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INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERA MECNICA Y
ELCTRICAUNIDAD PROFESIONAL ADOLFO LPEZ MATEOS
INGENIERA EN COMUNICACIONES Y ELECTRNICA
Sistema de Marcha Humana Inalmbrico
TESIS
QUE PARA OBTENER EL TTULO DE:INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRNICA
PRESENTAN:
Lizette Camargo OlveraLuis Antonio Villalobos Moreno
Mnica Vuelvas Trinidad
ASESORES:
Ing. Alberto Luviano JurezM. en C. Pedro Gustavo Magaa del Ro
MXICO, D.F. JUNIO 201
http://mx.geocities.com/ipn_cecyt1/programas/Ipn.ziphttp://mx.geocities.com/ipn_cecyt1/programas/Ipn.ziphttp://mx.geocities.com/ipn_cecyt1/programas/Ipn.zip7/31/2019 Sistema de Marcha Humana
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Sistema deAnlisis de Marcha
HumanaInalmbrico
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ndice
O B J E T I V O .................................................................................................................................... VII
INTRODUCCIN .................................................................................................................................. IX
ANTECEDENTES ................................................................................................................................ XI
CAPTULO 1 Marcha Humana ........................................................................................................ 2
1.1 Antecedentes de la marcha humana ....................................................................................... 2
1.2 Biomecnica ................................................................................................................................ 4
1.3 Definicin de la Marcha Humana ............................................................................................. 4
1.4 Definicin del ciclo de marcha .................................................................................................. 5
1.4.1 Fases del ciclo de marcha ................................................................................................. 5
1.4.1.1 Fase de apoyo .............................................................................................................. 6
1.4.1.2 Fase de oscilacin ....................................................................................................... 6
CAPTULO 2 Protocolo ZigBee ..................................................................................................... 12
2.1 Antecedentes de Comunicacin Inalmbrica ....................................................................... 12
2.2 ZigBee ........................................................................................................................................ 12
2.2.1 802.15.4 .............................................................................................................................. 12
2.3 Definicin del Protocolo ZigBee ............................................................................................. 13
2.4 Arquitectura del ZigBee ........................................................................................................... 14
2.4.1 Nivel de Red (NWK) .......................................................................................................... 14
2.4.2 Nivel de Aplicacin ............................................................................................................ 16
2.4.2.1 Subcapa de soporte de aplicacin (APS o Application Sublayer) ...................... 17
2.4.2.2 Estructura de aplicacin ............................................................................................ 18
2.4.2.4 Descubrimiento........................................................................................................... 19
2.4.2.5 Subcapa objetos de dispositivos ZigBee (ZDO).................................................... 20
2.4.2.6 Fundamentos de comunicacin de la capa ZDO .................................................. 21
2.5 Dispositivos o nodos ZigBee................................................................................................... 21
2.5.1 Coordinador........................................................................................................................ 21
2.5.2 Router.................................................................................................................................. 21
2.5.3 End-Device ......................................................................................................................... 22
2.6 Banda de operacin ................................................................................................................. 23
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2.7 Modulacin O-QPSK (Offset Quadrature Phase Shift Keying) .......................................... 24
2.8 Modulacin BPSK (Binary Phase Shift Keying) ................................................................... 25
2.9 Topologa de red ....................................................................................................................... 26
2.10 Estrategias de conexin de los dispositivos en una red Zigbee ..................................... 28CAPTULO 3 Metodologa .............................................................................................................. 31
3.1 Etapa del sensado .................................................................................................................... 31
3.1.1 Primera Prueba .................................................................................................................. 31
3.1.1.1 Giroscopio ................................................................................................................... 31
3.1.1.1.1 Caracterizacin del Giroscopio ......................................................................... 32
3.1.2 Segunda Prueba ................................................................................................................ 34
3.1.2.1 Potencimetro de Alta Precisin .............................................................................. 34
3.1.2.1.1 Caracterizacin del potencimetro de alta precisin..................................... 34
3.2 Elaboracin de programa de transmisin y conversin...................................................... 36
3.2.1 Conversin analgica-digital............................................................................................ 36
3.2.2 Transmisin de Datos a la computadora ....................................................................... 39
3.2.2.1 Circuito electrnico..................................................................................................... 44
3.3 Etapa de transmisin inalmbrica con el PIC e interfaz .................................................... 45
3.3.1 Primera Prueba .................................................................................................................. 46
3.4 Etapa de Adquisicin de Imgenes a travs de MATLAB .................................................. 533.4.1 Primera prueba .................................................................................................................. 59
3.4.2 Segunda prueba ................................................................................................................ 62
3.4.3 Tercer prueba..................................................................................................................... 64
3.5 Etapa de transmisin con MATLAB ....................................................................................... 67
3.6 Pruebas finales .......................................................................................................................... 71
Conclusiones ........................................................................................................................................ 75
Recomendaciones............................................................................................................................ 78
Apndice ............................................................................................................................................... 80
ANEXO A ............................................................................................................................................. 83
ANEXO B ............................................................................................................................................. 88
ANEXO C ........................................................................................................................................... 102
ANEXO D............................................................................................................................................ 106
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Glosario............................................................................................................................................... 117
Bibliografa .......................................................................................................................................... 120
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O B J E T I V O
Disear y proponer un prototipo que permita el anlisis de marcha humana para
lograr una mejor movilidad en el paciente, usando tecnologa de comunicacin
inalmbrica.
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Introduccin
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INTRODUCCIN
De acuerdo con las estadsticas del INEGI, en el 2010 se tiene un registro de laspersonas que tienen algn tipo de discapacidad con 5 millones 739 mil 270, lo que
representa 5.1% de la poblacin total de nuestra nacin.
Sin perder de vista que la limitacin de la movilidad es la de mayor frecuencia entre
la poblacin del pas con un 58.3% dentro del rango de personas discapacitadas, de
las cuales requieren algn tipo de rehabilitacin, por el dao sufrido en las piernas y
que dejan inhabilitadas temporal o permanentemente.
Este tipo de padecimientos que producen discapacidad en las personas pueden ser
variados, pero el INEGI los clasifica en cuatro grupos de causas principales:
nacimiento, enfermedad, accidente y edad avanzada.
Analizando los antecedentes de aos pasados,- no solo en el 2010-, se puede
observar que hay un porcentaje alto en cuanto a las restricciones de movilidad se
refiere.
Por lo tanto, se necesita del anlisis de este tipo de patologas a partir de la marchahumana, que es descrita como una serie de movimientos alternados y rtmicos de las
extremidades que determinan un desplazamiento hacia adelante y que a travs del
sistema de marcha se tiene la calibracin de una marcha normal la cual le permite al
mdico interpretar los resultados arrojados por dicho sistema sobre el paciente que
presente alguna anomala en las extremidades inferiores de una manera
satisfactoria, en este caso se hace uso de la comunicacin inalmbrica en la
Biomecnica (cienciaque estudia el movimiento humano, basndose en las leyes de
la fsica examinando las fuerzas interiores y exteriores y los efectos producidos por
ellas).
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Antecedentes
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ANTECEDENTES
Este prototipo es diseado para el anlisis del ciclo de marcha en el individuo quepresente anomalas en las extremidades inferiores, generando una libre movilidad
del paciente en el transcurso de dicho estudio, adems de utilizar una herramienta
muy importante como lo es la comunicacin inalmbrica en la adquisicin de datos.
Este anlisis le permitir al Mdico Especialista en la rama, en este caso, el
Kinesilogo Fisiatra a obtener el conocimiento necesario para hacer una valoracin
biomecnica del desempeo funcional del paciente y as poder realizar el tratamiento
de rehabilitacin, adaptada a los requerimientos de la persona en observacin.
Por lo que la Kinesiologa es el estudio del movimiento cuyos orgenes datan en
Detroit, EUA, cuando en 1964 un quiroprctico, el Dr. George J. Goodheart comienza
a analizar la interrelacin de los procesos fisiolgicos y la anatoma del cuerpo
humano con el movimiento. Hasta la fecha se centraba la atencin en las tcnicas
para corregir el estrs, ahora se centra sobre todo en acceder al lugar donde est el
desequilibro, es decir, descubrir las posturas y movimientos viciosos producto de las
secuelas por las diferentes patologas; para evaluar y elegir que tcnicasteraputicas se pueden aplicar durante los procesos recuperativos.
Es por eso que ya se tenan antecedentes a partir del 2006 en nuestro pas, en
donde se empez a profundizar y a dar importancia sobre el tema de la marcha
humana con la llegada del Laboratorio de Anlisis de Movimiento del Centro de
Rehabilitacin de Robtica del CRIT (Centro de Rehabilitacin Infantil de Teletn) del
Estado de Mxico, ubicado en Tlalnepantla y en el ao 2009 con el LAM del Centro
de Rehabilitacin y Educacin Especial (CREE) en Mrida, Yucatn, slo pormencionar algunos.
Sin olvidar que el costo de estos equipos que se encuentran en dichos laboratorios
dada la alta especializacin de estos aparatos, el costo de los mismos son
sumamente altos.
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CAPTULO 1 Marcha Humana
1.1 Antecedentes de la marcha humana
Las innumerables manifestaciones artsticas, as como el deporte, han sido la
premisa para el estudio de las posturas y movimiento en el ser humano, encontrando
sus primeras apariciones en la Grecia Antigua.
La filosofa de Aristteles hace mencin en que todo movimiento se relaciona con un
motor, ya sea de forma directa o indirecta.
En su obra Acerca del movimiento de los animalesnos describe por primera vez la
locomocin y movimiento, un anlisis cientfico de la marcha y geomtrico de la
accin muscular, as como la fuerza de reaccin del suelo.
Arqumedes utiliz mtodos geomtricos para la medicin de curvas, el rea y el
volumen de cuerpos slidos. Adems encontr el centro de gravedad en estructuras
planas o parablicas sentando las bases de la mecnica racional.
Con el surgimiento del Renacimiento aparecen varios personajes interesantes, uno
de ellos fue Leonardo Da Vinci. Leonardo contribuy al conocimiento de la mecnica
con sus estudios del paralelogramo de fuerzas, fuerzas simples y compuestas,
friccin, relacion fuerza, peso y velocidad. Tambin esquematiz la accin de los
msculos como lneas de fuerzas.
En la revolucin cientfica del siglo XVII, nace Giovani Alfonso Borelli, llamado el
padre de la biomecnica; en su obra De motu animaliumune a la fisiologa y a la
fsica demostrando mediante mtodos geomtricos los movimientos humanos como
correr, saltar y nadar, adems de cmo la direccin de las fibras musculares influye
sobre el movimiento resultante de su contraccin.
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Describe que los msculos son como brazos de palanca muy cortos que compensan
el peso del cuerpo a nivel articular, provocando presiones demasiadas altas al propio
peso del cuerpo.
Borelli fue el primero en experimentar el centro de gravedad humano utilizando una
tabla que se balanceaba donde se encontraba parado el individuo. Asimismo pudo
observar que durante la marcha humana existen oscilaciones con la pelvis tanto
lateral como transversalmente.
Durante la segunda mitad del siglo XVIII, se entr formalmente en el estudio de los
movimientos con los hermanos Webwe y despus con E.J. Marey, quien aprovecha
el invento de la fotografa.
Este investigador puso un laboratorio que contena una pista circular de marcha
donde se poda estudiar a nios y adultos durante el trabajo o deporte por medio de
mtodos cinematogrficos, lo que le permiti un anlisis detallado.
Los investigadores Braune y Fischer iniciaron el estudio de la marcha humana
tridimensionalmente usando cuatro cmaras tomando simultneamente fotografas,
obteniendo el centro de gravedad y el momento de inercia de los cuerpos.
Finalmente Pauwels surge como el fundador de la biomecnica moderna, que incluye
el estudio de las cargas mecnicas sobre los tejidos vivos, la respuesta biolgica a
estas presiones y la modificacin de estas fuerzas para que tengan efectos
teraputicos.
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1.2 Biomecnica
Es un ciencia fundamental para el Kinesilogo Fisiatra, ya que le proporciona las
bases cientficas para analizar los movimientos de los pacientes, descubrir lasposturas y movimientos producto de las secuelas por las diferentes patologas, para
evaluar funcionalmente a las personas sanas o con discapacidades varias o para
elegir que tcnicas teraputicas adoptar durante los procesos recuperativos.
1.3 Definicin de la Marcha Humana
La Marcha Humana es un proceso de locomocin en el cual el cuerpo humano, en
posicin erguida, se mueve hacia adelante, siendo su peso soportado,
alternativamente, por ambas piernas. Mientras el cuerpo se desplaza sobre la pierna
de soporte, la otra pierna se balancea hacia adelante como preparacin para el
siguiente apoyo. Uno de los pies se encuentra siempre sobre el suelo y, en el
perodo de transferencia del peso del cuerpo de la pierna retrasada a la pierna
adelantada, existe un breve intervalo de tiempo durante el cual ambos pies
descansan sobre el suelo (Figura 1.1).
Figura 1.1 Marcha Humana
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1.4 Definicin del ciclo de marcha
Es el instante en que uno de los pies entra en contacto con el suelo a travs del
taln. Tomando como origen el contacto del pie derecho, el ciclo terminara en el
siguiente apoyo del mismo pie. Por su parte, el pie izquierdo experimentara lo mismo
que el derecho (Figura 1.2).
Figura 1.2 Ciclo de marcha
1.4.1 Fases del ciclo de marcha
El ciclo de marcha se divide en dos fases: Fase de apoyo y Fase de oscilacin. Laprimera fase consta de cinco perodos elementales, y la segunda formada por otros
tres.
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1.4.1.1 Fase de apoyo
Fase de contacto inicial (CI) 0-2%
Fase inicial del apoyo o de respuesta a la carga (AI) 0-10% Fase media del apoyo (AM) 10-30%
Fase final del apoyo (AF) 30-50%
Fase previa a la oscilacin (OP) 50-60%
1.4.1.2 Fase de oscilacin
Fase inicial de la oscilacin (OI) 60-73% Fase media de la oscilacin (OM) 73-87%
Fase final de la oscilacin (OF) 87-100%
La fase de apoyo comienza con el contacto inicial y finaliza con el despegue del
antepi. La fase de oscilacin transcurre desde el instante de despegue del antepi
hasta el siguiente contacto con el suelo.
En relacin a la duracin del ciclo de marcha, la fase de apoyo constituye, en
condiciones de normalidad, a la velocidad espontneamente adoptada por el sujeto,
alrededor de un 60% del ciclo. Por su parte, la fase de oscilacin representa el 40%
restante.
Dentro de la fase de apoyo encontramos las siguientes subdivisiones:
Fase de contacto inicial (CI): Constituye la toma de contacto del pie con el
suelo. Pese a no tratarse de una fase definida por lmites estrictos, s que
conlleva un objetivo claro: el posicionamiento del miembro para iniciar el
apoyo. En individuos normales, el contacto con el suelo tiene lugar a travs
del taln (Figura 1.3).
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Figura 1.3 La accin de los tres rodillos suaviza la trayectoria.
A: Accin del rodillo de taln, bajo el control del tibial anterior.
B: Accin del rodillo de tobillo, controlado por el trceps sural.
C: Accin del rodillo de antepi, propiciado por una contraccin
potente del trceps sural
Fase inicial del apoyo o de respuesta a la carga (AI): Se identifica con el
primer perodo de doble apoyo. Transcurre, por tanto, entre el instante de
contacto inicial y el despegue del antepi del miembro contralateral, en
condiciones normales. El miembro inferior debe, en esta fase, absorber elimpacto inicial, manteniendo al mismo tiempo la estabilidad del apoyo y la
progresin. Durante este perodo la rodilla flexiona y el tobillo realiza una
flexin plantar, controlados, respectivamente, por el cudriceps y el tibial
anterior, al tiempo que se estabiliza la cadera (Figura 1.4).
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Figura 1.4 En el plano transversal el aductor mayor tira de la pelvis hacia adelante y contribuye a la extensin de la
cadera. En el lado contra lateral, el aductor mediano y el recto interno atraen al miembro retrasado hacia adelante.
El despegue del miembro contralateral marca el principio de la fase de apoyo
monopodal que, a su vez, se divide en dos mitades. La primera de ellas es:
Fase media del apoyo (AM): Se prolonga hasta el instante de despegue del
taln. En alteraciones donde no se produzca este evento, puede tomarse
como referencia el paso del centro de gravedad del cuerpo sobre el antepi
(articulaciones metatarsofalngicas).
La finalidad de esta etapa es la progresin del cuerpo sobre el pie
estacionario, manteniendo la estabilidad del miembro y del tronco. Tras el
apoyo completo del pie, se produce una dorsiflexin controlada del tobillo, la
rodilla finaliza su movimiento de flexin y comienza a extenderse, y se
estabiliza el cuerpo en el plano frontal.
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La segunda mitad del apoyo monopodal se denomina:
Fase final del apoyo (AF): Comienza con el despegue del taln y finaliza
cuando el miembro contralateral contacta con el suelo. En esta fase el cuerposobrepasa el pie de soporte, cayendo hacia adelante (Figura 1.5).
Figura 1.5 Orientacin promedio del eje formado por las cabezas de los metatarsianos.
El contacto inicial del miembro contralateral marca el inicio del segundo perodo de
doble apoyo, tambin denominado:
Fase previa a la oscilacin (OP): Culmina con el despegue del antepi. La
funcin principal del miembro es, precisamente, su preparacin para realizar la
oscilacin o balanceo, facilitada por la entrada en carga del miembro
contralateral, hacia el que transfiere rpidamente la carga. Por este motivo es
frecuente encontrar la denominacin alternativa de fase de transferencia del
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peso. La flexin plantar del tobillo y un importante grado de flexin de rodilla
son caractersticos de esta fase.
En cuanto a la segunda fase que corresponde a la de oscilacin tenemos:
Fase inicial de la oscilacin (OI):Pertenece, aproximadamente, al primer tercio
del perodo de oscilacin. Constituyen sus lmites el despegue del miembro y
el momento en que ste alcanza el miembro contralateral. El avance del
miembro se produce por medio de la flexin de cadera y rodilla, asegurando
una separacin adecuada entre el pie y el suelo.
Fase media de la oscilacin (OM): Comienza cuando ambos miembros se
cruzan y finaliza cuando la tibia oscilante alcanza una posicin vertical, ya
sobrepasado el miembro de apoyo. La progresin del miembro a una distancia
suficiente del suelo se propicia por una dorsiflexin del tobillo, acompaada de
una flexin adicional de la cadera.
El perodo de oscilacin y en consecuencia, el ciclo, finaliza con:
Fase final de la oscilacin (OF): Limitada por el siguiente contacto del
miembro con el suelo, que da paso a una nueva zancada. En esta etapa debe
ultimarse el avance del miembro y llevarse a cabo la preparacin para elinminente contacto. Se produce una accin de frenado de la flexin de cadera
y de la flexin de rodilla, quedando sta en extensin y la tibia adelantada con
respecto al fmur. El tobillo mantiene una alineacin cercana a la neutra (0
anatmicos).
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CAPTULO 2| ProtocoloZigBee
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CAPTULO 2 Protocolo ZigBee
2.1 Antecedentes de Comunicacin Inalmbrica
La comunicacin inalmbrica comenz a partir de las aportaciones de Maxwell y
despus seguida por Hertz. Pero a partir de 1901 Guillermo Marconi fue quien realiz
la primera transmisin y recepcin de las seales de sistemas inalmbricos por
medio de ondas de radio.
Entonces a partir de los aos 90 tuvo un gran auge con la aparicin de la telefona
celular. Sin embargo, esta idea se hizo realidad con el estndar 802.11 (Wi-Fi), y aspudiendo obtener numerosas opciones de conectividad inalmbrica.
Para el desarrollo de esta tecnologa se han creado diferentes protocolos como son
WiMax, Bluetooth, 802.15.4 y ZigBee.
ZigBee est pensado en redes inalmbricas personales de bajo costo y puede
dialogar entre dos dispositivos que no sean visibles entre s, trabaja a una frecuencia
de 2.4GHz, es por ello que para este caso se eligi el uso de este protocolo a travs
de mdulos XBee, los cuales tienen una alcance desde 10 m hasta 100 m.
2.2 ZigBee
2.2.1 802.15.4
802.15.4 es un estndar que define el nivel fsico y el control de acceso al medio de
redes inalmbricas de rea personal con tasas bajas de transmisin de datos (low-
rate wireless personal area network, LR-WPAN).
Un sistema conforme a 802.15.4 consta de varios componentes. El ms bsico es el
dispositivo (RFD reduced function device, dispositivo reductor de funcin o un FFD
full function device, dispositivo con todas las funciones).
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Sin embargo, una red debe incluir al menos un FFD, que opera como el PAN
(Personal Area Network) coordinador. Tambin es la base sobre la que se define la
especificacin de ZigBee, cuyo propsito es ofrecer una solucin completa para estetipo de redes construyendo los niveles superiores de la pila de protocolos que el
estndar no cubre.
2.3 Definicin del Protocolo ZigBee
El ZigBee es el nombre de la especificacin de un conjunto de protocolos de alto
nivel de comunicacin inalmbrica. ZigBee se dise para la comunicacin entredispositivos conectados entre s basado en redes inalmbricas de rea personal
(WPAN).
La pila de protocolos ZigBee, tambin conocida como ZigBee Stack, se basa en el
nivel fsico (PHY) y el control de acceso al medio (MAC) definidos en el estndar
802.15.4, que desarrolla estos niveles para redes inalmbricas de rea personal de
baja tasa de transferencia (LR-WPAN, Low Rate - Wireless Personal Area Network).
La especificacin ZigBee completa este estndar aadiendo cuatro componentes
principales:
Nivel de red.
Nivel de aplicacin.
Objetos de dispositivo ZigBee (ZDO, ZigBee Device Objects).
Objetos de aplicacin definidos por el fabricante.
ZigBee es planteado para reemplazar la expansin de sensores individuales y fue
creado para cubrir la necesidad del mercado de un sistema a bajo costo, un estndar
para redes Wireless de pequeos paquetes de informacin, bajo consumo, seguro y
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fiable. Es un conjunto estandarizado de soluciones que pueden ser implementadas
por cualquier fabricante.
Se dice que un ZigBee requiere de mucha memoria y microprocesadores omicrocontroladores ms caros; pero para esto existen mdulos XBee para reducir la
complejidad a simples operaciones de un puerto serie.
2.4 Arquitectura del ZigBee
2.4.1 Nivel de Red (NWK)
Este nivel se encarga de atravesar la red de nodo a nodo hasta llegar al destino. En
NWK, la informacin se transmite mediante tramas con un encabezado (header) que
transporta la informacin de control (identificador del tipo de trama), direccionamiento
y ruteo en el caso de source routing.
El nivel de red hace de interfaz entre la capa de aplicacin y la de MAC. Para esto, el
nivel de red dispone en esta interfaz de dos servicios, con los que cubre las
necesidades de la capa de aplicacin. Estos dos servicios se conocen como Serviciode Datos y Servicio de Control.
Un Servicio de Datos permite a cualquier aplicacin comunicarse con las mismas
unidades de datos, con dos o ms dispositivos. Obviamente todos los dispositivos
que intervengan en esta comunicacin debern estar en la misma red de
interconexin.
Esta interfaz dispone de los siguientes servicios:
Generacin de la PDU de la capa de Red (NPDU).
Especificacin de la topologa de encaminamiento.
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As, esta direccin es asignada en el momento de la fabricacin del dispositivo.
Mientras que en la direccin corta es asignada por la capa de red de forma dinmica.
Dentro de una red ZigBee no puede haber ms de un dispositivo con igual direccin
corta.
2.4.2 Nivel de Aplicacin
El nivel de aplicacin es la interfaz efectiva entre el nodo ZigBee y sus usuarios.
En la Figura 2.1 se puede observar una representacin de la capa de aplicacin y
sus diferentes partes.
Figura 2.1 Capa de Aplicacin.
Para la capa de aplicacin es necesario explicar los trminos fundamentales de
comunicacin, estos son los servicios que ofrece la capa para la creacin de una redtales como descubrir dispositivos, enviar mensajes para establecer la red, etc. que a
continuacin se describen:
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Perfil de aplicacin: Describe el intercambio de mensajes de un conjunto de
dispositivos empleado para una determinada aplicacin. Los perfiles son
desarrollados por cada uno de los fabricantes ZigBee, que en base a las
necesidades que existen en el mercado, proporcionan soluciones tecnolgicasespecficas.
Los perfiles por tanto tratan de unificar la tecnologa con las necesidades del
mercado.
Cluster: Es un conjunto de atributos que se utilizan en la comunicacin de los
distintos dispositivos ZigBee. Por ejemplo se puede definir un cluster para el control
de luces, otro para el control de temperatura, etc.
Punto de acceso (endpoint):Dentro de un mismo dispositivo, se pueden definir varios
puntos de acceso. Cada uno de estos puntos de acceso gestiona el funcionamiento
de una aplicacin diferente.
Vnculo (binding):Es una conexin lgica entre un punto de acceso origen y uno o
varios de destino. Slo se puede realizar un vnculo entre puntos de acceso que
compartan el mismo cluster. Ya que un dispositivo puede poseer varios puntos de
acceso, tambin puede soportar varios vnculos.
2.4.2.1 Subcapa de soporte de aplicacin (APS o Application Sublayer)
La subcapa de soporte de aplicacin proporciona una interfaz de comunicacin entre
la capa de red y la capa de aplicacin a travs de un conjunto de servicios que se
utilizan junto a los ZDO (Zigbee Device Objects) y otros objetos que hayan sidodefinidos por los fabricantes.
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La interfaz de los servicios proporcionados ofrecen dos entidades:
La entidad de datos APS (APSD) a travs del servicio de punto de acceso.
Esta entidad proporciona el servicio necesario para la transmisin de datos yel transporte de datos de aplicacin entre dos o ms dispositivos en la misma
red.
La entidad gestora del APS (APSME-SAP) a travs de un servicio que ofrece
el punto de acceso APSE-SAP. La entidad gestora proporciona el servicio de
descubrimiento y enlace de dispositivos y mantiene una base de datos de los
objetos llamado APS Information Base (AIB).
2.4.2.2 Estructura de aplicacin
La estructura de aplicacin es el entorno en el cual se gestionan las diferentes
aplicaciones.
El servicio de datos ofrecido a la entidad gestora, incluye primitivas de peticin,
confirmacin, respuesta e indicacin para la transferencia de datos.
La primitiva de peticin (primitives reques) soporta la transferencia de datos
entre pares de entidades objeto de aplicacin.
La primitiva confirmacin (primitives confirm) da los resultados de una llamada
de la primitiva request.
La primitiva indicacin (primitives indication) se usa para indicar la
transferencia de datos desde un APS a la entidad objeto de aplicacin.
Cada una de dichas aplicaciones est relacionada a un punto de acceso distinto.
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Se permiten hasta 240 aplicaciones distintas dentro de un mismo dispositivo. El
punto de acceso 0 est asignado al nivel ZDO. El rango de 241-254 est reservado
para uso futuro.
Por ltimo, el punto de acceso 255 es usado para la comunicacin broadcast con
todas las aplicaciones dentro del marco de aplicacin. Esta capa es la encargada de
definir tanto el perfil de aplicacin como los diferentes clusters. Cada cluster se
caracteriza por un identificador propio (cluster ID).
2.4.2.4 Descubrimiento
Este servicio de descubrimiento (Device Discovery), es un proceso que en un
instante de tiempo estn disponibles en los terminales o en los dispositivos
receptores y que son descubiertos por dispositivos externos. Para ello, realiza
preguntas/solicitudes que se envan por broadcast o unicast.
Hay dos formas de realizar las peticiones de descubrimiento de servicios y
dispositivos: la peticin de direccin IEEE y la peticin de direccin de NWK.
La peticin de IEEE es unicast y asume que la direccin NWK es conocida.
La peticin de direccin NWK es por broadcast y lleva la direccin de IEEE
como datos de negociacin de parmetros.
El proceso del servicio de descubrimiento en ZigBee es la clave para interconectar
dispositivos dentro de una red.
Las respuestas al elemento que ha realizado las peticiones broadcast o unicast de
mensajes de descubrimiento pueden variar segn provengan de un tipo de
dispositivos lgicos u otros, como se indica a continuacin:
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Terminal: Responde a las peticiones de descubrimiento de dispositivos
enviando su propia direccin IEEE o la direccin NWK (dependiendo de la
peticin).
Coordinador:Responde a la peticin enviando su direccin IEEE o NWK y lasdirecciones IEEE o NWK que tiene asociadas como coordinador ZigBee
(dependiendo del tipo de peticin).
Router: Responde a peticiones enviando su direccin IEEE o NWK y las
direcciones IEEE o NWK de todos los dispositivos que tiene asociados como
router ZigBee (dependiendo de la peticin).
2.4.2.5 Subcapa objetos de dispositivos ZigBee (ZDO)
Los ZDO representan la funcionalidad base que proporciona un interfaz entre los
objetos de aplicacin, el perfil del dispositivo y el APS.
Los ZDO se encuentran entre el framework de aplicacin y la subcapa de soporte de
aplicacin. Permite as que se cumplan todos los requisitos de las aplicaciones que
operan con la pila de protocolo ZigBee. Los ZDO son responsables de:
Inicializar la subcapa de soporte de aplicacin (APS), la capa de aplicacin
(NWK), y los servicios de especificacin (SSS).
La informacin de configuracin desde la aplicacin para determinar e
implementar el descubrimiento y la gestin de la seguridad, red y enlace.
Los ZDO proporcionan interfaces pblicos para los objetos de aplicacin en la capa
del framework de aplicacin para tener el control de dispositivo y realizar las
funciones necesarias definidas por los objetos de aplicacin. Las interfaces pblicos
proporcionan la gestin de las direcciones de dispositivos, el descubrimiento, el
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enlace (binding) y las funciones de seguridad incluidos en la capa del framework de
aplicacin de la pila de protocolo de ZigBee.
2.4.2.6 Fundamentos de comunicacin de la capa ZDO
Son los servicios que ofrece la capa ZDO para la creacin de una red. Es la capa
donde se gestiona los procesos.
Los procesos de gestin son:
Gestin de descubrimiento Gestin de enlace
Gestin de seguridad
2.5 Dispositivos o nodos ZigBee
Existen tres tipos de nodos: coordinador, router y end-device; cada uno juega un
papel diferente en la red y tambin al inicio de sta.
2.5.1 Coordinador
El coordinador es el encargado de dar inicio a una red ZigBee escogiendo el canal
ms silencioso y emitiendo una trama de datos llamada Beacon Request y arma una
lista de PAN IDs (identificador de red) encontrados a fin de elegir un identificador no
utilizado o utiliza el que se haya configurado, s corresponde.
2.5.2 Router
Los router son dispositivos capaces de actuar como buffers para otros, y pueden ser
coordinadores de un pequeo grupo de stos.
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Los router tienen la capacidad de encaminar los mensajes entre distintos dispositivos
de la red y adems de almacenar temporalmente aquellos destinados a los End-
Device, que estn durmiendo en bajo consumo hasta que despierten.
Al iniciar el proceso de asociacin, el router recibe una direccin corta (16-bits), la
cual retiene almacenndola en memoria no voltil y no repite este proceso si se
resetea, dado que pertenece a una PAN.
2.5.3 End-Device
Los End-Device son dispositivos con funcionalidad reducida, ya que son los
encargados de recibir o enviar los mensajes a los sensores o microcontroladores quedeseamos manejar en forma inalmbrica.
Los End-Device tienen permitido dormir peridicamente, para esto se asocian a un
router, que cumple la funcionalidad de un coordinador en una red 802.15.4, al cual
reportan peridicamente.
stos dispositivos carecen de funcionalidad de routing y siempre entregan sus
mensajes a su coordinador (un router o coordinador de la red ZigBee), quien a su vez
almacena los mensajes para stos hasta tanto despierte y lo contacte, momento en
el cual se los entrega.
Los End-Device generalmente entran peridicamente en bajo consumo, y emiten un
mensaje Data Request al despertar; lo que permite que su coordinador les pueda
entregar cualquier mensaje que tenga pendiente para ellos.
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2.6 Banda de operacin
Figura 2.2 Velocidades de datos en diferentes protocolos.
ZigBee opera en dos bandas de frecuencia:
2.4 GHz con tasa mxima de transferencia de 250 Kbps, para este caso,
modula en O-QPSK (Modulacin con desplazamiento de fase en cuadratura
con desplazamiento temporal).
868-928 MHz para tasa de datos entre 20 y 40 Kbps, para este otro, modula
en BPSK (Modulacin con desplazamiento de fase binaria).
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Tabla 2.6: Bandas de frecuencia y tipos de datos
Capa
Fsica
(MHz)
Banda de
frecuencia
(MHz)
Parmetros de difusin Datos de los parmetros
Chip de
la tasa
(kchip/s)
Modulacin Tasa
de
bits
(kb/s)
Tasa de
smbolos
(ksymbol/s)
Smbolos
868/915868868.6 300 BPSK 20 20 Binario
902928 600 BPSK 40 Binario
2450 24002483.5 2000 O-QPSK 250 62.5
16-ary
ortogonal
2.7 Modulacin O-QPSK (Offset Quadrature Phase Shift Keying)
La modulacin O-QPSK consiste en realizar una transicin de fase en cada intervalo
de sealizacin de bits, por portadora en cuadratura.
O-QPSK es similar a la QPSK excepto para el momento de la transiciones con datos
I y Q debido que en QPSK las transiciones I y Q de el siguiente smbolo se producen
al mismo tiempo. Esto lleva a las trayectorias de paso por el origen del diagrama devectores, que introduce la amplitud modulacin y requiere amplificadores lineales.
En O-QPSK las transiciones de I y Q son compensadas por la mitad del tiempo de
smbolos.
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Un smbolo O-QPSK consta de 2 bits, el tiempo de compensacin corresponde al
periodo de bit. Este perodo se conoce como perodo de ZigBee. Figura 2.3
Figura 2.3 Diagrama de modulacin O-QPSK
2.8 Modulacin BPSK (Binary Phase Shift Keying)
En esta modulacin se tiene como resultados posibles dos fases de salida para la
portadora con una sola frecuencia. Una fase de salida representa un 1 lgico y la otra
un 0 lgico. BPSK slo es capaz de modular a 1 bit/smbolo.
Conforme la seal digital de entrada cambia de estado, la fase de la portadora de
salida se desplaza entre dos ngulos que estn 180 fuera de fase. Figura 2.4
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Figura 2.4 Diagrama de constelacin para BPSK.
2.9 Topologa de red
Una red ZigBee puede tener las siguientes topologas:
Estrella
rbol
Malla
http://translate.googleusercontent.com/translate_c?hl=es&prev=/search?q=o-qpsk&hl=es&biw=790&bih=510&prmd=imvns&rurl=translate.google.com.mx&sl=en&u=http://en.wikipedia.org/wiki/File:BPSK_Gray_Coded.svg&usg=ALkJrhifKW0G7e1oe6696GKVpnz8TT6k-w7/31/2019 Sistema de Marcha Humana
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Figura 2.5 Topologas que usa el ZigBee.
En una red estrella, el coordinador atiende a un nmero de End-Device, de modo
similar a una red 802.15.4.
En una red de rbol tenemos la presencia del router y podemos armar pequeas
estrellas. La informacin se distribuye de forma jerrquica a lo largo del rbol hasta
llegar al destino.
En una red malla, los router y el coordinador descubren la ruta hacia el destinario del
mensaje mediante una serie de mensajes NWK como router request y router replay.
Si no hay comunicacin directa, los mensajes viajan de router en router hasta llegaral destinatario. Los End-Device siempre entregan sus mensajes al coordinador, que
puede ser un router o el mismo coordinador de la red ZigBee,
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2.10 Estrategias de conexin de los dispositivos en una redZigbee
Las redes ZigBee han sido diseadas para conservar la potencia en los nodos
esclavos. De esta forma se consigue el bajo consumo de potencia.
La estrategia consiste en que, durante mucho tiempo, un dispositivo esclavo est en
modo dormido, de tal forma que solo se despierte por una fraccin de segundo para
confirmar que est vivo en la red de dispositivos de la que forma parte.
Esta transicin del modo dormido al modo despierto (modo en el que realmente
transmite), dura aproximadamente 15 ms, y la enumeracin de "esclavos" dura
alrededor de 30 ms.
En las redes Zigbee, se pueden usar dos tipos de entornos o sistemas:
Con balizas:Es un mecanismo de control del consumo de potencia en la red.
Permite a todos los dispositivos saber cundo pueden transmitir. En estemodelo, los dos caminos de la red tienen un distribuidor que se encarga de
controlar el canal y dirigir las transmisiones.
Las balizas que dan nombre a este tipo de entorno, se usan para poder
sincronizar todos los dispositivos que conforman la red, identificando la red
domtica, y describiendo la estructura de la "supertrama". Los intervalos de
las balizas son asignados por el coordinador de red y pueden variar desde los
15 ms hasta los 4 minutos.
Este modo es ms recomendable cuando el coordinador de red trabaja con
una batera. Los dispositivos que conforman la red, escuchan a dicho
coordinador durante el "balizamiento". Un dispositivo que quiera intervenir, lo
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primero que tendr que hacer es registrarse para el coordinador, y es
entonces cuando mira si hay mensajes para l. En el caso de que no haya
mensajes, este dispositivo vuelve a "dormir", y se despierta de acuerdo a un
horario que ha establecido previamente el coordinador. En cuanto elcoordinador termina el "balizamiento", vuelve a "dormirse".
Sin balizas:Se usa el acceso mltiple al sistema Zigbee en una red punto a
punto cercano. En este tipo, cada dispositivo es autnomo, pudiendo iniciar
una conversacin, en la cual los otros pueden interferir. A veces, puede ocurrir
que el dispositivo destino puede no or la peticin, o que el canal est
ocupado.
Este sistema se usa tpicamente en los sistemas de seguridad, en los cuales
sus dispositivos (sensores, detectores de movimiento o de rotura de cristales),
duermen prcticamente todo el tiempo (el 99.999%).
Para que se les tenga en cuenta, estos elementos se "despiertan" de forma
regular para anunciar que siguen en la red. Cuando se produce un evento (en
el sistema ser cuando se detecta algo), el sensor "despierta"
instantneamente y transmite la alarma correspondiente. Es en ese momento
cuando el coordinador de red, recibe el mensaje enviado por el sensor, y
activa la alarma correspondiente. En este caso, el coordinador de red se
alimenta de la red principal durante todo el tiempo.
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CAPTULO 3| Metodologa
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CAPTULO 3 Metodologa
3.1 Etapa del sensado
Se define esta etapa del sensado debido a que es una aplicacin importante en el
proyecto. Por consiguiente el sensor es la fuente que proporciona los datos que se
envan de forma inalmbrica.
Como se puede suponer pocas cosas son ideales, y nuestro caso no es una
excepcin, por lo tanto el proyecto se ha diseado para usar diferentes tipos de
sensores. Por lo que el elemento que se usa para sensar la seal requerida es elgiroscopio IXZ-500 o el potencimetro de alta precisin.
3.1.1 Primera Prueba
3.1.1.1 Giroscopio
Figura 3.1 Diagrama a bloque de la etapa del sensado con giroscopio.
Debido a que el giroscopio tiene un cuerpo con simetra rotacional que gira alrededor
de su eje de simetra, permite realizar diferentes medidas en la posicin superior e
inferior de la rodilla obteniendo los ngulos correspondientes al movimiento de este.
CARACTERIZACINGIROSCOPIO
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Las medidas que se requieren obtener se logran debido a que el giroscopio
suministra un voltaje diferente por cada ngulo proporcionado al momento de realizar
la oscilacin.
El giroscopio se coloca de tal manera que su movimiento angular quede alineado con
el eje z y la posicin de la parte superior de la rodilla.
3.1.1.1.1 Caracterizacin del Giroscopio
En este proceso se determin la sensibilidad del giroscopio, haciendo pruebas de
ngulo y voltaje.
Para la caracterizacin de giroscopio se realizaron diferentes variaciones donde la
posicin totalmente horizontal se representa en 0 (Figura 3.2). Al momento de girarlo
en distintos ngulos proporcion los siguientes resultados que se muestran en la
tabla 3.1:
Figura 3.2 Toma de medicin de ngulos del giroscopio.
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Tabla 3.1 Medicin de ngulos
ngulo () Voltaje (mV) ngulo () Voltaje (mV)
0 1342 50 1579
5 1358 55 1669
10 1371 60 1522
15 1350 65 1687
20 1409 70 1865
25 1414 75 1932
30 1461 80 1688
35 1565 85 1933
40 150690 1604
45 1482
Figura 3.3 Grfica de la caracterizacin del giroscopio.
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3.1.2 Segunda Prueba
3.1.2.1 Potencimetro de Alta Precisin
Figura 3.4: Diagrama a bloque de la etapa del sensado con el potencimetro de alta precisin.
Este dispositivo posee distintos valores de resistencia que lo hace adecuado para
distintas aplicaciones, en este caso es para la obtencin de los ngulos ya que le
corresponde un valor diferente de resistencia.
3.1.2.1.1 Caracterizacin del potencimetro de alta precisin
Para la caracterizacin del potencimetro se realizaron diferentes mediciones donde
la posicin que represent la resistencia ms baja se le asign el ngulo 0 (Figura
3.5). Al momento de girar el potencimetro para la toma de ngulos se obtuvieron los
siguientes resultados que se muestran en la Tabla 3.2 y Figura 3.6:
Figura 3.5 Toma de medicin de ngulos del potencimetro.
CARACTERIZACINPOTENCIMETRO
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Tabla 3.2 Medicin de ngulos.
Resistencia (ohms) ngulo () Resistencia (ohms) ngulo ()
8 0 520 90
53 5 560 9578 10 590 100
102 15 624 105
130 20 661 110
169 25 686 115
189 30 709 120
213 35 737 125
246 40 763 130
273 45 800 135
314 50 843 140
342 55 867 145
359 60 892 150
390 65 924 155
405 70 963 160
437 75 987 165
468 80 1012 170
497 85 1050 175
Figura 3.6 Grfica de la caracterizacin del potencimetro.
y = 0.1701x - 1.6271R = 0.9993
-20
020
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0 200 400 600 800 1000 1200
Resistencia(ohms)
ngulo ()
Caracterizacin del potencimetro
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3.2 Elaboracin de programa de transmisin y conversin
Figura 3.7 Diagrama a bloque del programa de transmisin y conversin.
El cdigo de conversin Analgica a Digital se elabor en el software MPLAB IDEv8.53 ya que es una herramienta sencilla para la programacin de
microcontroladores y que facilita el proceso, dado que ya se haba trabajado
anteriormente con ella. Adems se realiz el programa para la transmisin
inalmbrica por medio del USART.
3.2.1 Conversin analgica-digital
Para que el ordenador procese informacin es necesario convertir las seales que se
obtengan del dispositivo de sensado a digital. Para este contexto se elabor el
programa para el PIC18F4520 con las siguientes caractersticas de la conversin:
SENSADO
DE LA SEAL
MDULO
XBEE
TRANSMISIN
DE DATOS
CONVERSIN
ANALGICA A DIGITAL
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Conversin a 10 bits de resolucin: Debido a que tenemos 1024 bits de
resolucin que nos servirn para detectar variaciones pequeas de las
seales analgicas que se conviertan a digital.
Muestreo a 10 microsegundos. Transmisin y recepcin a 9600 baudios por segundo.
El programa que va hacer la conversin analgica-digital queda de la siguiente
manera:
#include //libreras
#include#include
#pragma config OSC=XT //cristal externo
#pragma config LVP=OFF //voltaje de programacin bajo
#pragma config WDT=OFF//washdog timer apagado
#pragma config BOREN=ON
#pragma config BORV=3
#pragma config STVREN=ON
#pragma config PWRT=ON
#define canal0 0X01 //canal 0 definido como entrada analgica
void ISR_H (void); //interrupcin de alta prioridad
#pragma code high_vector_section=0X0008void high_vector (void)
{
_asm
goto ISR_H
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_endasm
}
#pragma code
#pragma interrupt ISR_H
void config_ADC (void); //configurar ADC
void config_intADC (void); //interrupciones del ADC
void concatena (void);// concatena dos cadenas de 8 bits
unsigned long sensor=0;
/*Menu principal donde inicia programa*/
void main (void)
{
config_ADC();
config_intADC();
}
void concatena (void)
{
sensor=ADRESH;
sensor=(sensor
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}
/*configura los bits de interrupcin del mdulo ADC*/
void config_intADC (void)
{PIR1bits.ADIF=0;
PIE1bits.ADIE=1;
IPR1bits.ADIP=1;
}
void ISR_H (void)
{
if(PIR1bits.ADIF)
{
concatena();
PIR1bits.ADIF=0;
}
}
3.2.2 Transmisin de Datos a la computadora
Una variante elemental para transmisin de datos a la computadora es la velocidad
debido a que si cualquiera de los dispositivos no se encuentran sincronizados a la
misma velocidad no permitir tener el resultado requerido.
Para la obtencin de la transmisin se requieren las siguientes caractersticas:
Modo de transmisin asncrono.
Velocidad de 9600 baudios por segundo debido a que es una velocidad rpida
en donde se sincroniza el microcontrolador y la computadora.
Transmisin a 8 bits
Recepcin contina.
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El programa permite que se lleve a cabo la transmisin de informacin, esto se
muestra a continuacin:
OpenUSART(USART_TX_INT_OFF & //Mdulo USART definido con interrupciones
apagadas
USART_RX_INT_OFF &
USART_ASYNCH_MODE & //transmisin asncrona
USART_EIGHT_BIT & //8bits
USART_CONT_RX & //recepcin continua
USART_BRGH_HIGH, 25); //alta resolucin
RCONbits.IPEN=1;
INTCONbits.GIEH=1; //interrupciones de alta prioridad activadas
INTCONbits.GIEL=0;
while (1)
{
ADCON0bits.GO=1; //inicia proceso de conversin del ADC
WriteUSART(sensor);
Delay1KTCYx(2);
}
Por lo que el programa final qued de la siguiente forma:
#include //libreras
#include
#include
#pragma config OSC=XT //cristal externo
#pragma config LVP=OFF //voltaje de programacin bajo
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#pragma config WDT=OFF//washdog timer apagado
#pragma config BOREN=ON
#pragma config BORV=3
#pragma config STVREN=ON#pragma config PWRT=ON
#define canal0 0X01 //canal 0 definido como entrada analgica
void ISR_H (void); //interrupcin de alta prioridad
#pragma code high_vector_section=0X0008
void high_vector (void)
{
_asm
goto ISR_H
_endasm
}
#pragma code
#pragma interrupt ISR_H
void config_ADC (void); //configurar ADC
void config_intADC (void); //interrupciones del ADC
void concatena (void);// concatena dos cadenas de 8 bits
unsigned long sensor=0;
/*Menu principal donde inicia programa*/
void main (void)
{
config_ADC();
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config_intADC();
OpenUSART(USART_TX_INT_OFF & //Mdulo USART definido con
interrupciones apagadas
USART_RX_INT_OFF &USART_ASYNCH_MODE & //transmisin asncrona
USART_EIGHT_BIT & //8bits
USART_CONT_RX & //recepcin continua
USART_BRGH_HIGH, 25); //alta resolucin
RCONbits.IPEN=1;
INTCONbits.GIEH=1; //interrupciones de alta prioridad activadas
INTCONbits.GIEL=0;
while (1)
{
ADCON0bits.GO=1; //inicia proceso de conversin del ADC
WriteUSART(sensor);
Delay1KTCYx(2);
}
}
void concatena (void)
{
sensor=ADRESH;
sensor=(sensor
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}
/*configura los bits de interrupcin del mdulo ADC*/
void config_intADC (void){
PIR1bits.ADIF=0;
PIE1bits.ADIE=1;
IPR1bits.ADIP=1;
}
void ISR_H (void)
{
if(PIR1bits.ADIF)
{
concatena();
PIR1bits.ADIF=0;
}
}
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3.2.2.1 Circuito electrnico
El circuito que se muestra en la Figura 3.8 se dise en el software de Proteus. Este
circuito es implementado para la realizacin de la transmisin de los datos.
Figura 3.8 Esquemtico del circuito electrnico.
El funcionamiento del circuito consiste que el dato adquirido mediante el
potencimetro de alta precisin, entre por el pin 2 del PIC18F4520 y que sea
convertido de seal analgica a digital para despus ser enviado por el mdulo XBee
(Tx) que est conectado en el pin 25.
RA0/AN0/C1IN-2
RA1/AN1/C2IN-3
RA2/AN2/C2IN+/VREF-/CVREF4
RA3/AN3/C1IN+/VREF+5
RA4/T0CKI/C1OUT6
RA5/AN4/SS/HLVDIN/C2OUT7
RA6/OSC2/CLKO14
RA7/OSC1/CLKI13
RB0/AN12/FLT0/INT033
RB1/AN10/INT134
RB2/AN8/INT235
RB3/AN9/CCP2A36
RB4/KBI0/AN1137
RB5/KBI1/PGM38
RB6/KBI2/PGC39
RB7/KBI3/PGD40
RC0/T1OSO/T13CKI15
RC1/T1OSI/CCP2B16
RC2/CCP1/P1A17
RC3/SCK/SCL18
RC4/SDI/SDA23
RC5/SDO24
RC6/TX/CK 25
RC7/RX/DT26
RD0/PSP019
RD1/PSP120
RD2/PSP221
RD3/PSP322
RD4/PSP427
RD5/PSP5/P1B28
RD6/PSP6/P1C29
RD7/PSP7/P1D30
RE0/RD/AN58
RE1/WR/AN69
RE2/CS/AN710
RE3/MCLR/VPP1
U1
PIC18F4520
X1CRYSTAL
C2
22p
C1
22p
R1
1K
AD0 / DIO020
AD2 / DIO219
AD2 / DIO218
AD3 / DIO317
RTS / AD6 / DIO616
AD5 / DIO5
15
VREF14
ON / SLEEP13
CTS / DIO712
AD4 / DIO411
VCC1
DOUT2
DIN / CONFIG3
DO8*4
RESET5
PWM0 / RSSI6
PWM17
[reserved]8
DTR / SLEEP _RQ / DI89
GND10
XBEE1
XBEE
RV1
1k
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3.3 Etapa de transmisin inalmbrica con el PIC e interfaz
Para llevar a cabo esta etapa se desarrollaron los pasos mencionados conanterioridad. Por lo que a continuacin se muestra en la Figura 3.9 el diagrama a
bloque de la transmisin inalmbrica con el PIC e interfaz.
Figura 3.9 Diagrama a bloque la etapa de transmisin inalmbrica con el PIC e interfaz
Para este desarrollo se procedi a la transmisin de datos haciendo uso del mdulo
XBee. De tal manera que se tuvieron que realizar pruebas para verificar el
funcionamiento de este dispositivo.
PROCESAMIENTO
DE DATOS
(NGULOS)
PROCESAMIENTODE IMAGEN
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En la caracterizacin del mdulo XBee se ejecutaron las siguientes actividades:
3.3.1 Primera Prueba
Instalar el software X-CTU desde la pgina web del fabricante (DIGI).
Conectar al puerto USB de la computadora el mdulo XBee (Figura 3.10).
Figura 3.10 Mdulos XBee conectados al puerto USB
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Abrir la aplicacin X-CTU (Figura 3.11).
Figura 3.11 Aplicacin X-CTU
Seleccionar el puerto serial USB por cada mdulo XBee (recordar que se
utilizan dos mdulos uno para el transmisor y otro para el receptor), en este
caso USB Serial Port (COM27). Figura 3.12
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Figura 3.12 Seleccionar el puerto serial USB
Para verificar la comunicacin de estos mdulos se efectu una prueba de
conectividad, dando clic en el botn Test/Query, inmediatamente mostrando el
siguiente cuadro de dilogo(Figura 3.13):
Figura 3.13 Cuadro de dilogo que muestra la conectividad con el XBee
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En la pestaa de Modem Configuration, se procede a la actualizacin del
Firmware. Figura 3.14
Figura 3.14 Actualizacin del Firmware
o En la seccin Modem Parameter and Firmware se le da clic al botn
Read para que comience a actualizar el programa del XBee, dando
como resultado (Figura 3.15):
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Figura 3.15 Parmetros que se actualizaron para el mdulo XBee
Pudiendo observar:
o Modem XBEE: XB24
o Function Set: XBEE 802.15.4
o Version: 10E6
Se programaron 3 parmetros en la misma pestaa para el inicio de la
comunicacin, stos son:
o MY Direccin origen.
o DLDireccin destino.
o BDBaud rate (velocidad de transmisin).
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Otra manera de introducirse al mdulo es por medio del Modo de Comando.
Este modo permite ingresar comandos AT al XBee, para configurar, ajustar o
modificar parmetros como la direccin propia o la de destino (Figura 3.16).
Figura 3.16 Modo de comando AT
En la pestaa Range Test, se prueba el rango de alcance de la seal. Esto
genera automticamente datos y los enva por el mdulo, de tal forma quepermite verificar cules datos llegan buenos y cules no (Figura 3.17).
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Figura 3.17 Rango de alcance de la seal
Para comprobar la comunicacin entre los XBee, se puede denotar que el
texto que aparece en color azul es el transmisor mientras que en color rojo es
el receptor (Figura 3.18).
Figura 3.18 Primer a prueba de la comunicacin entre los mdulos XBee.
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Debemos aclarar que uno de los mdulos deber ser el coordinador (transmisor).
3.4 Etapa de Adquisicin de Imgenes a travs de MATLAB
En MATLAB una imagen a escala de grises es representada por medio de una matriz
bidimensional de m x n elementos en donde n representa el numero de pxeles de
ancho y m el numero de pxeles de largo. El elemento v 11 corresponde al elemento
de la esquina superior izquierda, donde cada elemento de la matriz de la imagen
tiene un valor de 0 (negro) a 255 (blanco). Figura 3.19.
( ) [ ]
Figura 3.19 Representacin de una imagen a escala de grises en MATLAB
Por otro lado una imagen de color RGB (la ms usada para la visin computacional,
adems de ser para MATLAB la opcin default) es representada por una matriz
tridimensional m x n x p, donde m y n tienen significa lo mismo que para el caso de
m
n
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las imgenes de escala de grises mientras p representa el plano, es decir, para RGB
puede ser 1 para el rojo, 2 para el verde y 3 para el azul. Figura 3.20.
() [
] () [
] () [
]
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I (m, n, p)
Figura 3.20 Representacin de una imagen a color RGB en MATLAB
En cuanto al Toolbox de Adquisicin de Imgenes se define como una coleccin de
funciones que sirven para obtener imgenes de diversos dispositivos (USB, cmaras
web) para visualizar videos en vivo, para la adquisicin de imgenes mediante
triggers, para importar datos hacia el entorno de trabajo de MATLAB y a su vez
permite efectuar la aplicacin en tiempo real.
El Toolbox de Procesamiento de Imgenes proporciona a MATLAB un conjunto de
funciones que ampla las capacidades del producto para realizar desarrollo de
aplicaciones y de nuevos algoritmos en el campo del proceso y anlisis de imgenes.Este Toolbox cuenta con las siguientes funciones:
Diseo de filtros.
Funciones para la extraccin de bordes.
IB = (m,n)
IG = (m,n)
IR = (m,n)
m
n
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Imgenes binarias y segmentacin por umbral.
Operaciones basadas en objetos.
Seleccin de objetos.
Medicin de caractersticas.
Funciones para la conversin de imgenes y formatos de color
Mejora y retocado de imgenes.
Anlisis y estadstica de imgenes.
En este caso se va a efectuar la adquisicin de imgenes en tiempo real del ciclo de
marcha que realice el paciente, capturadas a partir de una cmara web Microsoft
LifeCam VX-1000 que cuenta con las siguientes especificaciones (Figura 3.21):
o Dimensiones:
o Anchura 5.3 cm.
o Profundidad 5.3 cm.
o Altura 6.5 cm.
o Captura de vdeo:640 x 480 @ 30 tramas por segundo
o Imagen fija:640 x 480
o Interfaz:USB
Figura 3.21 Cmara Web
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Se us ste tipo de cmara porque es de fcil acceso en cuanto a costo, adems de
que se puede sincronizar perfectamente con el software MATLAB.
Para la toma de imgenes se utiliz dicho software, donde se desarroll un programapara la captura de fotos en un instante de tiempo y as poder visualizar detalle a
detalle la marcha que genera el paciente.
Pero antes de esto se muestran los comandos para identificar las caractersticas que
constituye a la cmara web y poder usarla a su mxima capacidad:
imaqhwinfo % despliega la informacin sobre el hardware disponible, es
decir, muestra los controladores que contiene la cmara web, la versin de
MATLAB, el Toolbox de la adquisicin de imagen e igualmente su versin. En
este caso, se observan tres adaptadores y con el que se est trabajando es
winvideo por la compatibilidad con el software.
ans =
InstalledAdaptors: {'coreco' 'demo' 'winvideo'}
MATLABVersion: '7.4 (R2007a)'
ToolboxName: 'Image Acquisition Toolbox'
ToolboxVersion: '2.1 (R2007a)'
imaqhwinfo('winvideo')% muestra la informacin detalladamente acerca del
controlador que se est usando.ans =
AdaptorDllName: [1x81 char]
AdaptorDllVersion: '2.1 (R2007a)'
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AdaptorName: 'winvideo'
DeviceIDs: {[1] [2]} % es muy importante que aparezca por lo menos un identificador
del dispositivo para que haya una comunicacin con el hardware y software, aqu se
puede observar que maneja dos IDs.DeviceInfo: [1x2 struct]
imaqhwinfo('winvideo',1)%expone las caractersticas propias del dispositivo
utilizando el identificador nmero 1, por ejemplo el formato por default, el
nombre del dispositivo, el objeto para la toma de imgenes, as como los
distintos formatos con los que cuenta la cmara.
ans =
DefaultFormat: 'RGB24_320x240'
DeviceFileSupported: 0
DeviceName: 'Microsoft LifeCam VX-1000'
DeviceID: 1
ObjectConstructor: 'videoinput('winvideo', 1)'
SupportedFormats: {1x10 cell}% sta cmara web cuenta con 10 formatos
ans.SupportedFormats% especifica los diferentes formatos del dispositivo
ans =
Columns 1 through 3
'I420_160x120' 'I420_176x144' 'I420_320x240'
Columns 4 through 6
'I420_352x288' 'I420_640x480' 'RGB24_160x120'
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Columns 7 through 9
'RGB24_176x144' 'RGB24_320x240' 'RGB24_352x288'
Column 10
'RGB24_640x480'
Posteriormente se muestra la prueba para la adquisicin de imgenes:
3.4.1 Primera prueba
vid = videoinput('winvideo',1,'RGB24_640x480'); % crea un objeto deentrada de video, declarando el controlador, el ID y el formato de la cmara
preview(vid) % abre una ventana al momento de la toma de video (Figura
3.22).
Figura 3.22 Ventana donde se muestra el video con el comando preview.
foto = getsnapshot(vid);% adquiere una sola imagen
imshow(foto)% visualiza la imagen tomada por el dispositivo (Figura 3.23).
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Figura 3.23 Ventana que muestra la toma de fotografa con el comando imshow.
Para grabar el contenido de la imagen en un archivo se utiliza la funcin:
imwrite(foto,pruebas.jpeg)% donde la variable foto representa la variable
que contiene a la imagen y pruebas.jpeg el nombre del archivo con su
respectiva extensin (Figura 3.24).
Figura 3.24 La imagen es guardada como un archivo .jpeg
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Los formatos de imagen que maneja MATLAB son de acuerdo a la tabla 3.4
siguiente:
Tabla 3.4 Formatos de imagen que maneja MATLAB.
Formato Extensin
TIFF .tiff
JPEG .jpeg
GIF .gif
BMP .bmp
PNG .png
XWD .xwd
A continuacin se expone el cdigo de la adquisicin de imgenes para el desarrollo
del sistema de marcha humana inalmbrico donde se explica cada lnea para su
mejor entendimiento:
clear all % borra las variables, variables globales, funciones y las reinicializa.
close all % cierra todas las ventanas que se tengan abiertas en MATLAB
clc % limpia la pantalla
vid=videoinput('winvideo',1,'RGB24_640x480'); % crea un objeto llamado vid para la
toma de video con sus respectivas especificaciones del dispositivo
preview(vid); % visualiza el video que se est tomando en ese momento
pause(3);% tiempo (segundos) que dura la cmara capturando
for c=1:80;% nmero de las tomas de imgenes
K=getsnapshot(vid);% capta la imagen en una sola tomapause(0.05); % tiempo en que se va a tomar cada fotografa
imwrite (K,strcat(num2str(c),'.jpg')); % guarda la imagen, donde num2str convierte el
nmero de tomas en una cadena, mientras que strcat la concatena.
end % fin del programa
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El funcionamiento de este cdigo es adquirir las imgenes que son capturadas en un
tiempo de 3 segundos en cada instante del ciclo de marcha del paciente.
La segunda prueba que se efectu para verificar el funcionamiento del cdigo con la
cmara web se muestra en la Figura 3.25:
3.4.2 Segunda prueba
Figura 3.25 Adquisicin de imagen de manera consecutiva (segunda prueba).
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Figura 3.25 Adquisicin de imagen de manera consecutiva (segunda prueba).
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Figura 3.26 Adquisicin de imagen de manera consecutiva (tercer prueba).
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Figura 3.26 Adquisicin de imagen de manera consecutiva (tercer prueba).
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Figura 3.26 Adquisicin de imagen de manera consecutiva (tercer prueba).
3.5 Etapa de transmisin con MATLAB
En la siguiente seccin se detallan las pruebas que se realizaron para verificar la
conectividad de los mdulos XBee entre las interfaces de MATLAB y X-CTU.
Los pasos fueron los siguientes:
Abrir el programa de MATLAB y X-CTU.
En la primera prueba se hace una transmisin del software de MATLAB hacia
X-CTU.
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Para hacer la transmisin se efectuaron los pasos que se muestran a
continuacin:
o Escribir en la ventana Command Window de MATLAB el comando tmtoolque nos arroja una ventana de trabajo, la cual se puede ver del lado
derecho de la imagen.
o Se da clic en el botn de Connect de la ventana de MATLAB.
o En X-CTU se selecciona el puerto de comunicacin, en la configuracin de
mdem se da clic en la opcin leer mdem y posteriormente se abre la
terminal.
o En la ventana de MATLAB, podemos ver la aplicacin de Sending data.
o En la seccin de Data to Write escribimos el mensaje a transmitir y se da
clic en el botn Write.
o El cdigo generado en MATLAB se verifica en la pestaa Session Log,
arrojando lo siguiente:
obj1 = instrfind('Type', 'serial', 'Port', 'COM4', 'Tag', ''); %Busca un objeto puerto serie.
% Crear el objeto de puerto serie, si no existe.
% De otra manera utilizar el objeto que se encontr.
if isempty(obj1)
obj1 = serial ('COM4');
else
fclose(obj1);
obj1 = obj1 (1)
end
fopen(obj1); % Conectar al instrumento objeto, obj1.
fclose(obj1); % Desconectar del instrumento objeto, obj1.
set(obj1, 'Terminator', 'LF'); % Configurar instrumento objeto, obj1.
fprintf(obj1, 'Esime Zacatenco'); % Comunicacin con los instrumentos objeto, obj1.
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o Por ltimo en la ventana de X-CTU podemos ver el mensaje (Figura 3.27).
Figura 3.27 Transmisin del software de MATLAB hacia X-CTU.
En la siguiente prueba, se realiz la transmisin de X-CTU a MATLAB (Figura
3.28).
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Figura 3.28 Transmisin del software de X-CTU hacia MATLAB.
o Se limpia la pantalla de X-CTU con la opcin de Clear Screen.
o Se escribe el texto deseado en la ventana de X-CTU.o En la ventana de MATLAB, nos dirigimos a la ventana de Receiving data.
o Se da clic en la opcin de Read y veremos que el texto aparece en la parte
inferior de la ventana.
o En esta etapa podemos ver que existe en retardo de aproximadamente 10
segundos para que el texto aparezca en nuestra ventana de trabajo.
o El cdigo generado en MATLAB se verifica en la pestaa Session Log,
arrojando lo siguiente:
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obj1 = instrfind('Type', 'serial', 'Port', 'COM3', 'Tag', ''); % Busca un objeto puerto
serie.
% Crear el objeto de puerto serie, si no existe% De otra manera utilizar el objeto que se encontr.
if isempty(obj1)
obj1 = serial('COM3');
else
fclose(obj1);
obj1 = obj1(1)
end
fopen(obj1); % Conectar al instrumento objeto, obj1.
data1 = fscanf(obj1); % Comunicacin con los instrumentos objeto, obj1.
3.6 Pruebas finales
A continuacin se presenta el prototipo utilizado para la toma de datos basado en un
solo punto de referencia (rodilla). Figura 3.6.1
Figura 3.6.1 Punto de referencia.
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El mecanismo implementado consiste en dos placas metlicas ajustadas con cinta
velcro, donde una permanece fija mientras que la otra permite la movilidad del
potencimetro para la obtencin de ngulos. Figura 3.6.2
Figura 3.6.2 Muestra de las placas metlicas.
En la figura 3.6.3 se muestra el mecanismo utilizado con la pierna en movimiento.
Figura 3.6.3 Pierna en movimiento
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La siguiente figura presenta la etapa de transmisin y recepcin del sistema.
Figura 3.6.4 interaccin de sistema
Finalmente se observan en las dos herramientas de software los datos adquiridos por
el mecanismo mencionado anteriormente.
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Figura 3.6.5 Datos finales obtenidos en X-CTU.
Figura 3.6.6 Datos finales obtenidos en MATLAB.
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Conclusiones
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Tras el desarrollo del proyecto en forma breve se tienen las siguientes conclusiones:
El anlisis de la marcha humana es una premisa para el estudio de las
posturas y movimiento del ser humano.
ZigBee es un protocolo que se adecua al proyecto debido a su bajo consumo
de energa, as como una velocidad de transmisin de datos apropiada, la cual
permiti una correcta transmisin de datos, en nuestro caso, las posiciones
brindadas por el sensor.
Se logro la toma de una secuencia de imgenes descriptivas del ciclo de
marcha mediante una cmara web de bajo costo, en conjunto con la utilera de
procesamiento de imgenes de MATLAB. Estas se pueden almacenar en un
historial el cual podra ser implementado en una base de datos, lo cual podra
ser una mejora al trabajo presentado.
Mediante el mdulo XBee se logra la transmisin y recepcin de la
informacin de los datos en el software de MATLAB. El mdulo es pequeo
permitiendo la correcta implementacin sin afectar el proceso de marcha.
Tambin se debe mencionar que existi la complicacin con los dispositivosde sensado, este obstculo nos llev al cambio de stos. Otro punto que
ocasion demoras fue la configuracin de comuniciaciones via USB en el
microcontrolador PIC18F4550, por lo se cambi al PIC18F4520, el cual
permiti una comunicacin apropiada.
El prototipo original propuesto no se logr al 100%, dado que ya no se
contaba con los recursos para la compra de ms elementos.
No hay que perder de vista que el equipo implementado en laboratorios
especializados son muy elevados, ya que estn alrededor de los siete millones
de pesos. En cambio con este prototipo se tiene un estimado
aproximadamente de cinco mil pesos.
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Caractersticas que diferencian el proyecto propuesto de Sistema de Marcha
Humana con uno existente.
Tabla Comparativa
Sistema de Anlisis de Marcha HumanaInalmbrico
NedAMH/IBV (Sistema para la Valoracin de laMarcha Humana)
Superficie plana 1 Plataforma dinamomtrica Dinascan/IBV P600
Potencimetro de alta precisin para el registrode los ngulos de movimiento.
Barrera doble de fotoclulas para el registro de lavelocidad de marcha.
Circuito Electrnico para el procesamiento ytransmisin de datos (PIC 18F4520, doscapacitores de 22pF, cristal de 4MHz, mduloXBEE, tarjeta explorer USB alimentacin de 5V).
Cmara Microsoft LifeCam VX-1000, portacelular
adaptado como portacircuito, cinta de velcrocomo sujetador.
Tarima y estructura mecnica que sirve deanclaje de la plataforma y de soporte para losaccesorios (monitor de paciente, barreras defotoclulas, tallmetro y arns de seguridad).Medidas aproximadas 3,5 x 1,5 m. de superficie,y 2.4 m. de altura.
Mesa de evaluacin, PC, monitor plano o de CRTde 15 pulgadas o superior.
Mesa de evaluacin, PC, monitor plano de 17 eimpresora color.
---------------- Accesorios para la realizacin de las pruebas deequilibrio (colchoneta de espuma y arns).
Licencia de Software MATLAB R2010a. Licencia de software NedAMH/IBV.
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Recomendaciones
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Se debe elegir adecuadamente que dispositivo utilizar tanto para la toma de
ngulos y la transmisin de datos.
Para una mejor facilidad de transmisin de datos es recomendable hacer uso
de una tarjeta de adquisicin de datos.
Si la cuestin econmica no es un obstculo para el desarrollo del proyecto es
recomendable el uso de una cmara de mayor resolucin.
Requerimientos del sistema para la implementacin del proyecto:
1. Computadora (escritorio o porttil)
2. Procesador de 3 ncleos o superior
3. 2GB de RAM; se recomiendan 4GB para las caractersticas de grficos de
paquetera y determinadas funciones avanzadas
4. Monitor con una resolucin de 1024x576 o superior
5. Windows XP con Service Pack 3, Vista con Service Pack 1, Windows 7.
6. Entrada USB 2.0
7. Cmara Microsoft LifeCam VX-1000
8. Software MATLAB R2010A.
9. Software X-CTU
10. Dos Tarjetas Explorer USB para mdulos XBEE
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Apndice
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INEGI Instituto Nacional de Estadstica y Geografa.
CRIT Centro de Rehabilitacin Infantil de Teletn.
CI Fase de contacto inicial.
AI Fase inicial del apoyo o de respuesta a la carga.AM Fase media del apoyo.
AF Fase final del apoyo.
OP Fase previa a la oscilacin.
OI Fase inicial de la oscilacin.
OM Fase media de la oscilacin.
OF Fase final de la oscilacin.
RFD Dispositivo Reductor de Funcin.
LR-WPAN Low-rate wireless Personal Area Network (Baja Tasa de Red
Inalmbrica de rea Personal).
WPAN Wireless Personal Area Network (Red Inalmbrica de rea
Personal).
PAN Personal Area Network (Red de rea Personal).
PHY Nivel Fsico.
MAC Control de Acceso al Medio.
ZDO ZigBee Device Objects (Objetos de Dispositivo ZigBee).
NWK Nivel de red.
NLDE Network Layer Data Entity.
PDU Unidad de Protocolo de Datos
NPDU Unidad de Protocolo de Datos en Nivel de Red.
NLME Network Layer Management Entity.
APS Application Sublayer (Subcapa de soporte de aplicacin)
APSD Entidad de Datos APS.APSME-SAP Entidad Gestora del APS.
AIB APS Information Base (base de datos de los objetos)
SSS Servicios de Especificacin.
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O-QPSK Modulacin con Desplazamiento de Fase en Cuadratura con
Desplazamiento Temporal.
BPSK Modulacin con desplazamiento de fase binaria.
MIC Cdigo de Integridad del Mensaje.ZigBee Stack Pila de Protocolos ZigBee
USART Configuracin serial en el PIC.
CPU Unidad Central de Procesamiento.
CRT Tubo de rayos catdicos.
RFD Reduced Function Device (dispositivo reductor de funcin)
FFD Full Function Device (dispositivo con todas las funciones)
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ANEXO A| Descripcin delGiroscopio
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Giroscopio
El giroscopio IXZ-500 consta de dos giroscopios MEMS independientes vibratorio.
Uno detecta la rotacin sobre el eje X.
El otro detecta la rotacin alrededor del eje Z.
El giroscopio es una prueba de masas electrosttica que oscila en resonancia. Posee
un circuito interno de control automtico de ganancia co