Design and Implementation of an Underwater Telemetric Glucose Monitoring System for Scuba Divers

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Opercular beat rate sensor for remote fish monitoring

O consumo de bens alimentares, nomeadamente de peixes e de outros organismos aquáticos, tem crescido ao longo dos anos devido à crescente densidade populacional, que por consequência, a produção em cativeiro e/ou em ambiente controlado tem sofrido um aumento exponencial especialmente nos últimos anos, não só devido à elevada procura derivada do crescimento populacional como também para proteção das espécies selvagens. Em ambientes de aquacultura, como todos os tipos de produção que afunilam para a otimização da produção, leia-se, produzir mais, mais rápido e em menos espaço, têm como objetivo aumentar a eficiência e consequentemente diminuir o custo de produção. Contudo, os peixes são muito sensíveis ao stress, que por sua vez está fortemente relacionado com a saúde dos mesmos. Conseguir obter informações sobre o estado de stress dos peixes é uma boa prática que permite prever ou até impedir a propagação de doenças na população. Este tipo de informações pode ser expressa pelo peixe por um conjunto de alterações fisiológicas, tais como batimento cardíaco que está relacionado com o ritmo de respiração, libertação de hormonas que podem ser medidas com uma amostra da água onde a cultura se encontra, mudanças de cor do próprio peixe, ou até mesmo mudanças comportamentais tais como alimentação e atitude (ativa ou passiva). Estas mudanças na biologia do peixe resumem-se num crescimento demorado e/ou com doenças. O objetivo deste projeto é desenvolver um dispositivo eletrónico com um sensor capacitivo para ser colocado no opérculo de um peixe de tamanho médio das conhecidas espécies Robalo e/ou Dourada, de modo a conseguir obter o ritmo de batimento do opérculo, que está diretamente relacionado com o ritmo de respiração. O dispositivo é constituído pelo sensor dois elétrodos) e por toda a eletrónica, software e firmware necessários ao funcionamento, medição e transmissão do sinal adquirido pelo sensor. O sensor deverá enviar os dados para o sistema de receção “eZ430-TMS37157” da Texas InstrumentsTM. Este sistema (eZ430-TMS37157) é composto por um recetor, uma antena e uma tag (transponder) que comunica com o sistema recetor por Rádio-Frequência (RF). O sistema recetor utilizado neste projeto já foi anteriormente estudado e modificado (de modo a permitir a utilização de antenas maiores e também mais potência de emissão) por Tiago João Barbosa de Almeida, no desenvolvimento da Tese de mestrado “Radio frequency system for remote fish monitoring in aquaculture”. O consórcio responsável pelo projeto (AquaExcell 2020) definiu que o sistema teria de comunicar com o sistema recetor por rádio frequência (RFID) à frequência de 134.2 kHz, frequência normalmente usada em sistemas de identificação eletrónica interna e/ou externa para animais. Neste projeto, foram desenvolvidos o sensor, o circuito de transmissão, firmware e software necessários para o comunicação e processamento do sinal obtido pelo sensor. Todo este conjunto compõe uma tag, que tem como objetivo substituir a tag que compõe do kit original (eZ430-TMS37157), pela tag desenvolvida em laboratório. As experiências foram implementadas em laboratório, em aquário, com um peixe impresso em uma folha de acrílico e um motor para simular o movimento do opérculo através de ímanes, estando o sensor submerso em água salgada e colocado sobre o opérculo do peixe. O aquário utilizado tem 39 cm de comprimento, 30 cm de altura e 29 cm de largura e foi utilizado com água salgada natural proveniente da praia de Faro. Os resultados das experiências são o Opercular beat-rate (OBR) em batimentos por minuto (bpm) e o sinal ADC (utilizado para calcular a OBR).Fish health and welfare are highly correlated with the stress factor. When exposed to stress, the fish exhibits changes in behavior, growth rate, among other factors. These symptoms can be accessed using different techniques, visually (with cameras or naked eyes), or measured in laboratory (hormones quantity through water sampling), among others. This project aims to develop a capacitive sensor and an electronic device with a capacitive sensor to be placed on the fish operculum, with the ability to measure the breath-rate through the opercular movements and communicate the sensed data over RF-field at the frequency of 134 kHz, a common frequency used on animal identification. The development and analysis of the capacitive sensor and the associated electronics and software and/or firmware are the main objective of this work. The reception system used to receive the data is the “eZ430-TMS37157” from Texas InstrumentsTM. The receptor system was already modified to allow the connection of bigger antennas. The experiments were carried out with a printed fish on acrylic sheet, using a standard model from seabass or golden-bream specimens, with the aid of a motor using magnets to induce the opercular movement. The aquarium used has the dimensions of 39 cm length, 30 cm height and 29 cm width, being filled with saltwater from the local region. The experiments outputs are the opercular beat-rate (OBR) in beats per minute (bpm) and the ADC signal (used for OBR calculations).O presente trabalho foi financiado pelas seguintes projetos e instituições: - Projecto AQUAEXCEL 2020 (Grant agreement ID: 652831) - Instituto de Telecomunicações (IT), UID/EEA/50008/202

ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКАЯ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНАЯ ЭКГ-ПРИСТАВКА С ПОТОЧНЫМ КОНВЕЙЕРНЫМ РАСПОЗНАВАНИЕМ ОБРАЗОВ В РЕЖИМЕ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ

Разработана технология распознавания образов в режиме реального времени для диагностики и физиологической электроморфологической кластеризации электрокардиограмм с использованием оцифровки по критерию бинаризации контраста и трансляцией сигнала с дигитайзера, выполненного в конструкте приставки к портативному электрокардиографу, по сверхвысокочастотному / радиочастотному каналу (1.2 ГГц). Обработка телеметрической информации осуществляется после поступления принятого ресивером канала через тюнер с АЦП на ЭВМ. Исходно данная система реализована для анализа многоканальных данных ЭЭГ, однако впоследствии полностью адаптирована для анализа данных c самопишущих приборов ЭКГ, работающих по тому же принципу аналоговой электрофизиологической записи

ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКАЯ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНАЯ ЭКГ-ПРИСТАВКА С ПОТОЧНЫМ КОНВЕЙЕРНЫМ РАСПОЗНАВАНИЕМ ОБРАЗОВ В РЕЖИМЕ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ

Разработана технология распознавания образов в режиме реального времени для диагностики и физиологической электроморфологической кластеризации электрокардиограмм с использованием оцифровки по критерию бинаризации контраста и трансляцией сигнала с дигитайзера, выполненного в конструкте приставки к портативному электрокардиографу, по сверхвысокочастотному / радиочастотному каналу (1.2 ГГц). Обработка телеметрической информации осуществляется после поступления принятого ресивером канала через тюнер с АЦП на ЭВМ. Исходно данная система реализована для анализа многоканальных данных ЭЭГ, однако впоследствии полностью адаптирована для анализа данных c самопишущих приборов ЭКГ, работающих по тому же принципу аналоговой электрофизиологической записи

Modern Telemetry

Telemetry is based on knowledge of various disciplines like Electronics, Measurement, Control and Communication along with their combination. This fact leads to a need of studying and understanding of these principles before the usage of Telemetry on selected problem solving. Spending time is however many times returned in form of obtained data or knowledge which telemetry system can provide. Usage of telemetry can be found in many areas from military through biomedical to real medical applications. Modern way to create a wireless sensors remotely connected to central system with artificial intelligence provide many new, sometimes unusual ways to get a knowledge about remote objects behaviour. This book is intended to present some new up to date accesses to telemetry problems solving by use of new sensors conceptions, new wireless transfer or communication techniques, data collection or processing techniques as well as several real use case scenarios describing model examples. Most of book chapters deals with many real cases of telemetry issues which can be used as a cookbooks for your own telemetry related problems

A Three – tier bio-implantable sensor monitoring and communications platform

One major hindrance to the advent of novel bio-implantable sensor technologies is the need for a reliable power source and data communications platform capable of continuously, remotely, and wirelessly monitoring deeply implantable biomedical devices. This research proposes the feasibility and potential of combining well established, ‘human-friendly' inductive and ultrasonic technologies to produce a proof-of-concept, generic, multi-tier power transfer and data communication platform suitable for low-power, periodically-activated implantable analogue bio-sensors. In the inductive sub-system presented, 5 W of power is transferred across a 10 mm gap between a single pair of 39 mm (primary) and 33 mm (secondary) circular printed spiral coils (PSCs). These are printed using an 8000 dpi resolution photoplotter and fabricated on PCB by wet-etching, to the maximum permissible density. Our ultrasonic sub-system, consisting of a single pair of Pz21 (transmitter) and Pz26 (receiver) piezoelectric PZT ceramic discs driven by low-frequency, radial/planar excitation (-31 mode), without acoustic matching layers, is also reported here for the first time. The discs are characterised by propagation tank test and directly driven by the inductively coupled power to deliver 29 μW to a receiver (implant) employing a low voltage start-up IC positioned 70 mm deep within a homogeneous liquid phantom. No batteries are used. The deep implant is thus intermittently powered every 800 ms to charge a capacitor which enables its microcontroller, operating with a 500 kHz clock, to transmit a single nibble (4 bits) of digitized sensed data over a period of ~18 ms from deep within the phantom, to the outside world. A power transfer efficiency of 83% using our prototype CMOS logic-gate IC driver is reported for the inductively coupled part of the system. Overall prototype system power consumption is 2.3 W with a total power transfer efficiency of 1% achieved across the tiers

Real-time application programming interfaces for depicting aquatic internet of things

Although recent years portray an increase demand for Internet of Things (IoT) applications in aquatic setting, there is a lack of standardization in collecting and displaying these data to a wider set of audiences ranging from marine biologists, whale-watching companies and environmentalists. More flexible APIs and long-range data access are necessary, providing the facilitated remote ac cess to the data, while reducing significantly the cost of fuel and time when obtaining the data from oceanic settings. The main goal of this thesis is to produce the robust back-end and an API for: (i) managing the IoT devices to be applied in aquatic setting; (ii) obtaining the status and the telemetry in real-time; and (iii) visualizing the collected data from IoT devices such as temperature, pressure, humidity, luminosity, GPS position, etc. The final product advances the state of the art in back-end development for collecting, storing and displaying larger datasets (e.g. collected telemetries, radio transmission data) in Single-page applications (SPAs). It will, moreover, use the latest back-end and front-end development tech niques (e.g. React.JS, Laravel) while optimizing database querying, and providing the real-time access to the data on any device, and without the need of refreshing the page.Embora nos últimos anos tenha existido um aumento no desenvolvimento de projetos na área da Internet das coisas (IoT) em ambientes aquáticos, não existe uma padronização na recolha e exibição dos dados obtidos com esses mesmos projetos de modo a possibilitar o seu aproveita mento por um conjunto diverso de utilizadores, que variam desde os biólogos marinhos, passando pelas empresas de observação de baleias até aos ambientalistas. Para que tal seja possível são necessárias APIs mais flexíveis e acesso a dados de longo alcance, fornecendo acesso remoto facil itado aos dados, reduzindo significativamente o custo de combustível e tempo ao obter os dados de configurações oceânicas. O principal objetivo desta tese é desenvolver um back office robusto e uma API para: (i) gerir os dispositivos de IoT a serem utilizados em ambientes aquáticos; (ii) obter o estado e a telemetria em tempo real; e (iii) visualizar os dados recolhidos pelos dispositivos de IoT como por exemplo, temperatura, pressão, humidade, luminosidade, posição do GPS, etc... O produto final contribui para o avanço da tecnologia, pois providencia um back office para recolher, guardar e exibir um grande conjunto de dados (por exemplo, multimédia recolhida, telemetrias, dados de transmissão de rádio) em aplicações de uma única página (SPAs). Além disso, utilizará as mais recentes técnicas de desenvolvimento de back-end e front-end (por exemplo, React.JS, Laravel), otimizando a consulta à base de dados e fornecendo o acesso em tempo real aos dados em qualquer dispositivo, e sem a necessidade de atualizar a página

Multi-channel GPRS-based mobile telemedicine system with bluetooth and J2ME interfaces

One of the emerging issues in m-Health is how best to exploit the mobile communications technologies that are now almost globally available. This thesis describes a multi-channel m-Health system with a Bluetooth interface based on the General Packet Radio Service (GPRS). The challenge here is to produce a system to transmit a patient's biomedical signals directly to a hospital using a mobile phone on a commercial GPRS network. As greater patient mobility gradually becomes a trend in remote monitoring, the integration of medical sensors with global connectivity seems to be the next step in providing telemedicine services. The system samples signals from sensors on the patient, then transmits the incoming digital data over a Bluetooth link to a GPRS mobile phone. The system is equipped with patient user interface programs for the patient to perform the data acquisition process from the sensors. There are two programs available, one being the patient interface on a laptop while the other is the patient interface on a mobile phone. The later interface program is developed based on Java 2 Micro Edition (J2ME) MIDlet suite application. The system is integrated with client-server application programs to allow the monitoring and management of medical data. An application server is responsible for handling the telemedicine session and controlling the client connection request from a remote patient. All the medical data transmitted during a telemedicine session are stored in a database together with the patient information and telemedicine session details for further assessment. These data are available to clinicians as and when required, by accessing the database via browser programs. The prototype system allowed real-world mobile tests to be carried out and provide valuable insights into real user experience with m-Health systems.EThOS - Electronic Theses Online ServiceGBUnited Kingdo

Radio frequency system for remote fish monitoring in aquaculture

Dissertação de mestrado, Engenharia Electrónica e Telecomunicações, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2017Stress is a factor that influences fish welfare. Some physiological and behavioral stress responses, such as the increase of cortisol release and heart rate, are triggered in fish and can show the severity of stress in fish. The objective of our work is to develop a system to monitor a device placed in free-swimming fish. The device has one or multiple sensors that measures parameters related with the stress or health state of the fish. The data recorded by the sensor is transmitted to a base station. Data transmission uses radio-frequency identification (RFID) technology. The tag is battery-less and receives the energy from the magnetic field provided by the base station. The system is low-cost, reliable and provides long-term monitoring. The project has been defined to use a commercial system operating at 134.2 kHz from Texas InstrumentsTM. The work carried out involved the optimization of the maximum distance between the tag and reader antenna to maintain a reliable communication. The maximum distance is defined as read range. The optimization of the read range is a crucial point on this thesis because radio waves are strongly attenuated underwater. The read range is influenced by the reader power, antennas size, antennas orientation as well as the presence of the metal in the antennas proximity. These aspects were studied in detail in this thesis. Measurements of the read range of the system were performed for a system with one reader antenna (single-antenna system) and a system with two reader antennas (multi-antenna system). For a multi-antenna system, we successfully covered the volume of a water tank with 70 cm length, 30 cm height and 40 cm width.A produção de peixes em aquacultura tem vindo a crescer exponencialmente. Atualmente, aproximadamente 50% do peixe consumido é produzido mundialmente em aquacultura. Com o objetivo de maximizar o rendimento de produção de peixe, são usadas densidades populacionais relativamente elevadas em espaços confinados. As condições de produção de peixe obrigam a ter um conjunto de preocupações com a saúde e bem-estar dos peixes por razões económicas e éticas. Em ambientes de aquacultura, é importante medir parâmetros que possam indiciar o desenvolvimento de alterações no estado de saúde dos peixes, sendo crucial para tomar medidas preventivas e impedir a propagação de doenças. Um dos indicadores mais relevantes que afeta a saúde do peixe é o stress. Quando submetidos a um stress prolongado, os peixes acabam por ficar suscetíveis a doenças, que se podem propagar rapidamente por toda a população com consequências catastróficas. É possível avaliar se um peixe está em estado de stress através de um conjunto de alterações fisiológicas e comportamentais, como por exemplo o aumento da hormona cortisol no sangue ou o aumento do batimento cardíaco. O objetivo do nosso projeto é desenvolver um sistema de monitorização capaz de detetar, em tempo real, as alterações fisiológicas ou comportamentais indicadoras de stress. O sistema implementado é constituído por um sensor ou vários sensores colocados no peixe a nadar livremente no tanque. Os dados recolhidos são então enviados por um sistema de transmissão de dados sem fios, através de ondas rádio, para uma estação base onde ocorre a monitorização dos dados. O consórcio onde foi realizado o nosso projeto (AquaExcell 2020) definiu que o sistema teria de ser um sistema comercial de identificação por rádio frequência (RFID) a funcionar a 134.2 kHz. Os sistemas RFID são usados vulgarmente na identificação e leitura de etiquetas de identificação eletrónica em animais ou objetos. O sistema RFID utilizado é um sistema passivo, em que a etiqueta eletrónica colocada no peixe não tem uma bateria. A energia que a etiqueta precisa é obtida através do sinal que é enviado pela antena do leitor. É um sistema de baixo custo, confiável e com um tempo de vida relativamente longo (duração de meses). Foi construído um sistema RFID a funcionar à frequência de 134.2 kHz usando equipamento comercial da Texas InstrumentsTM. O trabalho envolveu a otimização da distância máxima entre a etiqueta e a antena do leitor que permite obter leituras de forma confiável. Define-se a distância máxima como alcance de leitura. O alcance de leitura do sistema é um aspeto crucial porque as ondas eletromagnéticas são fortemente atenuadas pela água, que depende da frequência do sistema e da condutividade do meio. Tipicamente, um sistema a funcionar a 134.2 kHz tem um alcance inferior a um metro. O alcance de leitura do sistema depende do tipo de antenas usadas quer para a etiqueta quer para o leitor, da disposição espacial das antenas, do número de antenas e da forma como estas antenas são ligadas (em paralelo, em série, etc.). A presença de interferências externas (metais na proximidade das antenas) também condicionam o alcance. Foram realizadas experiências quer usando uma antena, quer usando duas antenas de leitura. Usando duas antenas, foi possível fazer uma monitorização em todo o volume de um tanque de água salgada de 70 cm de comprimento, 30 cm de altura e 40 cm de largura

Advanced sensors technology survey

This project assesses the state-of-the-art in advanced or 'smart' sensors technology for NASA Life Sciences research applications with an emphasis on those sensors with potential applications on the space station freedom (SSF). The objectives are: (1) to conduct literature reviews on relevant advanced sensor technology; (2) to interview various scientists and engineers in industry, academia, and government who are knowledgeable on this topic; (3) to provide viewpoints and opinions regarding the potential applications of this technology on the SSF; and (4) to provide summary charts of relevant technologies and centers where these technologies are being developed