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https://hdl.handle.net/10216/132783| Author(s): | Pedro de Castro Albergaria |
| Title: | Remote biometrical monitoring system via IoT |
| Issue Date: | 2020-07-23 |
| Abstract: | Internet of Things (IoT) systems are experiencing rapid growth due to their applicability in several domains, from smart cities to healthcare among many. In these systems, devices communicate with each other, or with infrastructure, resorting to machine-to-machine (M2M) communications. Since many of these devices are simple systems, with weak processing capacity, lightweight M2M protocols were developed such as Constrained Application Protocol (CoAP) and Messaging Queue Telemetry Transport (MQTT) as well as frameworks to support M2M communications. As expected, there are challenges when developing M2M and IoT applications: interoperability, scalability, standardisation, among others. Therefore, several M2M standards were created to overcome these issues, with oneM2M being one of them. Nowadays, there are multiple devices available that have an embedded WiFi interface, thus, when inserted in an IoT system, these devices do not need a gateway (GW) to access the Internet since WiFi is one of the most common technologies at Internet boundary. This is a key feature because it increases the system's pervasiveness as well as the overall cost of the system. Additionally, these devices, such as the ESP32 module, offer sleep modes that allow exploiting the power management features by the IEEE 802.11 standard. Healthcare institutions always strive to provide the best services concerning the reliability, safety and comfort of the patients. To do so, IoT technologies have been embraced and developed in recent years to improve these services. The work proposed in this dissertation is an end-to-end continuous monitoring system via IoT capable of monitoring a patient's vital signs and displaying them to the medical personnel. Moreover, the system can be applied to a wide range of application scenarios from emergency wards and home environment to sports training and competition. The system has two major components, a low-cost and low-power WiFi-enabled wearable device for the user and, at the upper end, a monitoring interface for the medical personnel. The wearable is composed by a MAX30100/MAX30102 PhotoPletysmoGraphy (PPG) sensor to measure the heart rate and oxygen saturation levels, an ESP32 with a built-in WiFi antenna to process and send the sensor data to the monitoring system and, finally, a Lithium Polymer (LiPo) battery to power-up the previous two components. At the upper end, the monitoring interface is composed of a time-series database to store all the data, a graphics visualisation software of patient's vital signs and a Graphic User Interface (GUI) serving as a control panel. Additionally, the system relies on the oneM2M standard for the interoperability concerning the architecture and follows a publish-subscribe communication model due to its efficiency in sensing and remote monitoring. Furthermore, the goal of this dissertation is to develop a low-cost and energy-efficient monitoring system while not compromising the reliability and robustness of traditional machines and systems. |
| Description: | Os sistemas de Internet of Things (IoT) estão a experienciar um rápido crescimento devido à sua aplicabilidade em vários domínios, desde cidades inteligentes até aos cuidados de saúde. Nestes sistemas, os dispositivos comunicam entre si, ou com a infraestrutura, recorrendo a comunicações machine-to-machine (M2M). Uma vez que muitos destes dispositivos são simples, com escassa capacidade de processamento, foram desenvolvidos protocolos M2M como o Constrained Application Protocol (CoAP) e o Messaging Queue Telemetry Transport (MQTT), bem como frameworks de suporte de comunicações M2M. Apesar dos desenvolvimentos nesta tecnologia, ainda são encontrados desafios no desenvolvimento de aplicações M2M e IoT a nível da interoperabilidade, escalabilidade e padronização, por exemplo. Consequentemente, vários standards M2M foram desenvolvidos para superar estes desafios, sendo o oneM2M um deles. Atualmente, existem vários dispositivos disponíveis com uma interface WiFi embebida, o que significa que quando inseridos num sistema IoT, não necessitam de uma gateway (GW) para o acesso à Internet, uma vez que o WiFi é uma tecnologia omnipresente na sociedade atual. Esta é uma característica fundamental visto que diminui o custo global do sistema. Além disso, estes dipositivos, como o módulo ESP32, oferecem modos de poupança de energia que permitem explorar recursos de gestão de energia definidos pelo standard IEEE 802.11. As instituições de cuidados de saúde procuram oferecer os melhores serviços em termos de confiabilidade, segurança e conforto aos seus pacientes. Recentemente, tecnologias IoT foram abordadas, desenvolvidas e utilizadas para melhorar o serviço aos pacientes. O trabalho proposto nesta dissertação é um sistema de monitorização contínua via IoT capaz de monitorizar os sinais vitais de um paciente e apresentá-los aos profissionais de saúde. Para além disso, o sistema pode ser utilizado em diversos cenários desde salas de emergência, uso doméstico até à competição desportiva. O sistema possui dois componentes principais: um dispositivo wearable com uma antena WiFi e um sistema de monitorização orientado ao profissional de saúde. O wearable é composto por um sensor fotopletismográfico (PPG) MAX30100/MAX30102 para medir o ritmo cardíaco e os níveis de saturação de oxigénio no sangue, um ESP32 com uma antena WiFi incorporada para processar e enviar os dados do sensor para o sistema de monitorização e, finalmente, uma bateria de Lítio Polímero (LiPo) para fornecer energia aos dois componentes mencionados. No que refere ao sistema de monitorização, este é composto por uma base de dados orientada a eventos temporais para armazenar todos os dados necessários, um software de visualização gráfica para a visualização dos sinais vitais do paciente e, por fim, uma Interface Gráfica com o objetivo de ser um painel de controlo para todo o sistema. Para além disso, o sistema segue a norma oneM2M devido a questões de interoperabilidade relativas à arquitetura, e implementa o modelo de comunicação publisher-subscriber pois este é eficiente em termos de sensorização e monitorização remota. Por último, o objetivo desta dissertação é desenvolver um sistema de monitorização de baixo custo focado na gestão energética e que ao mesmo tempo não comprometa a sua confiabilidade e robustez. |
| Subject: | Engenharia electrotécnica, electrónica e informática Electrical engineering, Electronic engineering, Information engineering |
| Scientific areas: | Ciências da engenharia e tecnologias::Engenharia electrotécnica, electrónica e informática Engineering and technology::Electrical engineering, Electronic engineering, Information engineering |
| DOI: | 10.34626/kc0h-rv95 |
| TID identifier: | 202594041 |
| URI: | https://hdl.handle.net/10216/132783 |
| Document Type: | Dissertação |
| Rights: | openAccess |
| License: | https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/ |
| Appears in Collections: | FEUP - Dissertação |
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