Diseño e implementación de una plataforma para el estudio del monitoreo remoto del movimiento de seres humanos en recintos cerrados con fines hospitalarios

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(1)IEL2-03-II-10. DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UNA PLATAFORMA PARA EL ESTUDIO DEL MONITOREO REMOTO DEL MOVIMIENTO DE SERES HUMANOS EN RECINTOS CERRADOS CON FINES HOSPITALARIOS.. DIEGO ENRIQUE DIAZ ROBLES. Trabajo de grado presentado como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Electrónico. Asesor: Ing. Fernando Jiménez. Ph.D.. BOGOTA D.C. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRONICA 2004.

(2) IEL2-03-II-10. NOTA DE ACEPTACION . . .. ASESOR:. .. JURADO 1:. .. JURADO 2:. .. 2.

(3) IEL2-03-II-10. AGRADECIMIENTOS A FERNANDO JIMENEZ, Profesor del departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de la Universidad de Los Andes.. A WILLIAM ROMERO, Asistente administrativo del laboratorio de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de la Universidad de Los Andes.. A LUISA FERNANDA ROMERO, Auxiliar del Laboratorio de Ingeniería Eléctrica y Electrónica.. A ANDRES ORLANDO LUNA, Estudiante de Maestría de la Universidad de Los Andes.. A SONIA MEDINA, Estudiante de Ingeniería Industrial de la Universidad de Los Andes.. A IGOR HERNANDEZ, Estudiante de Ingeniería Electrónica de la Universidad de Los Andes.. A DANIEL SAENZ, Estudiante de Ingeniería Electrónica de la Universidad de Los Andes.. A PAUL KOBOLD, Estudiante de Ingeniería Electrónica de la Universidad de Los Andes.. A Mi familia y a todas las personas que contribuyeron en el desarrollo de este proyecto.. 3.

(4) IEL2-03-II-10. CONTENIDO Pág. RESUMEN ....................................................................................................................... 8 INTRODUCCIÓN. ........................................................................................................... 9 2.. CARACTERÍSTICAS DEL CUARTO DE MONITOREO. ..................................11. 3.. DEFINICIÓN DE COMPONENTES PLATAFORMA DE MONITOREO. .........12 3.1. SENSORES DE MOVIMIENTO. .......................................................................13 3.2. INTERRUPTORES.............................................................................................13 3.3. AUTÓMATA PROGRAMABLE. .......................................................................14 3.4. COMPUTADOR..................................................................................................15. 4.. SOLUCIÓN TECNOLÓGICA PARA EL MONTAJE DE LA SALA.................16 4.1 SOLUCIÓN TECNOLÓGICA PARA LOS SENSORES DE MOVIMIENTO. 16 4.1.1 Sensores Pasivos piro-eléctricos de tipo infrarrojo............................17 4.1.2 Microbolometros.........................................................................................20 4.2. SOLUCIÓN TECNOLÓGICA DEL AUTÓMATA PROGRAMABLE.............23. 5.. DISEÑO DEL AUTOMATISMO............................................................................25 5.1 DIAGRAMA DE ESTADOS................................................................................26 5.2. SENSORES DE MOVIMIENTO. .......................................................................27 5.3 INTERRUPTORES. .............................................................................................28 5.4 ALGORITMO DE CONTROL.............................................................................28 5.4.1 Control de desplazamiento del usuario. ................................................30 5.4.2 Control de desplazamiento del personal externo. ...............................31 5.4.3. Control de Emergencias...........................................................................32 5.5.. 6.. SALIDA DIGITAL PLC. .................................................................................39. DISEÑO DE LA INTERFAZ GRÁFICA. ..............................................................40 6.1. MODULO DE VISUALIZACIÓN. ......................................................................41 6.2. MODULO DE ESTADÍSTICAS. ........................................................................43 6.3. ACCESO REMOTO. ..........................................................................................48. 4.

(5) IEL2-03-II-10. 7.. IMPLEMENTACIÓN DEL CUARTO DE MONITOREO.....................................50 7.1.. UBICACIÓN DE LOS SENSORES DE MOVIMIENTO..............................50. 7.2.. CONEXIÓN DE LOS SENSORES DE MOVIMIENTO. ..............................51. 7.3.. INTERFAZ DE CONEXIÓN SENSORES-AUTOMATA. ............................52. 7.4.. TARJETA DE PRUEBA DE LOS SENSORES DE MOVIMIENTO. .........54. 7.5.. COSTOS DE IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE MONITOREO.....55. 8.. PERSPECTIVAS....................................................................................................57. 9.. RESULTADOS Y CONCLUSIONES. ..................................................................59. 10.. BIBLIOGRAFIA. .................................................................................................60. ANEXO 1: ESPECIFICACIONES TECNICAS PIR-MOTION SENSOR. .................62 ANEXO 2: PLANO ELECTRICO – SALA W106. ......................................................63 ANEXO 3. ESQUEMATICO TARJETA INTERFAZ SENSORES-PLC. .................64 ANEXO 4: DESCRIPCION COSTOS DE IMPLEMENTACION CUARTO DE MONITOREO. ................................................................................................................65. 5.

(6) IEL2-03-II-10. LISTA DE FIGURAS.. Pág. FIGURA 1. CUARTO DE MONITOREO ...............................................................12 FIGURA 2. SENSOR PIRO-ELECTRICO..............................................................18 FIGURA 3. CONFIGURACION VOLTAGE BUCKING..........................................19 FIGURA 4. MICROBOLOMETRO. ........................................................................21 FIGURA 5. PIR MOTION SENSOR. ......................................................................22 FIGURA 6. PLC 314-IFM DE SIEMENS. S.A. .......................................................24 FIGURA 7. DIAGRAMA DE BLOQUES - AUTOMATISMO DE CONTROL. ........25 FIGURA 8. SECTORIZACION DEL CUARTO DE MONITOREO. ........................26 FIGURA 9. DIAGRAMA DE ESTADOS. ...............................................................27 FIGURA 10. ENTRADAS - SENSORES DE MOVIMIENTO. ................................27 FIGURA 11. ENTRADAS - INTERRUPTORES.....................................................28 FIGURA 12. SUB-BLOQUES DEL ALGORTIMO DE CONTROL. .......................29 FIGURA 13. ELEMENTOS DE ETAPA-TRANSICION..........................................29 FIGURA 14. GRAFCET DE CONTROL - ETAPA INICIAL Y SECTOR 4. ............30 FIGURA 15. GRAFCET DE CONTROL - ETAPA INICIAL Y SECTOR 5. ............32 FIGURA 16. GUIA GEMMA DEL AUTOMATISMO. .............................................34 FIGURA 17. EMERGENCIA DE VIOLACIÓN DE LÍMITES. .................................35 FIGURA 18. SOLICITUD DE PERSONAL EXTERNO. ........................................36 FIGURA 19. TIEMPO DE INACTIVIDAD DEL USUARIO. ....................................38 FIGURA 20. SALIDAS DIGITALES PLC. .............................................................39 FIGURA 21. SUB-BLOQUES DE LA INTERFAZ GRAFICA. ...............................40 FIGURA 22. MODULOS DE VISUALIZACIÓN. ....................................................41 FIGURA 23. SEÑALES DE EMERGENCIA. .........................................................43 FIGURA 24. MODULOS DE ESTADISTICAS. ......................................................44 FIGURA 25. SEÑALES PARAMETROS COMPORTAMENTALES......................45. 6.

(7) IEL2-03-II-10. FIGURA 26. ETAPA PARAMETROS COMPORTAMENTALES - SECTOR BAÑO. ........................................................................................................................46 FIGURA 27. ETAPA PARAMETROS COMPORTAMENTALES FUERA DE CAMA. ............................................................................................................47 FIGURA 28. SEÑALES PARAMETROS COMPORTAMENTALES PERSONAL EXTERNO. .....................................................................................................48 FIGURA 29. ETAPA PARAMETROS COMPORTAMENTALES PERSONAL EXTERNO. .....................................................................................................48 FIGURA 30. ESQUEMATICO SENSORES DE MOVIMIENTO.............................51 FIGURA 31. DESCRIPCION DE SEÑALES – SENSOR DE MOVIMIENTO.........51 FIGURA 32, INTERFAZ DE CONEXIÓN SENSOR DE MOVIMIENTO. ...............52 FIGURA 33, INTERFAZ DE CONEXIÓN SENSOR DE MOVIMIENTO. ...............53 FIGURA 34. INTERFAZ DE CONEXIÓN SENSOR DE MOVIMIENTO. ...............54 FIGURA 35. INTERFAZ DE CONEXIÓN SENSOR DE MOVIMIENTO. ...............55. 7.

(8) IEL2-03-II-10. RESUMEN. En la actualidad las tecnologías en electrónica, telecomunicaciones e informática se están convirtiendo en una herramienta fundamental al interior de las organizaciones para manejar y optimizar los procesos al interior de las mismas. En función de esto, este proyecto busca ofrecer una solución tecnológica para el monitoreo y supervisión remoto de seres humanos mientras estos conllevan un estilo de vida normal en sus hogares.. Los principales objetivos de este proyecto son: •. Implementar una plataforma para el monitoreo y supervisión de seres humanos en un recinto cerrado, con el fin de establecer una base física y tecnológica para el desarrollo de aplicaciones hospitalarias de acuerdo con los requerimientos de los médicos y las instituciones.. •. Diseñar una interfaz gráfica mediante la cual personal autorizado pueda observar en tiempo real el comportamiento de la persona monitoreada.. Para esto se diseño un automatismo en el cual se instalaron sensores de movimiento en el cuarto de monitoreo; la señal de estos sensores es recibida por un autómata programable ubicado al interior del cuarto, cuya función es la de procesar la información enviada por los sensores. La información procesada se pone a disposición del personal autorizado por medio de un SCADA de tal forma que se tiene información en tiempo real acerca de la situación del usuario al interior del cuarto. Este cuarto se implemento utilizando los recursos disponibles en la Universidad de Los Andes, razón por la cual el costo de la implementación no se considero una variable importante para el desarrollo de los objetivos.. 8.

(9) IEL2-03-II-10. INTRODUCCIÓN.. A lo largo de la historia los seres humanos han trabajado en el descubrimiento e implementación de nuevas tecnológicas con el fin de mejorar la calidad de vida de las personas en todos los niveles. Por esta razón es necesario establecer cuales son los problemas actuales a los que se enfrenta la sociedad y buscar la forma de superarlos por medio de la implementación de tecnologías ETI.. En la actualidad se ve como seres humanos que por alguna razón, ya sea física o mental, necesitan de constante atención por parte de las personas que los rodean sienten que son una carga para las demás personas y pierden todo sentimiento de privacidad e independencia en sus estilos de vida.. Por esta razón, la Universidad de Los Andes decidió generar un grupo de investigación y de transferencia de conocimiento en tecnologías ETI para el monitoreo y supervisión de personas. Este grupo cuenta con la asesoría internacional del LAAS-CNRS de Francia.. La primera fase del proyecto, desarrollada por el Ing. Juan Pablo Rincón Montes, estudiante de Maestría de la Universidad de Los Andes1, tuvo como objetivos la evaluación de la viabilidad técnica del sistema de monitoreo y la definición y especificación de los criterios técnicos del sistema de monitoreo para personas.. Lo que se hace en el trabajo que se va a describir a continuación, es recopilar la información trabajada en la Fase I y adaptarla de tal forma que se pueda implementar una plataforma para el monitoreo de movimientos de seres humanos 1. Sistema de atención con discapacidad a través de tecnologías de electrónica, telecomunicaciones e informática. Juan Pablo Rincón Montes. 2003.. 9.

(10) IEL2-03-II-10. en un recinto cerrado. Se busca que esta implementación se lleve a cabo en la Universidad de Los Andes y se puedan utilizar los recursos que esta dispone.. En Colombia no existen mayores referencias de trabajos que busquen este tipo de objetivos, sin embargo otros países han trabajo en la implementación de soluciones tecnológicas para este tipo de situaciones Por esta razón se tomo como punto de referencia un proyecto piloto adelantado por el LAAS-CNRS2 en Toulouse, Francia.. Con la implementación de esta plataforma se busca establecer una base tanto física como tecnológica que se pueda ampliar a cualquier tipo de aplicaciones que tengan que ver con el monitoreo en tiempo real de movimientos en un recinto cerrado de seres humanos.. 2. Prosafe Systeme D’aide Au Suivi Des Personnes Agees. CNRS LAAS Francia. www.laas.fr/PROSAFE.. 10.

(11) IEL2-03-II-10. 2. CARACTERÍSTICAS DEL CUARTO DE MONITOREO.. Este trabajo esta encaminado al diseño e implementación de una plataforma monitoreo remoto de movimientos de personas. Esta plataforma esta encaminada especialmente al monitoreo de personas de la tercera edad o que presenten algún tipo de incapacidad que no les permita movilizarse adecuadamente.. Con esta plataforma se busca que la persona no tenga que estar bajo una supervisión personal en todo momento, sino que este pueda estar en su casa y las personas interesadas en su monitoreo se puedan encontrar en cualquier otro lugar. El objetivo de la plataforma es que la persona pueda llevar un ritmo de vida normal en su casa, de tal forma no sienta que es una carga para sus familiares o conocidos. De igual forma la plataforma genera un sentimiento de independencia y seguridad al usuario de la plataforma ya que no ve invadida su privacidad.. El sistema de monitoreo debe cumplir las siguientes funciones. •. Detectar el movimiento de una persona al interior del cuarto.. •. Tener una interfaz gráfica por medio de la cual familiares u otro tipo de personas autorizadas puedan monitorear los movimientos del usuario de la plataforma.. •. Avisar oportunamente cuando se presente una situación de emergencia al interior de la plataforma de monitoreo.. •. Mostrar en pantalla las actividades diarias del usuario de la plataforma.. 11.

(12) IEL2-03-II-10. 3. DEFINICIÓN DE COMPONENTES DE LA PLATAFORMA DE MONITOREO.. Una vez se han estudiado las características que debe tener la plataforma de monitoreo, es necesario establecer cuales deben ser los componentes que se deben implementar en este con el fin de poder cumplir las funciones para las que la plataforma fue diseñada.. En la Figura 1 podemos ver el cuarto modelo sobre el cual se va a implementar la plataforma de monitoreo. Este modelo esta basado en la arquitectura de la sala de estudio individual W106 del laboratorio de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de la Universidad de los Andes.. Este modelo nos sirve como una referencia para. establecer los requerimientos de la implementación de la plataforma pero no establece que esta deba estar condicionada a un cuarto con estas características. FIGURA 1. CUARTO DE MONITOREO. De acuerdo con la distribución espacial de la sala y con las características que debe cumplir la plataforma de monitoreo se estableció que este debe cumplir los siguientes requerimientos.. 12.

(13) IEL2-03-II-10. 3.1. SENSORES DE MOVIMIENTO.. El objetivo principal de la plataforma de monitoreo es poder monitorear los movimientos de una persona al interior del cuarto; por razón los sensores de movimiento se convierten en el requerimiento principal para lograr este objetivo.. De acuerdo con las características propias del cuarto, los sensores se ubicaran estratégicamente al interior del cuarto con el fin de que se tenga una cobertura total de los desplazamientos de la persona al interior de este. Lo que se busca es que los sensores den información de los sectores del cuarto por los que se desplaza la persona; las señales generadas por estos sensores se llevaran a un centro de control instalado en el cuarto de monitoreo para que esta información sea procesada debidamente.. 3.2. INTERRUPTORES.. Con el fin de facilitar la interacción entre otras personas distintas del usuario de la plataforma de monitoreo con el automatismo de control se requiere la implementación de interruptores en el cuarto de monitoreo. Los interruptores al ser activados generan señales que sirven para controlar el algoritmo de control del sistema de monitoreo. Los interruptores que se van a implementar son los siguientes.. -. START: Este interruptor es el que emite la señal de inicio del automatismo de control. El interruptor de START se debe activar en el momento en el que se cumplan las condiciones iniciales del automatismo, las cuales se describen mas adelante, y debe permanecer normalmente.. activo. para. que. el. automatismo. se. desarrolle.

(14) IEL2-03-II-10. -. PERSONAL EXTERNO: Los sensores de movimiento no están en capacidad de diferenciar por si solos entre el movimiento del usuario de la plataforma o el movimiento de otra persona distinta de este, por esta razón el interruptor PERSONAL EXTERNO se activa cuando una persona distinta del usuario ingrese al cuarto de monitoreo. Esto permite que el automatismo de control pueda diferenciar los desplazamientos del usuario y de la otra persona en la habitación y se pueda visualizar correctamente en pantalla.. -. EMERGENCIA:. Es. importante. que. el. usuario. tenga. una. comunicación con otras personas y pueda informar cuando tenga una emergencia que requiera de una pronta atención. El interruptor EMERGENCIA puede ser accionado por el usuario de la plataforma en cualquier momento, este interruptor genera una señal la cual permitirá que en la visualización gráfica se pueda informar a las personas autorizadas acerca de la situación al interior del cuarto.. 3.3. AUTÓMATA PROGRAMABLE.. Con el fin de automatizar. y controlar los componentes de la plataforma de. monitoreo es necesario tener un controlador lógico programable que se encuentre ubicado en el lugar de monitoreo donde resida el usuario. El algoritmo de control del sistema de monitoreo será programado en la memoria central del autómata. De esta forma la función del autómata será recibir las señales enviadas por los sensores de movimiento y por los interruptores y en base al algoritmo de control generar las señales de salida que se podrán visualizar por medio de la interfaz gráfica.. 14.

(15) IEL2-03-II-10. 3.4. COMPUTADOR.. El autómata programable debe estar conectado en todo momento a un computador.. El computador contiene los programas Step 7 y WINCC de. SIEMENS S.A. que sirven para programar el automatismo de control y la interfaz gráfica respectivamente. Las señales de salida del autómata programable son enviadas al computador por medio de la interfaz PG/PC que trae el autómata. El computador recibe las señales y las incorpora en la interfaz gráfica. Cuando el personal autorizado requiera tener acceso remotamente a la interfaz gráfica el computador actuara como computador servidor. Por medio del programa WINCC Web Navigator de SIEMENS S.A., la interfaz gráfica que se encuentra en el computador servidor se podrá ver en tiempo real en cualquier otro computador cliente previamente configurado. De igual forma el computador sirve para almacenar información de las actividades del usuario.. Los anteriores son los principales componentes que debe tener el cuarto de monitoreo para su correcto funcionamiento. La implementación de estos componentes. deberá. ser. estudiada. particularmente. para. cada. persona,. basándonos en el tipo de aplicación que cada usuario requiera, así como en las características propias del lugar donde sean implementados.. 15.

(16) IEL2-03-II-10. 4. SOLUCIÓN TECNOLÓGICA PARA EL MONTAJE DE LA SALA.. Una vez conocemos los componentes que se deben implementar en el cuarto de monitoreo entramos a definir las soluciones que se tienen para satisfacer estos requerimientos, estas son: 4.1 SOLUCIÓN TECNOLÓGICA PARA LOS SENSORES DE MOVIMIENTO.. Con el fin de realizar un monitoreo adecuado del usuario en observación, es necesario dotar el cuarto de monitoreo con sensores que nos darán información acerca de las condiciones en que se encuentra el usuario y las actividades que el realiza dentro del cuarto. En el mercado se consiguen un gran cantidad de sensores, algunos muy complejos que proveen información termográfica y de movimiento y otros mas sencillos que generan una señal cuando perciben movimiento al interior del cuarto.. La mayoría de estos sensores se basa en el principio de la radiación infrarroja. La radiación infrarroja es un proceso físico que existe en el espectro electromagnético y que presenta longitudes de onda mas largas que las de la luz visible, por esta razón no puede ser vista pero puede ser detectada. En general, los objetos que generan calor, también generan radiación infrarroja; los humanos y los animales presentan una fuerte radiación infrarroja en longitud de onda de 9.4 mm.. En este rango la radiación infrarroja no pasa a través de muchos materiales pero si a través de materiales opacos a la luz visible como los son el Germanio y el Silicio. Por lo tanto estos materiales se usan en los sensores de tipo infrarrojo ya que sirven como una ventana que filtra la radiación infrarroja y evita el paso de la luz visible.. 16.

(17) IEL2-03-II-10. Los sensores infrarrojos se dividen en dos categorías, los sensores infrarrojos activos y los pasivos.. o Sensores infrarrojos activos: Los sensores infrarrojos activos están compuestos de un transmisor y un receptor.. El transmisor emite radiación. infrarroja de onda corta y luego el receptor detecta la reflexión causada por una persona en movimiento que se mueve a lo largo del rango del sensor.. o Sensores Infrarrojo Pasivos. El componente pasivo del sensor se basa en el hecho de que toda persona emite radiaciones de onda larga que crea diferencia de temperatura en el ambiente. Esta radiación es detectada y medida por el componente piro eléctrico del sensor.. Para este proyecto vamos a utilizar los sensores infrarrojos pasivos ya que lo que queremos es detectar y analizar los movimientos del usuario... A continuación se van a mostrar algunos tipos de sensores que son comunes para este tipo de aplicaciones y finalmente evaluaremos cada una de sus características para llegar a la conclusión del sensor apropiado para el tipo de aplicación que se va a realizar.. 4.1.1 Sensores Pasivos piro-eléctricos de tipo infrarrojo.. Los sensores pasivos piro-eléctricos de tipo infrarrojo generan una señal de salida cuando detectan algún tipo de radiación infrarroja emitida por algún cuerpo en movimiento como puede ser una persona o un animal.. Los sensores piro eléctricos están hechos de un. material cristalino, Silicio o. Germanio, cuya función es generar una carga eléctrica en la superficie cuando. 17.

(18) IEL2-03-II-10. esta se expone al calor en forma de radiación infrarroja. Cuando la radiación que incide en la superficie cambia, también cambia la carga eléctrica en la superficie. Estos cambios pueden ser medidos por medio de un transistor FET que se encuentre dentro del sensor.. Debido a que los sensores son sensibles a un amplio rango de longitudes de onda, se coloca una ventana que filtra las longitudes de onda entre los 8mm y los 14 mm que son los valores en los que el sensor es más sensible a la radiación emitida por el cuerpo humano.. En la Figura 2 podemos ver la configuración típica de un sensor piro eléctrico. FIGURA 2. SENSOR PIRO-ELECTRICO. Tomado de 3. Podemos ver que el pin 2 del transistor FET (SOURCE), se conecta a tierra a través de una resistencia de 100K y además se conecta a dos etapas de acondicionamiento de la señal. Los sensores piro eléctricos tienen dos elementos sensores conectados en configuración Voltage Bucking. Esta configuración se utiliza para cancelar las señales que se producen debido a la vibración, los cambios en la temperatura y en la luz del sol. En esta configuración un cuerpo que se desplace frente al sensor activara primero un elemento sensor y luego el otro 3. http://www.glolab.com, Electronic Kits And Components.. 18.

(19) IEL2-03-II-10. de tal forma que las otras variables que afecten la señal de salida afectaran al mismo tiempo los dos elementos sensores y se cancelaran tal como podemos ver en la Figura 3. FIGURA 3. CONFIGURACION VOLTAGE BUCKING. Tomado de 4.. Con el fin de obtener una señal mas clara y precisa se pueden usar lentes frente a los sensores.. Existen varios modelos de sensores pasivos, algunos generan señales análogas y requieren de circuitos complementarios para el acondicionamiento de la señal, otros generan señales digitales de tal forma que están listos para ser usados con algún tipo de microcontrolador. A continuación veremos las especificaciones para dos referencias de este tipo de sensores. 4. http://www.glolab.com, Electronic Kits And Components.. 19.

(20) IEL2-03-II-10. o HVW Passive Infrared Motion Detector. o Voltaje de Operación: 5 Vdc. o Corriente: 350 uA. o Señal de salida: Valores lógicos TTL. o Lentes: Ball Lens o Angulo de vista: 60º o Distancia de detección: 5m. o Precio: USD$ 11 (En Canada sin contar Impuestos ni Gastos de Envio).. o Infrared Motion Sensor LX16C o Voltaje de Operación: 110 130 V ac. o Carga Maxima: 1200 W o Angulo de Vista: 180º. o Distancia de Deteccion: 12 m (maximo) o Tiempo de espera: 5 seg. – 8 min. o Precio: $35000 (disponible en Colombia). 4.1.2 Microbolometros.. Los microbolometros son otro tipo de sensores pasivos de tipo infrarrojo. Los microbolometros usualmente se diseñan en forma de arreglo (matrices) de bolometros, lo que hace que sean aptos para aplicaciones como lo son las imágenes térmicas, el análisis del espectro infrarrojo y aplicaciones de sensado remoto.. Los microbolometros son sensores térmicos cuya propiedad es el cambio de la resistencia eléctrica en función de la temperatura (radiación térmica) que. 20.

(21) IEL2-03-II-10. perciben, debido al proceso de fabricación se consiguen como un arreglo plano de microbolometros (FPA) donde cada microbolometro es un pixel.. La Figura 4 nos muestra físicamente uno de los microbolometros que componen el arreglo de microbolometros. Cada uno de los sensores microbolométricos están formados en una fina membrana ultra delgada que presenta perdidas de calor bajas, el sensor y los demás elementos están integrados dentro de un modulo monolítico. FIGURA 4. MICROBOLOMETRO. Tomado de 5.. Los sensores que usan arreglos de microbolometros son usados para el análisis de imágenes termográficas, es por esta razón que usualmente se encuentran ya integrados en cámaras infrarrojas y su salida usualmente es digital por medio de un cable de video RCA o puerto serial RS-232.. Una de las cámaras mas económicas del mercado que usan este tipo de tecnología es la IR-160TM Termal Imager, sus especificaciones son:. 5. Industrial Technology Research Institute, www.itri.org.tw. 21.

(22) IEL2-03-II-10. •. IR – 160TM Termal Imagen.. o Arreglo microbolometros FPA de 160x120 pixel. o Pixels cuadrados de 50um. o Longitudes de onda: 8 a 14 um. o NTSC or PAL video output. o Interface de Comunicacion RS-232 o Precio: USD$17000 + IVA puesto en Colombia.. Una vez se analizaron las distintas soluciones tecnológicas en cuanto a disponibilidad, precio y tecnología, se decidió utilizar los sensores pasivos piroeléctricos de tipo infrarrojo. En particular se eligieron los sensores HVW Passive Infrared Motion Detector de la empresa HVW Technologies. Se eligió esta referencia debido a que ya traen acondicionada una salida digital lo que permite que se puedan conectar fácilmente a un controlador, de igual forma el ángulo de cobertura y el tamaño son perfectos para su ubicación dentro del cuarto de monitoreo. En el Anexo 1 se puede ver la hoja con las especificaciones técnicas del sensor y en la Figura 5 podemos ver la foto del mismo,. FIGURA 5. PIR MOTION SENSOR.. 22.

(23) IEL2-03-II-10. 4.2. SOLUCIÓN TECNOLÓGICA DEL AUTÓMATA PROGRAMABLE.. En el mercado hay una gran variedad de autómatas programables los cuales varían en precio, tamaño y capacidades en función del tipo de aplicación en el que se van a utilizar. Debido a que este es un proyecto de investigación académico se busca utilizar al máximo los recursos con que dispone la Universidad de Los Andes con el fin de facilitar la implementación del sistema. El laboratorio de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de la Universidad de Los Andes cuenta con un conjunto de autómatas programables, en este caso se utilizó el PLC S7-314 IFM de Siemens. De igual forma la Universidad cuenta con los programas Step 7 Professional, Windows Control Center (WINCC), y WINCC Web Navigator de SIEMENS S.A., así como con sus respectivas licencias. Estos programas permiten la programación del automatismo de control, la interfaz gráfica y el acceso remoto respectivamente.. Las especificaciones técnicas de este autómata programable son las siguientes: •. Memoria Central 32 Kb. •. 20 Entradas Digitales. •. 16 Salidas Digitales.. •. 4 Entradas Análogas. •. 1 Salida Análoga. •. Voltaje de Entrada/Salida Digital 24 Vdc.. •. Conexión MPI.. 23.

(24) IEL2-03-II-10. En la Figura. se ve la foto del PLC 314 IFM de Siemens que se utilizó para la. implementación de la plataforma de monitoreo.. FIGURA 6. PLC 314-IFM DE SIEMENS. S.A.. 24.

(25) IEL2-03-II-10. 5. DISEÑO DEL AUTOMATISMO.. Una vez se han establecido los componentes y las tecnologías que se van a implementar en la plataforma de monitoreo, es necesario entrar a definir el automatismo que se va a implementar para el control del sistema.. En este proyecto se trabaja un automatismo secuencial debido a que las salidas del sistema están definidas no solo por las entradas del sistema en un momento determinado, sino también, por el estado anterior en el que se encuentre el sistema. La Figura 7 nos muestra un diagrama de bloques en el cual se pueden observar los componentes del automatismo de control.. FIGURA 7. DIAGRAMA DE BLOQUES - AUTOMATISMO DE CONTROL.. Sensores. SISTEMA. Estado anterior. DE. Interruptores. CONTROL. ENTRADAS. Salida Digital PLC Interfaz Gráfica SALIDAS. Salidas. A continuación entraremos a definir cada uno de los bloques definidos anteriormente.. 25.

(26) IEL2-03-II-10. 5.1 DIAGRAMA DE ESTADOS.. Con el fin de establecer un diagrama de estados se estableció una división por sectores del cuarto de monitoreo como se puede ver en la Figura 8.. FIGURA 8. SECTORIZACION DEL CUARTO DE MONITOREO.. Esta división se realizo teniendo en cuenta el número de sensores de movimiento que se instalaron con el fin de cubrir la totalidad del cuarto. Cada sector corresponde al area de cobertura de un sensor de movimiento. De esta forma se establece que cada sector corresponde a un estado dentro del algoritmo de control. Para realizar el diagrama de estados se definieron las trayectorias validas del usuario al interior del cuarto de monitoreo, por ejemplo, para que el usuario pueda ingresar al baño, Sector 6, es obligatorio que para llegar a ese sector deba pasar por el Sector 4.. 26.

(27) IEL2-03-II-10. Una vez se estudiaron las trayectorias validas posibles del usuario se llego al diagrama de estados que se muestra en la Figura 9.. FIGURA 9. DIAGRAMA DE ESTADOS.. 6. 4. 2. 5. 3. 1. 5.2. SENSORES DE MOVIMIENTO.. Cada sensor de movimiento enviara una señal al autómata programable en el momento en que una persona se mueva en el sector de cobertura del mismo. Los sensores de movimiento están conectados al autómata a través de las entradas digitales que este dispone. En la Figura 10 podemos ver la tabla correspondiente a la dirección en memoria que se asigna a cada entrada digital correspondiente a los sensores de movimiento. FIGURA 10. ENTRADAS - SENSORES DE MOVIMIENTO.. Como se puede ver se asigno la palabra E-124 para recibir las señales provenientes de cada sensor. A cada sensor le corresponde un bit dentro de la palabra E.124. De esta forma si la dirección E 124.1 se encuentra en “TRUE” esto. 27.

(28) IEL2-03-II-10. significa que el usuario se encuentra en el sector 1 y así con la señal de los demás sensores. 5.3 INTERRUPTORES.. Los interruptores son accionados en cualquier momento tanto por el personal externo como por el usuario. En la Figura 11 podemos ver la dirección en memoria que se asigna a cada interruptor.. FIGURA 11. ENTRADAS - INTERRUPTORES.. Como se puede ver, a los interruptores se les asigno la palabra E-124, a cada interruptor le corresponde un bit dentro de esta palabra. 5.4 ALGORITMO DE CONTROL.. El algoritmo de control es el bloque más importante dentro de todo el sistema. Los valores de las salidas y lo que se observe en la interfaz gráfica dependen del valor de las entradas en un momento determinado, por esta razón el algoritmo de control esta divido en su interior en tres sub-bloques de control tal como se puede ver en la Figura 12.. 28.

(29) IEL2-03-II-10. FIGURA 12. SUB-BLOQUES DEL ALGORTIMO DE CONTROL.. CONTROL DE DESPLAZAMIENTO DEL USUARIO. CONTROL DE EMERGENCIAS. CONTROL DE DESPLAZAMIENTO PERSONAL EXTERNO. El algoritmo de control fue trabajado con el estándar internacional IEC-848. Para cada uno de estos bloques se utilizó el programa S7-Graph de SIEMENS S.A. que permite la programación de automatismos secuénciales de acuerdo con el estándar IEC-848. A continuación se muestra como se trabajo cada uno de estos bloques.. El programa S7-Graph es una herramienta gráfica que permite programar automatismos secuénciales mediante la configuración de etapas y transiciones. En la Figura 13 podemos ver los elementos típicos de una Etapa-Transición. FIGURA 13. ELEMENTOS DE ETAPA-TRANSICION.. 29.

(30) IEL2-03-II-10. Se puede ver que cuando hay una etapa activa, se desarrollan ciertas acciones correspondientes a esa etapa. En el momento en que se cumplen las condiciones de transición se activa la siguiente etapa (y se desactiva la anterior), y se desarrollan otras acciones correspondientes a la nieva etapa activada.. A continuación mostraremos los algoritmos de control para cada uno de los subbloques y la forma como fueron desarrollados. 5.4.1 Control de desplazamiento del usuario.. Dentro de este bloque se encuentra el automatismo para controlar los desplazamientos del usuario al interior del cuarto de monitoreo. Una vez se tiene el diagrama de estados con las trayectorias validas al interior del cuarto, estas trayectorias se guardan en la memoria del autómata programable. Lo primero que se hace es definir el estado inicial del usuario. En este caso se define como estado inicial del usuario el sector 1 que es el sector donde se encuentra ubicada la cama. En la Figura 14 podemos ver como se define el estado inicial en la herramienta de programación S7-Graph.. FIGURA 14. GRAFCET DE CONTROL - ETAPA INICIAL Y SECTOR 4.. 30.

(31) IEL2-03-II-10. Cada etapa en el algoritmo de control corresponde a un estado. En este caso se puede ver que la Etapa Inicial corresponde al estado Inicial del usuario en este caso el estado 1. De esta forma cada vez que el usuario cambie de sector dentro del cuarto, se observara un cambio de etapa en el algoritmo de control.. En la Figura 14 se puede apreciar como se desarrolla la transición entre las distintas etapas del algoritmo de control. Para que se pueda activar una etapa es necesario que el interruptor START este accionado y que se reciba una señal de sensor valida de acuerdo con el diagrama de estados definido. En este caso se puede observar que el usuario pasa de la etapa inicial (sector 1) al sector 4, debido a que la señal “START” esta activa y la señal del sensor 4 es valida de acuerdo con el diagrama de estados definido anteriormente.. Para salir de una etapa se deben cumplir una de dos condiciones. -. Recibir una señal de sensor valida. Se activara la etapa correspondiente al sensor activado.. -. Recibir. una señal de emergencia. Se activara la etapa de. emergencia. 5.4.2 Control de desplazamiento del personal externo.. En este bloque se encuentra el automatismo para controlar el desplazamiento del personal externo al interior del cuarto de monitoreo. Al igual que en el sub-bloque de control de desplazamiento del usuario, lo primero que se debe hacer es definir el estado inicial del personal externo. En este caso se toma el sector 7 como el estado inicial del personal externo. Se elige este estado ya que inicialmente el personal externo debe estar afuera del cuarto de monitoreo.. La Figura 15 nos muestra como se define el estado inicial del personal externo y su transición a otras etapas.. 31.

(32) IEL2-03-II-10. FIGURA 15. GRAFCET DE CONTROL - ETAPA INICIAL Y SECTOR 5.. Antes de ingresar al cuarto, el personal externo debe accionar el pulsador Personal Externo que se encuentra en la puerta de entrada del cuarto de monitoreo. Esto se debe hacer con el fin de que el autómata pueda diferenciar entre las señales de los sensores generadas por el usuario y las señales generadas por el personal externo.. Una vez accionado el interruptor y si se obtiene una señal de sensor valida, se realizara un cambio de etapa. En la figura 15 podemos ver que de acuerdo con el diagrama de estados, la entrada al cuarto se debe hacer por el sector 5; por esta razón esta es la única etapa programada después de la etapa inicial. 5.4.3. Control de Emergencias.. En cualquier automatismo que se diseñe es importante tener en cuenta las emergencias que se puedan presentar con el fin de prevenir situaciones que puedan terminar en el daño de equipos o lesiones de personas.. De esta forma es necesario establecer una serie procedimientos que estén encaminados a controlar o superar las emergencias previstas en el momento de diseñar un automatismo.. 32.

(33) IEL2-03-II-10. Con el fin de definir universalmente los estados que debe tener un sistema la Agencia Nacional para el desarrollo de del productica aplicada a la industria preparo una guía conocida como guía GEMMA. El GEMMA (Guide d’Etude des Modes de Marches et d’Arrêts), Guía de estudio de los modos de marchas y paradas, es una guía gráfica que presenta los modos de marca de una instalación y las condiciones para pasar de un modo a otro.. La guía GEMMA esta compuesto por tres grupos: •. GRUPO F – Procedimientos de Funcionamiento:. En este grupo de encuentran los modos de funcionamiento del sistema en producción. •. GRUPO A – Procedimientos de Parada.. En este grupo se encuentran los modos en los que el sistema esta parado y los que lo llevan a este estado. •. GRUPO D – Procedimientos de Defecto.. En este grupo se encuentran los procedimientos correspondientes a las paradas por causar internas del proceso.. En este proyecto en particular, la Guia GEMMA se utilizó para definir los procedimientos que se deben seguir en el momento que se presente una emergencia con el usuario al interior del cuarto. En la figura 16 podemos ver los estados que se definieron para el funcionamiento del automatismo de control.. 33.

(34) IEL2-03-II-10. FIGURA 16. GUIA GEMMA DEL AUTOMATISMO. Tomado de 6. •. Estado A1: Parada en el estado Inicial.. Esta etapa corresponde con el estado inicial del algoritmo de control de desplazamiento del usuario y del personal externo. En esta etapa se asegura que se cumplan las condiciones iniciales de cada algoritmo con el fin de que se pueda poner en marcha al automatismo. •. Estado F1: Producción Normal:. Una vez verificado el estado A1 se da marcha al sistema, ya sea por medio del interruptor START o Personal Externoo. De esta forma se ingresa al estado de. 6. Utilización de la guia Gemma. http://edison.upc.es/curs/grafcet/gemma/utiliza.html. 34.

(35) IEL2-03-II-10. producción normal que corresponde al desarrollo del automatismo de control de desplazamiento del usuario y del personal externo. •. Estado D1: Violación de limites de desplazamiento.. Debido a las condiciones de salud, ya sean físicas o mentales, de los usuarios bajo supervisión, es posible que estos no puedan salir del cuarto de monitoreo sin previo permiso del personal autorizado o sin compañía de alguien. Por esta razón el automatismo de control debe estar en la capacidad de detectar cuando el usuario sale del cuarto sin autorización e informar al personal autorizado para que tome las medidas necesarias inmediatamente. En la Figura 17 podemos ver la etapa correspondiente a la emergencia de violación de límites.. FIGURA 17. EMERGENCIA DE VIOLACIÓN DE LÍMITES.. Se puede ver que cuando el usuario se encuentra en el sector 5 del cuarto, el sistema emite las señales de ALARMA y SALIDA que ayudan para que el personal externo se informe de la situación al interior del cuarto por medio de la interfaz gráfica. En este caso el sistema queda enclavado en esta etapa hasta que el personal autorizado realice el desenclavamiento de la emergencia. Para esto se debe desactivar el Interruptor START. Este interruptor debe estar ubicado en el interior del cuarto de monitoreo y se debe instalar de tal forma que solo pueda ser manipulado por el personal autorizado. Con esto se busca que la persona encargada de desenclavar el sistema deba ingresar al cuarto de monitoreo y de. 35.

(36) IEL2-03-II-10. esta forma se vea en la obligación de realizar personalmente la verificación de las condiciones iniciales para la puesta en marcha una vez se supere la emergencia. Como se puede ver en la Figura 17, al desactivar el Interruptor START el sistema vuelve a la etapa inicial del automatismo. El personal autorizado se debe asegurar de la preparación para la puesta en marcha del sistema, en este caso que el usuario y el personal externo vuelvan a sus estados iniciales. •. Estado D2: Solicitud de Personal Externo.. Es importante que el usuario pueda en cualquier momento avisar al personal externo cuando tenga una emergencia al interior del cuarto de monitoreo. Para esto el usuario tiene acceso al interruptor EMERGENCIA que al ser accionado generara una señal que informara al personal externo acerca de la solicitud del usuario. En la Figura 18 podemos ver el diagrama de etapas de esta situación de emergencia. FIGURA 18. SOLICITUD DE PERSONAL. EXTERNO.. 36.

(37) IEL2-03-II-10. Como se puede ver, en el momento en que el usuario acciona el interruptor EMERGENCIA, se ingresa a la etapa de emergencia en el cual se emiten las señales “emeraviso” y “ALARMA” con el fin de que el personal externo se informe de la solicitud por medio de la interfaz gráfica. Para realizar el desenclavamiento de emergencia se requiere que el personal externo desactive los interruptores START y EMERGENCIA. El personal externo debe atender al usuario y realizar los procedimientos necesarios para garantizar las condiciones iniciales para la puesta en marcha del automatismo. •. Estado D3: Tiempo de Inactividad. El sistema debe estar en capacidad de monitorear el tiempo de duración del usuario en cada uno de los sectores del cuarto. Hay sectores donde el usuario puede estar durante largos periodos de tiempo como el sector de la cama y otros donde su duración es menor. El sistema, de acuerdo con el tipo de usuario y la condición que presente, debe estar en capacidad de informar al personal externo cuando el usuario presente un periodo inicial de inactividad, es decir, que no se detecte movimiento en el cuarto de monitoreo. Este tiempo limite deber ser establecido por el personal que implementa la plataforma y varía de un usuario a otro, razón por la cual se puede modificar en el algoritmo de control en cualquier momento. En la Figura 19 vemos el diagrama de etapas correspondiente a la emergencia de tiempo de inactividad del usuario.. 37.

(38) IEL2-03-II-10. FIGURA 19. TIEMPO DE INACTIVIDAD DEL USUARIO.. En cada etapa correspondiente a un sector del cuarto de monitoreo se tendrá un comparador de tiempos. Cuando el tiempo de la etapa supere un tiempo límite establecido se activara una señal TIEMPO la cual permitirá la transición al estado de emergencia. El sistema quedara enclavado en esta etapa; al igual que en las emergencias anteriores. Para realizar el desenclavamiento de emergencia es necesario que el personal autorizado desactive el interruptor de START, verifique la condición del usuario y establezca las causas de su inactividad y posteriormente verifique las condiciones iniciales para la puesta en marcha del sistema. •. Estado A5: Preparación para la puesta en marcha después del defecto.. Para salir del estado D1 es necesario realizar un desenclavamiento de emergencia que corresponde a la superación de la emergencia presentada. En este estado se realizan los correctivos necesarios para poner en marcha el automatismo.. 38.

(39) IEL2-03-II-10. •. Estado A6: Puesta en Estado Inicial.. En este estado el sistema se lleva a la situación inicial una vez se ha superado la emergencia que dio lugar a la parada del sistema. Una vez se cumplen las condiciones iniciales se pasa al estado A1.. 5.5.. SALIDA DIGITAL PLC.. De acuerdo con las acciones controladas por el algoritmo de control, el autómata generara unas señales de salida en un momento determinado. Las salidas digitales del PLC fueron asignadas a la dirección en memoria A124.. Cada bit dentro de esta palabra corresponde a una salida digital, en este caso se trabaja con el grupo de bits correspondiente a las direcciones A124.0 – A124.5. En la Figura 20 podemos ver la asignación que se le hace a cada salida digital del autómata. FIGURA 20. SALIDAS DIGITALES PLC.. Las salidas digitales del autómata informan en que sector del cuarto se encuentra el usuario en un momento determinado, por ejemplo, si la salida1 se encuentra activa y las demás salidas inactivas se esta indicando que el usuario se encuentra en el sector 1, es decir se encuentra en la cama.. 39.

(40) IEL2-03-II-10. 6. DISEÑO DE LA INTERFAZ GRÁFICA.. La interfaz gráfica es de gran importancia en el sistema de monitoreo. Su función es la de proveer información en tiempo real al personal autorizado de los movimientos del usuario, sus parámetros comportamentales y las emergencias que se presenten.. La interfaz gráfica se programo usando el SCADA Windows Control Center (WINCC) de Siemens S.A. Esta herramienta es muy útil para programar interfaces usuario-maquina y permite integrar las señales y la memoria del autómata con elementos gráficos para crear un ambiente amigable para el. usuario del. automatismo.. La interfaz gráfica esta dividida por 3 sub-bloques a los que se hace referencia en la Figura 21.. FIGURA 21. SUB-BLOQUES DE LA INTERFAZ GRAFICA.. Modulo de Visualización Señales Autómata. Modulo de Estadísticas Acceso Remoto.. A continuación se describirá como se diseñaron cada uno de los sub-bloques mencionados anteriormente.. 40.

(41) IEL2-03-II-10. 6.1. MODULO DE VISUALIZACIÓN.. En la Figura 22 podemos ver la pantalla correspondiente al modulo de visualización. FIGURA 22. MODULOS DE VISUALIZACIÓN.. Este modulo esta compuesto por los siguientes elementos.. -. Desplazamiento en tiempo real.. En el recuadro donde se encuentra el dibujo del cuarto de monitoreo, se puede observar en tiempo real el desplazamiento del usuario y del personal externo. Como se puede apreciar en la Figura 22, el usuario esta representado por la silueta intermitente (verde-azul) de un cuadrado. De igual forma el personal. 41.

(42) IEL2-03-II-10. externo esta representado por medio de un cuadrado relleno de color azul. En el momento en que el usuario o el personal externo se desplacen en el interior del cuarto, las figuras que los representan cambiaran al sector correspondiente. Este proceso se observara ininterrumpidamente a no ser que se presente una emergencia y sea necesario un desenclavamiento del sistema. En este caso la visualización gráfica esta controlada por las señales de los sensores que recibe el autómata y los interruptores.. -. Información de emergencias.. En la Figura 22 se puede apreciar un recuadro con el nombre “Mensajes de Emergencia”. En este recuadro aparece un mensaje en el momento en que se presente alguna situación de emergencia en el cuarto de monitoreo. Este mensaje permanecerá visible hasta que el personal autorizado realice el desenclavamiento de emergencia del sistema.. En este recuadro se mostraran los siguientes. mensajes correspondientes a los tres tipos de emergencia previstos. •. Violación de límites de desplazamiento.. Mensaje: “El usuario esta intentando salir sin autorización” •. Solicitud de personal externo por parte del usuario.. Mensaje: “El usuario tiene una emergencia”. •. Tiempo de inactividad del usuario.. Mensaje: “El usuario ha durado inmóvil durante un tiempo prolongado”. Inicialmente el recuadro “Mensajes de emergencia” no contiene ningún mensaje; en el momento en el que el autómata mande las señales de emergencia correspondientes a cada mensaje, estos mensajes aparecerá en pantalla con colores intermitentes rojo-amarillo con el fin de que el personal autorizado se percate de estos mensajes. En la Figura 23 podemos ver la asignación en. 42.

(43) IEL2-03-II-10. memoria de las señales que controlan el comportamiento de los mensajes de emergencia.. FIGURA 23. SEÑALES DE EMERGENCIA.. A la señal “SALIDA” se le asignó la dirección en memoria M0.4. La letra M corresponde a una marca, es decir este bit se activa por medio del algoritmo de control cuando este llega a una etapa en la que se detecta que el usuario intenta salir del cuarto, este se puede ver en la Figura 17. Cuando la marca se activa aparece el correspondiente mensaje en pantalla.. La dirección en memoria A124.6 se asignó a la señal “emeraviso”, esta señal se activa cuando en el algoritmo de control se activa la etapa correspondiente a esta emergencia como se puede ver en la Figura 18.. Por último, a la señal “TIEMPO” se le asignó la dirección en memoria M0.2. Esta marca se activa cuando en el algoritmo de control se activa la etapa correspondiente a esta emergencia como se puede ver en la Figura 19.. 6.2. MODULO DE ESTADÍSTICAS.. Para el personal autorizado es importante tener en pantalla la información acerca del usuario en observación. Con esta información junto con la visualización en tiempo real del desplazamiento del usuario, el personal autorizado puede llevar un proceso de monitoreo mas eficaz ya que puede analizar el comportamiento del. 43.

(44) IEL2-03-II-10. usuario de acuerdo a su estado de salud y realizar un diagnostico acertado de su situación.. Los parámetros comportamentales deben ser definidos por el personal autorizado antes de que se implemente el sistema de monitoreo. Cada usuario es distinto y la situación del usuario es particular de cada uno, razón por la cual, los parámetros comportamentales que se deben analizar varían de un usuario a otro.. En la Figura 24 podemos ver la pantalla de la visualización gráfica que corresponde al modulo de estadísticas. FIGURA 24. MODULOS DE ESTADISTICAS.. Este modulo esta compuesto por los siguientes elementos.. 44.

(45) IEL2-03-II-10. -. Estadísticas Comportamentales del usuario.. En este recuadro se encuentran los parámetros comportamentales del usuario que van. a. ser. monitoreados.. En. este. caso. se. establecieron. parámetros. comportamentales generales pero estos pueden variar de acuerdo al tipo de usuario en observación. Los parámetros comportamentales a observar son: •. No. De veces que el usuario va al baño en el dia.. •. Duración de la última visita al baño.. •. Tiempo que pasa en cama.. •. Tiempo que pasa fuera de la cama.. •. No. De veces que se levanta de la cama.. •. No. De intentos de salir del cuarto.. Cada uno de estos comportamientos esta controlado por las señales que maneja en función del algoritmo de control. En la Figura 25 podemos ver las señales definidas para este propósito. FIGURA 25. SEÑALES PARAMETROS COMPORTAMENTALES.. Las. señales. “timeb”. y. “contbath”. hacen. referencia. a. los. parámetros. comportamentales del usuario en el sector del baño. A la señal “timeb” se la asigno la dirección en memoria MD7. Esta dirección es una marca doble que almacena el tiempo que dura activa la etapa correspondiente al baño; su valor se muestra en el parámetro “Duración de la última visita al baño”.. 45.

(46) IEL2-03-II-10. La señal “contbath” es un contador interno que aumenta su valor cada vez que se activa la etapa correspondiente al sector del baño; su valor se muestra en el parámetro “No. De veces que el usuario va al baño en el día”. En la Figura 26 podemos ver la etapa correspondiente a estas dos señales.. FIGURA 26. ETAPA PARAMETROS COMPORTAMENTALES - SECTOR BAÑO.. Las señales “timefcama” y “contfcama” hacen referencia a los parámetros comportamentales del usuario cuando se encuentra fuera de la cama. A la señal “timefcama” se le asignó la dirección en. memoria MD19. En esta señal se. almacena el tiempo que transcurre cuando el usuario no se encuentra en el sector de la cama; su valor se muestra en el parámetro “Tiempo que pasa fuera de la cama”.. La señal “contfcama” es un contador interno que aumenta su valor cuando se activa la etapa correspondiente al parámetro en mención. Su valor se muestra en el parámetro “No. De veces que se levanta de la cama”. En la Figura 27 se puede ver la etapa correspondiente a estos parámetros comportamentales.. 46.

(47) IEL2-03-II-10. FIGURA 27. ETAPA PARAMETROS COMPORTAMENTALES FUERA DE CAMA.. La señal “contsal” es un contador que aumenta su valor cada vez que se activa la etapa de emergencia de violación de límites tal como se puede ver en la Figura 17. Su valor se muestra en el parámetro “No. De intentos de salir del cuarto”.. Por último la señal “timecama” hace referencia al tiempo que dura activa la etapa correspondiente al sector 1 del cuarto. Su dirección en memoria es MD15 y su valor se muestra en el parámetro “Tiempo que pasa en cama”. En la Figura 14 se puede ver la etapa correspondiente a esta señal.. -. Estadísticas del personal externo.. Para tener un registro completo de las actividades al interior del cuarto de monitoreo, se debe tener en cuenta la intervención del personal externo en algún momento dado. Por esta razón se decidió presentar en pantalla los siguientes parámetros del personal . •. No. De visitas del personal externo.. •. Duración de la última visita del personal externo.. 47.

(48) IEL2-03-II-10. En la Figura 28 podemos ver las señales que hacen referencia a estos parámetros.. FIGURA 28. SEÑALES PARAMETROS COMPORTAMENTALES PERSONAL EXTERNO.. La señal “timenf”, almacenada en la dirección MD11, contiene el tiempo de duración que dura activa la etapa del personal . Su valor se muestra en el parámetro “Duración de la última visita del personal externo”.. La señal “contmed” es un contador que aumenta su valor cada vez que se activa la etapa de personal externo. Su valor se muestra en el parámetro “No. De visitas del personal externo”. La etapa correspondiente a estas señales de puede ver en la Figura 29. FIGURA 29. ETAPA PARAMETROS COMPORTAMENTALES PERSONAL EXTERNO.. 6.3. ACCESO REMOTO.. Es importante que el personal externo pueda acceder remotamente a la interfaz gráfica, es decir, que lo que se ve en el computador del cuarto de monitoreo se pueda ver en cualquier otro computador,. 48.

(49) IEL2-03-II-10. Para lograr un acceso remoto a la interfaz gráfica se utilizo la herramienta WINCC Web Navigator de Siemens S.A. La función de este programa es la de adaptar lo gráficos creados con el programa WINCC para que puedan ser vistos por medio de un Web Browser.. Con este programa se configuró una aplicación a nivel de Intranet en la cual se configuro como servidor el computador instalado en el cuarto de monitoreo y como cliente un computador en la sala de computadores del laboratorio de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Tibaxa.. La seguridad es un factor muy importante en este tipo de aplicaciones, ya que la información del usuario es confidencial y solo el personal encargado debe tener acceso a esta. Por esta razón para poder acceder al sistema remotamente se debe digita una contraseña la cual solo debe ser conocida por el personal autorizado.. Para acceder remotamente al sistema se abre una página en Internet usando un navegador, en este caso Internet Explorer. A continuación en la casilla dirección se digita el nombre del computador servidor (el computador instalado en el cuarto de. monitoreo).. En. este. caso. el. nombre. del. computador. servidor. es. “SECUNDARIO”. En ese momento el programa busca el computador en la Intranet y a continuación solicita que digite el usuario y el password respectivo. Se pueden configurar distintos usuarios y cada uno con un nivel de acceso al sistema distinto.. Finalmente aparece en pantalla la visualización gráfica con los mismos elementos que se describieron anteriormente.. 49.

(50) IEL2-03-II-10. 7. IMPLEMENTACIÓN DEL CUARTO DE MONITOREO.. Una vez se han diseñado el automatismo de control, la interfaz gráfica y se han elegido los componentes del sistema de monitoreo el siguiente paso es realizar la implementación de todo el sistema. Para realizar esto se llevaron a cabo los siguientes procedimientos. 7.1.. UBICACIÓN DE LOS SENSORES DE MOVIMIENTO.. El cuarto de monitoreo de dividió en seis sectores tal como se puede ver en la Figura 8. Esta división por sectores se hizo teniendo en cuenta las dimensiones de la sala W106 del Laboratorio de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de la Universidad de los Andes y el haz de cobertura de los sensores de movimiento.. Con el fin de determinar el área de cobertura de los sensores, se tomaron las medidas de las paredes del cuarto y su altura también. Los sensores de movimiento tiene un ángulo de visión de 60°, con esta información y con el valor de la altura del cuarto se puede hallar fácilmente el área de cobertura de cada sensor. Como se puede ver en la figura 25, el radio de cobertura de cada sensor es de 1.77 mts.. Con esta información y teniendo las dimensiones del cuarto de monitoreo se estableció la ubicación de los sensores de movimiento con el fin de que estos cubran la totalidad del cuarto de monitoreo. En el Anexo 2 se puede ver el plano eléctrico de la sala W106 del Laboratorio de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de la Universidad de los Andes. En esta plano se muestran las dimensiones del cuarto de monitoreo, la ubicación de los sensores con sus respectivas medidas y la descripción del cableado que se utilizo para la polarización de los sensores y para llevar la señal de los sensores al centro de control del cuarto de monitoreo.. 50.

(51) IEL2-03-II-10. 7.2.. CONEXIÓN DE LOS SENSORES DE MOVIMIENTO.. En la Figura 30 podemos ver el diagrama que se implemento para cada uno de los sensores de movimiento.. FIGURA 30. ESQUEMATICO SENSORES DE MOVIMIENTO.. Cada sensor de movimiento esta compuesto por 3 hilos: Tierra, Polarización 5 Vdc y señal. Cada uno de estos hilos fueron llevados a los distintos sensores de movimiento desde el centro de control por medio de una canalización que se instalo en el techo del cuarto de monitoreo. Se utilizo un cable calibre 22 con el fin de evitar que la distancia de los sensores provocara atenuación de la señal. En la Figura 31 podemos ver los colores que se utilizaron para diferenciar cada señal y la foto de uno de los sensores instalados en el techo de la sala W106. FIGURA 31. DESCRIPCION DE SEÑALES – SENSOR DE MOVIMIENTO.. Señal. Color. Tierra. Negro. Fuente. Rojo. Señal. Amarillo.. 51.

(52) IEL2-03-II-10. 7.3.. INTERFAZ DE CONEXIÓN SENSORES-AUTOMATA.. Los sensores de movimiento elegidos generan una señal de 5 Vdc cuando detectan algún movimiento. Sin embargo esta señal de salida no se puede conectar directamente a las entradas lógicas del autómata ya que este trabaja con valores lógicos de 0V – 24 V, (False – True) respectivamente.. Por esta razón fue necesaria la implementación de una interfaz de conexión para acoplar la señal de los sensores con la entrada digital del autómata.. La Figura 32 muestra el funcionamiento de la interfaz de conexión para el acople de la señal proveniente de un sensor. FIGURA 32, INTERFAZ DE CONEXIÓN SENSOR DE MOVIMIENTO.. La interfaz de conexión consiste en la utilización de un transistor BJT como interruptor haciendo uso de las regiones de corte y saturación del mismo. En este caso se utiliza como polarización una fuente de 24 Vdc que se obtiene de la fuente del autómata. Cuando el sensor no detecta ningún movimiento, la señal es 0 Vdc y por lo tanto el voltaje de entrada al autómata es 24 Vdc. Por lo contrario cuando el sensor detecta movimiento, emite una señal de 5 Vdc y el voltaje de entrada al autómata es de 0 Vdc.. 52.

(53) IEL2-03-II-10. Esto quiere decir que las señales de entrada del autómata tendrán un valor inverso en comparación con la señal emitida por el sensor de movimiento. Por esta razón el algoritmo de control se programó usando lógica digital inversa, es decir, cuando todas las señales de entrada al autómata presenten un valor de 24 Vdc, el algoritmo interpreta que ningún sensor esta detectando movimiento al interior del cuarto.. En la Figura 33 podemos ver una foto de la tarjeta que se implemento como interfaz gráfica. De igual forma en el Anexo 3 se puede ver el diagrama de conexiones de esta tarjeta.. FIGURA 33, INTERFAZ DE CONEXIÓN SENSOR DE MOVIMIENTO.. 53.

(54) IEL2-03-II-10. 7.4.. TARJETA DE PRUEBA DE LOS SENSORES DE MOVIMIENTO.. En algunos casos es necesario comprobar que los sensores de movimiento se encuentren. funcionando adecuadamente. Con este propósito se diseñó una. tarjeta de prueba para los sensores de movimiento.. En la Figura 34 podemos ver el diagrama de conexión para uno de los sensores en la tarjeta de pruebas.. FIGURA 34. INTERFAZ DE CONEXIÓN - PIR MOTION SENSOR HVW TECHNOLOGIES.. En este la señal proveniente del sensor de movimiento se hace pasar por un LED y una resistencia de 1K con el fin de que el personal a cargo de la instalación se desplace en el cuarto de monitoreo y se prenda el LED correspondiente al sector donde se encuentra la persona.. 54.

(55) IEL2-03-II-10. En la Figura 35 podemos ver una foto que la tarjeta de prueba implementada. FIGURA 35. INTERFAZ DE CONEXIÓN SENSOR DE MOVIMIENTO.. 7.5.. COSTOS DE IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE MONITOREO.. Durante la etapa de diseño de implementación del cuarto de monitoreo, se estableció que se debían aprovechar al máximo los recursos de la Universidad de Los Andes con el fin de minimizar los costos de implementación del mismo en esta etapa.. En el Anexo 4 podemos ver la descripción de costos de la implementación del cuarto de monitoreo, teniendo en cuenta el costo de. los recursos de la. Universidad y el costo de los componentes adquiridos.. Como se puede ver el costo total de la implementación del proyecto es de cuarenta y dos millones trescientos veintiséis mil cien pesos ($ 42.326.100); de esta cantidad el 84.5% fue puesto por la Universidad de Los Andes, representado en Hardware, Software y licencias de las herramientas computacionales utilizadas y el resto representado en componente adquiridos para la implementación como los sensores de movimientos, canaletas, cables, etc.. Como nos podemos dar cuenta el costo total del proyecto puede parecer elevado; debemos tener en cuenta que en esta etapa del proyecto la prioridad era. 55.

(56) IEL2-03-II-10. implementar una base tanto física como tecnológica sobre la cual trabajar en el desarrollo del proyecto. En el futuro se deberán buscar otras herramientas computacionales o tecnologías que permitan que la implementación del sistema de monitoreo sea viable económicamente.. 56.

(57) IEL2-03-II-10. 8. PERSPECTIVAS.. Una vez concluida la etapa de diseño e implementación de la plataforma para el monitoreo de personas es importante mirar a futuro y establecer los lineamientos a seguir para que el proyecto de monitoreo remoto de pacientes sea viable tanto tecnológica como económicamente.. La implementación de este cuarto de monitoreo ofrece una base tanto física como tecnológica para profundizar mucho mas en el tema de la supervisión remota de pacientes. En este momento se ha trabajado en la parte tecnológica y de control del sistema de monitoreo, pero es ahora donde los logros alcanzados deben unirse con el objetivo del sistema.. Es necesario que el siguiente paso sea la interacción del sistema de monitoreo con el personal . Se requiere que en la siguiente etapa de este proyecto se defina el tipo de paciente que se va a monitorear, puede ser una persona de edad o un paciente con discapacidades mentales o físicas, y que por medio de reuniones con el personal se establezcan los parámetros que provean información útil en el proceso .. La idea es que en el sistema de monitoreo se pongan en practica las observaciones del personal. para que se vean las ventajas y desventajas del. sistema y se realice periódicamente un proceso de retroalimentación entre las partes para que el sistema mejore su funcionamiento periódicamente.. Una vez se establezcan estos parámetros y se acoplen con al automatismo, se debe realizar una sinergia con los sistemas operativos que se manejen en el hospital o centro de salud que implemente el cuarto de monitoreo. Lo que se busca con esto es que el personal tenga acceso a un archivo histórico de los. 57.

(58) IEL2-03-II-10. parámetros comportamentales del paciente y se puedan realizar diagnósticos de la evolución del estado del paciente durante su estadia en el cuarto de monitoreo. La idea es que la información se pueda almacenar en bases de datos para su posterior análisis.. De igual forma se deben buscar equipos en el mercado que puedan dar información del la salud del paciente como la frecuencia cardiaca, la temperatura, u otras variables de interés, y lograr que por medio del autómata estas señales se incorporen al bloque de visualización.. Por último se debe pensar en la viabilidad económica del sistema de monitoreo. Como nos pudimos dar cuenta en el análisis de costos de la implementación del cuarto, el sistema en la actualidad no seria viable económicamente ya que los costos son muy altos y la situación hospitalaria en estos momentos es crítica. Es necesario rebajar los costos de implementación del cuarto ya sea por medio de la implementación de otras soluciones tecnológicas o el uso de otras herramientas computacionales. Por el momento este proyecto no busca la minimización de costos sino la implementación de un cuarto piloto sobre el cual se pueda trabajar a futuro; sin embargo la parte económica será clave para que la implementación del sistema por parte de clínicas, hospitales y centros de salud sea viable.. 58.

(59) IEL2-03-II-10. 9. RESULTADOS Y CONCLUSIONES. •. Se implementó un plataforma para el monitoreo de movimioento de seres humanos con las características establecidas que servirá de base para las siguientes etapas de este proyecto de investigación.. •. Se desarrolló una interfaz gráfica para el personal externo.. •. Se logró que la interfaz gráfica esté disponible a nivel de Intranet, con el fin de que el personal autorizado pueda monitorear desde otro lugar el comportamiento del paciente.. •. Este proyecto contribuye al desarrollo de aplicaciones basadas en Tecnologías. de. informática. y. comunicaciones. encaminadas. al. mejoramiento de la calidad de vida de las personas. Se busca que el paciente sea independiente al mismo tiempo que se le practica un monitoreo confiable •. Es necesario que los hospitales logren implementar este tipo de soluciones a precios razonables para sus clientes y que por medio de estas contribuyan al mejoramiento de los servicios de salud.. •. Por características propias de los sensores, ocasionalmente se presentan casos en que estos no detectan el movimiento inmediatamente, se podría pensar en implementar una solución en la cual los sensores se encuentren en el piso (un tapete con sensores que cubra todo el cuarto) lo que eliminaría estos problemas y generaría mas información para analizar.. 59.

(60) IEL2-03-II-10. 10. BIBLIOGRAFIA.. PROSAFE SYSTEME D’AIDE AU SUIVI DES PERSONNES AGEES. CNRS LAAS Francia. Disponible en Internet : www.laas.fr/PROSAFE. RINCON MONTES, Juan Pablo. Sistema de atención con discapacidad a través de tecnologías de electrónica. Proyecto Especial, Universidad de Los Andes. 2003. 57p. ELECTRONIC KITS www.glolab.com. AND. COMPONENTS.. HVW TECHNOLOGIES, Calagary, Canada. www.hvwtech.com/pages/default.asp. Disponible. en. Internet:. Disponible. en. Internet:. PROJET TIISSAD, Technologies de l'Information Intégrées aux Services des Soins A Domicile. Disponible en Internet: www.loria.fr/projets/TIISSAD/ UTILIZACIÓN DE LA GUÍA GEMMA. Disponible en Internet: http://edison.upc.es/curs/grafcet/gemma/utiliza.html INDUSTRIAL TECHNOLOGY RESEARCH INSTITUTE. Disponible en Internet: www.itri.org.tw INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS. Normas Colombianas para la presentación de trabajos de investigación. Segunda Actualización. Bogotá D.C.: ICONTEC, 1996. 126p. NTC 1307.. 60.

(61) IEL2-03-II-10. ANEXOS. 61.

(62) IEL2-03-II-10. ANEXO 1: ESPECIFICACIONES TECNICAS PIR-MOTION SENSOR.. 62.

(63) IEL2-03-II-10. ANEXO 2: PLANO ELECTRICO – SALA W106.. 63.

(64) IEL2-03-II-10. ANEXO 3. ESQUEMATICO TARJETA INTERFAZ SENSORES-PLC.. 64.

(65) IEL2-03-II-10. ANEXO 4: DESCRIPCION COSTOS DE IMPLEMENTACION CUARTO DE MONITOREO.. Descripción de Costos - Implementación cuarto de monitoreo remoto de pacientes médicos Item 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15. Descripción PLC Siemens SIMATIC S7 300 con CPU 313C Modulo de entradas digitales para PLC S7 300 Modulo de salidas digitales para PLC S7 300 Computador Personal - 500 MHZ - 128 MB RAM Software STEP 7 PROFESIONAL Para programación de PLC S7 300/400 Cable Interfase MPI para programación de S7 300/400 desde PC Software WinCC V. 6,0 PAQ. Completo de 128 POWER TAGS PIR Motion Sensor HVW Technologies. Impuestos de Nacionalización PIR Motion Sensor Canaleta 22x15 Cable Calibre 22 Conectores Hembra-macho 2 pines Resistencias LEDS Baquela para circuitos. Unidad UND UND UND UND UND UND UND UND UND MTS MTS UND UND UND UND. Cantidad 1 1 1 1 1 1 1 6 1 22 300 30 30 30 2. Valor Unitario $ 4.813.400 $ 1.834.300 $ 1.024.400 $ 1.500.000 $ 10.609.000 $ 1.860.300 $ 20.327.000 $ 28.600 $ 80.000 $ 2.250 $ 110 $ 600 $ 10 $ 10 $ 2.500. Valor Total $ 4.813.400 $ 1.834.300 $ 1.024.400 $ 1.500.000 $ 10.609.000 $ 1.860.300 $ 20.327.000 $ 171.600 $ 80.000 $ 49.500 $ 33.000 $ 18.000 $ 300 $ 300 $ 5.000. Total recursos Universidad de Los Andes Total Componente Adquiridos Total Proyecto. $ 41.968.400 $ 357.700 $ 42.326.100. Recursos de la Universidad de Los Andes Componentes Adquiridos. 65.

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