Amplificando o Sinal Emitido pela Cinta de Monitoramento

Capitação do Sinal Transmitido pela Cinta de Monitoramento Cardíaco

Como mencionado anteriormente, na versão 1.0 do Gym4Us, utilizo uma bobina para detectar o campo magnético oscilante que é criado pelo transmissor da cinta de monitoramento quando de uma batida do coração. A bobina deve estar o mais próxima possível do transmissor da cinta. Da forma como fiz, optei por construir a bobina em volta do próprio transmissor da cinta e para manter os fios presos, usei uma fita adesiva. Use um fio esmaltado e dê vinte ou trinta voltas ao redor da parte onde fica o transmissor da cinta. Lembre-se que as duas extremidades do fio deverão ser ligadas a um par de fio encapado e flexível.

Para saber se está funcionando, é necessário usar a cinta como se faria normalmente. Já tendo vestido a cinta, use um oscilóscopio para monitorar o sinal. Ajuste o nível do oscilóscopio para 100mV e o tempo para algo entre 0.1ms a 1ms. Como abaixo:

Com a cinta que estou usando, obtenho um sinal de até 500mVpp. A frequência da sequência de pulsos é de aproximadamente 5.4KHz e sua duração é de aproximadamente 5ms a 7ms. Veja:

Fiz testes com uma bobina externa a cinta, ou seja, que havia sido enrolada em um eixo externo, mas que ficava próxima ao transmissor, e notei que a intensidade do sinal era de no máximo 30mV. Ainda assim, isso é suficiente para excitar o amplificador que descrevo a seguir.

Amplificando o Sinal Emitido pela Cinta de Monitoramento

Mesmo enrolando a bobina diretamente ao redor do transmissor da cinta, ainda assim o sinal detectado será muito fraco para qualquer aplicação direta. Seja, para acender um led, ou ser processado por um microcontrolador, ou mesmo, dependendo de seu multímetro, até para ser visualizado sem a ajuda de um oscilóscopio. O sinal deve ser amplificado para que tenha utilidade.

Para amplificar o sinal, utilizei um simples amplificador operacional de baixa voltagem, o LM358, usando um único estágio. A tensão enduzida na bobina- cerca de 30mVpp a 500mVpp - é amplificada para 5V - mesma tensão de alimentação do PIC. Provavelmente deve ter como fazer a amplificação utilizando uns poucos transistores, talvez até um único transistor.

No entanto, foi esse circuito abaixo que usei no Gym4Us 1.0. Se precisar regular o amplificador para um sinal inferior a 50mVpp, diminua o valor de R3. Lembro que a bobina L1 não tem um valor especifico e pode-se desconsiderar o valor dela descrito no circuito. Eu mesmo enrolei umas vinte ou trinta voltas de fio esmaltado ao redor do transmissor da cinta e isto bastou.

Este circuito tem a característica de transformar a onda senoidal de entrada para uma onda quadrada em sua saída. O sinal de entrada cuja intensidade varia entre 30mVpp a 500mVpp é amplificado para uma amplitude de 4000V~5000mVpp quando em nível alto. Para se ter uma ideia de como amplificador atua sobre o sinal, veja as figuras abaixo.

Depois deste processo de amplificação e adequação do formato de onda, o sinal está pronto para ser levado ao microcontrolador.

Circuito: O Hardware do Gym4Us 1.0

O hardware do Gym4Us 1.0 é bastante simples e carece de otimizações. Não o simplifiquei por questões de tempo e dinheiro - queria economizar ambos. A versão que estou apresentando é a primeira que fiz e até o momento em que escrevo este artigo, é também a única. Sendo assim, enquanto montava o circuito, também tinha em mente minimizar problemas e por isso modularizei todo o circuito de modo que pudesse testar cada módulo individualmente. Se algum módulo apresentasse problemas, poderia substituí-lo. A idéia era isolar qualquer problema que ocorrece de modo a não impactar em todo o circuito. Esta ideia de simplificar e modulalizar tudo, se aplica desde o design do circuito, até a montagem.

Como verão, o circuito pode ser tremendamente melhorada e isso para praticamente todos os aspectos, incluindo: gestão de consumo de energia, tamanho total do circuito, conexões externas, design de caixa para acondionamento do circuito, preço dos componentes, re-design dos módulos etc. Já tenho vários planos para as próximas versões e isso inclui:

• Uso de um módulo Bluetooth comercial
  No circuito que montei acabei utilizando um módulo Bluetooth de um GPS Bluetooth velho
• Uso do módulo receptor Polar RMCM01
  Infelizmente, como não consegui montar um receptor adequado, fui obrigado a enrolar uma próximo do transmissor da cinta. Pelo fato do RMCM01 ser pequeno e relativamente barato, creio ser preferível usá-lo do que tentar criar um receptor equivalente. O maior problema que tive para construir um receptor para as cintas de 5KHz é que, onde moro, aqui em Brasília-DF, não há amplificadores operacionais com as características necessárias para a amplificação e filtragem do sinal.
• Substituição do PIC16F628A
  Eu acabei por usar o PIC16F628A, pois tenho uma centena destes sem uso aqui em meu laboratório. No entanto, é desejável substituí-lo por algum outro microcontrolador de baixo consumo e de poucos requisitos para o circuito de apoio. Talvez algum PIC18 ou mais provavelmente, algum ARM7. Quando já estava testando a firmware para o PIC16F628A, me dei conta que ele necessitava de 5V para que funcionasse adequadamente com um clock de 20MHz. Da forma como idealizei o circuito, para que a amostragem do sinal ocorra, é necessário um clock de 20MHz para este PIC em particular. Dessa forma, acabei, sem me dar conta, o requisito de alimentação para o circuito, já que teria que suprir 5V para o PIC.
• Usar algum gerenciador de carga de bateria e alimentação
  Estou utilizando a bateria e o circuito gereciador do GPS Bluetooth que desmontei. O ideal é usar alguma solução que seja aplicável a qualquer um que for montar o circuito.
• Eliminar o circuito de Step-Up e regulagem para 5V
  Como expliquei antes, por causa do PIC16F628A estar funcionando a 20MHz, é necessário alimentá-lo com 5V. Quando ele for substituído por algum microcontrolador de 3,3V, ou inferior, creio que ficará mais fácil e econômica a alimentação do circuito. Ainda assim, pode ser que seja necessário manter o circuito de Step-Up ou algum equivalente, e ainda manter alguma regulagem de voltagem para o microcontrolador, mas provavelmente isto será mais fácil do que fazendo da forma como está atualmente. De qualquer forma, mesmo que continuasse necessário produzir os 5V, isto poderia ser realizado com algum IC comercial e de preferência que fizesse o Step-Up e a regulagem tudo num único circuito. Há vários ICs com esse propósito que podem ser utilizados. Na solução que eu fiz para o Gym4Us 1.0, acabei por criar três circuitos que juntos forma o step-up e a regulagem que provê os 5V. Obviamente isto pode e deve ser simplificado!
• Adicionar suporte a cartão de memória
  A ideia é gravar o percurso usando um GPS e juntamente gravar o monitoramento do coração. Tenho visto que o NST não é tão estável quanto gostaria e por isso é interessante manter o tracklog e o HRM gravado por hardware para recuperação em caso de pane do NST.
• ECG
  Criar um hardware para realizar o ECG e enviar esses dados no mesmo pacote do NST. Outras aplicações poderão mostrar diretamente o ECG, sua forma de onda, batimento por minuto e até prever arritimias, bem como, outras anormalidades. Isto também substituirá, com precisão, a cinta de monitoramento cardíaco de 5KHz.
• Sensor de temperatura
• Sensor de umidade
• Sensor de nível de CO2
• Conta giros para a bike
• Sensor de cadência para a bike
• Display
  Dependendo do uso que se destinatar, um display pode ser interessante. Hoje há muitos displays gráficos de celulares que são baratos e eficientes.
• Utilização de energia solar para carga de bateria
• Transmissão dos dados também por outros meios, como:
  • RS-232
  • Infravermelho
  • Ultra-som
  • Zigbee
  • Wifi

Uma das vantagens no frame de dados que é enviado ao NST, é que, ao que observei, ele é redimensionável. Dessa forma é possível aumentar seu tamanho e enviar outros dados que somente aqueles usados pelo NST.

O circuito do Gym4Us 1.0 é composto dos seguintes módulos:

• Circuito de Recepção e Amplificação de Sinal emitido pela cinta transmissora;
• Módulo de Microcontrole para amostragem de sinal, detecção de sinal, cálculo de batimento do coração e empacotamento dos dados no formato do Nokia Sports Tracker para transmissão via Bluetooth;
• Módulo Bluetooth para transmissão dos dados para o celular;
• Módulo de Energia
  Com base numa bateria recarregável, um gerenciador de recarga e circuito para step-up e regulagem, temos a energia necessária para o módulo bluetooth, o microcontrolador e o módulo de recepção do sinal emitido pela cinta transmissora. No circuito que fiz, acabei por criar um módulo de step-up e regulagem para 5V. Dessa forma, o módulo de energia final, ficou dividido em:
  • Partes obtidas do GPS Bluetooth que utilizei
    • Bateria recarregável de íons de lítio;
    • Módulo de gerenciamento e recarga da bateria de íons de lítio;
    • Módulo de alimentação para o módulo Bluetooth (3,3V);
  • Circuitos que criei para a alimentação do Gym4Us 1.0 - composto de um step-up e regulador de voltagem
    • Módulo oscilador
      Baseado num 555 gera um sinal quadrado para o circuito de step-up
    • Módulo de chaveamento, indução de sobre-voltagem e retificação
      Baseado num transistor de potência BD139, um indutor de 3.3mH para elevação de voltagem, diodo schottky para retificação e acumuladores. Um transistor de uso geral e um diodo comum também funcionariam. O valor do inductor não é crítico e indutores entre 20uH a 30mH podem ser usados, desde que a frequência do oscilador seja ajustada. Utilize um multímetro para ajustar o oscilador de modo a obter a maior tensão possível e assim, o melhor rendimento.
      Junto com o módulo oscilador, compõe o circuito de step-up.
    • Módulo regulador de voltagem
      Baseado num 7805

Gym4Us 1.0 - O Que Você Precisa Para Fazê-lo

Se quer já começar a correr atrás dos componentes necessários para o projeto, segue uma lista parcial:

• Osciloscópio
  Pode ser qualquer.
  Eu mesmo uso um equipamento de baixo custo que funciona via USB. Trata-se do DSO-2150 USB que me custou USD$ 150,00 no eBay.
• Multímetro
  Novamente pode ser qualquer aparelho - até mesmo aqueles de R$ 15,00 que se encontra nos camelôs.
• Cinta transmissora de monitoramento cardíaco compatível com o padrão de 5KHz ou 5.4KHz
  Eu uso a Polar T31 non-coded
• Opcional: Relógio ou equipamento receptor para a cinta transmissora de modo que você possa conferir a recepção e transmissão
  Estou sem relógio para a cinta Polar T31. Inicialmente tinha a cinta e o relógio do Polar RS300X, mas foi vendido e não tenho mais.
  O que sobrou foi um sistema de monitoramento Timex com o relógio e a cinta, mas a cinta é incompatível com o Gym4Us, pois transmite seus dados num sistema RF digital que é totalmente diferente do que foi utilizado no projeto do Gym4Us 1.0. Dessa forma, só utilzei o Timex para conferir se o batimento cardíaco que calculei estava correto (e está!). Obviamente usei as duas cintas simultâneamente para poder conferir o resultado. Mas se você já tiver o relógio para sua cinta, com certeza será melhor até mesmo para o uso prático/diário, pois poderá olhar no relógio quando precisar, sem ter que ficar dependendo unicamente do celular para conferir seus batimentos.
• Módulo Bluetooth para Perfil de Porta Serial com UART
  Eu desativei o módulo GPS de um GPS Bluetooth e estou usando somente o módulo Bluetooth dele para transmitir os dados
• Opcional: Dongle USB Bluetooth
  Se seu desktop ou notebook já tiver suporte a Bluetooth, não é necessário. Qualquer adaptador serve. De qualquer forma, é opcional se você não for depurar pelo PC. Se você for comprar um adaptador Bluetooth, compre algum que tenha o gerenciado da BlueSoleil ou Widcomm/Broadcomm, pois o gerenciador do Windows é quase inútil!
  No meu caso foi extremamente útil no desenvolvimento do Gym4Us, desde a fase de testes, até a fase de descoberta do protocolo aceito pelo Nokia Sports Tracker.
• Microcontrolador PIC16F628A
  Futuramente irei usar outro microcontrolador. Provavelmente um ARM7 da família LPC2000 da NXP que consome pouca energia, é barato e pequeno.
• Programador para o PIC16F628A
  Eu tenho um ICD2 da Labtools. Você pode até mesmo fazer o seu, há vários projetos na Internet que ensinam a montar programadores para PIC. No Mercado Livre também pode-se encontrar soluções prontas de baixo custo.

Reaproveitando Componentes de Sucata para o Projeto Gym4Us

Durante toda a pesquisa e desenvolvimento do que me levou ao Gym4Us, tive em mente minha atual falta de grana e por isso evitei ao máximo adquirir qualquer componente eletrônico. Me limitei aos que já possuo em meu laboratório - que também é meu escritório e quarto de visitas. Tenho 99.9% de coisas entulhadas em meu laboratório que nunca utilizo e dessa vez quis dar uso a algumas delas.

Do Monitor CRT: Fios Esmaltados

Como exemplo, cito o monitor CRT que não funcionava mais e que já estava sem uso há mais de um ano e que o desmontei para retirar os fios esmaltados que necessitava. Preferi retirar os fios do monitor, do que de transformadores velhos que tenho de montes - dá muito trabalho retirar estes fios de transformadores velhos e corre-se sempre o risco de machucar-se com as placas de ferro de seu núcleo e carcaça; eu sempre acabo por me cortar quando tento retirá-las.

Do MODEM: Indutores

Além do monitor e dos transformadores, também ao longo de duas décadas, acumulei uma série de outros aparelhos que já não funcionam mais, mas que acabo guardando para que justamente possa reaproveitar seus componentes e assim, mesmo a custa de tempo, tentar economizar algum dinheiro.

Tinha alguns MODEMs e switches velhos e vi que eles tinham indutores que poderiam ser úteis posteriormente no projeto.

Do Rádio AM/FM: Bobina com Núcleo de Ferrite para Ondas Curtas

Do rádio velho que não funcionava, tirei a bobina com núcleo de ferrite. Ela poderia ser útil no caso de eu desenvolver uma bobina para a captação a distância (uns 30cm a 1m) do campo magnético oscilatório gerado pelo transmissor da cinta de monitoramento cardíaco.

GPS Bluetooth: Energia e Módulo Bluetooth

Há alguns anos atrás, por meados de 2006/2007, ao notar que naquela época havia um nicho - que já não há mais - de mercado, comecei a vender GPSs Bluetooth. Naquela época a qualidade dos equipamentos era outra, bem como as marcas que comercializava e o preço era coisa importante em tempos de dólar alto e tecnologia nova. Dessa forma, naquela época, optei por equipamentos que fossem mais baratos para que pudesse vendê-los - diferentemente de hoje que a marca dos equipamentos que vendo são de qualidade e os produtos também o são e apesar do preço ser superior, a qualidade também o é e não tenho problema. Como resultado da tecnologia ser nova e o equipamento ser de baixo custo, acabei por receber um ou outro equipamento com defeito. Ao longo do tempo, conforme ia identificado os equipamentos defeituosos, após providenciar outro equipamento ao cliente ou a devolução do valor pago, os separava de modo a devolvé-los ao fabricante numa futura oportunidade. A questão é que devolver equipamentos que não são fabricados no Brasil para o fabricante no exterior, é coisa complicada, cara e burocrática. Dessa forma, tive que assumir o prejuízo e ficar com as unidades defeituosas. Não as joguei fora, simplesmente anotei o problema e as deixei separadas para que pudesse usá-los como sucata. Devo ter uma dúzia de GPS Bluetooth com problemas.

A cinta de monitoramento utilizada pelo Nokia Sports Tracker transmite seus dados via Bluetooth e logo de início imaginei que o protocolo utilizado era o SPP (SPP - Serial Port Profile). Para ter certeza, fiz alguns testes utilizando um adaptador Bluetooth plugado ao meu computador e realizei o pareamento com o Nokia Sports Tracker. O NST buscava justamente pelo serviço de porta serial. Após eu indicar ao NST que ele deveria se conectar ao computador, ele o fazia conectando-se ao serviço de SPP que havia habilitado no computador. O gerenciador WidComm me indicava a conexão e o NST ficava aguardando dados do dispositivo Bluetooth, no caso, o computador. Dessa forma, tive certeza que realmente era necessário um módulo Bluetooth com o perfil de porta serial.

Como sabia que iria precisar de um módulo bluetooth para poder transmitir a informação do batimento cardíaco ao celular, logo após desconsiderar o gasto de dinheiro com aquisição de um módulo bluetooth no exterior, acabei por me lembrar deste monte de GPS Bluetooth com problema. Para quem não sabe, os GPS Bluetooth utilizam o perfil de porta serial. O próprio protocolo NMEA 0183 foi criado pensando-se numa comunicação serial e geralmente os GPS Bluetooth trabalham com o protocolo NMEA 0183. Dessa forma, tem-se um módulo Bluetooth com suporte ao perfil de porta serial em cada um dos GPS Bluetooth. Pensei que a chance conseguir reaproveitar algum módulo bluetooth dos GPS Bluetooth seria pequena, mas mesmo assim, devia tentar.

Como justamente iria usar um GPS Bluetooth com problemas, tinha que ter certeza que o problema não estaria na parte bluetooth, ou do contrário, não me teria utilidade. Comecei escolhendo algum GPS Bluetooth que eu tivesse certeza que o bluetooth funcionava. Para tanto, liguei o GPS Bluetooth e realizei o pareamento do GPS Bluetooth com o computador e capturei as sentenças NMEA utilizando um programa de comunicação serial. Se você não tem experiência com dispositivos seriais com os GPS Bluetooth, saiba que qualquer programa de comunicação serial serve. Incluindo: Hyperterminal, Putty, screen, gtkterm e outros. Então usando o programa de comunicação serial, vi que as sentenças estavam sendo recebidas corretamente. O problema do GPS Bluetooth parecia estar no próprio módulo GPS que nunca conseguia estabelecer sua posição, mesmo quando em condições de recepção excelentes. Ótimo! Consegui um módulo Bluetooth.

Identificado um aparelho que tivesse o módulo Bluetooth funcionando, após abri-lo, podia-se ver claramente o que era o módulo GPS e o que era o módulo Bluetooth. O próximo trabalho seria identificar qual o pino onde se encontra a saída UART (TX - saída da porta serial) do módulo GPS. O conceito é simples: o GPS envia os dados de suas sentenças utilizando-se de uma saída serial; esta saída serial deve estar ligada a uma porta serial de entrada (RX - recepção) da UART do módulo Bluetooth. Assim, o GPS transmite os dados das sentenças para o módulo Bluetooth e o módulo Bluetooth as recebe. Então bastava-se encontrar o pino de saída do GPS ou o pino de recepção do módulo Bluetooth. Para isso, sabia previamente de algumas características do sinal que deveria identificar, sendo:

• A comunicação típica de qualquer GPS é 4800 bauds, nenhuma paridade, um bit de parada e sem controle de fluxo.
  As vezes o baudrate é outro, mas isto é incomum. Tenho visto módulos GPS com baud rates de 4800, 9600 e 38400.
• O nível do sinal da UART seria LVTTL. No caso, poderia estar entre 1,8V a 3,6V quando em nível alto e abaixo de 0,6V quando em nível baixo;
• As sentenças NMEA são enviadas todas de uma vez e após serem enviadas, há uma pequena pausa na transmissão do GPS, ou seja, após uma atividade, há um pequno período onde não há atividade alguma na UART do GPS. Este padrão se repete a cada segundo.
• Por fim, tendo sorte, haveria um pino do lado do módulo GPS que teria um pino com os mesmos sinais do lado do módulo Bluetooth, ou seja, um pino com a TX do GPS e do lado do Bluetooth, haveria uma RX.

Com o GPS Bluetooth ligado e transmitindo para o bluetooth do computador (se não estiver transmitindo, geralmente o GPS é desligado para economizar energia e seria impossível identificar atividade), após inspecionar, com ajuda de um multímetro (não cheguei a usar o oscilóscopio até aqui) vários pinos do lado do GPS e do lado Bluetooth, encontrei um padrão de sinal que parecia ser o característico de uma UART transmitindo dados típicos de GPS (sentenças NMEA). Para ter certeza, aí então, usei o oscilóscopio para "ver" se realmente o sinal estava dentro do que seria uma UART. Pelo oscilóscopio, mesmo sem fazer uma análise dos dados à nível digital, vi que realmente era uma UART e que a transmissão estava se dando no que parecia ser 4800 bauds.

Identificado os pinos de transmissão do GPS e recepção do Bluetooth, o próximo passo foi desativar o pino de transmissão do GPS. Isto deu um pouquinho de trabalho pois se trata de componentes muito pequenos e com alta densidade de integração. Tentei simplesmente queimar com o ferro de solda o pino TX do módulo GPS, mas ainda assim, mesmo sem o pino RX do Bluetooth apresentar atividade aparente, todas as vezes que ligava o GPS Bluetooth, era transmitido alguns dados contendo a identificação da firmware do módulo GPS e após isso, nada mais era transmitido - naturalmente via isso com o programação de comunicação serial no computador. Então, presumi que talvez houvesse alguma outra saída que ainda estivesse se comunicando com o módulo Bluetooth, derrepente alguma saída de depuração ou mesmo algum outro tipo de saída, como: SPI ou I2C. Num ato de loucura, resolvi ir queimando pino-a-pino do módulo GPS até que nada fosse apresentado no programa de comunicação serial que usava no computador ao ligar o GPS Bluetooth. Após queimar alguns pinos, como eram muitos, já estava um tanto entediado com aquilo. Então, resolvi mesmo foi tentar remover na base da força bruta o módulo GPS do circuito. Peguei um alicate e tentei remover o módulo GPS, sem sucesso - estava muito bem preso ao resto do circuito. Insanamente, com o próprio alicate, comecei a "raspar" aquele monte de capacitores e resistores SMD em miniatura que haviam no módulo GPS (e somente no módulo GPS). Após isso, vi que ao ligar o GPS Bluetooth, nada mais era transmitido ao computador, apesar do Bluetooth ainda estar funcionando. Restava então saber, se seria capaz de transmitir dados para o módulo Bluetooth usando daquele pino de recepção que havia identificado previamente.

A continuar.... (estou escrevendo)

Detectando o Batimento do Coração

Na busca de uma solução, tive antes que entender o funcionamento de uma série de coisas, inclusive como funcionam as cintas de monitoramento cardíaco, seus sistemas de captação, amplificação, filtragem, detecção, codificação e transmissão. Além disso, também estudei um pouco sobre o ECG e as diferentes maneiras de se perceber o batimento do coração. Não sou médico, nem engenheiro, nem cientista; sou um mero programador que gosta de xeretar, portanto, de antemão, peço desculpas pelas tolices que falei e falarei até o fim deste artigo e de futuros artigos correlatos. A seguir, irei expor o que entendi e como isso me direcionou ao longo da pesquisa e desenvolvimento da solução final. Somente ao fim de todos os artigos irei compilar e acrescentar as informações necessárias para se compor o projeto em si, de forma simples, direta e técnica do ponto de vista do hardware e software; antes disso, haverá muito blah-blah-blahh de minha parte.

Cintas de Monitoramento Cardíaco

O funcionamento das cintas de monitoramento cardíaco, pode ser descrito nos passos abaixo:

1. As cintas de monitoramento cardíaco captam a diferença de potencial (voltagem) que ocorre no momento da contração/relaxamento das células cardíacas como um todo.
2. Posteriormente o sinal captado é amplificado e filtrado. Este processo pode-se repetir várias vezes, até que o sinal possa ser utilizado no próximo estágio do circuito.
3. O sinal amplificado pode ser aplicado num microcontrolador ou mesmo enviado para algum circuito analógico de detecção de pico, por exemplo.
4. Dependendo da cinta de monitoramento, a informação sobre o batimento cardíaco poderá ser transmitida para algum monitor (relógio, computador, smartphone ou algum outro equipamento) utilizando-se uma das abordagens abaixo:
   • A cada batimento do coração um sinal é transmitido pela cinta de monitoramento para o equipamento receptor que fará a outra parte do monitoramento. Atualmente, vi que esta abordagem é a mais comum, ou seja, o coração bate, a cinta percebe isso e para notificar o equipamento receptor, envia um sinal que é interpretado, como: "o coração bateu".
   • Outra abordagem é a cinta transmissora perceber e acumular dois ou mais batimentos do coração, de modo que ela calcule a taxa de batimento do coração e já transmita essa informação para o receptor, como: "o coração está batendo a uma taxa de X batidas por minuto". Nesse caso, pode-se postergar o envio dessa informação de modo a enviá-la de tempos-em-tempos (caso do sistema Timex que envia de dois-em-dois segundos a taxa de batimento por minuto).

As vezes a cinta irá realizar a transmissão por algum processo que evite ou minimize a interferência com outros equipamentos, incluindo outras cintas de mesmo modelo. Há várias formas disso poder ser realizado e não irei listá-las aqui.

Sistemas de Transmissão

A cinta pode transmitir a informação do batimento cardíaco para o equipamento monitor utilizando-se diferentes meios físicos e lógicos, sendo que particularmente dois sistemas é de nosso interesse:

RF - radiofrequência, ou seja, ondas eletromagnéticas

Há diversas frequências que podem ser utilizadas e algumas vezes o sinal poderá ser ou não modulado, depende do modelo da cinta. Quando estiver modulado, algumas vezes a transmissão poderá ser digital. Sendo alguns deles:

1. Modulação FM para envio de dados digitais (não sei a faixa de frequência)
   Caso do Timex
2. Bluetooth (2.4GHz)
   Usado pela cinta Polar for Nokia, BioHarness da Zephyr, Spurty Chest Strap e FRWD B, por exemplo.
3. ANT+ (2.4GHz)
   Usado pela Garmin e Timex, dentre outras.
4. Demais sistemas de transmissão de alta-frequência
   Caso dos Garmin, alguns da Polar e outros muitas vezes utilizando a faixa de 2.4GHz, mas usando protocolos proprietários de cada fabricante e modelo de equipamento.

Vale ressaltar que a lista acima não tende a esgotar os sistemas RF em uso por monitores cardíacos, mas somente exemplificar o que é na verdade uma gigante variedade possível. E além da frequência de 2.4GHz, que é bastante utilizada por ser uma faixa para uso livre internacionalmente, outras faixas de frequências também são utilizadas.

O sistema de recepção para cintas que transmitam via rádiofrequência, são os convencionais para RF, mas variando desde simples receptores FM a sofisticados mecanismos de divisão de frequência. Ressaltando que posteriormente ao receptor RF, se encontra etapas decodificadoras características de cada solução.

Modulação de campo magnético

Este meio de transmissão cria um campo magnético e o modula de modo a transmitir a informação da cinta para o equipamento monitor. Com certeza, é a forma mais popular e ainda em uso existente, apesar de estar sendo substituída pela transmissão em RF, principalmente dados os atuais avanços dos últimos anos em relação a transmissão de dados via RF utilizando-se pouca energia.

Os equipamentos que utilizam a modulação de campo magnético, geralmente o fazem numa frequência de 5KHz ou 5,4KHz. A sequência de pulsos é breve e ocorre a cada batida do coração - para cada batida do coração, uma sequência de pulsos é enviada. A frequência da sequência de pulsos é de 5KHz e terá duração de 7ms a 13ms, mas isso poderá variar conforme o equipamento. Os equipamentos de ginástica de acadêmia que dão suporte ao uso da cinta de monitoramento cardíaco, geralmente exigem que a cinta utilize este esquema de transmissão, incluindo a frequência de 5KHz. Procurei saber se existe alguma norma ou especificação que padronize isto para os diferentes equipamentos de ginástica e cintas, mas não pesquisei o suficiente para concluir se há ou não normas sobre isto. o certo é que as cintas comerciais que utilizam este esquema de transmissão são compatíveis com esses equipamentos.

No caso das cintas da Polar com transmissores do tipo coded (codificado), estes, além de enviar um pulso a cada batida do coração, também, nos milissegundos posteriores, enviam duas outras sequências de pulsos. A ideia dos transmissores Polar coded é que a diferença de tempo entre a emissão das três sequências de pulsos para cada batida de coração deve ser variável em relação a diferentes transmissores, ou seja, cada transmissor coded enviará suas três sequências em tempos diferentes um do outro. Dessa forma, poderá um equipamento receptor de monitoramento poderá reconhecer que um dado conjunto de sinais é de uma determinada cinta e descartar os que não forem. Para isso, é necessário que inicialmente se utilize a cinta de monitoramento com o equipamento receptor de modo a estar longe de outras cintas transmissores, dessa forma o equipamento monitor poderá calcular a diferença de tempos entre as três sequências de pulsos do equipamento que se está utilizando e memorizar estes tempos para que posteriormente, quando se utilizar a cinta em ambiente onde haja outras cintas transmitindo, se possa identificar quais sequências de pulsos devem ser consideradas e quais não pelo equipamento receptor (relógio de monitoramento).

A vantagem deste sistema de campo magnético modulado, é que, na prática, ele não sofre interferência considerável dos sistemas de RF. Além disso, qualquer material não-metálico é praticamente transparente para o campo magnético e isto inclui o corpo humano e a água.

Eu fiquei de certa forma surpreso quando descobri que havia este sistema de transmissão. Note que se a transmissão fosse realizada via RF, o comprimento da onda de rádio seria de 60Km!!! Para quem conhece de eletrônica ou mesmo física básica, tem noção que isso é totalmente fora da faixa de rádio frequência comumente utilizado. Além disso, no caso de RF, quanto maior a onda, maior a energia necessária para criá-la. Também no caso de uma onda de comprimento de 60Km, a antena transmissora, por mais engenhosa que fosse, seria um tanto grande - eu creio. A bateria dessas cintas de monitoramento, duram entre meses a alguns anos, ou seja, essas cintas consomem pouca energia. Logo, quando se diz que a transmissão dessas cintas é realizada a 5KHz, se percebe que a transmissão não é via RF, mas nesse caso, via um simples campo magnético - no caso, que se faz oscilar a 5KHz, ou seja, se "liga" e "desliga" um campo magnético eletricamente formado.

Detectando o Campo Magnético Oscilante

É possível observar o sinal que a cinta de monitoramento emite para o aparelho receptor. Para tanto, será necessário o uso de uma cinta transmissora que realize a transmissão a 5KHz. Se for usar uma cinta Polar, opte por alguma que seja do tipo uncoded, ou seja, o tipo mais simples que tem. Caso utilize uma cinta Polar do tipo coded, deve-se levar em conta que esta transmite três sequências de pulsos ao invés de somente uma única sequência por batida do coração.

Para meus testes, inicialmente eu utilizei a cinta Polar coded que acompanha o RS300X e posteriormente, a vendemos e acabei conseguindo comprar uma Polar T31 uncoded usada, mas em bom estado e por um bom preço - custou R$ 78,00 no ML, já com o frete - e ainda veio com um conta giros do Polar S150 para a bike. Aqui em Brasília, numa feira que é conhecida como "Feira do Paraguay", mas que rebatizada - hipocritamente - para "Feira dos Importados", pode-se comprar a cinta transmissora Polar T31 non-coded por preços que variam entre R$ 85 a R$ 130. Mas como mencionei antes, qualquer cinta compatível de 5KHz, serve.

Para se perceber um campo magnético oscilante, pode-se utilizar uma simples bobina feita com fios. O campo magnético oscilante irá induzir uma pequena corrente elétrica na bobina. Para se ter ideia, dez voltas de fio comum encapado ou esmaltado enrolados numa caneta, já é suficiente para se detectar o campo magnético que é produzido pelas cintas de monitoramento cardíaco que utilizam este meio de transmissão. Faça o teste, enrole dez ou vinte voltas de fio encapado numa caneta ou lapis, ligue as duas extremidades do fio a um osciloscópio ou multímetro e aproxime ao máximo a bobina da cinta de monitoramento cardíaco. Lembre-se que a cinta só irá sinalizar o batimento do coração, ou seja, gerar o campo magnético oscilante a 5KHz durante um período de 5ms a 13ms, se você estiver usando essa cinta no peito, como normalmente faria. Na dúvida, utilize seu aparelho monitor (relógio usado com a cinta) para te indicar se a cinta está realmente transmitindo. Quando a cinta transmitir, você verá no osciloscópio um padrão senoidal de ondas com as características já mencionadas. No multímetro, verá uma pequena variação de tensão para cada batida do coração. Nota: se estiver usando uma cinta como as da Polar do tipo coded, poderá ver três sequências de pulsos no osciloscópio, ao invés de uma única por batida. As cintas codificadas da Polar irão atrapalhar a visualização do funcionamento do conceito de indução aqui descrito se usar um multímetro ao invés do osciloscópio - preferencialmente, use algum osciloscópio.

Se acaso não estiver detectando nada no osciloscópio, mesmo tendo certeza que a cinta está transmitindo, tente reposicionar a bobina ao longo do transmissor. Deixe a bobina o mais próximo possível do transmissor. Se mesmo assim não detectar nada, enrole o fio esmaltado ao redor do próprio transmissor da cinta e utilize uma fita adesiva para manter o fio devidamente enrolado - 20 a 30 espiras são suficientes. Comigo, de ambas as formas funcionaram, mas no fim, para não ter problema com a recepção quando estivesse usando a cinta e também para não aumentar o volume da cinta, preferi enrolar o fio diretamente em torno do transmissor da cinta.

Se for experiente com eletrônica analógica, amplificadores operacionais e filtros, com certeza ficará feliz em saber que poderá montar um receptor para sua cinta de monitoramento utilizando ampop ou preferencialmente, amplificadores de instrumentação ou mesmo tentando utilizar alguns JFET com amplificadores operacionais.

Também há vários projetos para recepção do sinal emitido pelas cinta de monitoramento que podem ser encontrados na web, veja alguns:

• The MAXQ Microcontroller in Action: Designing a Bicycle Computer with the MAXQ2000
• HRM Receiver
• Intelligent Heart Rate Monitor
• Heart Rate Recorder

Polar Heart Rate Module - RMCM01

De todos os circuitos de recepção, com certeza, o mais fácil de se fazer, é utilizando o módulo RMCM01 da própria Polar. Este módulo receptor é um SOC - ele contém tudo o que é necessário para se captar o sinal transmitido por uma cinta de monitoramento cardíaco da Polar que transmita em 5KHz. O único componente externo que é requerido, é um cristal de 32KHz. Este módulo funciona tanto com as cintas coded como com as non-coded.

Quero muito testar este chip, mas não tive oportunidade (dinheiro) para fazê-lo. Este tipo de componente eletrônico não se encontra no Brasil e deve ser importado. Se acaso houver alguém que queira gentilmente ceder uma ou duas amostras deste chip, ficarei feliz de testá-lo e publicar o resultado dos testes aqui :)

Outras Formas de Detecção do Campo Magnético

Não cheguei a testar, mas creio ser possível utilizar um transistor de efeito hall com o objetivo de detectar o campo magnético.

A continuar.... (estou escrevendo)

Meu Desejo: Monitoramento Cardíaco com o Nokia Sports Tracker

Introdução - O Início da Coisa (causa)

De tempos-em-tempos resolvo tomar atitude, ainda que temporariamente, e realizar exercícios físicos.

Não tenho problemas cardíacos e confirmei isso em recente bateria de exames. Já meu pai, teve muito problema com o coração, junto a muitas outras complicações de saúde. Como não sou tão jovem e sou sedentário, é prudente acompanhar meu desempenho cardíaco nos momentos de esforços físicos - coisa rara até meses atrás, momento em que percebi minha esposa participar de corridas de rua e concluí ser desejável acopanhá-la.

Há alguns anos atrás eu comprei um relógio com função de monitor cardíaco da Timex. Pouco usei e acabei por perder a cinta com o transmissor e isto ficou perdido até mês passado - de tão bem guardada, não me lembrava onde a havia deixado - por puro desuso. Já o relógio, esse ficava guardado na gaveta e todas as manhãs tocava o alarme às 07h00, mas não chegava a despertar ninguém, haja visto que ficava guardado no escritório. Quando a bateria acabava, eu a substituia, mesmo sem usá-lo, pois sempre me vinha a mente a cinta de monitoramento que havia perdido. E quando pensava em fazer exercício físico, novamente, me lembrava da cinta que devia estar guardada em algum lugar.

Recentemente, após recomeçar a realizar alguma atividade física com maior frequência, a necessidade de acompanhar meu desempenho, aumentou. Minha esposa que já praticava atividade física há mais tempo, acabou por decidir-se adquirir, para seu próprio uso, o relógio de monitoramento cardíaco da Polar - que pretenciosamente a Polar chama de "computador de treino" - de modelo RS300X G1. Fiquei intrigado com esse monitor da Polar, pois, apesar do preço salgado, não fazia muita coisa; o GPS que o acompanhava apenas servia para cálculo de velocidade e distância percorrida e nada mais fazia - se quer gravava o trajeto.

Desde o ano de 2008, quando ainda usava um Nokia N80, já conhecia o Nokia Sports Tracker e nos testes que havia realizado, o tinha considerado um brinquedo interessante e que se desenvolvido, poderia vir a ter utilidade. Três meses atrás, já retomado meu interesse em exercícios e acompanhar meu progresso, pesquisei e instalei a versão 1.83 do Nokia Sports Tracker para o Nokia 5800 XM. Fiquei gratamente surpreendido por ele estar com suporte a monitor cardíaco, ainda que proprietário. Ele requer um hardware que é fabricado pela Polar; no presente momento só é vendido conjuntamente ao smartphone Nokia N79 Active - e com mais nenhum outro produto e nem avulso como um acessório separado. Alguns dizem que esse hardware é na verdade o Polar Wearlink Bluetooth e que este é vendido unicamente em regime de OEM pela Polar; alguns outros chegaram a dizer que conseguiram comprar uma unidade de algum site que não vende mais; e o certo, é que isto ainda não é vendido pela Nokia e nem pela Polar para o cliente final. Se quiser ver a resposta ridícula que obtive da Nokia Brasil quando a questionei sobre se e quando o Nokia N79 Active seria vendido no Brasil ou se eles chegariam a comercializar a cinta de monitoramento compatível com o Nokia Sports Tracker (de agora em diante o chamarei de NST), leia o artigo Nokia N79 Active: Carta aberta para Nokia. Pesquisei soluções comerciais alternativas ao N79 e não encontrei nada satisfatório.

Cheguei a conclusão que seria muito legal ter um único eletrônico cumprindo a tarefa de vários outros, ou seja, falo de um smartphone que tivesse GPS, tocasse MP3, rodasse aplicações para acompanhamento de atividades fisícas, mostrasse mapinhas, armazenasse as informações para relatórios posteriores e extrações de dados, além de realizar o monitoramento cardíaco e permitisse o uso de serviços utilitários via web. Dito isto, o Nokia N79 Active ou qualquer solução semelhante, cai como uma luva. Consegui convencer minha esposa a vender o Polar RS300X G1 (e a $%$!#ria do Polar Flowlink) para comprar um N79 Active que encontrei a venda no ebay. História a parte, foi difícil encontrar um N79 Active para comprar. Só havia um único a venda em todo o ebay e até onde pesquisei na época, o N79 Active só era vendido em quatro países. Até hoje, passado mais de um mês, não recebemos o produto que compramos pelo ebay de um vendedor australiano que afirmou tê-lo ganhado num concurso por lá e, segundo ele, nunca chegou a ter usado o celular. Como disse, ainda estamos com esperanças desse equipamento chegar por aqui, apesar do vendedor não nos ter informado o código de postagem e ao contrário, ainda ter solicitado que nós enviássemos mais dinheiro, pois, segundo ele, o frete que o ebay calculou foi metade do valor que ele pagou para enviar o celular, lá da Austrália, para cá, Brasil. Ainda não consegui colocar minhas mãos nesse celular e o aguardo anciosamente para ver se foi bom negócio - e espero que seja, haja visto que minha esposa estava satisfeita com a solução da Polar, ainda que tivesse que carregar, ipod, celular, fones de ouvido com fio, G1 preso ao braço, relógio RS300X e cinta de monitoramento cardíaco.

Eu, sem perspectivas de encontrar minha cinta de monitoramento do meu Timex e ainda muito frustrado com a resposta da Nokia, sendo que queria mesmo era usar o Nokia Sports Tracker para o meu monitoramento cardíaco e evolução física, comecei a pesquisar soluções alternativas ao N79 Active. Isto começou após eu escrever o artigo Nokia N79 Active: Carta aberta para Nokia. Neste ponto, começa, o que acredito ser, uma série de novos artigos, onde descreverei minha busca e a solução que desenvolvi como resultado do meu desejo em monitorar minha atividade física com o auxílio de GPS (pode ser do próprio celular) e de um monitor cardíaco, preferencialmente, acoplados (entenda acoplado com algo que pode ser wireless...) a um smartphone.

Sobre o Projeto Gym4Us

Tentarei postar - e se necessário for, atualizar este artigo - conforme for escrevendo. Sendo assim, peço um pouco de paciência daqueles que porventura estiverem interessados em minhas desaventuras e dou minha palavra que publicarei tudo até o fim com a solução final e funcionando no Nokia 5800 Xpress Music com o Nokia Sports Tracker v.2.06 e alguma cinta de monitoramento cardíaco, como a Polar T31 que é a que estou utilizando. Para quem não aguentar esperar, podem ver alguma coisa, em:

• Minhas atividades físicas no Nokia Sports Tracker
• Capturas de tela do Nokia Sports Tracker usando o Gym4Us
• Algumas fotografias do Gym4Us que no momento utilizo

Adianto que diversas melhorias já estão programadas, incluindo modificação no tamanho do circuito, substituição do módulo de alimentação e do microcontrolador, além de um sistema que elimine a fiação externa. Também é possível integrar novos sensores e equipamentos, incluindo: sensores de temperatura, umidade, radiação solar, poluição atmosférica, giro de roda da bike, display para bike etc.

O uso do Gym4Us não está restrito ao Nokia Sports Tracker e facilmente pode-se usá-lo com outras soluções atuais e futuras. Desenvolvi aplicação J2ME que possibilita seu uso em qualquer celular com interpretador Java (J2ME) com suporte a API JSR-82 para uso do Bluetooth.

Detectando o Batimento do Coração

Na busca de uma solução, tive antes que entender o funcionamento de uma série de coisas, inclusive como funcionam as cintas de monitoramento cardíaco, seus sistemas de captação, amplificação, filtragem, detecção, codificação e transmissão. Além disso, também estudei um pouco sobre o ECG e as diferentes maneiras de se perceber o batimento do coração. Não sou médico, nem engenheiro, nem cientista; sou um mero programador que gosta de xeretar, portanto, de antemão, peço desculpas pelas tolices que falei e falarei até o fim deste artigo e de futuros artigos correlatos. A seguir, irei expor o que entendi e como isso me direcionou ao longo da pesquisa e desenvolvimento da solução final. Somente ao fim de todos os artigos irei compilar e acrescentar as informações necessárias para se compor o projeto em si, de forma simples, direta e técnica do ponto de vista do hardware e software; antes disso, haverá muito blah-blah-blahh de minha parte.

Nota: estou realizando novos posts em continuação a este artigo. Acompanhe no blog marciowb @ blog a tag Gym4Us.