di Raffaele Teducci
ABSTRACT
In questo articolo viene illustrata la progettazione e la realizzazione di un dispositivo mobile antismarrimento per contrastare il fenomeno del “wandering” nelle persone affette da demenza. Il progetto nasce dalla collaborazione tra l’I.T.T.S. “E. Scalfaro” di Catanzaro diretto dal D.S. Prof. Vito Sanzo e l’associazione RA.GI. Onlus diretta dalla Dottoressa Elena Sodano, associazione che da diversi anni si prende cura delle persone con demenze e malattie neurodegenerative utilizzando terapie innovative, come la terapia TECI (Terapia Espressiva Corporea Integrata), ideata dalla stessa Dottoressa Sodano.
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Una delle maggiori preoccupazioni dei caregiver (persona che presta cura ed assistenza) che lavorano con persone affette da demenza è il wandering, il cosiddetto vagare. Spesso, chi soffre di demenza sente il bisogno di andare in giro e in molti casi finisce per vagare lontano da casa. Il problema è che ha poi difficoltà a ritrovare la strada del ritorno. Cause e ragioni del vagare nei pazienti affetti da demenza:
Per abitudine o interesse: le persone con demenza sono ancora interessati a continuare con le loro attività abituali.
Noia: molti malati di demenza hanno tempo a disposizione. Essere attivi o occupati dà loro un senso di scopo invece di stare seduti giorno e notte.
Sollievo dal dolore: quando sono a disagio o percepiscono dolore, spesso si muovono per alleviare questa sensazione.
Risposta all'ansia: quando le persone sono sotto stress o ansiose, sono più propense a farsi un giro. L'ansia è comune nei pazienti con demenza.
Sentirsi persi: alcuni cambiamenti fanno sentire persi i malati di demenza, così che tendono a rinchiudersi in sé stessi.
Ci sono alcune cose che tutti possono fare per aiutare a tenere al sicuro un malato di demenza.
Un utile suggerimento per la gestione dei pazienti di demenza che vagano è sviluppare un piano di emergenza, in modo da essere preparati nel caso in cui la persona si perda.
Una possibile prevenzione a questo problema è l’uso da parte dei pazienti di un dispositivo antismarrimento di geolocalizzazione indossato dal paziente stesso, che, nel caso si dovesse perdere, può essere rintracciato dai familiari istantaneamente, tramite l’utilizzo di un collegamento ad una pagina web o tramite un’applicazione per dispositivi mobili (APP). Per la realizzazione del dispositivo sono stati utilizzati due approcci, il primo utilizzando uno smartphone sul quale è stata installata un’applicazione Android (APP) in grado di simulare il comportamento del dispositivo antismarrimento, il secondo realizzando un dispositivo hardware ad hoc in grado di localizzare la posizione del paziente che indossa il dispositivo e di comunicare la posizione tramite un SMS al familiare. Di seguito vengono riportate le varie fasi di progettazione e di realizzazione sia per quanto riguarda il primo approccio, APP e uso dello smartphone, sia per quanto riguarda il secondo approccio. Entrambi i prototipi utilizzano per la localizzazione il sistema GPS (Global Positioning System), pertanto viene di seguito descritto, a grandi linee, il funzionamento di questo sistema. Il GPS è un sistema di posizionamento satellitare che permette in ogni istante di conoscere la longitudine e la latitudine di un oggetto. I dispositivi con all’interno un ricevitore GPS sono tantissimi: navigatori, smartphone, tablet, smartwatch e orologi, solo per citarne qualcuno. Li utilizziamo soprattutto per tenere sotto controllo la nostra posizione e per ottenere le indicazioni stradali. GPS è l’acronimo di Global Positioning System, quindi si tratta di un sistema per il posizionamento globale. Grazie al GPS è possibile localizzare la longitudine e la latitudine di oggetti e persone. Il tutto avviene con i satelliti che stazionano nell’orbita terrestre e permettono di sapere in ogni istante l’esatta ubicazione di un luogo. I satelliti contengono un orologio atomico che calcola al millesimo di secondo il tempo che passa dalla richiesta effettuata dal ricevitore GPS alle risposte ottenute dai satelliti stessi. Nel mondo esistono diversi sistemi per il posizionamento globale. Il più famoso è il NAVSTAR acronimo di Navigation System with Timing And Ranging Global Positioning System ed è quello che tutti noi chiamiamo GPS. Creato dal Ministero della Difesa statunitense in ambito militare, è diventato famoso per l’uso civile. Il sistema NAVSTAR utilizza in totale 31 satelliti. Oltre al sistema creato dagli Stati Uniti ne esistono anche degli altri: GLONASS è l’acronimo di GLObal NAvigation Satellite System ed è il sistema di posizionamento utilizzato dai russi. Formato da un totale di 31 satelliti, di cui solamente 24 funzionanti. Anche l’Europa si è dotata di un proprio sistema di posizionamento (GALILEO), attivo dal 2016 e formato da 30 satelliti. BEIDOU, invece, è il sistema creato dalla Cina e IRNSS quello indiano. Il sistema GPS si basa principalmente sugli orologi atomici presenti all’interno dei satelliti solari. Per capire come funziona il GPS è meglio fare un esempio. Intorno all’orbita terrestre stazionano 31 satelliti: in ogni istante inviano la propria posizione alle torri di controllo. Quando un ricevitore GPS viene attivato, riceve le informazioni della posizione dei vari satelliti. Triangolando i dati ricevuti riesce a determinare la propria posizione. La geolocalizzazione è sempre molto precisa, al massimo ci può essere un errore di un paio di metri, causato soprattutto dalle interferenze. Per assicurare il perfetto funzionamento del GPS è necessario che tre diversi strumenti funzionino in perfetto accordo: il segmento spaziale (Space segment), il segmento di controllo (Control segment) e il segmento di utilizzo (User segment). Il segmento spaziale è composto dai satelliti che stazionano intorno all’orbita terrestre inclinati di 55 gradi rispetto all’equatore. Ogni satellite ripassa sullo stesso punto ogni 24 ore. Il segmento di controllo sono i cinque centri che gestiscono tutte le informazioni inviate dai satelliti. Le stazioni del segmento di controllo sono tutte disposte vicino all’equatore: a Colorado Springs negli USA, Hawaii, Ascension Island, Diego Garcia e Kwajalein. Il centro di controllo più importante è quello di Colorado Springs che corregge tutti le informazioni erronee inviate dai satelliti. Il segmento di utilizzo non sono altro che i ricevitori GPS presenti sulla Terra. Ad esempio gli smartphone, i navigatori satellitari e gli orologi.
APP Android per la simulazione del dispositivo antismarrimento:
L’APP è stata realizzata utilizzando l’ambiente di sviluppo Android Studio. E’ costituita essenzialmente da due componenti:
- Activity Main: componente che, sfruttando il ricevitore GPS integrato in tutti i cellulari di ultima generazione, visualizza sul display del telefonino i dati relativi alla posizione del dispositivo, che dovrà essere assegnato in dotazione al paziente, in termini di coordinate latitudine e longitudine (acquisite tramite il GPS). E’ stato inserito in questo componente un pulsante, S.O.S., che il paziente potrà utilizzare autonomamente per inviare un SMS di richiesta di aiuto, rendendo il dispositivo più versatile in quanto potrebbe essere utilizzato anche per altri scopi.
Layout APP Simulazione dispositivo antismarrimento
- Broadcast Receiver: questo secondo componente, agisce in modo trasparente (invisibile) all’utente del dispositivo, ha il compito di intercettare eventi particolari, nel nostro caso le chiamate in arrivo, riconoscere il numero telefonico del mittente e, nel caso in cui dovesse coincidere con il numero telefonico del familiare o del tutore del paziente, interrompere la chiamata e inviare automaticamente un SMS sul telefonino del familiare/tutore contenente un messaggio con il link all’applicazione Google MAPS; cliccando sul link l’applicazione Google MAPS consente di rintracciare la posizione del paziente e di avviare la funzione di navigazione satellitare per poterlo raggiungere.
Testo del SMS inviato dall’APP al telefonino del familiare/tutore
Cliccando sul link contenuto nel messaggio, https://www.google.com/maps/search/?api=1&query=38.91000700,16.58731700, si accede all’applicazione Google MAPS che localizza la posizione indicata in questo caso dal marker rosso. Cliccando sul pulsante azzurro “Indicazioni” si attiva il navigatore satellitare.
Layout applicazione Google MAPS dopo aver cliccato sul link
Dispositivo antismarrimento hardware:
Per quanto riguarda questo secondo approccio è stato realizzato un dispositivo hardware ad hoc utilizzando i seguenti dispositivi:
- Shield Arduino GSM/GPS/GPRS
- Scheda Arduino Uno REV3 con Microcontrollore ATMEGA328
- Scheda SIM con possibilità di inviare SMS
- Batteria di alimentazione 9V ricaricabile
Il primo componente, Shield Arduino GSM/GPS/GPRS, è una scheda da collegare alla scheda Arduino uno, che integra sia il modulo GPS, necessario per acquisire le coordinate latitudine e longitudine, sia il modulo GSM necessario per poter ricevere chiamate da un altro cellulare e per poter inviare il messaggio SMS.
Shield Arduino GSM/GPS/GPRS
Il secondo componente è il cuore di tutto il sistema, si tratta di una scheda Arduino Uno REV3 basata sul microcontrollore ATMEGA328; opportunamente programmata, il compito di questo componente è quello di ricevere dal modulo GPS i dati relativi alla posizione e di inviare un SMS, identico a quello già visto in precedenza, in caso di ricezione di una chiamata da parte del familiare sfruttando il modulo GSM.
Arduino Uno REV3 con Microcontrollore ATMEGA328
Il terzo componente è una normale scheda telefonica SIM da collocare nell’apposito alloggiamento dello Shield Arduino GSM/GPS/GPRS e infine, per l’alimentazione si è optato per una batteria ricaricabile da 9V.
Prototipo dispositivo hardware antismarrimmento
Il funzionamento di questo secondo dispositivo è identico a quello illustrato per il primo dispositivo: il familiare/tutore del paziente effettua una chiamata all’utenza telefonica della SIM inserita nel dispositivo hardware, il dispositivo intercetta la telefonata e, nel caso in cui il numero chiamante dovesse coincidere con il numero telefonico del familiare o del tutore del paziente,invia automaticamente un messaggio identico a quello visto in precedenza. Una volta ricevuto il messaggio, normalmente dopo pochi secondi, il familiare/tutore può, cliccando sul link, localizzare, tramite l’applicazione Google MAPS, il luogo in cui si trova il paziente.
Per quanto riguarda il software di controllo del dispositivo è stato realizzato utilizzando l’ambiente di sviluppo per Arduino; i segnali provenienti dalla scheda integrata GSM/GPS/GPRS sono stati acquisiti attraverso una porta seriale software sui piedini 2 (TX) e 3 (RX) della scheda Arduino ed elaborati tramite la libreria SoftwareSerial. Quindi sia i segnali provenienti dal modulo GSM e sia i segnali provenienti dal modulo GSM sono stati acquisiti tramite un’unica porta seriale. Dopo una fase iniziale di setup, che può durare alcuni secondi, durante la quale vengono inizializzati i due moduli GSM e GPS, il programma acquisisce i caratteri provenienti dalla porta seriale e controlla se corrispondono a segnali provenienti dal modulo GPS (stringhe NMEA) o dal modulo GSM.
Le stringhe NMEA (National Marine Electronics Association), trasmesse dal sistema GPS, sono formate da una sequenza di caratteri ASCII (American Standard Code for Information Interchange) con la seguente struttura:
$PREFISSO,campo1,campo2,……,*CHECKSUM CRLF
Una stringa NMEA può contenere fino ad 82 caratteri. Se il campo in questione non fornisce dati, esso viene omesso ma le virgole che lo delimiterebbero sono comunque aggiunte, senza spazi tra loro. Il prefisso identifica il tipo di dispositivo che sta trasmettendo i dati NMEA. Nell’ambito di un GPS, tutte le frasi iniziano con $GP; i successivi 3 caratteri del prefisso identificano il tipo di frase. Per esempio un prefisso del tipo $GPGLL è inviato da un dispositivo GPS del tipo Geographic position, Longitude and Latitude (GLL). Lo standard NMEA comprende un elevato numero di prefissi. La frase, dopo il prefisso, è costituito da una serie di campi separati da virgole.
Al termine di ciascuna stringa NMEA viene posto, dopo un asterisco, un checksum per poter individuare eventuali errori sulla linea di trasmissione tra talker e listener. Dal punto di vista digitale il checksum è EX-OR a 8 bit di tutti i caratteri della frase NMEA, compresi i delimitatori (,) ma escludendo i “$ e “*”. La frase viene terminata con CR LF.
Il gruppo GPS è costituito da una serie di frasi tra cui le più usate in campo satellitare GPS sono:
$GPRMC - Recommended Minimum specific GPS/TRANSIT data;
$GPRMB - Recommended Minimum navigation info (waypoint based navigation active);
$GPGGA - Global Positioning System fix data;
$GPGSA - GPS DOP and Satellites Active;
$GPGLL - Geographic Position - Latitude/Longitude;
$GPGSV - Satellites in View.
Le stringhe che ci interessano sono le stringhe con prefisso $GPGGA (Global Positioning System fix data), pertanto sono state isolate le stringhe $GPGGA provenienti dal sistema GPS e da queste sono state estratte le informazioni relative alle coordinate di posizione, latitudine e longitudine.
Esempio di stringa NMEA con prefisso $GPGGA:
$GPGGA,235317.000,4003.9039,N,10512.5793,W,1,08,1.6,1577.9,M,-20.7,M,,0000*5F
I campi interessati sono il campo 2, evidenziato in giallo, che indica la latitudine e il campo 4, evidenziato in rosso, che indica la longitudine. Tramite un’opportuna funzione questi due campi son stati convertiti in formato gradi centesimali e, in caso di arrivo di chiamata dallo smartphone del parente/tutore del paziente, questi dati verranno inviati, sotto forma di link a Google MAPS, tramite SMS.
Sviluppi futuri:
Attualmente, con gli allievi della classe VG indirizzo Informatico dell’I.T.T.S. “E. Scalfaro” di Catanzaro, stiamo lavorando su un altro prototipo di dispositivo antismarrimento di tipo hardware, simile a quello descritto in precedenza ma con il duplice obiettivo di abbattere i costi di produzione e di ridurre le dimensioni complessive del dispositivo utilizzando componenti hardware più economici e di dimensioni ridotte. La scheda Arduino Uno verrà sostituita con una scheda Arduino Nano, mentre la scheda Shield Arduino GSM/GPS/GPRS verrà sostituita con due schede separate, una GSM e una GPS che verranno collegate alla scheda Arduino Nano attraverso due porte seriali software distinte.
Raffaele Teducci
Docente di Informatica – Sistemi e Reti
I.T.T.S. “E. Scalfaro” di Catanzaro
