Система контроля движения для пациентов

акселерометр связь мониторинг

По результатам опросов специалистов, падения считается одним из наиболее серьезных рисков для здоровья пожилых людей, затрагивая большее число людей, чем инсульт и инфаркт, вместе взятые.

Особенно это касается:

— пожилых людей, живущих отдельно;

— людей, имеющих ограниченную подвижность (инвалиды, нарушения в опорно-двигательном аппарате, атеросклероз, остеопороз и т. д.);

— людей с нарушениями памяти;

— людей с расстройствами нервной системы (эпилептики, болезнь Паркинсона, церебральный паралич);

— людей с нарушениями зрения;

— больных, соблюдающих медицинский режим (после инсульта, инфаркта, проходящих лечение в реабилитационных центрах и т. д.);

— людей с сердечно — сосудистымизаболеваниями (гипертония, гипотония и т. д.);

— страдающих сахарным диабетом;

— людей, работающих на опасных работах (электрики, профессии связанные с работой на высоте, удаленных от социума, охрана).

Падение может быть опасно для человека вдвойне. Помимо травм от самого падения, ситуация может усугубиться из-за осложнений, если медицинская помощь не оказана своевременно.

Статистика демонстрирует, что большинство серьезных осложнений не являются прямым следствием падения, а связаны с задержкой в помощи и лечении.

Падения в случае неоказания своевременной помощи являются основной причиной смертности в результате травм среди выше перечисленных категорий людей.

Поэтому актуальна задача обнаружения падения и оповещения о нем.

Решить эту задачу можно с помощью акселерометров, объединенных в систему c микроконтроллерами, обрабатывающими полученную от акселерометров информацию и передающему затем с помощью GPS сигнал тревоги о точном местонахождении близким родственникам.

Цель: разработка устройства контроля движения и определения момента падения пациентов.

Задачи:

· проанализировать рынок акселерометров, GPS-маячков и микроконтроллеров;

· выбрать вышеперечисленные элементы с нужными для реализации нашей цели техническими характеристиками;

· разработать способ объединить все элементы и интегрировать в носимое устройство.

1 Аналитический обзор существующих устройств

1.1 Акселерометры

Акселерометр — прибор, измеряющий проекцию кажущегося ускорения (разности между истинным ускорением объекта и гравитационным ускорением). Акселерометр представляет собой чувствительную массу, закреплённую в упругом подвесе. Отклонение массы от её первоначального положения при наличии кажущегося ускорения несёт информацию о величине этого ускорения.

По конструктивному выполнению акселерометры разделяются на однокомпонентные, двухкомпонентные, трёхкомпонентные. В соответствии с этим, они позволяют измерять ускорение вдоль одной, двух и трёх осей.

Некоторые акселерометры еще имеют интегрированные системы сбора и обработки данных. Это позволяет создавать завершённые системы для измерения ускорения и вибрации со всеми необходимыми элементами.

Основными параметрами акселерометра считаются:

· Масштабный коэффициент-коэффициентпропорциональности между измеряемым кажущимся ускорением и выходным сигналом (электрическим сигналом, частотой колебаний (для струнного акселерометра) или цифровым кодом);

· Пороговая чувствительность (разрешение) — величина минимального изменения кажущегося ускорения, которое способен определить прибор;

· Смещение нулевой отметки — показания прибора при нулевом кажущемся ускорении;

· Случайное блуждание — среднеквадратичное отклонение от смещения нуля;

· Нелинейность — изменения зависимости между выходным сигналом и кажущимся ускорением при изменении кажущегося ускорения[1].

Виды акселерометров Пьезоэлектрические акселерометры.

Считается многоцелевым вибродатчиком, в настоящее время используемый практически почти во всех областях измерения и анализа механических колебаний. Эксплуатационная характеристика пьезоэлектрических акселерометров в общем лучше характеристики любого другого вибродатчика. Пьезоэлектрические акселерометры различными широкими рабочими частотным и динамическим диапазонами, линейными характеристиками в этих широких диапазонах, прочной конструкцией, надежностью и долговременной стабильностью его характеристик.

Так как пьезоэлектрические акселерометры считаются активными датчиками, генерирующими пропорциональный механическим колебаниям электрический сигнал, при их эксплуатации не нужен источник питания. Отсутствие движущихся элементов конструкции исключает возможность износа и гарантирует исключительную долговечность пьезоэлектрических акселерометров. Отметим, что отдаваемый акселерометром сигнал, пропорциональный ускорению, можно интегрировать с целью измерения и анализа скорости и смещения механических колебаний.

Главным составляющим пьезоэлектрического акселерометра считается диск из пьезоэлектрического материала, в качестве которого очень хорошо используется искусственно поляризованная ферроэлектрическая керамика. Подвергаемый действию силы (при растяжении, сжатии или же сдвиге) пьезоэлектрический материал генерирует на собственных поверхностях, к которым прикреплены электроды, электрический заряд, пропорциональный воздействующей силе.

Конструкция пьезоэлектрических акселерометров.

Пьезоэлемент практических пьезоэлектрических акселерометров сконструирован так, что при возбуждении механическими колебаниями предусмотренная в корпусе акселерометра масса воздействует на него силой, пропорциональной ускорению механических колебаний. Это соответствует закону, согласно которому сила равна произведению массы и ускорения (рис. 1.1).

Рис. 1.1 Конструкция пьезоэлектрических акселерометров На частотах, значительно меньших резонансной частоты совместной системы масса — пружина ускорения массы акселерометра идентично ускорению его основания и, отсюда следует, что отдаваемый акселерометром электрический сигнал пропорционален ускорению воздействующих на него механических колебаний.

Основные варианты конструкции пьезоэлектрических акселерометров:

§ Вариант сжатия, в котором масса воздействует силой сжатия на пьезоэлектрический элемент;

§ Вариант сдвига, характерным для которого является работа пьезоэлемента под действием срезывающего усилия, обусловленного внутренней массой акселерометра.

IEPE-акселерометры.

Пьезоэлектрические акселерометры с интегральными предусилителями, которые выдают в линии питания выходной сигнал в виде модуляции напряжения. IEPE-акселерометры специально предусмотрены для измерения вибраций в небольших структурах (например, малогабаритных). Их высочайшая выходная чувствительность, высочайшее отношение сигнал/шум и широкая полоса пропускания дают возможность применить их и как прибора общего назначения, и для измерения высокочастотных вибраций. Эти дешевые и легкие акселерометры считаются инструментами с довольно хорошими рабочими характеристиками, имеющими наиболее высокую выходную чувствительность, чем стандартные пьезоэлектрические акселерометры. Они герметизированы для защиты от загрязнений окружающей вокруг среды, имеют невысокую восприимчивость к электромагнитному излучению на радиочастотах и невысокое выходное абсолютное сопротивление благодаря наружному источнику постоянного тока. Низко импедансный выход разрешает применить дешевые коаксиальные кабели. IEPE-акселерометры считаются недемпфированными высокочастотными акселерометрами. При измерениях следует принимать меры, чтобы избежать «звона» акселерометра и появлений критерий перегрузки.

Пьезорезистивные акселерометры Датчики деформации пьезорезистивных акселерометров изменяют электрическое сопротивление пропорционально приложенному механическому напряжению. Целый датчик акселерометра хранит в себе встроенные механические ограничители и обладает довольно высокой прочностью при очень высоком соотношении сигнал/шум. Акселерометры этого типа безупречно подходят для измерения перемещения, низкочастотной вибрации и ударного воздействия и предусмотрены для тестирования на столкновение с препятствием, на флаттер, а еще и для биодинамических измерений и аналогичных приложений, требующих небольшой нагрузки массы и широкой частотной характеристики. Их возможно также применить для ударных испытаний легких систем или конструкций.

Имея частотную характеристику, которая распространяется до постоянного тока, т. е. до установившегося ускорения, эти акселерометры безупречно подходят для измерений длительных переходных процессов, а еще и кратковременных ударных воздействий. Во множествах случаях чувствительность как оказалась достаточно высокой и усиления выходного сигнала не требуется (рис. 1.2).

Рис. 1.2 Строение пьезорезистивных акселерометров Пьезорезистивные акселерометры имеют малое демпфирование, в следствии этого, не создают фазового сдвига на низких частотах.

Впрочем им присущи сложности при измерениях на низких частотах, и для преодоления этих дефектов требуется принимать специальные меры.

Акселерометры переменной емкости В акселерометрах переменной емкости уникальный микродатчик переменной емкости создает емкостный прибор с параллельным расположением пластин. В итоге получается датчик с реакцией на входные ускорения постоянного тока, со стабильной характеристикой демпфирования, которая максимизирует частотную характеристику, и с необходимой прочностью, чтобы противостоять очень высоким ударным и ускорительным нагрузкам. Эти low-g акселерометры безупречно подходят для измерения движения и низкочастотных вибраций и предназначены для как мониторинга траектории.

Газовое демпфирование и интегрированные ограничители на выход за пределы диапазона дают возможность микродатчикам акселерометра противостоять ударным и ускорительным нагрузкам, присущим обычно всем highg — приложениям.

Интегральные акселерометры.

Акселерометры представляют собой датчики линейного ускорения и в данном качестве широко применяются для измерения углов наклона тел, сил инерции, ударных нагрузок и вибрации. Они находят обширное применения в транспорте, в медицине, в промышленных системах измерения и управления, в инерциальных системах навигации. Промышленность изготавливает много разновидностей акселерометров, имеющих различные принципы действия, диапазоны измерения ускорений, массу, габариты и цены.

Современные технологии микрообработки дают возможность изготовить интегральные акселерометры, имеющие малые габариты и невысокую цену. В данное время изготавливаются ИМС акселерометров трех типов: пьезопленочные, объемные и поверхностные.

Пленочные пьезоэлектрические акселерометры Пленочные пьезоэлектрические датчики ускорения производятся на основе многослойной пьезоэлектрической полимерной пленки. Многослойная пленка зафиксирована на подложке из окиси алюминия, и к ней присоединена инерционная масса из порошкового металла. При изменении скорости движения датчика в результате действия инерционных сил происходит деформация пленки. Благодаря пьезоэффекту возникает разность потенциалов на границах слоев пленки, зависящая от ускорения. Чувствительный элемент датчика обладает чрезвычайно высочайшим выходным сопротивлением, вследствии этого на подложке датчика ACH-01 компании Atochem Sensors также имеется полевой транзистор с малым током затвора, который представляет собой подобие усилителя напряжения. Это позволяет измерять переменные ускорения со сравнительно низкой частотой. Датчики этого типа имеют плохую повторяемость характеристик в серийном производстве, высокую чувствительность к изменению температуры и давления. Они не могут контролировать постоянные ускорения и гравитационные силы.

Объемные интегральные акселерометры.

Микросхема датчика не имеет схемы обработки сигнала измерительного моста. Варианты датчика выделяются тем, что NAC-203 имеет интегрированные толстопленочные схемы, позволяющие произвести лазерную настройку чувствительности и температурной коррекции в процессе изготовления, а в NAC-201 реализация этих функций предоставляется пользователю. Входное и выходное сопротивления измерительного моста модели NAC-201 равны 2 кОм. Полоса пропускания по уровню 3 дБ составляет 500 Гц. Резонансная частота устройств, смонтированных в полном согласии с рекомендациями изготовителя — не менее 10 кГц.

Интегральные датчики ускорения объемной системной конструкции имеют ряд недостатков. Во-первых, они сложны в производстве, потому что операции формирования довольно больших структур не очень просто сочетаются со стандартными поверхностными интегральными технологиями. Во-вторых, желательно использовать датчик как можно минимально возможных размеров на схемном кристалле также минимально возможных размеров. Уменьшение размеров кристалла дает повышение его механической прочности и снижение стоимости. В то же время в датчике объемной конструкции только на размещение чувствительного элемента потребуется от 6,5 до 16 мм площади кристалла. Размещение на кристалле схем формирования сигнала возможно увеличить эту площадь еще в два раза. Вследствии этого, в частности, один из датчиков ускорения компании Motorola содержит двухкристаллическую конструкцию. На одном кристалле выполнен объемный чувствительный элемент, а на другом — схема обработки сигнала.

Поверхностные интегральные акселерометры.

Целый кристалл акселерометра размером 3,05 3,05 мм занят ключевым образом схемами формирования сигнала, которые находятся вокруг миниатюрного датчика ускорения размером 1Ч1 мм, находящийся в его центре. Датчик представляет собой дифференциальную конденсаторную структуру с воздушным диэлектриком, обкладки которого вырезаны (вытравлены) из плоского кусочка поликремниевой пленки толщиной 2 мкм. Недвижные обкладки данного конденсатора представляют собой обычные консольные стержни, находящихся на высоте 1 мкм от поверхности кристалла в воздухе на поликремниевых столбиках-анкерах, приваренных к кристаллу на молекулярном уровне На рис. 1.3 показан главный конструктивный блок элементарной ячейки датчика. практически датчик содержит 54 элементарных ячейки для измерения ускорения, но для простоты рисунок демонстрирует только одну ячейку. Инерционная масса датчика ускорения при изменении скорости перемещения кристалла смещается относительно остальной части кристалла. Ее пальцеобразные выступы образуют подвижную обкладку конденсатора переменной емкости.

Рис. 1. 3 Основной конструктивный блок элементарной ячейки датчика ускорения С каждого конца данная структура опирается на столбики-анкеры, подобные по конструкции держателям неподвижных обкладок. Растяжки по концам инерционной массы, удерживающие ее на весу, считаются как бы механическими пружинами неизменной упругости, ограничивающими перемещение пробной массы и ее возврат в изначальное положение. Говоря иными словами, сила инерции при воздействии ускорения

F = ma (1.1)

уравновешивается силой упругости пружины

F = kx,(1.2)

Где m — масса, a — ускорение, k — жесткость пружины, x — перемещение массы относительно исходного состояния. Отсюда следует, что a = x (k / m), причем k/m — конструктивный параметр датчика.

Так как перемещение инерционной массы обязано происходить именно в плоскости поли кремниевой пленки, ось чувствительности датчика лежит в данной плоскости, и, значит, она параллельна плоскости печатной платы, к которой припаивается датчик (рис. 1.4).

Рис. 1.4 Использование акселерометра для измерения наклона Любой из наборов неподвижных обкладок конденсатора (Y и Z) электрически объединен параллельно внутри схемного кристалла. В итоге получается пара независимых конденсаторов X-Y и X-Z, подвижная обкладка которых образована всей совокупностью пальцеобразных выступов инерционной массы. Внутри кристалла эти три обкладки подключены к интегрированным схемам формирования сигнала акселерометра. В состоянии покоя (движение с постоянной скоростью) все «пальцы» подвижной обкладки Х благодаря растяжкам находятся на одном и том же расстоянии от пар пальцев неподвижных обкладок. При любом ускорении подвижные пальцы приближаются к одному из наборов неподвижных пальцев и удаляются от другого набора. В итоге, относительного перемещения соответствующие расстояния становятся неодинаковыми, и емкости между подвижной обкладкой и каждой из неподвижных обкладок меняются.

Емкости CS1 и CS2 между неподвижными и подвижной обкладками при полном отсутствии ускорения схожи, вследствии этого на подвижную обкладку передаются сигналы одинаковой амплитуды. Разностный сигнал, передающихся на вход повторителя, равен нулю. При ускорении датчика разностный сигнал не равен нулю, при этом его амплитуда зависит от величины смещения подвижной обкладки, а фаза определяется знаком ускорения.

Фазочувствительный демодулятор конвертирует этот сигнал в низкочастотный (полосой от 0 до 1000 Гц), характеризующий величину и знак ускорения. Это напряжение поступает на предусилитель, с выхода которого сигнал идет на наружный вывод ИМС.

Для того чтобы убавить влияние температуры окружающей среды, кратковременные изменения параметров, уменьшить нелинейность переходной характеристики акселерометра, разработчики разработали отрицательную обратную связь по положению инерционной массы. Для данного напряжение с выхода предусилителя через резистор 3 МОм переходит в подвижные обкладки датчика. Это напряжение дает электростатические силы между подвижной и неподвижной обкладками, которые стремятся установить инерционную массу в начальное состояние. Так как мы имеем в данном случае следящую систему с высокой добротностью, инерционная масса никак не будет отклоняться от собственного исходного положения более чем на 0,01 мкм. В отсутствии ускорения выходное напряжение предусилителя будет равно VO = 1,8 В, при полном ускорении ±50 g VO = 1,8±1,5 В.

В более поздних моделях ИМС акселерометров инженеры компании Analog Devices категорически отказались от обратной связи по положению инерционной массы. С одной стороны, это позволило почти в два раза уменьшить площадь кристалла датчика, увеличить его экономичность, повысило размах выходного напряжения, практически исключить внешние компоненты, уменьшить стоимость, но с другой стороны, увеличилось смещение инерционной массы, что привело к небольшому, но реальному ухудшению линейности.

Акселерометры семейства ADXL также снабжены системой самотестирования. Это вызывает колебания инерционной массы, подобны тем, которые вызываются действием инерционных сил. Выходное напряжение исправного датчика также будет меняться с той же самой частотой.

В моделях без обратной связи по положению лишь только 42 ячейки датчика применяются в схеме измерения ускорения. Другие 12 входят в схему самотестирования. Самотестирование исполняются подачей высокого логического уровня на вывод «SELF-TEST» микросхемы. При этом на подвижную часть датчика воздействует электростатическая сила, соответствующая около 20% ускорения полной шкалы. Выходное напряжение ИМС исправного датчика пропорционально значительно уменьшится. Благодаря этому и проверяется функциональность полной механической структуры и электрической схемы акселерометра.

Именно для того чтобы понизить уровень требования к стабильности источника питания и сделать возможным питание акселерометров напрямую от батарей, их выходное напряжение делают пропорциональным произведению ускорения на напряжение питания. В этом случае его следует включать по логометрической схеме. В данной схеме следует применить АЦП, который будет использовать питающее напряжение в качестве опорного. Стоит заметить, что между выходом акселерометра и входом УВХ АЦП обязан быть буферный усилитель, из-за того что выходной ток акселерометра изменяется в диапазоне ±100 мкА, и при достаточно высокой частоте выборок конденсатор УВХ никак не будет успевать заряжаться до напряжения на выходе акселерометра.

В настоящее время Analog Devices выпускает некоторое количества моделей интегральных акселерометров: одноосные ADXL105, ADXL150, ADXL190 на наибольшее ускорение ±5 g, ±50 g, ±100 g следовательно, и двухосные ADXL202, ADXL210 и ADXL250 на наибольшее ускорение по обеим осям ±2 g, ±10 g и ±50 g соответственно. Датчики производятся в основном в плоских керамических корпусах QC-14 с планарными выводами, при этом оси, по которым измеряется ускорение, направлены параллельно плоскости выводов (параллельно плоскости печатной платы). Вариант ADXL202Е производится в миниатюрном без выводном кристаллоносителе LCC-8 размером 5ґ5ґ2 мм. Для удобства сопряжения с микроконтроллерами выходные сигналы ИМС ADXL202 и ADXL210 представляют собой прямоугольные импульсы постоянной частоты. Информация об ускорении отображается относительной длительностью импульсов g.

Интересное применение акселерометров с малым значением максимального измеряемого ускорения (и, соответственно, высокой чувствительностью) — определение угла наклона относительно горизонта (рис. 1.5).

Рис. 1.5 График зависимости разности емкостей конденсаторов из ячейки датчика ускорения от перемещения подвижной пластины Выходное напряжение акселерометра пропорционально синусу угла наклона оси его чувствительности относительно горизонта. Для того чтобы определить этот угол однозначно, необходимо использовать двухосный акселерометр. Для этой цели почти идеально подходит ADXL202. Зависимости выходных сигналов этого датчика, приведенных к 1 g, от угла его наклона (рис. 1.6).

Рис. 1.6 Блок-схема двухосного акселерометра ADXL202

Рисунок 6 демонстрирует упрощенную блок-схему двухосного акселерометра ADXL202. Его выходными сигналами считаются импульсы, относительная длительность которых пропорциональна ускорению. Подобный тип выхода гарантирует повышенную помехоустойчивость, передачу сигнала лишь по одной линии и прием его любым микроконтроллером, имеющим таймер (необходимость в АЦП отсутствует). Сигнал на выходе каждого канала датчика содержит форму ускорение в единицах g рассчитывается по формуле:

(1.3)

Стоит обратить внимание, на то что относительная длительность = 0,5 соответствует нулевому ускорению. Период импульсов Т2 не надо измерять на каждом импульсе. Его нужно уточнять лишь только при изменении температуры. Так как частота выходных импульсов одинакова для обоих каналов, период Т2 достаточно измерить только на одном канале. Данная величина устанавливается в пределе от 0,5 до 10 мс внешним резистором RSET.

Недоработкой акселерометров с ШИМ — выходом считается необходимость применения весьма быстродействующих микроконтроллеров для получения высочайшей разрешающей возможности при широкой полосе пропускания. [2]

Завершая описание акселерометров компании Analog Devices, приведем несколько интересных цифр, характеризующих конструкцию и уровень технологии производства этих микросхем.

· Масса инерционного грузика -0,1 мкг.

· Емкость каждой части дифференциального конденсатора -0,1 пФ.

· Минимальное обнаруживаемое отклонение емкости -20 aФ (10−18 Ф);

· Изменение емкости, соответствующее ускорению полной шкалы — 0,01 пФ;

· Расстояние между обкладками конденсатора -1,3 мкм.

· Минимальное обнаруживаемое отклонение подвижных обкладок конденсатора -0,2 ангстрема (пятая часть диаметра атома).

Акселерометры семейства XMMA компании Motorola.

Акселерометры рода XMMA компании Motorola состоят из планарной емкостной ячейки датчика ускорения и КМОП — схемы нормализации сигнала, произведенных в отличие от более ранних моделей, на одном кристалле. Чувствительный элемент (G-ячейка) занимает значительно большую площадь части кристалла. Он сформирован из поликристаллического кремния при помощи поверхностной микрообработки и состоящих из двух неподвижных пластин, между которыми размещена пластина, зафиксированная на упругом подвесе и способная передвигаться под действием инерционных сил (рис. 1.7).

Рис. 1.7 Упрощенная конструкция датчика ускорения микросхемы семейства XMMA

Когда центральная пластинка отклоняется от среднего положения из-за выполненного ускорения, расстояние от нее до одной из неподвижных пластинок возрастет на ту же самую величину, на которую расстояние до другой пластины снизится. Изменение расстояний охарактеризует ускорение. Ось чувствительности к ускорению ориентирована перпендикулярно поверхности пластинки кремния (чипа), из-за этого датчики, производимые в DIP-корпусе, измеряют ускорение, направленное нормально к печатной плате. Для того чтобы сделать возможным измерение ускорений, направленных параллельно печатной плате, фирма выпускает эти датчики еще и в корпусах SIP, в которых чип расположен перпендикулярно печатной плате.

Пластинки G-ячейки создают два противоположно включенных конденсатора. При перемещении датчика с ускорением, направленным перпендикулярно плоскости пластинок, подвижная пластинка отклонится по направлению, противоположном ускорению, и произойдет перераспределение расстояний между пластинками. Емкости обоих конденсаторов изменятся в соответствии с формулой

C = S / x, (1) (1.4.)

где S — площадь пластин, e — диэлектрическая постоянная и x — расстояние между пластинами. Как видно, эта зависимость не линейна. На рис. 7 приведен график зависимости разности емкостей этих конденсаторов (С1-С2) от перемещения подвижной пластины.

Схемы определения рассогласования емкостей конденсаторов G-ячейки измеряют изменение напряжения на подвижной пластине (MMAS40G, MMAS250G, MMAS500G) или заряда на ней (XMMA1000, XMMA2000). Напряжение измеряется электрометрическим усилителем, а заряд — усилителем заряда. Судя по техническим описаниям этих микросхем, представленным фирмой-изготовителем, постоянное ускорение они не воспринимают. На рис. 1.8 приведена блок-схема акселерометра XMMAS500G, имеющего диапазон измеряемых ускорений 500 g. Сигнал с выхода электрометрического усилителя поступает на фильтр нижних частот 4-го порядка, а с него — на схему температурной компенсации.

Рис. 1. 8. Блок-схема акселерометра MMAS500G

Точность интегральных акселерометров.

Статическая точность.

Точность преобразования ускорения в электрический сигнал акселерометрами например, как и точность датчиков другого типа, измеряются величинами смещения нуля, погрешностью полной шкалы (или чувствительности), а еще и температурным и временным дрейфом этих параметров. Актуальными элементами погрешности считаются также погрешности линейности (нелинейность) и поперечная чувствительность. Смещение нулевой отметки и чувствительность акселерометров при нормальных условиях корректируются при изготовлении. Остаточная погрешность возможна быть уменьшена путем калибровки и записи калибровочных констант в памяти микроконтроллера. Калибровка акселерометра возможна двумя способами: на вибростенде с образцовым датчиком ускорения и с помощью силы тяжести. (рис1.9)

Рис. 1.9 Графики ускорения и скорости интегрального акселерометра Использование вибростенда имеет следующие преимущества:

· возможность калибровки, в том числе и датчиков, восприимчивых только к переменному ускорению;

· возможность калибровки датчиков с ускорениями, многократно превышающими g;

и недостатки:

· требуется дорогостоящий вибростенд;

· проблема закрепления датчика при калибровке на высоких g.

Преимущества применения силы тяжести для калибровки:

· не требуется дорогостоящее оборудование;

· метод мало чувствителен к погрешности установки датчика;

и недостатки:

o можно применить только для датчиков, восприимчивых к постоянному ускорению;

o нельзя калибровать полную шкалу датчиков, способных преобразовывать большие ускорения.

Температурный дрейф смещения нуля и чувствительности еще возможно скомпенсирован. Для данной цели некоторые модели (например, XMMA1000, ADXL105) снабжаются встроенными датчиками температуры.

Одной из причин нелинейности характеристики преобразования интегральных акселерометров с датчиками емкостного типа является нелинейная зависимость емкости конденсатора от расстояния между обкладками. При использовании усилителя заряда, как это сделано в XMMA1000, потенциал подвижной пластины постоянен и равен половине напряжения питания, которое мы будем считать равным 2V. В этом случае из формулы q = CV с учетом (1) следует, что приращение заряда подвижной обкладки при ее перемещении на расстояние x составит

(2) (1.5)

Как видно, зависимость приращения заряда от изменения расстояния между пластинами не линейна. Если в акселерометре применяется усилитель напряжения (электрометрический), то заряд конденсаторов датчика меняться не будет. Тогда приращение напряжения на подвижной пластине будет линейно зависеть от изменения расстояния между пластинами:

(1.6)

По указанным причинам акселерометр XMMA1000 (усилитель заряда) име ет типичную погрешность линейности 1% от полной шкалы против 0,5% у MMAS40G (усилитель напряжения). Акселерометры семейства ADXL имеют емкостный датчик дифференциального типа, неподвижные пластины которого питаются равными, но противофазными напряжениями возбуждения V1 и V2 с частотой 1 МГц. Поэтому комплексное действующее значение напряжения на средней пластине, согласно методу двух узлов, определяется формулой:

(3) (1.7)

где — круговая частота возбуждения. С учетом того, что V1 = - V2, а

(1.8)

из (3) получим

(4) (1.9)

Таким образом, зависимость напряжения на подвижных пластинах датчика от перемещения получается линейной. Акселерометры семейства ADXL имеют типовую погрешность линейности 0,2%.

В (4) в качестве еще одного источника погрешности указывается гистерезис (то есть неполная восстанавливаемость) при вибрациях и ударах. В фирменном описании микросхем практически никаких сведений о гистерезисе нет, но эксперименты по применению интегральных акселерометров семейства ADXL для определения скоростей и перемещений, показали, что при наличии вибраций большой амплитуды погрешность, обусловленная, по всей видимости, гистерезисом, возможно достигать совершенно недопустимых значений. Этот гистерезис обусловлен тем, что при значительных ускорениях деформация растяжек, играющих роль пружин, возможно неупругой и при снижении ускорения инерционная масса либо медленно возвращается в исходное состояние (вязкая не упругость), либо не возвращается вообще. Из-за упругости стержня это перемещение сопровождается вибрацией довольно высокой амплитуды с частотой приблизительно 300 Гц. График ускорения получен именно непосредственным считыванием сигнала акселерометра 12-разрядным АЦП с частотой выборки 80 кГц. График скорости считается результатом численного интегрирования этих данных методом трапеций. В начале и в конце интервала наблюдения (0−0,9 с) скорость датчика равна нулю.

Поперечная чувствительность Поперечная чувствительность характеризует непосредственно способность датчика преобразовывать в электрический сигнал ускорение, направленное под углом 90° к оси чувствительности датчика (поперечное). У безупречного акселерометра поперечная чувствительность равна нулю. В паспортных данных датчика указывается часть (в процентах) поперечного ускорения, которая проходит на выход.

Шум акселерометров.

Шум, содержащийся в выходном сигнале акселерометра, определяет разрешающую способность устройства, важную при определении незначительных ускорений. Максимальное разрешение в основном определяется уровнем шума измерения, который и включает внешний фоновый шум и шум собственно датчика. Уровень шума непосредственно связан с шириной полосы пропускания датчика. Уменьшение полосы пропускания путем включения ФНЧ на выходе датчика и приводит к снижению уровня шума. Это и улучшает отношение сигнал/шум и увеличивает разрешающую способность, так же вносит амплитудные и фазовые частотные искажения. Некоторые модели акселерометров содержат на кристалле ФНЧ (семейство XMMA -4-го порядка, ADXL190 -2-го). Двухосные датчики ADXL202/210 содержат выводы для подключения двух внешних конденсаторов, образующих с двумя внутренними резисторами по 32 кОм два ФНЧ первого порядка.

Пример: Микросхема ADXL150 содержит типичное значение спектральной плотности шума 1мg/ Гц в полосе 10−1000 Гц. При включении ФНЧ с частотой среза 100 Гц действующее значение шума на выходе фильтра составит 10 мg, а амплитудное, с вероятностью 0,997, — в пределах 30 мg. Так как полная шкала этого датчика составляет 50 g, динамический диапазон равен 20lg (50/0,03) = 64,4 дБ. Это вполне неплохо, но по этому показателю интегральные акселерометры очень сильно уступают пьезоэлектрическим. Например, пьезоэлектрический акселерометр типа 4371 компании Bruel & Kjaer имеет динамический диапазон 140 дБ.

Акселерометр ADXL345.

Акселерометр ADXL345 — это небольшой и маломощный 3-х осевой акселерометр с высоким разрешением (13 бит) и с диапазоном измерения ускорения до ±16 g, диапазон измерений можно выбрать из ряда: ±2 g, ±4 g, ±8 g и ±16 g. Результат измерений возможно прочитать по интерфейсам SPI или I2C в виде 16-ти бит данных.

ADXL345 обладая узкой полосой пропускания (0,05…1600 Гц), идеален для измерения низкочастотных вибраций, статического ускорения, движения и угла отклонения (менее 1.0°).

Полоса пропускания дают способность датчика «замечать» изменения ускорения (движения), происходящие с высокой частотой (например, вибрация с частотой 1000 Гц). На эту характеристику имеет влияния частота дискретизации встроенного АЦП акселерометра, которая, для возможности обнаружения кратковременного воздействия на датчик, обязана быть как минимум в два раза больше охватываемой полосы пропускания. И для ADXL345 максимальная частота дискретизации составляет 3200 Гц.

Описание компонента ADXL345

ADXL345 — это 3-осевой датчик ускорения с возможностью программирования диапазона ускорений из ряда: ±2; ±4; ±8; ±16g.

Кроме того, у ADXL345:

— диапазон рабочих напряжений питания: 2,0…3,6 В;

— ток потребления в рабочем режиме 40…150 мкА, в зависимости от частоты опроса;

— разрешающая способность 10−13 разрядов (при измерении ускорения ±16g);

— рабочий диапазон температур: −40…−85°С;

— интерфейс SPI или I2C;

— корпус LGA размером 3Ч5Ч1 мм.

Также датчик имеет несколько следующих функциональных особенностей.

— Детектирование и индикация событий:

— толчок;

— двойной толчок;

— свободное падение;

— наличие активности (ускорения), с выбором осей;

— отсутствие активности, с выбором осей.

— Два программируемых выхода событий.

— Буфер FIFO глубиной 32 уровня.

— Интерфейс может сигнализировать о событиях: наличие данных, заполнение буфера и переполнение буфера.

Примеры применения.

Мониторинг состояния персонала или пациентов.

В случае размещения акселерометра на теле человека, возможно реализовать датчик падения, происшедшего, например, в результате потери сознания человеком, нападения, если это охранник, или другого несчастного случая.

Пример кривых, отражающих величину ускорения при падении, показан на рис. 1.10. в этом случае падение является не совсем свободным: тело «валится», поэтому характер изменения ускорения по осям различается от случая свободного падения.

Рис. 1.10 Характер изменения ускорений при не совсем свободном падении В процессе падения можно выделить несколько стадий.

1. Начало падения. При свободном падении эта стадия охарактеризуется состоянием невесомости. Величина векторной суммы ускорений по всем трем осям близка к нулю. При падении отличном от свободного величина векторной суммы ускорений по трем осям не близка к нулю, но меньше 1g. Это первый признак падения (зона 1 на рис. 1.10).

2. Столкновение с поверхностью. По окончании падения происходит столкновение с поверхностью, что наблюдается на графике как резкое увеличение ускорения, вплоть до перегрузки датчика. Это второй признак падения (зона 2 на рис. 1.10).

3. Неподвижность. Человек не может подняться после падения немедленно — какое-то время он неподвижен. Это третий признак падения (зона 3 на рис. 1.10).

4. Изменение положения тела после падения. В результате того, что тело человека изменяет положение после падения, вектор ускорения свободного падения меняет направление по отношению к датчику. Это четвертый признак падения (сравните величины проекций ускорений на оси в зонах 3 и 4 на рис. 1.10).

В результате анализа достоинств и недостатков представленных нами выше для проектируемого устройства выбран акселерометр ADXL345.

1.2 Системы связи: GPS, ГЛОНАСС для обнаружения местонахождения, ГЛОНАСС и GPS-мониторинг

Первоначально разработки ГЛОНАСС и GPS-мониторинга были разработаны для военных целей, однако теперь они служат мирных целях. Системы слежения очень широко используются в повседневной жизни, GPS-мониторинг позволяет определить местонахождения объекта, где бы он не находился.

Мониторинг объекта слежения заключается в передаче радиосигнала от трекера к серверному центру и обратно. В качестве связующего звена информационной цепи применяется одна из глобальных сетей (Navstar GPS, ГЛОНАСС). Координатные данные от трекера через установленные промежутки времени передаются на один или несколько спутников, находящихся в зоне приема. Затем информация передается на сервер и обрабатывается аналитическим программным обеспечением. Из общего объема данных мониторинга составляется отчет о точном местонахождении наблюдаемого объекта, направлении движения и показателях его состояния.

В техническом плане главным отличием ГЛОНАСС от GPS является то, что спутники ГЛОНАСС в своем движении по орбите не синхронизированы с вращением Земли. Это обеспечивает им более лучшую стабильность и не требует корректировок в течение всего срока эксплуатации каждого спутника. Но, спутники ГЛОНАСС имеют гораздо более короткий срок службы GPS мониторинг и мониторинг ГЛОНАСС хотя и имеют схожие технические показатели, но и имеют отличия систем заключаются в возможностях диспетчерского ПО, а также в качестве и наборе дополнительных функций.

По своей сути системы ГЛОНАСС и GPS-мониторинга используются для одних и тех же целей предоставляют достоверную информацию о местонахождении и состоянии объекта наблюдения.

Спутниковый мониторинг.

Спутниковый мониторинг — это постоянное централизованное дистанционное наблюдение за текущим местоположением и состоянием объектов наблюдения. Система предназначается для слежения за движением и состоянием частных лиц, а также оперативного реагирования в случае возникновения тревожных случаев.

Основные возможности спутникового мониторинга физических лиц:

* Мониторинг местоположения объекта наблюдения в режиме реальноговремени;

* Отображение местоположения и состояния объекта наблюдения на электронной карте, в виде передачи данных видеонаблюдения, в виде информационныхсообщений;

* Определение состояния объекта наблюдения, на основе показанийдатчиков;

* Отображение сигналов «тревоги» и многоедругое.

Система мониторинга — это аппаратно-программный комплекс, основанный на использовании следующих информационно-телекоммуникационных технологий:

* спутникового позиционирования ГЛОНАСС иGPS;

* сотовой связиGSM;??

* УКВ-связи;??

* интернет;??

* вычислительной техники и микроэлектроники.??

Как работают системы спутникового позиционирования ГЛОНАСС и GPS.

Идея создания спутниковой навигации появилась ещё в 50-е годы. В тот момент, когда СССР был запущен первый искусственный спутник Земли, учёные обнаружили, что частота принимаемого сигнала увеличивается при приближении спутника и уменьшается при его отдалении. Суть данного открытия заключалась в том, что если точно знать свои координаты на Земле, то становится возможным измерить положение и скорость спутника, и наоборот, точно зная положение спутника, можно определить свою скорость и координаты.

Реализована эта идея была через 20 лет. В 1973 году была разработана программа DNSS, позже переименованная в Navstar — GPS и затем в GPS (Global Positioning System). Первый тестовый спутник выведен на орбиту 14 июля 1974 г. США. Крайний из 24 спутников, необходимых для полного покрытия земной поверхности, был выведен на орбиту в 1993 г., после этого стало возможным использовать систему GPS для слежения и точного позиционирования неподвижных, а затем и подвижные объектов в воздухе и на земле. 24 спутника обеспечивают 100% работоспособность системы в абсолютно любой точке Земли, но к сожалению не всегда могут обеспечить уверенный прием и хороший расчет позиции. Для увеличения точности и на случай отключения общее число спутников поддерживается в большем количестве — 30−32 спутника. Информация в C/A коде (стандартной точности) распространяется абсолютно бесплатно. Военное применение (точность выше на порядок) обеспечивается зашифрованным кодом.

ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система (ГЛОНАСС) — российская спутниковая навигационная система. Основой системы считаются 24 спутника, движущихся над поверхностью Земли. Первый спутник ГЛОНАСС был выведен Советским Союзом на орбиту 12 октября 1982 года. 24 сентября 1993 года система была официально принята в эксплуатацию с орбитальной группировкой из 12 спутников. Для точного определения пространственных координат и точного времени принимается и обрабатывается навигационные сигналы не менее чем от 4-х спутников ГЛОНАСС. По состоянию на 01.04.2011 г. в составе орбитальной системы ГЛОНАСС насчитывается 26 космических аппаратов «Глонасс-М», из них 22 используются по целевому назначению и четыре временно выведены на техобслуживание.

Распоряжением Президента Российской Федерации от 18 февраля 1999 г. № 38-рп система ГЛОНАСС определена как система двойного назначения, применяемая не только в интересах обороны и безопасности РФ, но так же и в социально-экономических целях. Благодаря этому, было положено начало «гражданской» ГЛОНАСС. Федеральное космическое агентство (Роскосмос) считается координатором, вместе с другими министерствами и ведомствами выступает в качестве государственного заказчика по Федеральной Целевой Программе «Глобальная навигационная система». Данная программа направлена на дальнейшее эффективное развитие и использование глобальной навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС благодаря внедрению передовых технологий спутниковой навигации в интересах социально-экономического развития страны и обеспечения национальной безопасности, и еще сохранения Россией лидирующих позиций в области спутниковой навигации. В последнее время происходит активная коммерциализация технологий ГЛОНАСС. Заинтересованность руководства РФ в развитии отечественной навигационной системы способствует разработке массового навигационного рынка услуг и оборудования.

Спутники системы ГЛОНАСС, как и GPS, непрерывно излучают навигационные сигналы двух типов: навигационный сигнал стандартной точности (СТ) и навигационный сигнал высокой точности (ВТ). Информация, предоставляемая навигационным сигналом СТ, доступна всем потребителям и позволяет определять:

* горизонтальные координаты с точностью 50−70 м

* вертикальные координаты с точностью 70 м

* составляющие вектора скорости с точностью 15 см/с

* точное время с точностью 0,7 мкс По своим характеристикам построения системы GPS и ГЛОНАСС схожи, но имеют немного разные технологии в основе, что позволяет говорить об отсутствии заимствования. В настоящее время система GPS — это 29 активных спутников, ГЛОНАСС — 22, в сумме 51 спутник. Приемники, использующие данные всех спутников будут точнее наиболее надежнее — в этом и состоит практический результат применения двух систем — ГЛОНАСС и GPS.

Как система ГЛОНАСС/ GPS мониторинга работает.

На объект наблюдения устанавливается специальное навигационное ГЛОНАСС/GPS оборудование (GPS-маячок, GPS — трекер, портативный бортовой терминал, GPS-контроллер). Терминал автоматически определяет точное местоположение, состояния объекта наблюдения состояние подключенных датчиков с помощью приемника спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС или GPS. Далее терминал в автоматическом режиме или по запросу пользователя передает собранную информацию по беспроводным каналам связи. Это возможно как и сотовый канал системы GSM стандарта GPRS/SMS, так и УКВ канал. Весь объем навигационной и технической информации поступает на сервер системы ГЛОНАСС/ GPS слежения, там и обрабатывается и сохраняется в базе данных.

На рабочее место диспетчера устанавливается специальное программное обеспечение, в котором используются электронные векторные многослойные карты местности, с высокой точностью отображающие текущее местоположение и перемещения объекта.

Мониторинг местоположения через систему GPS.

GPS — система глобального позиционирования. GPS представляет из себя набор из 29 спутников, находящихся над Землей. Для гражданского применения система открыта с 1980;ых годов. GPS позволяет с большой точность определять местоположение скорость подвижных объектов.

Именно на определении координат по спутникам основана работа устройств по определению местоположения — трекеров. Принцип заключается в следующем. На каждом из спутнике находятся высокоточные атомные часы. Они постоянно передают радиосигнал со своим идентификационным кодом. Трекеры принимают сигнал от 5 до 12 спутниковых каналов. Трекер сравнивает время излучения сигнала спутником со временем его приема. Именно на основе разности во времени вычисляется расстояние до спутника. А так как номинальное расстояния до конкретных спутников известны, GPS трекер вычисляет свои собственные координаты. Наиболее точные координаты (долготу, широту) трекеры получают, принимая сигнал от трех спутников.

Непосредственно на точность определения местоположения GPS-трекером воздействует расположение видимых спутников, еще и ряд атмосферных и других факторов.

Устройство слежения могут быть персональные (переносные). Такие трекеры применяются для определения местоположения людей, пожилых людей, детей, в крупных компаниях для отслеживания перемещения курьеров. Полезно применение персональных трекеров при отправлении в какие-либо поездки или в отпуск за границу. Так как отслеживание координат объекта ведется везде, где имеется сотовая связь.

2. Разработка системы контроля движения для пациентов

2.1 Носимый браслет

Нами изучались различные носимые устройства для контроля медико-биологических функций организма.

Мы остановили свой выбор на браслете, который еще не имеет практического применения. Перед разработчиками стояла задача — сделать носимое устройство именно медицинской направленности. Такие девайсы нужны пожилым людям, беременным женщинам, инвалидам, спортсменам, военным, спасателям, людям других опасных профессий. Вообще всем тем, кто заботится о своем здоровье (рис. 2.1).

Рис. 2.1 Чертеж браслета

Планировка носимого устройства, состоящего из модулей. Базовая платформа зеленая часть — будет носиться постоянно и фиксировать самые важные показатели. Дополнительные модули будут одеваться рядом, соединяться с базовой частью по принципу конструктора и расширять функционал браслета (рис. 2.2).

Рис. 2.2 Прототип устройства браслета

Размеры браслета малогабаритны. В этом одна из главных сложностей разработки — браслет должен быть компактным. Одним из самых объемных элементов является аккумулятор, поэтому для решения задачи нужно бороться за снижение энергопотребления. Требуется, чтобы браслет мог работать не менее суток (а лучше двое — трое) без необходимости подзарядки.

Архитектура.

Базовыймодуль:

· контроллером

· Съемныйflash-накопитель

· Контрольпитания

· Дисплей

· Базовые интерфейсысвязи

· Базовыйаккумулятор

· Вибромотор (дляуведомлений)

· Пьезодинамик (для уведомлений)

· Температурныйдатчик

· Процессорная плата Используемые датчики.

Температура. Одной из важнейших проблем для температурного датчика является необходимость плотного контакта с кожей. Потребовался данный датчик (рис. 2.3).

Рис. 2.3 Температурный датчик Встроенный в браслет с гибким ремешком с застежкой. Контакт он почти не терял (только при резких движениях), что, в принципе, легко фильтруется. При измерении температуры стоит учесть два соображения. Во-первых, температура — достаточно медленный показатель, из-за этого частые измерения не нужны. В таком случае температура снимается с кожи запястья руки, и поэтому принимать во внимание абсолютные значения не имеет значительного смысла, полезной информацией может оказаться только изменение температуры. Во-вторых, температуру человека на руке измеряется не для клинической диагностики — поэтому конкретное ее значение не столь важно, важна динамика изменения. И, от сюда следует что, обработка строится вокруг этого.

Электродермальная реакция (ЭДР, кожно-гальваническая реакция, сопротивление кожи). Упрощенно, может оценить мгновенный (текущий) уровень стресса. Датчики данного плана применяются в полиграфах (детекторах лжи) (рис. 2.4).

В таком случае будет более лучшим отслеживать возникновение сильных эмоциональных, болевых реакций, уровень стресса и так далее. Базовых применений при: тревожное сообщение оператору при резком появлении боли у пользователя, определение стрессовых состояний организма (например, браслет может подсказать, что пора перестать слушать орущего начальника и пойти прогуляться), в определение опасных состояний (например, при информационной перегрузке при частых переключениях внимания, риске потери внимания, засыпании в опасных ситуациях).

Мониторинг ЭДР считается одним из важнейших для представителей опасных профессий и для профессий, связанных с повышенной ответственностью. Возможно фиксировать состояние сниженной реакции после стресса и ухудшения когнитивных способностей — это важно для летчиков, переночевавших в самолете, охранников и так далее.

Рис. 2.4 Датчик электродермальная реакция (ЭДР, кожно-гальваническая реакция, сопротивление кожи) Электрокардиограмма. Получаем одно отведение ЭКГ, для чего используем емкостные датчики. Обычный медицинский кардиограф позволяет снимать 12 отведений. Это необходимо для получения точной клинической картины. Одного же отведения достаточно для мониторинга общей активности сердца и выявления нетипичных состояний. То есть задача этой группы датчиков — мониторинг ЭКГ в естественных условиях и отправка предупреждений (от проведения дополнительных измерений и до необходимости посещения врача), но никак не самостоятельная диагностика. Для регистрации сигнала требуется два датчика: один на внутренней стороне браслета, а второй на внешней. Нам нужна установка пальца на внешний датчик и удержание контакта около 3−5 минут. Браслет при этом анализирует полученные данные, и при помехах либо продляет процедуру, либо предлагает сделать заново. Аналогично делается мониторинг — браслет раз в полчаса может напоминать про процедуру (рис. 2.5).

Рис. 2.5 Емкостные датчики для снятия одного отведения ЭКГ Экран Цветные OLED или TFT дисплеи потребляют огромное количество энергии. Самым подходящим стал e — ink дисплей, причем из наименее потребляющих питание. Достаточно обновить его состояние и забыть на несколько минут, пока пользователь не запросит новый статус либо не произойдет событие, требующее перерисовки. Работа с экраном была относительно простой, хотя оборотной стороной явилась сложность подготовки графики для этого экрана (2.6).

Рис. 2.6 E-ink дисплей Дополнительные каналы уведомлений — вибрация и звук.

Питание.

Первый модуль расширения (зеленое кольцо браслета) для дополнительного питания и зарядки. Он будет содержать аккумулятор большой емкости, и он же может использоваться для подзарядки основного аккумулятора на базовом модуле, если не хочется снимать браслет.

Зарядка разделается по micro — USB. На базовом модуле будет умный контроллер, который сам и защитит от глубокого разряда, так же он будет контролировать уровень зарядки еще и будет обеспечивать базовую логику зарядки при отсутствии питания на контролирующем контуре, его включение и загрузку (после 2−3 месячного лежания браслета на полке).

При аварийном отключении питания (например, в результате падения браслета с большой высоты и разлетается на части) не сохраняется только последние полсекунды данных.

Передача информации врачу.

Браслет постоянно записывает данные в свою память (на microSD карту) затем передает их на смартфон. Основная логика работы с браслетом реализована именно во внешнем приложении — там и большой экран телефона, планшета или персонального компьютера, и достаточная вычислительная мощность, и соединение с Интернетом. Браслет, приложение и сервера — вот где происходит основная обработка информации.

Связь с телефоном происходит посредством Bluetooth LE 4.0. Передача данных на аналитические сервера происходит поверх мобильных сетей.

Спецификация 4-й версии позволяет отключать модуль между короткими сеансами связи-то есть включать его только на отправку пакета — и снова выключаться; 90% времени модуль будет выключенным. Мы поставили соответствующий чип и проверили работу в этом режиме под высокой нагрузкой — благодаря этому, энергопотребление существенно снизилось.

Есть два режима Bleutoth: для передачи в реальном времени и для передачи накопленного объема информации — переключение происходит черезприложение.

Так же есть еще один способ передать данные тому же врачу это просто передать по USB. Конечно, можно просто вынуть microSD карточку.

Перепрошивка и сервисный обмен производиться через USB-порт от компьютера.

Логика обработки данных.

Сам по себе браслет — это просто набор датчиков, который сохраняет данные во внутренней flash-памяти и одновременно отдает его на внешнее устройство. Так же простая базовая обработка данных. Второй слой обработки — приложение на смартфоне. Но учитывая, что основная сложность в работе с датчиками — обработка сигнала (фильтрация, распознавание сигнала, вычисления точек отхода контактов, определение нормального состояния человека), приложение получается достаточно ресурсоемким. Вся самая сложная интеллектуальная обработка данных ведется на третьем слое — серверах нашего центра обработки данных. Это очень важно, так как мы отдаем через приложение смартфона в ЦОД практически неочищенные сырые данные. От правильности кода и объема накопленных данных зависит точность интерпретации данных браслета. Откуда следует что, новая версия приложения или апдейт механики обработки тут же, с точки зрения пользователей, повышает точность датчиков.

При этом сам браслет обрабатывает тревожные состояния «на борту».

Есть следующиетревоги:

— резкая боль-браслет мгновенно реагирует на этот факт, и при определенном уровне боли генерируеттревогу;

— тревожное изменение пульса (слишком редкий, неравномерный, отсутствует или существенноучащенный);

— пропадание сигнала или выход группы сигналов в совокупности за рамки нормы — тоже тревога.

В случае срабатывания тревоги браслет передает сигнал на смартфон, он же в свою очередь отсылает тревожное сообщения контактам (которые уже записаны на память телефона для данных случаев).

2.2 Акселерометр ADXL345 и GPS модуль u-blox NEO-6M

Наша задача состоит в том, чтобы установить на браслет акселерометр (для обнаружения падения) и GPS-приемник — беспроводной передатчик (для определения местоположения и передачи сигнала тревоги), а также микроконтроллер. Так как выбранный нами браслет состоит из модулей (для расширения функционала), мы решили установить акселерометр, микроконтроллер, GPS-приемник — беспроводной передатчик в отдельный дополнительный модуль (рис. 2.7).

Рис. 2.7 Дополнительные модули

Выбранный нами iMEMS-акселерометр ADXL345 работает следующим образом.

Полупроводниковые интегрированные MEMS-технологии (iMEMS) содержат в себе микромеханические структуры и электрические схемы на одном кремниевом кристалле. Благодаря технологии, iMEMS-акселерометры определяют ускорение по одной, двум или даже трем осям и формируют аналоговый или цифровой выходной сигнал. В зависимости от применения, акселерометр может использоваться в различных диапазонах обнаружения — от нескольких g до десятков g. Версия с цифровым выходом может так же иметь несколько режимов прерывания.

3-осевой акселерометр ADXL345 с цифровым входом, произведенный по технологии iMEMS. Имеет диапазон измерений ±2g, ±4g, ±8g, или ±16g, выбираемый пользователем; разрешение до 13 бит; миниатюрный корпус 3Ч5Ч1 мм; сверхнизкую потребляемую мощность (от 25 до 130 мкА); стандартные последовательные цифровые интерфейсы I²C и SPI, а еще и 32-уровневый буфер FIFO. Различные встроенные функции, так же и определение характера движения и гибкая система прерываний, значительно упрощают выполнение алгоритма определения падения.

Решение задачи обнаружения падения, предлагаемое в данной работе, в полной мере использует эти внутренние функции, сводя к минимуму сложность алгоритма. Для того что бы понять, как работает алгоритм обнаружения падения, рассмотрим систему прерываний акселерометра ADXL345, а также характерные показания акселерометра в различных режимах движения.

Система прерываний.

Система прерываний акселерометра ADXL345 включает в общей сложности восемь функций прерывания: DATA_READY, SINGLE_TAP, DOUBLE_TAP, ACTIVITY, INACTIVITY, FREE_FALL, WATERMARK и OVERRUN. Прерывания имеют возможность передаваться через два программируемых вывода — INT1 и INT2 (см. рис. 2.8). Все функции прерываний возможны быть использованы одновременно — единственным ограничением может быть то, что некоторым функциям, придется делить выводы прерываний между собой. Функции прерывания определяются следующим образом [1, 2]:

Рис. 2.8 Блок-схема и описания контактов акселерометра ADXL345

Рис. 2.9 Прерывания SINGLE TAP и DOUBLE TAP

1.DATA_READY — сигнал прерывания выдается (т.е. на линии прерываний устанавливается напряжение высокого логического уровня), только когда новые данные доступны, и затем сбрасывается, когда никаких новых данных не выдается.

2.SINGLE_TAP — сигнал прерывания выдается, когда наблюдается одно ускорение, превышающее значение, хранящееся в регистре THRESH_TAP акселерометра, в течение времени, меньше указанного в регистре DUR (рис. 2.9).

3.DOUBLE_TAP-сигнал прерывания выдается, когда фиксируются два ускорения, большие, чем значение в регистре

4.THRESH_TAP, и менее продолжительные, чем указано в реестре DUR, при условии, что разница во времени между двумя ускорениями не меньше, чем указано в регистре LATENT, и не больше, чем указано в регистре WINDOW (рис. 2.9).

5.ACTIVITY — сигнал прерывания выдается, когда имеет место ускорение, большее, чем значение, хранящееся в регистре THRESH_ACT.

6.INACTIVITY — сигнал прерывания выдается, когда ускорение, меньшее, чем значение, хранящееся в регистре THRESH_INACT, длится дольше времени, указанного в регистре TIME_INACT. Максимальное значение для TIME_INACT составляет 255 с. Отметим, что прерывания ACTIVITY и INACTIVITY пользователь может настраивать для каждой оси акселерометра в отдельности. Например, прерывание ACTIVITY по оси X может быть активировано, а по осям Y и Z — нет. FREE_FALL — сигнал прерывания выдается, если регистрируется ускорение, меньшее значения, хранящегося в реестре THRESH_FF, в течении более длительного времени, чем задано в регистре TIME_FF. Прерывание FREE_FALL используется главным образом при обнаружении свободного падения. От INACTIVITY прерывание FREE_FALL отличается тем, что при его определении участвуют все оси акселерометра, а временные пороги значительно ниже.

7.WATERMARK — сигнал прерывания выдается, если число образцов в FIFO-памяти заполнено до значения, хранящегося в регистре SAMPLES.

8. OVERRUN — сигнал прерывания выдается, когда новые данные заменяют непрочитанные данные.

Изменения ускорения во время падения

Задача определения падения с помощью акселерометра сводится к тому, чтобы отличить показания акселерометра, соответствующие падению, от показаний при других видах движения. Так как различным видам движения соответствуют разные комбинации показаний акселерометра по разным осям (рис. 2.10). Красным цветом на рис. 2.10 показано ускорение по вертикальной оси (Y). В положении равновесия оно равно -1g. Черный и желтый цвета соответствуют ускорениям по осям X (вперед) и Z (вбок). Они оба составляют 0g в равновесии. Зеленый график является векторной суммой ускорений по трем осям, которая в равновесии равна 1g. Так как движение пожилых людей является сравнительно медленным, изменение ускорений во время ходьбы не будет очень заметным. Наиболее выраженное ускорение — это скачок по Y (и векторной суммы), когда человек садится.

Ускорения во время падения совершенно иные (рис. 2.10).

Сравнивая рис. 2.10 с рис. 2.11, видно что четыре важнейших различия в характеристиках падения, которые могут служить в качестве критериев для его обнаружения. Они отмечены красными рамками.

1. Начало падения. Явление невесомости всегда будет наблюдаться в начале падения. Оно станет еще более значительным при свободном падении, и сумма векторов ускорений будет стремиться к 0g. Продолжительность этого состояния будет зависеть от высоты свободного падения. Даже несмотря на то, что длительность невесомости в ходе обычного падения не столь значительна, как во время свободного падения, сумма векторов ускорений все равно будет значительно меньше 1g (в нормальных условиях это значение, как правило, больше 1g). Этот критерий для определения состояния падения может быть зафиксирован посредством функции прерывания FREE_FALL в ADXL345.

Рис. 2.10. Реакция акселерометра на различные типы движения: а — движение вниз по лестнице, б — движение вверх по лестнице, в-человек садится, г — человек встает

2. Столкновение. После пребывания в состоянии невесомости тело человека ударится об землю или другие объекты. Кривая ускорения показывает это как большой скачок на графике. Этот скачок обнаруживается прерыванием.

Рис. 2.11. Кривые изменения ускорения в процессе падения

ACTIVITY акселерометра ADXL345. Таким образом, вторым критерием для определения падения считается наличие прерывания ACTIVITY сразу после прерывания FREE_FALL.

3. Последствия. Как правило, человек после падения и удара о землю не может встать сразу же, он остается в неподвижном состоянии в течение короткого периода времени (или дольше — это возможный признак бессознательного состояния). На кривой ускорений это состояние выглядит как интервал плоских линий и обнаруживается прерыванием INACTIVITY в ADXL345. Так что третий критерий падения — это прерывание INACTIVITY после прерывания ACTIVITY.

4. Сравнение показаний до и после падения. После падения тело будет ориентировано иначе, чем до него. Из-за этого статическое ускорение по трем осям будет отличаться от первоначального состояния до падения (см. рис. 2.11). Можно считать данные об ускорении по всем трем осям после прерывания INACTIVITY и сравнить эти данные с начальным состоянием. Разность между начальными и конечными значениями ускорения должна превышать определенный порог, например 0,7g.

Сочетание данных критериев и считается основой алгоритма определения падения. Но интервал времени между прерываниями должен находиться в разумных пределах. Как правило, интервал между прерыванием FREE_FALL (невесомость) и прерыванием ACTIVITY (столкновение) не очень велик — если тело не падает с высоты очень высокого здания.

Интервал времени между прерыванием ACTIVITY (столкновение) и прерыванием INACTIVITY (неподвижное состояние) не должен быть очень длинным. Если падение приводит к серьезным последствиям, например как потеря сознания, человек будет оставаться неподвижным в течение более долгого времени. Такое состояние может быть обнаружено прерыванием INACTIVITY, а в этом случае может быть послано второе предупреждение о критической ситуации.

Схема соединения

Выполнить соединения между ADXL345 и микроконтроллером очень просто (рис. 2.12).

Рис. 2.12 Схема соединения ADXL345 и микроконтроллера

Контроллер ADuC7026 имеет 12-битные аналоговые порты ввода-вывода и ядро ARM7TDMI. С установленным в «1» выводом.

ADXL345 работает в режиме передачи данных через интерфейс I2C. Линии передачи данных и синхронизации (SDA и SCL) шины I2C нужно подключить к соответствующим выводам ADuC7026. Порт ввода-вывода общего назначения (GPIO) контроллера ADuC7026 подключить к выводу ALT акселерометра ADXL345 для выбора I2C-адреса ADXL345 на шине. Вывод INT1 ADXL345 подключить ко входу.

Алгоритм обнаружения падения.

Он включает последовательность следующих действий.

1. После инициализации система ждет прерывания FREE_FALL (состояние невесомости). В тестовом примере значение THRESH_FF было задано равным 0,75 g, а TIME_FF — 30 мс.

2. После того, как зафиксировано прерывание FREE_FALL, система ждет прерывания ACTIVITY (столкновение). Значение THRESH_ACT было выбрано равным 2 g.

3. Временной интервал между прерыванием FREE_FALL (невесомость) и прерыванием ACTIVITY (воздействие) устанавливается в 200 мс. Если время между этими двумя прерываниями превышает 200 мс, система возвращается на этап 1.

4. После фиксации прерывания ACTIVITY система начинает ждать прерывания INACTIVITY (неподвижность после удара). THRESH_INACT установлен равным 0,1875?g, а TIME_INACT — равным 2? с.

5. Прерывание INACTIVITY должно быть выдано в течение 3,5?с после прерывания ACTIVITY (столкновение). В противном случае результат является недействительным.

6. Если разница ускорений между исходным и конечным состоянием превышает порог в 0,7 g, падение считается обнаруженным, и система посылает сигнал тревоги.

7. После обнаружения падения прерывание ACTIVITY и прерывание INACTIVITY должны быть под постоянным контролем, чтобы определить, существует ли длительное обездвиженное состояние после падения. Значение THRESH_ACT для этого случая установлено равным 0,5?g, THRESH_INACT — 0,1875 g, а TIME_INACT — 10? с. Иными словами, если тело остается неподвижным в течение 10? с, будет выработано прерывание INACTIVITY и система пошлет дополнительный сигнал тревоги. После того, как тело начнет движение, система сгенерирует прерывание ACTIVITY и завершит всю последовательность действий.

8. Алгоритм может обнаружить также свободное падение человека с большой высоты. Сигнал о свободном падении будет выставлен, если прерывание FREE_FALL постоянно установлено в течение 300 мс, что соответствует высоте падения

(2.1)

Рассматриваемый алгоритм реализован на языке C и может быть выполнен на микроконтроллере ADuC7026 (рис. 2.13).

С помощью данного предлагаемого решения на основе ADXL345 падение может быть обнаружено с достаточно высокой точностью.

Рис. 2.13 Схема работы алгоритма

Связываем акселерометр ADXL345 и микроконтроллер.

Акселерометр ADXL345 представляет собой 3-осевой датчик ускорения с возможностью связи как по интерфейсу SPI, так и по I2C. Он хорошо подходит для несложных приложений инерциальной навигации.

Данный код позволяет наладить взаимодействие между ADXL345 и микроконтроллером по шине I2C. С его помощью можно инициализировать, настраивать акселерометр, записывая в него данные по определенному адресу, и считывать данные с самого акселерометра.

#define ADXL_SDA PIN_C4

#define ADXL_SCL PIN_C3

#define ADXL_CS PIN_C0

#use i2c (master, sda=ADXL_SDA, scl=ADXL_SCL)

void init_adxl345 ()

{

output_float (ADXL_SCL);

output_float (ADXL_SDA);

output_high (ADXL_CS);

}

BOOLEAN adxl345_ready ()

{

int1 ack;

i2c_start (); // Если команда записи распознана,

ack = i2c_write (0x3a); // значит устройство готово.

i2c_stop ();

return! ack;

}

void write_adxl345 (BYTE address, BYTE data)

{

while (! adxl345_ready ());

i2c_start ();

i2c_write (0x3a);

i2c_write (address);

i2c_write (data);

i2c_stop ();

}

BYTE read_adxl345 (BYTE address)

{

BYTE data;

while (! adxl345_ready ());

i2c_start ();

i2c_write (0x3a);

i2c_write (address);

i2c_start ();

i2c_write (0x3b);

data=i2c_read (0);

i2c_stop ();

return (data);

}

int16 read_adxl345_axis (BYTE address)

lsb);

[11]

Так же в дополнительный модуль устанавливаем GPS-модуль.

GPS модуль U-blox NEO-6M (рис. 2.14)

В модулях U-blox NEO-6M кроме самого модуля имеется flash-память для хранения настроек, конвертер логических уровней и стабилизатор питания 3.3 В. В некоторых модулях конвертера могут быть не предусмотрены, но память везде быть обязана.

Рис. 2.14 U-bloxNEO-6M

Для настройки конфигурации потребуется:

1) Переходник USB-COM, например на микросхеме FT232RL;

2) ПрограммаU-Center;

3) Конфигурационный файл с настройкой для APM.

Производится подключение переходника COM и модуля NEO-6M в соответствии с: VCC-VCC, GND-GND, RX-TX, TX-RX (рис. 2.15).

Подключается разъем USB переходника в ПК, устанавливается по необходимости драйвер, в диспетчере устройств смотрим, какой назначается порт для переходника. Устанавливается программа U-Center на ПК, запускаем.

Рис. 2.15 Подключение модуля GPS к FT232RL

Рис. 2.16 Нажимается кнопка с «волшебной палочкой» для установки автоматической скорости порта

Рис. 2.17 Выбираем порт, который появился при подключении переходника

После подключения в нижней части окна появится зеленый значок, это значит что модуль успешно подключился.

Нажимаем меню «Tools», «GPS Configuration» (GNSS Configuration в свежих версиях программы) (рис. 2.18).

Рис. 2.18. Меню «Tools»

Выбирается конфигурационный файл «3DR-Ublox.txt» и в окне диалога нажимается «Open». Ставим галку «Store configuration into BBR/Flash» (рис. 2.19).

Рис. 2.19. Нажимаем кнопку «File >> GPS»

Появится окно с предупреждением о несоответствии версий конфигураций, где надо нажать «Yes» (если слева в колонке версия не отображается, то необходимо сбросить настройки модуля на стандартные. Для этого нажимаем меню «Receiver — Action — Revert Config», после чего загружаются настройки снова) (рис. 2.20).

Рис. 2.20 меню «Receiver — Action — Revert Config»

Далее начнется процесс загрузки конфигурации в модуль, о чем будет свидетельствовать движение индикатора прогресса. Если окно исчезло, значит все загрузилось, иначе отобразятся ошибки.

Чтобы успокоиться и посмотреть данные спутников, необходимо нажать кнопку «Debug» (рис. 2.21).

Рис. 2.21 Кнопка «Debug»

Модуль должен заново получить данные от спутников, чему могут мешать естественные и искусственные объекты и т. д. Проходит 5−10 минут и данные начинают появляться.

За моргание светодиода отвечает пункт TP (Timepulse), в выпадающем списке справа ставим «+1 risisng edge» и нажимаем внизу Send, чтобы настройка прописалась. Светодиод вновь светит при 2D/3D Fix.

На данном этапе настройка модуля завершена и далее можно переходить к подключению.

Также возможно использование других способов настройки, используя плату APM в качестве связующего звена между ПК и модулем GPS.

Прошивка через APМ.

Открывается среда Ардуино, в свойствах выбирается плата и порт.

Открывается пример: Файл-> Примеры-> Communication->MultiSerialMega.

Нажимается кнопа «Загрузить». APM теперь просто транслятор сигналов на скорости 9600.

В U-Centre, загружаете конфиг, выдается ошибка, игнорируется. Открывается среда Ардуино, в свойствах выбирается плата и порт. Открывается пример: Файл -> Примеры -> Communication -> MultiSerialMega.

Редактируетсядвестрочки:

Serial.begin (38 400);

Serial1.begin (38 400);

Нажимается кнопка «Загрузить». APM теперь просто транслятор сигналов на скорости 38 400.

В U-Centre, меняется скорость на 38 400, загружается конфиг.

После настройки конфигурации и прошивки через АРМ (уже установленной в микросхеме браслета) устанавливаем GPS модуль в дополнительный модуль браслета (рис. 2.22).

Рис. 2.22 АРМ

3. Безопасность данных пользователя

Для передачи информации врачу используется microSD карта, USB-порт, Bluetooth LE 4.0. Также возможна передача данных через Интернет.

Способ передать данные врачу — это просто передать по USB.

Браслет постоянно пишет данные в свою память (на microSD карту) и передает их на смартфон, microSD карточку можно просто вынуть.

Основная логика работы с браслетом реализована именно во внешнем приложении, так как там большой экран телефона, планшета или персонального компьютера, и достаточная вычислительная мощность, и соединение с Интернетом. Браслет, приложение и сервера там и происходит основная обработкаинформации.

Связь с телефоном происходит посредством Bluetooth LE 4.0. Передача данных на аналитические сервера происходит поверх мобильных сетей.

Есть два режима Bleutoth: для передачи в реальном времени и для передачи накопленного объема информации — контроль за режимами происходит через приложение.

В вышеизложенных способах передачи данных информация находится в безопасности от ее изъятии без ведома пользователя.

Безопасность информации находится под угрозой если ее передавать по Интернету.

Для передачи и защиты ценной информации в Интернете обычно используются протоколы безопасной передачи данных, а именно SSL, IP v. 6.

Протокол SSL (Secure Socket Layer) был разработан компанией Netscape Communications как протокол, который обеспечивает защиту данных между сервисными протоколами (HTTP, NNTP, FTP и др.) и транспортными протоколами (TCP/IP) с помощью криптографии в соединениях «точка-точка».

Протокол SSL предназначен для решения рядовых задач обеспечения защиты информационного взаимодействия, которые в среде клиент-сервер интерпретируются в следующем виде:

— пользователь и сервер должны быть абсолютно уверены, что они обмениваются информацией не с подставными лицами, а именно с теми, которые нужны, не ограничиваясь паролевой защитой;

— впоследствии установления соединения между сервером и клиентом весь информационный поток между ними обязан быть защищен от несанкционированного доступа;

— при обмене информацией обе стороны обязаны быть уверены в отсутствии случайных или предумышленных искажений при ее передаче.

Протокол SSL предоставляет серверу и клиенту перед началом информационного взаимодействия аутентифицировать друг друга, согласовать алгоритм шифрования и сформировать общие криптографические ключи.

Если оба пользователя хотят быть полностью уверенными, что информацию, которой они обмениваются между собой, не получит третий, то каждый из них, должен передать одну из компонента ключевой пары (а именно открытый ключ) другому и хранить другую компоненту (секретный ключ). Сообщения шифруются с использованием открытого, расшифровываются только с помощью секретного ключа. PKI подразумевает использование цифровых сертификатов и развернутой сети центров сертификации, обеспечивающих выдачу и сопровождение цифровых сертификатов для обоих участников электронного обмена документами. По своим функциям цифровые сертификаты аналогичны обычной печати, которой удостоверяют подпись на бумажных документах.

Цифровые сертификаты — это определенная последовательность битов, основанных на криптографии с открытым ключом. Они представляют собой совокупность персональных данных владельца и открытого ключа его электронной подписи, связанных в единое неизменяемое целое электронной подписью центра сертификации. Цифровой сертификат записывается в виде файла или области памяти и может быть записан на дискету, смарт-карточку и любой другой носитель данных.

Цифровые сертификаты содержат в себе открытые криптографические ключи абонентов, заверенные электронной цифровой подписью центра сертификации и обеспечивают конкретную аутентификацию всех участников обмена. Центры сертификации обеспечивают надежное распространение и сопровождение ключевой информации.

Принципы защиты информации.

Образующиеся трудности с защитой передачи информации при работе в интернет сетях, можно разделить на основные четыре типа:

· перехват информации — целостность информации сберегается, но ее конфиденциальность нарушена;

· модификация информации — исходное сообщение изменяется либо полностью подменяется другим и отсылается адресату;

· подмена авторства информации;

· перехват сообщения с его изъятием.

Данная проблема может иметь серьезные последствия.

Например, кто-то может отослать письмо от вашего имени или Web-сервер может подменится электронным магазином, принимать заказы, номера кредитных карт, и не высылать товаров.

В соответствии с выше перечисленными трудностями при обсуждении вопросов о безопасности под самим термином «безопасность» подразумевается совокупность трех различных характеристик обеспечивающей абсолютно полную безопасность системы.

1. Аутентификация — процесс распознавания пользователя системы и предоставления ему определенных прав и полномочий. Всегда, когда заходит речь о степени, а так же качестве аутентификации, под этим следует подразумевать степень защищенности системы от посягательств сторонних лиц на этиполномочия.

2. Целостность — состояние данных, при котором они сохраняют свое информационное содержание и однозначность интерпретации в условиях различных воздействий. И в случае передачи данных под целостностью понимается идентичность отправленного, а так же принятого

3. Секретность — предотвращение несанкционированного доступа к информации. В случае передачи данных под данным термином обычно понимают предотвращение перехвата информации.

Криптография.

Для обеспечения секретности применяется шифрование, или криптография, позволяющая трансформировать данные в зашифрованную форму, из которой извлечь исходную информацию можно только при наличии определенного ключа.

В основе шифрования лежат два основных понятия: алгоритм и ключ. Алгоритм — это способ закодировать исходный текст, благодаря чему и получается зашифрованное сообщение. Зашифрованное сообщение может быть интерпретировано только с помощью определенного ключа.

И чтобы зашифровать сообщение, достаточно алгоритма. Однако использование ключа при шифровании предоставляет два серьезных преимущества. Во-первых, можно использовать один алгоритм с несколькими ключами для отправки посланий разным адресатам. Во-вторых, если секретность ключа будет нарушена, его можно легко поменять, не меняя при этом алгоритм шифрования. Таким образом, безопасность систем шифрования зависит от секретности используемого ключа, а не от секретности алгоритма шифрования. Многие алгоритмы шифрования являютсяобщедоступными.

Количество возможных ключей для данного алгоритма зависит от числа бит в ключе.

Например: 8-битный ключ допускает 256 (28) комбинаций ключей. Чем возможно больше комбинаций ключей, тем труднее подобрать ключ, тем улучшится надежность зашифровано послание. Например, если использовать 128-битный ключ, то будет необходимо перебрать 2¹²⁸10⁴⁰ ключей, что в настоящее время не под силу даже самым мощным компьютерам. Необходимо отметить, что возрастающая производительность техники приводит к уменьшению времени, требующегося для вскрытия ключей, и системам обеспечения безопасности необходимо использовать все более длинные ключи, что, в свою очередь, ведет к увеличению затрат на шифрование.

Так как очень важное место в системах шифрования уделяется именно секретности ключа, то основной проблемой подобных систем считается генерация и передача ключа. Есть две основные схемы шифрования: симметричное шифрование (его так же называют традиционным или шифрованием с секретным ключом) и шифрование с открытым ключом (иногда этот тип шифрования называют асимметричным).

При симметричном шифровании отправитель и получатель владеют одним и тем же ключом (секретным), с помощью него они могут зашифровывать и расшифровывать данные. При симметричном шифровании используются ключи небольшой длины, из-за этого возможно быстро шифровать большие объемы данных. Симметричное шифрование используется, например, некоторыми банками в сетях банкоматов. Но симметричное шифрование обладает несколькими недостатками. Во-первых, довольно сложно найти безопасный механизм, с помощью которого отправитель и получатель смогут тайно от других выбрать ключ. НО тут же возникает проблема безопасного распространения секретных ключей. Во-вторых, для каждого адресата необходимо хранить отдельный секретный ключ. В третьих, в схеме симметричного шифрования никак невозможно гарантировать личность отправителя, поскольку два пользователя владеют одним ключом.

В схеме шифрования с открытым ключом для шифрования послания используются два различных ключа. С помощью одного из них послание зашифровывается, а с помощью второго — расшифровывается. И таким образом, требуемой безопасности добиваемся, сделав первый ключ общедоступным (открытым), а второй ключ хранить только у получателя (закрытый, личный ключ). И в таком случае любой пользователь может зашифровать послание с помощью открытого ключа, но расшифровать послание способен только обладатель личного ключа. Но при этом нет необходимости заботиться о безопасности передачи открытого ключа, а вот для того чтобы пользователи могли обмениваться секретными сообщениями, вполне хватает наличия у них открытых ключей друг друга.

Недостатком асимметричного шифрования является необходимость применения более длинных, чем при симметричном шифровании, ключей для обеспечения эквивалентного уровня безопасности, что действует на вычислительных ресурсах, требуемых для организации процесса шифрования.

Электронная цифровая подпись.

Но даже если сообщения, безопасность которого мы хотим обеспечить, должным образом зашифровано, все равно так же остается возможность модификации исходного сообщения или замену этого же сообщения другим. Одним из путей решения этой проблемы считается передача пользователем получателю краткого представления передаваемого сообщения. Аналогичное краткое представление называют контрольной суммой или дайджестом сообщения.

Контрольные суммы используются при разработке резюме фиксированной длины для представления длинных сообщений. Алгоритмы расчета контрольных сумм разработаны таким образом, чтобы они были по способности уникальны для каждого сообщения. Именно таким образом, устраняется возможность подмены исходного сообщения другим с сохранением того же самого значения контрольной суммы.

Впрочем, и при применении контрольных сумм возникают сложности при передачи их получателю. Одним из возможных путей ее решения считается включение контрольной суммы в электронную подпись.

При помощи электронной подписи получатель имеет возможность убедиться в том, что полученное им сообщение послано не посторонним лицом, а имеющим определенные права отправителем. Электронные цифровые подписи формируются шифрованием контрольной суммы и дополнительной информации с внедрением личного ключа отправителя. И именно благодаря этому, кто угодно может расшифровать подпись, используя открытый ключ, но корректно создать подпись имеет возможность только владелец личного ключа. Для защиты от перехвата и повторного использования подпись включает в себя уникальное число — порядковый номер.

С 2012 года функционирует собственный Государственный удостоверяющий центр, в нем граждане и организации имеют полное право получить свои закрытые ключи и программные пакеты для формирования своей цифровой подписи для ведения электронных юридических операций с ее использованием. Но, однако, стоит заметить, что данная система еще очень сырая и вполне позволяет злоумышленникам легко использоваться чужую электронную подпись для совершения подложных сделок. Это происходит по следующим причинам: выдача файлов электронных подписей совершается «вручную», то есть оператор, выдающий подпись всегда может иметь ее копию на своем USB-носителе, пароль выдается на всех один — 123 456. При любой попытке смены пароля файл электронной подписи записанный на стираемом носителе, полностью повреждается, и, если владелец подписи не сделал предварительно копию, то он полностью лишается возможности подписывать документы до получения новой подписи из НУЦ, ЦОН или у программистов районного налогового комитета.

Уже на сегодняшний день, известно множество фиктивных сделок с недвижимостью и иным имуществом, и еще также незаконным получением документов с помощью чужой электронной подписи. Единственно разумным действием, предохраняющим человека от лишения его собственности, считается безусловный отказ от получения ЭЦП, а если таковая уже получена, то подача заявления о ее утере.

Аутентификаци.

Аутентификация считается одним из самых важных компонентов организации защиты информации в сети. Прежде чем пользователю будет предоставлено право получить тот или иной ресурс, необходимо убедиться, что он действительно тот, за кого себя выдает.

При получении запроса на внедрения ресурса от имени какого-либо пользователя сервер, предоставляющий этот ресурс, передает управление серверу аутентификации. И после получения положительного ответа сервера аутентификации пользователю предоставляется данный ресурс.

При аутентификации применяется, как правило, принцип, получивший такое название как «что он знает», — и пользователь знает некоторое секретное слово, которое он в свою очередь посылает серверу для аутентификации в ответ на его запрос. Одной из схем аутентификации считается использование стандартных паролей. Данная схема считается наиболее уязвимой с точки зрения безопасности — пароль возможно перехватить и использовать. В основном используются схемы с применением одноразовых паролей. И даже будучи перехваченным, этот пароль будет бесполезен при следующей регистрации, а вот получить следующий пароль из предыдущего считается крайне трудной задачей. Для генерации одноразовых паролей используются как программные, так же и аппаратные генераторы, представляющие собой устройства, используемые в слоте компьютера. Знание секретного слова необходимы пользователю для приведения этого устройства в действие. Одной из наиболее простых систем, не требующих дополнительных затрат на оборудование, но в это же время обеспечивающих хороший уровень защиты, является S/Key, на примере которой можно использовать порядок представления одноразовых паролей.

В процессе аутентификации с использованием S/Key участвуют две стороны — клиент и сервер. Для регистрации в системе, использующей схему аутентификации S/Key, сервер присылает на клиентскую машину приглашение, содержащее зерно, передаваемое по сети в открытом виде, текущее значение счетчика итераций и запрос на ввод одноразового пароля, который обязан соответствовать текущему значению счетчика итерации. И получив ответ, сервер проверяет его и передает управление серверу требуемого пользователем сервиса.

Защита сетей.

В нынешнее время корпоративные сети все чаще включаются в Интернет или используют его в качестве своей основы. Беря во внимание то, какой урон может доставить незаконное вторжение в корпоративную сеть, стоит выработать методы защиты. Для защиты корпоративных информационных сетей применяются брандмауэры. Брандмауэр — это система или комбинация систем, вполне позволяющие разделить сеть на две или более частей и реализовать свод правил, определяющих условия прохождения пакетов из одной части в другую. Как правило, такая граница проводится между локальной сетью предприятия и Интернетом, хотя ее и можно провести внутри. Но однако защищать отдельные компьютеры совершено невыгодно, из-за этого обычно защищают всю сеть целиком.

Брандмауэр пропускает через себя весь трафик полностью и для каждого проходящего пакета принимается решение — пропускать его или отбросить. И для того чтобы брандмауэр мог принимать эти решения, для него ориентируется набор правил.

Брандмауэр вполне может быть реализован как и аппаратными средствами (то есть как отдельное физическое устройство), так и в виде специальной программы, запущенной на компьютере.

Как правило, в операционную систему, под управлением которой работает брандмауэр, вносятся конфигурации, задача которых — повышение защиты самого брандмауэра. Такие изменения затрагивают как ядро ОС, так и соответствующие файлы конфигурации. На самом брандмауэре не позволяется иметь разделов пользователей, а следовательно, и потенциальных дыр — только раздел администратора. Но некоторые брандмауэры работают только в однопользовательском режиме, а многие имеют систему проверки целостности программных кодов.

Брандмауэр как правило состоит из нескольких возможных компонентов, включая фильтры или экраны, которые и блокируют передачу части трафика. Все брандмауэры можно разделить на два типа:

— пакетные фильтры, которые осуществляют фильтрацию IP-пакетов средствами фильтрующих маршрутизаторов;

— серверы прикладного уровня, которые и блокируют доступ к определенным сервисам в сети. Именно таким образом, брандмауэр может определить как набор компонентов или систему, которая располагается между двумя сетями и обладает следующими свойствами:

— весь трафик из внутренней сети во внешнюю и из внешней сети во внутреннюю должен пройти через эту систему;

— только трафик, определенный локальной стратегией защиты, может пройти через эту систему;

В таком случае система надежно защищена от проникновения.

Заключение

Крайне важно отследить потерю стабильности человека и вовремя прийти к нему на помощь, так как всего лишь даже несколько минут решить судьбу человека. Для многих людей данное устройство будет являться чем-то сродни спасательного круга, ведь для них очень важно понимание того, что в браслете, находящейся всегда с ними, сосредоточена связь с людьми, готовыми в любой момент прийти на помощь.

Подобного рода устройства уже существуют, но преимущества нашего браслета состоит в том что:

1. Планировка носимого устройства, состоит из модулей, что в свою очередь позволяет расширять функционал браслета.

2. В любой момент нужную информацию о состоянии пользователя возможно передать врачу. Будь то непосредственно в кабинете у самого врача (через USB, Bleutoth, microSD карточка) или же на удаленном расстоянии (через интернет).

3. Определять местоположения и сообщать об этом близким родственникам в случае тревожных ситуаций.

4. Браслет может генерировать тревожные сообщения, может напоминать про лекарства, может снимать разные показания и мониторить их, может сообщать об изменениях здоровья и помогать его поддерживать.

Но его нельзя относить к устройством для клинической диагностики.

1. Гудинаф Ф. Емкостный датчик ускорения, выполненный на основе сочетания объемной и поверхностной микроструктур // Электроника. 2002. № 11−12. С. 86−87.

2. Гудинаф Ф. Интегральный датчик // Электроника, 2001. — № 16. — С. 7−14.

3. Конин В.В.В. П. Харченко Система спутниковой радионавигации, 2001. С 34−36

4. Серридж М., Лихт Т. Р. Справочник по пьезоэлектрическим акселерометрам и предусилителям. — М.: «Брюль и Къер», 2006. — 325 с.

5. Цзя.Н. «Обнаружение падения человека с помощью акселерометра». — Журнал"ЭЛЕКТРОНИКА". Наука, технология, элементарная база.

6. Гудинаф Ф. Интегральный акселерометр // Электроника. 2002. № 7−8. С. 54−57.

7. Doscher J. Акселерометр приложений. Analog Devices. 2004

8. ADXL345: 3-Axis, ±2 g/±4 g/±8 g/±16 g Digital Accelerometer. Акселерометры [Электронныйресурс] www.analog.com.

9. Ning Jia. 3-осные Акселерометры. [Электронный ресурс] - www.analog.com/library/ analogdialogue/archives/43−07/fall_detector.pdf

10. ADUC7026: Microcontroller. Микроконтроллеры, 12-Bit Analog I/O, ARM7TDMI® MCU. [Электронный ресурс] - www.analog.com/en/analog-microcontrollers/ ADuC7026/products/product.html.

11. Код для наладки взаимодействие между ADXL345 и микроконтроллером [Электронный ресурс] www.digitrode.ru/

12. 3-осевые микромеханические акселерометр ADXL345 с микропотреблением и так же с детектором событий [Электронный ресурс] www.russianelectronics.ru/leader-r/review/2193/doc/49 907/