Relatório Técnico Veloguia: Um dispositvo de orientação GPS e

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Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR
Departamento Acadêmico de Eletrônica – DAELN
Departamento Acadêmico de Informática – DAINF
Engenharia de Computação
Oficina de Integração 3 (IF66J) – S71 – 2016/2
Relatório Técnico
Veloguia: Um dispositvo de orientação GPS e
monitoramento de frequência cardíaca para
ciclistas
Guilherme Jacichen – [email protected]
Jessica I. Sampaio – [email protected]
Tomás Abril – [email protected]
Outubro de 2016
Resumo
Esse relatório aborda o processo de desenvolvimento de um dispositivo
com navegação GPS para ciclistas. Tal dispositivo seria capaz de relacionar parâmetros de desempenho do usuário, como velocidade e frequência cardíaca, com a sua localização no momento da medição através de
um aplicativo Android. O projeto Veloguia consiste em uma pulseira com
o módulo Arduino Pro Mini e um sensor de pulsação, que se comunicam
através de Bluetooth do celular. O aplicativo foi desenvolvido em Android
Studio v2.2.2 com os serviços da APIGoogle Maps. A API fornece o serviço
Location capaz de fornecer dados de geolocalização que são convertidos
em gráficos ao final do percurso. O sensor de pulsação fornece a frequência cardíaca obtida do usuário durante o percurso de bicicleta. Foi utilizado o Arduino IDE para a programação do software embarcado da pulseira, bem como do tratamento dos sinais do sensor de pulsação. Obtevese um sinal tratado para a frequência cardíaca adequado em relação aos
relógios esportivos profissionais. Portanto, a pulseira desenvolvida pode
ser utilizada por ciclistas que desejam a geolocalização como uma funcionalidade extra durante o exercício.
1 Introdução
A motivação para a criação deste gadget provém da tentativa de trazer os aplicativos de geolocalização e mobilidade (ex.: GPS). A análise de sinais vitais é
uma tendência atual na integração de serviços de qualidade de vida em dispositivo vestíveis (wearable) [1, 2]. Desta forma, idealizou-se usar uma pulseira que
ajude na localização de ciclistas ao mesmo tempo que relaciona o desempenho
do usuário à sua localização.
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O presente relatório tem por objetivo abordar as etapas de desenvolvimento
do projeto de um sistema para auxílio na mobilidade e qualidade de vida de ciclistas. Tal criação permitiria a orientação do usuário através de sinalizações que
não retirem sua atenção visual na rota percorrida, como vibrações e alarmes sonoros. O sistema proposto ainda realiza a aferição dos batimentos cardíacos do
usuário durante o percurso e mapeia para cada ponto do trajeto uma estimativa
do esforço físico dispendido, gerando gráficos que associem tanto o desempenho do ciclista como uma estimativa do seu gasto energético.
O projeto é dividido em duas partes: um sistema embarcado preso ao pulso
do usuário e uma estação base para tratar os dados. A primeira trata-se de um
dispositivo contendo um módulo Bluetooth conectado a uma placa microcontrolada programável compacta, o Genuino (Arduino) Pro Mini. Outros componentes foram adicionados nessa estrutura para permitir a interação com o usuário, tais como motores LRA (para vibração), LEDS, botões e um sensor para a
aferição dos batimentos cardíacos. A segunda parte é um aplicativo para celular
smartphone que possui interface com o usuário e que tratará o sinal proveniente do sensor de batimentos cardíacos de forma que represente-o mais fielmente. Através da interface o usuário poderá configurar seu dispositivo, além
de escolher o modo de operação: "Navegação"caso deseje encontrar uma rota
entre dois locais para percorrer, ou "Corrida Livre"caso deseje apenas realizar
exercício. O sistema embarcado se comunica com a estação base através da tecnologia Bluetooth. A figura 1 ilustra o sistema simplificado.
Figura 1: Diagrama de blocos simplificado indicando os componentes do sistema proposto.
Com o projeto inicial do sistema para construção, o requisitos funcionais
que a equipe considerou importantes foram levantados. Assim, determinou-se
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que o sistema deve:
1. Permitir o usuário selecionar o modo de operação do dispositivo (Navegação ou Corrida Livre);
2. Permitir selecionar uma trajetória com origem e destino para o modo Navegação;
3. Emitir alertas durante a trajetória no modo Navegação;
4. Aferir os dados de pulsação do usuário em ambos modos de operação;
5. Armazenar os dados de posição, altitude, velocidade e pulsação do usuário em ambos os modos de operação;
6. Gerar a partir dos dados gráficos ao final da corrida;
7. Exibir estimativa do gasto energético total ao final de uma corrida;
8. Permitir o usuário ajustar a posição do sensor de pulsação.
Da mesma forma foram levantados os requisitados não funcionais, chegando
a conclusão de que o sistema deve:
1. Ser robusto para não tirar o sensor de pulsação do lugar enquanto utilizado;
2. Ser leve (pesar menos que 300 gramas);
3. Possuir sistema de alerta que desperte a atenção do usuário;
4. Ser resistente à suor;
5. Possuir uma autonomia de bateria suficiente para pelo menos uma corrida (aproximadamente 1h);
6. Possuir uma acurácia de 90% para a aferição dos batimentos cardíacos em
pelo menos 60% do tempo;
2 Sistema Embarcado
A seguir será discutido como foi desenvolvido o sistema embarcado (hardware
e software) e como são coletadas as informações do sensor de pulsação.
2.1 Estrutura Física
Como quesito principal a estrutura física deveria ser leve para que o ciclista não
senti-se incomodado ao utilizar a pulseira. Decidiu-se por fazê-la com plástico
ABS por atender esse critério. Determinou-se a melhor montagem com os componentes fundamentais (Arduino, Shield Bluetooth e Shield USB to Serial ) para
o melhor aproveitamento de espaço. Decidido a estrutura e com todas as medidas dos componentes, utilizou-se o software Solid Works para desenvolver a
representação tridimensional da estrutura. É possível ver o resultado final na
figura 2. Essa estrutura foi impressa em uma impressora 3D da Universidade.
Os motores hápticos foram colocas na pulseira de velcro fixado ao pulso,
porque a proximidade com a pele é necessária para produzir o alerta vibracional. Os alertas também são indicados por dois LEDs amarelos, posicionados
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conforme a deireção que indicam (esquerda ou direita). O heartbeat é indicado
pelo LED vermelho, a conexão através do Bluetooth pelo LED azul, e o LED verde
indica que a pulseira está ativa como observado na figura 2.a. Externamente
também foi colocado um buzzer para alarme sonoro e um push botton para ligar a pulseira. O invólucro possui uma abertura para passar os cabos do sensor
de pulsação e os atuadores LRA.
Internamente encontra-se o Arduino Pro Mini programado para detectar
as pulsações sanguíneas e o módulo Bluetooth para a comunicação(vide figura
2.d). Na fase de teste foi utilizado um módulo USB to Serial para carregar o programa no microcontrolador Arduino.
(a)
(b)
(c)
(d)
Figura 2: Invólucro desenvolvido para a abrigar os componentes da pulseira (a) Vista
isométrica do invólucro (b) Corte lateral do invólucro (c) Visão inferior da base (d) Visão
superior sem topo, em azul o Módulo Bluetooth e em Ver o Arduino Pro Mini.
2.2 Sensor de Pulsação
Para medir a pulsação cardíaca de forma não invasiva foi escolhido um sensor
de pulsação de hardware aberto[3]. A medição dos sinais vitais no dispositivo
embarcado (pulseira) é realizada através de um fenômeno físico-biológico chamado fotopletismografia (ou PPG, do inglês photopletismography)[4]. O sensor
que se vale deste fenômeno funciona emitindo uma luz e medindo com um fotodetector a parcela refletida. Dependendo do volume de sangue pelo qual a luz
emitida passou, uma certa quantidade de fótons será absorvida pelas hemoglobinas [5, 4], sendo portanto a quantidade refletida inversamente proporcional
ao volume do vaso por onde a luz passou. Como este volume é diretamente
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proporcional a pressão sanguínea no momento, pode-se retirar os valores de
batimentos por minuto (BPM) do coração de uma pessoa desta forma [5]. O
dispêndio energético pode ser aproximado através do valores da frequência cardíaca, em conjunto com dados de peso, sexo, IMC (índice de massa corpórea),
idade e altura do usuário [6]. Normalmente estes sensores são construídos com
LEDs e receptores de comprimentos de onda próxima à luz verde (400 - 550 nm),
devido à maior absorção da luz neste espectro pelas hemácias [5, 7], mas também é possível encontrar sensores que utilizam espectro infravermelho (860 940 nm) pela sua facilidade de penetração na camada subcutânea [4, 1].
O sensor utilizado neste projeto enviará dados sobre fluxo sanguíneo nas artérias ulnar e radial [1] caso utilizado no pulso, cujo sinal pode ser distorcido pelos movimentos dos braços do usuário ou por um movimento brusco no resto
do corpo [5, 7, 1]. Como o usuário estará com os braços em repouso a maior
parte do tempo em que pedala, acredita-se que movimentos do braço não serão
tão influentes. O sensor PPG utilizado possui um filtro ativo passa baixa embutido [3] que melhora o sinal amostrado, mas ainda é necessário retirar sinais
espúrios devido ao movimento do corpo. Para esta aplicação é possível filtrar
todo espectro que não relacionado à frequência cardíaca e assim obter resultados razoáveis [7, 1].
Figura 3: Fonte: Joel Murphy. Sensor de Pulsação utilizado no projeto.
2.3 Software do Embarcado
Com respeito a programação de cada módulo, foi utilizada uma linguagem "C
like"("semelhante à C") específica para o módulo embarcado (Genuino-Arduino).
A funcionalidade do software é dividida em duas partes principais, o loop principal do Arduino e o código executado através das interrupções. A figura 4 mostra
a visão geral do algoritmo em fluxograma.
O laço principal aborda o recebimento e envio de informações. As leituras
do sensor de pulsação são enviadas por meio do módulo Bluetooth para a estação base Android. Através deste mesmo módulo o sistema embarcado recebe
informações sobre a direção e a proximidade da próxima curva no trajeto do
usuário.
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Figura 4: Fluxograma do código do Arduino.
Através das interrupções do processador ATmega328, a cada dois milissegundos é feita uma leitura do sensor de pulsação cardíaca. Essa leitura é normalizada para um valor entre 0 e 1023 utilizando um conversor ADC integrado
ao processador. É também armazenado o tempo exato entre as leituras e calculado a diferença entre a leitura atual e as anteriores, podendo assim detectar
quando ocorre um pico correspondente um batimento cardíaco.
Para uma detecção de pulso mais precisa é calculado a amplitude da onda
registrada pelo sensor e um limiar baseado na amplitude medida. Onde a detecção de pico ocorre somente se o valor medido estiver acima do limiar calculado
e se mais de uma leitura corroborar para a formação do pico, evitando assim
que ruídos interfiram no cálculo. Outra ação para diminuir o erro medido é
considerar um novo batimento apenas depois de um tempo determinado baseado no tempo entre batimentos. Se um batimento é detectado com um tempo
com diferença de mais de dez porcento é feita uma média do tempo do ultimo
batimento com a media atual, evitando assim que erros na medida devido ao
movimento do braço interfiram no valor calculado.
Uma média do tempo entre os dez últimos batimentos válidos é calculada
obtendo assim um valor de batimentos por minuto. A cada novo batimento a
média é recalculada. A imagem 5 contém um exemplo típico de onda medida
pelo sensor. Existe um intervalo de dois milissegundos entre cada medição e foi
feita uma parametrização simples entre os pontos de dados.
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Figura 5: Elementos para identificar um batimento cardíaco.
3 Aplicativo Android
A seguir é apresentado o sistema base, que trata-se de um aplicativo para Sistema Operacional Android KitKat 4.4. Também são apresentados os resultados
e dados obtidos pelo processamento das informações captadas e enviadas pela
pulseira.
3.1 Funcionalidades
Para o aplicativo do sistema base foi utilizado a IDE Android Studio com a biblioteca padrão para realizar comunicação Bluetooth. A base de dados para uso
de mapas e geolocalização foi fornecida através da API Google Maps, além da
própria biblioteca padrão para utilização do GPS do aparelho smartphone. Os
gráficos são gerados utilizando a biblioteca MPAndroidChart [8].
Através do software da estação base, o usuário pode:
•
•
•
•
•
Conectar-se com o dispositivo embarcado (pulseira);
Calibrar o sensor com um gráfico exibindo sua pulsação;
Verificar sua frequência cardíaca;
Selecionar o destino para o modo GPS;
Visualizar a trajetória percorrida quando o sistema de localização estiver
ligado;
• Exibir gráficos de desempenho (frequência cardiaca, dispêndio energético, velocidade e altitude) ao longo do percurso efetuado.
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3.2 Geração de Gráficos
Os gráficos são gerados a partir da biblioteca MPAndroid Charts [8] e são utilizados em dois momentos diferentes no software. Para realizar a calibragem
do sensor PPG, é exibido um gráfico dinâmico da pulsação lida e enviada por
bluetooth. A figura 6 exibe esta opção. Cabe ao usuário verificar se o gráfico
está satisfatório, deslocando o sensor caso não esteja. O conjunto de dados do
gráfico é implementado como uma estrutura de dados do tipo FIFO, como uma
fila. Quando um dado mais recente do sensor é enviado e recebido pelo aplicativo, o dado mais antigo é destruído e todos os outros dados são deslocados
uma posição, para que então o último dados seja inserido.
Figura 6: Gráfico de pulsação gerado pelo sensor.
Os outros gráficos são gerados durante a utilização do sistema GPS. A cada
um segundo, os dados de posição são mapeados para a altitude e a velocidade
do instante, obtidos a partir de uma consulta do sistema do Google Maps. Os
dados de pulsação são obtidos a partir de uma média realizada durante este intervalo pelo sistema embarcado e também são mapeados para a posição. No
final da corrida, os dados são utilizados para gerar os gráficos correspondentes, mapeados para posições no mapa. A seguir, na figura 7.c, apresenta-se os
gráficos obtidos durante a corrida.
3.3 Geração de Rotas
A geração de rotas deveria possuir dois modos de operação: o modo corrida
livre, e modo navegação. O modo corrida livre foi projetado utilizando a Google
Play Services Location APIs. Essa API foi utilizada para determinar a localização
corrente do usuário. Quando o usuário clicar no botão Start (figura 7.b), a rota
vai se formando através de um conjunto de Polylines. Quando o usuário clicar
no botão Stop (figura 7.c), a geração da rota é interrompida, e a atividade passa
para a tela com a geração de gráficos a partir dos dados coletados na rota.
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(a)
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(b)
(c)
Figura 7: Aplicativo para celular com sistema operacional Android: a) interface inicial;
b) modo Corrida Livre e; c) gráficos gerados a partir dos dados coletados por GPS e pelo
sensor.
4 Validação do sensor de pulsção
Para verificar a qualidade do sinal obtido do sensor de pulsação, foi comparado
seu desempenho com outros dois equipamentos: um relógio com sensor fotopletismográfico semelhante ao Veloguia e uma cinta cardíaca.
4.1 Materiais e Métodos
Para realizar o ensaio foi utilizado, além do Veloguia, um relógio comercial capaz de medir os batimentos cardíacos através do fenômeno fotopletismográfico
no pulso do usuário, chamado Mi Band 2, da fabricante Xiaomi (figura 8 (a)) [9].
Este relógio permite conexão com um smartphone para verificar algumas opções, como frequência cardíaca e calorias consumidas. Também foi utilizado a
cinta cardíaca Polar FT7, que se vale de eletrodos não invasivos para amostrar
sinais elétricos na região toráxica, próximo ao coração [10]. Ele possui um computador de treino em forma de relógio que permite se conectar com a cinta e
aferir o desempenho durante o exercício.
A cinta cardíaca possui a melhor acurácia entre os equipamentos citados,
e portanto foi utilizada como referência principal nas medições [2]. Assim, os
ensaios foram organizados da seguinte maneira:
• Utilizados 3 pessoas para observação;
• Repetição das medições para sensor PPG do Veloguia posicionado no dedo
indicador e no pulso do sujeito em teste;
• A cada ensaio os sujeitos em teste deveriam utilizar os 3 equipamentos
simultaneamente (para evitar problemas, o Veloguia e o Mi Band foram
utilizados em braços diferentes);
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(a)
10
(b)
Figura 8: Equipamentos utilizados: a) Mi Band 2 [9] b) Cinta cardíaca Polar FT7 (transmissor mais relógio computador de treinamento) [10]
• Cada ensaio é dividido em 3 partes de 3 minutos cada: Repouso, Exercício
e Descanso Pós Exercício (chamado apenas Pós Exercício);
• Na segunda parte (Exercício) o sujeito em teste deveria realizar uma corrida de baixa intensidade próximo aos avaliadores;
• A cada 10 segundos, era realizada uma aferição em cada equipamento a
distância (o Veloguia e o Mi Band podem ser aferidos por Bluetooth, enquanto a cinta Polar pode ser aferida pelo relógio computador de treino).
• Para permitir melhor avaliação, dados cuja a aferição falhou (por falha de
conexão do aplicativo, por exemplo) foram preenchidos através de uma
interpolação linear entre os próximos valores e os anteriores. Caso fossem
dados aferidos por último (ou primeiro), é realizado um histórico das 3
últimas diferenças entre as aferições, e a média desta diferença é aplicada
ao último valor válido.
Para a análise, foram apenas consideradas as medições em exercício e o conjunto das medições em geral (em Descanso, Exercício e Pós Exercício). Foram
calculados os erros do Veloguia e os erros do Mi Band em relação à cinta cardíaca, à título de comparação.
4.2 Resultados e Discussões
Nas figuras 10 e 11 estão os gráficos gerados a partir das medições realizadas,
com posicionamento no dedo indicador e no pulso respectivamente. Salientase que os dados estão divididos em relação ao tempo na ordem com que cada
etapa foi realizada (Repouso, Exercício e Pós Exercício). Neles, pode-se perceber
como as medições fora do exercício em todos os equipamentos tendia à baixa
diferença, enquanto no exercício tanto o Veloguia quanto o Mi Band apresentaram dificuldades para realizar medições corretamente.
A figura 9 exibe a tabela de porcentagem da amostragem realizada com erro
menor que 5 e 10% para o Veloguia e o Mi Band em relação à cinta Polar. Foi
dado preferência para a medição em exercício e a medição geral dos resultados,
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com o posicionamento do sensor tanto no dedo quanto no pulso. Percebe-se
que nas médias entre todos os sujeitos do ensaio o Veloguia obteve maior acurácia do que o Mi Band, inclusive em exercício, com uma acurácia de 90% para
62,96% do tempo em que foram realizadas as medições no dedo indicador e
53,70% no pulso. Concluí-se por esses teste que o dedo indicador é a posição
mais confiável para se utilizar.
Os resultados do Mi Band foram semelhantes, não passando mais que 5%
de diferença entre as medições do Veloguia no dedo e no pulso, o que contribui
para sua credibilidade. Já o Veloguia apresentou diferença entre os resultados
de aproximadamente -10%. Em geral os resultados variaram bastante de pessoa para pessoa (principalmente quando se considera o Mi Band para o sujeito
2, que foram próximos a 0%). Desta forma propõe-se que os testes realizados
apresentam apenas um indicativo do desempenho, sendo necessário utilizar
mais pessoas e mais aferições para se retirar algo conclusivo. Apesar disso, através dele foi possível determinar que o formato involucro se mostrou bastante
inadequado para a utilização no pulso, dado que foi instável e constantemente
retirava o sensor de posição, alterando a medição. Por isso imagina-se que a
utilização no pulso ainda é viável com alterações no projeto.
Figura 9: Porcentagem das amostras para qual o erro em relação à cinta cardíaca Polar
foi menor que 5% e 10%, respectivamente, considerando as medições realizadas em
exercício e no geral.
5 Conclusão
O resultado deste projeto foi um dispositivo capaz de medir a frequência cardíaca de ciclistas durante o exercício. Para que o usuário possa posicionar corretamente o sensor, existe um modo de calibração onde é possível ver a pulsa-
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(a)
(b)
(c)
Figura 10: Gráficos de BPM versus tempo dos resultados do ensaio realizado com posicionamento do sensor no dedo indicador de: (a)sujeito 1; (b) sujeito 2 e; (c) sujeito
3.
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(a)
(b)
(c)
Figura 11: Gráficos de BPM versus tempo dos resultados do ensaio realizado com posicionamento do sensor no pulso de: (a)sujeito 1; (b) sujeito 2 e; (c) sujeito 3.
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ção medida através de um gráfico. Os dados de velocidade, altitude e pulsação
do usuário são mapeados para posições do ciclista durante o uso, e são gerados
gráficos para cada parâmetro como forma de avaliação de desempenho. Com
a API de mapas é exibido o caminho realizado pelo ciclista, e ainda é possível
consultar uma rota por ponto inicial (posição atual) e destino final. Além disso,
a pulseira é capaz de transmitir alertas de vibração e sonoro com um comando
Bluetooth, estando preparada para a implementação de um sistema de navegação.
A medição da pulsação foi razoável em comparação com os equipamentos
comerciais, se saindo muitas vezes melhor nos testes realizados do que um equipamento similar, embora mais testes devam ser realizados para uma conclusão
definitiva seja tomada. Os ensaios levaram a conclusão de que o sensor utilizado
no pulso pode se tornar viável, entretanto seria necessário alterar o formato do
protótipo construído para que fosse mais estável no braço.
Utilizando a API do Google Maps encontrou-se dificuldades relacionadas ao
serviço Location da mesma API. Foi suposto que esse serviço prometia fornecer
informações de modo Navegação editáveis ao desenvolvedor. No entanto, leuse nos Termos e Uso dessa API que não era possível oferecer serviços desse tipo
aos desenvolvedores, portanto, a Navegação é uma função exclusiva do aplicativo Google Maps, vetado seu uso pela API. Como não foi encontrado um serviço
a tempo de fazer o modo de criação de rotas através do GPS, isso passou a ser
uma implementação futura.
Espera-se que seja possível no futuro evoluir o sistema atual para determinar a dificuldade de percursos para ciclistas através de uma base de dados que
relacione perfis de diferentes esportistas com o seu desempenho nas rotas utilizadas. Com esta base de dados seria possível implementar um sistema de inteligência computacional para recomendar rotas aos usuários conforme seu perfil
de atividades físicas, por exemplo, abrindo caminho para um novo tipo de produto no mercado.
Agradecimentos
Agradecemos Rodrigo Pulido Arce, Maria Puklido Arce e Prof. Neri Volpato por
ceder a impressora 3D e auxiliar no processo de impressão do invólucro da pulseira. Agradecemos Eduardo Jacichen por ajudar a projetar o modelo tridimensional do invólucro. Agradecemos Aline Kolczycki Borges pela ajuda no uso do
Bluetooth e da biblioteca de mapas. Por fim, agradecemos os professores Fábio
Schneider e Douglas Jakubiak pela ajuda na utilização do sensor de pulsação.
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Relatório Técnico: Modelo
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