XXIV Congresso Brasileiro de Engenharia Biomdica CBEB 2014

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CHAMADAS DE ENFERMAGEM SEM FIO UTILIZANDO O PADRO ZIGBEE E REDE MESH

Luiz Fernando Gomes Sydor*, Thiago Simes Dias* e Ricardo Bernardi**

*Acadmico da Universidade Tecnolgica Federal do Paran, Campo Mouro, Brasil ** Professor da Universidade Tecnolgica Federal do Paran, Campo Mouro, Brasil

e-mail: fernandogsydor@gmail.com

Resumo: O surgimento das redes sem fio proporcionou novas alternativas para os sistemas de comunicao. Neste trabalho, apresenta-se um sistema de chamadas de enfermagem utilizando mdulos XBee. O Sistema capaz de promover a comunicao entre os leitos de um hospital e a central de enfermagem atravs da formao de uma rede mesh de baixo custo, de fcil instalao e voltada para o menor consumo energtico possvel, aumentando a vida til das baterias [1]. Pode-se prever a necessidade do paciente no leito atravs de nveis de chamadas microcontroladas, com indicadores luminosos para o tipo de chamada feita e pela integrao com softwares de gerenciamento e smartphones. Os testes preliminares mostraram que possvel formar uma rede mesh expansvel, promovendo uma maior facilidade de instalao em relao a sistemas cabeados. Com o pressionar de botes foi possvel identificar a chamada e fazer acionamentos com indicadores visuais para diferentes nveis de chamadas: chamada simples, emergencial, de presena de enfermeiro ou de limpeza do quarto. Pode-se concluir, ento, que com maior facilidade de instalao e reduo de custos, vivel a implementao de uma rede sem fios de chamadas de enfermagem, organizando e agilizando o atendimento, promovendo uma comunicao mais eficiente entre pacientes e enfermeiros, em hospitais de todos os tamanhos. Palavras-chave: chamadas de enfermagem, campainha hospitalar, ZigBee, redes mesh. Abstract: The emergence of wireless networks provided new alternatives for communication systems. In this paper, we present a nurse call system using XBee modules. The system is able to promote communication between beds of a hospital and a nursing center by forming a mesh network of low cost, easy installation and focused on the lowest possible energy consumption, increasing battery life [1]. Can predict the patient's needs in bed through levels called microcontrolled, with LED indicators for the type of call made and the integration with management software and smartphones. Preliminary tests showed that it is possible to form an expandable mesh network, providing greater ease of installation compared to wired systems. With the press of buttons was possible to identify the call and make drives with visual indicators for different levels of call: simple call, emergency, presence of a nurse or room cleaning. One can

conclude, then, that with ease of installation and cost reduction, it is feasible to implement a wireless call nursing, organizing and streamlining the care and promoting better communication between patients and nurses in hospitals in all sizes. Keywords: nurse call, hospital buzzer, ZigBee, mesh networks. Introduo

As redes de celulares surgiram como consequncia do crescimento das redes cabeadas de telefonia, assim como as redes de internet sem fio foram criadas para substituir a transmisso via cabos, diminuindo a complexidade de infraestrutura e aumentando a praticidade. Padres de operao para telefonia foram criados, como exemplo o GSM e IS-95. O IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) criou o protocolo IEEE 802.11 para redes locais sem fio (WLAN Wireless Local Area Network), muito parecido com o Ethernet, procurando alcanar as mesmas taxas de transmisso de dados. Por outro lado, o padro IEEE 802.15 para redes locais pessoais (WPAN Wireless Personal Area Network) foi criado com foco em baixo custo, baixo consumo energtico, curto alcance e tamanho reduzido [2].

O padro IEEE 802.15 tem definidas trs classes de WPANs. Uma delas o IEEE 802.15.4, que juntamente com a ZigBee Alliance, formam o padro conhecido comercialmente como ZigBee, capaz de criar redes mesh sem fio para aplicaes de automao e controle remoto nas reas industriais, residenciais e mdicas. No necessrio que o padro tenha uma alta taxa de transmisso de dados por ter uma aplicao diferente do Bluetooth por exemplo [2]. O ZigBee permite a intercomunicao entre 65.535 dispositivos, pode ter um raio de alcance entre um ponto e outro em torno de 1,6 km com visada e sem obstculos, com autonomia de baterias que podem durar cerca de 5 anos ou mais, dependendo da aplicao, sem a necessidade de troca, com a possibilidade de extenso da comunicao atravs de repetidores de dados, permitindo que a rede tenha vrios quilmetros de alcance [3].

No ambiente hospitalar a comunicao efetiva entre pacientes e enfermeiros essencial para um ambiente seguro e organizado. Seu correto gerenciamento pode ajudar o hospital a ter um atendimento mais gil e eficiente, alm de passar maior conforto e segurana

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para os pacientes [4]. J existem no mercado diversos tipos de campainhas hospitalares, com fio e sem fio, que tm como objetivo permitir a comunicao entre pacientes e a central de enfermagem de acordo com a necessidade do paciente. As campainhas com fio possuem diversos recursos para o paciente e para os enfermeiros, apesar da complexidade da instalao e custo elevado devido ao cabeamento e alimentao, o que aumenta conforme o tamanho da rede. As redes sem fio encontradas no mercado [5,6] tm aplicao limitada a fazer a chamada central de enfermagem. A aplicao proposta neste trabalho pode ter mais funcionalidades que um sistema com fios, e ainda contar com facilidade de instalao, manuteno e gerenciamento da rede, reduo de custos, segurana e praticidade.

Neste trabalho, apresenta-se um sistema de chamadas de enfermagem utilizando mdulos XBee da fabricante Digi International e a topologia de rede mesh, que pode alcanar quilmetros de distncia atravs de uma rede expansvel [7]. O sistema conta com nveis de alerta de chamada com indicativo luminoso em cada quarto, que indicam: chamada feita pelo paciente, presena de enfermeiro no local, chamada de emergncia e quarto liberado para limpeza. possvel a integrao e gerenciamento com software para desktop e aparelhos mveis, que agregado a outras funcionalidades, torna possivelmente vivel sua aplicao em hospitais de pequeno, mdio e grande porte. Materiais e mtodos

Em uma rede que utiliza o protocolo IEEE 802.15.4 pode-se ter dois tipos de dispositivos: o Full Function Device (FFD) e o Reduced Function Device (RFD). O FFD utilizado como coordenador da rede, controlando o endereamento e topologia, e como roteador, fazendo o encaminhamento de mensagens. Um dispositivo RFD um dispositivo de baixo custo, que no faz roteamento e s pode se conectar a um n FFD de cada vez. O roteamento permite que um n encaminhe uma mensagem de um n RFD ou FFD para outros ns FFD at que a mensagem chegue ao coordenador. Os ns RFD podem ser configurados como n final (end-device), e esse modo permite que o dispositivo opere em modo sleep, que funciona com diferentes nveis de economia de energia. A operao do mdulo neste modo permite maximizar a carga das baterias [8].

Funcionamento - A campainha um sistema de aviso e segurana dividido em mdulos. feita a instalao de um mdulo de chamada em cada leito, e do lado de fora para visualizao do corredor, na parte superior da porta de cada quarto, feita a instalao de um mdulo com LEDs de diferentes cores. Na central de enfermagem feita a instalao de um n coordenador microcontrolado.

Quando necessrio chamar a enfermagem, o paciente pressiona o boto do controle localizado em seu leito. O coordenador recebe o sinal enviado, reconhece seu grau de urgncia e emite uma ordem para

o indicador luminoso da porta do quarto, que indica uma cor diferente de acordo com o evento: chamada feita pelo paciente, presena de enfermeiro no local, chamada de emergncia (cdigo azul) e quarto liberado para limpeza. Nestes outros nveis de chamadas, so pressionados outros botes para o nvel de alerta necessrio para enfermeiros ou mdicos. No painel de visualizao localizado no posto de enfermagem em um local de fcil leitura visual pela equipe de enfermagem, indicado o quarto que necessita de atendimento, o nvel de chamada e a hora em que foi feita. No leito, o boto de acionamento tambm ir emitir um sinal luminoso, dando segurana ao paciente, que ter certeza de que sua chamada foi encaminhada central. Se a distncia entre o coordenador e o n final for maior que 30 metros, dever ser instalado um mdulo roteador para garantir a efetividade da comunicao entre os mdulos daquela regio.

O dispositivo na cabeceira de cada leito fixado na parede, e o controle para acionamento fica fixo ao dispositivo por um cordo para evitar perdas e quedas. O dispositivo em cada leito estar em modo sleep, e somente estar ativado quando for feito o acionamento do boto. So apresentados com mais detalhes a seguir os materiais necessrios para o funcionamento da rede.

Rede - Para interligar uma rede mesh precisa-se basicamente de trs tipos de dispositivos: Um n coordenador, um n roteador - caso seja necessrio aumentar o tamanho da rede para chegar at o dispositivo final, o que pode ser feito inmeras vezes -, e o n final, que ficar em cada leito com um boto para ser acionado pelo paciente para chamar a enfermeira. Um exemplo da topologia da rede pode ser visto na Figura 1 a seguir [8].

Figura 1: Exemplo de Topologia da rede.

Mdulo de comunicao O mdulo de comunicao utilizado da fabricante Digi International, a qual atribuiu o nome XBee [7]. Existem diferentes modelos, cada qual para atender diferentes necessidades. Os mdulos XBee tm baixo consumo energtico utilizando o protocolo ZigBee e permitem uma entrega de informaes interligando milhares de dispositivos usando avanado padro de criptografia de 128 bits (AES Advanced Encryption Standard). Trabalham em frequncias de banda no licenciadas e reservadas para uso industrial, cientfico e mdico (ISM - Industrial, Scientific and Medical). So fabricados com certificao ISO 9001 de qualidade, e tm a capacidade de se auto-organizar e auto-reestruturar (self-organizing and self-healing) caso um n falhe. O

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mdulo permite o uso do modo sleep, que consiste em deixar um mdulo que no est sendo utilizado no momento, consumindo uma corrente que pode chegar a 10A, aumentando a vida til das baterias. Possui uma grande capacidade de alcance dependendo do seu modelo, podendo ser estendido com a utilizao de um n roteador. Cada mdulo XBee possui um nico endereamento nativo de fbrica e um microcontrolador que contm um firmware possvel de ser atualizado com o software X-CTU disponibilizado pela fabricante, sendo possvel alterar as configuraes de rede necessrias para a aplicao [7,9].

Foi utilizado para o projeto o XBee Srie 2, por possuir o recurso de formao de rede mesh. Sua tenso de alimentao de 2,1 a 3,6 Volts e a corrente utilizada funciona na faixa de 40mA entre transmisso e recepo e 10A em modo sleep [7].

Microcontrolador O microcontrolador utilizado no n coordenador da rede para gerenciar as mensagens recebidas para a prototipagem, o Atmega 328, que ligado ao mdulo XBee atravs de comunicao Serial.

Baterias So utilizadas duas baterias recarregveis de 1,2 Volts cada ligadas em srie para alimentao do circuito que ficar instalado em cada leito. recomendvel que os ns que precisem ser configurados como roteadores fiquem ligados diretamente em fontes de energia contnua, pois necessitam estar em funcionamento constante para o roteamento das mensagens.

Resultados Preliminares

Interligou-se trs mdulos de comunicao XBee sendo que um estava em um canto do laboratrio, nomeado como Q1_LEITO01, representando quarto e leito do hospital, e outro em outro canto nomeado como Q1_LEITO02, ambos alimentados por baterias e outro mdulo em outro laboratrio prximo, nomeado como CENTRAL_01, representando a central de enfermagem, ligado a um computador para testar a comunicao entre os mdulos. Inicialmente, foi possvel visualizar o nome dos trs mdulos da rede atravs do software X-CTU disponibilizado gratuitamente no site do fabricante [7]. Foi possvel acessar as configuraes de cada mdulo remotamente atravs do software, assegurando de que a rede estava formada, conforme mostrado na Figura 2.

Figura 2: Prottipo de formao de rede.

Aps o teste de comunicao, ligou-se o mdulo

CENTRAL_01 a um microcontrolador com 2 LEDs ligados como sadas digitais. Foi possvel fazer com que os botes pressionados em cada mdulo LEITO fossem identificados pelo mdulo CENTRAL_01 e acionado o LED que previamente correspondia ao leito de onde foi pressionado o boto.

Aumentando a rede, instalou-se outro mdulo com LEDs de quatro cores diferentes, indicativos de nveis de chamada na parte superior da porta do laboratrio de testes, aumentou-se o nmero de botes nos mdulos LEITO e foi implementado o sistema de nveis, sendo possvel identificar na CENTRAL o leito que fez a chamada atravs de acionamento de LED, e identificar o tipo de acionamento feito no mdulo LEITO, acendendo tambm o LED de cor corresponde ao tipo de chamada.

Por fim, colocou-se o mdulo CENTRAL em uma sala aproximadamente 140 metros mais distante da posio inicial, e no meio do caminho, entre os mdulos LEITO e o mdulo CENTRAL colocou-se um mdulo ROTEADOR, conseguindo fazer a comunicao e os acionamentos no mdulo CENTRAL com a preciso esperada, permitindo o aumento da distncia inicial e a formao da rede em modo de teste.

Discusso

Os resultados obtidos at o momento foram relevantes e encorajadores. Foi possvel interligar os mdulos de comunicao formando uma rede mesh utilizando o protocolo ZigBee. Como as informaes so estruturadas em pacotes de dados pelo XBee, foi necessrio decodificar e interpretar as mensagens, identificando os mdulos transmissores para que fosse possvel fazer os acionamentos devidos.

Utilizando microcontrolador, foi possvel interpretar as mensagens enviadas pelos mdulos LEITO e identificar qual leito realizava a chamada. Atravs da implementao dos nveis de chamada, diferentes cores de LEDs puderam ser acesas no mdulo de alerta luminoso, sendo possvel diferenciar a chamada feita. Este aspecto de grande relevncia em um hospital, pois possvel que a equipe de enfermagem visualize do corredor o quarto que fez a chamada, e caso exista o alerta em dois quartos simultaneamente, a enfermagem poder tomar a chamada de emergncia como prioridade, indo direto a este quarto para realizar o atendimento. Um sinal luminoso emitido no boto aps a realizao de uma chamada no leito, pretende tornar o sistema mais confivel ao paciente, pois ao ver que uma luz foi acesa depois de apertar o boto, dever sentir segurana de que sua solicitao foi enviada.

Nos hospitais, a opo de expandir o alcance da rede fundamental. Do quarto de onde no seja possvel enviar um sinal diretamente ao mdulo CENTRAL, basta que seja instalado um mdulo roteador entre eles para que a comunicao seja efetivada. possvel instalar quantos mdulos roteadores forem necessrios, e o alcance da rede se estender.

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Entre as prximas atividades que sero desenvolvidas, ser implementado o modo sleep nos mdulos LEITO, poupando o mximo de energia e acordando o mdulo somente quando houver acionamento de boto. Ser testado o modo de criptografia, medindo sua viabilidade e efetividade, assim como testes de distncias e barreiras entre os mdulos XBee Srie 2 e Srie 2 PRO [7] e entre mdulos de outros fabricantes.

Ser desenvolvido um software de gerenciamento da rede e das informaes dos pacientes de forma que sejam mostradas notificaes no computador de cada central de enfermagem e nos smartphones dos enfermeiros, sendo possvel visualizar fichas de pacientes, lembretes de horrios para administrao de medicamentos e curativos, entre outras funcionalidades. Quando for feita uma chamada, o leito ser identificado e ser mostrada a ficha do paciente cadastrado para aquele leito, permitindo que a equipe de enfermagem responsvel tenha em mos o histrico do paciente e possa decidir a melhor forma de agir em todas as situaes.

Nosso objetivo principal continua sendo contribuir de alguma forma para a melhora do sistema de sade de nosso pas, que tanto na rede pblica como privada, passa por anlises de melhoras constantes e dificuldades evidentes [10], e entendemos que um sistema de baixo custo e fcil instalao pode ser um passo para a melhora gradual da implantao de prticas de engenharia clnica nos hospitais e postos de atendimento. Agradecimentos

Agradecemos UTFPR na pessoa do diretor do Campus Campo Mouro, Heron Oliveira Santos Lima, e coordenadoria do curso de Engenharia Eletrnica pelo apoio a pesquisas com o objetivo de levar sociedade os estudos que so realizados na universidade, e pelo investimento e concesso de materiais e espao fsico para que a montagem e os testes com o prottipo possam ser realizados. Referncias [1] ZigBee Alliance [internet]. Disponvel em:

http://www.zigbee.org. [2] Ergen SC. ZigBee/IEEE 802.15.4 Summary.

Technical Report, Advanced Technology Lab of National Semiconductor; 2004.

[3] Ramos JSB. Instrumentao eletrnica sem fio. 1 ed. So Paulo: rica; 2012.

[4] Negreiros PL, Fernandes MO, Macedo-Costa KNF, Silva GRF. Comunicao teraputica entre enfermeiros e pacientes de uma unidade hospitalar. Revista Eletrnica de Enfermagem [Internet]. 2010;12(1):120-32. Disponvel em: fenufg.br/revista

/v12/n1/v12n1a15.htm. [5] Campainha Hospitalar [internet]. Disponvel em:

syxtem.com.br/produtos/campainhas-hospitalares

[6] Chamada de Enfermeira [internet]. Disponvel em: platel.com.br/chamada_de_enfermeira

[7] Xbee/Xbee-PRO ZB RF Modules [internet]. Datasheet. Disponvel em:ftp1.digi.com/support/doc

umentation/90000976_S.pdf [8] Rivero, IAS. Rede de Sensores sem Fio para

Monitoramento de Equipamentos Eletrnicos. Belo Horizonte: Pontifcia Universidade Catlica de Minas Gerais; 2011.

[9] Faludi R. Building Wireless Sensor Networks. 1 ed. Sebastopol: OReilly; 2010.

[10] Silva SF. Organizao de redes regionalizadas e integradas de ateno sade: desafios do Sistema nico de Sade (Brasil). Revista Cincia e sade coletiva; 2011. vol:16 iss:6 pg:2753

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