Lrwpan 4 health_care_sicotel_2012
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Meneses. Diseño e implementación de una red de sensores para la monitorización.
Primer Seminario Taller Latinoamericano de Instrumentación, Control y Telecomunicaciones SICOTEL 2012
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Resumen—Se describe el proceso de diseño e
implementación de una red inalámbrica de sensores orientada
a la monitorización de variables fisiológicas. El objetivo es
obtener de manera ambulatoria, a partir de nodos ubicados
sobre diferentes partes del cuerpo, mediciones y registros de
interés biomédico con una red que responda a requerimientos
de flexibilidad, escalabilidad e integrabilidad con otras redes.
A su vez, se discuten los requerimientos para los nodos
sensores y se presentan consideraciones relativas a las
opciones existentes de interconectividad con otras redes y la
posibilidad del tránsito de los datos de medición, a través de
internet y de redes de telefonía móvil. También se abordan
algunos aspectos relevantes del marco regulatorio ligado a este
tipo de implementaciones. Finalmente se presentan algunos de
los resultados obtenidos, tanto a nivel de hardware como de
software, para cumplir con los objetivos del proyecto.
Índice de Términos—Estándar IEEE 802.15.4,
Monitorización ambulatoria, Redes inalámbricas de sensores,
Variables fisiológicas
I. INTRODUCCIÓN
El desarrollo y evolución del estándar IEEE
802.15.4, y otros afines a él, ha permitido que en los
últimos años se consolide el espectro de
aplicaciones de las redes de sensores inalámbricas,
encontrándose en la actualidad una gran variedad de
implementaciones y escenarios de operación [1][2].
A partir del despliegue de nodos sensores ubicados
espacialmente de conformidad con la naturaleza
específica de la aplicación, pueden realizarse, entre
otras, tareas de monitoreo de personas, animales,
ambientes, estructuras y edificaciones [3].
Un factor definitivo en el gran auge de las
aplicaciones basadas en redes inalámbricas de
sensores, sin duda tiene que ver con el gran
desarrollo que se ha alcanzado en los últimos años
en dispositivos electrónicos de uso extendido como
los microcontroladores y los sensores. Es posible
contar hoy, aparte de los tradicionales modelos de 8
bits, con microcontroladores de 16 y 32 bits, lo que
posibilita el desarrollo de circuitos y soluciones
embebidas de gran complejidad y altas prestaciones
[4].
Respecto a los sensores podemos decir que la
incorporación de innovaciones tecnológicas como
los sistemas micro-electromecánicos (MEMs por
sus siglas en inglés) y la evolución hacia
dispositivos más completos como los sensores
inteligentes, hace que hoy en día se encuentre una
gran variedad en la oferta y se cuente con una
completísima gama de sensores que abarcan un gran
universo de variables [5]. Adicionalmente la
industria electrónica especializada se ha
concentrado en fortalecer aspectos como la
miniaturización y el bajo consumo de energía de los
dispositivos, para favorecer la realización de
diseños más compactos y eficientes que se puedan
ajustar a la filosofía de trabajo de los sistemas de
sensado distribuido.
Diseño e implementación de una red inalámbrica de
sensores para la monitorización de variables
fisiológicas utilizando protocolos basados en el
estándar IEEE 802.15.4
Meneses, Gustavo
Meneses. Diseño e implementación de una red de sensores para la monitorización.
Primer Seminario Taller Latinoamericano de Instrumentación, Control y Telecomunicaciones SICOTEL 2012
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II. DESARROLLO DE UNA RED DE SENSORES PARA LA
MONITORIZACIÓN AMBULATORIA DE VARIABLES
FISIOLÓGICAS
A. Elección del protocolo de comunicación
Por razones como el seguimiento que debe
realizarse a las personas durante la realización de
sus actividades físicas y la autonomía de operación
requerida para el sistema, una red diseñada con el
propósito de monitorizar de manera ambulatoria las
variaciones de los signos vitales u otras señales de
interés biomédico, debe basarse en estándares de
comunicación para medios no guiados [6]. Algunas
frecuencias de UHF se ajustan a los requerimientos
de tamaño de las antenas, relacionado a su vez con
la longitud de onda, para los transceptores
requeridos, pero los desarrollos que se han realizado
allí no obedecen a una estrategia sistemática que
esté orientada a la portabilidad o para el trabajo en
red, algo necesario para los nodos sensores.
B. La familia de recomendaciones IEEE 802
A partir de la formulación de las especificaciones
de la familia IEEE 802 se plantearon las
condiciones para el desarrollo de aplicaciones con
la robustez suficiente para soportar infraestructuras
en el ámbito de las Redes Inalámbricas de Área
Personal (WPAN) y de las Redes Inalámbricas de
Area Corporal (WBAN). Es así como hoy en día
encontramos una existencia importante de
aplicaciones operando en la BANDA ISM
(Industrial, Scientific and MedicaI), especialmente
alrededor de la banda de 2.4GHz, que se benefician
de las características operativas derivadas del
trabajo con este esquema de comunicaciones.
Para el tipo de desarrollo que nos concierne, los
estándares que se acomodan a los requerimientos de
tamaño compacto, bajo consumo de energía,
alcance moderado y facilidades de escalabilidad se
concentran en las especificaciones IEEE 802.15.1
(Certificación Bluetooth) y IEEE 802.15.4 (LR-
WPAN o Red de Área Personal con baja tasa de
transmisión según sus siglas en inglés) [7]. Aunque
Bluetooth es una opción viable en algunos
escenarios y permite la transmisión de una mayor
cantidad de datos, frente a IEEE 802.15.4 presenta
un rango de alcance significativamente menor y
diferencias importantes en cuanto al consumo de
energía y a la complejidad del stack de
comunicaciones [1].
Fig. 1. Aspectos comparativos de tres variantes de
implementación para redes inalámbricas
Es a partir de estas consideraciones que se
establece que el estándar IEEE 802.15.4, resulta
más adecuado para el desarrollo de aplicaciones
para el monitoreo de personas con fines de
observación biomédica, puesto que permite alcanzar
distancias importantes y, a pesar de su relativa
limitación en cuanto a la capacidad de transmisión,
provee los medios suficientes para suplir las
necesidades del sistema en red planteado.
C. Zigbee y el protocolo propietario MiWi
Al interior de IEEE802.15.4 se destaca Zigbee, no
obstante, una de las desventajas de Zigbee es lo
demandante que resulta para un microcontrolador la
implementación de su stack, además del hecho que
se deba pagar por las royalties constituye un ítem
determinante frente a la perspectiva de desarrollar
redes pequeñas, de costo reducido y con una
relativa facilidad de implementación. Zigbee
constituye una opción propietaria bastante robusta y
tal vez un tanto sobredimensionada para
aplicaciones orientadas para la monitorización
ambulatoria de solo una persona a la vez como en
este caso.
Aparece entonces la opción intermedia de MiWi
que es un protocolo apalancado por una conocida
firma fabricante de microcontroladores, con
tradición en el campo y que impulsa el trabajo con
una gama de dispositivos con capacidades
extendidas, que permiten la concepción e
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implementación de aplicaciones bastante completas
[7][8]. El footprint requerido es sustancialmente
inferior al de Zigbee y, además, existe un escenario
completo para el desarrollo de las redes, desde la
programación y depuración de los nodos hasta el
seguimiento a los paquetes transmitidos.
III. CARACTERÍSTICAS DE LOS ELEMENTOS DE RED
A. Topologías de red, tipos de nodos, roles y
aspectos funcionales
Bajo la recomendación IEEE 802.15.4 A, marco
de referencia para MiWi, se cubren las topologías
de Estrella (Star), Peer-to-Peer (P2P), malla (Mesh)
y Cluster Tree [9]. La topología en estrella, por
ejemplo, centraliza las comunicaciones en el
Coordinador de la PAN. Por lo tanto todos los
dispositivos terminales solo se pueden comunicar
con el coordinador de PAN. Si un dispositivo
terminal requiere transmitir datos a otro de su tipo,
envía sus datos al coordinador de la PAN, que a su
vez, reenvía los datos al destino. A partir del
análisis del número de nodos que se integrarán a la
red y del seguimiento y la verificación de los
paquetes, se ha elegido para esta fase del proyecto
una topología estrella para la implementación.
Fig. 2. Topologías de red en estrella y cluster tree para redes MiWi
En una red en árbol (cluster tree) también solo hay
un coordinador de PAN; sin embargo, se permite a
otros coordinadores unirse a la red. Los mensajes
siguen la ruta de la estructura de árbol y pueden ser
enrutados a través de más de un nodo para alcanzar
su destino eventual. Las redes cluster tree son
multi-hop (multisalto) [7][9].
En general los dispositivos pueden asociarse en red
bajo el rol de Coordinador de la red de área personal
(COORDAP o PAN Coordinator), Coordinador
secundario o como dispositivo terminal. La
diferencia entre el COORDAP y el coordinador
secundario radica en que el primero es único en la
red, mientras que el segundo puede existir en
compañía de otros de su mismo rol, que bien
pueden actuar como dispositivos terminales pero
con capacidades de comunicación extendida, como
por ejemplo, la interconexión con otras PAN o
Clusters.
TABLA I. TIPOS DE DISPOSITIVOS EN REDES MIWI
Tipo de Dispositivo Tipo de Dispositivo
IEEE
Función Típica
Coordinador de la Red de Área Personal (PAN)
FFD Uno por red. Forma la red, asigna las direcciones de red, guarda la tabla de vinculaciones.
Coordinador (secundario)
FFD Opcional. Extiende el rango físico de la red. Le permite a más nodos unirse a la red. Puede también realizar funciones de monitoreo o control.
Dispositivo Terminal FFD ó RFD Realiza funciones de monitoreo o control.
En cuanto a la funcionalidad se habla de dos tipos
de dispositivos, RFD o dispositivo con funciones
reducidas y dispositivo con funciones completas o
FFD. Como es de suponerse, los coordinadores son
FFD siempre y los end-devices son RFDs o FFDs.
Es común que los dispositivos terminales (end-
devices) tengan un menor tamaño de memoria y
menores capacidades y características de
procesamiento. Usualmente un dispositivo terminal
es el dispositivo de menor costo en la red, aunque
para el caso de las redes de monitorización de
variables fisiológicas esto pueda ser bastante
relativo [1][7].
TABLA II. DIFERENCIAS FUNCIOANALES DE LOS DISPOSITIVOS EN REDES
MIWI
Tipo de Dispositivo
Servicios ofrecidos
Fuente de Alimentación
Configuración del Receptor
Inactivo
Dispositivo de Funciones
Completas (FFD)
Todos o la
Mayoría
Alimentación Convencional
(Mains)
ON
Dispositivo de Funciones
Reducidas (RFD)
Limitados Batería OFF
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B. Acceso al medio
En cuanto al acceso al medio, la recomendación
IEEE 802-15-4(A) permite las redes con o sin
beacon. Cuando hay beacon prácticamente cada
nodo o unidad de monitorización tendrá su tiempo
garantizado para transmitir (GTS), para redes sin
beacon, el cual es el caso de MiWi, el acceso se
hace por contienda siguiendo la mecánica de
CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Access with
Collision Avoidance). Cada vez que un dispositivo
quiere transmitir primero realiza una estimación de
canal libre (CCA o Clear Channel Assessment) para
asegurarse de que el canal no está en uso por otro
dispositivo, luego de esto el dispositivo comienza a
transmitir. La decisión de declarar un canal libre o
no puede basarse en la medición de la energía sobre
la frecuencia de interés [1][7][8].
IV. DISEÑO DEL COORDINADOR DE RED Y DE LOS
DISPOSITIVOS TERMINALES
A. Coordinador de la Red de Área Personal
El dispositivo coordinador se basa en un
microcontrolador de 16 bits, que opera como un
nodo “estático” proyectado para un escenario de
operación indoor, con suministro permanente de
energía, que posee conexión a un computador, pero
que también permite opciones de visualización local
y registro de los datos en medio extraíble [4][10].
La elección de un coordinador de red de área
personal no ambulatorio se basa en un precepto de
estabilidad de operación y disponibilidad de
conexión a computadores de escritorio, portátiles,
dispositivos móviles e incluso supone el potencial
rol mixto de Gateway hacia redes de cobertura
WLAN a partir, por ejemplo, de Wi-Fi que es
susceptible de implementación sobre sistemas
embebidos. También se puede alcanzar el ámbito de
las WMAN a través de la interacción con teléfonos
celulares o dispositivos móviles similares [11].
B. Dispositivos terminales: Nodos sensores
Los nodos sensores o unidades de monitorización
son los encargados de recolectar la información
ligada a las diferentes variables fisiológicas
monitorizadas. Un aspecto determinante en el
aspecto y tamaño final de los dispositivos
terminales es la naturaleza de la variable que deben
captar. La forma como deben ubicarse sobre las
diferentes partes del cuerpo y otros aspectos ligados
al procedimiento requerido para obtener mediciones
correctas, hace que no todos los dispositivos
resulten compactos en su presentación final y que su
portabilidad o puesta en funcionamiento, presente
limitantes [12].
TABLA III. CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DE LOS NODOS SENSORES
Característica Descripción
Variable fisiológica Signo vital o señal biomédica, entre otras;
Ritmo cardíaco, presión arterial, saturación
de oxigeno, temperatura corporal.
Periodicidad de los
envíos
Lapso de tiempo en el que deben transmitirse
los registros para tener observaciones que
aporten información significativa para el
personal que las evaluará
Periodicidad de la
medición
Establece las condiciones para la realización
de mediciones sucesivas en el tiempo
Autonomía de
operación
Tiempo de operación que del nodo ante
condiciones normales de baterías y circuitos
C. Marco Regulatorio
En Colombia el organismo que regula la operación
de dispositivos médicos y equipos biomédicos es el
INVIMA. Normalmente el Instituto Nacional de
Vigilancia de Medicamentos y Alimentos se acoge
a directrices internacionales de organismos como la
estadounidense FDA, AFSAAPS de Francia y
Health Canada entre otros. Un referente importante
es el Draft Guidance for Industry and FDA Staff
que se ha llamado “Radio Frequency Wireless
Technology in Medical Devices” [13], documento
que aborda las temáticas de Coexistencia
inalámbrica, Desempeño, Integridad, Seguridad de
los Datos y Compatibilidad Electromagnética. La
Tabla IV muestra varios temas relacionados con el
funcionamiento de las redes inalámbricas de
sensores en aspectos regulatorios y de sanidad [14].
TABLA IV. ALGUNOS ASPECTOS ACERCA DE LA INCIDENCIA DE LOS NODOS
Y LA RED DE SENSORES SOBRE TEMAS NORMATIVOS Y DE SEGURIDAD
Aspecto de la Red
Inalámbrica de Sensores
Aspectos Regulatorios y de
Seguridad Radiación electromagnética Compatibilidad electromagnética con
otros dispositivos a sus alrededores
Materiales utilizados en los
nodos y baterías
Impacto ambiental y riesgos para la
salud
Datos procesados,
transmitidos y almacenados
Seguridad de los datos y privacidad
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Los nodos sensores definitivos deberán acogerse a
las normativas del INVIMA y de las agencias
estadounidenses FDA (Food & Drug
Administration), FCC (Federal Communications
Commission) y la directiva RoHS (Restriction of
Hazardous Substances) que rigen a nivel
internacional.
V. RESULTADOS
A. Elementos para pruebas y depuración
A la fecha se cuenta con un conjunto de cinco
nodos para realizar pruebas de operación de la red.
El conjunto está compuesto por un coordinador de
red de área personal, un nodo sensor de temperatura
y tres nodos más, que enviarán datos simulando
otras unidades de monitorización que se integrarán
posteriormente. Actualmente se está desarrollando
un nodo para el registro de actimetría.
Fig. 4. Elementos de Hardware utilizados para realizar pruebas y
ajustes sobre la funcionalidad de las comunicaciones de la red.
Para la verificación del tránsito de los paquetes por
la red se utiliza una tarjeta sniffer en conjunto con el
software ZENA [15].
Fig. 5. Visualización de la interacción de los nodos utilizando un
analizador de tráfico (Sniffer) y el aplicativo ZENA
B. Tarjeta e Interfaz del Coordinador de Red
El coordinador de red posee una pantalla para la
visualización local, además de una interface
serial/USB que permite adquirir los datos de
medición en un instrumento virtual.
Fig. 6. Tarjeta de desarrollo para realizar pruebas sobre el
coordinador de la red de área personal (PAN coordinator)
Para efectos de depuración se ha utilizado una
tarjeta de desarrollo que permite almacenar, en una
memoria EEPROM de datos, un volumen
considerable de información del sistema de
monitorización. En el diseño del prototipo
definitivo está contemplado registrar los datos de
medición en una tarjeta tipo SD. La operación del
coordinador de la red de área personal no dependerá
de que la conexión al PC esté activa. La interfaz de
instrumento virtual es un elemento de un modo de
operación complementario, el cual puede utilizarse
o no dependiendo de las necesidades especificas de
los estudios o experimentos realizados. El
microcontrolador elegido para este nodo, tiene
también capacidades para interactuar con
conexiones a Ethernet y WiFi lo que podrá
incorporarse en etapas posteriores del proyecto.
C. Nodo sensor de temperatura
Uno de los nodos desarrollados debe registrar la
temperatura corporal de la persona bajo
monitorización. Se ha trabajado con dos opciones
de alimentación; con baterías o con un adaptador
DC para pruebas muy extendidas en el tiempo. Un
módulo LCD ayuda con el proceso de ajuste de las
tareas de conversión análoga/digital y los aspectos
funcionales propio del sistema. En este último ítem
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se abordan aspectos como el manejo de los
identificadores de nodos y paquetes transmitidos
(adicionales a los propios del estándar IEEE
802.15.4), la comunicación con la interfaz de la
instrumentación virtual y la visualización en el
display del nodo coordinador.
Fig. 7. Tarjeta para realizar las pruebas de comunicación del nodo
sensor de temperatura
VI. CONCLUSIONES
A partir de un conjunto de tarjetas electrónicas se
han realizado pruebas de operación en escenarios
indoor con el fin de verificar el funcionamiento de
las comunicaciones en una red de sensores para la
monitorización de variables fisiológicas. Los
resultados obtenidos indican la comunicación entre
los elementos de red pero también sugieren que
deben hacerse ajustes sobre la funcionalidad de las
comunicaciones según los requerimientos del
sistema en desarrollo. Se siguen realizando ajustes
sobre los nodos y sobre el esquema funcional de las
comunicaciones para garantizar escenarios de
operación con la confiabilidad necesaria.
La posibilidad de seguimiento continuo e in-situ
de diversas variables, expande las posibilidades de
trabajo de los profesionales e investigadores de
diferentes disciplinas, puesto que permite realizar
análisis y estudios con una mayor cantidad de
elementos de juicio. Esto permite elaborar visiones
más abarcadoras y detalladas de la realidad para
intervenirla de manera más acertada y efectiva.
REFERENCIAS
[1] H. Labiod, H. Afifi, C. de Santis, Wi-Fi, Bluetooth,
Zigbee and Wimax, Springer, 2007, ch. 1-4.
[2] P. Baronti, P. Pillai, V. Chook, S. Chessa, A. Gotta, Y.
Fun Hu, “Wireless sensor networks: A survey on the state
of the art and the 802.15.4 and ZigBee standards”,
Computer Communications, pp. 1665-1695, 2006.
[3] R. Fletcher, K. Dobson, M. Goodwin, H. Eydgahi, O
Wilder-Smith, D. Fernholz, Y. Kuboyama, E. Hedman, P.
Ming-Zher, R. Picard, “iCalm: Wearable Sensor and
Network Architecture for Wirelessly Communicating and
Logging Autonomic Activity”. IEEE Transactions on
Information Technology in Biomedicine. March 2010.
[4] PIC24FJ128GA010 Family Data Sheet, Microchip
Technology, , 2009.
[5] C. Huddleston, Intelligent Sensor Design Using the
Microchip dsPIC, Newnes, 2007, ch1& ch6.
[6] H. Alemdar, C. Ersoy, “Wireless sensor networks for
healthcare: A survey”, Computer Networks, pp 2688-
2710, 2010.
[7] MiWi™ Wireless Networking Protocol Stack, Aplication
Note AN1066 (David Flowers and Yifeng Yang),
Microchip Technology, 2010.
[8] Wireless (MiWi™) Application Programming Interface -
MiApp, Aplication Note AN1284 (Yifeng Yang),
Microchip Technology, 2009.
[9] MiWi™ P2P Wireless Protocol, Aplication Note AN1204
(Yifeng Yang), Microchip Technology, 2010.
[10] L. Di Jasio, Programming 16-bit Microcontrollers in C:
Learning to Fly the PIC24, Newnes, 2007, ch 10.
[11] A. Dinh, “Heart Activity Monitoring on Smartphone”, in
Proceedings of International Conference on Biomedical
Engineering and Technology, Kuala Lumpur, 2011, pp.
45-49
[12] S. Noimanee and S. Wattanasirichaigoo, “Implementation
of Vital Signs Monitoring System Using Wireless
Networks”, International Journal Of Applied Biomedical
Engineering, pp. 46-52, 2008.
[13] Draft Guidance for Industry and FDA Staff: Radio-
Frequency Wireless Technology in Medical Devices,
Draft released for comment on January 3, 2007.
[14] A. García, J. Martínez, J. Lopez, A. Prayati, L. Redondo,
Problem Solving for Wireless Sensor Networks. London:
Springer-Verlag, 2008, ch 6.
[15] ZENA™ Wireless Network Analyzer User’s Guide,
Microchip Technology, 2008.