Medición de la transpiración con la plataforma Arduino del tipo pulsera.

El agua, la humedad, son palabras que ya hemos trabajado en otros artículos de nuestra revista. El agua es fuente de vida y parte principal de nuestros organismos y hábitat de vida. Nuestra tierra, está conformada en un 70% por agua, en la misma proporción que el ser humano.

Hoy en día, como sabemos, los recursos acuíferos se han convertido en estratégicos. Es conocida en Argentina, la situación en la Patagonia. Las tierras que rodean al Lago Escondido se encuentran cercadas y en dominio del magnate Joe Lewis, impidiéndose el libre acceso a este recurso. Así también dichas tierras están en conflicto por ser reclamadas por el pueblo aborigen Mapuche. El derecho civil Argentino, considera de dominio público los lagos y ríos, y la constitución de Rio Negro obliga al libre acceso a los mismos.


De morrisseyhttps://www.flickr.com/photos/morrissey/3574362235/, CC BY 2.0, Enlace

El ser humano requiere de tomar agua para su vida, dado que el organismo la elimina por diferentes vías. Estas son: el orina, las eses, el sudor y otras evaporizaciones. El beber agua en forma adecuada ayuda a llevar nutrientes a las células, colabora con la digestión, lubrica articulaciones, ayuda a mantener sanos los riñones, zonas con mucosas, piel, boca, nariz, regula la temperatura corporal y el metabolismo, entre otras cosas. La ingesta de agua mejora el sistema inmunológico, subiendo las defensas de este sistema. No todas las bebidas cumplen estas funciones aunque tengan agua. Las bebidas alcohólicas, ¡no hidratan!. El beber alcohol genera deshidratación, ya que la persona orina más seguido, sudar más  y consumir menos agua.  Muchas de estas cosas las he aprendido con el acompañamiento a personas indigentes con problemas de alcoholismo. Debí perfeccionar estos conocimientos y sus modelos matemáticos o relaciones al comenzar a desarrollar los algoritmos del proyecto REALIDAD EMPODERADA. Este proyecto busca fomentar, y crear un medio interactivo para la formación social y empoderamiento solidario de la misma.  Para ello se diseña un entorno virtual para la formación teórica y praxis solidaria para luego pasar a una acción solidaria responsable.

Constantemente nuestro cuerpo pierde agua por medio de la transpiración. Influyendo esto en el estado de hidratación de nuestro organismo y de la piel. En especial las personas mayores deben beber más agua porque baja su porcentaje de agua en su organismo. Ni hablar, de las personas alcohólicas. Las internaciones en entidades estatales o privadas por esta situación son frecuentes y significativas. Una manera de disminuir este problema es medir la tasa de transpiración.

La aplicación que analizaremos a continuación utiliza dos sensores de humedad SHTW2. Ya hemos publicado un artículo sobre la medición de humedad y estos sensores en el 2do número de TECNOLOGIA HUMANIZADA. Estos sensores con su instalación adecuada permiten medir la tasa de transpiración con precisión. La transpiración constante, que no es otra cosa que la evaporación del agua a través de nuestra piel, crea una variación en la humedad absoluta. Dicha variación es en realidad proporcional a la tasa de transpiración. Como base para este proyecto utilizaremos la plataforma Arduino del tipo reloj y la interface que describiremos a continuación. Esta combinación se convierte en una excelente base de adquisición de datos del cuerpo.

La utilización de un sensor de humedad puede también servir para:

-Monitoreo del nivel de  hidratación de una persona.

-Seguimiento de la actividad de una persona

-Monitoreo del estado de ánimo (nivel de estrés, ansiedad)-Monitorización de relajación / sueño

-Hidratación de la piel-Alarma de “sensación de frío”

¿Cómo es posible la tasa de transpiración por medio de un cálculo tradicional?

Con unos pocos elementos es posible calcular cuanto agua se perdió mediante la realización de un ejercicio. Se necesita una balanza  con una precisión mínima de 100gr, un cronómetro, una recipiente con escala para medir el líquido a ingerir y una botella para medir el líquido perdido por medio de la orina.

Se deben hacer las siguientes mediciones:

A = Medir el peso de la persona con la menor cantidad de ropa posible en especial la que pueda humedecerse durante el ejercicio.

B = Al terminar el ejercicio secarse el sudor, y quitarse la misma ropa que antes.

C = Cantidad de agua consumida durante el ejercicio, podés medirla pesando al botella y luego la botella con el líquido a consumir. La diferencia en kgrs será equivalente a la cantidad en litros.

D = Volumen de la orina eliminada.

La cantidad de sudor perdido (E) será de: A – B – C – D.

Si deseas calcular la tasa de sudorización promedio deberás dividir el valor E obtenido por el tiempo que duró la actividad en minutos, y el valor dividirlo por 100. T = E/ ( Tiempo x 100).

Podremos calcular también la deshidratación como (A-B)/(A x100) .

Veamos cómo podemos utilizar la tecnología para monitorear la hidratación en forma activa y en tiempo real.

¿Cuánta agua perdemos a través de nuestra piel durante un día o durante el ejercicio? ¿La tasa de pérdida de agua se correlaciona con mi rendimiento?. Y si lo hace, ¿cómo puedo medirlo?. Si alguna vez ha pensado en una o más de las preguntas anteriores, ¡hay una respuesta para cada una de ellas!. Estas respuestas son entregadas por un dispositivo que llamamos “Dispositivo de medición transpiración”.

El trote se realizó en condiciones frías (10 C) con un ritmo moderado, por lo que la tasa de transpiración fue bastante baja durante la actividad en el ambiente fresco.

A continuación se puede ver el “Dispositivo de medición transpiración”.

La ley física determinante para la medición de la transpiración es la ecuación de difusión que establece cómo se comporta un grupo de micropartículas en función del movimiento aleatorio de cada micropartícula. Puedes tener más información en: https://es.wikipedia.org/wiki/Difusi%C3%B3n_(f%C3%ADsica) .

Si colocamos un cilindro hueco en la piel y medimos la variación de concentración para obtener la tasa de transpiración (ver la figura a continuación). La piel define la condición de límite inferior de la ecuación diferencial con una tasa dada de transpiración (condición de frontera de Neumann). Mientras que en el extremo superior del cilindro la concentración es igual al ambiente.

Ahora bien, el concepto por el cual nuestro dispositivo nos permite medir la transpiración  es medir la humedad absoluta (HA, que representa la concentración de agua, H2O) en dos ubicaciones separadas por un ancho fijo. Con el modelo anterior podemos calcular la tasa de transpiración de la siguiente manera (siendo D el coeficiente de difusión):

J = Coeficiente de difusión x [( Humedad Absoluta Inferior – Humedad Absoluta Superior) / Distancia de separación].

Sin embargo, el cálculo anterior no es exacto (sin considerar efectos transitorios o efectos de superficie), es necesario que exista un factor de calibración, además el proceso puede tener dependencia de la temperatura y esto también puede ser ajustado.

Se diseñaron tres circuitos impresos los cuales se los montan apilados uno sobre otro, formando un canal como el que se muestra en la imagen. En la parte superior de este canal, en comunicación con el sensor a través de un pequeño orificio (ver fotos de la capa superior), se colocaron dos sensores SHTW2 para medir la variación de la humedad absoluta. Sin embargo, el principio anterior es posible con muchos diseños diferentes, esta es solo una propuesta.

En la imagen superior se puede ver un corte del agujero que conecta el canal con el sensor de humedad. El código para calcular la humedad absoluta a partir de los valores obtenidos del sensor (humedad relativa y temperatura) y la tasa de transpiración se pueden observar a continuación. Para tener una mejor señal, se filtró la señal de temperatura sin procesar con un filtro de paso bajo de primer orden (consulte también el código a continuación).

static float absoluteHumidity(float temperature, float relativeHumidity)
{
static const float A = 6.112f; // hPastatic const float Tn = 243.12f; // °Cstatic const float m = 17.62f;return 216.7f * (relativeHumidity * 0.01f * A * std::exp(m * temperature /
(Tn + temperature)) / (273.15f + temperature));}void perspirationEngine(unsigned long timeStampMs,

float temperatureAmbientSensor, floatrelativeHumidityAmbientSensor,

float temperatureSkinSensor,

float relativeHumiditySkinSensor,

float *perspiration){

/* compute the time delta from the timestamp, the time delta will slightly
vary but this is desireable for the filter computation

*/static unsigned long timeStamp

MsLastCall = 0;

static float delta_t = int(timeStampMs – timeStampMsLastCall) / 1000.0f;

timeStampMsLastCall = timeStampMs;

/* relative humidity offset of ambient sensor */

static const float RH_OFFSET = 0.0;

/* temperature offset of ambient sensor */

static const float T_OFFSET = 0.0;

/* distance between sensors in m */

static const float D_SHT = 0.008f;

/* diffusion coefficient @ 25°C in m^2/s */

static const float DIFF_COEF_25_DEGREES = 2.6e-5f;

/* emperical constant, slope of temperature vs calibration factor */

static const float T_CORRECTION_FACTOR = 0.04f;

/* diffusion coefficient temperature dependent */

float DIFF_COEF = DIFF_COEF_25_DEGREES * T_CORRECTION_FACTOR *
temperatureSkinSensor;

float CONVERSION_FACTOR = 1.0f / D_SHT * DIFF_COEF * 3600.0f;

/* calibration factor of device */

static const float CALIBRATION_FACTOR = 1.5f;

/* define time constant for low pass filter and apply filtering on both
temperature values */

static const float TAU = 30;

temperatureAmbientSensor = firstOrder_lowPassFilter(temperatureAmbientSensor,
TAU, delta_t);

temperatureSkinSensor = firstOrder_lowPassFilter(temperatureSkinSensor, TAU,
delta_t);

/* use adjusted temperature and relative humidity to calculate absolute
humidity */

temperatureAmbientSensor += T_OFFSET;

relativeHumidityAmbientSensor += RH_OFFSET;

float absoluteHumidityAmbientSensor = absoluteHumidity
(temperatureAmbientSensor, relativeHumidityAmbientSensor);

float absoluteHumiditySkinSensor = absoluteHumidity(temperatureSkinSensor,
relativeHumiditySkinSensor);

if (absoluteHumiditySkinSensor > absoluteHumidityAmbientSensor) {

*perspiration = CALIBRATION_FACTOR * CONVERSION_FACTOR *
(absoluteHumiditySkinSensor – absoluteHumidityAmbientSensor);

} else {

*perspiration = 0.0f;

}

}

static CircularBuffer<float, 2> firstOrder_lowPassBuffer;

float firstOrder_lowPassFilter(float x, float tau, float delta_t)

{

static float alpha = delta_t / (tau + delta_t);

float y = alpha * x + (1 – alpha) * firstOrder_lowPassBuffer.get();

firstOrder_lowPassBuffer.add(y);

return y;

}

Aquí ponemos a disposición los archivos del diseño:

Archivos

Gerber

Gerber Layout

Información sobre la patente de este diseño:

Los aspectos de este diseño están protegidos por las patentes de Sensirion US 8,838,037 B2, JP 5963481 B2 y / u otras patentes pendientes. Para licencias comerciales, contacte a Sensirion. En aras de clarificar, no se otorgan derechos para usos sin un sensor Sensirion. Ni la concesión de una licencia en virtud de la (s) patente (s) mencionada (s) ni ninguna otra información o recomendación presentada en el sitio web de Senserion lo exime de la obligación de investigar la posibilidad de infracción de los derechos de terceros y, si es necesario, de aclarar la posición.

Aplicaciones en el campo del cuidado de las personas marginadas y de diferentes afecciones médicas.

Un sistema como el que describimos en este artículo puede ser muy útil como alarma en casos de deshidratación personas alcohólicas en especial en grupos de calle, es decir de personas que no poseen un hogar. Si bien el cuidado debe estar en la convivencia y visitación de los vecinos, que son quienes pueden  actuar rápidamente y contener a la persona. Este proyecto no incluye interface inalámbrica lo cual es requerido para una aplicación como la que estoy mencionando, pero podría ser utilizado sobre una plataforma como WatchX.

 

Links:

https://www.laizquierdadiario.com/La-historia-del-imperio-Benetton-el-dueno-de-la-Patagonia

https://elpais.com/especiales/2017/represion-mapuches-argentina/

https://latinta.com.ar/2017/08/imperio-benetton-dueno-patagonia/

https://es.wikipedia.org/wiki/Lago_Escondido_(R%C3%ADo_Negro)

https://www.sensirion.com/

Gustavo Reimondo
Acerca de Gustavo Reimondo 23 Artículos
Gerente de Tecnología Humanizada. Coordinador del proyecto Realidad Empoderada. Un proyecto de realidad virtual para la concientización en una praxis solidaria. Miembro del grupo: "La familia de la calle", organización conformada por personas indigentes y no indigentes en una relación igualitaria. Coordinador de proyectos de Infraestructura Física de Telecomunicaciones. Experto en Robótica, Instrumentación & Control, IoT, Sensórica y sistemas microcontrolados.

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