Modelo de Plataforma EnViBo

Modelo de plataforma para el desarrollo de redes de sensores portables en monitoreo fisiológico ambulatorio Por:

Gustavo Adolfo Meneses Benavides

Asesor: Msc. PhD (c). Juan Diego Lemos Duque

Trabajo de Investigación presentado para optar al título de MSc. en Ingeniería

Maestría en Ingeniería-Área: Electrónica Línea: Bioinstrumentación Grupo de Investigación en Bioelectrónica e Ingeniería Clínica - GIBIC

Universidad de Antioquia Facultad de Ingeniería 2013

Tabla de Contenido CAPITULO 1______________________________________________________________ 4 Introducción__________________________________________________________________ 4 Evolución histórica de los recursos para el diagnóstico médico ________________________________ 4 La Telemedicina y sus ramas ___________________________________________________________ 5 Fases de desarrollo de la Telemedicina ___________________________________________________ 6 Aspectos que rigen el desarrollo de la telemedicina _________________________________________ 7 Evolución de las tecnologías portátiles ___________________________________________________ 7 Evolución de los nodos utilizados para redes inalámbricas de sensores _________________________ 9 Sensores para aplicaciones biomédicas __________________________________________________ 10

CAPITULO 2_____________________________________________________________ 17 Estado del Arte ______________________________________________________________ 17 Plataformas de monitorización de variables biomédicas ____________________________________ Dexternet _________________________________________________________________________ Mercury ___________________________________________________________________________ AlarmNet __________________________________________________________________________ Shimmer __________________________________________________________________________ CodeBlue __________________________________________________________________________ Teco Particle _______________________________________________________________________ BTnode ___________________________________________________________________________ MyriaNed __________________________________________________________________________ EMUTEM __________________________________________________________________________ SMGI _____________________________________________________________________________ INTENSA___________________________________________________________________________ Características generales de las plataformas consultadas ___________________________________ Colombia __________________________________________________________________________

17 17 18 19 20 21 22 26 28 29 30 31 32 38

CAPITULO 3_____________________________________________________________ 40 Marco Técnico y Regulatorio____________________________________________________ 40 Referentes para la implementación de una plataforma de sensores portátiles __________________ 40 Marco Técnico ______________________________________________________________________ 40 Tecnologías de Comunicación Inalámbrica y Oportunidades para las aplicaciones de e-salud __________________________________________________________________________________ 50 Elección de los Estándares de Comunicación Inalámbrica ___________________________________ 50 El estándar IEEE 802.11 ______________________________________________________________ 51 El estándar IEEE 802.15.1 _____________________________________________________________ 51 El estándar IEEE 802.15.4 _____________________________________________________________ 51 Marco Regulatorio __________________________________________________________________ 61 Compatibilidad Electromagnética ______________________________________________________ 62 Efectos Biológicos de la Radiación ______________________________________________________ 62 Impacto Ambiental __________________________________________________________________ 63 Regulación Colombiana ______________________________________________________________ 63

Bandas ISM (Industrial, Científica y Médica) ______________________________________________ 65 Otras Regulaciones Internacionales _____________________________________________________ 66

CAPITULO 4_____________________________________________________________ 70 EnViBo: una propuesta de plataforma para el desarrollo de redes de sensores portátiles en monitorización fisiológica ambulatoria ___________________________________________ 70 Plataforma EnViBo __________________________________________________________________ 72 Arquitectura de la Plataforma EnViBo ___________________________________________________ 72 Arquitectura de los Nodos ____________________________________________________________ 74 Visión completa de la plataforma EnViBo ________________________________________________ 76 Elementos técnicos para la implementación de las comunicaciones en la plataforma de monitorización EnViBo ____________________________________________________________________________ 77 Programación de nodos sensores al interior de la plataforma EnViBo__________________________ 83 Interfaz de Programación de Aplicaciones (API) de MiWi: MiApp _____________________________ 84 Programación de Aplicaciones MiWi en MPLAB ___________________________________________ 85 Ejemplo de Implementación de Red con base en la formulación de la plataforma EnViBo _________ 95 Especificaciones para la red de monitorización bajo la plataforma EnViBo _____________________ 106 Procedimiento de implementación y puesta en funcionamiento de la red de monitorización: _____ 107 Interfaz de usuario EnViBo ___________________________________________________________ 110 Trabajos realizados _________________________________________________________________ 112

CAPITULO 5____________________________________________________________ 114 Diseños, pruebas y análisis de resultados ________________________________________ 114 Selección de los elementos: __________________________________________________________ Diseño: ___________________________________________________________________________ Montaje de los componentes sobre las tarjetas __________________________________________ Pruebas y depuración sobre elementos de hardware ______________________________________ Pruebas y depuración sobre elementos de firmware: _____________________________________ Pruebas de comunicación en red ______________________________________________________ Simulación ________________________________________________________________________ Pruebas con baterías _______________________________________________________________ Conclusiones y Observaciones ________________________________________________________

115 119 125 129 130 133 152 157 159

Referencias ____________________________________________________________ 161

Modelo de plataforma para el desarrollo de redes de sensores portables en monitoreo fisiológico ambulatorio CAPITULO 1 Introducción Evolución histórica de los recursos para el diagnóstico médico En la historia de la medicina, el apoyo en recursos técnicos para complementar los sentidos humanos u otro tipo de habilidades utilizadas para tratar de diagnosticar enfermedades, dolencias o condiciones médicas, no se dio sino hasta un periodo relativamente reciente. Es evidente que la adopción de estas ayudas ha ido de la mano con los avances en campos como la instrumentación electrónica. En cuanto al apoyo de medios externos para labores diagnósticas, desde tiempos remotos hasta nuestros días, se puede hacer una clasificación general en seis grandes periodos [1]. Tabla I. Historia de la medicina diagnóstica clasificada según su utilización de sensores [1] Periodo en la historia del diagnóstico medico

Fecha histórica aproximada

Sin uso de los sentidos Sentidos humanos Sentidos humanos aumentados Sentidos humanos remplazados Sensores remotos Sensores vestibles

Inicio de los tiempos - presente “Hipócrates”-presente Siglo XIX-presente Mediados del siglo XIX-presente Finales del siglo XX-presente Siglo XXI

Lo que se llama periodo “sin uso de los sentidos” constituye el enfoque que asume que la causa de la enfermedad yace por fuera del paciente, por causa de espíritus o dioses, por ejemplo. En el periodo del uso de los “sentidos humanos” se acepta que la enfermedad tiene una causa física que puede ser diagnosticada a partir de la observación cuidadosa del paciente, apoyándose en sentidos como la visión, la audición y el tacto [1]. El mejor ejemplo del periodo de los “sentidos humanos aumentados” es el de la invención del estetoscopio por Rene Theophile Hyacinthe Läennec en 1819 [2]. Este y otro tipo de aparatos, como el microscopio, oftalmoscopios y endoscopios, le permitieron a los médicos “ver” dentro el interior del cuerpo del paciente como nunca antes. Durante el periodo de “sentidos humanos remplazados”, los sentidos de los médicos fueron reemplazados gradualmente por sensores. Inicialmente por aquellos sensores que medían o registraban las mismas variables de manera más confiable, como la temperatura y la presión arterial. Luego por sensores que detectaban

fenómenos no discernibles a través de los sentidos humanos, como los electrocardiogramas y los rayos X.

En el periodo denominado de “sensores remotos”, el desarrollo de la telemetría le permite a los médicos acceder a aplicaciones de lo que se denomina “Telemedicina” [3] que permiten observar y entrevistar un paciente ubicado en un sitio alejado de la clínica o centro médico. Hoy en día existen muchos ejemplos de tecnologías domiciliarias de telemonitorización con sensores. Por ejemplo, existen brazaletes de presión arterial, medidores de glucosa, pulsioxímetros y monitores cardíacos para pacientes con condiciones cardíacas o diabetes [4] y pueden transmitir sus signos vitales desde el confort de su hogar al profesional de asistencia médica y obtener realimentación o recomendaciones de seguimiento cuando sea necesario [5]. En el periodo de “sensores vestibles” se cuenta con herramientas que permiten realizar la monitorización continua de pacientes en entornos como el laboral, el domiciliario, entre otros. Es entonces que se hace necesario que el paciente o persona bajo observación porte los sensores, lo que ha resultado en dispositivos muy modernos desde el punto de vista de las comunicaciones, el nivel de miniaturización, el acondicionamiento y procesamiento de las señales. Sin embargo los diseñadores de sensores vestibles afrontan grandes retos en cuanto a los requerimientos de confiabilidad clínica, de consumo de energía y de confort y fiabilidad para el usuario final.

La Telemedicina y sus ramas La etimología de la palabra Telemedicina sugiere medicina a distancia. En la práctica esta denominación puede implicar la transferencia de datos médicos en formato electrónico desde una ubicación a otra, más que la prestación de servicios médicos a la distancia, e involucra el uso de dispositivos médicos, tecnología avanzada de telecomunicaciones como sistemas de videoconferencia y redes de cómputo. Cuando se habla de transferencia, está implícito el uso de las tecnologías de la información y la comunicación. Otros hablan de la telemedicina como el uso de las telecomunicaciones para entregar servicios e información médica. La información médica transferida puede utilizarse, entre otros, con fines de diagnóstico, terapia y educación. A partir de algunos análisis y discusiones, se propone por parte de algunas personas y estamentos no hablar de telemedicina sino de telesalud, el cambio de denominación busca también ampliar el espectro de las profesiones involucradas siendo ya no solamente médicos sino también profesionales de otras ramas como trabajo social y psicología [3]. Aparte de telemedicina y telesalud, también se habla de telecuidado o teleasistencia (telecare), este último término se utiliza para describir la aplicación de la telemedicina para entregar servicios médicos a pacientes en sus propias casas o en instituciones supervisadas. El telecuidado es particular respecto de la telemedicina ya que es especialmente importante para un grupo específico de pacientes con condiciones crónicas de largo tiempo como enfermedad mental, discapacidad o simplemente edad avanzada [3][6].

Fig. 1. Telemedicina, Telesalud y Telecuidado, definición y factores de impulso [3].

Fases de desarrollo de la Telemedicina Los profesionales de la salud y de áreas relacionadas han aprovechado las diversas tecnologías a medida que estas han hecho su aparición. La telegrafía se utilizó en la guerra civil estadounidense para reportar las bajas y solicitar medicamentos, el teléfono ha sido utilizado para proveer servicios de salud desde su invención. Alrededor de 1910 el teléfono se utilizó para transmitir sonidos amplificados provenientes de un estetoscopio, posteriormente también se usó para electrocardiogramas y electroencefalogramas. La utilización de las ondas de radio para servicios de apoyo a los navegantes se extendió desde los años 20 y 30, un ejemplo es el Italian International Radio Medicine Centre que opera desde 1935 [3][7]. La televisión en blanco y negro permitió visualizar la condición de un paciente más allá de simplemente apoyarse en una descripción basada en audio y mejoró notoriamente los diagnósticos y la confianza de los implicados en los tratamientos. Existen algunos antecedentes de programas apoyados por la infraestructura de la NASA, agencia espacial estadounidense, como el proyecto STARPAHC para asistir a comunidades indígenas o apartadas, en condiciones de difícil acceso o bajo situaciones de catástrofes naturales. Desde la perspectiva de las épocas actuales podría afirmarse que la telemedicina tuvo un desarrollo relativamente lento hasta la década de los 80. Luego, con la transición marcada de las comunicaciones análogas a las digitales y de la importancia creciente de los computadores y de tecnologías como las de la telefonía móvil se ha notado una rápida aceleración en este campo. Tabla II. Principales fases de desarrollo de la telemedicina [3][6] Fase de Desarrollo Telegrafía y telefonía Radio Tecnologías televisión/espacial Tecnologías digitales

Escala de tiempo aproximada 1840 - 1920 A partir de 1920 (Fue la tecnología más importante hasta 1950) A partir de 1950 (Fue la tecnología más importante hasta 1980) A partir de 1990

Algunos servicios de telemedicina, telesalud y telecuidado que se prestan en la actualidad:       

Teleconsulta y telediagnóstico (Radiología, Patología, Cardiología, Otorrinolaringología, entre otros) [6]. Teleradiología Telecirugía Telementoring Teleoncología Telespirometría Videoconsulta

Dermatología,

Psiquiatría,

Aspectos que rigen el desarrollo de la telemedicina Aparte de ser una iniciativa tecnológica que resulta bastante loable por sus incidencias filantrópicas y en pro del bienestar de las personas, el éxito de la telemedicina, la telesalud, el telecuidado y todas sus áreas afines, depende no solo de la viabilidad tecnológica sino de una serie de aspectos que tocan áreas como la política, el gobierno y la factibilidad comercial.

Fig. 2. Algunos aspectos que influyen en el desarrollo de la telemedicina.

La calidad del servicio, por ejemplo, tiene que ver con lo que se denomina efectividad clínica que involucra, entre otros aspectos, precisión de los diagnósticos, privacidad y protección de la información.

Evolución de las tecnologías portátiles El año de 1947 marcó un hito en la historia de la telemedicina. El invento del médico estadounidense Norman Jeff Holter, realizado con el propósito de realizar monitorización ambulatoria de largo término sobre las características cardíacas de un paciente, se utiliza aún para utilizar los registros con fines de diagnóstico y estudio. Aprovechándose de los avances en la miniaturización y en los semiconductores el prototipo inicial pudo ser reducido a un peso de solo 1.2 kilogramos hasta los prototipos actuales que solo pesan unos cuantos gramos [8][9].

Un desarrollo paralelo es el de la computación portátil [10], esta tendencia tecnológica finalmente ha llegado a un punto convergente donde se ha dado una fusión con los desarrollos de monitorización médica. El desarrollo de las tecnologías móviles de comunicación se constituye en un impulsor clave del paradigma de lo que se conoce como computación ubicua. Tabla III. Evolución de la telefonía móvil y los sistemas de comunicación personal [11]. Generaciones de Telefonía y Comunicaciones Móviles Comerciales 0G (70’s en adelante), Comunicación básica de voz.

1G (Años 80) Señales análogas de radio

2G (Años 90) Comunicaciones digitales de voz y datos como fecha y hora, también disponible mensajes cortos de texto (SMS) para ciertos estándares.

3G Rango más amplio de servicios avanzados y mayor capacidad de red a partir de una eficiencia espectral mejorada

4G (2006 en adelante) Redes con paquete conmutados completamente IP, tasas de datos de Gigabits

5G (próximos años) Próxima generación en la prospectiva de las comunicaciones móviles. [12]

Paralelamente a la evolución de las generaciones de telefonía móvil, se plantea una evolución de las interfaces de los aparatos, desde aquellos que requieren un alto contacto con las manos, pasando por los de moderado contacto hasta los modelos venideros de bajo contacto e incluso con propiedades extendidas, que permitirán liberar las manos totalmente gracias a los comandos gestuales, el seguimiento de la vista y la mayor capacidad para interpretar las señales lingüísticas del usuario e incluso algunas relativas al contexto o entorno [13]. El término “computación ubicua”, también conocida como “computación pervasiva” (ubiquitous computing o pervasive computing), fue acuñado en 1988 por Mark Weiser. Para Weiser, la computación ubicua es la tercera etapa dentro la evolución de la informática. En la primera etapa, había grandes computadores (mainframes) compartidos por una gran cantidad de personas. En la segunda etapa, que se prolonga hasta hoy, aparecen los computadores personales, en la tercera etapa, cada persona interactúa con una gran cantidad de computadores. La computación ubicua pretende integrar en el entorno, sistemas computacionales que sean invisibles para el usuario. Gracias a la computación ubicua, los sistemas computacionales se “diluirán” en el entorno, quedando a la vista del usuario solamente sus funcionalidades [14]. Igualmente los sensores y los sistemas de sensado han experimentado transformaciones significativas a lo largo del siglo XX y en lo corrido del siglo XXI. En la actualidad la madurez tecnológica de los dispositivos electrónicos programables, las comunicaciones inalámbricas y la computación ubicua o pervasiva se conjugan en sistemas de redes de sensores.

Fig. 3. Evolución de los sistemas de sensores y del paradigma en cuanto a las capacidades de procesamiento de los datos. En el campo especifico de las aplicaciones de telemedicina, telesalud y telecuidado, la línea evolutiva marca un paso por los sensores portables (portátiles), los sensores vestibles y los sensores implantados [4][5][15][16]. Una propuesta complementaria tiene que ver con los sensores y los sistemas de sensores llamados “sin contacto” [17][18]. La fusión de Electrónica, Computación y Telecomunicaciones puede verse claramente en el análisis de diagrama de bloques de un nodo sensor portátil genérico. Si bien, no es obligatorio que las comunicaciones sean inalámbricas esto es lo que prevalece para la mayoría de los sistemas y especialmente para los de telemedicina, con redes de área corporal y personal. Como se verá en detalle en el próximo capítulo, los estándares de las familias IEEE 802.XX se constituyen en el principal referente para las comunicaciones.

Fig. 4. Arquitectura de hardware para nodos sensores [19]

Evolución de los nodos utilizados para redes inalámbricas de sensores En el campo de las redes de sensores un nodo portátil es un dispositivo que puede monitorear una o múltiples variables. Algunas de las principales característica de estos nodos sensores son su carácter inalámbrico, su autonomía, sus capacidades de procesamiento y su nivel de

miniaturización. Otros factores de diseño importantes para este tipo de tecnología son su adaptabilidad a las prendas de vestir o al cuerpo de las personas, un tamaño reducido y un peso liviano.

Algunas de los avances tecnológicos y de procesamiento que aprovechan los nodos sensores en la actualidad son:

•

Fusión de Datos (Fusión de Sensores) [20]

•

Energy Harvesting

•

Sistemas Microelectromecanicos (MEMS)

•

Microcontroladores de extra-bajo consumo

•

Ambientes inteligentes (Smart Environments)

•

Miniaturización creciente

•

Sistemas Operativos en Tiempo Real (RTOS)

En la actualidad se observa una cierta tendencia en la evolución de las plataformas de sensores hacia soluciones no propietarias, con protocolos inalámbricos especialmente adaptados para las redes de sensores portátiles, con nodos altamente eficientes en el uso de la energía y con la incorporación de elementos de “inteligencia” en el proceso que va desde la captación, hasta la visualización de la información, añadiendo valor a los datos en el procesamiento intermedio [21].

Sensores para aplicaciones biomédicas Un sensor es un dispositivo que puede captar los cambios de una variable de interés basándose en una ley, efecto o principio (físico, químico, electromagnético, etc.) y que, a su vez, entrega una señal de salida que corresponde de manera lineal, polinómica, exponencial u otra, a la variación inicialmente captada. En la actualidad se aprovecha el principio de operación de diferentes sensores en el área de las aplicaciones biomédicas. Tabla IV. Clasificación de bioseñales según su forma asociada de energía [4] Variables

Ejemplos de bioseñales

Eléctrica

Forma de energía

Voltaje, corriente, resistencia, capacitancia, inductancia …

Mecánica

Desplazamiento, velocidad, aceleración, fuerza, presión, flujo… Temperatura, flujo térmico, conducción térmica Luz visible, infrarrojo, ondas de radio… Flujo magnético, intensidad de

Electrocardiografía (ECG), Electroencefalografía (EEG), Electromiografía (EMG), Electrooculograma (EOG), Electronistagmografía (ENG) Presión arterial, velocidad de onda de pulso

Térmica Radiante Magnética

Temperatura interna, temperatura cutánea SpO2, fotopletismografía Magnetoencefalografía, flujo

Química

campo Composición química, pH (derivado de muchas formas de energía)…

Glucosa, quinasa

colesterol,

creatina

Como ejemplo de sensor utilizado en aplicaciones biomédicas podemos mencionar el termistor, un sensor cuyo principio de operación se basa en las variaciones de resistencia de ciertos materiales semiconductores ante los cambios de temperatura. Los termistores comerciales usualmente están fabricados a partir de mezclas de óxidos de metales, como óxido de manganeso con cobre, y presentan una variación de tipo exponencial que puede resultar muy útil parar la detección de pequeños cambios de temperatura [22].

Fig. 5. Termistor: Aspecto físico, símbolo, formula genérica y curvas de respuesta típicas para los tipos NTC y PTC Se denomina sensor portable, portátil o más propiamente “nodo sensor” a un tipo especial de dispositivo que tiene la capacidad de realizar las funciones de sensado, acondicionamiento, procesamiento y transmisión de las señales en el mismo sitio del registro y sobre una misma tarjeta, de manera similar a lo que se conoce como un sensor inteligente. El término nodo implica una interacción con otros elementos de red, además este tipo de sensores debe incorporar características de portabilidad y diseño que lo hagan apropiado para realizar sus tareas de medición, mientras está sujeto a una parte del cuerpo o a una prenda vestida por una persona [5].

Fig. 6. Diagrama de bloques de un nodo sensor Los nodos sensores son diseñados bajo parámetros de comodidad y portabilidad para el usuario, idealmente estos no deben obstruir o impedir el desarrollo de las actividades normales realizadas por las personas monitorizadas y pueden encontrarse actuando independientemente en aplicaciones de registro de una sola variable o interconectados en sistemas de redes inalámbricas de sensores.

Aparte de apoyar estudios de tipo sociométrico [23], psicosocial, de mercado o de otra índole, las redes de sensores portátiles también son utilizadas para la monitorización ambulatoria de variables fisiológicas o de interés biomédico en personas [24] y si bien, aun no es posible la implantación de sensores portables para reemplazar todas las pruebas médicas, se ha avanzado bastante en la implementación de sistemas portátiles de monitorización para las principales pruebas relacionadas con signos vitales y señales típicas como las de electrocardiografía, presión arterial, pulsioximetría, temperatura, entre otras [25]. Otros campos en donde se ha dado un rápido crecimiento de las aplicaciones de las redes inalámbricas de sensores son el deportivo (fitness) y el del entretenimiento (interactive gaming, tracking) [26][27]. En el campo específico de la monitorización ambulatoria de variables fisiológicas, existen una serie de señales biomédicas y de signos vitales ampliamente conocidos por su importancia para efectos de diagnóstico, prevención y seguimiento a condiciones específicas de los individuos. Entre estas encontramos las señales electrocardiográficas, electromiográficas y los registros de presión arterial, ritmo cardiaco, frecuencia respiratoria, actividad, temperatura corporal, gasto metabólico, entre otros. Es común encontrar aplicaciones en las que se fusionan los datos de diferentes señales biomédicas y signos vitales con el fin de establecer con mayor precisión la condición de un paciente o persona. Los profesionales de las áreas relacionadas, conocen la utilidad del registro de signos vitales, señales biomédicas, patrones de comportamiento y otras informaciones relativas al entorno y pueden aprovecharlas para realizar estudios de salud, hábitos y para diagnosticar diferentes tipos de condiciones médicas. TABLA V. Algunos sensores utilizados para detectar signos vitales [28] Sensores

Observación

ECG EMG Respuesta galvánica de la piel Temperatura Respiración Oxígeno en la sangre Presión arterial

Ritmo cardiaco, variabilidad de ritmo cardíaco (HRV) Actividad muscular y fatiga Conductancia de la piel Temperatura cutánea, estado de salud (fiebre) Ritmo respiratorio, actividad física Estado del sistema cardiovascular, ritmo cardíaco Estado del sistema cardiovascular, hipertensión

TABLA VI. Algunos sensores utilizados para detectar movimiento y ubicación [28] Sensores

Observación

Acelerómetro

Patrones de movimiento del tronco y de las extremidades Reconocimiento de voz, localización a partir de sonidos ambientales, detección de actividad, características de voz. Ubicación de fuentes de luz Movimientos corporales Orientación del cuerpo y de la cabeza Movimiento vertical en ascensor o en escaleras Luz del sol, ubicación de luminarias Exteriores, interiores Ubicación, condiciones ambientales

Micrófono

Sensor de luz visible Rotación Brújula electrónica Presión atmosférica Sensor de luz Temperatura ambiente Humedad

WLAN/GSM/CDMA Bluetooth, Zigbee

Ubicación, entorno del usuario Servicios y dispositivos cercanos

Aprovechando las posibilidades actuales de comunicación inalámbrica y, en particular, las características de los protocolos de redes de área corporal y de redes de área personal, es posible entonces establecer redes de sensores que se ajusten a un marco operativo o plataforma de funcionamiento previamente establecida. Toda plataforma está desarrollada con base en un modelo, por lo tanto sus características más relevantes están determinadas por los lineamientos metodológicos planteados en el modelo en aspectos como el tipo y el número de capas de la plataforma, los protocolos a utilizar para cubrir las comunicaciones, las políticas de manejo de la energía, los medios y métodos para el almacenamiento de los datos de medición, los modos y escenarios de operación, el perfil de los usuarios, las conectividad a otras redes, los parámetros de escalabilidad e interoperabilidad con otros dispositivos o redes, las consideraciones de sensibilidad al contexto, las especificaciones de radiación electromagnética de los dispositivos que intervendrán en la plataforma y todos los otros referentes que se consideren de importancia para el modelo [29]. Se puede afirmar entonces que un modelo de plataforma es un marco de referencia técnicoconceptual a partir del cual se pueden determinar los requerimientos mínimos para los elementos constitutivos de los sistemas y los alcances y limitaciones del tipo de implementaciones que se pueden desarrollar en concordancia con lo planteado en el modelo [30] [31]. Si el modelo de plataforma está correctamente formulado, los sistemas implementados a la luz de este, garantizarán aspectos como la integridad de los datos de medición y satisfarán las necesidades de información de los investigadores interesados en el seguimiento de las señales ligadas a la fisiología de los órganos y sistemas principales de las personas bajo observación [5]. Debido a los requerimientos de comunicación de los sistemas de nodos sensores portátiles, las plataformas de estos sensores normalmente se apoyan también en dispositivos y tecnologías enmarcados dentro del paradigma de la computación ubicua o pervasiva [32]. Este paradigma pretende situar en diferentes entornos, sistemas con capacidades de cómputo de modo que estos sean transparentes para el usuario, el objetivo es que los servicios se sitúen por encima de los mismos dispositivos o infraestructuras de red. Muchos de los elementos considerados críticos para la computación ubicua, que en el pasado eran una utopía, ahora son una realidad: smartphones, redes de área local inalámbricas, nuevos sensores, protocolos, etc. [33], por lo tanto este paradigma tecnológico encaja muy bien como soporte de las plataformas de sensores para el monitoreo ambulatorio en aspectos como las comunicaciones, el almacenamiento-procesamiento de los datos y la conectividad a otras redes. En los últimos años, al interior del Grupo de Investigación en Bioelectrónica e Ingeniería Clínica: GIBIC, del programa de Bioingeniería de la Universidad de Antioquia, se han desarrollado diversos dispositivos para la monitorización de parámetros fisiológicos. En la actualidad no existe interoperabilidad entre estos prototipos ya que cada uno de ellos se ha desarrollado de manera independiente para el registro de una sola variable fisiológica. Para superar esta limitante, uno de los objetivos actuales del grupo es desarrollar un modelo de plataforma de sensores portables que permita el monitoreo simultaneo de múltiples parámetros fisiológicos de manera ambulatoria. La integración de los dispositivos existentes, y otros en desarrollo o proyectados a futuro, es posible mediante un modelo de comunicaciones basado en tecnologías y estándares existentes de redes inalámbricas de área personal.

Fig. 7. Diagrama de bloques y detalle del módulo portable de monitoreo de Presión Arterial No Invasiva (PANI) desarrollado por el GIBIC (Fuente: Grupo GIBIC) El Grupo de Investigación en Bioelectrónica e Ingeniería Clínica GIBIC, perteneciente al programa de Bioingeniería de la Universidad de Antioquia, adelanta continuamente proyectos de investigación en sus diferentes líneas, en las modalidades de Proyectos Integrativos de Semestre (PIS), cofinanciación, adaptación e innovación tecnológica, convocatorias nacionales e internacionales, tesis de grado, maestría y doctorado [34]. Actualmente se desarrollan, o están planeados a futuro, diferentes proyectos de diseño e implementación de nodos sensores portables en la división de Bioinstrumentación electrónica del grupo GIBIC, específicamente en el área de monitorización ambulatoria de variables fisiológicas [35]. Dada su naturaleza, estos proyectos revisten un especial interés y utilidad para varias líneas de trabajo del grupo como Equipamiento biomédico, Procesamiento digital de señales médicas y biológicas y Modelado matemático de procesos fisiológicos y patológicos, sin embargo en la actualidad no existe un marco metodológico a nivel del grupo que haga posible que estos prototipos independientes de monitoreo se integren fácilmente a otros proyectos de investigación en las líneas mencionadas. A partir del análisis de esta situación y considerando los lineamientos e intereses investigativos del grupo GIBIC, se ha identificado la necesidad de desarrollar un modelo de plataforma multiparamétrica de monitorización ambulatoria de parámetros fisiológicos, que se constituya en un referente sistémico y metodológico que permita integrar, de manera efectiva, en el mediano y largo plazo, productos como los prototipos portátiles y otras herramientas de monitorización desarrolladas de manera independiente, a esfuerzos coordinados y continuos de investigación. Tabla VII. Proyectos de Investigación del grupo GIBIC que pueden integrarse a otros proyectos mediante un modelo de plataforma de sensores portables de monitoreo de variables fisiológicas. (Fuente: Grupo GIBIC) Proyecto de Investigación

Modalidad

Características Generales (Estado Actual)

Pendiente por Implementar Con miras a la interoperabilidad

Holter

Tesis de Grado

Aún No es integrable a sistema multiparamétrico de monitoreo fisiológico (Culminado)

Ajustes de Hardware y Software al módulo de comunicaciones

[34]

Medidor Portable de Presión Arterial no Invasiva (PANI)

Tesis de Grado

[35]

Medidor de Saturación de Oxígeno (SpO2)

PIS (Proyecto Integrativo de Semestre)

Actígrafo

Monitor de Actividad Cardíaca y Frecuencia Respiratoria

Force Plate

PIS

PIS

Adaptación e Innovación Tecnológica

(Medidor de Presión plantar) (Cofinanciado por la UdeA y la empresa Ilimitada S.A)

Monitor multiparamétrico de parámetros fisiológicos

Aún no es integrable a sistema multiparamétrico de monitoreo fisiológico (En desarrollo) Aún no es integrable a sistema multiparamétrico de monitoreo fisiológico (En desarrollo) Aún no es integrable a sistema multiparamétrico de monitoreo fisiológico Requiere a futuro conectividad a sistema multiparamétrico (Culminado)

Ajustes de Software al módulo de comunicaciones

Módulo completo de comunicaciones (Hardware+Software) Módulo completo de comunicaciones (Hardware+Software) Módulo completo de comunicaciones (Hardware+Software) Módulo completo de comunicaciones (Hardware+Software)

Maestría

Proyecto para la validación del modelo de plataforma de sensores portatiles. Integra varios PIS y tesis de grado realizados o actualmente en desarrollo

Integración según modelo formulado de plataforma de sensores portables

Tesis de Grado

Debe ser integrable a un sistema multiparamétrico de monitoreo fisiológico (Culminado)

Módulo completo de comunicaciones

[36]

Sistema portátil para la medición del gasto energético por método de calorimetría indirecta

Conectividad ad-hoc con dispositivo coordinador Aún no es integrable a sistema multiparamétrico de monitoreo fisiológico (Culminado) Aún no es integrable a sistema multiparamétrico de monitoreo fisiológico (En desarrollo)

(Hardware+Software)

En la actualidad, el grupo GIBIC solo cuenta con dispositivos de medición que están enfocados a la monitorización de parámetros fisiológicos específicos y que no están diseñados bajo los criterios que deben tener los diferentes nodos sensores, para poder integrarse a una plataforma multiparamétrica [35], bajo un modelo que les permita funcionar en múltiples configuraciones de monitorización de variables y de acuerdo con las especificaciones propias de los diferentes trabajos de investigación. Con un modelo de plataforma de sensores es posible desarrollar proyectos en los que las tareas de monitorización de variables fisiológicas, se pueden realizar con versatilidad en aspectos tales como el número de parámetros, la periodicidad y la cantidad de las medidas, el tipo de persona y el escenario de monitoreo, el tipo y el medio de registro. Aunque en el ámbito comercial existen varios sistemas de monitorización de variables fisiológicas, se observa que muchos de estos no están concebidos para ofrecer facilidades de adaptación para labores investigativas, puesto que están soportados sobre tecnologías de nodos sensores

básicamente cerradas, lo que restringe significativamente su campo de utilización para este tipo de aplicaciones [37][38][39]. El modelo de plataforma que se va desarrollar, debe permitir la implementación de sistemas de monitoreo fisiológico, que no estén limitados solo a las aplicaciones clínicas, porque varios de los proyectos de investigación en desarrollo o previstos a futuro, implican monitorización sobre deportistas, personas con antecedentes de cuadros clínicos familiares, adultos o ancianos, personas que ejercen oficios o actividades físicas en condiciones de exigencia extrema y otros públicos específicos. Se requiere entonces formular y validar un modelo de plataforma de sensores para la monitorización fisiológica ambulatoria que pueda servir de apoyo para el grupo GIBIC y sus integrantes en diferentes actividades investigativas, tales como la validación de modelos biomédicos, la verificación de procedimientos de registro de variables fisiológicas, los estudios sobre las características físicas de personas pertenecientes a grupos de interés especial (ancianos, adultos con condiciones médicas especiales, deportistas, mujeres embarazadas, trabajadores), el diseño de pruebas (de esfuerzo, de valoración, etc.), el seguimiento y valoración de la respuesta a medicamentos en pacientes, entre otras. Este modelo de plataforma será el marco metodológico estructural que soportará la implementación de los diversos sistemas de monitorización y que garantizará su operatividad bajo los requerimientos de los diferentes proyectos del grupo.

CAPITULO 2 Estado del Arte Plataformas de monitorización de variables biomédicas Una plataforma de monitorización de variables fisiológicas es un sistema que integra labores de captación y acondicionamiento de señales, modulación, codificación y transmisión de la información, almacenamiento, visualización procesamiento y análisis de los datos. Aparte de los nodos serán necesarios un conjunto complementario conformado por elementos receptores de la información, bases de datos, medios de visualización, algoritmos de análisis y extracción de conocimientos, personal calificado y redes de comunicación, cableadas y no cableadas, de cobertura corporal, personal, local e incluso metropolitano [40]. La integración de los sistemas de sensado portátiles con otras plataformas e infraestructuras de información, hace uso de tecnologías bien consolidadas relacionadas con protocolos y estándares consolidados aplicados a las intranets, a Internet y a las tecnologías móviles [41]. El tipo de transceptores de radiofrecuencia, de microprocesadores o microcontroladores y de sensores a ser utilizados son elementos fundamentales que determinan muchas de las características de arquitectura y de prestaciones de las plataformas de monitorización ambulatoria de variables biomédicas y, por lo tanto, de sus nodos sensores. Con el fin de determinar las características que debe poseer el modelo de plataforma que deseamos formular, se ha realizado una revisión del estado del arte en cuanto a plataformas de monitorización a nivel mundial, bien sea a nivel de proyectos de investigación, académicos o como variantes comerciales, para encontrar elementos de referencia que nos permitan acercarnos a una formulación propia, que aproveche las lecciones aprendidas que se derivan de los proyectos similares existentes y que se ajuste a nuestras necesidades particulares.

Dexternet Una de las plataformas analizadas es Dexternet [42], denominada como una Plataforma Abierta para Redes de Sensores Corporales y sus Aplicaciones por sus creadores. Esta plataforma se basa en una arquitectura de tres capas; una capa de sensores corporales que comprende el diseño de los diferentes sensores y su instrumentación sobre el cuerpo, una capa de red personal que se ocupa de la comunicación entre los sensores corporales y una estación de computación móvil con sistema operativo Linux y soporte del protocolo IEEE 802.15.4 y, finalmente, una capa de red global que registra continuamente los datos de los sensores via Internet y soporta otras aplicaciones de alto nivel sobre uno o más servidores de red protegidos. Adicionalmente Dexternet soporta una librería de código abierto para procesamiento de señales on-node (SPINE: Signal Processing In Node Environment) que funciona para diferentes sensores corporales. Esta plataforma fue concebida para realizar aplicaciones de monitorización de largo término, sobre una o varias personas en ambientes interiores y exteriores. En principio Dexternet soportaba sensores de electrocardiografía, neumografía por impedancia eléctrica, movimiento y posicionamiento GPS, también, con la ayuda de SPINE, sensores de otras plataformas comerciales como Shimmer y MicaZ

Fig. 8. Esquema general de la plataforma Dexternet. Estructura de tres capas: Capa de sensores corporales (BSL por sus siglas en inglés), capa de red personal (PNL) y capa de red global (GNL) Como se observa en la figura (izquierda), los sensores y los dispositivos móviles se enlazan via SPINE en las dos capas más bajas de la arquitectura, la de sensado corporal y la de red personal, luego en la capa de red global están sustentadas las aplicaciones de alto nivel como visualización de un avatar que se crea a partir de los sensores que porta la persona en sus articulaciones, el reconocimiento de actividades y estudios de asma, entre otros.

Mercury Esta plataforma desarrollada en el Hardvard Sensor Networks Lab es una herramienta para el desarrollo de aplicaciones con sensores vestibles que balancea los requerimientos de tiempo de duración de las baterías y de calidad de los datos [43]. Una red típica bajo la plataforma Mercury tiene múltiples sensores portados por un paciente y una estación base, típicamente un computador portátil con un transceptor 802.15.4. La arquitectura de software de Mercury, mostrada en la figura, se divide en componentes que se ejecutan en los nodos sensores y la estación base.

Fig. 9. Arquitectura del sistema de monitorización Mercury La estación base ejecuta un driver que puede ser personalizado por el usuario final para un amplio rango de aplicaciones clínica. Mercury entrega una API simple para el driver de controlar la operación del nodo sensor y la recuperación de los datos. De esta forma el encargado médico no necesita programar los nodos para personalizar la red Mercury. El driver de Mercury puede emplear un amplio rango de políticas para ajustar el muestreo de los datos, el almacenamiento y la descarga de estos para negociar entre el consumo de energía y la fidelidad de los datos. Mercury es una plataforma desarrollada para análisis de movimiento en pacientes con Parkinson, epilepsia y apoplejía. La plataforma fue diseñada para recoger datos de largo término en pacientes en ambientes hospitalarios y domésticos. Los pacientes pueden portar hasta ocho nodos inalámbricos equipados con sensores para la monitorización de movimiento y condiciones fisiológicas.

AlarmNet AlarmNet, la plataforma propuesta del laboratorio de Computación Embebida y en Tiempo Real de la Universidad de Virginia, es una red para la monitorización residencial y para la vida asistida que sirve para propósitos de investigación en el campo de la asistencia medica inteligente y que ofrece nuevas oportunidades para la monitorización continua de adultos mayores o de quienes requieren de asistencia médica [44].

Fig. 10. Plataforma AlarmNet: (izquierda) escenario de operación, (derecha) arquitectura.

La figura (derecha) muestra la arquitectura de la plataforma AlarmNet que consta de los siguientes elementos:     

Red de sensores emplazados (emplaced sensor network) Redes corporales mobiles (Mobile Body Networks) Pasarela de enlace AlarmGate (Gateways) Interfaces de usuario (User interfaces) Bases de datos y programas de análisis Back-end

Los sensores emplazados se despliegan en el ambiente (cuartos, corredores, muebles) para soportar el sensado y la monitorización, que incluye: temperatura, humedad, movimiento, acústica, cámaras, etc. Esto provee sensado y control del entorno, interfaces para otros dispositivos y un contexto espacial para la operación. Los sensores acoplados al cuerpo que hacen parte de las redes corporales tienen capacidad de comunicación entre ellos y uno de estos nodos está designado como la pasarela de enlace hacia la red de sensores emplazados. Los sensores de la red corporal comprenden sensores fisiológicos y de reconocimiento de actividad. En la plataforma AlarmNet los niveles de red están conectados mediante dispositivos que actúan como pasarelas (gateways) entre las capas adyacentes. La pasarela AlarmGate conecta sistemas tradicionales como PDAs, PCs y bases de datos con la red de sensores emplazados, los nodos AlarmGate posen más capacidades de almacenamiento y computación que los nodos sensores, también prestan servicios de procesamiento de peticiones, seguridad y privacidad. La comunicación del Gateway puede ser inalámbrica o puede soportarse sobre la infraestructura de redes cableadas existentes. Tambien hay un Gateway especial llamado BlueGate que permite interaccion con otros nodos como MicaZ y enviar mensajes de alarma a través de dispositivos móviles mediante un enlace que utiliza Bluetooth. Finalmente la plataforma AlarmNet suministra varias interfaces para personal médico (healthcare provider interfaces), interfaces para aspectos de manejo técnico de la plataforma, interfaces para los residentes e interfaces internas (in-Network interfaces). Se utiliza una base de datos MySQL como almacenamiento de datos back-end para todo el sistema, esta base de datos se ejecuta en un pc que almacena toda la información recogida por la infraestructura de red y que se utiliza para estudios longitudinales y análisis off-line. Los programas de análisis back-end monitorizan desviaciones de comportamiento de los pacientes sobre largos periodos de tiempo, lo que ayuda a identificar cambios que pueden indicar el avance de enfermedades degenerativas como el Alzheimer. La plataforma también cuenta con un aplicativo que analiza los ritmos de actividad circadiana llamado SAMCAD (Software for Automatic Measurement of Circadian Activity Deviation) que se apoya en los sensores vestibles de actividad y movimiento portados por los pacientes.

Shimmer Esta es una plataforma de sensores inalámbricos, comercializada por Realtime Technologies, que puede grabar y transmitir datos fisiológicos y relativos al movimiento en tiempo real. Su nombre en realidad se deriva de una sigla Sensing Health with Intelligence, Modularity, Mobility and Experimental Reusability y ha sido diseñada por el Grupo de Salud Digital de Intel. La plataforma Shimmer incorpora nodos sensores de electrocardiografía (ECG), electromiografía (EMG), respuesta galvánica de la piel (GSR), nodo acelerómetro, giróscopo, magnetómetro, sistema de posicionamiento global (GPS), inclinación y vibración [45]. La arquitectura de la plataforma puede describirse a partir de los siguientes componentes: un elemento central de computo (Core computation), elementos de comunicación, almacenamiento y

manejo de la energía, así como tarjetas de expansión shimmer (daughterboards) y periféricos. El elemento central de procesamiento de la tarjeta base de Shimmer es un microcontrolador de Texas 2 Instruments de bajo consumo, el MSP430, que también provee interfaces I C, UART y SPI. Las comunicaciones de los nodos se cubren con transceivers, el CC2420 y el RN41, que soportan implementaciones de las recomendaciones IEEE802.15.4 e IEEE802.15.1 respectivamente. El almacenamiento se hace en tarjetas micro SD. Las tarjetas de expansión permiten conectar a la tarjeta base los sensores que la aplicación requiera y los periféricos incluyen elementos como el cargador-programador. En conjunto podemos decir que Shimmer se apoya en elementos de hardware, firmware y software para proveer las funcionalidades de una plataforma de monitorización.

Fig. 11. Componentes de Hardware, Firmware y Software de la plataforma Shimmer

CodeBlue Esta plataforma también ha sido desarrollada por Harvard Sensor Networks Lab y se denomina a sí misma como una infraestructura de sensores inalámbricos para monitorización médica. CodeBlue está soportada por una arquitectura de red y por una arquitectura de software. Al igual que otras plataformas, a nivel de la capa de sensores corporales CodeBlue se apoya en IEEE802.15.4, también se utiliza un Gateway que conecta con el denominado CodeBlue Server que a su vez conecta con una base de datos y enlaza al nivel de aplicación para finalmente llegar a los usuarios, principalmente personal médico [46]. Los nodos desarrollados bajo CodeBlue se pueden apoyar en el sistema operativo TinyOS, el cual es compatible con otros nodos sensores o motas como MicaZ y Telos. La plataforma ha sido formulada bajo preceptos de escalabilidad y robustez, manejo de peticiones concurrentes múltiples por parte del personal médico, despliegue de red ad-hoc, soporte de una amplia gama de sensores biomédicos y de aplicaciones.

Fig. 12. Arquitectura de red y de software de la plataforma CodeBlue CodeBlue está diseñada para satisfacer los preceptos antes mencionados entregando una un conjunto integrado de protocolos de comunicación y una interfaz de peticiones (query interface) para redes de sensores médicos. El núcleo de CodeBlue es un modelo de comunicación publish/subscribe que le permite a los sensores publicar en uno o más canales y a los dispositivos receptores suscribirse a los canales de interés. El protocolo de descubrimiento de sensores le permite a los dispositivos receptores descubrir los nodos a medida que estos se unen a la red, mientras la interfaz CodeBlue Query se convierte en un mecanismo para que los usuarios soliciten actualizaciones periódicas o activadas por eventos sobre el status de los pacientes. La capa de abstracción del hardware de sensores permite la fácil integración de nuevos sensores en la plataforma. Finalmente, el proxy externo que se basa en servicios web, permite acceso a la red CodeBlue desde aplicaciones de cliente basadas en internet.

Teco Particle Esta es una plataforma desarrollada en la Universidad de Karlsruhe [47] derivada del proyecto Smart-Its Particles que nace dentro del paradigma de la computación ubicua y de los objetos inteligentes. La figura muestra la arquitectura básica de un nodo sensor de primera generación dentro del modelo Smart-Its [48]. Dentro de esta propuesta los nodos también están concebidos como elementos modulares que incorporan las funcionalidades básicas de un sensor inteligente, es decir, captura de variables, capacidades de procesamiento, comunicaciones y manejo de la

energía.

Fig. 13. Arquitectura de un nodo dentro del modelo Smart-Its de primera generación En esta propuesta se incorporan microcontroladores de Microchip como elementos de procesamiento, cada partícula se apoya en una arquitectura de software en la que el programa que se ejecuta es específico para las tareas del nodo. El firmware que es necesario para cubrir las necesidades del nodo se encuentra dividido en librerías que se compilan luego para hacerlas específicas para una aplicación particular. Como se muestra en la figura se tienen tres librerías principales que poseen drivers para cada componente de hardware especifico, las librerías se ocupan de la administración de las entradas/salidas físicas (Physical I/O), del manejo de las comunicaciones y se soportan tareas cooperativas de manera separada utilizando semáforos.

Fig. 14. Modelo por capas para los nodos de los nodos dentro del esquema Teco Particle. Se observa una distribución general que se apoya en los elementos de hardware al nivel más físico y luego se apoya en las librerías para posibilitar un nivel de aplicación que permita personalizar la funcionalidad de los nodos. Actualmente, en lo que concierne a aplicaciones de monitorización que se deriven del proyecto Smart-Its encontramos la plataforma Teco Particle que casi después de una década es una propuesta madura. Dentro de los componentes de esta plataforma tenemos:



Particle computer: denominada dentro de la plataforma como el núcleo inalámbrico (the wireless core), este elemento es básicamente la placa base a partir de la cual se desarrollan los diferentes nodos. El Particle computer está diseñado de forma que sea liviano, de baja potencia y de bajo factor de forma, se apoya en un microcontrolador de 8 bits de Microchip con 128KB de memoria de programa y en un transceptor que opera en la banda ISM de 868.35 MHz.

Fig. 15. Detalle de implementación de un nodo dentro de la plataforma Teco Particle       

Selftest: es una tarjeta para chequear la operación del Particle computer. No se puede trabajar en caliente. Ssimp: se denomina así a la tarjeta de sensores sin el procesador Spart: se llama así a la tarjeta de sensores con el procesador Breakout: es el conjunto de conectores de expansión y de tarjetas con sensores propios que pueden ser agregados por el usuario. Prog Adapter: Es la tarjeta de expansión que permite realizar operaciones de lectura, borrado, programación y depuración sobre el microcontrolador de la tarjeta base. Serial: es una tarjeta que provee una conexión clásica RS232 serial. Xbridge: esta tarjeta provee conexión a redes Ethernet mediante una conexión cableada a través de un punto de red de infraestructura de conectividad existente. Se puede obtener acceso a internet por este medio. Se proveen las herramientas de firmware y software para soportar esta funcionalidad de Gateway. A través del XBridge se hace la conversión de los paquetes recibidos via RF a paquetes UDP/IP y viceversa.

Fig. 16. Enlace de las partículas dentro de la plataforma Teco hacia redes de infraestructura 





ParticleAnalyzer: Se denomina así dentro de la plataforma Teco Particle a la interfaz de usuario que permite observar el desempeño de las partículas. Esta interfaz posee varias funcionalidades muy llamativas como el manejo de la configuración de las comunicaciones de las partículas en caliente a través de una utilidad OTAP (on the air programming) que se constituye en uno de los ítems más novedosos y que se presentó como ProgAir desde las formulaciones iniciales en los primeros años de la plataforma, a principios de la década del 2000. APSConfig: es una interfaz que posibilita la configuración de especificaciones de networking para las partículas dentro de la plataforma. APSConfig es un programa que se ejecuta bajo Windows para configurar los nodos sensores Particle+SSimp y Particle+SPArt. La idea es que luego de configurar la particula con APSConfig se puede utilizar el ParticleAnalyzer para observar las lecturas del nodo sensor. AwareCon: se llama asi al protocolo de red particular para las partículas que provee una transmisión ad hoc y sincronizada de datos de hasta 48Kbits. Las partículas se sincronizan con sus socios de comunicación y permanecen asi mientras estén en su rango de alcance. El protocolo consta de 3 capas; la capa de RF (para sincronización, codificación de canal, etc.), la capa LL (para control de acceso, codificación de los datos y chequeo de errores mediante CRC16) y la capa ACL que actúa como una interfaz de usuario y de representacin de datos abstracta.

Adicionalmente la plataforma Teco se apoya en la librería llamada LibParticle que sirve para simplificar el desarrollo de aplicaciones para ejecutarse en el PC que se comuniquen con las partículas Smart-Its. LibParticle se encuentra disponible como puerto Windows o Linux/Unix, también está disponible un puerto para lenguajes de alto nivel como JAVA, Ruby, .Net y C#, entre otros. La imagen muestra la arquitectura de LibParticle.

Fig. 17. Arquitectura de LibParticle, framework de soporte para el desarrollo de aplicaciones bajo la plataforma Teco

BTnode La plataforma de computación y comunicación inalámbrica autónoma llamada BTnode [49], que también hace parte de la iniciativa Smart-Its, se apoya en un microcontrolador y radios Bluetooth. BTnode sirve como plataforma de demostración para investigación en redes conectadas ad hoc y mobiles (MANETs por sus siglas en ingles) y redes de sensores distribuidos. Esta plataforma ha sido desarrollada de manera conjunta en el ETH de Zurich por el Computer Engineering and Networks Laboratory y el Research Group for Distributed Systems. Los nodos se apoyan en radios similares a los utilizados en las motas Mica2 de Berkeley. Los nodos BT utilizan microcontroladores Atmel de 8 bits, un SOC (system on chip) Zeevo que integra un radio, un controlador de enlace, audio y una CPU ARM7. También se utilizan un transceptor UHF que opera en la banda ISM de 433-915MHz, el chipcon CC1000. La programación de los nodos se realiza en lenguace C y existe compatibilidad con TinyOS.

Fig. 18. Arquitectura de hardware de los nodos BT El software de los nodos pertenecientes a la plataforma BTnode es un sistema operativo liviano, llamado BTnut OS, que está compuesto de drivers de bajo nivel que se manejan a través de interrupciones y un despachador simple para planificar los tiempos de multiples hilos de ejecución (multiple threads). Un modelo de programación manejado por eventos entrega las funciones apropiadas para el manejo de los recursos. Un componente de software, como un driver, puede

generar un evento para notificarle a otros componentes de la ocurrencia de un cambio en el estado que requiere de mayores acciones.

Fig. 19. Framework de sistema operativo orientado a las comunicaciones y liviano de la plataforma BTnode Como podemos observar la plataforma se apoya en un esquema mediado por un Dispatcher o despachador que acerca los recursos de hardware de los nodos BT al nivel superior de aplicación a través de drivers y que, paralelamente se apoya en un Stack de Bluetooth como elemento central de comunicaciones. La figura muestra una opción de despliegue de redes inalámbricas de sensores bajo la plataforma BTnode mediante un esquema de red de apoyo que, a su vez, soporta los nodos sensores como tal. Es de anotar que los nodos BT en si no poseen sensores específicos y que estos se pueden 2 acoplar si son digitales, posee interfaz I C o entregan una señal análoga.

Fig, 20. Ejemplo de despliegue de red y detalles de nodos de la plataforma BT Es así como aparece la formulación de un toolkit de mantenimiento de las redes de sensores BT que permite el desarrollo de aplicaciones y el despliegue de estas. Este toolkit (Sensor network maintenance toolkit) se ha ideado como un conjunto de servicios que puede ser adaptado y personalizado según los requerimientos de monitorización y mantenimiento como, por ejemplo, programación remota, autenticación remota y detección de eventos, registro y análisis de datos de largo termino. Una implementación de referencia de una red de soporte de despliegue (DSN por sus siglas en inglés) se denomina JAWS y está disponible a través del sitio web del proyecto.

MyriaNed Esta plataforma comercial de DevLab, un consorcio de unas 45 empresas de base tecnológica, se caracteriza por la utilización de un protocolo basado en la difusión de rumores (gossiping protocol) que no requiere infraestructura de red y usa radios con bajas tasas de recepción. Con este protocolo no se requiere overhead para mantener tablas de enrutamiento, acuse de recibo de paquetes (acknowleding) ni retransmisión de mensajes [50]. MyriaNed no utiliza sistema operativo para sus nodos, en lugar de esto se apoya en MyriaCore, lo que permite bajo consumo de energía y, además, utiliza una variante de protocolo de acceso múltiple por división en el tiempo (TDMA) de controlador de acceso al medio llamado gMAC, que le permite a los nodos hacer difusión amplia (broadcast) de sus mensajes. De esta manera un nodo puede comunicarse con multiples nodos con una energía considerablemente menor a la de los nodos que utilizan comunicación unicast. MyriaCore es el software de base que gobierna los MyriaNodes y está encargada de planificar las comunicaciones y las tareas de aplicación. En MyriaNed, un nodo mantiene una estrecha sincronización con los demás nodos de la red. Para alcanzar dicha sincronización el MyriaCore llama la aplicación en lugar de que la aplicación llame las funciones del sistema. MyriaCore se ha diseñado de manera que tenga control completo sobre el sistema de interrupciones del procesador. Las interfaces con todos los actuadores y sensores son manejadas por la aplicación más que por el MyriaCore por lo que no se requiere su intervención.

Fig. 21. Trabajo del MyriaCore y del gMAC (gossipMAC) en la plataforma MyriaNed Los MyriaNodes utilizan transceptores nRF24L01 de Nordic, que operan en la banda de 2.4GHz, y microcontroladores de Atmel. Estos tienen conectores de expansión para los sensores y actuadores asi como interfaz USB. Si bien MyriaNed no está explícitamente declarada como una plataforma para la monitorización de variables biomédicas, tiene una serie de características y potencialidades que la hacen apta para este tipo de aplicaciones.

EMUTEM La plataforma EMUTEM (Ambiente multimodal para la televigilancia medica a domicilio, por sus siglas en francés) es un proyecto que está compuesto por tres sistemas heterogéneos:   

Anason: Un conjunto de micrófonos situados estratégicamente al interior de la casa para controlar a distancia el entorno acústico de la persona. RFPat: Un dispositivo portátil que mide las señales fisiológicas y que también detecta las caídas. GARDIEN: Un arreglo de sensores infrarrojos que detectan la presencia y la posición de las personas.

Una particularidad de esta plataforma es que se apoya en los múltiples modos (Anason, RFPat y GARDIEN) para, en conjunto con una base de reglas y un motor de inferencia basado en lógica difusa, habilitar la detección de situaciones de riesgo de las personas bajo observación [51].

Fig. 22. Arquitectura de la plataforma Emutem y despliegue de los sensores- dispositivos en el domicilio del paciente bajo monitorización. El subsistema RFPat consta de dos módulos principales; una terminal móvil (que puede tener la forma de una pulsera o clips sujetados a la correa del paciente) que toma continuamente los signos vitales y los envían a la estación base, que es el otro módulo, que consta de un receptor conectado a un computador personal mediante una interfaz serial RS232, que descarga los datos recogidos para efectos de su análisis y registro.

Fig. 23. Estructura del sistema de monitorización RFPAT (izquierda) y esquema general de la fusión de datos multimodales apoyado en lógica difusa Todos los datos recogidos por los sensores de RFPAT son procesados en el mismo dispositivo. RFPAT, fue diseñado utilizando dispositivos electrónicos de bajo consumo y su arquitectura se basa en el uso de diferentes microcontroladores dedicados a la adquisición, procesamiento y transmisión de señales. Las variables sensadas son ritmo cardiaco, señales actimétricas (postura, movimiento) y botones de pánico, adicionalmente las señales se preprocesan antes de ser transmitidas a la estación base para reducir el impacto del ruido ambiental o el ruido inducido por los movimientos del usuario. Para el sistema RFPAT el ruido se maneja en la etapa de adquisición utilizando filtros y algoritmos digitales.

SMGI El Sistema de Monitorizacion y Gestión de la Información, SMGI, propuesto desde la Universidad Autónoma de Baja California, México, es un sistema multicapa que permite establecer comunicación entre una red inalámbrica de sensores basada en el estándar IEEE 802.15.4 y un sitio web [52]. El propósito del SMGI es brindar servicios de monitorización de signos vitales a través del sitio web de pacientes que portan sensores, como también permitir el establecimiento de intervalos de muestreo y límites para la emisión de alertas. La estructura del sistema SMGI se basa en la arquitectura del modelo OSI, por lo tanto para este se desarrollaron componentes para su funcionamiento que se ubican en las capas del modelo ya mencionado.

Fig. 24. Paralelo con la estructura por capas del modelo OSI con SMGI y esferas de trabajo de la plataforma para funcionamiento integrado.

La figura muestra la descripción grafica del sistema SMGI, el cual tiene cinco bloques o capas. Para las capas física (PHY) y de controlador de acceso al medio (MAC) se ha tomado como referencia un desarrollo de Freescale, igualmente en la capa de red se utiliza como apoyo el NWK_LAYER de la misma empresa. Para lograr la comunicación efectiva entre la red inalámbrica de sensores y el sistema de monitorización y control web (SMC_WEB), se tiene un paquete de datos denominado SCNAD_paq, que contiene cabecera, cuerpo y final de paquete. La interfaz de comunicación con la red de sensores (ICRS) y el sistema de coordinación de nodos sensores (SCNS), se encargan de verificar la estructura del paquete (SCNAD_paq) e interpretar la información de manera congruente, de manera que esta sea almacenada en la base de datos, si procede de la red de sensores, o para asignarla a las estructuras del nodo sensor cuando la fuente es el sistema de monitorización. La plataforma SMGI se apoya en técnicas de IP Móvil, Proxy, TCP-IP (Transport Control ProtocolInternet Protocol) y Delay-Tolerant Networking (DTN) para garantizar el funcionamiento de esta infraestructura de naturaleza heterogénea. La figura muestra un diagrama que ilustra la interacción de estos conceptos y técnicas en pro del sistema SMGI.

INTENSA Esta plataforma, propuesta por investigadores de varias universidades y entidades españolas, está concebida como un sistema de monitorización de pacientes con insuficiencia cardiaca basado en el estándar ISO/IEEE11073 [53]. El objetivo del proyecto INTENSA es desarrollar y evaluar un sistema interoperable que incluye báscula, tensiómetro y un dispositivo portátil tipo Holter basado en tecnología Bluetooth llamado HOLTIN. El estándar ISO/IEEE11073 es también conocido como X73, la topología básica de un sistema de monitorización basado en X73 tiene tres segmentos: el MD, el dispositivo pasarela (Compute Engine, CE) y el servidor de monitorización y gestión (Monitoring System, MS). El MD, también llamado agente, adquiere la información biomédica y la envía al CE usando X73; el CE (manager) recoge esa información junto con la del resto de MDs de su red personal y la transmite al MS; el MS tiene la tarea de recopilar toda la información, realizar diagnósticos, enviar alarmas y gestionar la red.

Fig. 25. Esquema global de operación de la plataforma INTENSA En el caso específico de INTENSA, la plataforma está compuesta por distintos MDs que recogen información del estado de salud del paciente y la envían a un CE a través de tecnologías

inalámbricas tales como USB, IrDA, Bluetooth o Zigbee. El CE puede ser un teléfono móvil o un computador personal que transmite la información recibida de los diferentes MDS al MS vía ADSL, GPRS u otras tecnologías de transmisión de largo alcance. Toda la información del MS puede ser analizada por el personal médico e integrada en el sistema de información del hospital (Hospital Information System, HIS). Las recomendaciones X73 tienen algunas observaciones como su alta complejidad, el tiempo que demandan y los requerimientos de hardware para su implementación, entre otras. La plataforma INTENSA trata de proponer una aproximación a estos estándares y sugiere algunas estrategias para la utilización de microcontroladores como agentes que puedan enlazarse de manera más apropiada con los managers.

Fig. 26. Interacción Agente-Manager y Arquitectura global para un nodo con integración de los estándares X73 La arquitectura propuesta para un agente genérico tiene varios componentes básicos; la librería de patrones y el núcleo X73. El núcleo X73 se encarga del ensamblado, procesamiento, comparación y transmisión de los patrones. Además gestiona el estado de la Máquina de estados finitos, de los objetos en el Modelo de Dominio de Información, propio del enfoque orientado a objetos de X73, y de algunas señales que incluyen datos recibidos-enviados y estados de conexión. Otros componentes importantes de esta arquitectura son los drivers específicos que proveen funciones básicas al núcleo para permitirle manipular el hardware y la capa de adaptación que pone en contacto al núcleo con la pila del protocolo de transporte.

Características generales de las plataformas consultadas A continuación se presentan a través varias tablas que resumen las características generales y algunas particularidades de diversas plataformas de monitorización encontradas y que se escogieron de acuerdo con criterio de similitud con la plataforma que se desea formular para el grupo GIBIC. Como se ha mencionado antes, los campos de donde provienen estas plataformas son académicos, investigativos o comerciales. Tabla VIII. Descripción general de algunas plataformas para monitorización ambulatoria

Plataforma Mercury [43]

País /Universidad o Empresa

Campos de aplicación

Protocolo (Estándar de Comunicación)

EEUU/Harvard

Monitoreo de pacientes con desordenes neuromotores (Parkinson, epilepsia y apoplejía) Vida asistida y monitoreo residencial, ritmos de actividad circadiana. Oximetría y pulso, detección de eventos de apnea.

802.15.4

802.15.1

Alarm-Net [44] HealthGear [54]

EEUU/University Virginia EEUU/Microsoft

Waiter [55]

China/Hong Kong Polytechnic University EEUU-ItaliaFinlandia/ University of California (Berkeley), Cornell University, WSN Lab sponsored by Pirelli and Telecom Italia, Tampere University of Technology, University of Texas Center for Embedded Computing Systems, University of California

Monitorización de ritmo cardiaco, movimiento, temperatura de la piel y sistema de ayuda para emergencias médicas Medición de ECG, Movimiento, Velocidad, Desplazamiento, Gasto energético, Ubicación (vía GPS)

Aristotle University of Thessaloniki-Greece

Desordenes en el sueño, monitorizacion de los estados de sueño y de vigilia, atención y Stress (ritmo cardiaco, presión arterial, temperatura, movimiento de los ojos, aceleración, actividad electromiográfica y encefalográfica)

IEEE 802.15.4/Zigbee

Dongseo University (Korea)

Sistema de monitorización de múltiples signos vitales (glucosa en la sangre, presión arterial, ECG)

IEEE 802.15.4/Zigbee

National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program and the MIT (Massachusetts Institute of Technology) Media Lab’s Things That Think Consortium Department of Electrical & Computer Engineering, Sultan Qaboos University, Muscat, OMAN

Auto-monitorización fisiológica de largo término (conductancia de la piel, ritmo cardiaco, movimiento, temperatura) Monitorización continua de largo termino del sistema nervioso autónomo y datos de movimiento de infantes con actividad, niños y adultos

IEEE 802.15.4

DexterNet [42]

Eco: UltraWearable and Expandable Wireless Sensor Platform [56] SENSATION [57] (Advanced Sensor Development for Attention, Stress, Vigilance & Sleep/Wakefulness Monitoring” (SENSATION)

Technische Universitat Germany

of

Berlin-

Monitoreo de niños prematuros, Danza interactiva, ECG

802.15.4 802.15.1

802.15.4

ShockBurstTM (2.4 GhZ) (Nordic’s proprietary technology)

Alexandrian Technological Educational Institute of Thessaloniki Integrated project of the VI EU R&D Framework Programme included in the Strategic Objective Micro & Nano Sensors of the IST Thematic Priority)

Health-data [58] iCalm [59]

Wireless Biomedical System [60]

Monitorización de signos vitales a partir de múltiples sensores: temperatura corporal, Temperatura ambiente, humedad y presión.

IEEE 802.15.4/Zigbee

Wireless Intelligent Assistive Navigation Management System (WIANMS) [61] LiveNet [62]

School of Electrical and Electronics Engineering, The University of Nottingham, Malaysia Campus

Sistema de monitorización y asistencia web Para personas con discapacidad visual. Asistencia para caminar independientemente y de manera segura en terminales de transporte. También sistema de alerta para los enfermeros.

Media Laboratory, Massachusetts Institute of Technology. Massachusetts General Hospital, Department of Psychiatry

Monitorización fisiológica de largo termino. Sensores fisiológicos y contextuales. Respiración/otros sensores. Ritmo cardiaco, respuesta galvánica de la piel, acelerómetro 2D, temperatura (ambiental y corporal ) y flujo calórico. Monitorización de soldados, Parkinson, detección de ataques epilépticos, clasificación de actividades, tendencias de terapia de depresión, cuantificación de niveles de relación social.

GSM

Mobile Sensing Platform (MSP) [63]

Intel Research, University of Washington, Stanford University

Bluetooth RF Communication (RFCOMM) protocol-Zigbee

MOPET [64]

Department of Mathematics and Computer Science, University of Udine, Italy Aalborg University. Dept. of Electronic Systems Aalborg – Denmark Quality of Life Technology Laboratory, The University of Texas at Dallas. North Texas Healthcare System and University of Texas Southwestern Medical Center Dep. Of Information Engineering, University of Brescia, , Italy

Reconocimiento embebido de actividad. Monitorizacion de ejercicios fisicos, soporte de adultos mayores, asistencia de largo termino preventiva y para pacientes crónicos, asistencia cognitiva. Sistema portátil y adaptivo al usuario, consciente del entorno para entrenamiento deportivo. Posición, ECG, Acelerómetro.

Opensensor [65] Scalable Wireless Body Area Nework [66]

Instrumented Wearable Belt [67]

Shadow Monitor [68]

healthcare system based on intelligent wireless

New Jersey Institute of Technology, Kessler Medical Rehabilitation Research and Education Corporation, Sensory Motor Performance Program, Rehabilitation Institute of Chicago, Department of Biomedical Engineering. United States College of Computer, Nanjing University of Posts and Telecommunications,

Recuperación de información contextual

IEEE 802.15.4/Zigbee

GPS-GSM

Bluetooth RF Communication (RFCOMM) protocol

Plataforma flexible y escalable para transmitir, monitorear y analizar datos provistos por sensores biomédicos.

Zigbee

Dispositivo sensor portátil de señales biomédicas para monitorización de la condición de salud en casa, electrocardiograma (ECG), ritmo cardiaco, temperatura corporal, frecuencia respiratoria, movimiento en tres ejes (aceleración y posición)

Protocolo no revelado que funciona a 13.56 MHz

Zigbee (IEEE 802.15.4) Monitor portátil de flexiones de los dedos desarrollado para evaluar la función manual en individuos con disfunción de las manos.

Monitorización de signos vitales

Zigbee

sensor networks [69] Wearable wireless heart rate monitor [70] Smart Shirt [71]

Ambulatory Stress Monitoring [72] Smart Vest [73]

CodeBlue [46] Physical Activities Healthcare System (PATHS) [74] SHIMMER [45]

TEMPO 3.1 [75]

China AGH University of Science and Technology, Poland

Monitor de ritmo cardiaco para estudios de variabilidad de largo termino.

Bluetooth

Division of Computer & Information Engineering, Dongseo University. Division of Electronics, Computer and Telecommunication Engineering, Pukyong National University, DaeyeonDong, South Korea Department of Computer Science and Engineering, Texas A&M University

Medición de electrocardiograma (ECG), señales de aceleración y datos de actividad física para monitorización continua y en tiempo real.

IEEE 802.15.4

Plataforma de sensores vestibles inalámbricos, mínimamente invasiva que puede ser utilizada para monitorizar diferentes variables fisiológica que guardan relación con el estrés.

Simpliciti (A Texas Instruments proprietary low-power network protocol-2.4GHz)

Department of Research & Development, Army Public College of Managements and Sciences Rawalpindi, Pakistan. Division of Engineering and Applied Sciences Harvard University Shenzhen University, The Chinese University of Hong Kong, China.

Chaleco inteligente para prescripción electrónica y sistema de administración para controlar errores médicos, de prescripción y administración, para ayuda del personal médico.

Bluetooth

TRIL Centre (Intel, Trinity College Dublin, University College Dublin, and the National University of Ireland, Galway Department of Electrical and Computer Engineering University of Virginia

Monitorización no invasiva de pacientes y diagnóstico. SHIMMER provee capacidades de sensado ambiental, cinemático y fisiológico.

Bluetooth- IEEE 802.15.4

TEMPO (Technology-Enabled Medical Precision Observation) Plataforma de red de sensores de área personal para evaluación continua del movimiento (e.g. Parkinson, parálisis cerebral, desordenes de marcha) para efectos de prevención, diagnóstico, tratamiento y asistencia.

Bluetooth

Plataforma combinada hardware-software para redes de sensores biomédicos Monitorización de actividades electrocardiograma ambulatorio

físicas

IEEE 802.15.4

y

Bluetooth

Un elemento central de toda plataforma es el transceptor utilizado para los nodos de red, ligado al transceptor se encuentra el estándar de comunicación inalámbrica utilizado. A partir de la revisión realizada sobre la literatura de plataformas de monitorización inalámbrica de variables de interés biomédico, se ha podido identificar una prevalencia de las tecnologías de redes de área personal basadas en los estándares de comunicación IEEE 802.15.4 e IEEE802.15.1. La elección del transceptor está ligada a aspectos de consumo de energía, funcionalidades para la comunicación en red, entre otros. El manejo de los transceptores y de los elementos circuitales (sensores, actuadores, periféricos, etc.) ligados al funcionamiento de cada nodo, debe estar gobernado por un

elemento con capacidades de procesamiento que usualmente es un microcontrolador o, en general, un dispositivo programable, como un FPGA o DSP, es por eso que se han identificado las variantes que se utilizan para las diferentes plataformas analizadas. La identificación de transceptores y sistemas embebidos permitirá construir criterios de decisión que apoyaran la elección de dichos elementos para la formulación propia que se presentará en los capítulos siguientes. Tabla IX. Características de los transceptores y de los sistemas embebidos de las plataformas analizadas. Plataforma

Características del transceptor/red

Mercury Alarm-Net

Chipcon CC2420 radio Chipcon CC2420 radio transceiver

HealthGear Waiter DexterNet

Promi-ESD-2 module (class 2 transmitter) Bluetooth transceiver cc2420 radio equipped motes

Eco: UltraWearable and Expandable Wireless Sensor Platform SENSATION Health-data

Radio nRF24E1

No revelado 2.4GHz CC2420 radio

iCalm

Chipcon CC2420 radio module

Wireless Biomedical System Wireless Intelligent Assistive Navigation Management System (WIANMS) Mobile Sensing Platform (MSP)

XBee RF Module (maxstream)

Características del sistema embebido TI MSP430 microcontroller Nodos sensores MICAz Nonin’s Xpod Board No especificadas TelosB mote, MSP430F1611 microcontroller embedded 8051-compatible MCU

Portable Data Processing Unit (BAN coordinator) motas de tipo TelosB (TIP 710CM) Procesador MSP430F1611 Atmel Atmega328 microcontroller Microchip’s PIC18F4550 microcontroller

No revelado

Microchip’s Microcontroller.

PIC

No revelado

Versión 1: ATMega128 microcontroller on sensor board-ARM7 processor on iMote Versión 2: ATMega128 microcontroller on sensor board PXA271 Xscale processor on iMote

Opensensor Scalable Wireless Body Area Nework Instrumented Wearable Belt Shadow Monitor healthcare system based on intelligent

nRF905 radio interface Transceiver Zigbee Transceiver de 13.56MHz 2.4 GHz IEEE 802.15.4 Chipcon Wireless Transceiver CC2420

16 bit architecture dsPIC30f3013 processor produced by Microchip Microcontrolador 8051compatible de 8 bits MC9S08GB microcontrolador de 8 bits Texas Instruments MSP430 microcontroller 8 bit ATmega128L MCU (healthcare node)

wireless sensor networks Wearable wireless heart rate monitor Smart Shirt Ambulatory Stress Monitoring Smart Vest CodeBlue Physical Activities Healthcare System (PATHS) SHIMMER TEMPO 3.1

Bluetooth class 2

ARM7 family processor (Atmel AT91SAM7X256)

CC2420 wireless transceiver CC2500 - 2.4 GHz, ISM band multi-channel low power transceiver

MSP430F1611 MSP430 microcontroller

Transmisor Bluetooth ChipCon CC2420 radio Transmisor Bluetooth

AT89C2051 ( 20/8051 family) TI MSP430 No revelado

Roving Networks Bluetooth Module-CC2420 Radio Transceiver RN-41 embedded Bluetooth module from Roving Networks

MSP430 MCU MSP430 microcontroller

Puesto que la mayoría de plataformas estudiadas plantea escenarios de operación en los que se requiere que los nodos posean buenas características de autonomía, se han identificado, también en las implementaciones analizadas, los aspectos en cuanto a la elección de los nodos en lo referente al manejo de los datos de medición y el suministro de energía. Puesto que en las arquitecturas propuestas por diferentes plataformas, y en el esquema general de evolución de este tipo de servicios, se plantea el tránsito de datos por diferentes tipos de redes, se ha identificado el patrón en cuanto a este tipo de funcionalidad para las propuestas analizadas. Tabla X. Características de las mediciones, la alimentación de energía e interoperabilidad de las plataformas analizadas. Plataforma

Mercury

Características de las Mediciones (Periodicidad, Modos y Medios de Registro) MicroSD flash

Alarm-Net

Base diaria

HealthGear

Continua por 12 horas

Waiter DexterNet Eco: UltraWearable and Expandable Wireless Sensor Platform SENSATION Health-data iCalm Wireless Biomedical System Wireless

Reportes periódicos Continua por 20 horas 4 horas (duty cycle=50%)

1 noche (también monitoreo 24 horas durante tres día para un escenario de insomnio) 1 día 30 horas Reportes periódicos Reportes periódicos

Características ligadas a la energía

Interoperabilidad con otras redes

250 mAh Li-polymer rechargeable battery. 3V pair of AA batteries

N/A

3V pair of AAA rechargeable batteries Baterías (no se especifican detalles) Baterías 600mAh 30mAh rechargeable LiPolymer battery

Celular-GPRS

rechargeable Li-ion battery 2 baterías tipo AA 250 mAh 3V lithium-ion battery Baterías (no se especifican detalles) 2 baterías tipo AA

N/A

Celular Bluetooth-WiFi-GPS 802.11b

WiFi-GPRS-Internet Celular Bluetooth, Celular, Internet WiFi Bluetooth

Intelligent Assistive Navigation Management System (WIANMS) Mobile Sensing Platform (MSP)

Opensensor Scalable Wireless Body Area Nework Instrumented Wearable Belt Shadow Monitor healthcare system based on intelligent wireless sensor networks Wearable wireless heart rate monitor Smart Shirt Ambulatory Stress Monitoring Smart Vest CodeBlue Physical Activities Healthcare System (PATHS) SHIMMER TEMPO 3.1

Reportes periódicos (4 horas aprox)

Version 1: 200 mAh Li-Polymer battery

Reportes periódicos Reportes periódicos

Versión 2: 1800 mAH LiPolymer battery: 9V battery block. 3V lithium ion coin battery

Reportes periódicos Reportes periódicos (Tanto para periodos cortos o largos de hasta 1 a 2 días) Reportes periódicos

Reportes continuos de largo termino Horas y días Reportes periódicos Reportes continuos: días-horas Reportes periódicos Reportes continuos-días Reportes periódicos (horas-1 a 2 días) Registro en tarjeta SD Registro continuo: horas o días. Registro en tarjeta SD 6 hours of run-time for high-precision sensing applications.

3V, 50 mAh Rechargeable Battery Dos Baterias AA Batería de litio

Li-Ion 3.6-V accumulator (300 mA h, ca. 7 g)

GPS, WiFi

Bluetooth WiFi-WiMAX-GPRS-UMTS Bluetooth-GSM No WLAN-WiFi

No

two AAA size batteries Li-Po Battery

No Bluetooth

No revalado 2 AA batteries 3.7V Li-Poly battery and1.5V Nickel-Hydrogen AA battery

Infrarrojo TCP/IP WiFi

3V-280 mAh rechargeable battery

Bluetooth

Rechargeable Lithium-Ion Coin Cell battery (3.7V)

No

Colombia En nuestro país el desarrollo en campos relacionados con la monitorización ambulatoria de variables biomédicas es aún incipiente. Es por esta razón que no se han encontrado muchas experiencias que lleguen a una formulación completa de una arquitectura o modelo de plataforma como tal. Los adelantos realizados al interior del grupo GIBIC no se relacionan en esta sección porque están detallados en los capítulos I y IV. Se presenta una relación de algunas experiencias relacionadas con nuestro objeto de interés y una descripción breve de su naturaleza. A nivel de trabajos de grado se han realizado diferentes propuestas que tampoco serán referenciadas aquí puesto que no están ligadas a proyectos que hayan tenido una permanencia en el tiempo.

Tabla XI. Reseña de algunas experiencias significativas realizadas en torno al tema de monitorización inalámbrica de variables biomédicas en Colombia Institución-EmpresaUniversidad (Año) Universidad de Antioquia (2012)

Título

Análisis de métricas de calidad de servicio para la configuración del protocolo CSMA/CA en redes sensores inalámbricas de área corporal

Descripción

de

[76] Universidad Pontificia Bolivariana (2012)

Sistema de telemonitoreo inalámbrico multiparámetro de neonatos

[77] Universidad Autónoma de Occidente (con colaboración de la Universidad Politécnica de Valencia) (2008) [78] Escuela Colombiana de Carreras Industriales ECCI (2011)

Redes de sensores y actuadores inalámbricas: Una caracterización y caso de estudio para aplicaciones médicas en espacios cerrados

Redes inalámbricas y técnicas de minería web aplicadas a un modelo de telemedicina

[79] Universidad Militar Nueva Granada (2010) [80]

Sistema de transmisión inalámbrica de señales ECG y de temperatura para ambientes hospitalarios (SINHO)

Politécnico Jaime Isaza Cadavid (2009) [81] Universidad Pontificia Bolivariana (2008) [82]

Desarrollo de un sistema de monitoreo inalámbrico para señales biomédicas

Sistema de detección, registro telemonitoreo de arritmias cardiacas

y

Este trabajo presenta un análisis importante sobre calidad de servicio, QoS, para redes inalámbricas, que pueden ser aplicadas para monitorización de signos vitales, precisamente este trabajo de investigación se enmarca dentro de un conjunto de proyectos ligados a este campo Se presenta un sistema de adquisición, análisis y visualización de señales fisiológicas como apoyo a un sistema de telemonitoreo de neonatos del programa Madre Canguro. Se analizan aspectos de comunicación, de gestión de los datos y de las interfaces de usuario. Se hace una caracterización de redes de sensores según aspectos como movilidad de los nodos, necesidad de tiempo real en las mediciones, cubrimiento de la red, autonomía energética y requerimientos de cómputo y memoria. Se plantea un algoritmo de detección de arritmias y una arquitectura de nodos para cumplir esa tarea. Se propone un modelo de diagnóstico en tiempo real, junto con servicios agregados para consulta y seguimiento. Se propone una arquitectura para la integración de redes Zigbee de sensores biomédicos y minería web para la aplicación en telemedicina. También se presenta un desarrollo de nodo sensor. Se reseña el desarrollo de un prototipo de dispositivo multicanal de adquisición y transmisión de señales electrocardiográficas y de temperatura utilizando tecnologías de transmisión inalámbrica como Bluetooth y Zigbee. Se presenta el diseño de un nodo que envía datos de frecuencia cardiaca mediante Xbee a un computador en donde se visualizan los datos. Se presenta un esquema de telemonitoreo basado en la transmisión de datos sobre tecnología GSM/GPRS que enfatiza el registro y envío de eventos electrocardíacos. Se propone una arquitectura que permite la transmisión de datos hasta una central donde serán analizados por especialistas. También la arquitectura del nodo sensor y una interfaz de usuario para computadoras de mano (PDA).

CAPITULO 3 Marco Técnico y Regulatorio Referentes para la implementación de una plataforma de sensores portátiles A partir del estudio de características específicas de diversas plataformas para monitorización ambulatoria de signos vitales y señales biomédicas y del estudio de los requerimientos específicos de los nodos sensores desarrollados al interior del Grupo de Investigación en Bioelectrónica e Ingeniería Clínica de la Universidad de Antioquia GIBIC, se ha determinado un conjunto de factores que se constituyen en referentes desde el punto de vista técnico y normativo para la implementación de aplicaciones de este tipo. En lo técnico encontramos factores determinantes como el estándar que rige las comunicaciones de la red de sensores, aspectos tales como la conectividad, las dimensiones físicas y el número de nodos sensores, el carácter invasivo o no invasivo de las mediciones, la autonomía de operación, el rango o alcance de las transmisiones, la naturaleza de las transmisiones (audio, video, únicamente datos), entre otros. En cuanto a lo regulatorio, están las leyes y normativas concernientes a la compatibilidad electromagnética, los tipos de materiales utilizados, las bandas de frecuencia autorizadas para la operación de los equipos, las directivas de las autoridades médicas como la FDA (Food and Drug Administration) estadounidense o, a nivel local el INVIMA (Instituto Nacional de Vigilancia de Medicamentos y Alimentos) y, adicionalmente a esto, una serie de aspectos éticos y bioéticos fundamentales como, por mencionar uno, la integridad de los datos de los usuarios y su carácter confidencial.

Marco Técnico Elementos principales de una plataforma para monitorización ambulatoria  Señales: Dependiendo del tipo de variables y del interés que estas revistan desde el punto de vista biomédico, la plataforma puede tomar unas u otras características. Es muy común que las señales monitorizadas correspondan a lo que se conoce como signos vitales, pero también existen otras señales que son utilizadas para análisis complementarios o de mayor complejidad. Recientemente se han incorporado técnicas como la fusión de sensores para extraer información más elaborada e identificar patrones o patologías que configuran un cuadro o condición médica, física, fisiológica determinada. Si bien nuestro trabajo se centra sobre monitorización de variables de tipo biomédico, hoy en día se ha dado la aparición de diversas aplicaciones, que se involucran también monitorización de variables de campos de conocimiento como las ciencias sociales y la psicología, que pueden complementarse con los registros de variables fisiológicas. Tabla XIV. Algunas variables registradas con nodos sensores portados por personas [5][23] Variables fisiológicas Ritmo cardíaco Frecuencia respiratoria Presión arterial Temperatura corporal

Variables ambientales Nivel de iluminación Indoor-outdoor Humedad Temperatura ambiente Presencia de fuego

Variables Sociométricas Estado de ánimo Tipo de actividad Interacción social Nivel de estrés

A partir de las variables o señales biomédicas registradas, es posible realizar evaluaciones cardiopulmonares, cuidado de adultos mayores, atender emergencias y efectuar labores de rescate, determinar episodios de epilepsia, realizar valoraciones sobre ejercicio y actividades de rehabilitación, detectar actividad y valorar la destreza motora, monitorizar a pacientes con Parkinson, detectar episodios de apnea durante el sueño, identificar los niveles de stress, entre muchas otras posibilidades [83]. 

Sensores: Ligado a la naturaleza de la señal, está el tipo de sensor o de sensores utilizados. Por razones de costos, objetivos de estudio y de implementación, la elección puede cambiar de una plataforma a otra. Algunas plataformas simplifican el proceso de adquisición y acondicionamiento de la señal trabajando con sensores comerciales listos para su utilización (comercial off the shelf sensors), soluciones OEM (Original Equipment Manufactures) y similares. Otras plataformas, como en nuestro caso, recurren a sensores adaptados o diseñados por los mismos bioingenieros e investigadores. Para el caso de algunas mediciones los sensores son reemplazables, es decir de un solo uso, en otros casos un mismo sensor puede utilizarse varias veces. Otro aspecto es la ubicación de los sensores, pues estos deben ser adaptados de manera particular para su ubicación sobre la piel o el cuerpo de la persona bajo monitorización. Para el caso de la fusión de sensores, pueden utilizarse sensores tradicionales de la biomédica combinados que otros como acelerómetros, giróscopos, sensores de iluminación, entre otros. Los sensores biomédicos se pueden clasificar según la manera como toman las señales del ser humano, desde este punto de vista, hay sensores que no tienen que hacer contacto con la persona o paciente bajo observación, estos son sensores sin contacto y no invasivos que se apoyan en principios de radiación de energía, de ondas sonoras o similares. También existe una gran cantidad de sensores por contacto externo con la piel u otros órganos, entre estos tenemos sensores de temperatura superficial, electrodos, galgas extensométricas, fotosensores y otros, que pertenecen a la categoría de sensores no invasivos por contacto directo.

Fig. 9. Sensores biomédicos según nivel de invasividad Los sensores llamados mínimamente invasivos son aquellos que pueden ser ubicados en una cavidad natural del cuerpo que se comunique con el exterior, dentro de esta categoría encontramos termómetros orales, vaginales o rectales y transductores de presión intrauterinos. Finalmente encontramos aquellos sensores que deben ser ubicados en el cuerpo con la ayuda de un procedimiento quirúrgico. En algunos casos estos sensores involucran algún daño de los tejidos adyacentes durante su proceso de instalación. Ejemplos de este tipo de biosensores son los electrodos tipo aguja para medición de señales mioeléctricas directamente desde los músculos, sensores de presión ubicados directamente en las venas o arterias e incluso sobre el corazón, transductores de flujo sobre las venas principales, entre otros. En términos de la naturaleza de las cantidades que miden podemos hablar de sensores físicos y sensores químicos,

Tabla XV. Algunas variables captadas por sensores de aplicación biomédica [84] Sensores Físicos Desplazamiento Velocidad Aceleración (lineal y angular) Temperatura Fuerza Presión Flujo Energía radiante

Sensores Químicos Electroquímicos: Amperimétricos Potenciométricos Coulométricos Ópticos: Colorimétricos Emision y absorción espectroscópica Fluorescencia Quimioluminiscencia Por Métodos térmicos: Calorimetría Termoconductividad Por resonancia magnética nuclear

Una clase especial de sensores de evolución reciente es la que se denomina sensores bionanalíticos que aprovechan las reacciones bioquímicas para por ejemplo, determinar la cantidad de glucosa oxidizada midiendo la cantidad de oxígeno consumido. 

Comunicaciones: según la revisión realizada, la mayoría de aplicaciones de monitorización ambulatoria de personas con fines de observación de variables fisiológicas, ambientales o sociométricas se basa en estándares de comunicación que apuntan a las redes de área personal, dentro de estos podemos destacar las recomendaciones IEEE 802.15.1 e IEEE 802.15.4, ambas con implementaciones muy reconocidas como Bluetooth y Zigbee respectivamente. El espectro de aplicación de dichas soluciones implica predominantemente la utilización de técnicas de medición no invasivas, que en el caso de la monitorización biomédica, involucra la utilización de electrodos, acelerómetros, sensores por contacto térmico directo, por infrarrojo, etc. A nivel internacional existe una normativa que también es acogida en nuestro país y que establece bandas especiales de operación en las que eventualmente pueden funcionar soluciones de monitorización ambulatoria. Estas bandas se conocen como tipo ISM (Industrial, científica y médica, por sus siglas en inglés) [85]. La elección de la topología es un factor crítico y las opciones para el estándar IEEE 802.15.4, por ser este el de mayor predominancia para redes de nodos sensores, se explicará en detalle más adelante. De manera paralela, también la elección del radio o transceptor también es crítica. Con contadas excepciones, la mayoría de transceptores comerciales se ubican alrededor de la banda de los 900MHz y de la banda de los 2.4GHZ, las tasas de transferencia de datos son de decenas de kilobits por segundo y en algunos casos se alcanzan los megabits por segundo. En cuanto al rango o alcance, este varía si se trata de espacios abiertos (outdoor) o en interiores (indoor-enclosed), en general se alcanzan metros, decenas o cientos de ellos dependiendo del transceptor y del estándar de comunicación adoptado [86].



Adquisición y acondicionamiento de señales: A este respecto también existen variantes importantes. Cuando se integran a la plataforma sensores-transductores comerciales, la adquisición y el acondicionamiento se dan por sentados. No obstante, en algunos casos, la investigación realizada también toma como parte importante este aspecto, por esta razón en la adquisición y acondicionamiento de las señales se centra una gran parte del desarrollo investigativo de las variantes o propuestas.

Tabla XVII. Algunas técnicas o procesos que se realizan sobre las señales biomédicas durante el proceso de adquisición y acondicionamiento. Técnica o Proceso Descripción Se actúa sobre los niveles de amplitud de la señal original. Las ganancias Amplificación

(G) pueden tener dos situaciones G1 y una situación particular G=1 que tiene que ver con tomar la señal con una alta impedancia de entrada para no afectar sus características. Tradicionalmente se utilizan amplificadores operacionales para realizar estas tareas, dichos dispositivos pueden estar basados en transistores bipolares o de efecto de campo. Los filtros sirven para intervenir la señal en aspectos ligados a sus características espectrales. Durante la adquisición y acondicionamiento de señales biomédicas es común que se deban remover artefactos (debidos por ejemplo a movimientos de la persona) o centrar el análisis sobre bandas específicas de frecuencia para poder extraer las variables o los eventos de interés.

Filtrado

Conversión Análoga/Digital Digital/Análoga

Cambio de Modo

Cambio de Variable

Acople (Matching)



o

Los filtros utilizados pueden ser activos, digitales o pasivos; en sus configuraciones de pasabajos, pasa-altos, pasabanda, rechazabanda, entre otros. Debido a las ventajas de los sistemas digitales en lo relativo a capacidad de almacenamiento, posibilidades de visualización, procesamiento, transmisión y otras más, es común que las señales análogas deban ser digitalizadas. El proceso inverso, el paso de digital a análogo es más poco frecuente pero puede requerirse en algún caso como, por ejemplo, en señales de salida de un sistema de control. Algunas señales biomédicas se toman en modo común o balanceado, estas señales deben referenciarse respecto a un nivel de tierra (0 voltios) local del circuito que hará el procesamiento, por lo tanto es necesario el cambio de un modo balanceado o diferencial a un modo desbalanceado. En el proceso de adquisición y acondicionamiento de la señal biomédica es necesario cambiar el tipo de variable eléctrica o electrónica. Algunos sensores, como los termistores, entregan variaciones de resistencia que deben transformarse en variaciones proporcionales de voltaje o corriente para poder ser ingresados a las etapas o dispositivos posteriores dentro de la cadena de manejo de la señal. El acople con el punto de toma de la señal sobre el cuerpo humano es un aspecto crítico. Una de las razones para esto es la pequeña magnitud de las señales y su susceptibilidad al ruido. Muchas de las técnicas para lograr un buen acople cuerpo-sensor están relacionadas con características de impedancia, es así como se utilizan geles o medios físicos que permitan una transferencia armónica desde el punto de vista energético en esta interfaz.

Procesamiento: El núcleo de toda plataforma está relacionado con la potencia de cómputo y las prestaciones del procesador (microprocesador, microcontrolador, dsp) elegido. Las diferentes implementaciones encontradas al realizar una revisión de experiencias similares, muestran la adopción de procesadores de 8, 16 y 32 bits. Estos dispositivos pertenecen a familias de dispositivos programables de una gran variedad de fabricantes. Incluso, algunas soluciones proponen la adopción de tecnologías open source. Un factor determinante ligado al dispositivo encargado del procesamiento es su rendimiento y consumo de energía. Adicionalmente está la capacidad de manejar señales análogas, aparte de las digitales, y de manejar periféricos y la posibilidad de programación de protocolos de comunicación de uso extendido y específicamente relacionados con las prestaciones de red de la plataforma. De manera complementaria un factor de elección para la implementación de los diferentes elementos de red que constituyen la plataforma

es la capacidad a nivel de memoria de programa y de memoria de datos de los dispositivos. Algunos factores que sirven para determinar las capacidades de procesamiento de un dispositivo programable, bien sea de manera directa indirecta, son la cantidad de bits en las que basa sus tareas, la velocidad de su reloj central, la capacidad de memoria flash o EEPROM, la cantidad de RAM-Memoria de datos, el número de canales o módulos de conversión A/D y su profundidad de bits, la cantidad de temporizadores y de fuentes de interrupción, las formas de programación (lenguajes soportados y el set de instrucciones). Entre los proveedores que se encuentran con más recurrencia en el campo de las redes inalámbricas de sensores en lo referente a procesadores tenemos a Atmel, Motorola, Hitachi, Cygnal, Microchip, Renesas, Texas Instruments, Intel y Analog Devices, entre otros. Las diferencias de estos dispositivos en cuanto a prestaciones pueden condensarse en características como el tamaño del bus, la velocidad del reloj, la memoria de programa y la memoria de datos [86]. 

Almacenamiento de los Datos: Dada la naturaleza de las aplicaciones relacionadas con la monitorización ambulatoria, es común que para ciertas variables o para determinados estudios se deba registrar una cantidad considerable de datos de medición. Una de las opciones primarias es la de utilizar la memoria interna EEPROM de datos para los dispositivos de procesamiento que lo poseen. Existe la posibilidad de memorias EEPROM externas que amplían la capacidad de almacenamiento de los nodos pertenecientes a la plataforma. Una tendencia muy interesante, que permite interoperabilidad con otros tipos de dispositivos es el registro de datos en medios extraíbles como memorias tipo flash y tarjetas de tipo SD o micro SD. Algunos medios como los discos duros externos tipo USB y las cintas magnéticas ofrecen capacidades de almacenamiento en el rango de los Gigabytes hasta los Terabytes, pero su utilización está restringidas a aplicaciones muy particulares [87]. Otras características ligadas a estos dispositivos son la naturaleza en el formato de la información (análogo, digital) y el periodo de retención. El registro en cintas magnéticas tiene ventajas en cuanto a la capacidad y ciclos de re-escritura, el registro y lectura de estos medios es secuencial lo que lo dificulta un poco el acceso y la búsqueda de la información. En el campo de las aplicaciones biomédicas, el tipo de variable determina en gran medida la capacidad que deben tener los medios de almacenamiento de acuerdo al volumen de datos generados según factores ligados al proceso de adquisición de datos como la frecuencia de muestreo. El tipo de estudio, cuadro o condición médica a determinar establece un mínimo en la frecuencia con la que deben ser registradas las mediciones para poder generar indicadores válidos para los investigadores o usuarios de los datos.

Fig. 10. Características de almacenamiento de diferentes señales biomédicas [88]

Los medios de almacenamiento MMC, SD y micro SD, así como las Flash NOR y NAND, con interfaces paralelas orientadas a palabra, paralela modo-página y serial modo-página han sido probados exitosamente, por ejemplo, con la mota o nodo sensor llamado Mica2. Los buses paralelos pueden ser de 8 bits y en el caso serial, la interfaz es comúnmente SPI [89]. La selección apropiada del medio de almacenamiento garantizará que los datos se conserven. Los siguientes criterios se pueden aplicar para seleccionar un medio de almacenamiento. Tabla XVIII. Algunos Criterios de selección para medios de almacenamiento [90] Criterio Descripción Se recomienda que el medio de almacenamiento escogido tenga un ciclo de Longevidad

Capacidad Viabilidad

Obsolescencia

vida útil de al menos 10 años. Sin embargo una longevidad mayor a esta no es necesariamente una ventaja: para periodos mayores de tiempo, la obsolescencia de la tecnología de las unidades para leer el medio típicamente será un factor más significativo que incluso el deterioro del medio mismo. El medio de almacenamiento escogido debe entregar una capacidad de almacenamiento apropiada para la cantidad de datos que van a ser almacenados y un tamaño físico adecuado. El medio de almacenamiento y los medios de lectura-escritura de estos deben soportar métodos de detección de errores. Es recomendable que haya disponibilidad de técnicas de recuperación de datos en caso de pérdida de éstos. Es importante tomar medidas para evitar borrado accidental de los datos. En muchos casos es preferible apoyarse en tecnologías suficientemente maduras que en tecnologías de punta. La tecnología utilizada debe estar bien posicionada en el mercado y tener buena disponibilidad. Son preferibles las tecnologías basadas en estándares abiertos que aquellas que son propietarias.

Costo

Susceptibilidad



Deben considerarse dos elementos al valorar los costos relativos de los medios de almacenamiento: el costo del medio en sí y el costo de poseerlo. El costo de poseerlo incluye el software y hardware necesario para mantenerlo. Un criterio es el costo por Gigabyte ($/GB) El medio debe tener baja susceptibilidad al daño físico y ser tolerante a una amplia gama de condiciones ambientales sin pérdida de los datos. Los medios magnéticos deben tener un valor alto de coercitividad (preferiblemente mayor a 1000 Oersteds), para minimizar las posibilidades de borrado accidental por exposición a campos magnéticos. Toda medida para contrarrestar las susceptibilidades conocidas del medio (como los requerimientos para guardarlo o para empacarlo) debe ser asequible y alcanzable.

Administración de la Energía: Este es un factor crítico debido a la tendencia de miniaturización de los nodos, por lo tanto se hace necesaria una eficiencia en el manejo de la energía que permite manejar adecuadamente el tamaño de las tarjetas y de las baterías mismas para que estas no resulten en dispositivos incómodos, pesados o demasiado prominentes o visibles. Es por estas razones que usualmente se adoptan circuitos integrados de bajo o extra-bajo consumo, transceptores con igual característica y también se utilizan técnicas de optimización basada en la eficiencia de las transmisiones y la utilización de periodos de hibernación o en modo sleep gestionados por interrupciones y ayudadas por la topología y la gestión de red. En general se habla de tres modos de operación en cuanto a la administración de la energía: Modo activo, modo inactivo (idle) y modo en estado dormido (sleep), en los dos primeros modos en general el consumo es de miliamperios y en el modo sleep se habla del orden de los microamperios [91]. De manera paralela también se valoran las capacidades de los medios de recolección de energía (energy harvesting-energy scavenging) para ser utilizados en nodos sensores [94] como, por mencionar algunos, medios de recolección de energía solar fotovoltaica en exteriores e interiores [92], medios de recolección de energía a partir de vibraciones [95] y sistemas pasivos que son energizados por las personas a partir de sus movimientos [93]. Por otra parte están los medios tradicionales de alimentación basados en baterías que establecen algunos parámetros de diseño en cuanto al tamaño y eficiencia energética. Algunos sistemas “mixtos” comparten fuentes tradicionales con aquellas que aprovechan los métodos de recolección de energía. En cuanto a las baterías algunas características de importancia [91] a la hora de elegir la opción a utilizar en los nodos sensores son el carácter de recargable o no, si estas generan problemas ambientales o de salud y los aspectos ligados a sus dimensiones físicas y su peso (densidad volumétrica y densidad gravimétrica) [95]. Entre los tipos de baterías más utilizados en aplicaciones electrónicas encontramos Alcalina-MnO2, Plata-Óxido, Li/MnO2, Zinc-Aire, NiCd, NiMH, Li-ion y LiPolímero. La alimentación a partir de baterías es la opción más común para proveer la energía a los nodos sensores, en ese sentido la utilización de medios de recolección de energía (energy harvesting) es aún incipiente, es por esta razón que la elección de las baterías es uno de los aspectos más importantes para garantizar la autonomía de operación de los nodos sensores. Dentro de los factores que afectan el consumo de energía de un nodo sensor tenemos los voltajes de alimentación de las diferentes etapas y dispositivos de sus circuitos, la tasa de muestreo, la frecuencia de operación del núcleo del microprocesador, el número de operaciones sobre los transceptores, entre otros, [95]. En lo relativo a baterías existe en la actualidad una gran variedad para elegir, cada opción tiene sus ventajas y desventajas. En general se habla de dos tipos:

Baterías Primarias: Se llaman también de un solo uso ya que no pueden recargarse para su reutilización luego que su nivel de voltaje cae a un nivel que no resulta efectivo para operación. Baterías Secundarias: Es la denominación que se da a las baterías recargables. Su costo es significativamente mayor que el de las baterías primarias y sus valores nominales de voltajes también difieren. No obstante, para aplicaciones de largo término se justifica su utilización ya que a partir de sus múltiples usos se justifica su costo y con el uso de reguladores, o dispositivos de bajo consumo, se puede equiparar la salida de voltaje de las baterías con los requerimientos de los nodos. Tabla VIII. Tipos principales de baterías [96]

    

Baterías Primarias Carbono Zinc Alcalina Litio Celdas de óxido de plata Celdas de aire zinc

    

Baterías Secundarias Alcalina recargable Níquel-Cadmio Hidruro Níquel-Metal Iones de litio Ácido-plomo

En cuanto a las características técnicas de principales tipos de baterías utilizadas en aplicaciones con nodos sensores portátiles se destacan la densidad de energía (Wh/kg), la eficiencia carga-descarga y durabilidad en ciclos, el tiempo de vida, la seguridad en cuanto a aspectos térmicos, su toxicidad y su costo [97]. Se considera que en para el caso de dispositivos con un consumo bajo o moderado de corriente, como los nodos sensores, las baterías alcalinas recargables son las mejor opción desde el punto de vista económico. Este tipo de baterías proporcionan un muy buen tiempo de operación, mantienen su carga cuando no están en uso y pueden recargarse muchas veces. Las baterías recargables tienen ventajas frente a sus contrapartes en aspectos como el rendimiento, el ahorro representado en dinero, además si no contienen tóxicos pueden desecharse regularmente, si no es así deberán disponerse de ellas de manera especial. Para las tecnologías de energy harvesting o energy scavenging, que se constituyen en la perspectiva más prometedora en lo relacionado con el suministro de energía para nodos sensores, se puede hacer un análisis general basándose en sus niveles de madurez tecnológica y la proyección en el cercano futuro de los desarrollos en este campo. Tabla IX. Niveles de Madurez Tecnológica [95] Nivel 1 2 3 4 5 6 7 8

Descripción Los principios básicos han sido observados y reportados El concepto tecnológico y/o la aplicación ha sido formulado Función crítica experimental y analítica y/o característica Validación del componente y/o protoboard en ambiente de laboratorio Validación del componente y/o protoboard en ambiente pertinente Modelo sistema/subsistema o demostración del prototipo en un ambiente pertinente Demostración del prototipo del sistema en un ambiente de operación Sistema actual completo y certificado mediante prueba y demostración

9

Sistema real probado bajo exigencia a lo largo de diversas misiones exitosas

A partir de esta escala de niveles se presenta una proyección para estas soluciones en los años venideros. Tabla X. Estimativo del nivel de madurez tecnológica de las diferentes tecnologías de captura de energía para sensores inalámbricos y sensores remotos [95].

Mecanismo Conversión Energía

de de

Piezoeléctrico (esfuerzo) Electrostático (vibración) Electromagnético (vibración) Termoeléctrico Inductivo RF Celdas solares (Si, película delgada)

2008 Sistemas (escala) Macro Micro

2013 Sistemas (escala) Macro Micro

2018 Sistemas (escala) Macro Micro

2023 Sistemas (escala) Macro Micro

(escala de cm3)

(escala de mm3)

9

4

9

5

9

5

9

6

6

3

7

4

8

5

9

6

8

5

9

6

9

7

9

8

7 5 8

6 4 4

8 6 9

7 5 5

8 8 9

7 6 7

9 9 9

8 8 8

A partir de la información presentada en las tablas se revela una prometedora perspectiva de los sistemas de macro-escala, es decir con dimensiones en centímetros cúbicos, relativos a los mecanismos piezoeléctricos, electromagnéticos y solares. Esta información no descarta los otros sistemas listados, ni la perspectiva de los sistemas de micro-escala cuyas dimensiones cubren los milímetros cúbicos. Aspectos ligados al consumo y administración de la energía También son de especial atención los aspectos relacionados con la energía, tanto a nivel de consumos como de alimentación, para las diferentes etapas y dispositivos. Para ilustrar esto, nos podemos enfocar en la etapa de comunicaciones que se ha identificado como una de las de mayor consumo en los nodos sensores. En cuanto a las características de consumo de corriente de los radios o transceptores utilizados en varias plataformas, se observa que, en general, estos manejan valores de una o dos decenas de miliamperios para las tareas de transmisión y recepción de paquetes, mientras que los valores de corriente que se les debe entregar en modo sleep son de muy pocos microamperios [19]. Al observar comparaciones realizadas acerca de las características de consumo de energía de microcontroladores (MCUs) [19] se encuentra que hay valores de consumo de fracciones de miliamperios o pocos miliamperios por millón de instrucciones por segundo (MIPS) e igualmente, podemos decir que se consumen microamperios en modo sleep. En lo relativo a los sensores, aunque no se puede generalizar, algunos sensores de variables como

aceleración, iluminación, posición y temperatura trabajan con corrientes de miliamperios o microamperios y tienen un tiempo de sensado de milisegundos. En el diseño de la fuente de alimentación de los nodos sensores, un elemento clave es el tipo de regulador utilizado, algunos reguladores de bajo consumo encontrados [19] proveen un máximo de unos cientos de miliamperios como corriente de carga manejando voltajes de entrada hasta de una o dos decenas de voltios. 

Seguridad de los datos: Dado que las redes de sensores para monitorización ambulatoria de señales biomédicas pueden manejar información sensible o confidencial y debido a aspectos éticos, es necesario manejar un nivel de seguridad sobre los datos transmitidos. Adicionalmente, este tipo de redes también es susceptible de ataques. La tabla muestra algunas de las limitantes que se deben tener en cuenta al diseñar estrategias de seguridad para los datos que se comparten a través de una red inalámbrica de sensores. Tabla XIX. Limitantes para la implementación de medidas de seguridad sobre los datos transmitidos a través de redes inalámbricas de sensores [98] Aspecto

Descripción

Cantidad limitada de memoria y de espacio de almacenamiento.

Dadas estas restricciones, se debe limitar la cantidad de código del algoritmo de seguridad.

Limitaciones de energía

Dado que el consumo de energía de los nodos sensores es un factor crítico, debe considerarse el impacto energético del código adicional de seguridad si se implementa un protocolo o función critpográfica. El consumo extra de los nodos debido a aspectos de seguridad está relacionado con el procesamiento requerido para realizar funciones de seguridad (encriptación, desencriptación, verificación de firmas), la energía requerida para transmitir los datos relacionados con la seguridad (overead) y la energía requerida para almacenar los parámetros de seguridad de manera confiable (e.g., almacenamiento de claves criptográficas).

Las redes inalámbricas de sensores comparten algunos requerimientos de seguridad con las redes tradicionales, pero otros son más específicos de este tipo de implementaciones, veamos. Tabla XX. Aspectos de Seguridad de los Datos [98] Aspecto Descripción Los datos pueden constituir información sensible Confidencialidad de los datos Integridad de los datos

Actualidad de los datos

Autenticación

que no debe fugarse. Si bien con la confidencialidad los datos pueden quedar protegidos, esto no los libra de ser tergiversados. La integridad garantiza que los datos recibidos no han sido alterados durante su tránsito por la red ya sea por un agente malicioso o de manera fortuita. Debe garantizarse que se reciban datos recientes y no datos antiguos retransmitidos. Para prevenir esto debe agregarse un marcador de tiempo o fecha. El receptor debe asegurarse que los datos provienen de la fuente correcta. Una forma sencilla de hacer esto es que el nodo que envía y el que recibe, compartan una clave secreta para calcular el código de autenticación del

mensaje.

La figura condensa el conjunto de elementos de índole técnica que se consideran como los más importantes a tener en cuenta a la hora de implementar una plataforma de monitorización ambulatoria. MicroLEAP [99] es una de varias plataformas propuestas para la monitorización de señales, se puede revisar la arquitectura de sus nodos para observar la disposición que hacen de los elementos principales mostrados.

Fig. 11. Elementos técnicos principales a ser considerados en la implementación de una plataforma de monitorización ambulatoria de señales biomédicas.

Tecnologías de Comunicación Inalámbrica y Oportunidades para las aplicaciones de e-salud La tendencia de las aplicaciones de e-salud es hacia las redes que utilizan comunicaciones inalámbricas. Dentro del espectro de posibilidades encontramos soluciones que presentan altas posibilidades de factibilidad. Algunas de las posibilidades para aplicaciones de monitorización inalámbrica ambulatoria de signos vitales y señales biomédicas comprenden:     

LR-WPAN: Low Rate Wireless Personal Area Networks (Redes inalámbricas de área personal de bajo flujo de datos) WPAN: Wireless Personal Area Networks (Redes inalámbricas de área personal) WLAN: Wireless Local Area Networks (Redes inalámbricas de Area Local) WMAN: Wireless Metropolitan Area Network (Redes inalámbricas de Area Metropolitana) WWAN: Wireless Wide Area Network (Redes inalámbricas de Area Amplia)

Las tecnologías que soportan los tipos de redes mencionados cubren desde las generaciones de telefonía celular (1G hasta 4G), las comunicaciones satelitales, Bluetooth, Zigbee, WiMedia, WiMax, Wifi, entre otras. Las diferencias que se establecen al elegir una u otra tecnología se materializan en los volúmenes de datos que se pueden manejar, los costos de los de los dispositivos y la complejidad de las implementaciones principalmente.

Elección de los Estándares de Comunicación Inalámbrica Los criterios para la adopción de estas tecnologías y tipos de redes están relacionados principalmente con aspectos como sus costos de implementación, complejidad tecnológicaoperativa, el consumo de energía y su capacidad a nivel de flujo de datos. En el abanico de opciones se encuentran principalmente las posibilidades de IEEE 802.15.4, IEEE 802.15.1, IEEE. 802.11, RFID y UWB con tasas de transferencia de datos que van desde los kilobits por segundo

hasta los megabits por segundo y alcance o cobertura en el rango de los metros, desde decenas hasta centenares de estos. En principio, para los nodos sensores, el espectro de posibilidades se restringe principalmente a las redes de tipo LR-WPAN y WPAN. El acceso y el tránsito de los datos por otro tipo de redes es posible a partir de la incorporación de elementos tipo Gateway que constituyan un elemento vinculante con estas. Específicamente para aplicaciones de monitorización los estándares más utilizados son IEEE 802.15.1 e IEEE 802.15.4. En redes mixtas, es decir que utilicen los dos estándares mencionados, IEEE 802.15.1 se constituye en una muy buena opción para la implementación de Gateways Inalámbricos, adicionalmente la tecnología de RFID se muestra prometedora para algunos tipos de implementaciones. Veamos los detalles de los estándares que se utilizan más comúnmente en redes de monitorización ambulatoria de variables biomédicas.

El estándar IEEE 802.11 Aunque está orientado a redes de tipo WLAN, este estándar es importante debido a su amplia popularidad y también porque se constituye en una opción importante cuando se trata de implementar gateways o puertas de enlace para las redes de monitorización con el fin de extender su alcance y lograr entrada a Internet y a otras redes de uso extendido, como intranets o redes corporativas. Una de las implementaciones más conocidas de IEEE 802.11 se denomina WiFi, aparte de su compatibilidad con las redes de monitorización, porque se puede incorporar al coordinador en la forma de tarjetas tipo daughter board, es importante considerar la coexistencia y las posibles interferencias con los paquetes transmitidos por aspectos como la potencia de señal y la cercanía de los espectros de transmisión/recepción.

El estándar IEEE 802.15.1 Esta recomendación inalámbrica para redes de área personal (PAN) es tal vez la más conocida a través de una de sus versiones “Bluetooth”. Si bien, el grueso de las implementaciones cubre periféricos, audífonos, manos libres para teléfonos celulares, entre otros, existen también desarrollos para la monitorización de variables de interés biomédico. Las aplicaciones de red no se han explotado en su verdadera dimensión, su talón de Aquiles puede ser el consumo de energía de los nodos inalámbricos, sus ventajas son evidentes, interoperabilidad con dispositivos como smartphones, tablets, computadores, etc, su mayor capacidad de transferencia que en general cubre los Mbps. Otro punto desfavorable es el alcance que comparado con sus primos del estándar IEEE 802.15.4 es significativamente menor.

El estándar IEEE 802.15.4 Este estándar tiene unas especificaciones que lo hacen adecuado para aplicaciones basadas en microcontroladores debido al bajo consumo de la mayoría de los transceptores que cumplen con la recomendación IEEE 802.15.4 [100] y también a su concepción orientada a aplicaciones con una velocidad de transmisión de datos moderada y rango dentro del alcance de las redes de área personal. Si bien el bit rate resulta modesto para transmisión de señales de audio y video, para la transmisión de mediciones provenientes de sensores y para la monitorización de eventos resulta bastante interesante. Zigbee aparece como la implementación más conocida que está basada en las recomendaciones IEEE 802.15.4 (2003) y 802.15.4 A (2006), la alianza internacional que apoya esta iniciativa busca una estandarización similar a la de Bluetooth pero para campos como el de las aplicaciones médicas, deportivas, domóticas e industriales, entre otras. Zigbee goza hoy en día de gran popularidad y sigue avanzando hacia una consolidación mayor. No obstante las características comentadas, existen aspectos que deben evaluarse concienzudamente como los royalties ligados al uso del stack y el firmware necesario para correr las aplicaciones sobre

microcontroladores, que pueden convertirse en un factor desfavorable en algún momento. Debido a las razones expuestas, es que la atención de los desarrolladores de aplicaciones inalámbricas puede volcarse hacia versiones simplificadas del estándar IEEE 802.15.4 que se acomoden más fácilmente a las características de recursos computacionales y de firmware ligero requeridos a nivel de footprint para desarrollos basados en microcontroladores, que se puedan acomodar a las necesidades de quienes requieren implementar redes con un número moderado de nodos y poca cantidad de saltos o retransmisiones de paquetes [101]. La recomendación IEEE 802.15.4 establece 27 canales de operación para las transmisiones, no obstante para la aplicación pretendida de monitorización de variables de interés biomédico, se ha optado por centrarse sobre los canales 11 al 26 que son los que operan en la banda ISM alrededor de los 2.4 GHz.

Fig.12. Frecuencias y canales de operación bajo el estándar IEEE 802.15.4 El estándar IEEE 802.15.4 define el protocolo y la interconexión de dispositivos vía radio en una red de área personal o PAN, utiliza Carrier Sense Multiple Acces with Collision Avoidance (CSMACA: Acceso múltiple por detección de portadora con evasión de colisiones) como mecanismo de acceso al medio y soporta las topologías peer-to-peer y estrella. El acceso al medio se basa en contienda; sin embargo, si se utiliza la estructura de supertrama, las ranuras de tiempo o time slots pueden ser distribuidas por el coordinador de la PAN para los dispositivos con datos críticos en el tiempo. La conectividad hacia redes de más alto desempeño se provee a través de un coordinador de Red de área personal (PAN Coordinator). La recomendación IEEE 802.15.4 define la capa física (PHY) y las especificaciones de la subcapa de control de acceso al medio (MAC) para conectividad inalámbrica para bajo flujo de datos con dispositivos en movimiento, portátiles y fijos que no utilizan batería o con requerimientos de consumo de batería muy limitados que funcionan típicamente en el espacio de operación personal (metros) [100]. Algunas de las definiciones más importantes según el estándar IEEE 802.15.4 [100] son: .

 

   

                

Red de área personal con beacon habilitado: Una PAN en las que todos los coordinadores emiten regularmente balizas o beacons. Periodo de acceso por contienda (CAP): El periodo de tiempo inmediatamente posterior a la trama de beacon durante el cual los dispositivos que desean transmitir competirán por el acceso al canal utilizando un mecanismo de acceso múltiple por detección de portadora con evasión de colisiones. Coordinador: Un dispositivo de funciones completas (Full-function Device ó FFD) que está en capacidad de retransmitir mensajes. Si un coordinador es el controlador principal de una red de área personal, se denomina PAN coordinator. Autenticación de datos: El proceso mediante el cual una entidad que recibe un mensaje corrobora evidencia acerca la verdadera fuente de la información en el mensaje y, por ese medio, evidencia que el mensaje no ha sido modificado durante el tránsito. Autenticidad de los datos: Garantía acerca de la fuente de información. Dispositivo: Toda entidad que contenga una implementación del interfaz física y de control de acceso al medio (MAC) IEEE 802.15.4 para el medio inalámbrico. Un dispositivo puede ser un dispositivo de funciones reducidas (RFD) o un dispositivo de funciones completas (FFD). Encriptación: La transformación de un mensaje en una nueva representación de modo que se requiere información privilegiada para recobrar la representación original. Trama: El formato de bits agregados desde una entidad de la subcapa MAC que se transmiten juntos en el tiempo. Dispositivo de funciones completas (FFD): Un dispositivo en capacidad de funcionar como coordinador. Nivel de seguridad mínima: Indicación de protección mínima requerida sobre la información en tránsito. Dispositivo móvil: Un dispositivo cuya ubicación lógica en la red puede cambiar durante el uso. PAN sin beacon habilitado: Una red de área personal en la cual los coordinadores no emiten beacons regulares, i.e, tienen orden de beacon = 0x0F. Dispositivo huérfano: Un dispositivo que ha perdido contacto con su coordinador asociado. Paquete: Los bits agregados, formateados que se transmiten juntos en el tiempo a través del medio físico. Datos de payload: Los contenidos de un mensaje de datos que está siendo transmitido. Coordinador PAN: Un coordinador que es el controlador principal de una PAN. Una red IEEE 802.15.4 tiene exactamente un Coordinador PAN. Espacio de operación personal (POS): El espacio sobre una persona u objeto es de unos 10 metros en todas las direcciones y que circunda a la persona u objeto ya sea en movimiento o si está estacionario. Radio-esfera de influencia: la región del espacio a través de la cual un radio puede comunicarse exitosamente con otros radios similares. Dispositivo de funciones reducidas (RFD): Un dispositivo que no está en capacidad de funcionar como coordinador. Nivel de seguridad: indicación del nivel de protección pretendido aplicado a la información en tránsito. Autorestauración: la capacidad de la red de detectar y recuperarse de fallas ya sea en los nodos o enlaces de comunicación sin la intervención de humanos. Auto-organización: La capacidad de los nodos de red para detectar la presencia de otros nodos y organizarse en una red estructurada y en funcionamiento sin la intervención humana. Transacción: El intercambio de tramas consecutivas relacionadas entre dos entidades MAC pares, requerido para una transmisión exitosa de un comando MAC o trama de datos.

En una red IEEE 802.15.4 pueden participar dos dispositivos diferentes; un dispositivo de funciones completas (FFD: Full-Function Device) y un dispositivo de funciones reducidas (RFD: Reduced-Function Device). El FFD puede operar en tres modos sirviendo como un coordinador de PAN, un coordinador o un dispositivo. Un FFD puede hablarle a RFDs o a otros FFDs, mientras que un RFD solo puede hablarle a un FFD. Un RFD está destinado a aplicaciones simples, estos no tienen la necesidad de enviar grandes cantidades de datos y solo pueden asociarse con un FFD a la vez. Por consiguiente, el RFD puede ser implementado utilizando recursos mínimos y capacidad de memoria. El estándar de 2006 es compatible con la edición de 2003, es decir, los dispositivos que conforman este estándar están en capacidad de unirse y funcionar en una PAN compuesta de dispositivos conformes al estándar IEEE 802.15.4-2003. Una red IEEE 802.15.4 es parte de la familia de estándares WPAN aunque la cobertura de la red puede extenderse más allá del espacio de operación personal que define típicamente la WPAN. Debe tenerse en cuenta que no existe un área de cobertura bien definida para los medios inalámbricos ya que las características de propagación son dinámicas e inciertas. Pequeños cambios en posición o dirección pueden resultar en diferencias drásticas en la intensidad de la señal o la calidad del enlace de comunicación. Estos efectos se dan tanto para los servicios estacionarios o móviles, ya que los objetos en movimiento pueden impactar la propagación estación-a-estación. Topologías de red Dependiendo de los requerimientos de la aplicación, una LR-WPAN IEEE 802.15.4 puede operar en cualquiera de dos topologías: la topología estrella o la topología peer-to-peer. Ambas se muestran en la figura. En la topología estrella la comunicación se establece entre dispositivos y un controlador central único, llamado el coordinador PAN. Un coordinador PAN puede ser utilizado para iniciar, terminar o enrutar la comunicación alrededor de la red. El coordinador PAN es el controlador primario de la PAN. Todos los dispositivos que operan en una red de cualquiera de las topologías tendrán direcciones únicas de 64 bits. El coordinador PAN puede ser usualmente energizado por medios tradicionales (mains o alimentación continua del toma eléctrico), mientras que los dispositivos serán en su mayoría alimentados por batería. Entre las aplicaciones que se benefician de una topología en estrella tenemos automatización doméstica, periféricos de equipos de cómputo, juguetes y juegos y cuidado de la salud personal.

Fig. 13. Ejemplo de topologías estrella y peer-to-peer [101] La topología peer-to-peer también tiene un coordinador PAN; sin embargo, esta difiere de la topología estrella en que cualquier dispositivo puede comunicarse con cualquier otro dispositivo mientras que se encuentre en el rango de alcance del otro. La topología peer-to-peer permite la formación de redes más complejas para ser implementadas, tales como la topología malla (mesh). Las aplicaciones como el control industrial y el monitoreo de redes inalámbricas de sensores, seguimiento de inventario y activos, agricultura inteligente y la seguridad pueden beneficiarse de este tipo de topología de red. Una red peer-to-peer puede ser ad-hoc, auto-organizativa y autoregenerativa. Esta también puede permitir múltiples saltos para enrutar mensajes desde cualquier dispositivo hasta otro dispositivo en la red. Cada PAN independiente selecciona un identificador único. Este identificador de PAN permite la comunicación entre dispositivos dentro de una red utilizando direcciones cortas y habilita transmisiones entre dispositivos a través de redes independientes. Formación de la red peer-to-peer En una topología peer-to-peer, cada dispositivo está en capacidad de comunicarse con cualquier otro dispositivo dentro de su radio esfera de influencia. Un dispositivo es nominado como el coordinador de la PAN, por ejemplo, en virtud de ser el primer dispositivo en comunicarse sobre el canal. Un ejemplo del uso de la topología peer-to-peer es el cluster tree (racimo). La red cluster tree es un caso especial de red peer-to-peer en la que la mayoría de dispositivos son FFDs. Un RFD se conecta a una red cluster tree como un dispositivo-hoja en el extremo de una rama porque los RFDs no permiten que se asocien otros dispositivos. La forma más simple de red cluster tree es una red cluster simple, pero es posibles tener redes más grandes formando una malla (mesh) de clusters vecinos. Una vez que la aplicación predeterminada o los requerimientos de red son cumplidos, el primer coordinador PAN puede enseñarle a un dispositivo a convertirse en el coordinador PAN de un nuevo cluster adyacente al primero. Otros dispositivos gradualmente se conectan y forman una estructura de red multicluster, tal como se ve en la figura. Las líneas en la figura representan las relaciones padre-hijo de los dispositivos y no el flujo de comunicación. La ventaja de una estructura multicluster es tener un área de cobertura, mientras que la desventaja es un aumento en la latencia del mensaje.

Fig. 14. Red Cluster Tree [101] Arquitectura IEEE 802.15.4 La arquitectura IEEE 802.15.4 se define en términos de un conjunto de bloques para simplificar el estándar. Estos bloques son llamados capas. Cada capa es responsable de una parte del estándar y ofrece servicios a las capas más altas. La distribución de los bloques está basada en el modelo de siete capas (OSI). Las interfaces entre las capas sirven para definir los enlaces lógicos que se describen en este estándar [100]. Un dispositivo de LR-WPAN comprende una PHY, la cual contiene el transceptor de radiofrecuencia (RF) junto con su mecanismo de control de bajo nivel y una subcapa MAC que provee acceso al canal físico para todos los tipos de transferencia. La figura muestra estos bloques en una representación gráfica. La recomendación IEEE 802.15.4 se acomoda a su manera a las capas del modelo OSI

Fig. 15. Paralelo entre el modelo OSI y las capas para una aplicación basada en IEEE 802.15.4 Las capas superiores constan de una capa de red, que provee configuración de red, manipulación y enrutamiento de mensajes, y una capa de aplicación que provee la función pretendida del dispositivo. La arquitectura de la LR-WPAN puede ser implementada en dispositivos embebidos o en dispositivos que requieren el apoyo de un dispositivo externo como un PC. Capa Física (PHY) La PHY provee dos servicios: el servicio de datos PHY y el servicio de administración PHY que se interfaza a la entidad de administración de la capa física (PLME) punto de acceso servicio (SAP) (conocido como el PLME-SAP). El servicio de datos PHY habilita la transmisión y recepción de unidades de datos de protocolo PHY (PPDUs) a través del canal de radio físico. Las características de la capa PHY son activación y desactivación del transceptor de radio, detección de energía (ED), indicación de calidad del enlace (LQI), selección del canal, evaluación de canal libre (CCA) y transmitir así como recibir paquetes a través del medio físico. El radio opera en una o más de las siguientes bandas libres:   

868-868.6 MHz (e.g , Europa) 902-928 MHz (e.g, Estados Unidos) 2400-2483.5 Mhz (en todo el mundo)

Subcapa MAC Las características de la subcapa MAC son la administración de los beacons, el acceso al canal, el manejo de los GTS, la validación de las tramas, la entrega de tramas con acuso de recibo, la asociación y des-asociación. Adicionalmente, la subcapa MAC provee ganchos para implementar mecanismos de seguridad de aplicación apropiada. Visión general del aspecto funcional Un breve vistazo general de las funciones de una LR-WPAN incluye información sobre la estructura de supertrama, el modelo de transferencia de datos, la estructura de trama, mejoramiento de la probabilidad de entrega exitosa, consideraciones de consumo de energía y seguridad.

Estructura de supertrama Este estándar permite el uso opcional de una estructura de supertrama. El formato de la supertrama es definido por el coordinador. La supertrama es cohesionada por los beacons o balizas de la red enviados por el coordinador y está dividida en 16 ranuras (slots) de igual tamaño. Opcionalmente, la supertrama puede tener una porción activa e inactiva. Durante la porción inactiva, el coordinador puede ingresar en un modo de bajo consumo de energía. La trama de beacon se transmite en la primera ranura de cada supertrama. Si un coordinador no desea utilizar una estructura de supertrama, apagará las transmisiones de beacon. Los beacons son utilizados para sincronizar los dispositivos adjuntos, para identificar la PAN y para describir la estructura de las supertramas. Cualquier dispositivo que desee comunicarse durante los periodos de acceso por contienda (CAP) entre dos beacons compite con otros dispositivos que utilizan un mecanismo CSMA-CA ranurado. Todas las transacciones son completadas para el tiempo en el que se produzca el próximo beacon de red [100].

Fig. 16. Estructura de la supertrama sin GTS, con periodo inactivo y sin el. Para aplicaciones de baja latencia o aplicaciones que requieren ancho de banda de datos especifico, el coordinador PAN puede dedicar porciones de la supertrama activa para esa aplicación. Estas porciones son llamadas ranuras de tiempo garantizadas (GTSs). Las GTSs conforman el periodo libre de contienda (CFP), que siempre aparece al final de la supertrama activa que comienza en una frontera de ranura inmediatamente posterior al CAP, como se muestra en la figura. El coordinador PAN puede distribuir hasta siete de estos GTSs y un GTS puede ocupar más de un periodo de ranura. Sin embargo, una porción suficiente del CAP permanece para acceso basado en contienda de otros dispositivos interconectados en red o nuevos dispositivos que desean unirse a la red. Todas las transacciones basadas en contienda son completadas antes de que comience la CFP. También cada dispositivo que transmite en un GTS garantiza que su transacción este completa antes del tiempo del próximo GTS o el fin del CFP.

Fig. 17. Estructura de supertrama con GTSs en el periodo libre de contienda Modelo de transferencia de datos Existen tres tipos de transacciones de transferencia de datos. La primera es la transferencia de datos para un coordinador en el cual un dispositivo transmite los datos. La segunda transacción es la transferencia de datos desde un coordinador en la cual el dispositivo recibe los datos. La tercera transacción es la transferencia de datos entre dos dispositivos pares. En la topología estrella, solo dos de estas transacciones se utilizan debido a que los datos pueden ser intercambiados solo entre el coordinador y un dispositivo. En una topología peer-to-peer, los datos pueden ser intercambiados entre cualquiera de dos dispositivos en la red; en consecuencia las tres transacciones pueden utilizarse en esta topología [100][101]. Los mecanismos para cada transferencia dependen de sí la red soporta la transmisión de beacons. Una PAN con beacon habilitado se utiliza en redes que requieran sincronización o soporten dispositivos de baja latencia, como periféricos de PC. Si la red no necesita sincronización o soporta dispositivos de baja latencia, puede elegir no utilizar el beacon para transferencias normales. Sin embargo, el beacon se sigue requiriendo para el descubrimiento de la red.

Fig. 18. Comunicación hacia un coordinador en una PAN con beacon habilitado

Fig. 19. Comunicación hacia un coordinador en una PAN sin beacon habilitado

Transferencia de datos desde un coordinador

Fig. 20. Comunicación desde un coordinador en una PAN con beacon habilitado [100]

Fig. 21. Comunicación desde un coordinador en una red de área personal sin beacon habilitado [101]

Marco Regulatorio La regulación incluye temas como la compatibilidad electromagnética y los riesgos relacionados con la salud que puedan estar relacionados con la producción, el uso y la disposición de los dispositivos. Algunas regulaciones son solo aplicables en Europa y también existen legislaciones específicas para otras regiones y países. En la Unión Europea la directiva R&TTE (Dir 1999/5/EC) regula aspectos relacionados con equipos de radio y equipos terminales de telecomunicaciones en lo que tiene que ver con un uso eficiente del espectro, interferencias perjudiciales, privacidad de los datos personales y riesgos para la salud. Los dispositivos que cumplan con los requerimientos esenciales de esta directiva podrán mostrar la marca de conformidad “CE”. También hay directivas relacionadas con la protección medioambiental cuando se manufactura, se usa o se dispone de los dispositivos electrónicos [102]. Tres organizaciones europeas que producen estándares son:   

CENELEC (Comité Europeo para Estandarización Electrotécnica) CEN (Comité Europeo de Estandarización) ETSI (Instituto Europeo de Estándares de Telecomunicaciones).

Tabla XXI. Aspectos regulatorios y de seguridad ligados a los elementos generales de las Redes Inalámbricas de Sensores [102]. Aspecto de la Red Inalámbrica de Sensores Radiación electromagnética Materiales utilizados en los nodos y baterías Datos procesados, transmitidos y almacenados

Aspectos Regulatorios y de Seguridad Compatibilidad electromagnética con otros dispositivos a sus alrededores Impacto ambiental y riesgos para la salud Seguridad de los datos y privacidad

En los Estados Unidos existe la Federal Communications Commission (FCC) como agencia reguladora y en países como Canadá están los Industry Canada (IC) Radio Standards (Specification (RSS) RSS-210 and RSS-Gen)

Compatibilidad Electromagnética Dependiendo de una aplicación, los nodos de la red inalámbrica de sensores pueden tener que compartir su entorno con otros dispositivos electrónicos (e.g., computadores, aparatos domésticos o equipos médicos). Tanto los nodos de las redes de sensores inalámbricas (WSN por sus siglas en inglés) como los otros dispositivos pueden generar radiación electromagnética o verse afectados por ella. Existen estándares europeos bajo la directiva EMC que especifican las pruebas y límites para certificar que se cubren los requerimientos. Los estándares básicos especifican principalmente las pruebas y mediciones que deben realizarse pero no tienen límites prescritos. Para encontrar requerimientos EMC concretos, que incluyan los límites, deben usarse estándares de producto o genéricos. Algunos estándares establecen su campo de aplicación dependiendo de la frecuencia de operación de los dispositivos pertenecientes a la red inalámbrica de sensores o a su rango de potencias. También algunas regulaciones se ajustan a aspectos como el tipo de modulación.

Efectos Biológicos de la Radiación Es conocido que la exposición a campos electromagnéticos que incluye, por supuesto, a las radiaciones de radiofrecuencia (RF), produce efectos potencialmente perjudiciales sobre los seres humanos. Estos efectos biológicos se clasifican en térmicos y no-térmicos. Existe consenso acerca de que los efectos térmicos producen efectos biológicos indeseados. Estos surgen cuando el calor inducido por la exposición a las radiaciones es mayor que aquel que puede ser extraído por la circulación natural del cuerpo. Existe un mayor grado de consenso y entendimiento acerca de los efectos no térmicos. Estos comprenden todos los efectos biológicos causados por la exposición a las radiaciones que son independientes del aumento de la temperatura. Aunque no hay evidencia científica totalmente consensuada acerca de la nocividad de estos efectos, tampoco hay evidencia total de si inocuidad. Es así como deben tomarse medidas preventivas cuando sea recomendable dada la existencia de riesgos potenciales. Los aspectos ligados a los efectos biológicos de la exposición a los campos electromagnéticos se cubren bajo la directiva de bajo voltaje (LVD) (Dir 2006/95/EC). La Recomendación 1995/519/EC sobre los límites de exposición del público en general a los campos electromagnéticos (0Hz hasta 300Hz) tiene los límites básicos para prevenir la exposición nociva a los campos electromagnéticos, derivados solamente de los valores umbral que han demostrado producir efectos nocivos agudos. Lógicamente, hay un factor de seguridad para ajustar dichos umbrales a las restricciones presentes en la recomendación, proporcionando en esta forma una protección contra los posibles efectos de largo plazo. Las restricciones básicas presentes en la recomendación están expresadas en términos de la densidad de flujo magnético, la densidad actual, la Tasa Específica de Absorción de Energía (SAR por sus siglas en inglés) y la densidad de potencia dependiendo de la frecuencia del campo. Las bandas de frecuencia utilizadas por las plataformas actuales de WSNs oscilan entre los 300 MHz y 2.4GHz, es decir, frecuencias dentro de la banda UHF. Así, el rango de frecuencias aplicable de la Recomendación 1999/519/EC es 10MHz-10GHz por lo que las restricciones básicas están expresadas en términos del SAR. Hay tres cifras de SAR a ser consideradas:   

El límite del SAR promedio para la totalidad del cuerpo es 0.08 W/Kg El límite del SAR localizado para la cabeza y el tronco es 2W/Kg El límite del SAR localizado para las extremidades es 4W/Kg

El SAR se define en la recomendación como la tasa a la cual la energía es absorbida por unidad de masa de tejido corporal y se expresa en vatios por kilogramo (W/kg). El límite del SAR promedio para la totalidad del cuerpo es útil para la evaluación los efectos térmicos adversos de la exposición, mientras que las cifras de SAR localizado son necesarias para los casos en los que pequeñas partes del cuerpo pueden estar expuestas particularmente a la radiación.

Impacto Ambiental Las redes inalámbricas de sensores (WSNs), al igual que cualquier otro producto eléctrico o electrónico, pueden causar efectos medioambientales negativos que pueden ser clasificados en las categorías siguientes:   

Disminución de los recursos a escala mundial: La producción de productos electrónicos basados en semiconductores consumen grandes cantidades de recursos naturales. Uso de Energía: El consumo de electricidad de la electrónica asociada constituye una porción significativa de la cifra total. En las WSNs, tanto los nodos conectados al suministro eléctrico convencional como aquellos con baterías recargables consumen electricidad. Producción de sustancias peligrosas: Muchos componentes de los dispositivos y de las baterías pueden representar riesgos para la salud o producir polución si no están delimitados adecuadamente o tratados y reciclados.

Las regulaciones de la Unión Europea con el propósito de minimizar los riesgos ambientales de los equipos eléctricos y electrónicos pueden resumirse así: 





La directiva WEEE (Dir 2002/96/EC) que apunta a la reducción de los efectos medioambientales negativos causados por el desperdicio de equipo eléctrico y electrónico mediante (1) la reducción de la eliminación (promoviendo el reciclaje y la reutilización de los dispositivos) y (2) reduciendo los daños medioambientales causados por los procesos llevados a cabo durante su ciclo de vida (aumentando su rendimiento medioambiental). La directiva RoHS (Dir 2002/95/EC) restringe la utilización de sustancias en los equipos eléctricos y electrónicos que son conocidas por ser peligrosas para la salud humana y para el medio ambiente. La RoHS no se aplica a las baterías. Esta directiva establece que “los estados miembros asegurarán que, desde el 1 de julio de 2006, los equipos eléctricos y electrónicos puestos en el mercado no contendrán plomo, mercurio, cadmio, cromo hexavalente, bifenil polibrominado (PBB) o éteres difenil polibrominado (PBDE)”. Posteriormente, muchas decisiones de la comisión adoptadas durante 2005 y 2006 enmendaron la directiva RoHS para establecer las aplicaciones exentas de los requerimientos antes mencionados y para indicar la concentración máxima de las sustancias peligrosas tolerables en materiales homogéneos o de composición uniforme. Existe una directiva europea dedicada totalmente a las baterías (Dir 2006/66/EC). Puesto que las baterías contienen materiales peligrosos (como mercurio, plomo o cadmio) y metales que pueden ser reciclados (como níquel, cobalto o plata) con la consecuente reducción en la energía requerida respecto a tener que extraer y preparar metales vírgenes. El objetivo de esta directiva es promover el reciclaje de baterías y acumuladores así como restringir el uso de ciertas sustancias peligrosas en su composición.

Regulación Colombiana En este campo se encuentran en nuestro país regulaciones explicitas en el campo de la salud, desde el Ministerio de la Protección Social y el INVIMA. El INVIMA es una institución oficial de vigilancia y control de carácter técnico científico, que trabaja para la protección de la salud individual y colectiva de los colombianos mediante la aplicación de las normas sanitarias relacionadas con los productos de su competencia. Adicionalmente, el Ministerio de las

Tecnologías de la Información y la Comunicación establece directrices desde el campo de las telecomunicaciones. En el campo de directivas del campo de la salud relacionadas con los dispositivos biomédicos utilizados en aplicaciones de monitorización ambulatoria, encontramos el decreto número 4725 de 2005 del Ministerio de la Protección Social cuyo objeto es: regular el régimen de registros sanitarios, permiso de comercialización y vigilancia sanitaria en lo relacionado con la producción, procesamiento, envase, empaque y almacenamiento, expendio, uso, importación, exportación, comercialización y mantenimiento de los dispositivos médicos para uso humano, los cuales serán de obligatorio cumplimiento por parte de todas las personas naturales o jurídicas que se dediquen a dichas actividades en el territorio nacional [103]. En este documento se hace referencia al Concepto Técnico de las Condiciones Sanitarias que es un documento expedido por el Instituto Nacional de Vigilancia de Medicamentos y Alimentos – INVIMA- que garantiza la verificación de los requerimientos por parte de los fabricantes, y de sus productos. Allí también, entre otras, nos encontramos con estas definiciones: 

 





  



Dispositivo Médico Activo: Cualquier dispositivo médico cuyo funcionamiento dependa de una fuente de energía eléctrica o de cualquier fuente de energía distinta de la generada directamente por el cuerpo humano o por la gravedad, y que actúa mediante la conversión de dicha energía. Dispositivo Médico Destinado a Investigaciones Clínicas: Es cualquier dispositivo médico para ser utilizado por un facultativo especialista, en investigaciones efectuadas en un entorno cíclico humano adecuado. Dispositivo Médico para Uso Humano: Se entiende por dispositivo médico para uso humano, cualquier instrumento, aparato, máquina, software, equipo biomédico u otro artículo similar o relacionado, utilizado sólo o en combinación, incluyendo sus componentes, partes, accesorios y programas informáticos que intervengan en su correcta aplicación, propuesta por el fabricante para su uso entre otros en: a) Diagnóstico, prevención, supervisión, tratamiento o alivio de una enfermedad. b) Diagnóstico, prevención, supervisión, tratamiento, alivio o compensación de una lesión o de una deficiencia. Equipo Biomédico: Dispositivo médico operacional y funcional que reúne sistemas y subsistemas eléctricos, electrónicos o hidráulicos, incluidos los programas informáticos que intervengan en su buen funcionamiento, destinado por el fabricante a ser usado en seres humanos con fines de prevención, diagnóstico tratamiento o rehabilitación. No constituyen equipo biomédico, aquellos dispositivos médicos implantados en el ser humano o aquellos destinados para un solo uso. Equipo Biomédico Prototipo: Incluye todos aquellos que se encuentran en fase de experimentación que aún no se han empleado en la prestación de servicios o en demostraciones y que no cuentan con el certificado de venta libre expedido por el organismo nacional competente o su homólogo en el país de origen. Incidente adverso: Daño o potencial riesgo no intencionado al paciente, operador o medio ambiente que ocurre como consecuencia de la utilización de un dispositivo médico. Precauciones: Medidas de seguridad que se deben cumplir al usar todo dispositivo médico. Registro sanitario: Es el documento público expedido por el INVIMA previo el procedimiento tendiente a verificar el cumplimiento de los requisitos técnico-legales y sanitarios establecidos en el decreto 4725 de 2005, el cual faculta a una persona natural o jurídica para producir, comercializar, importar, exportar, envasar, procesar, expender y/o almacenar un dispositivo médico. Seguridad: Es la característica de un dispositivo médico, que permite su uso sin mayores posibilidades de causar efectos adversos.



Tecnovigilancia: Es el conjunto de actividades que tienen por objeto la identificación y la cualificación de efectos adversos serios e indeseados producidos por los dispositivos médicos así como la identificación de los factores de riesgo asociados a estos efectos o características con base en la notificación, registro y evaluación sistemática de los efectos adversos de los dispositivos médicos, con el fin de determinar la frecuencia, gravedad e incidencia de los mismos para prevenir su aparición.

El decreto 4725 también da indicaciones sobre la clasificación delos dispositivos médicos: Tabla XXII. Clases de Dispositivos Médicos Clase I. Son aquellos dispositivos médicos de bajo riesgo, sujetos a controles generales, no destinados para proteger o mantener la vida o para un uso de importancia especial en la prevención del deterioro de la salud humana y que no representan un riesgo potencial no razonable de enfermedad o lesión. Ejemplos: Escalpelo, Forceps, Camas eléctricas, Extremidades artificiales, Estetoscopios, Sillas de ruedas, Electrodos externos Clase II b. Son los dispositivos médicos de riesgo alto, sujetos a controles especiales en el diseño y fabricación para demostrar su seguridad y efectividad. Ejemplos: Equipos de electrocirugía, Desfibriladores cardíacos Externos, Bombas de infusión, Ventiladores, Máquinas de hemodiálisis, Catéteres, Sistemas de electroencefalografía, Sistemas de rayos X, Sistemas de diagnóstico de ultrasonido, Condones de látex.

Clase II a. Son los dispositivos médicos de riesgo moderado, sujetos a controles especiales en la fase de fabricación para demostrar su seguridad y efectividad. Ejemplos: Monitores cardíacos, Simuladores eléctricos transcutáneos, Sistemas de resonancia magnética, Analizadores de gas en sangre, Tubos de drenaje, Bolsas de sangre, Sets de administración intravenosa, Termómetros infrarrojos, Agujas para biopsia, Guantes de látex Clase III. Son los dispositivos médicos de muy alto riesgo sujetos a controles especiales, destinados a proteger o mantener la vida o para un uso de importancia sustancial en la prevención del deterioro de la salud humana, o si su uso presenta un riesgo deterioro de la salud humana, o si su uso presenta un riesgo potencial de enfermedad o lesión. Ejemplos: Marcapasos cardíacos, Válvulas de corazón, Sistema tubular coronario, Prótesis injerto vascular, Pinza para aneurisma, Sistemas aceleradores lineales

Los equipos biomédicos, idealmente, deben seguir estándares, preferiblemente de aceptación internacional. Los estándares de la familia IEC60601 son aceptados en Colombia, por el Instituto Colombiano de Normas Técnicas (ICONTEC). Los estándares IEC60601 no son normativos en Colombia, sino que permiten a los fabricantes asegurarse, mediante su cumplimiento, que el producto es de calidad. (tomado de CLAIB Regulación Colombia).

Bandas ISM (Industrial, Científica y Médica) Respecto al uso de las bandas ISM la regulación local, en el documento del cuadro nacional de atribución de bandas de frecuencia dice:

“Aplicaciones industriales, científicas y médicas (de la energía radioeléctrica) (ICM): Aplicación de equipos o de instalaciones destinados a producir y utilizar en un espacio reducido energía radioeléctrica con fines industriales, científicos, médicos, domésticos o similares, con exclusión de todas las aplicaciones de telecomunicación”, luego complementa especificando las bandas que están designadas para aplicaciones industriales, científicas y médicas (ICM). La República de Colombia a través del Ministerio de Tecnologias de la Información y la Comunicaciones presenta una serie de documentos y normativas como el Manual de Gestión Nacional del Espectro Radioelectrico y, como anexo de este, el cuadro nacionald de atribución de bandas de frecuencia.

Otras Regulaciones Internacionales La Global Harmonization Task Force (GHTF) es una referencia clave en cuanto a validación de dispositivos biomédicos. Dicha organización tiene como meta proporcionar un foro colaborativo para los representantes o miembros de las autoridades reguladoras y los representantes de la industria biomédica con el fin de promover la convergencia internacional en requerimientos reguladores y prácticas. La GHTF tiene cinco grupos de estudio:     

Regulaciones relacionadas con Seguridad y Desempeño, Clasificación, Marcado y Evaluación Regulaciones con respecto al reporte de eventos adversos con dispositivos médicos Armonización relacionada con sistemas de calidad para la producción de dispositivos médicos Prácticas de auditoría para sistemas de calidad y para dispositivos Estudio de mecanismos de convergencia de requerimientos y regulación relacionados con la seguridad y el desempeño clínico de los dispositivos médicos y establecimiento de guías para pruebas clínicas [104].

Un organismo estadounidense tomado como una amplia referencia a nivel mundial es la FDA o Food and Drug Administration, muchas de las directrices adoptadas en Colombia se basan en normativas de esta agencia estatal. Esta entidad ha emitido un documento denominado RadioFrequency Wireless Technology in Medical Devices el cual es un “Draft Guidance” o documento preliminar. Este documento se refiere a aspectos específicos relacionados con dispositivos biomédicos en aplicaciones de monitorización ambulatoria. Este documento de 2007, de unas 30 páginas, trata en general algunas definiciones relevantes, inquietudes relacionadas con el uso de tecnología inalámbrica RF al interior y alrededor de equipos médicos, conceptos generales sobre el riesgo en el manejo de dispositivos médicos inalámbricos RF, cuestiones sobre el diseño y desarrollo: su verificación y validación, el etiquetado, los controles de compra y las actividades de aceptación, las acciones preventivas y correctivas y tareas de mantenimiento. A continuación revisaremos algunos de los puntos más relevantes tratados en el documento [105]. Definiciones Compatibilidad Electromagnética (EMC): la capacidad de un dispositivo de funcionar adecuadamente en su entorno electromagnético objetivo sin introducir energía electromagnética excesiva que pueda interferir con otros dispositivos. Perturbación Electromagnética (EMD): Cualquier fenómeno electromagnético que pueda degradar el desempeño de los equipos, médicos o equipos electrónicos en general. Los ejemplos

de esto incluyen las caídas e interrupciones en el voltaje de línea, transientes eléctricos rápidos (EFTs), campos electromagnéticos (emisiones radiadas), descargas electrostáticas y emisiones conducidas. Interferencia electromagnética (EMI): degradación en el desempeño de una parte del equipo, canal de transmisión o del sistema (como dispositivos médicos) que es causada por una perturbación electromagnética. Descarga electrostática (ESD): la transferencia rápida de carga electrostática entre cuerpos de potencial electrostático diferente, bien sea en la proximidad en el aire (descarga en aire) o a través de contacto directo (descarga por contacto). Emisiones: energía electromagnética que emana de un dispositivo que generalmente pertenece a una de dos categorías: conducida y radiada. Ambas categorías de emisión pueden presentarse simultáneamente, dependiendo de la configuración del dispositivo. Emisiones conducidas: Energía electromagnética que emana de un producto a través de un conductor a partir de su resistencia, inductancia o capacitancia. Como conductor se entienden los cables de alimentación AC, las cubiertas metálicas de un subsistema, los cables que interconectan los subsistemas o los cables que conectan al paciente con el producto. Las emisiones conducidas comprenden los armónicos de la línea de alimentación, los picos y la energía de radio frecuencia, especialmente en el rango entre los 150 KHz y los 80 MHz. Emisiones radiadas: Energía electromagnética que emana de un dispositivo y se propaga a través del espacio o de un medio (el cual puede afectar la distancia y la dirección de propagación). Las emisiones radiadas comprenden tanto las emisiones intencionadas como las radiotransmisiones que portan información y las emisiones no intencionadas asociadas con el equipo alimentado eléctricamente como motores, fuentes de alimentación y componentes de los computadores. Inmunidad: La capacidad de un producto eléctrico o electrónico de operar como es pretendido sin degradación del desempeño en presencia de perturbaciones electromagnéticas. Latencia: El tiempo que toma para una unidad de información cruzar un enlace inalámbrico o conexión de red, desde el emisor hasta el receptor. Calidad del servicio (QoS): un nivel de desempeño acordado en un sistema de comunicación u otro servicio, que abarca multiple parámetros de desempeño tales como la fiabilidad de la transmisión de datos, la tasa de transferencia, la tasa de errores y los mecanismos y los niveles de prioridad para las señales críticas en el tiempo. Radiofrecuencia (RF): una frecuencia en la porción del espectro electromagnético que está entre las porciones del audio y del infrarrojo; las radiofrecuencias comúnmente utilizadas están entre 9kHz y 100GHz. Interferencia de radiofrecuencia (RFI): un tipo de interferencia electromagnética que resulta de las emisiones radiadas a una o más radiofrecuencias. Dispositivo medico inalámbrico de radiofrecuencia: un dispositivo médico que incluye al menos una función que está implementada utilizando comunicaciones inalámbricas RF; ejemplos de funciones que pueden implementarse inalámbricamente incluyen la transferencia de datos, el

control de dispositivos, la programación, la transmisión de energía, el sensado y monitorizacion remota y la identificación. Susceptibilidad: El potencial de los equipos (como los dispositivos médicos) para responder a una perturbación electromagnética. Coexistencia inalámbrica: la capacidad de un sistema inalámbrico para realizar una tarea en un entorno compartido especifico en donde otros sistemas tengan la capacidad de realizar sus tareas y puedan utilizar o no el mismo conjunto de reglas (tal como se refiere en IEEE 802.15.2 Coexistence of Wireless Personal Area Networks with Other Wireless Devices Operating in Unlicensed Frequency Bands).

Fig. 22. Entidades que emiten regulaciones ligadas con los dispositivos médicos de tecnología inalámbrica de radiofrecuencia [105].

Tabla XXIII. Algunos estándares aplicables a dispositivos médicos inalámbricos [106] Organismo Association for the Advancement of Medical Instrumentation (AAMI)

Electrostatic Discharge Association (ESD Association)

Estándar-Asunto 

AAMI TIR No. 18-1997- Compatibilidad Electromagnética de dispositivos médicos



ANSI/AAMI PC69:2000,-Compatibilidad electromagnética de dispositivos médicos implantables



ANSI/AAMI/IEC 60601-1-2:2001- Equipo Médico Eléctrico (versión estadounidense del estándar IEC 60601-1-2).



ANSI C63.18 – Método de prueba para estimar la inmunidad electromagnética de dispositivos médicos para transmisores específicos de radio frecuencia



ANSI C63.19- Métodos de Medición de compatibilidad entre dispositivos de comunicación inalámbrica y ayudas de audición.



ANSI/ESD-S20.20-1999 - Protección de partes eléctricas y electrónicas, ensamblajes y equipos

European Telecommunications Standards Institute (ETSI)

   

International Electrotechnical Commission (IEC)



  

Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE)



International Organization Standardization (ISO)



for



 

I-ETS 300 220- Características técnicas y métodos de prueba para equipos de radio de baja potencia ETS 300339-Compatiblidad Electromagnética General para equipos de radio comunicaciones ETS 300683-Compatibilidad electromagnética para equipos de corto rango. ETSI EN 302 195-1, compatibilidad Electromagnética y aspectos de radio espectro The IEC 60601 family specifies safety standards for medical electrical equipment. EMC is addressed in IEC 60601-1-2 and the IEC 60601-2-X standards for particular types of medical electrical equipment. IEC 60601-1-2:2001 y Amendment 1:2004, Equipo Eléctrico médico. IEC 60601-2-X tipos particulares de equipo eléctrico medico IEC 61326Requerimientos de compatibilidad electromagnética, equipo eléctrico para medición, control y uso de laboratorio IEEE 1073.X- Informática en salud, comunicación de dispositivos médicos Estándares IEEE 802.x ISO/TR 16056-1 – Informática en salud, Interoperabilidad de sistemas y redes de telesalud ISO/TR 16056-2, Sistemas en tiempo real ISO/TR 18307-Comunicacion y mensajería

En la figura se hace una síntesis de los aspectos de mayor relevancia en el interés de las regulaciones concernientes a los dispositivos biomédicos para monitorización ambulatoria.

Fig. 23. Aspectos principales de los que se ocupa la regulación existente para dispositivos médicos inalámbricos

CAPITULO 4 EnViBo: una propuesta de plataforma para el desarrollo de redes de sensores portátiles en monitorización fisiológica ambulatoria A partir de la revisión de la literatura referenciada en los capítulos anteriores sobre plataformas de monitorización ambulatoria de variables fisiológicas, se han evidenciado los vacíos de las diferentes propuestas en lo que se refiere a metodologías para la configuración, puesta en funcionamiento y gestión de las redes de sensores. Es común encontrar en las publicaciones consultadas información acerca de temas como la optimización de protocolos, algoritmos de enrutamiento y estrategias para optimizar el consumo de energía, pero son muy fragmentadas las referencias específicas en cuanto al despliegue de los nodos sensores y de cómo constituir una red inalámbrica que cubra los requerimientos específicos de las aplicaciones biomédicas. En la tabla se presentan las observaciones frente al soporte provisto, para la implementación de redes inalámbricas de sensores, por un conjunto de plataformas que consideran como una muestra significativa. Estas plataformas han sido seleccionadas porque se consideran consistentes a nivel de su concepción y su desempeño, además porque en ellas se pueden encontrar diferencias marcadas en las características de las soluciones tecnológicas sobre las que están soportadas y en aspectos como su arquitectura, su vigencia y su naturaleza (académico-investigativa o comercial). Tabla XXIV. Observaciones sobre el soporte para la implementación de redes que ofrecen varias plataformas Plataforma

Observaciones sobre el soporte para la implementación de redes inalámbricas de sensores

Shimmer, Mica, IRIS y TelosB Imote2 de Crossbow BTNode del Instituto Federal Suizo de tecnología Desarrollo holandés MyriaNED plataforma abierta EPIC Mote TECO Particle de la Universidad de Karlsruhe sun spot de microsystems MITES (MIT-USA) Codeblue (Harvard)

Sun

Soporte a través de software propietario (MoteWorks de Crossbow) que se debe adquirir con un costo adicional al de los nodos [90] Sistema operativo gratuito para el desarrollo de los nodos, pero no entrega mayores detalles acerca de las tareas de implementación y gestión de red [91] Buen soporte, ofrece recursos en línea y abiertos. Orientado a investigación. Se acerca mucho a la idea global de nuestra propuesta. No obstante la información está algo atomizada y puede requerir un nivel de autogestión alto. No actualizado.[92] Provee una información muy básica que no entrega detalles a profundidad. Los servicios de capacitación sobre el uso de la plataforma se ofrecen con costo [93] Este proyecto de Berkeley ofrece cierto nivel de soporte pero la información de red no es completa [94] Provee un muy completo soporte en cuanto a los nodos, el software y el firmware, da muchos detalles sobre la implementación de la red, no obstante se requiere un nivel de autogestión muy alto puesto que la información y los recursos están atomizados [95] Presenta algún grado de soporte pero los nodos para implementar las redes tienen un costo que puede resultar elevado. [96] Da orientaciones sobre la implementación de los nodos y la red y es abierta. No actualizado. [97] Plataforma académica e investigativa, con soporte pero desactualizada (2008) [98]

Para el conjunto de plataformas seleccionadas como representativas, se presenta en la tabla una valoración de los ítems considerados como fundamentales para cumplir con los requerimientos de soporte en cuanto al montaje, puesta en funcionamiento y gestión, de las redes inalámbricas de sensores en aplicaciones de monitorización ambulatoria. Tabla XXIV. Valoración sobre el cubrimiento de requerimientos que se consideran como claves para la implementación de redes para varias plataformas representativas

PLATAFORMA (VIGENCIA)

PROGRAMACIÓN DE LOS NODOS Disponible Compilador gratuito

SHIMMER (proyecto vigente)



IMOTE2 (proyecto vigente)



BTNODE (no vigente)



DESARROLLO DE LOS NODOS (A NIVEL DE HARDWARE)

Entorno Integrado Desarrollo (IDE) Gratuito

Costos Microcontrolador y disponibilidad en el mercado local

Soporteinformación para fabricación de nodos

IDE  (CCStudio)

No disponible en la ciudad. Solo 1 proveedor en el país



Costo alto. No disponible en el país



para el MSP430 Soporte para el PXA271 a través de MS .Net micro framework Soporte a través de eclipse IDE Para el ATmega128L

SOPORTE A NIVEL DE RED Despliegue y puesta en operación de redes Bajo



Bajo

  *Con costo

Costo: N/A No disponible en el país

Manejo de los datos generados los nodos



Alto

X

 

Costo: N/A

MYRIANED (proyecto vigente) EPIC (no vigente)

X

X

Información no disponible

X

Muy Bajo

X

X

No disponible en el país



Medio

X

TECO PARTICLE (proyecto vigente) SUN SPOT (proyecto vigente)



X



Alto







X

Medio



MITES (no vigente)

X

X

Costo: N/A No disponible en el país



Medio

X

CODEBLUE (no vigente)



Costo: N/A No disponible en la ciudad. Solo 1 proveedor en el país



Medio



*Con costo

Costo: N/A No disponible en el país Costo: N/A

IDE

No disponible en el país



(CCStudio) para el MSP430

Costo alto.

Observaciones adicionales La plataforma BTnode [92] provee un muy buen soporte pero opera en una banda un poco atípica (433-915 MHz) y utiliza el estándar IEEE 802.15.1, sin embargo esta plataforma nos proporciona bastantes elementos acerca de cómo pueden ser el soporte para nuestra propuesta. El sistema TECO Particle de la Universidad de Karlsruhe [95] sin duda provee el mejor soporte en cuanto a los nodos, el software y el firmware, además da muchos detalles sobre la implementación de la red, el modelo seguido por sus desarrolladores es de los más completos que se encuentra y sin duda es un gran referente para nuestro caso. Otras plataformas como PowWOW [99] es un esfuerzo interesante realizado en el INRIA francés pero al ser abierta tiene problemas en cuanto al soporte, sus documentos son de hace varios años, aunque provee los detalles de hardware y software. La plataforma Z1 de zolertia [100] provee una amplia información a través de un wiki sobre los nodos

y su programación para diversos sensores, pero no ahonda sobre el despliegue e implementación de las redes. La plataforma académica Firefly [101] de la Universidad Carnegie Mellon es interesante pero no provee mayor información. Finalmente cabe señalar que la plataforma DexterNet [48], un proyecto financiado en parte por la Unión Europea, la cual ha servido de referencia para la arquitectura de nuestra propuesta, hace parte de la familia SPINE, que aún sigue evolucionando pero no provee un soporte muy completo en cuanto a aspectos de red. Con base en el análisis de las valoraciones arrojadas por la tabla se puede afirmar que, si bien hay propuestas que exhiben fortalezas en varios de los ítems planteados, ninguna de las plataformas satisface completamente los requerimientos que se consideran claves para el desarrollo de redes de monitorización con nodos sensores inalámbricos. Además es evidente que la accesibilidad a plataformas con alto grado de consistencia a nivel de soporte, está sujeta a costos que pueden resultar bastante altos. Es evidente que las propuestas académico-investigativas se acercan bastante al ideal buscado de plataforma, no obstante muchos de estos proyectos no han tenido la permanencia deseada en el tiempo o su información se hace dispersa. Cuando los recursos aparecen atomizados en diferentes repositorios, wikis, sitios web poco atendidos o desactualizados, se requiere de altos grados de autogestión del aprendizaje para lograr un manejo de la plataforma, lo que implica una inversión de tiempo considerable y no tener la garantía de llegar a resultados satisfactorios.

Plataforma EnViBo Los ejercicios de elaboración de un estado del arte para plataformas de monitorización de variables biomédicas, capitulo II, y de valoración de una muestra representativa de dichas plataformas, realizado al principio de este capítulo, en conjunto con la caracterización del marco técnicoregulatorio de referencia para la implementación de redes de sensores portátiles, capitulo III, permiten en este punto llegar a la formulación de una plataforma propia denominada EnViBo: Embedded Network for Vital Sign and Biomedical Signal Monitoring por sus siglas en inglés, que se constituye en nuestra propuesta de plataforma para el desarrollo de redes de sensores portátiles en monitorización fisiológica ambulatoria. Esta plataforma está concebida para superar las limitaciones anteriormente indicadas. Los diseños y prototipos de nodos sensores, las interfaces de usuario y las pruebas realizadas, han servido para definir los aspectos más específicos de nuestra propuesta. Es así como esta formulación no se apoya meramente en aspectos teóricos, derivados de los análisis realizados sobre la literatura existente, sino que aprovecha las enseñanzas que son resultado de la experimentación con elementos propios, desarrollados específicamente para este trabajo de investigación.

Arquitectura de la Plataforma EnViBo La formulación de una plataforma requiere plantear una arquitectura tanto para el conjunto completo que constituye el sistema de monitorización como también para los elementos de red, es decir, los nodos. En la figura se ilustra la arquitectura de tres capas de la plataforma EnViBo [102], esta supone tres capas cuya naturaleza y funciones se describen a continuación: 

Capa de Nodos de Monitorización: Esta es la capa de adquisición y acondicionamiento de las señales biomédicas, está constituida por los nodos sensores portátiles que el usuario transportará atados a su cuerpo o a sus prendas de vestir de manera que no le impidan realizar sus actividades y movimientos normales. Nuestro enfoque se centra sobre la utilización de nodos sensores inalámbricos que se apoyan en procedimientos no invasivos para la captación de las señales de interés. Si bien, en la actualidad se habla de aplicaciones que incluyen la utilización de sensores implantados, consideramos que este tipo de soluciones tienen implicaciones éticas y de

influencia sobre la salud humana que requieren aún de una revisión concienzuda y de seguimiento a su desarrollo, que es incipiente en la mayoría de los casos. En nuestro trabajo futuro se contempla la adopción progresiva de sensores vestibles mediante la fusión de e-textiles con dispositivos electrónicos con los demás elementos: microcontroladores, radios y sensores, entre otros. También se reconocen las posibilidades que ofrecen las tecnologías de recolección de energía (energy harvesting-energy scavenging) y por ende se planea su adopción también en los nodos sensores. Las implementaciones realizadas hasta ahora, tanto a nivel de los nodos sensores como del coordinador de la red de área personal, han estado basadas en microcontroladores y radios pertenecientes a un mismo fabricante: Microchip. Este hecho no es fortuito, tampoco se trata de una elección caprichosa, la escogencia se ha realizado teniendo como base los costos, la disponibilidad de proveedores a nivel nacional y local, al igual que el soporte en software y documentación. En este sentido se han encontrado respuestas bastante favorables en comparación con otros proveedores. Una opción interesante que muestra un buen desarrollo y es considerada desde ya, es la inclusión de nodos sensores que incluyan microprocesadores Atmel que gobiernen aplicaciones con enfoque open hardware/software, como Arduino y Pingüino, puesto que se ha tenido la oportunidad de experimentar con este tipo de desarrollos y se ha encontrado una buena respuesta y una prometedora perspectiva desde el punto de vista de disponibilidad de proveedores y de buenos precios, con un soporte a nivel de software en crecimiento. La plataforma planteada, EnViBo, no restringe el uso de ningún tipo de microcontrolador o de transceptor de radio, por lo tanto, los dispositivos podrán integrarse a la red siempre y cuando se acoplen desde el punto de vista funcional a la operación formulada para la aplicación. Coordinador de la red de área personal (Coordinador PAN): El dispositivo coordinador en nuestro caso se basa en un microcontrolador de 16 bits, que opera como un nodo “estático” proyectado en principio para un escenario de operación en interiores o indoor, con suministro permanente de energía, que posee conexión a un computador vía serial/usb, pero que también permite opciones de visualización local y registro de los datos en medio extraíble [103]. 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 a través de un dongle Bluetooth e incluso supone el potencial rol mixto de Gateway hacia redes de cobertura Ethernet o 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. 

Capa de Sumidero Local de Datos: En esta capa se encuentran los dispositivos y medios que hacen posible el registro en instrumentos con capacidades superiores; de almacenamiento, procesamiento, retransmisión y visualización. El sumidero normal de datos de esta capa es un computador que tiene instalado el software que permite la visualización en una interfaz tipo instrumento virtual y que además, tiene posibilidades de generación de reportes, alimentación de una base de datos y conectividad a nivel de intranet e internet. En paralelo con esta posibilidad de sumidero, se maneja la salida vía Gateway a otras redes alámbricas e inalámbricas con elementos que posibiliten conexiones Ethernet o WiFi. Estos Gateway se convierten en elementos complementarios que amplían el rango de las redes involucradas y son sistemas alternos para alcanzar la capa de sumidero Global de Datos



Capa de Sumidero Global de Datos: Usualmente las implementaciones de redes inalámbricas de monitorización ambulatoria de señales biomédicas cubren el espectro de BAN (Body Area Networks: Redes de área corporal), PAN o redes de área personal y

WLAN; redes inalámbricas de área local. La capa de sumidero global de datos le confiere la posibilidad a este tipo de aplicaciones de alcanzar rangos metropolitanos y amplios, correspondientemente los niveles de WMAN y WWAN. (Redes inalámbrica de alcance metropolitano y de alcance amplio). La posibilidad de una cobertura tan vasta se logra a partir de la ubicación de los datos para que puedan hacer tránsito a través de redes de uso extendido y con infraestructuras bien establecidas, con fiabilidad de servicio garantizado como son las redes de las compañías de telefonía móvil y la red mundial de información a través de Internet.

Fig. 24. Arquitectura de tres capas para la arquitectura de la plataforma EnViBo [102]

Arquitectura de los Nodos Igualmente se ha procedido a formular una propuesta de arquitectura para los nodos que conforman las redes desplegadas según la arquitectura EnViBi, es así como cada nodo responde a una arquitectura en donde se diferencian cuatro capas que son:    

Comunicaciones Algoritmos Control de Hardware Hardware de Circuito Esta arquitectura no es jerárquica o, al menos, no está concebida así. El orden establecido tiene que ver con las señales; desde su adquisición hasta su transmisión y el vínculo de los elementos internos del nodo con el medio externo.

Fig. 25. Arquitectura general de los nodos proyectadas por niveles o capas [104] 

Comunicaciones: operacionalmente constituye la etapa final de trabajo sobre los datos adquiridos a nivel del nodo sensor o de los nodos que hacen la gestión de la red. En esta capa los datos se formatean para adecuarlos al radio, método de modulación, frecuencia de transmisión-recepción, método de encriptación, longitud de los paquetes de transmisión, tasa de datos (bit-rate), entre otras. Este conjunto de operaciones se logra gracias a la conjunción de aspectos a nivel de firmware, hardware y de modelo o estándar de comunicación. En general la naturaleza de las soluciones implementadas en este nivel de la arquitectura corresponderán al dominio de redes de área corporal y personal (BAN y PAN). En este nivel se hace la elección o adopción del protocolo o estándar de comunicación, teniendo en cuenta que más allá de las características que lo hagan viable a nivel operativo, deben también cubrirse los aspectos de requerimientos mínimos desde el punto de vista regulatorio tanto en el ámbito de las telecomunicaciones como en los de las temáticas vigiladas por las agencias de control de medicamentos y alimentos.



Hardware del circuito: Esta comprende los elementos sensores, los actuadores, los puertos, conectores y demás elementos como baterías.



Control del Hardware y de Módulos: De esta capa hacen parte los drivers, los bloques de conversión análoga/digital, las unidades de control bajo interfaces para comunicación (UART, SPI, I2C, entre otras) con elementos externos como transceptores y memorias EEPROM externas, el manejo de periféricos como módulos LCD, entre otras.



Algoritmos: Se denominan así a los procedimientos de procesamiento de la señal on-chip que hacen posible la estimación de los valores de las variables biomédicas. Estos algoritmos se apoyan en conocimientos técnicos específicos sobre la naturaleza de las señales captadas y el proceso de cálculo o estimación de los diferentes signos vitales o variables fisiológicas que sean de interés. Debido a que este proceso resulta complejo y

demandante en cuestión de recursos a nivel de las herramientas computacionales de los microprocesadores o dispositivos lógicos programables utilizados para tal caso. En la tabla se presenta un comparativo entre los requerimientos para la implementación de un algoritmo de estimación de la presión arterial de manera no invasiva utilizando dos métodos diferentes: El método oscilométrico, que se basa en las variaciones de una señal de presión y el método auscultatorio, basado en una señal acústica captada con micrófonos. Tabla XXV. Comparación de aspectos ligados al algoritmo para dos métodos no invasivos de la presión arterial [103] Método Oscilométrico Ampliamente difundido en implementaciones de medidores ambulatorios El principio general utilizado para la medición permanece básicamente invariante Permite medir la presión media, (estimar la presión diastólica y sistólica) El análisis de la señal para la estimación de las medidas requiere una segmentación moderada Dependencia con la edad, estado de salud del paciente (arritmias), hay cierta sensibilidad al movimiento

Método Auscultatorio (Korotkoff) El procesamiento de la señal puede ser muy demandante a nivel de recursos softwarefirmware Multiplicidad de enfoques para realizar la medición de la presión arterial Permite medir la presión sistólica y diastólica (estimar la presión media) El número de fases a caracterizar en la señal es alto (cinco como referencia) Variabilidad en el ancho de banda de la señal sonora ligada a aspectos de la salud del paciente (normotensos, hipotensos, etc.)

Visión completa de la plataforma EnViBo Una visión general de la plataforma EnViBo en operación contempla la interrelación de diferentes dispositivos, incluso algunos de orden no ambulatorio, teniendo como mediador al Coordinador PAN. Respecto al Coordinador PAN, es importante anotar que realizará no solo labores de estimación de variables de tipo biomédico, sino que también tendrá que ejecutar algoritmos ligados a la gestión de la red y procedimientos con un mayor grado de complejidad a nivel de procesamiento o de técnicas de agregación sobre los datos para eliminar la información redundante y conservar solo los registros significantes. También en el nodo coordinador se pueden realizar tareas como la fusión de datos y de sensores.

Fig. 26. Escenario de operación de la Plataforma EnViBo: integración de los nodos sensores con elementos complementarios como un PC y otros sistemas de medición [105]

Elementos técnicos para la implementación de las comunicaciones en la plataforma de monitorización EnViBo Para el despliegue de una red según la formulación de la plataforma EnViBo es necesario definir los siguientes elementos:      

El protocolo de comunicaciones inalámbricas La topología de Red El direccionamiento de la red Los roles y funciones de los elementos de red (nodos) El aspecto funcional de las comunicaciones La valoración de los recursos del sistema

A continuación se presentará la descripción de cómo se definen estos ítems según los lineamientos de la plataforma EnViBo

Protocolo de Comunicaciones Inalámbricas: El protocolo de red que se utilizará es el denominado MiWi [106] que es propietario del fabricante estadounidense Microchip y que está basado en el estándar de IEEE 802.15.4 para redes inalámbricas de área personal. Más específicamente, se ha elegido el protocolo MiWi P2P [107]

por sus características de flexibilidad para el despliegue de redes que puedan crecer en el número de nodos sensores. Es así que para ajustar los parámetros de funcionamiento de la red o realizar modificaciones no especificadas en esta formulación, el usuario deberá consultar los siguientes documentos de referencia de Microchip:    

Microchip Technology inc., “Microchip MiWi Wireless Protocol,” 2010. [106] Microchip Technology inc., “Microchip MiWi P2P Wireless Protocol,” 2010. [107] Microchip Technology inc., “Microchip Wireless (MiWi) Application Programming Interface MiApp,” 2009. [108] TM Microchip Technology, “Microchip Wireless (MiWi ) Media Access Controller – MiMAC,” 2009. [109]

MiWi® propone una implementación, liviana y royaltie-free, de la recomendación IEEE 802.15.4-A que se apoya en una herramienta para manejar los transceptores a nivel del controlador de acceso al medio llamada MiMAC [21] y una interfaz de cara al manejo de los protocolos propietarios (MiWi, MiWi P2P y MiWi PRO [110]) llamada MiApp.  

MiApp está diseñada para permitir la flexibilidad de utilizar cualquier protocolo inalámbrico propietario de Microchip con poca o ninguna modificación en la capa de aplicación [108]. MiMAC está diseñada para permitir la flexibilidad de utilizar cualquier transceptor RF de Microchip con la misma capa de protocolo propietario de Microchip [109].

El protocolo MiWi (MiWi Wireless Networking Protocol Stack) es un protocolo simple, diseñado para redes de bajas tasas de transmisión de datos, distancias cortas y bajo costo. MiWi está orientado a redes relativamente pequeñas, con pocos saltos. Una red que utilice el protocolo MiWi puede tener un máximo de 1024 nodos. Cada coordinador puede tener máximo 127 nodos a su cargo o “hijos”, con un máximo de 8 coordinadores en una red. Los paquetes pueden viajar un máximo de 4 saltos en la red y 2 saltos máximo desde el coordinador de la PAN. MiWi P2P El protocolo MiWi P2P [107] modifica la capa de control de acceso al medio (MAC) de la especificación IEEE 802.15.4 [111] agregándole comandos que simplifican el proceso de handshaking o establecimiento de la comunicación. Características del protocolo      

Funciona en las plataformas PIC18, PIC24, dsPIC33 y PIC32 de Microchip Soporta los compiladores C18, C30 y C32 de Microchip Funciona como una máquina de estados (no es dependiente de un RTOS) Soporta un dispositivo en reposo en el extremo de la comunicación Habilita la exploración de detección de energía (ED) para trabajar en el canal menos ruidoso Entrega exploración activa para la detección de las conexiones existentes Habilita agilidad de frecuencia (channel hopping)

Topologías de Red: El protocolo soporta las topologías P2P y estrella. No posee mecanismo de enrutamiento, de modo que el cubrimiento de la comunicación inalámbrica se define mediante el rango del radio. No es multihop o multisalto.

Fig. 27. Topologías Estrella y Peer-to-Peer bajo el protocolo MiWi P2P [107] Direccionamiento de la red: Las direcciones de red se asignaran teniendo como fija para el coordinador de la red (PAN Coordinator) la dirección 11-22-33-44-55-66-77-01. Para los nodos sensores se asignará en el orden de programación e incorporación como elementos de monitorización, es decir a partir del elemento 11-22-33-44-55-66-77-02 y así sucesivamente. La dirección de identificación de la red (PAN ID) será por defecto 1234. El protocolo MiWi P2P solo soporta comunicación de un-salto, de allí que solo se transmitan mensajes con la dirección EUI o larga. El direccionamiento corto se utiliza solo cuando el stack transmite un mensaje de difusión amplia (broadcast). Para los transceptores de Microchip, la longitud de la dirección única puede estar entre 2 y 8 bytes, dependiendo de las necesidades de la aplicación. El formato del protocolo MiWi P2P es un subconjunto del formato de mensaje de la especificación IEEE 802.15.4. La figura ilustra el formato de paquete del stack y sus campos.

Fig. 29. Campos de direccionamiento en el formato de los paquetes del protocolo MiWi P2P [107] En el protocolo MiWi P2P, el modo de dirección de destino se pone usualmente en el Long Address mode. El Short Address mode se utiliza solo para mensajes tipo broadcast. Para mensajes tipo broadcast, el campo de dirección de destino en los campos de direccionamiento se fijará en 0xFFFF.

Roles y funciones de los dispositivos de red: Tipos de Dispositivo El protocolo MiWi P2P categoriza los dispositivos con base en sus definiciones IEEE y su rol en la realización de las comunicaciones como se indica en las tablas a continuación. Tabla XXVI. Tipos de Dispositivos IEEE 802.15.4 Basados en la Funcionalidad [107] Tipo Funcional Fuente de Configuración del Método de Alimentación Receptor Inactivo Recepción de los Datos Dispositivo de Funciones Completas (FFD) Dispositivo de Funciones Reducidas (RFD)

Alimentación Convencional (Mains)

ON

Directo

Batería

OFF

Sondeo desde el dispositivo asociado

Tabla XXVII. Tipos de Dispositivos IEEE802.15.4 Basados en el Rol [107] Tipo de Rol Tipo Funcional Descripción del Rol Coordinador de la Red de Área Personal (PAN) Dispositivo Terminal

FFD FFD ó RFD

El dispositivo inicia en primer lugar y espera por una conexión El dispositivo inicia luego de que el coordinador PAN ha iniciado para establecer una conexión

Aspecto Funcional de las comunicaciones Transmisión y Recepción En redes MiWi hay dos tipos de mensajes: Broadcast y Unicast. Los paquetes tipo Broadcast tienen todos los dispositivos en el rango del radio y su destino IEEE 802.15.4 define una dirección corta específica como la dirección broadcast, pero no tiene definición para la dirección larga. Como resultado, para el receptor que cumple con IEEE 802.15.4, broadcasting es la única situación en la que el stack MiWi P2P utiliza una dirección corta. No hay Acknowledgement para los mensajes de broadcasting. Las mensajes o paquetes Unicast solo tienen un destino y utilizan al dirección larga como dirección de destino. El protocolo MiWi P2P requiere Acknowledgement para todos los mensajes unicast.

Variaciones para el Handshaking La mayor diferencia del protocolo MiWi P2P con la especificación IEEE 802.15.4 reside en el proceso de Handshaking. El protocolo MiWi P2P está diseñado para la simplicidad y para conexiones directas en topologías de comunicación P2P y estrella. Los dispositivos de funciones reducidas (RFDs) pueden recibir el comando de petición de conexión desde varios dispositivos de funciones completas (FFDs), pero se pueden conectar a solo un FFD. Un RFD escoge como su par (peer) al FFD desde el que recibe la primera respuesta de conexión P2P.

Fig. 30. Proceso de Handshaking para el protocolo inalámbrico MiWi P2P [107]

Características particulares del protocolo MiWi P2P Este protocolo soporta una conexión directa, punto a punto y de funcionalidad reducida y una buena variedad de características. Todas las características pueden ser habilitadas o deshabilitadas y compiladas en el stack, según las necesidades de la aplicación. Entre las características tenemos:       

Pequeño tamaño de programación (memoria) Soporta que los dispositivos inactivos apaguen su radio Mensaje indirecto Características especiales de seguridad Escaneo activo para encontrar las redes de área personal existentes sobre diferentes canales. Escaneo de energía para encontrar el canal con el menor ruido Agilidad de frecuencia (channel hopping)

Diagrama de Flujo de la Aplicación Una aplicación típica bajo el protocolo MiWi P2P comienza inicializando el hardware y el protocolo. Luego se intenta establecer una conexión e ingresar en el modo de operación normal de transmitir y enviar datos. La figura ilustra el flujo de procesos típico de las aplicaciones bajo el protocolo MiWi P2P.

Fig. 31. Diagrama de flujo para una aplicación bajo MiWi P2P [107] Los tramos o ranuras de tiempo garantizados (GTS) y las redes con beacon no están soportadas, de ahí que ambos lados de la comunicación no pueden entrar simultáneamente en modo de reposo (Sleep Mode) Valoración de los requerimientos de procesamiento Requerimientos de recursos de sistema Debido a que el protocolo inalámbrico MiWi tiene un conjunto de características variado, el habilitar dichas prestaciones se reflejan en un incremento en los requerimientos de sistema para los microcontroladores. La tabla muestra los requerimientos de una configuración básica. Tabla XXVIII. Requerimientos de memoria para la familia de Microcontroladores PIC18 para el protocolo MiWi P2P [107] Configuración Tamaño reducido de stack

Memoria de programa (Bytes) Battery PAN Coordinator =>Mains/Battery Backup Single Hop

Procedimiento de implementación y puesta en funcionamiento de la red de monitorización: 1. Inicialmente se pone en funcionamiento el coordinador de red, cuya dirección corresponderá siempre al nodo 1, la alimentación es del tipo “mains” conectado a un tomacorriente estándar de 110 voltios y se podrá contar con un subsistema de apoyo basado en un circuito de conexión a batería que permite la opción de operación bajo las eventuales suspensiones de energía. Este nodo es el encargado de transferir los datos al computador por medio de la interfaz serial/usb que se conecta con el instrumento virtual desarrollado en Labview. En algunos casos este nodo podrá operar enviando los datos hacia otros destinos como Gateway; por ejemplo hacia dispositivos con capacidad de recibir comunicación con Bluetooth, WiFi o Ethernet. En los casos de que el vaciado de los datos hacia otros sinks se realiza vía inalámbrica deberán observarse precauciones en cuanto a evitar la operación simultánea de todos los transceptores debido a problemas de coexistencia en la banda de 2.4 GHz. El mecanismo de comunicación utiliza asociación Peer-to-Peer (P2P) en el cual los nodos envían periódicamente los datos. La asociación de los nodos a la red no utiliza beacon (baliza), ni mecanismo de polling (encuesta cíclica) por parte del coordinador de red. Los nodos envían periódicamente sus datos o según su programación de acuerdo a la naturaleza de la señal que adquieren. Los nodos compiten por el acceso al medio y eventualmente podrán perderse algunos paquetes, sin embargo de acuerdo con los análisis y pruebas realizadas, es más conveniente desde el punto de vista del consumo energético de las unidades de red (nodos sensores), enviar la información de este modo. El coordinador de red lleva un registro de los paquetes enviados y recibidos, al igual que indica el número y la dirección de red de los nodos conectados. En un momento dado que no se reciban paquetes por un tiempo determinado se activará una función de “timeout que reinicia la red para restablecer las comunicaciones puesto que se ha determinado que algunas interferencias pueden llevar a un bloqueo de algunos nodos, entre ellos, del coordinador de la red.

2. Se pone en funcionamiento los nodos sensores, estos envían como primer paquete un mensaje de identificación que puede ser visualizado en el display del nodo coordinador. Los nodos envían los datos numéricos correspondientes a la variable leída concatenados con uno o varios caracteres adicionales que sirven como marcador de los paquetes. Este marcado adicional o remarcado facilita la identificación de los paquetes y la restitución del funcionamiento ante situaciones de fallo, interferencia, ingreso de nuevos nodos a la red, salida de nodos, timeouts, entre otras.

Fig. 52. Secuencia de recepción de datos del nodo actígrafo La periodicidad de los mensajes si las transmisiones se basan en eventos o si estos son enviados periódicamente lo determina la naturaleza de la medición a la que está ligado el nodo sensor. Por aspectos de optimización del consumo de energía los nodos deben poner en modo “sleep” sus transceptores en los periodos entre transmisiones. Eventualmente se puede programar una función de timeout para superar periodos de bloqueo en las transmisiones por interferencias, obstáculos, ingreso de nuevos nodos u otros aspectos técnicos. Las direcciones para los nodos sensores se asignan desde la número 2 y los paquetes se envían sin retransmisiones a través de los demás nodos, el esquema es entonces de single hop y están condicionadas al rango de alcance de los transceptores. El procedimiento de saltos múltiples con retransmisiones y tablas de ruteo no se considera necesario para el espectro normal de aplicación de la plataforma planteada. Los usuarios pueden utilizar el recurso de la memoria de datos eeprom interna para almacenar datos de backup o para análisis offline, igualmente se pueden utilizar memorias eeprom externas e incluso medios extraíbles como SD cards o memorias flash. 3. Los nodos sensores deberán desplegarse con baterías de uso extendido que correspondan a las categorías AA, AAA, tipo moneda, recargables o de 9V, así como también de LiPo. Es también aceptado el uso de medios alternos de suministro de energía como celdas solares. Las tarjetas usualmente se alimentarán a 3.3V y se utilizarán conversores dc/dc tipo step-up o step-down para acoplar los voltajes de las baterías a las tarjetas de los nodos.

Fig. 53. Detalles del coordinador PAN y de los nodos sensores 4. Los datos de los nodos pueden enviarse en unidades de la variable sensada o en el nivel de procesamiento que se considere más adecuado, es decir, también se pueden enviar datos en bruto “raw data” o datos con niveles intermedios de procesamiento para su posterior análisis en el computador o en el nodo coordinador si se considera pertinente. 5. Para cada nodo se generará un reporte en archivo plano, con formato txt con el registro de los datos y las etiquetas de fecha y hora de registro de los datos. Los nodos pueden conectarse y desconectarse en cualquier momento de la red.

Fig. 54. Archivos txt con los datos recibidos de los nodos sensores 6. Los nodos deben ser desplegados dentro de un mismo recinto o en espacios en los que no sea necesario tener transmisiones entre cuartos o salones adyacentes puesto que no se ha implementado la retransmisión lo que implica que las paredes y puertas se constituyen en obstáculos considerables como ya se ha verificado en las pruebas realizadas. 7. Cada nodo puede implementarse con microcontroladores de 8, 16 o 32 bits. Se deben elegir dispositivos con características de consumo reducido. 8. El envío de los datos debe hacerse utilizando una tabla que mapee los resultados numéricos de la medición con sus correspondientes códigos ASCII separando las cifras (centenas, unidades, decenas, decimales, etc.). Se deben enviar los datos uno tras otro. Además los datos deben transmitirse encriptados.

Interfaz de usuario EnViBo Utilizando el software llamado Labview se ha realizado una interfaz que permite administrar los datos derivados del funcionamiento de la plataforma EnViBo. Esta interfaz tiene las siguientes pantallas: 

Inicio: Aparece el nombre de la plataforma y los créditos

Fig. 55. Pantalla inicial de la plataforma EnViBo 

Mediciones: En este menú aparece una primera ventana en donde se muestran indicadores que muestran los valores numéricos de las variables activas.

Fig. 56. Pantalla Mediciones de la plataforma EnViBo 

Configuración: En este apartado se configura todo lo relativo a las comunicaciones serial/usb con el nodo coordinador.

 

Registros de pacientes: Aquí se consigna toda la información relativa a las personas cuyos datos están siendo monitorizados Registros de variables: En esta pestaña se administran los archivos de registro o “reportes” de los datos de las diferentes variables.

Fig. 57. Pantalla Registro de la plataforma EnViBo  

Red: Aquí se muestra un resumen gráfico de los nodos vinculados a la red, su estado de actividad y sus direcciones ó ID. Tendencias: En esta pestaña, se muestran gráficos acumulativos o de tendencias de las variables activas.

Fig. 58. Pantalla Tendencias de la plataforma EnViBo

Trabajos realizados En la tabla se listan los artículos que corresponden a trabajos realizados durante la etapa de formulación de la plataforma EnViBo

Tabla XXXVII. Artículos publicados sobre la plataforma EnViBo Evento/Revista: Proceedings of the Seventh Colombian Computing Congress (7CCC) IEEE - 2012 Autores: Gustavo Meneses, Juan D. Lemos Título del Artículo: Implementing IEEE 802.15.4-based Communications in Sensor Nodes aimed for Biomedical Signal Monitoring ISSN: 978-1-4673-1476-3 Evento / Revista: Memorias del Tercer Congreso Internacional de Ingeniería Mecatrónica 2011 UNAB

Autores: Gustavo Meneses, Juan D. Lemos Titulo del Articulo: Vital Sign and Biomedical Signal Monitoring Portable System ISSN : 2145-812X Evento / Revista: Proceedings of the IEEE Intercon 2011, Lima-Perú Autores: Gustavo Meneses, Juan D. Lemos Titulo del Articulo: Integrating Independent Wearable Sensor Units into a Reconfigurable Platform for Biomedical Signal Monitoring

ISBN : 978-612-45345-2-2 Evento / Revista: V Latin American Congress on Biomedical Engineering CLAIB 2011May 16th21st, 2011, Habana, Cuba

Autores: Gustavo Meneses, Juan D. Lemos Titulo del Articulo: Consideraciones de diseño para la integración de dos métodos no invasivos de medición de la presión arterial en un dispositivo portable

ISBN : 978-3-642-21197-3 Evento / Revista: Proceedings of the Annual Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society EMBC 2010, Buenos Aires Autores: Gallego J, Lemos D, Meneses G, Hernandez M Titulo del Artículo: Development of a Wearable Vital Signs Monitor for Healthcare ISSN: 1557-170X

CAPITULO 5 Diseños, pruebas y análisis de resultados Durante el proceso de formulación de la arquitectura de la plataforma EnViBo se procedió a la elaboración de un conjunto de prototipos de nodos que permitiera verificar el funcionamiento de la red bajo diversas condiciones de operación. Las tarjetas de unidades de red de prototipo realizadas también permitieron ajustar parámetros de diseño para la propuesta final de nodos sensores y comprobar diferentes aspectos de programación tanto en lo relativo al protocolo MiWi como a la programación de las tareas ligadas a la adquisición y el procesamiento de las señales. Luego del trabajo realizado, se puede resumir el proceso de desarrollo de los nodos prototipo en cuatro fases:    

Selección de los elementos Diseño Montaje Pruebas y Depuración

La figura resume las actividades principales ligadas a cada fase .

Fig. 59. Secuencia de fases para el desarrollo de los nodos de red bajo la metodología de la plataforma EnViBo

A continuación se presenta una descripción detallada de lo realizado en cada fase.

Selección de los elementos: En esta fase se seleccionan los elementos de hardware que harán parte de los nodos sensores.

Fig. 60. Elementos constitutivos de un nodo genérico dentro de la plataforma EnViBo Selección del microcontrolador: Se ha optado por microcontroladores de Microchip. El stack MiWi soporta microcontroladores de 8, 16, 32 bits, que corresponden a las familias PIC18, PIC24, PIC32, dsPIC30 y dsPIC33 respectivamente. Entre otras, las siguientes referencias pueden utilizarse: PIC18F4620, PIC18F2520, PIC18F87J11, PIC18F46J50, PIC24FJ128GA010, PIC24FJ256GB110 y dsPIC33FJ256GP710. Para el coordinador de red se ha elegido el PIC24FJ128GA010, un microcontrolador de 16 bits, algunas de sus características principales son:          

CPU que puede operar hasta 16 MIPS, Oscilador interno de 8Mhz y PLL interno Memoria de programa de 128kB y Memoria RAM de 8kB Direccionamiento lineal de memoria de programa de hasta 4MB y Direccionamiento lineal de la memoria de datos de hasta 64kB. Hardware para multiplicación 16x16, división 32x16 y 16x16. 2 2 módulos UART, 2 SPI y 2 I C Puerto paralelo Master-Slave. Direccionamiento 16-bits, Datos 8-bits o 16-bits. Módulo AD de 10 bits a 500ksps. 5 Módulos Comparación/Captura/PWM. 16-bits PWM. Timers, 5 x 16-bit 2 x 32-bit. RTC (Reloj de tiempo real) y 5 interrupciones externas.

Para los nodos sensores se han utilizado los microcontroladores pic18F4620, PIC18LF4620 y PIC18F26K20. Selección del transceptor: Los transceptores elegidos son los que pone a disposición Microchip para la banda de 2.4 GHz: el MRF24J40MA y el MRF24J40MB. También están las opciones MRF49XA y MRF89XA que no se incorporan en esta primera versión de la plataforma EnViBo.

Fig. 61. Aspecto físico y Diagramas de Radiación (3D y 2D) del Transceptor MRF24J40MB Selección del sensor y del tipo de acondicionamiento de señal: Los nodos realizados para propósitos de prueba de la plataforma registran las variables de temperatura corporal y actividad. Para la variable de temperatura corporal, después de analizar diferentes opciones se optó por el termistor activo lineal de bajo consumo MCP9700 de Microchip, este es un sensor de bajo consumo de energía, es adaptable a e-textiles y, a diferencia de los termistores resistivos, no requiere circuitos adicionales de acondicionamiento de señal. Una de las razones por las cuales se optó por este dispositivo fue la disponibilidad de una tarjeta que hace una disposición especial del sensor de manera que puede hacerse parte de prendas de vestir o medios de sujeción por medio de aguja e hilo.

Fig. 62. Elementos que hacen posible la incorporación del sensor de temperatura sobre prendas de vestir o medios de sujeción [120][121]. La utilización de termistores clásicos de coeficiente negativo de temperatura (NTC) también fue considerada pero, no obstante ser el método más simple, el procedimiento de linealización por el método de la resistencia en paralelo hace más demandante a nivel de hardware y de firmware el proceso de acondicionamiento y adquisición de la señal.

Para el registro de actigrafía se utilizó un acelerómetro que hace parte de una unidad de medición inercial (IMU). El acelerómetro entrega una variación de voltaje proporcional a la intensidad de campo gravitatorio, las variaciones de las salidas del acelerómetro; x, y, z, (Volts Rx, Ry y Rz) dependen de su ubicación respecto a los tres ejes coordenados y se entrega un voltaje de referencia de 0 g (Volts@0g) para el acelerómetro: Volts @ 0 g. Para determinar las componentes angulares del vector derivado de las lecturas del acelerómetro deben realizarse los cálculos siguientes:

∆𝑥 = 𝐷𝑒𝑙𝑡𝑎 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑅𝑥 = 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠 𝑅𝑥 − Volts @ 0 g ∆𝑦 = 𝐷𝑒𝑙𝑡𝑎 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑅𝑦 = 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠 𝑅𝑦 − Volts @ 0 g ∆𝑧 = 𝐷𝑒𝑙𝑡𝑎 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑅𝑧 = 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠 𝑅𝑧 − Volts @ 0 g También, según las especificaciones técnicas del dispositivo tenemos que la sensibilidad del acelerómetro (Sensb) es de 300 mV/g, de acuerdo con esto podemos calcular las magnitudes de las componentes del vector determinado por las lecturas del acelerómetro así:

∆𝑥 ∆𝑥 = ; 𝑆𝑒𝑛𝑠𝑏 0.3 ∆𝑧 ∆𝑧 = = 𝑆𝑒𝑛𝑠𝑏 0.3

𝑅𝑥 = 𝑅𝑥𝐴𝑐𝑐 =

𝑅𝑦 = 𝑅𝑦𝐴𝑐𝑐 =

∆𝑦 ∆𝑦 = 𝑆𝑒𝑛𝑠𝑏 0.3

;

𝑅𝑧 = 𝑅𝑧𝐴𝑐𝑐

La magnitud del vector es: 𝑅𝐴𝑐𝑐 =

𝑅𝑥 2 + 𝑅𝑦 2 + 𝑅𝑧 2

A partir de esta magnitud podemos proceder a calcular los ángulos del vector de posición derivado de las lecturas del acelerómetro:

∡𝑥𝑟𝐴𝑐𝑐 = cos −1 (

𝑅𝑥 ); 𝑅

∡𝑦𝑟𝐴𝑐𝑐 = cos −1 (

𝑅𝑦 ) 𝑅

𝑦 ∡𝑧𝑟𝐴𝑐𝑐 = cos−1 (

𝑅𝑧 ) 𝑅

Fig. 63. Vector y ángulos finales derivado de las lecturas arrojadas por el acelerómetro. Por la naturaleza de los cálculos que se acaban de especificar para determinar el vector de posición, se ha decidido realizar hacer estos en el software Labview, dentro de la programación de la interfaz virtual desarrollada para la plataforma EnViBo. Igualmente si se requiere complementar las mediciones del acelerómetro con los datos que entrega el giróscopo integrado a la IMU, que son las componentes de la variación de velocidad angular respecto al tiempo, es necesario recurrir a integración o a herramientas como los filtros de Kalman para caracterizar los ángulos derivados de las rotaciones del sensor y no solo aquellos debido a las componentes gravitacionales. Labview cuenta con una gran cantidad de comandos y funciones; matemáticas, gráficas, alfanuméricas, etc., que garantizan que los datos provenientes del microcontrolador sean procesados de una manera más eficiente, además cuenta con la ventaja de trabajar números de coma flotante y también, una serie de medios de visualización que permiten hacer un seguimiento continuo sobre los datos.

Fig. 64. Panel frontal del Instrumento Virtual (VI) con datos derivados de las lecturas obtenidas con el acelerómetro.

Diseño: En esta fase se cubrieron todos los detalles ligados a lo que se conoce como diseño electrónico con las conexiones y disposición de los elementos. Adicionalmente también se han diseñado las cajas o enclosures para alojar los diferentes dispositivos diseñados y los medios de sujeción de estos a las prendas o al cuerpo de las personas. Asignación de conexiones de elementos de entrada/salida: Debido a que muchos de los ejemplos provistos por Microchip están desarrollados para ser ejecutados sobre tarjetas de desarrollo propietarias (development boards), una de las actividades de esta fase fue realizar las consideraciones de diseño necesarias para migrar la ejecución del firmware sobre tarjetas propias, diseñadas para nuestros propósitos específicos. Establecimiento de las conexiones Transceptor-Microcontrolador A partir del análisis de las hojas de datos de los dispositivos se definieron las conexiones microcontrolador-transceptor a través de la interfaz periférica serial (SPI por sus siglas en inglés) para los nodos sensoresy el coordinador de red. Tabla XXXVIII. Correspondencia de conexiones PIC18F4620 y transceptor MiWi MRF24J40 PIC18F4620 Pin # 15 16 24 18 23 33 17

Función RC0/T1OSO/T13CKI RC1/T1OSI/CCP2 RC5/SDO RC3/SCK/SCL RC4/SDI/SDA RB0/INT0/FLTO/AN12 RC2/CCP1/P1A

MRF24J40A Pin # 8 3 5 6 7 4 2

Función CS WAKE SDI SCK SDO INT RESET

Fig. 65 . Correspondencia de conexiones PIC18F4620 y transceptor MiWi MRF24J40 Tabla XXXIX. Correspondencia de conexiones PIC18F46K20 y transceptor MiWi MRF24J40

PIC18F46K20 Pin # 34

Función RC0/T1OSO/T13CKI

MRF24J40A Pin # 8

Función CS

35 43 37 42 9 36

RC1/T1OSI/ICCP2 RC5/SDO RC3/SCK/SCL RC4/SDI/SDA RB0/INT0/FLTO/AN12 RC2/CCP1/P1A

3 5 6 7 4 2

WAKE SDI SCK SDO INT RESET

Fig. 66 . Correspondencia de conexiones PIC18F46K20 y transceptor MiWi MRF24J40 Diseño de los esquemáticos: Los planos o esquemáticos han sido realizados en un software de diseño asistido por computador, EAGLE, y se apoyan en las asignaciones de conexiones descritas anteriormente entre los diferentes dispositivos y las etapas circuitales. En la figura se muestra el esquema de conexiones realizado para un nodo sensor de temperatura corporal.

Fig. 67. Diseño del esquemático (plano de conexiones) del nodo sensor de temperatura Diseño de las tarjetas de circuito impreso: Luego de haber realizado el plano de conexiones se procede a generar la tarjeta con la disposición definitiva de los elementos electrónicos así como de las pistas que los conectan. Este proceso es muy importante y demandante en tiempo puesto que deben realizarse muchas consideraciones y rediseños continuos con el fin de encontrar la disposición óptima en cuanto a aspectos de funcionalidad y tamaño de las tarjetas de los nodos sensores. También se deben resolver adecuadamente los problemas ligados a la disposición de los elementos y aquellos derivados al paso de las pistas o caminos de conexión por uno u otra zona o capa de las tarjetas. La figura muestra el diseño PCB definitivo para la tarjeta correspondiente a uno de los nodos sensores desarrollado.

Fig. 68 . Diseño de la tarjeta de circuito impreso (PCB) del nodo sensor de temperatura

Fig. 69 . Diseño de la tarjeta de circuito impreso (izquierda) y vista renderizada (derecha) de un diseño preliminar del nodo coordinador de red Diseño de las cajas: Las cajas o enclosures han sido diseñadas con la ayuda de un software de diseño asistido por computador llamado Inventor. Si bien los diseños se han realizado, aún no es viable económicamente dentro del proyecto construir las cajas para todos los nodos, por lo que se han usado también cajas disponibles en el mercado local que tienen un precio muy bajo a las cuales se les han hecho algunas adecuaciones especiales.

Fig. 70 . Concepción inicial sobre el diseño de las cajas

La figura muestra el diseño de las cajas proyectado con la ayuda del software para manejo de sólidos llamado Inventor.

Fig. 71 . Diseño de las cajas realizado en el CAD para sólidos llamado Inventor

Dada la dificultad que representa la fabricación de cajas personalizadas desde el punto de vista técnico-económico se optó por considerar cajas disponibles en el mercado local a bajo costo. El diseño anteriormente mostrado se logró elaborar con el uso de una impresora 3D de Tecnoparque SENA Nodo Medellín, lo podemos apreciar en el extremo izquierdo de la segunda fila.

Fig. 72 . Cajas (Enclosures) consideradas para el alojamiento de las tarjetas-baterías de los nodos Diseño de medios de sujeción: dada la naturaleza portátil de los nodos sensores que van sujetos a las prendas de vestir o al cuerpo de las personas, se han diseñado las formas y los medios de sujeción necesarios.

Fig. 73. Indicación de los sitios de ubicación y de los modos de sujeción de los sensores y de las cajas para los nodos portátiles de la plataforma EnViBo (Izquierda). Prueba realizada con medio de sujeción ubicado sobre el brazo (derecha). En la figura se muestra la concepción de un nodo sensor que puede registrar ECG o frecuencia respiratoria y que puede ser ubicado sobre una cinta o banda que se ubica a la altura del pecho.

Fig. 74. Concepción sobre medios de sujeción para los nodos sensores de la plataforma EnViBo

Montaje de los componentes sobre las tarjetas: Para el montaje de los elementos sobre las tarjetas desarrolladas se desarrollaron tareas de soldadura de componentes especiales como los microcontroladores de extra-bajo consumo con encapsulado QFN y la disposición de sockets para algunas tarjetas con el fin de facilitar el reemplazo de componentes como el transceptor, el sensor y el microcontrolador en caso de falla o ajustes de programación respectivamente. También se tuvo presente dejar los conectores para la conexión de la alimentación y de los sensores. En algunas de las tarjetas desarrolladas se tiene la opción de utilizar diferentes tipos de alimentación, baterías recargables o no, también de diferentes valores de voltaje; 1.2, 8.4 y 3 voltios.

Fig. 75. Detalle del montaje de los componentes para tarjeta de nodo sensor de temperatura (izquierda) y de actigrafía (derecha) Montaje de los elementos sobre las cajas: Como se señaló anteriormente se realizó una caja en una impresora tipo 3D pero las demás cajas utilizadas fueron conseguidas en tiendas de electrónica locales a bajo costo. Algunas modificaciones fueron realizados con el fin de ajustarse a las tarjetas realizadas y sus elementos.

Fig.76. Detalle del montaje de elementos sobre la caja para el nodo sensor de temperatura Acople medios de sujeción/caja: Para el caso del nodo sensor de temperatura corporal se tiene un medio de sujeción que se puede fijar al pantalón de la persona y una banda adhesiva, sobre la cual está fijada el sensor, que se ubica sobre la parte interior del brazo de la persona bajo observación.

Fig. 77. Detalle del acople medio de sujeción-caja para el nodo sensor de temperatura

En el caso del nodo basado en acelerómetro para medición de actigrafía, toda la unidad de caja y sensor está en la misma caja que directamente se acopla al medio de sujeción que consiste en una correa que se ubica sobre la parte superior de la rodilla.

Fig. 78. Detalle del acople medio de sujeción-caja para el nodo actígrafo Finalmente se muestra en la figura la disposición de los nodos sensores de temperatura corporal y de actigrafía sobre el cuerpo de una persona durante una sesión de prueba.

Fig. 79. Detalle del acople medio de sujeción-caja para el nodo actígrafo y nodo sensor de temperatura

Pruebas y depuración sobre elementos de hardware La figura muestra uno de los primeros prototipos de nodo sensor realizados. Este prototipo tiene dos tipos de alimentación, una pila de 3v para pruebas de “corta duración” y una batería de 12V para realizar pruebas por más largo tiempo. Ninguna de las pilas utilizadas en este primer prototipo es recargable.

Fig. 80. Primer prototipo realizado on-board para pruebas de nodos sensores En un segundo momento de diseñaron varias tarjetas, algunas de las cuales incluían en los nodos sensores, para efectos de pruebas y depuración, módulos LCD para permitir la visualización de los mensajes, y de los valores de las variables sensadas,

Fig. 81. Primera generación de prototipos para pruebas en red para la plataforma EnViBo Finalmente, luego de las pruebas con los prototipos mostrados previamente, se llegó al estado actual de los nodos sensores en los que se ha optimizado en diseño, en cuanto al tamaño y disposición de los elementos, como en consumo de energía, eliminando los módulos LCD utilizados inicialmente.

Fig. 82. Segunda generación (generación actual) de prototipos para pruebas en red para la plataforma EnViBo

Pruebas y depuración sobre elementos de firmware: Como se explicó en el capítulo IV, se han realizado ajustes y cambios significativos sobre el código de base que entrega Microchip como soporte para los demos del protocolo MiWi. La tabla condensa el resumen de los principales elementos de firmware que se incorporaron o que se intervinieron. Sobre estos elementos se hicieron pruebas y depuración para lograr el funcionamiento requerido a nivel de tareas de red y de monitorización. Tabla XL. Resumen de la intervención sobre elementos de firmware ( a nivel de código de programación) para lograr la funcionalidad requerida de los nodos dentro de la Plataforma EnViBo Control de Hardware A este nivel se realizaron pruebas y depuración para garantizar la operación de las

Algoritmo Se realizaron labores de pruebas y depuración del firmware correspondiente al

Comunicaciones La mayor cantidad de pruebas y de labores de depuración se concentró en la integración de

interfaces SPI entre los microcontroladores y los transceptores, la configuración de los canales de conversión A/D y la gestión de los pines I/O digitales de los nodos. Configuración de comunicaciones seriales y el manejo de recursos de visualización también se sometieron a procesos de pruebas y depuración.

algoritmo de estimación de los parámetros fisiológicos. Las adecuaciones realizadas tienen que ver la frecuencia de muestreo de las señales entregadas por los sensores, el procesamiento de los datos y el cálculo de la temperatura corporal en grados Celsius. Los datos del nodo actigrafo se procesan en Labview.

las funciones MiApp sobre el código para los diferentes nodos de red, el empaquetamiento de los datos para efectos de transmisión y procesamiento en la interfaz de Labview. También para garantizar la funcionalidad de la red y de los nodos se probaron y depuraron los códigos para garantizar el bajo consumo de energía de los nodos, el manejo de las direcciones de red y la seguridad de los datos.

En la figura se muestra la visualización en el display del Coordinador de red de los datos transmitidos desde el nodo actígrafo. El código de los nodos, como el de coordinador, fue modificado para que los datos de las lecturas del acelerómetro en los tres ejes, fuera correctamente marcado y recibido para posteriormente ser reenviado a la interfaz de Labview.

Fig. 83. Secuencia de visualización en el coordinador los de paquetes recibidos correspondientes a las lecturas para los tres ejes coordenados enviados desde el nodo actígrafo Si bien, la estrategia de marcar los datos en los nodos y recuperarlos según esas marcas en el coordinador y a su vez en la interfaz de Labview, aparentemente es sencilla, se tuvo que invertir un tiempo considerable para que se accediera a los datos específicos del payload de los paquetes transmitidos, se concatenaran los valores recibidos para formar un string que fuera continuo y se

ajustara a la longitud variable de los mensajes. En la figura se muestra un extracto del código mencionado.

Fig. 84. Extracto del código de programa para lograr la concatenación de los datos del payload en el lado del coordinador durante la recepción de los paquetes enviados por los nodos sensores Con el fin de verificar la cantidad de paquetes transmitidos exitosamente durante las sesiones de prueba para ejercicios de monitorización sobre periodos extendidos de tiempo, se adoptó también una función que permite la escritura sobre las posiciones de memoria de la memoria EEPROM de datos [123]. Esta función se incluyo en el archivo HardwareProfile. Esta función es invocada en el programa principal y el conteo almacenado en posiciones sucesivas de la memoria EEPROM de datos le permite a los desarrolladores de aplicaciones bajo la metodología de la plataforma EnViBo determinar la cantidad de paquetes perdidos cruzando esta información con el conteo que se realiza en el coordinador de red.

Fig. 85. Función para escritura de datos en la EEPROM de datos para el pic18F46K20 Con la interfaz desarrollada en Labview para la visualización de los datos recibidos por la plataforma EnViBo se puede seguir la evolución de los datos entregados para los tres ejes por el nodo actígrafo basado en acelerómetro.

Fig. 86. Recursos de visualización y de registro de datos en la interfaz desarrollada en Labview para la plataforma EnViBo

Pruebas de comunicación en red Como es lógico, al tratarse de un proyecto de plataforma de redes de sensores inalámbricos, se han realizado una gran cantidad de pruebas de comunicación. En un principio se hicieron pruebas sencillas de comunicación entre dos nodos para verificar el funcionamiento del protocolo MiWi a partir del código provisto por Microchip en sus demos.

Fig. 87. Datos aportados por el nodo 1 al recibir datos del nodo 2 bajo el demo SimpleExample provisto por Microchip

Luego de verificar el funcionamiento de las comunicaciones y verificar las funciones que ofrecían los demos, se procedió a modificar el código e incorporar los elementos de programación que permitieran personalizar las comunicaciones de acuerdo a los requerimientos de los nodos que se fueron incorporando. En la figura se muestra la imagen del coordinador de red durante una prueba en la que el nodo sensor de temperatura envía su mensaje de identificación (N2T).

Fig. 88. Paquete de identificación del nodo sensor (Nodo 2 de Temperatura) ante el nodo Coordinador para el comienzo de la transmisión de los paquetes con los datos de medición

Para efectos de depuración los datos recibidos por el coordinador se transfirieron vía serial a una consola de visualización. En la figura se puede ver la secuencia transmitida que comienza con la identificación del nodo y está seguida por un reporte periódico de los datos de temperatura.

Fig. 89. Pruebas de comunicación y visualización de paquetes con la ayuda de una consola de visualización de los datos recibidos por conexión serial-usb. Inicialmente los paquetes transmitidos fueron tipo broadcast, pero luego se procedió a volverlos unicast. Los datos de temperatura están precedidos de la letra T en la figura se puede apreciar que el sensor no estaba conectado y los datos variaban de forma aleatoria. Posteriormente, luego de pasar por la realización de diferentes circuitos en protoboard y tarjetas de prototipo se llegó a una tarjeta como la mostrada en la figura

Fig. 90. Tarjeta mejorada para el nodo sensor de temperatura Inicialmente con esta tarjeta se alimentó con una pila recargable de 8.4 voltios y en una primera prueba se alcanzaron a enviar 323 mensajes con el valor de temperatura al coordinador (PAN coordinator), esto se hizo sin utilizar las funciones de consumo reducido de energía y, además, el microcontrolador PIC18F4620 tampoco es de bajo consumo. Luego de algunos ajustas, como poner en modo sleep el transceptor, se realizaron pruebas con el nodo de temperatura siendo portado a una distancia variable de 1.5 a 2.5 metros del nodo coordinador y se transmitieron unos 700 datos en un espacio de unas 4 horas, con un promedio de dos a tres mensajes por minuto. La herramienta de análisis de paquetes ZENA Para realizar pruebas y labores de depuración sobre el código también se utilizaron dos herramientas de software y hardware para el análisis de paquetes MiWi llamadas ZENA. El aplicativo para analizar los paquetes se puede obtener de manera gratuita desde el sitio web de Microchip. La tarjeta que intercepta los paquetes también es conocida como Sniffer.

Fig. 91. Tarjeta para el analisis de tráfico de paquetas (sniffer) y aplicativo de visualización ZENA de Microchip para trabajo con Zigbee y con el protocolo MiWi

Fig. 92. Opciones para la visualización de paquetes y de los nodos conectados bajo el aplicativo ZENA Zena posee una ventana de visualización llamada “Network Traffic Monitor” que permite analizar el detalle de los paquetes transaccionados por los nodos que hacen parte de la red. Los colores asignados a los componentes del paquete se asignan según el código que se muestra en la tabla. Tabla. XLI. Código de colores para el analizador de paquetes MiWi llamado ZENA

Campo Encabezado MAC Comandos MAC y Beacons Encabezado de Red Encabezado de Mensaje Datos del Mensaje Encabezado de Seguridad y Datos Encriptados

Color Blanco Rojo Lima Amarillo Aqua Blue

La figura muestra cuatro nodos utilizados para realizar una prueba de comunicación en red de tiempo extendido para la plataforma EnViBo. Los nodos involucrados son:    

Coordinador de red de área personal (PAN Coordinator) Nodo sensor de temperatura 1 Nodo sensor de temperaura 2 Nodo actígrafo

Para tomar la fotografía los nodos aparecen agrupados, pero durante las pruebas los nodos se encuentran a una distancia variable del nodo coordinador. En las primeras pruebas los nodos permanecen separados entre sí y del coordinador para verificar la comunicación de todos en red y para contrastar el efecto de la distancia y de los obstáculos en lo relacionado con la recepción de los paquetes.

Fig. 93. Disposición de los nodos de segunda generación para pruebas en red con la plataforma EnViBo Para ayudar con la visualización del comportamiento dinámico de la red se configuraron los leds de la tarjeta Explorer 16, sobre la que se implementó el nodo Coordinador, para mostrar la actividad de los nodos así como el despliegue de los payloads recibidos como el conteo total de mensajes transaccionados.

Fig. 94. Indicaciones de la tarjeta del nodo Coordinador para visualizar la dinamica de la interaccion de los nodos y de las transacciones realizadas

La figura muestra los mensajes desplegados por el coordinador de red a medida que los nodos se van conectando, es así como para esta prueba se conectó el nodo 3 actígrafo (N3A), el nodo 2 de temperatura (N2T) y el segundo nodo de temperatura con dirección de red 7 (N7t).

Fig. 95. Secuencia de visualizacion en el nodo coordinador de los paquetes de identificación de los nodos sensores de temperatura (nodos 2 y 7) y del nodo actígrafo (nodo3) La figura muestra un segmento de la trama de paquetes mediante un lapso de tiempo de la conexión en red de los cuatro nodos mostrados anteriormente. Se resaltan los campos más significativos de las secuencias mostradas por el software ZENA y su interpretación.

Fig. 96. Secuencia de transacciones de paquetes en red para una prueba realizada con cuatro nodos

Con este tipo de pruebas también se pudo determinar el comportamiento de las baterías para funcionamiento continuo. Uno de los cambios más significativos a lo largo del prototipado de los diferentes nodos está relacionado con la etapa de alimentación y el tamaño de las tarjetas de circuito impreso. Estos cambios, aparte de mejorar la portabilidad de los nodos, mejoraron las posibilidades en la autonomía de los nodos en cuanto a rediseño de la fuente de energía y utilización de microcontroladores de consumo reducido como el pic18LF4620 y del pic18k4620 en lugar del pic18F4620.

Fig. 97. Detalles de nodo de temperatura con diseño optimizado y del nodo actígrafo Aparte de poner los transceptores MRF24J40 en modo sleep durante sus tiempos de inactividad se encontró que era necesario poner el microcontrolador en este modo para variar significativamente el consumo de los nodos sensores. Es así como se optó por implementar el ingreso al modo sleep con despertar periódico activado por un desbordamiento del perro guardián de acuerdo al tiempo determinado por la programación de su post-scaler. Igualmente se decidió poner todos los pines en bajo de los pines del microcontrolador en estado bajo durante los periodos de sueño (sleep).

Fig. 98. Incorporación del modo sleep dentro del codigo de programa de los nodos sensores para optimizar el consumo de energía durante periodos de inactividad de red La gráfica muestran el antes y el después del nodo sensor actígrafo en cuanto a consumo de corriente sin haber entrado al modo sleep (izquierda) y después de haberlo hecho (derecha). En este caso se evidencia una disminución de unos 20 miliAmperios en el consumo de corriente. Luego de analizar el consumo de las diferentes partes de la tarjeta; microcontrolador, transceptor y sensor de manera independiente, se determinó que el sensor y el transceptor consumen una cantidad significativa de miliamperios aun estando el microcontrolador en modo sleep. Esta situación se presenta porque estos dos dispositivos, el transceptor y la unidad de medición inercial están conectados directamente a la alimentación y, no obstante, poner todos los pines del microcontrolador en bajo, ellos consumen energía. Esta situación puede resolverse para futuros diseños de nodos en los que se implemente electrónicamente la manera de suspender la alimentación de estos dispositivos cuando el microcontrolador ingrese en el modo reducido de energía.

Fig. 99. Medicion de corriente durante transmisión de paquetes (derecha) y periodos en modo sleep (izquierda) para el nodo actígrafo La figura muestra el mismo ejercicio de medición de consumo de corriente para uno de los nodos de temperatura. Se evidencia que la disminución en el consumo es mucho más pronunciada y que se reduce en unos 37 miliAmperios cuando el microcontrolador del nodo sensor de temperatura ingresa en modo sleep.

Fig. 100. Medicion de corriente durante transmisión de paquetes (derecha) y periodos en modo sleep (izquierda) para el nodo sensor de temperatura

Para verificar los cambios debidos a la incorporación de la activación del modo sleep en los nodos sensores se hicieron nuevas pruebas para determinar la cantidad de paquetes enviados durante sesiones de funcionamiento continuo durante horas. Para determinar la cantidad de paquetes exitosamente recibidos por el nodo coordinador se realizó una función llamada “PAQUETESCount” que se agregó al archivo HardwareProfile.c, el fragmento de código correspondiente a esta función se muestra en la figura. Esta función está concebida para que luego de que se muestre el string concatenado correspondiente al marcador de paquete y al dato de medición, se despliegue un mensaje actualizado con el total de paquetes recibidos de cada nodo.

Fig. 101. Funcion incorporada en el código de programa para el conteo de paquetes recibidos exitosamente por el coordinador según el nodo sensor que los transmite

Luego de los ajustes realizados sobre la programación de los nodos para reducir el consumo de energía de estos y del ajuste realizado sobre el coordinador para también mostrar el conteo de paquetes recibidos por cada nodo, se realizó una nueva prueba de funcionamiento continuo para uno de los nodos de temperatura. En la figura se muestra el despliegue del número de paquetes recibidos. Con los ajustes realizados se alcanzó la transmisión exitosa de un número de paquetes superior a 1000 durante un periodo continuo de más de 8 horas para el nodo operando en solitario.

Fig. 102. Visualización del conteo de paquetes recibidos exitosamente desde el nodo T gracias a la incorporacion en el programa del Coordinador de la función PAQUETESCount Durante las pruebas nos hemos apoyado en los recursos de visualización que ofrece la interfaz desarrollada en Labview para la plataforma EnViBo, en la figura se puede apreciar la visualización del valor actual de temperatura para un momento dado dentro de una prueba.

Fig. 103. Visualización, a través de un indicador en la interfaz grafica de la plataforma EnViBo, del valor de temperatura indicado por el último paquete recibido desde el nodo T

En otra pestaña se puede observar el gráfico de tendencia para la variable y también un segmento del archivo de registro y etiquetado de los datos (datalogging).

Fig. 104. Visualización de graficos de tendencia para la variable temperatura y registro-etiquetado de los paquetes recibidos exitosamente desde el nodo T

En otras pruebas realizadas incluyendo nuevamente los cuatro nodos disponibles; los dos nodos de medición de temperatura corporal, el nodo actígrafo y el nodo coordinador se hizo la contabilización de paquetes exitosamente recibidos utilizando la función PAQUETESCount. La figura muestra el conteo de paquetes recibidos desde uno de los nodos de temperatura y desde el nodo actígrafo para el comienzo de una de las pruebas.

Fig. 105. Visualización del conteo de paquetes recibidos exitosamente desde el nodo de temperatura (T) y desde el nodo actígrafo (A)

También durante estas pruebas nos hemos apoyado en la interfaz de visualización EnViBo, en la figura se observan las tres mediciones simultaneas correspondientes a los tres nodos activos y otros iconos que corresponden a indicadores para otros sensores que pueden agregarse en el futuro.

Fig. 106. Pantalla para la visualización de las mediciones activas durante la operación de la plataforma EnViBo Para estas pruebas también se aprovecha la opción de registro de datos en archivos txt, estos datos, como se ha mencionado antes, también se etiquetan con la información de fecha y hora

Fig. 107. Registro y etiquetado con información de fecha y hora para datos recogidos de los nodos durante pruebas de operación de la plataforma EnViBo Aparte de los nodos ya mencionados, se cuenta con otras tarjetas que hacen las veces de nodos genéricos para la realización de pruebas y de otras tarjetas de monitorización de variables como ritmo cardíaco y frecuencia respiratoria que están en desarrollo. En la imagen se muestra la

disposición simbólica de la conexión en red para los nodos de temperatura, el nodo actígrafo y un nodo adicional genérico, el nodo X con dirección de red 4.

Fig. 108. Esquema de despliegue de los elementos de red, asignación de roles y direcciones para una prueba con cinco nodos con la plataforma En las pruebas desarrolladas durante periodos continuos de monitorización se pudo comprobar la transmisión exitosa de más de 2000 paquetes en total, por un periodo continuo de unas 10 horas, superando la cifra de más de 500 paquetes para todos los nodos conectados. Es necesario tener en cuenta que el nodo actígrafo envía secuencias de tres paquetes por cada transmisión y que debido a la competencia por el canal de todos los nodos no es igual la cantidad de paquetes que logran ser transmitidos por cada unidad de red. Se pudo evidenciar la pérdida de paquetes que puede estar alrededor de un 5% sobre el total de paquetes transmitidos para pruebas con el mayor número de nodos y distancia variable desde el sitio de ubicación de la persona hasta el nodo coordinador. Es importante tener en cuenta que todas las pruebas hasta ahora han sido realizadas en interiores en ambientes domiciliarios. Luego de varias pruebas se ajustó la función PAQUETESCount y la función LCD para mostrar el total de los mensajes y el conteo de los paquetes recibidos por todos los nodos en dos visualizaciones consecutivas en el display que se ejecutan luego de capa recepción exitosa.

Fig, 109. Mejoras sobre la función PAQUETESCount para visualizar el detalle de la cantidad de paquetes recibidos durante la operación de la plataforma EnViBo

Fig. 110. Cantidad de paquetes recibidos desde el nodo de temperatura y total de paquetes (izquierda), cantidad de paquetes recibidos exitosamente desde los nodos T y A

Nodos en desarrollo Durante la fase de pruebas y depuración del software de la plataforma EnViBo y del firmware de los nodos sensores, se está trabajando en la actualidad en la incorporación de dos nuevos sensores; uno basado en una solución OEM para monitorización de ritmo cardíaco y uno basado en un sensor de deflexión para la monitorización de frecuencia respiratoria. En la figura se muestra el detalle de estos sensores y de los medios de sujeción y conexión a la tarjeta electrónica.

Fig. 111. Detalle de los sensores y medios de sujeción para los nodos de sensado de ritmo cardiaco y frecuencia respiratoria El primero de los nodos sensores en desarrollo es el de monitorización ambulatoria de ritmo cardíaco, como se ha mencionado antes este nodo se basa en una solución OEM llamada Pulse Sensor Amped [124].

Fig. 112. Detalle del acople del sensor de ritmo cardiaco a una tarjeta generica desarrollada bajo la metodología planteada para los nodos de la plataforma EnviBo Este sensor ofrece un aplicativo de visualización que se ejecuta para tarjetas de prototipaje rápido de Arduino bajo el IDE llamado Processing. La figura muestra el detalle de ambos.

Fig. 113. Herramienta de visualización del ritmo cardiaco que se ejecuta para Processing y Arduino El sensor OEM funciona para tarjetas que se basan en microcontroladores ATMEL por lo que no es posible la implementación del protocolo MiWi sobre ellas. Es por esta razón que el sensor se está migrando para ser integrado a tarjetas que utilicen microcontroladores de 8 bits como el pic18F4620 o sus versiones de bajo y extrabajo consumo. El nodo se ha integrado a las comunicaciones de red utilizando la metodología de la plataforma, para pruebas preliminares se le ha asignado la dirección de red 4.

Fig. 114. Pruebas de comunicación realizadas con el nodo sensor de pulso: recepción de datos (izquierda), paquete de identificación (derecha)

En pruebas realizadas se han logrado registrar en archivos txt los datos entregados por el sensor OEM y se ha reconstruido la señal a partir de esos datos.

250

200

150

100

50

0 1110

1120

1130

1140

1150

Fig. 115. Pruebas de registro y visualización de los datos entregados por el sensor OEM: Pulse Sensor Amped durante el proceso de migración a la plataforma EnViBo El otro nodo sensor sobre el que se está trabajando corresponde a la monitorización de la frecuencia respiratoria a partir de la señal captada por un sensor de deflexión ceñido al torso de la persona mediante una banda elástica ajustable [124][125]. Para este sensor hay que realizar un proceso de caracterización y de pruebas a profundidad sobre el proceso de acondicionamiento de señal que debe llevarse a cabo. Se observa en la figura la manera como el nodo puede integrarse a las tarjetas genéricas realizadas para la plataforma de monitorización EnViBo.

Fig. 116. Acople de sensor, medio de sujeción y tarjeta genérica para un nodo sensor de frecuencia respiratoria dentro de la plataforma EnViBo

1160

Otros nodos que han sido desarrollados al interior del grupo GIBIC que han utilizado la metodología de la plataforma EnViBo para implementar sus comunicaciones son los del proyecto de monitorización inalámbrica de variables fisiológicas para neonatos dentro del programa madre canguro. Este es un proyecto que se ha apoyado desde el grupo GIBIC para la Universidad Pontificia Bolivariana. Para la comunicación se utilizan dos tarjetas similares que fueron diseñadas e implementadas por el estudiante del grupo GIBIC Andrés Cortés quien participa en el proyecto como parte de su trabajo de grado para optar al título de ingeniero.

Fig. 117. Tarjeta desarrollada por un estudiante del grupo GIBIC para un proyecto de monitorización de variables biomédicas de neonatos utilizando el protocolo MiWi bajo la metodología de la plataforma EnViBo En la figura podemos apreciar las pantallas de una consola de visualización serial, llamada CoolTerm, con las que se realizaron pruebas para garantizar la comunicación entre los nodos bajo el protocolo MiWi. Cabe anotar que para este proyecto solo se requieren dos nodos y por lo tanto no es necesario asignar direcciones de red diferentes a la 1 y 2.

Fig. 118. Secuencia de comunicación durante pruebas de comunicación realizadas con las dos tarjetas del proyecto de monitorización de neonatos

La secuencia de funcionamiento de los nodos dentro de las pruebas realizadas es la siguiente    

El Nodo1 funciona de coordinador receptor. En el nodo 2 se recibe toda la información por conexión serial y se guarda en la memoria EEPROM. Al presionar Enter se agrega la fecha y la hora. Al presionar un switch se envía un paquete unicast hacia el coordinador, esto se hace hasta que se transmitan los datos escritos. Al continuar escribiendo se siguen guardando datos en la memoria. Al presionar Enter nuevamente se le agrega la fecha y la hora. Una vez se presiona nuevamente el switch se envían estos nuevos datos en paquetes unicast hasta finalizar.

Simulación Al comienzo del proyecto se procedió a simular el comportamiento de redes inalámbricas de área personal que se comunicaran bajo el protocolo IEEE 802.15.4, para esto se utilizó el software OMNET [126], un paquete para modelado de redes de comunicación, que provee tal vez una de las librerías más completas en cuanto a protocolos para simular redes inalámbricas. En la figura se muestra el esquema general del entorno de simulación OMNET. Uno de los contras de esta aplicación es la complejidad para su uso, que va desde su instalación para ejecución bajo Windows hasta la configuración de la simulación y de los nodos.

Fig. 119. Pantalla del entorno de simulacion OMNET para la simulacion de redes inalambricas de sensores

Al tratarse de un esfuerzo colaborativo, OMNET, tiene la característica de tener sus ambientes de simulación, como por ejemplo Castalia, dispersos en repositorios institucionales o de comunidades open software. En la figura se muestran las estadísticas de transacciones de paquetes para algunos nodos simulados

Fig. 120. Utilidad de OMNET para visualizar las transacciones de red durante la simulación de una red inalámbrica de sensores comunicandose bajo el estandar IEEE802.15.4 Con OMNET también se pueden configurar los modelos de baterías de los nodos para simular pruebas de desempeño de los nodos para funcionamiento continuo por largos periodos de tiempo.

Fig. 121. Pantalla para la visualización del comportamiento de la batería para un nodo durante una simulacion Otros recursos de simulación Con el software de simulación llamado Proteus se probó la función de registro de datos (datalogging) en medios extraíbles tipo Secure Digital (SD) para los microcontroladores pic18F4620.

Fig. 122. Simulación de un microcontrolador PIC18F4620 haciendo registro de datos en una memoria tipo SD

Se muestra un archivo de prueba creado en una imagen virtual de medio extraíble de almacenamiento.

Fig. 123. Resultado de registro de datos de medicion en imagen de memoria durante simulacion La fotografía de la figura muestra el montaje físico para realizar pruebas de datalogging con uno de los microcontroladores utilizado en los nodos sensores. En cuanto a la posibilidad de hacer registro en medios extraíbles debe hacerse un análisis para determinar cuándo esta solución es más viable en relación al costo en consumo de energía para el nodo, es decir si hay más consumo que cuando se transmiten los datos periódicamente o si es más conveniente realizar agregación de datos o solo registros basadas en eventos.

Fig. 124. Montaje para la validación de los resultados de registro de datos obtenidos durante simulacion

Pruebas con baterías Durante el proceso de desarrollo de los diferentes prototoipos de nodos sensores se ha experimentado con diferentes tipos de baterías. La mayoría de las pruebas se han realizado con baterías recargables de Ni-MH a 1.2V para los nodos de temperatura y de 8.4V, también de Ni-MH para el nodo actígrafo. En la tabla se muestra un resumen de los aspectos más importantes relacionados con las baterías y su desempeño en pruebas de funcionamiento continuo durante periodos de tiempo de más de una hora. Tabla. XLII. Valoración de desempeño y carácterísticas principales de las baterías utilizadas durante las pruebas de trabajo en red para los nodos sensores. Tipo de Batería Alcalina AAA Ni-MH AAA Ni-MH PP3 Litio (Moneda) Alcalina 23AE Ni-CD AA Alcalina AA

Voltaje NominalCorriente 1.5V

Recargable

Valoración

No

1.2V

Si

Desempeño adecuado Desempeño satisfactorio

900mAh y 700mAh 8.4V

Si

Desempeño satisfactorio

220mAh y 170mAh 3V

No

12V

No

Desempeño no satisfactorio Desempeño aceptable

1.2V

Si

1.5

No

Desempeño Satisfactorio Desempeño adecuado

La valoración realizada se basa en aspectos como el costo, la autonomia de funcionamiento durante las pruebas y los aspectos ligados a la integración de la batería a la etapa de alimentación del nodo sensor como por ejemplo, los requerimientos en cuanto a reguladores de voltaje, conversores dc-dc y su eficiencia energética.

Fig. 125. Tipos de baterías utilizados durante las fases de desarrollo y pruebas de los nodos sensores de la plataforma EnViBo. (Valoración: +++ Satisfactorio , ++ Adecuado, + Aceptable, -No satisfactorio) También se han realizado pruebas para determinar la cantidad máxima de paquetes que se pueden enviar exitosamente con baterías no recargables. La figura muestra como se registra el conteo durante una de las pruebas.

Fig. 126. Conteo de paquetes transaccionados durante una prueba con baterías no recargables para los nodos de temperatura Energy Harvesting Una de las opciones consideradas para la incorporacion de capacidades de captación de energía (energy harvesting-scavenging) en los nodos sensores es el uso de celdas fotovoltaicas como la que se muestra en la figura. Una de las opciones más básica es conectar en paralelo la celda fotovoltaica con las baterías, otra opción un poco más elaborada consiste en agregar un circuito integrado que regule la carga de baterías del tipo Litio-Polímero a partir de la energía captada durante los periodos de funcionamiento del nodo sensor.

Fig. 127. Celda fotovoltaica para la incorporacion de capacidades de captación de energía en los nodos sensores La opción de incorporar funcionalidades de recolección de energía mediante celdas fotovoltaicas, medios de generación a partir de vibración, de presión u otros está dentro las tareas ligadas al trabajo futuro dentro del proyecto de la plataforma EnViBo

Conclusiones y Observaciones Con a relación a las fases de diseño y prueba se pueden anotar lo siguiente: 

La mayoría de pruebas de funcionamiento continuo para verificar la funcionalidad de las comunicaciones en red, asi como para evaluar el desempeño de los nodos en aspectos como autonomía de funcionamiento y porcentaje de éxito en la transmisión de paquetes, se han realizado con baterías recargables. Estas baterías se consideran la opción más recomendable para la operación de los nodos durante los periodos de monitorización si se considera que la Plataforma y sus elementos de red resulten viables desde el punto de vista económico.













  

Si bien se considera lo más conveniente utilizar baterías recargables, todos los nodos tienen la posibilidad de operar con baterías no recargables de 1.5V de tipo AA y AAA, de fácil consecución en cualquier tienda o supermercado, para esto solo es necesario cambiar el conector de alimentación y el holder de la batería que alimentará el nodo sensor. Las baterías de litio, de tipo moneda, no presentaron un desempeño satisfactorio puesto que su voltaje caía luego de unos cuantos paquetes transmitidos por el nodo y por lo tanto desaparecía la conexiónn del nodo sensor con la red. Esta situación se observó tanto para operación por conexión directa de la batería al circuito del nodo como mediante conexión con un conversor dc-dc tipo step-up. En general con pruebas de funcionamiento extendido se lograron periodos de operación entre 3 y 10 horas continuas hasta que las baterías se agotaran. En muchos casos algunas baterías se agotaban primero que otras pero este periodo de tiempo ha sido el más característico. La cantidad de paquetes trasmitidos en un periodo de 1 a 10 horas oscila entre 100 y 5000. Luego de la adopción de la función de sleep en los nodos sensores, se ha notado que el periodo de duración de las baterías para funcionamiento continuo puede extenderse de un 30 a 50% más que en las pruebas en donde la función de sleep no estaba activada para los nodos sensores. Con la ajustes de programación realizados en los nodos sensores para optimizar su consumo de energía, es altamente probable que bajo condiciones de carga óptima de las baterías, o utilizando baterías no recargables nuevas, se alcance operación continua por más de 24 horas. Durante las pruebas con los nodos siendo portados durante las actividades normales se nota un incremento de hasta un 10% en el porcentaje de pérdida de paquetes transmitidos, estas pérdidas estan asociados a movimientos de la persona, obstaculos en el enlace nodos-coordinador, presencia de pantallas de computador e interferencia de fuentes electromagnaticas cercanas. En pruebas durante las cuales la persona está en reposo el porcentaje de pérdida de paquetes disminuye por debajo del 5%. Cuando todos los nodos se incorporan al mismo tiempo en la red el tiempo en que se logran sincronizar es menor que cuando los nodos se incorporan asincronicamente a la red de monitorización. En general se ha dado transmisiones exitosas, para interiores de espacios domésticos para distancias en el rango de 1 a 10 metros. Es evidente la influencia de obstaculos como muros y puertas en las conexiones. Para espacios exteriores no se han realizado pruebas pero se prevee que el rango de alcance de las transmisiones debe incrementarse considerablemente.

Referencias [1]

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[3]

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