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Sensores para dispositivos vestíveis industriais
Um ambiente de trabalho seguro e protegido é essencial para os funcionários e empregadores. Todas as unidades industriais, grandes ou pequenas, devem incorporar a segurança em suas instalações de trabalho. A tecnologia vestível permite que as indústrias monitorem e mantenham a segurança dos funcionários no chão de fábrica. Sensores impulsionados pelo amplo uso da IIoT (Internet Industrial das Coisas) e tecnologia sem fio permitem que um número crescente de dispositivos ou equipamentos industriais incorpore recursos como soluções ultracompactas, alta precisão, resistência a meios agressivos e eficiência energética. Eles são vitais para a Indústria 4.0, pois aumentam a eficiência operacional, otimizam os processos de negócios e reduzem o tempo de inatividade. Discutiremos neste artigo a relevância dos dispositivos vestíveis industriais, as técnicas-chave de comunicação e localização, e o papel dos dispositivos vestíveis na garantia da segurança ocupacional.
Por que os dispositivos vestíveis são necessários?
Os dispositivos vestíveis industriais são amplamente utilizados em ambientes de manufatura para realizar várias tarefas que melhoram a segurança ocupacional. Eles possuem a capacidade de monitorar os fatores fisiológicos dos funcionários, melhorar a eficiência operacional, promover o ambiente de trabalho e melhorar a saúde dos trabalhadores. Os trabalhadores podem acessar informações por meio desses dispositivos vestíveis, ajudando a consultar documentos técnicos, solicitar suporte virtual e coletar dados por meio de comandos de voz, enquanto executam tarefas manuais simultaneamente. Os dispositivos vestíveis levam a uma melhoria na eficiência e na tomada de decisões. A IIoT proporciona uma visão mais ampla e uma compreensão mais profunda dos processos industriais, integrando diferentes sensores, dispositivos vestíveis, software e ferramentas de processamento de dados.
Alguns dos dispositivos vestíveis de monitoramento industrial usados são rastreadores de atividade física, anéis inteligentes, óculos inteligentes, adesivos/sensores acoplados ao corpo, roupas inteligentes, dispositivos vestíveis implantáveis, pulseiras inteligentes, roupas inteligentes, botas inteligentes, pedômetros digitais, óculos inteligentes, capacetes e visores holográficos, entre outros.
Fatores a serem considerados para Dispositivos Vestíveis Industriais
Os dispositivos vestíveis industriais são compostos por vários sensores capazes de medir/capturar informações vitais humanas que podem ser facilmente vestidos ou retirados do corpo humano. Eles também podem ser incluídos em acessórios vestíveis ou roupas. Eles são considerados ferramentas essenciais para a saúde de precisão. Os dispositivos vestíveis são encontrados para eliminar ou reduzir o risco de acidentes físicos e mentais nos locais de trabalho. Por exemplo, alguns dispositivos vestíveis monitoram a distância entre os trabalhadores e as máquinas. Esses dispositivos alertam o usuário se o trabalhador se aproximar demais das máquinas.
As funções dos dispositivos vestíveis industriais podem ser classificadas em quatro grupos: monitoramento, rastreamento, suporte e treinamento. Eles fornecem uma classificação das métricas coletadas pelos dispositivos vestíveis para entender melhor o papel potencial da tecnologia vestível na preservação da segurança no local de trabalho. Os dispositivos vestíveis facilitam a comunicação entre os trabalhadores, simplificam a gestão de informações, treinam os trabalhadores e monitoram seus parâmetros de localização.
As funções incluídas nos dispositivos vestíveis abrangem um pedômetro, monitoramento da frequência cardíaca, acompanhamento do desempenho esportivo, medição bio-potencial, medição de bioimpedância e medição de oxigênio no sangue. As informações sobre os parâmetros vitais fornecem ao empregador e ao funcionário uma ideia da prontidão deste último para o processo de trabalho, do ponto de vista físico e psicológico. Conhecer os parâmetros ambientais, como radiação e temperatura no local de trabalho, permite que uma organização controle o ambiente da fábrica, previna emergências e prepare um plano de evacuação eficaz. Os dispositivos vestíveis também podem ser incorporados aos Equipamentos de Proteção Individual (EPIs) para desempenhar uma função protetora.
Algumas das considerações de design para dispositivos vestíveis são:
- Eles devem ter um tamanho pequeno e serem leves.
- Eles devem consumir pouca energia e usar tecnologia de conectividade eficiente. O design de chips de corrente quiescente baixa é adequado para um tempo de espera prolongado.
- Esses dispositivos devem ser altamente confiáveis, pois precisam funcionar em diversos ambientes. Um bom design mecânico é essencial.
- O dispositivo deve possuir fusão multissensorial com baixo consumo de energia.
- Deve ter conectividade Bluetooth e Wi-Fi de baixo consumo de energia para acessar outros dispositivos inteligentes.
Solução de roupas inteligentes
Roupas inteligentes é o termo usado para dispositivos eletrônicos que utilizam vários sensores para se comunicar com dispositivos conectados (como smartphones) e com o corpo do usuário. A Figura 1 mostra uma solução de roupas inteligentes. Este produto ajuda a minimizar riscos, garantir a segurança, maximizar o controle e melhorar a produtividade. As roupas inteligentes estão em conformidade com a legislação governamental aplicável.
As vestimentas inteligentes conectam os trabalhadores, seus supervisores e também os escritórios do local. Esses sensores trabalham juntos em uma única plataforma para fornecer alertas, rastrear e relatar. Sensores em roupas inteligentes incluem bandas de cabeça que medem a atividade cerebral, correias cardíacas usadas no peito, monitores de postura para detectar postura e sensores que medem pressão arterial, fluxo sanguíneo, pulsação, níveis de oxigênio no sangue, movimento muscular, gordura corporal e peso corporal.
Sensores usados em dispositivos vestíveis
Os dispositivos vestíveis podem ter diferentes tipos de sensores, dependendo da aplicação-alvo. Diferentes sensores coletam diferentes tipos de dados, que podem ser digitais ou baseados em sinais analógicos. Os sensores coletam dados sobre as propriedades físicas ou químicas do corpo e do ambiente, fornecendo informações valiosas. Sensores biométricos medem a frequência cardíaca, a variabilidade da frequência cardíaca (VFC), a resposta galvânica da pele (GSR) ou a pressão sanguínea; sensores ambientais fornecem dados de temperatura, pressão ou luz ultravioleta. Um acelerômetro de 3 eixos, giroscópio, magnetômetro e altímetro barométrico são alguns dos sensores de movimento, sensores de interface humana medem proximidade, gesto ou posição.
Tecnologia vestível
Um dispositivo de saúde vestível é um sistema autônomo e não invasivo que executa uma função médica específica, como monitoramento ou suporte. Dispositivos vestíveis devem satisfazer dois requisitos básicos para qualquer dispositivo IoT, ou seja, atender às soluções de comunicação e poder acessar a Internet. Eles se tornaram um dos conceitos mais importantes da IoT, formando a Internet das Coisas Vestíveis (IoWT) como um segmento promissor em crescimento.
A arquitetura central para um dispositivo vestível inteligente consiste em uma combinação de um microprocessador ou microcontrolador, ou um CI semelhante. Ele possui alguns sensores microeletromecânicos (MEMS), pequenos atuadores mecânicos, um IC de Sistema de Posicionamento Global (GPS), conectividade Bluetooth/celular/Wi-Fi para coletar/processar e sincronizar dados, eletrônicos de imagem, bateria recarregável ou célula primária (não recarregável) ou pacote de bateria e eletrônicos de suporte. Sensores com interface digital são controlados usando comunicação padrão, como I2C ou interface periférica serial (SPI). Sensores analógicos precisam de um AFE (Front-end analógico) composto por amplificadores operacionais (amplificadores op), filtros e conversores analógico-digital (ADCs) para converter o sinal analógico em um sinal digital que pode ser processado pelo microcontrolador.
A Figura 2 representa um diagrama de blocos genérico de um dispositivo vestível. Os principais blocos funcionais são mostrados, como CPU, front-end analógico (AFE), sensores (digitais e analógicos), display, gerenciamento de energia, áudio e blocos de rede.
Os dispositivos vestíveis podem usar vários protocolos de comunicação, incluindo Wi-Fi, Bluetooth Clássico, ZigBee e interfaces proprietárias específicas de empresas. Muitos OEMs optam por protocolos proprietários, pois são eficientes em termos de energia. Os protocolos de comunicação sem fio têm desempenhos diferentes em termos de distância de transmissão/recepção, taxa de transferência de dados e consumo de energia. O Bluetooth de Baixa Energia (BLE) pode alcançar a menor potência possível para comunicação de curto alcance. Ele consome substancialmente menos energia enquanto mantém uma alta taxa de transferência de dados (24 Mbps). O ZigBee estende o alcance operacional para 1500m em linha de visão, consumindo menos energia. A taxa de transferência de dados, no entanto, é limitada a 1 Mbps. Por outro lado, o LoRa combina baixo consumo de energia com um alto alcance operacional (até 10 Km em áreas rurais), mas com baixa taxa de transferência de dados (50 kbps).
Técnicas de economia de energia
Um dispositivo vestível que fica sem energia não é desejável em nenhuma circunstância. A vida útil da bateria é uma questão vital nos dispositivos vestíveis. A energia fornecida pela bateria é limitada e, portanto, há um limite para a vida útil do sistema antes que seja necessária a recarga ou substituição da bateria. O dispositivo pode gerenciar eficientemente a energia de várias maneiras.
- O dispositivo vestível pode alternar o controlador do modo ativo para o modo de repouso e vice-versa. O dispositivo deve usar o modo ativo apenas durante a aquisição e o processamento de dados. Os modos de economia de energia incluem os modos ocioso e de repouso, nos quais diferentes periféricos e até mesmo a CPU principal são desligados para o mínimo consumo de energia.
- Outras técnicas de economia de energia incluem a escolha de uma frequência de aquisição adequada e precisão na conversão analógica para digital.
- A lógica assíncrona estende o conceito de circuitos sem clock. Esta abordagem utiliza um protocolo entre blocos funcionais para indicar quando o resultado de um bloco é válido para o próximo, em vez de sincronizar tudo com uma borda de clock.
- Outras técnicas de economia de energia incluem a escalonamento de tensão e clock. O processo reduz ambos quando há pouca demanda do processador. Isso aborda o consumo de energia ativo, enquanto os modos de espera, repouso e repouso profundo focam na energia estática.
- Técnicas para reduzir a energia estática incluem o gating de clock e tensão, que remove o clock e/ou a alimentação de blocos de circuitos quando eles não estão em uso e não há consumo de energia.
Vantagens dos dispositivos vestíveis
Os dispositivos vestíveis aumentam o faturamento e melhoram a cadeia de suprimentos estabelecendo novos padrões de eficiência. A tecnologia transforma a maneira como os funcionários trabalham e resolve muitos desafios do setor.
- Os dispositivos vestíveis oferecem transmissão, armazenamento e exibição seguros de informações e acesso rápido a notificações.
- Os bens não colidem, pois os dispositivos vestíveis podem rastrear objetos e sensores de detecção de proximidade evitam acidentes industriais.
- O trabalho pode ser facilmente distribuído entre os locais de operação, pois os sensores podem observar trabalhadores e equipamentos em tempo real.
- O gerente de segurança pode organizar evacuações de forma eficiente, pois a localização de cada funcionário é conhecida. Há uma distribuição adequada de ajuda e força de trabalho, e é possível evitar acesso não autorizado ao local de trabalho ou equipamento.
- Alguns dispositivos vestíveis podem fornecer uma análise detalhada das ações realizadas pelo trabalhador. O indivíduo pode analisar os erros para prevenir sua recorrência.
Papel da realidade virtual (RV) e realidade aumentada (RA) em dispositivos vestíveis industriais
A RA é utilizada em diversas soluções industriais, incluindo montagem, seleção de peças e kits, testes e inspeções, treinamento e manutenção, entre outros, para exibir imagens virtuais interativas passo a passo em qualquer superfície de trabalho usando uma combinação de display e sensores de visão. A RA permite a criação de diagramas e gráficos virtuais, que auxiliam na compreensão do trabalhador. É possível treinar os funcionários em tarefas complexas usando capacetes de RV e RA antes de realizá-las na realidade, minimizando a possibilidade de danos e muito mais com experiência prática. Instruções de trabalho usando soluções AR guiadas podem incluir inspeções rápidas em qualquer etapa sem afetar o tempo de ciclo. Essas tecnologias facilitam não apenas o aspecto do treinamento, mas também as operações diárias das indústrias, o que pode impactar significativamente o crescimento da organização.
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* Texto originalmente publicado em: link adaptado pela Equipe Embarcados
