorului nu este necesară în mod inerent, trebuie doar analizate datele
înregistrate. Cu toate acestea, eficacitatea dispozitivelor de monitorizare a căldurii depinde în mare
măsură de corectitudinea instalării / amplasării sen zorului. Ca atare, este nevoie de mai multă
muncă pentru a depăși mai multe provocări de limitare a validității optime a datelor. Ignorarea
acestor probleme va duce la interfețe defecte, responsabile pentru activitate fizică incorectă sau
înregistrarea ero nată a activității fizice. [ 2 ].
Există foarte multe tehnologii care permit captarea mișcărilor; printre ele, accelerometrele
sunt recomandate în mare parte de cercetători, fiind deja prezente în mai multe dispozitive.
Acestea sunt foarte eficiente ca și utilizare deoarece au un consum redus de energie, un preț
rezonabil și produc performanțe excelente.
Există patru motive pentru care este necesară monitorizarea persoanelor cu probleme medicale
astfel:
a) Corectitudinea:
Sistemele încorporate noninvazive sunt folosite pentru a monitoriza la distanță și permanent
condițiile subiecților, cum ar fi temperatura corpului bazal, umiditatea pielii și expunerea la
ultraviolete. Funcționa rea corectă a acestor dispozitive de monitorizare depinde în mare măsură de
plasarea corectă a acestora pe corpul subiectului. De exemplu, tabelul de mai jos rezumă variația
normală a intervalului de temperatură pentru adulții normali în funcție de locația termometrului pe
corp.
Locatie Ureche Axilă Cavitate bucală
Interval (o Celsius) 35,5 – 38,0 35,5 – 37,0 33,0 – 38,0
Tabel 1 – Citiri normale ale temperaturii pentru diferite părți ale corpului
Este mai mult decât evident faptul că temperatur a variază în diferite zone ale corpului . Dacă
la fiecare utilizare pacientul își va poziționa dispozitivul în altă parte a corpului, medicii vor citi
valori diferite pe înregistrările efectuate prin activitatea desfășurată. Prin urmare este esențial a se
cunoaște poziția exactă a dispozitivelor pe corp, astfel încât datele colectate de către pacient sa fie
importante în evaluarea corectă si exactă a situației pacientului la un anumit moment.
b) Precizia :
Funcționarea sistemelor de monitorizare mișcării a consumului de energie se bazează foarte
mult pe amplasarea și orientarea senzorilor de mișcare, care includ de obicei accelerometre și
giroscopi. Funcționalitatea pedometrelor este un exemplu al relației dintre precizia și plasarea
dispozitivului. Precizia nu mărării treptelor se modifică dacă pedometrul este atașat în altă parte

Sistem de monitorizare a activității pacienților

Pagina 7 decât talia, deoarece mișcările utilizatorului vor fi proiectate diferit pe accelerometru. În exemplul
de mai jos , apar 6 pedometre în diferit e regiuni ale unui subiect care a efectuat 220 de pași. [ 3 ].
Tabelul de mai jos prezintă modul în care locația dispozitivului are impact asupra numărului de
pași numărați de fiecare pedometru:
Loca ție
pedo metru Talie Fluierul
piciorului Coapsă Antebraț Parte
superioară a
brațului
Pașii
numărați 230 238 148 181 177
Eroare (real
/ est/real) 4% 8% 32% 17% 19%
Tabel 2 – Pași numărați vs locația pedometrului
Se observă faptul că , cu ajutorul unui pedometru c are poate fi localizat, printr -o simplă
tehnică dinamică de control al pragului se poate îmbunătăți dramatic acuratețea numărării
pașilor. Estimarea consumului de energie prin detecția mișcării este o altă aplicație în care precizia
rezultatelor depinde în mare măsură de stabilirea exactă a tipului de mișcare efectuată de utilizator
(de exemplu, mersul, jogging, alergare, sărituri etc.) și plasarea accelerometrul de pe corp. Dacă
utilizatorul poartă un accelerometru pe picior în loc de talie, precizia detec tării activității se
degradează dramatic. Acest lucru se datorează faptului că modelele de detectare a activității
implementate în dispozitiv sunt reglate pentru mișcări ale taliei. Ca urmare a detectării greșite a
activității, sistemul va supraestima sau subestima consumurile calorice ale utilizatorului. [ 4 ].
c) Optimizarea comunicării:
Comunicarea Intrabody (IBC) este o tehnologie de comunicare wireless diferită care folosește
corpul uman ca și mediu de transmisie. Această tehnologie este grupată în două categorii: IBC cu
câmp de undă și IBC cu câmp electric. Utilizarea corpului ca și un canal de transmisie va obliga
viitoarele rețele de senzori care pot fi purtate de corp să se bazeze foarte mult pe măsurătorile
canalului uman -corp, unde efectul de mediu înconjurător este imperceptibil în comparație cu
efectul datorat corpului uman. În ultimul timp, cerce tatorii au demonstrat variații semnificative ale
atenuării transmisiei în diferite locații ale corpului pentru IBC cu câmp de undă și IBC pentru
câmp elec tric [ 5].
Mai mult, se cunoaște faptul că organismul uman poate afecta performanțele transceiver –
urilor radio. Acest aspect are impac t asupra comunicațiilor , dar, de fapt, degradează în mod vizibil
performanțele sistemelor de comunicații în afara corpului și de pe corp. Localizarea automată pe
corp permite dispozitivelor wireless să controleze puterea de comunicație în funcție de calitatea
anticipată a canalului, astfel încât să compenseze imp actul negativ al corpului [ 6].

Sistem de monitorizare a activității pacienților

Pagina 8 d) Utilizare și adaptabilitate:
Utilizarea atentă și corectă a sistemelor de monitorizare necesită ca utilizatori i să modifice
locația și amplasarea senzorilor în funcție de stilul lor de viață, îmbrăcăminte și
activități. Localizarea dispozitivelor de pe corp îmbunătățește capacitatea d e utilizare a acestor
dispozitive, dar oferă posibilitatea dezvoltatorilor de software de a proiecta dispozitive mai
inteligente, care se pot adapta automat utilizatorilor și mediului lor. Localizarea automată a
dispozitivului permite telefoanelor intelige nte să se adapteze rapid și au tonom la nevoile
utilizatorilor. Zonele diferite de plasare a dispozitivului pe corp pot fi interpretate ca fiind o
dorinț ă a utilizatorului pentru o aplicație sau o schimbare majoră în mediul înconjurător. De
exemplu, de înda tă ce utilizatorul își montează telefonul inteligent pe brațul superior,
smartphone -ul ar trebui să își activeze modul de gimnastică / muzică [ 7].

1.2. Scurt istoric
Din ceea ce se cunoaște problema localizării unui pacient a fost studiată de foarte puți ni
cercetători de -a lungul timpului.
Cel mai cunoscut studiu este realizat de către Kai Kunze în lucrările sale publicate la cel de -al
11-lea simpozion Internațional IEEE 2007 privind sistemele portabile de la Washington, precum
și în lucrarea privind recunoașterea pozițiilor pe corp a senzorilor portabili publicată în 2005.
Aceste studii abordează problema localizării dispozitivelor pe corp, cu limitate la doar patru locații
exacte și anume încheietura mâinii, buzunarul pieptului, buzunar ul pantalonilor și ochiul drept
acestea fiind alese ca și locați e tipică de poziționare a aparatelor și accesoriilor. Utilizarea
accelerometrului nu doar în dispozitivele portabile dar și și în instrumente inteligente de bandă și
în implanturi electronice pentru detectar ea și localizarea pacientului este concepută pentru a
descoperi locația dispozitivului plasat în oric are parte a corpului. [ 8 ].
O altă serie de studii realizate în zona de telefonie mobilă au abordat și problemele de
localizare a dispozitivelor simpliste , unde, de exemplu, se dorește detectarea dacă un telefon mo bil
este pe masă sau în buzunar.
Datele oferite de accelerometru au fost utilizate și în alte studii pentru a îmbunătăți
utilitatea dispozitivelor portabile. De ex emplu, studiul lui Lester foloseș te datele de mișcare pentru
a determi na dacă două dispozitive pot fi purtate de aceeași persoană.
Tehnicile supravegheate pentru detectarea activității folosind senzori pe corp au fost
studiate pe s cară largă în ultimul deceniu, iar toate aceste studii fol osesc senzori fixați pe corp și
modele predefinite pen tru activități. În ultimii ani totuși au apărut câteva studii care au abordat
tehnici nesupravegheat e pentru detectarea activit ăților umane [ 9 ].

Sistem de monitorizare a activității pacienților

Pagina 9
1.3. Abordare generală
Ideea de bază a acestei tehnici constă de fapt în analiza accelerației atunci când utilizatorul
desfășoară o activitate specifică, acest fapt diminuând totuși practicabilitatea soluției devenind
astfel dependentă de utilizator. Studiile arată faptul că in medie, oamenii fac aproximativ 8265 de
pași pe zi desfășurând doar activitate cotidiană. Acest fapt demonstrează în mod evident că mersul
este activitatea cea mai frecventă și consecventă pe care oamenii o desfășoară pe durata unei zile,
excluzând activitățile pasive cum ar fi dormitul sau șederea.
Din moment ce locația, plasarea și orientarea accelero metrului pe corp nu se cunoaște a priori
ci se poate modifica la fiecare utilizare, proiecția tiparului pentru mișcarea corpului nu este
previzibilă. Așadar este imposibil de stabilit un an umit model generic pentru detectarea activității
mersului care este valabil pentru toate destinațiile de plasare și loc de poziționare a
accelerometrului . Din acest motiv toate studiile presupun că locatia accelerometrului este
cunoscuta și resticționată l a unul sau câteva locuri.
Față de tehnica de localizare supravegheată a activității, tehnica nesupravegheată este utilizată
pentru a descoperi intervale de timp care includ modele de mers în baza de date a unei perioade de
timp indelungată și are ca și ava ntaj faptul că această metodă stabilește propriile modele de
activitate în timpul rulării și nu necesită ca acestea să fie predefinite în faza de configurare. [10].
Tehnica nesu pravegheată analizează activitatea de mers pe baz a frecvenței și a consistenței
acesteia pe intervale de timp îndelungate. Cu ajutorului unui dispozitiv SVM (Support Vector
Machine) se estimează locația dispozitivului în funcție de domeniului de frecvență și a
subsecvențelor seriei de timp care reprezintă activitatea de mers.
Stabilirea și descoperirea celor mai frecvente activități ale oamenilor a fost în atenția
cercetătorilor în ultimii ani. Un studiu recent realizat a extins mecanismul de descoperire a
motivelor la date multidimensionale din seriile de timp pentru a descoperi cele mai frecvente
activități în sistemele portabile. [11]

1.4. Definirea primitivelor din cadrul unei activități cu ajutorul unui
accelerometru unidimensional și tridimensional
Pentru de finirea primitiv elor din cadrul unei activități în seriile temporale au fost utilizate
numeroase abordări pentru a stabili tipare similare într -o serie de date. Astfel , avem
accelerometrul uni dimensi onal, stabilit pe baza mișcării totale rezultate din activitatea axei
corespunzătoare. Este definită astfel și o primitivă de activitate care este o subsecvență între două
regiuni stabile consecutive sau valoarea implicită a senzorului în datele seriei de timp ale

Sistem de monitorizare a activității pacienților

Pagina 10 accelerometrului. În acest mod subsecven țele sunt observate mai ales ca modele în formă de
clopoțel cu puncte locale minime sau maxime sau pante liniare între două valori stabile în
activitățile umane, care fiind influențate de viteză și natura acestora vor avea lungime și frecvență
diferite. m ( a 1 a 2 .. a m ). [12]
Astfel,
Deplasarea =

Unde D reprezintă factorul constant de calibrare care depinde de pozitionarea senzorului și
de alți parametri, de exemplu frecvența de prelevare a datelor. Fiind aplicată metoda
nesupravegheată de local izare a senzorului, locația acestuia în acest caz este necunoscută deoarece
informațiile asupra deplasării sunt utilizate pentru a compara tiparele în același accelerometru,
totuși acesta este constant pentru toate tiparele , astfel încât se poate omite la efectuarea calculelor.
În figura de mai jos sunt prezentate trei situații de accelerometre împreună cu mai multe primitive
de activitate clasificate astfel:

Figura 1 – Algoritm de determinare a activității recurente

În Fig.1.a regăsim trei dimensiuni p reluate din datele înregistrate ale accelerometrului, cu
mai multe apariții ale unei activități în intervalul de timp t 1 și t 2 , în Fig.1.b se afl ă graficul de
coincidență a intervalului care afișează primitivele seriilor de timp, iar grosimea marginilor a rată
faptul că există o coincidență mai mare între primitive. F ig.1.c arată gruparea primitivelor cu o
coincidență mai mare și definirea activității recurente, iar intervalul de timp t 1 și t2 sunt trimise la
ieșire ca or ă de început și de sfârșit a celei m ai frecvente activități.
Un prim algoritm prezintă o metodă de extragere a primitivelor din subsecvențel e de activitate
proiectat ă pe serii de timp unidimensionale. Acesta extrage tiparele din seriile de timp, le clasifică
în funcție de atributul fizic al datelor și în funcție de metoda de discretizare aplicată li se atribuie
un simbol și un timp de pornire fiecăruia. P entru a discretiza deplasarea calculată și atribui rea

Sistem de monitorizare a activității pacienților

Pagina 11 simboluri lor, se utiliz eză distribuți a de probabilitate, astfel încât primitivele sunt clasificate în mod
corect, luând în considerare variația deplasării în timpul rulării aplicației. [13]
Al doilea algoritm se poate aplica folosind accelerometre tridimensionale, mișcările privind
activitatea fiind proiectate pe una, două sau trei dimensiu ni ale acestuia. Deoarece nu se cunoaște
orientarea inițială și poziția accelerometrului , la efectuarea calculelor trebuie luate în considerare
toate dimensiunile pentru a detecta activitatea recurentă.
Pentru a putea determina structurile tridimensional e ale activității, se transformă lista
primitivelor obținute din activitatea desfășurată într -un grafic ponderat pe care să se poată aplica
un algoritm de clustering pentru a putea construi modelul de activități în date tridimensionale.
Graficul reprezintă o primitiv ă de activitate, iar greutatea vârfuril or reprezintă numărul de
apariții ale primitiv ei în seria de timp corespunzătoare. Greutatea vârfurilor din grafic sunt
calculat e prin următoarea ecuație:

Coincidența ( i, j ) arată de câte ori există sup rapunere în timp între aparițiile primitivelor
i și j . Astfel, e ( i, j ) va lua valoarea de cel mult 1, când toate aparițiile primitivei j s-au suprapus
cu aparițiile primitivei i și va lua valoarea de cel puțin 0, când nu există nici o suprapunere între
aparițiile primitivelor i și j .
Gruparea primitivelor se face cu sortarea inițială a listei pe baza numărului de apariții ale
acestora, urmând a se selecta primitiva care apare cel mai frecvent. Aceasta este utilizată ca și
nucleu pentru structura activ ității iar graficul este analizat pentru a se detecta primitivele cu cele
mai multe apariții comparate cu nucleul selectat. Dacă există mai multe primitive cu aceeași
frecvență, cea care are un număr de vecini puternic corelați este stabilită ca și primiti vă de bază.
Pragul pentru corelație este stabilit la 1- β, unde β reprezintă o constantă a frecvenței de
anormalitate. La determinarea unei activități prin gruparea primitivelo r, cele care sunt selectate
sunt eliminate din grafic, iar algorimul se va aplic a incontinuu pentru a determina noi structuri de
activitate prin selectarea unei noi activități de bază.
În Fig.1.c sunt evidențiate rezultatele aplicării algorimului la graficul de coincidență din Fig.
1.b, fiind omise greutățile din grafic pentru a avea o vizibilitate mai bună. Astfel, structura de
activitate extrasă conține primitive le E, D, G, O și N, iar G este nucleul de activitate primitiv
datorită numărului său frecvent de apariții. O construcție eficientă a structurilor de activitate
depinde în mar e măsură de frecvența primitivelor, iar în realitate frecvența și coincidențele sunt
semnificativ mai mari. [14]

Sistem de monitorizare a activității pacienților

Pagina 12 1.5. Detectarea locației prin SVM (Support Vector Machine)
Utilizând metoda nesupravegheată pentru a determina intervalul deplasării, subsecven ța
acestuia este analizată pentru a putea determina locația accelerometrului pe corp. Se analizează
caracteristicile domeniului frecvență pentru a evalua impactul fiecărei etape asupra
accelerometrului. Cu fiecare pas efectuat energia impactului dintre tal pa piciorului și podea este
distribuită în corp, iar cu cât senzorul este mai aproape de picior sau originea lovirii la fiecare pas,
cu atât este mai puternică energia sesizată de accelerometru. Caracteristicile domeniului timp sunt
evaluate pentru a anali za intervalul de timp în care senzorul efectuează miscare în toate cele 3
direcții.
Sunt luate în considerare și subsecvențele seriilor de timp care reprezintă activitatea generală
cum ar fi repausul.

Figura 2 – a) Seria în timp a accelerom etrului înreg istrată în timpul mersului cu un senzor
montat pe antebraț (interval de 3 secunde).
b) Spectrul de putere.

Nr. Crt
Activitate Trăsătură Caracteristică
1 Mersul pe jos Energie maximă în
spectrul de putere (D) Impactul pașilor
asupra accelerației
2 Mers ul pe jos Suma energiei în
spectrul puterii
3 Mersul pe jos Maximul amplitudinii
maxime pentru fiecare
axă (A>B, A>C) Interval de mișcare
4 Mersul pe jos Raportul de
amplitudine pe axe
diferite A/C; A/B Gradul de libertate în
mișcare
5 Repaus Număr de variații de
orientare

Tabel 3 – Trăsături principale extrase

Sistem de monitorizare a activității pacienților

Pagina 13 În Figura 2 și Tabelul 3 sunt prezentate ca și exemplu șase caracteristici extrase din
subsecvențele de mers și intenția din spatele utilizării acestora pentru determinarea locației . Figura
2.a prezintă un interval de timp de 3 secunde capturat cu senzorul amplasat pe antebraț în care este
înregistrată activitatea de mișcare prin deplasare. În Figura 2.b este prezentat spectrul de putere
care reprezinta suma frecvențelor celor 3 dimensiuni.
A – reprezintă amplitudinea maximă din toate dimensiunile.
A/C și A/B raportul dintre amplitudinile maxime pe diferite axe.
D și F reprezintă energi a maximă care se găseste la 1,85Hz.

Figura 3 – Locații de plasare a senzorului.
Algoritmul de localizar e are 6 rezultate diferite
(antebraț, brat superior, cap, coapsă, tibie, talie)

. Fiecare dintre aceste regiuni are mișcări semi -independente în timpul activităților umane.
Datorită caracteristicilor de mișcare ale corpului uman, nu este nici o diferenț ă statistică
semnificativă între caracteristicile zonelor detaliate. [15]

Sistem de monitorizare a activității pacienților

Pagina 14 Capitolul II
2.1 Descrierea dispozitivului

Acceleromerul MC 3635 este un dispozitiv digital de putere si zgomot reduse, integrat cu 3
ieșiri care are o funcție de optimizare a d ispozitivelor portabile și in general a echipamentelor care
detecteaza mi șcarea. Este utilizat in aplicații care includ dispozitive portabile, interfețe de control,
utilizarea/starea mișcărilor în gaming, la calibrarea compasului la telefoanele mobile, joy stick –
urile consolelor, telecomenzi și dispozitive media portabile.
Caracteristicile accelerometrului de putere joasă și zgomot redus au fost obținute printr -o
procedură de fabricație monolitică, unde accelerometrul MEMS este integrat într -un singur CIP
împreună cu circuitul electronic.
Rata acestuia de procesare poate varia între 14 până la 1300 de mostre pe secundă.
Condițiile specifice atingere și obținere a probelor pot declanșa o întrerupere la un MCU
(Multipoint Control Unit) aflat la distanță. Altern ativ acest dispozitiv poate citi probele și prezintă
starea evenimentelor prin sondaj.
Caracteristici principale:
– Gamă variată de 2, 4, 8, 12 sau 16 g;
– Rezoluție pe 8, 10, 12 biți, chiar 14 biți în cazul unei singure mostre;
– Viteză de procesare a mostrelor între 14 – 1300 probe/sec;
– Eșantion de declanșare prin comandă cu oscilator intern, ceas sau software.
– Modul ‖Sniff&Wake‖ – curent de 0,3 µA – modulele pot fi utilizate și independent.
– Putere ultra scazută cu 32 de probe FIFO
 Curent de 0,9 µA la 25 Hz
 Curent de 1,6 µA la 50 Hz
 Curent de 2,8 µA la 100 Hz
 Curent de 36 µA la 1300 Hz
Integrarea acestuia în sistem:
– Interfață I2C până la 1 MHz
– Interfață SPI până la 8 MHz
– Pachet de 10 pini 1,6×1,6×0,94mm
– Cip 3D din silicon MEMS
– Zgomot redus la 2,3mgRMS [16]

Sistem de monitorizare a activității pacienților

Pagina 15

Fig.4 . – Accelerometru

2.2 Diagrama Bloc Funcțională
Fig 5. – Diagrama Bloc a Acceleratorului MC3635

Sistem de monitorizare a activității pacienților

Pagina 16 2.3 D escrierea pinilor accelerometrului

Tabel 4 – Descrierea pinilor

Pentru acesta trebuie luat în considerare faptul că la utiliza rea ac celerometrului în interfața
I2C (pentru citirea datelor de la senzorii externi) , suplimentar trebuie adaugat ă o rezistență pull –
up, de obicei de 4,7 kΩ, pentru a putea asigura alimentarea VDDIO. Poate fi configurat prin
intermediul software -ului pent ru a funcționa ca o ieșire open -drain sau o ieșire push -pull. Dacă
este programat să se deschidă, atunci este nevoie tot de o rezistență pull-up la fel ca și la Pin -ul
anterior , de 4.7kΩ pentru a asigura VDDIO. Polaritatea INTN poate fi programabilă. [17]

2.4 Aplicația accelerometrului în circuite

Fig 6. – Schemă de încadrare a accelero metrului în interfață I2C

Sistem de monitorizare a activității pacienților

Pagina 17 Rp sunt, de obicei, rezistențe de pull-up cu valoare de 4,7 kΩ la VDDIO, conform
specificațiilor interfeței I2C. Când VDDIO este pornit, DIN_S DA și SCK_SCL vor fi reduse de
diode le ESD (Electrostatic Discharge) interne care au rol de protecție a componentelor sensibile la
tensiune . Acestea au o capacitate excelentă de strângere, scurgeri reduse și timp de răspuns rapid
oferind protecție circuitu lui expus descărcărilor electrostatice.
În aplicațiile obișnuite, sursa de alimentare a interfeței poate fi influențată semnificativ de
un zgomot extern precum și alte circuite care trebuie ținute departe de dispo zitiv. Prin urmare,
pentru unele aplicații se recomandă a se utiliza o sursă de alimentare cu zgomot redus pentru
alimenta rea dispozitivul ui. [18]

Fig 7. – Schemă de încadrare a accelero metrului în interfață SPI – 4 fire

Fig 8. – Schemă de încadrare a accelerometrului în interfață SPI – 3 fire

Sistem de monitorizare a activității pacienților

Pagina 18
Depășirea valorilor maxime de utilizare a accelerometrului poate duce la deteriorarea
permanentă a senzorului astfel:
Criteriu Simbol Valoare
minimă/maximă Unitate de
măsură
Tensiune alimentare Pin VDD VDDIO -0,3/+3,6 V
Accelerație pe oricare
axă gMAX 10000 g
Temperatura
ambientală de lucru TOP -40/+85 oC
Temperatură stocare TSTC -40/+125 oC
ESD modelul corpului
uman HBM +/- 2000 V
Tensiune de intrare la
pinii fară alimentare Pinii CSN,
DIN_SDA,
DOUT_A1,
INTN și
SCK_SCL
-0.3 / (VDDIO +
0.3) sau 3.6 sau
care este mai
scăzută
V
Tabel 5 – Valori minime/maxime de utilizare a accelerometrului

2.5 Caracteristicile senzorului VDD = VDDIO = 1.8V, T op = 25 ⁰C

Tabel 6 – Caracteristicile senzorului VDD = VDDIO – tensiune de alimentare

Sistem de monitorizare a activității pacienților

Pagina 19 2.5 Utili zarea accelerometrului în interfața I2C
2.5.1 Descrierea Interfeței I2C
Interfața I2C sau Inter –Integrated Circuit presupune interconectarea unor circuite
integrate prin numai trei linii, două de semnal și una de masă. Cele două linii de semnal numite și
Serial Data sau SDA și Serial Clock sau SCL. Fiecare circuit integrat poate funcționa ca și un
transmițător dar și ca un receptor, dar nu simultan (half – duplex). De asemenea, circuitul mai
poate fi coordonator – adică inițiază un transfer de date și tot acesta va genera și semnalele de tact
pentru a permite realizarea transferului, iar orice alt circuit integrat adresat de coordonatro este
subordonat. [18]
Structura interfeței I2C este o structură multi -coordonator, adică se pot realiza mai multe
circuite interconectate care pot avea rolul de coodonator. Termenii care descriu funcționalitatea
interfeței I2C se regaăsesc mai jos astfel:
Termen Descriere
Transmițător Dispozitivul care pune datele pe magirtrală
Receptor Dispozitivul care preia datele de pe magistrală
Coordonator Dispozitivul care inițiază un transfer, generează
semnale de tact și termină un transfer.
Subordonat Dispozitiv adresat de către coordonator
Multi -coordonator Există mai multe dispozitive care pot sa ceară în
același timp funcți a de coordonator fără să afecteze
calitatea mesajului aflat pe magistrală
Arbitraj Procedură prin care fără să afecteze mesajul aflat
pe magistrală se decalră un singur câștigător atunci
când există mai multe dispozitive care solicită
simultan funcția d e coordonator.
Sincronizare Procedură prin care se sincronizeazâ semnalul de
tact funcție de viteză de transfer acceptată de
dispozitivele implicate în transfer
Tabel 7 – Descrierea fucnționalității interfeței I2C

Ca și caracteristici generale ale inter feței I2C se pot aminti:
– Conține două linii: SDA – o linie serială de date și SCL – o linie de ceas serial ă
– Fiecare dispozitiv conectat la această interfa ță este adresabil prin software și deține o
adresă unică.

Sistem de monitorizare a activității pacienților

Pagina 20 – În interfața I2C la orice moment de timp se manifestă o relație de tip master -slave . Un
dispozitiv master este acela care poate iniția un transfer de date pe magistrală și care
generează semnalul de ceas ce coordonează transferul interval de timp în care orice alt
dispozitiv adresat este privit ca s lave.
– Poate fi multi -master astfel încât poate să includă detecția conflictelor ți arbitrarea acesteia
pentru a preveni alterarea informației dacă se întâmplă ca două sau mai multe dispozitive
master să inițieze simultan transferuri .
– transferurile bidirecț ionale de date, cu lungimi de 8 biți, pot fi efectuate cu rate de transfer
de 100 kbiți pe secundă, în modul standard, sau cu maxim 400 kbiți pe secundă, în modul
rapid .
– rejectarea impulsurilor scurte, parazite, de pe interfață datorită circuitel or de fil trare
implementate în fiecare dispozitiv cu rol de protejare a datelor .
– numărul de dispozitive cuplabile pe aceeași interfață I 2 C este limitat doar de capacitatea
maximă suportată de aceasta și care este de 400 pF. [19]

2.5.2 Protocolul de transmitere al datelor în interfața I2C:

Caracteristica de timp a accelerometrului într -o interf ață I2C:

Fig 9. – Diagrama de timp a interfeței I2C
Evenimentele din această diagramă:

Sistem de monitorizare a activității pacienților

Pagina 21 – Start – o tranzitie a SDA din ‗1‘ în ‗0‘, cu SCL men ținut pe ‗1‘ ;
– Transfer biti – valoarea bitului în SDA se schimb ă când SCL e ‗0‘, și este men ținută stabil ă
pentru preluare cand SCL e ‗1‘ ;
– Stop – o tranzi ție a SDA din ‗0‘ în ‗1‘ c ând SCL e ‗1‘.
Modul de funcționare al interfeței I2C este următorul:
– Când magistral a este liberă, atât SDA cât și SCL se află în starea HIGH.
– Pentru a se ini ția o tranzactie, trebuie să se transmită conditia de START: SCL rămâne în
starea HIGH, iar SDA trece din HIGH în LOW.
– Similar, dacă dorim sa încheiem o tranzactie, se transmite conditia de STOP
corespunz ătoare care este reprezentat ă de trecerea SDA din LOW în HIGH, iar SCL
rămâne HIGH.
– După trimiterea conditiei de START, magistrala este considerată a fi ocupat ă.
SDA și SCL sunt 2 linii bidirecționale, open -drain, conectate la o sursă pozitivă de tensiune,
prin intermediul unor rezistențe de pull -up.
Uneori ―slave‖ device -ul necesită un timp mai îndelungat pentru a transmite datele.
Masterul controlează linia de ceas și așteaptă ca slave -ul să trimită datele, ținând cont de ciclii săi
de va aduce linia SCL în starea LOW, imediat dupa ce masterul a eliberat -o.

Fig 10. – Modul de realizare a ‖delay -ului‖ de către linia de ceas în interfața I2C

Accelerometrul suportă citirea eșantioanelor care redau starea dispozitivului prin
întrerupere a rulării sau prin sondaj. Dispozitivul este programat cu ajutorul unui ceasului intern,
dar include și un modul pentru declanșare manuală. Poate fi montat în mai multe moduri cu putere

Sistem de monitorizare a activității pacienților

Pagina 22 redusă, în funcție de aplicația dorită. Dispozitivul poate rul a în modul cu funcții complete la
capacitate maximă având un randament foarte bun sau poate funcționa limitat la o putere mai
mică.
Datele de calibrare și digitale implicite pot fi citite de pe dispozitiv, pentru a reduce efectele
de deteriorare fizică a senzorului prin manipulare, fapt care po ate determina citiri eronate ale
senzorului , dacă valorile setate de fabrică nu mai corespund.
Dispozitivul poate fi resetat complet printr -o simplă comanda în I2C sau SPI. Executarea
acestei comenzi ii este atrib uită bit-ului 6 al accelerometrului. După efectuarea comenzii de
resetare nu este recomandată accesarea registrel or. Inainte de a executa comanda de resetare,
dispozitivul trebuie plasat în modul STANDBY, iar Pinul DOUT_A1 este programat pentru a
stabili adresa dispozitivului I2C după efectuarea operației de resetare.
Registrele dispoz itivului pot fi reîncărcate printr -o instrucțiune I2C sau SPI. Executarea
acestei comenzi ii este atribuită bit -ului 7 al accelerometrului care determină executarea unei
operații de reîncărcare. Conținutul bazei de date este r eîncărcat în setul de registre, iar dacă există
cazuri în care datele nu sunt reîncărcate înregistrările nu vor fi afectate. [20]
2.6 Module le operaționale ale accelerometrului
Accelerometrul prezintă ma i multe module de fun cționare astfel:
a) Modul S LEEP – reprezintă modulul cu cel mai scăzut consum de energie .
Regulatoarele interne sunt activate și o mare p arte a cipului este dezactivată . Această
comandă este disponibilă în orice moment, deși poate fi nece sară până la trei cicluri ale
ceasului intern pentru a finaliza tranziția.
b) Modulul STANDBY – este un mod ul de putere redusă în care toate regulatoarele și
ceasurile interne sunt activate. Frecvența standard STANDBY pentru ceasulul intern
este de ~ 500 Hz. Modul de operare TRIG poate fi executat numai din acest mod.
c) Modulul SNIFF – este un mod ul de detectare a activității cu putere mai mică și
limitată; Dacă nu există operații FIFO, hardware -ul va trece automat la modul
CWAKE la detectarea activității.
d) Mod ulul CWAKE – sau modulul de trezire este modul tipic de eșantionare XYZ.
Datele de probă sunt scrise în registrele de ieșire sau FIFO atunci când sunt activate.
Hardware -ul va trece automat la modul CWAKE în momentul în care detect ează
activit ate de tip SNIFF.
e) Modulul SWAKE – în acest modul c ircuitele SNIFF și CWAKE sunt ambele active
simultan. Când c ircuitul Sniff și probele XYZ sunt active acestea sunt scrise în
registrele de ieșire sau FIFO .

Sistem de monitorizare a activității pacienților

Pagina 23 f) Modulul TRIG – în acest modul dispozitivul produce un număr fi x de eșantioane,
între 1 și 254, ignoră setarea în ODR, dar utilizează setarea de ceas STB_RATE [2: 0]
ca viteză de eșantionare. Declanșatorul poate fi setat de la pinul INTN extern sau din tr-
un bit de înregistrare 0x10 ( bit-ul 7).
2.7 Fluxul modulelor ope raționale
Dispozitivul intră implicit în modul SLEEP după pornire. Tranzițiile modului se produc la
o rată de aproximativ 500Hz. În funcție de operațiune , aparatul de stare MODE poate declanșa
evenimente care setează setați biții MCTRL [2: 0] în registru după alegerea unei anumite comenzi.

Fig 1 1. – Fluxul modulelor operaționale ale accelerometrului

2.8 Utilizarea accelerometrului în Interfața SPI
Interfața serială SPI (Serial Peripheral Interface) se încadrează tot în categoria standardelor
seriale sin crone, conect ând un master și mai multe device -uri „slave‖. Spre deosebire de I2C ,
aceasta nu suportă conectarea a mai mult or dispozitive master și folosește 4 legături pentru
comunicare:
– SCK — Serial Clock (out put de la master către slave)
– MOSI — Master Output, Slave Input (output de la master către slave)

Sistem de monitorizare a activității pacienților

Pagina 24 – MISO — Master Input, Slave Output (out put de la slave către master)
– SS — Slave Select (activ pe 0; output de la master către slave)
Pentru fiecare dispozitiv slave este necesar câte un semnal de slave select separat, iar
pentru selectarea slave -ului se pune linia SS corespunz ătoare pe 0. Interfața SPI este full -duplex
spre deosebire de interfața I2C care este half -duplex.

Fig 12 . – Schemă de conectare a master -ului/slave -urilor în interfața S PI

Modul de funcționare a interfeței SPI se realizează în felul următor :
– Prima dată masterul pune pe 0 linia SS corespunz ătoare slave -ului cu care dorește s ă
comunice.
– Transmisiunea fiind full -duplex, masterul va trimite bi ți pe linia MOSI, care vor fi c itiți de
slave , iar slave -ul va trimite, în același timp pe linia MISO, biț i care vor fi interpreta ți de
master. Acest lucru este posibil datorită unor registrii de shiftare, conectați circular.
– Majoritatea dispozit ivelor slave au trei stări logice (en. tri-state), așa că semnalul MISO
devine deconectat (ieșire în gol) atunci când dispozitivul nu este selectat. Disp ozitivele
fără trei stări logice nu pot împărți magist rala SPI cu alte dispositive, doar acele slave -uri
pot comunica cu master -ul și doar dacă au activat chip-select.
Deși SPI -ul are numeroase avantaje, exista situații când avem nevoie sa conectam foarte multe
dispozitive „slave‖. Acest lucru se traduce în foarte multe linii de slave select. Atunci când nu
avem suficiente linii disponibile, se pot folosi decodoare care sa p ermită referirea mai multor
dispozitive slave decât linii SS disponibile. [21]

Fig 13 . – Modul de funcționare a interfeței SPI

Sistem de monitorizare a activității pacienților

Pagina 25 Transferul de date în interfața SPI se face astfel:
Pentru a începe comunicarea, master -ul mai întâi configurează ceasul, folosind o frecvență
mai mică sau egală cu maximul frecvenței suportat ă de slave. Aceste frecvențe sunt de obicei în
intervalul 1 -70 MHz. Atunci master -ul setează slave select -ul pe nivelul 'jos' (en. low) pentru chip –
ul dorit. Dacă este necesară o perioad ă de așteptare (ca la conversia analog -digitală) atunci master –
ul așteaptă cel puțin acea perioadă de timp înainte de a începe ciclurile de ceas.
În timpul fiecărui ciclu de ceas SPI, apare o transmisie full duplex:
 master -ul trimite un bit pe linia MOSI; slave -ul il citește de pe aceeași linie
 slave -ul trimite un bit pe linia MISO; master -ul il citește de pe aceeași linie
Nu toate transmisiile de date necesit ă toate aceste operații (de ex. transmisia unidirecțional ă)
deși aceste a se petrec.
Transmisia implic ă existen ța a doi regiștrii de date de o lungime a oarecare a cuvântului, cum
ar fi opt biți, unul situat în dispozitivul master și celalalt în dispozitivul slave; ei sunt conectați
într-o configurație de tip inel. Informația este de obicei transferat ă începând cu cel mai
semnificativ bit (en: Most Significant Bit – MSB ), și continuând bit cu bit p ână se transfer ă și cel
mai nesemnificativ bit (eng: Least Significant Bit – LSB) pentru același registru.
În aceasta faz ă, se poat e spune că cele dou ă dispozitive master/slave și -au schimbat valorile
din regiștrii. Imediat dup ă, fiecare dispozitiv citește valoarea stocat ă în registrul de date și o
prelucrează, cum ar fi scrierea într -o loca ție de memorie. Dac ă mai sunt date de schimb at, regiștrii
de schimb sunt încărcați cu noi date și procesul se repet ă.
Transmisiile pot include un număr arbitrar de cicluri de ceas. Când transmisia datelor s -a
încheiat, master -ul oprește comutarea ceasului moment în care are loc și deselectarea slave -ul prin
intermediul liniei de selecție dedicate.
Adesea transmisiile sunt de text sunt pe opt biți, iar master -ul poate iniția multiple transmisii
dacă are nevoie.
Fiecare slave de pe magistral ă care nu a fost activat folosind slave select -ul aferent, nu trebuie
să ia in considerare semnalul de ceas precum și datele de pe linia MOSI și să nu transmită nimic
pe linia MISO. Master -ul trebuie sa selecteze doar un slave la un moment dat.
Polaritatea si faza ceasului
Față de setarea frecventei ceasului, master -ul trebuie sa configureze polaritatea și faza ceasului
respect ând datele. Aceste dou ă opțiuni a u fost numite CPOL si CPHA in "Freescale's SPI Block
Guide", iar cei mai multi producatori le -au adoptat.
Timpul este descris mai jos și se aplică atât dispozit ivelor master c ât și celor slave.
– La CPOL=0 valoarea ceasului este zero

Sistem de monitorizare a activității pacienților

Pagina 26 – Pentru CPHA=0 data este capturat ă pe tranzi ția jos→sus și este propagat ă pe tranzi ția
sus→jos a ceasului.
– Pentru CPHA=1, data e capturata pe tranzitia sus→jos și propagat ă pe tranzi ția jos→sus.
– La CPOL=1 valoarea ceasului este unu .
– Pentru CPHA=0 daca e capturat ă pe tranzi ția sus→jos a ceasului și propagat ă pe tranzi ția
jos→sus.
– Pentru CPHA=1 data e capturat ă pe tranzi ția jos→sus și propagată pe tranziția sus→jos
– Cu valoarea CPHA=0 data trebuie s ă fie stabil ă o jum ătate de ciclu înainte de primul ciclu
de ceas.
Pentru toate modurile CPOL și CPHA, valoarea ini țială a ceasului trebuie s ă fie stabil ă
țnainte ca chipul s ă selecteze linia activ ă.

Sistem de monitorizare a activității pacienților

Pagina 27

Bibliografie
1) Alireza V. , Navid A. , Wenyao Xu , and Majid S. – ‖Accelerometer -based on -body sensor localization for
health and medical monitoring applications‖ – Pervasive Mob Comput. 2011 Dec;
2) Alireza V. , Navid A. , Wenyao Xu , and Majid S. – ‖Accelerometer -based on -body sensor localization for
health and medical monitoring applications‖ – Pervasive Mob Comput. 2 011 Dec;
3) Alireza V. , Navid A. , Wenyao Xu , and Majid S. – ‖Accelerometer -based on -body sensor localization for
health and medical monitoring applications‖ – Pervasive Mob Comput. 2011 Dec;
4) Alireza V. , Navid A. , Wenya o Xu , and Majid S. – ‖Accelerometer -based on -body sensor localization for
health and medical monitoring applications‖ – Pervasive Mob C omput. 2011 Dec;
5) Alireza V. , Navid A. , Wenyao Xu , and Majid S. – ‖Accelerometer -based on -body sensor localization for
health and medical monitoring applications‖ – Pervasive Mob Comput. 2011 Dec;
6) Alireza V. , Navid A. , Wenyao Xu , and Majid S. – ‖Accelerometer -based on -body sensor localization for
health and medical monitoring applications‖ – Pervasi ve Mob Comput. 2011 Dec;
7) Alireza V. , Navid A. , Wenyao Xu , and Majid S. – ‖Accelerometer -based on -body sensor localization for
health and medical monitoring applications‖ – Pervasive Mob Comput. 2011 Dec;
8) Alireza V. , Navid A. , Wenyao Xu , and Majid S. – ‖Accelerometer -based on -body sensor localization for
health and medical monitoring applications‖ – Pervasive Mob Comput. 2011 Dec;
9) Alireza V. , Navid A. , Wenyao Xu , and Majid S. – ‖Accelerometer -based on -body sensor localization for
health and medical monitoring applications‖ – Pervasive Mob Comput. 2011 Dec;
10) Vahdat pour A, Amini N, Sarrafzadeh M. – ‖ Toward unsupervised activity discovery using mul ti-
dimensional motif detection in time series ‖. IJCAI '09. 2009: 1261 -1266
11) Chiu B, Keogh E, Lonardi S. – ‖ Probabilistic discovery of time series motifs ‖. KDD '03. 2003: 493 –
498
12) Alireza V. , Navid A. , Wenyao Xu , and Majid S. – ‖Accelerometer -based on -body sensor localization
for health and medical monito ring applications ‖ – – Pervasive Mob Comput. 2011 Dec;
13) Alireza V. , Navid A. , Wenyao Xu , and Majid S. – ‖Accelerometer -based on -body sensor localization
for health and medical monitoring applications‖ – Pervasive Mob Comput. 2011 Dec;
14) Alireza V. , Navid A. , Wenyao Xu , and Majid S. – ‖Accelerometer -based on -body sensor localization
for health and medi cal monitoring applications‖ – Pervasive Mob Comput. 2011 Dec;
15) Alireza V. , Navid A. , Wenyao Xu , and Majid S. – ‖Accelerometer -based on -body sensor localization
for health and medical monitoring applications‖ – Pervasive Mob Comput. 2011 Dec;
16) Datascheet MC3635 3 -Axis Accelerometer
17) Datascheet MC3635 3 -Axis Accelerometer
18) Datascheet MC3635 3 -Axis Accelerometer
19) Bogdan D, Alexandru B., Dănuț E. – Interfețe de comunicație de viteză mică – I2C – Universitatea
Dunărea de Jos Galați – Facultatea de Automatică, calculatoare, Inginerie Electrică și Electronică,
20) Andrei C – Achiziții de date – Elemente introductive generale referitoare la conducerea proceselor
industriale – 2006 -2007 – pg. 5
21) Datascheet MC3635 3 -Axis Accelerometer
22) Ana C. – Laboratorul 9 – Comunicare I2C și SPI