Informe de Seguimiento del Proyecto DSH (Dispositivo sensorial para hogares)

Introdução 

Considerando que a esperança de vida da humanidade aumentou, especialmente nos países desenvolvidos, a população de idosos aumentou consideravelmente nos últimos anos. Da mesma forma, como consequência, o número de emergências de saúde que ocorrem nas suas casas aumentou. Atualmente, para evitar isto mesmo, é necessário que membros da família, cuidadores ou mesmo centros de saúde estejam em constante comunicação com pessoas idosas, pois quanto mais velha a pessoa for, mais essas situações se podem tornar complicadas e perigosas para as suas vidas. 

A vida deste projeto foi realizada seguindo um planeamento que consiste em diferentes etapas do projeto, a primeira fase focada no estudo, a segunda na conceção do dispositivo e a terceira no seu desenvolvimento. A etapa de estudo foi baseada na realização do estado da arte, a fim de conhecer os avanços que têm sobre o tema da segurança no lar de idosos com o uso da tecnologia. Ao fazer o estado da arte na área, pudemos destacar que muitos estudos focaram em temas como a melhoria da vida diária dos idosos utilizando um sistema de sensores em casa; alerta de emergência utilizando dispositivos wearables (pulseiras, relógios, tornozeleiras, roupas, entre outros); e alerta de emergência utilizando dispositivos simples para o lar (não requer grande instalação). Cada tópico será descrito abaixo com exemplos de trabalhos realizados nessa área. 

O Dispositivo Sensorial para Lares (DSH) é um dispositivo não invasivo que é projetado para ser um sistema que esteticamente se parece com um simples objeto decorativo da casa e que internamente tem todos os sensores necessários para realizar o reconhecimento dos padrões de vida diária do usuário (pessoas que normalmente estão perto dele), além disso, através da inteligência artificial será capaz de realizar um treino, melhorando continuamente os padrões de vida armazenados, o dispositivo deve ser colocado na sala em que o utilizador executa a maioria das atividades ou passa mais tempo. Em princípio, pensou-se que o assistente DSH deveria ser colocado na sala, uma vez que muitos destes idosos passam muito do seu tempo a ver televisão nesse local. 

O principal objetivo do DSH é ser capaz de gerar e treinar continuamente o padrão de vida da pessoa idosa (utilizador final), com o objetivo de alertar os familiares ou os centros de saúde mais próximos quando os utilizadores idosos tenham sofrido uma emergência como uma queda, algum problema motor ou cognitivo, entre outros aspetos que possam ser detetados pela mudança de comportamento na sua vida quotidiana, para que os possam assistir antes que a situação apresentada se agrave. 

Este dispositivo destina-se a ser um objeto decorativo nas casas de pessoas idosas, especialmente se a pessoa vive sozinha ou se passa muito tempo sem supervisão. Numa base diária, o dispositivo recolhe informações sobre o comportamento da pessoa e as medições ambientais, e envia todas as informações para uma base de dados que será utilizada para formar uma rede neural para reconhecer os padrões de comportamento acima mencionados. 

Ao longo deste documento serão mencionados alguns trabalhos realizados anteriormente na área de estudo. Por outro lado, vai descrever todos os detalhes que foram considerados ao projetar e desenvolver o dispositivo final, incluindo os diferentes elementos eletrónicos utilizados e as conexões feitas. Além disso, serão mencionadas as considerações tomadas ao nível do desenvolvimento de software. 

Estado da arte 

Algumas das alternativas mais estudadas ou utilizadas para proporcionar segurança nos lares de idosos são observadas a seguir. 

- Melhorar a vida quotidiana utilizando um sistema de sensores em casa. 

Alguns estudos tomaram a iniciativa de utilizar sensores em todas as divisões da casa para criar um padrão de vida da pessoa idosa. Como exemplo, podemos observar o estudo realizado por (Pollack et al., 2003), que propõe um sistema de lembretes adaptativos e personalizados que permite fazer uma escolha inteligente sobre se se deve ou não emitir um lembrete específico ou se deve ou não avançar ou atrasar o tempo do mesmo (dependendo das atividades que o utilizador está ou vai realizar). No entanto, embora isto possa ajudar a planear a rotina da pessoa idosa, como mencionado anteriormente, não há qualquer aviso se estas atividades planeadas não forem realizadas corretamente, o que pode indicar a presença de um possível problema que exija atenção. 

Outro projeto que tem como objetivo a utilização de múltiplos sensores no lar é observado em (Lago, 2018), neste estudo é apresentado ao sistema LaPlace, que é responsável por gerenciar os padrões de comportamento observados no usuário, fazendo um aprendizado constante desse padrão de vida. Este estudo especifica que tal aprendizagem adaptativa pode ser utilizada para observar mudanças no comportamento habitual da pessoa, permitindo a detecção de possíveis problemas de saúde cognitivos ou físicos. No entanto, este trabalho não especifica a ação que o sistema irá realizar ao testemunhar uma mudança no comportamento habitual do usuário, além disso, o artigo não menciona os tipos de sensores que foram utilizados para o estudo. 

Há outros estudos, conforme detalhado em (Botia, 2012), que segue o mesmo princípio dos dois estudos descritos acima, este propõe um sistema de sensores colocados em cada um dos quartos da casa do usuário, o sistema é composto por: 

- Sensores de movimento em todas as salas. 

- Sensores de pressão em diferentes móveis da casa. 

- Sensores em todas as portas, para que seja possível saber quando abrem e fecham. 

Este projecto destina-se a alertar as famílias dos idosos no momento em que estes apresentam uma queda ou outra emergência observada pelo comportamento anormal nas respostas obtidas pelos sensores, por outro lado, o sistema está a aprender ao longo do tempo, pelo que o seu alarme será cada vez mais preciso. 

Os principais problemas que estes três sistemas têm (do nosso ponto de vista), concentram-se em dois aspectos, primeiro, o sistema requer uma instalação exaustiva, uma vez que é necessário colocar sensores diferentes em todas as divisões da casa, tendo por vezes de instalar mais de um sensor por divisão. Isso pode causar insegurança ou desconforto ao usuário final (o idoso), pois ele sentirá que está sendo invadido em sua própria casa. Por outro lado, o segundo aspecto que poderíamos observar sobre este tipo de sistemas é o custo desta instalação, uma vez que é um sistema de grande escala que deve cobrir toda a casa da pessoa, por conseqüência, o custo inclui o trabalho do pessoal para a instalação, incluindo, além disso, o custo dos diferentes sensores para colocar. DSH, por outro lado, destina-se a ser um único dispositivo que esteticamente não se destaca em comparação com qualquer artigo de decoração de casa, e a única coisa necessária para a instalação é ser conectado à corrente, sendo assim um dispositivo muito mais barato e menos invasivo. 

• Alerta de emergencia usando sistemas tecnológicos sencillos para el hogar 

El estudio descrito en (Joshi y Nalbalwar, 2017), presenta un sistema compuesto por una única cámara que se encarga de recoger información de la vida del usuario, este sistema al igual que el asistente de hogares DSH, está pensado para ser colocado en la habitación de mayor uso por parte el usuario. El sistema tiene un proceso que analiza la información obtenida por la cámara, la cual se encarga de percatar si el usuario de edad avanzada ha sufrido una caída. Por otra parte, notifica por medio de un correo electrónico a las personas indicadas previamente en el sistema, a las cuales se les envía de forma adjunta parte del video grabado y una captura de pantalla, además de esto, es posible observar una transmisión directa de la sala del hogar. En comparación a los estudios descritos anteriormente, este sistema realiza todo el proceso deseado por un bajo costo de instalación, sin embargo, no es capaz de observar otro tipo de emergencias que pudieran ocurrir fuera de la zona visualizada, ya que el sistema no considera el tiempo en que el usuario no está en su campo visual, por otro lado, al utilizar una cámara de vídeo, este sistema no tendrá la aceptación deseada, teniendo en cuenta que muchos de los usuarios piensan que la cámara es un dispositivo muy invasivo. 

Otro estudio que está pensado en ayudar a las personas mayores a un bajo costo es propuesto por (Principi, 2015), en este se tiene un dispositivo con sensores de audio que se encuentra conectado mediante una red local a todos los dispositivos posibles. El sistema permite que el usuario mediante comandos de voz desencadene llamadas telefónicas automáticas como alerta de socorro a un familiar o centro de salud previamente indicado en las configuraciones, de modo que estos presten la asistencia necesaria. Todos estos aspectos serán considerados por el dispositivo DSH, pero además de estos, el dispositivo propuesto en nuestro proyecto incluye otros sensores con la finalidad de no solo funcionar mediante comandos de voz, sino también para percibir cambios en la conducta diaria de la persona, por si esta se ve incapaz de pronunciar el comando de voz, sea posible identificar la emergencia mediante otros aspectos. 

• Análisis del comportamiento del usuario con dispositivos wearable. 

Uno de estos trabajos se describe en (Pierleoni, 2014), en el cual se diseña un dispositivo para ser usado en el tobillo del usuario, este es capaz de enviar mensajes de alerta a los teléfonos previamente configurados en el sistema, estas alertas son enviadas cuando el dispositivo detecta que la persona mayor ha sufrido una presunta caída, por otra parte, si la persona no se levanta por un periodo de tiempo, se envía un segundo mensaje de alerta de caída crítica. 

Otro estudio que se centra en el uso de dispositivos wearable se detalla en (Chernbumroong, 2013), este diseña un sistema que está conformado por tres sensores, un acelerómetro, un sensor de temperatura y un altímetro. En el estudio se plantea que con estos tres sensores es posible la generar la correcta clasificación de la mayoría de las actividades que son realizadas por las personas mayores. Este sistema es insertado en un reloj deportivo común, de forma que los usuarios no sientan diferencia de utilizar este dispositivo a un accesorio normal para ver la hora. Los datos obtenidos son procesados para crear patrones de comportamiento, pudiendo clasificar los movimientos realizado por el usuario en 9 diferentes actividades de la vida cotidiana de la persona. Sin embargo, dicho estudio solo desarrolla la información del reconocedor de actividades, no indicando la posibilidad de detectar caídas u otras emergencias con el dispositivo diseñado. 

Es necesario destacar que estos dos estudios mencionados anteriormente se basan en diseñar dispositivos wearables, los cuales requieren, que para su buen funcionamiento, la persona de mayor edad se coloque (use) el dispositivo a diario, es necesario recordar que las personas mayores pueden olvidar realizar dicha acción, además, muchas veces no quieren sentirse identificados como dependientes de dicho dispositivo al utilizarlo en la calle, sin tener en cuenta que estos pueden incomodarles por no estar acostumbrados a llevar dichos accesorios. 

En la actualidad hay dispositivos y sistemas de hogar en venta para este propósito, sin embargo, al igual que los estudios descritos anteriormente, dichos productos no han tenido gran aceptación, porque en su mayoría son considerados invasivos (por todo lo mencionado anteriormente), o por otro lado, son olvidados o no usados al ser un dispositivo wearable, ya que es posible que a la persona de edad avanzada les incomode usarlos o simplemente se les olvide colocárselos diariamente, por otro lado, hay dispositivo que incluso es necesario que el usuario presione un botón para enviar el mensaje de socorro, lo cual presenta mayores inconvenientes, ya que es posible que el mismo usuario se encuentre inmóvil al caerse o tener otro tipo de problema de salud. 

Hardware 

O protótipo desenvolvido é um dispositivo não invasivo do ponto de vista do quotidiano, uma vez que não faz gravações vídeo da área em que se encontra e, portanto, das pessoas que o rodeiam. Este dispositivo consiste num conjunto de sensores (nove para ser exatos), que pode medir os diferentes sinais obtidos a partir do ambiente, por outro lado, este dispositivo foi desenvolvido em raspberry pi, para obter como resultado a criação de um dispositivo portátil e poderoso. 

Software 

Com relação ao software, foi mencionado anteriormente que o sistema operacional usado é o GNU/Linux baseado no Debian, chamado Raspbian, já quese utilizou um Raspberry como dispositivo base. Por outro lado, a codificação de cada um dos sensores utilizados foi feita na linguagem de programação Python. Foi necessário baixar bibliotecas para usar corretamente alguns sensores, enquanto em outros casos foi necessário programar totalmente a operação do sensor com base na folha de dados. 

Outro aspeto importante a destacar é que os sensores podem funcionar de duas formas, isto dependerá do tempo entre uma saída e outra do mesmo sensor. Neste dispositivo será possível observar sensores que funcionam por eventos, estes eventos ativam os sensores, e estes por sua vez, ativam o seu pin de saída; por outro lado, são os sensores que periodicamente obtêm informações do ambiente circundante. A Tabela 3 mostra esta classificação na saída do sensor. 

Por outro lado, existem sensores que requerem o uso da interface i2c, que é um bus útil que permite a troca de dados entre microcontroladores e periféricos com um mínimo de fiação. As transferências de dados são realizadas através da linha serial de dados SDA, enquanto a linha SCL carrega o sinal de relógio que sincroniza os dados da linha SDA.

Tabela 3. Gestão da Saída do Sensor 

Os sensores que periodicamente coletam informações fazem-no em um horário configurável no código fonte do dispositivo desenvolvido, no momento, as informações são coletadas a cada 5 minutos, enviando essas informações para um banco de dados, que inclui o momento em que o sinal foi percebido. Por outro lado, os sensores que coletam informações dependendo de um evento, como, por exemplo, o sensor de movimento, que é ativado quando detecta um movimento no seu campo de visão;  também envia essas informações para o banco de dados para armazenar esses eventos juntos no momento em que ocorreram. 

Por outro lado, e não menos importante, foi instalado um botão que permite ligar e desligar o Raspberry, este botão liga o dispositivo para ligar a terra (GND) à porta 5 do Raspberry (SCL) (GPIO3), enquanto faz o desligamento através do pin 13 (GPIO27). 

Toda essa informação dos sensores será usada para treinar um sistema de neuronas a fim de gerar um padrão de vida cotidiana, e ser capaz de detectar problemas quando os sensores coletam informações que estão fora desse comportamento cotidiano. Em princípio, estes alertas serão notificados ao cuidador ou familiar do idoso, da mesma forma que poderá informar as organizações de saúde que se encontram perto da casa deste utilizador. 

O projeto na atualidade 

Atualmente, este projeto concluiu a fase de concepção e desenvolvimento do primeiro protótipo. Por outro lado, os avanços deste projeto foram apresentados no Encontro de Investigadores "Investigação e Envelhecimento: Respostas para dar qualidade à vida", promovido pelo Centro Internacional sobre o Envelhecimento (CENIE, 2019). As figuras 17 e 18 mostram esta apresentação. 

Fig. 17 Encontro de Investigadores. 

Fig. 18 Apresentação do projecto no Encontro de Investigadores 

Por outro lado, na figura 19 pode ser observado o primeiro protótipo do projeto, neste observam-se alguns sensores, como o de movimento, o de temperatura e humidade, o de infravermelhos para identificar o uso do controlo remoto, o de sensor de fogo e o de intensidade de luz. Para este primeiro protótipo foi implementada uma aplicação do clima, que pode ser vista nesta figura, no entanto, o objetivo final do dispositivo é o de um retrato digital, onde os usuários podem colocar as suas fotos de família e pessoais. 

Fig. 19 Primeiro protótipo do projeto 

Na figura 20 temos uma visão lateral do dispositivo, neste observa-se os sensores de gás e o sensor de temperatura e pressão. 

Fig. 20 Vista lateral do protótipo  

Referencias 

Botia J., Villa A. y Palma J. (Julio, 2012). Ambient Assisted Living system for in-home monitoring of healthy independent elders. Expert Systems with Applications,39(9), pp. 8136-8148. 

CENIE (Junio, 2019). Investigación y envejecimiento: Respuestas para dar calidad a la vida. Recuperado de https://cenie.eu/es/actividades/el-encuentro-de-investigadores-del- cenie-abre-las-puertas-nuevas-soluciones-para-dar. 

Chernbumroong S., Cang S., Atkins A. y Yu H. (Abril, 2013). Elderly activities recognition and classification for applications in assisted living. Expert Systems with Applications, 40(5), pp.1662-1674. 

Lago P., Roncancio C. y Jiménez-Guarín C. (Septiembre, 2018). Learning and managing context enriched behavior patterns in smart homes. Future Generation Computer Systems, 91, pp.191-205. 

Joshi N. y Nalbalwar S. (Mayo, 2017). A fall detection and alert system for an elderly using computer vision and Internet of Things. En 2017 2nd IEEE International Conference on Recent Trends in Electronics, Information & Communication Technology (RTEICT) (pp. 1276-1281). Bangalore, India 

Pierleoni P., Belli A., Palma L., Pernini L. y Valenti S. (Octubre, 2014). A Versatile Ankle-Mounted Fall Detection Device Based on Attitude Heading Systems. 2014 IEEE Biomedical Circuits and Systems Conference (BioCAS) Proceedings. Lausanne, Switzerland 

Pollack M., Brown L., Colbry D., McCarthy C., Orosz C., Peintner B., Ramakrishnan S. y Tsamardinos I. (Septiembre, 2003). Autominder: an intelligent cognitive orthotic system for people with memory impairment. Robotics and Autonomous Systems, 44(3-4), pp. 273-282. 

Principi E., Squartini S., Bonfigli R., Ferrori G y Piazza F. (Agosto, 2015). An integrated system for voice command recognition and emergency detection based on audio signals. Expert Systems with Applications, 42(13), pp. 5668-5683.