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. Diseño e implementación de una red de sensores para la monitorización.

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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

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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.

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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 (LRWPAN 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

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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].

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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 Función Típica Dispositivo IEEE Coordinador de la Red FFD Uno por red. Forma la de Área Personal (PAN) red, asigna las direcciones de red, guarda la tabla de vinculaciones. Coordinador FFD Opcional. Extiende el (secundario) 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 (enddevices) 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 Servicios Fuente de Configuración Dispositivo ofrecidos Alimentación del Receptor Inactivo Dispositivo de Todos o Alimentación ON Funciones la Convencional Completas (FFD) Mayoría (Mains) Dispositivo de Limitados Batería OFF Funciones Reducidas (RFD)

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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].

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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. Lapso de tiempo en el que deben transmitirse los registros para tener observaciones que aporten información significativa para el personal que las evaluará Establece las condiciones para la realización de mediciones sucesivas en el tiempo Tiempo de operación que del nodo ante condiciones normales de baterías y circuitos

Periodicidad de los envíos Periodicidad de la medición Autonomía de operación

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

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 Impacto ambiental y riesgos para la salud Seguridad de los datos y privacidad

Materiales utilizados en los nodos y baterías Datos procesados, transmitidos y almacenados

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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.

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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.

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

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.

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[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 26882710, 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: RadioFrequency 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.

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.

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