Clase de telecomunicaciones

En esta ocasión les presentamos una pequeña reseña del siguiente paper:

Wireless sensor networks for personal health monitoring: Issues and

an implementation

Introducción:

 

Hoy en día los sistemas de salud se encuentran estructurados y optimizados de tal manera que se pueda dar atención rápida y oportuna, pero esto podría terminar rápidamente ya que la población actual en el mundo va en rápido crecimiento además de nuevos padecimientos en donde las personas tendrán que enfrentarse, además de cuidar las personas de manera adecuada y óptima en especial con enfermedades de pro vida.

En la actualidad existen sistemas de vigilancia de la salud  permitiendo que una persona pueda seguir cerca los cambios en sus signos vitales y proporcionar información para mantener un estado de salud óptimo.Además de que estos sistemas pueden alertar a las unidades medicas en caso de necesitarlas el paciente.

Pero con los grandes avances tecnológicos en áreas como miniaturizacion en sensores físicos, microcontroladores embebidos, chips, redes inalámbricas y entre otras mas. Todas estas nueva generación de tecnología a permitido redes inalámbricas de sensores adecuados para diferentes aplicaciones.

En el área de medicina mas exactamente existen sensores de posición para integrarse aun wireless body o red de área personal Wearable (WWBAN).

Estas redes WWBAN son de bajo costo , sensores ligeros que no molestan al paciente, miniatura y resistentes que permiten una vigilancia discreta a largo plazo, instantánea retroalimentación, y actualizaciones de los registros casi en tiempo real.

Tal sistema puede se utilizado para la supervición de diversas condiciones e incluso la detección temprana de condiciones medicas importantes.

Arquitectura del WWBAN

• Tier 1: Se incluyen un numero de nodos de sensores médicos inalámbricos integrados en una WWBAN. Cada uno de los nodos puede detectar, mostrar y procesar una o mas señales fisiológicas.
• Tier 2: abarca la aplicación del servicio personal PS, que se ejecuta en un asistente digital personal  PD haya sea un celular o o una computadora personal. EL PS es el responsable para un sin fin numero de tareas , que proporciona una interfaz a los sensores médicos , para el usuario y para el servicio medico. Esta interfaz también incluye la conflagración de la red y la gestión de la misma. La aplicación PS gestiona la red, el cuidado del canal, la sincronización, la recuperación de datos, y el procesamiento.
• Tier 3: Incluye un servidor medico que se accede a través de Internet, cuidados formales del mismo, Este servidor se ajusta o sincroniza al PS de los diferentes usuarios, recoge la información e integra los datos al servido o servidores de las diferentes clínicas.

Requisitos para sensores médicos inalámbricos

• Portabilidad:  Para no presentar evación o molestia, estos sensores deben ser pequeños y ligeros. Pero el tamaño debe ser consistente con la proporción de la batería, solo se espera que la tecnología avance para mejorar este aspecto.
• Comunicación fiable: Es de suma importancia para aplicaciones medicas basadas en WWBAN. La necesidad de la comunicación de diferentes sensores varían de acuerdo a la necesidad. Además de lograr un equilibrio entre la energía, la comunicación, y el procesamiento.
• Seguridad: Otra cuestión importante del sistema es la seguridad. Esto existe en los tres diferentes niveles. En el primer nivel (Tier 1) debe cumplir con todos los estándares de privacidad dispuesta por la ley, y deben tener seguros la integridad de los datos. Aunque los sensores tiene grandes problemas en tener seguros los datos por el tamaño de los mismos y la capacidad.
• Operabilidad interna: Los sensores médicos inalámbricos debe permitir a los usuarios fácilmente montar un WWBAN en función del estado de salud de la persona.

Prototipo WWBAN

Hardware: El nodo sensor Actis cuenta con una organización jerárquica  empleada para ofrecer un amplio conjunto de funciones, se beneficia desde el apoyo de software libre, y realizar tareas de procesamiento y comunicaciones con un gasto mínimo de energía.  

Las tarjetas hijas directas hacen muestreos de datos y en algunos casos preprosesamiento de señales. La plataforma Telos puede apoyar el análisis mas sofisticados en tiempo real y puede realizar filtrado adicional, la extracción,  y el reconocimiento de patrones.

Organización del software

El software que se utiliza es el TinyOs. El código TinyOs es de código abierto, ligero para el sistema operativo de los sensores inalámbricos integrados. Esta diseñado para utilizar un mínimo de recursos.

Cordinador de la red: EL cordinador de la red se implementa en Telos. Se alimenta de la aplicación PS a través de un usb y gestiona la transmición de los mensajes del PS que establece una sección por cada uno de los individuos, distribuye las claves de manera cifrados y asigna ranuras de comunicación.

Protocolos de sincronización

Uno de los principales protocolos de sincronización de tiempo en redes inalámbricas de sensores es el Protocolo de inundación de sincronización de tiempo (FTSP), desarrollado en la Universidad de Vanderbilt. Cuenta con la capa MAC sellado de tiempo para una mayor precisión y compensación de retardo con la regresión lineal para dar cuenta de la sincronización del reloj. La FTSP genera la sincronización de tiempo con mensajes de sincronización de tiempo periódicos. La red puede elegir dinámicamente un nodo raíz. Cada vez que un nodo recibe un mensaje de sincronización de tiempo, se retransmite el mensaje, inundando la red con mensajes de sincronización de tiempo. El mensaje en sí mismo contiene una marca de tiempo muy precisa de cuando el mensaje ha sido enviado. El nodo receptor tiene una marca de tiempo adicional local cuando reciba el mensaje.

En este paper se modifica la FTSP original para ajustes WWBAN. Esta modificación explota la ZigBee de la red de topología en estrella para minimizar aún más los recursos necesarios para la sincronización de tiempo. El prototipo cuenta con una jerarquía maestro-esclavo donde el coordinador de la red envía periódicamente un mensaje de faro para los nodos esclavos para mantener el enlace de comunicación sincronizado; un nodo esclavo recibe la baliza sin volver a la transmisión. Esta sincronización de tiempo de alta precisión permite que un nodo esclavo para desactivar su radio y un modo de espera de bajo consumo, el despertar justo antes del siguiente mensaje es debido. Además, permite una implementación original donde una raíz puede ser elegido de forma dinámica y la red inundado por los mensajes de sincronización en el caso de que el coordinador de la red falla o se apaga.

Para la sincronización de tiempo, debe haber un punto fijo en el tiempo desde que tanto el emisor y el receptor pueden hacer referencia a la marca de tiempo en un mensaje dado. Para un mensaje ZigBee, este punto está en el extremo del inicio del delimitador de trama (SFD). la siguiente figura muestra la interfaz entre el transceptor CC2420 de Chipcon radio y el microcontrolador en la parte superior, y el formato de trama física 802.15.4 IEEE y la actividad pin correspondiente en la parte inferior.

Esta es una implementación específica de la plataforma del mecanismo de FTSP original, y da lugar a marcas de tiempo muy exactos de profundidad en la pila de radio. Además, el CC2420 proporciona flexibles recibir y transmitir búferes FIFO y se comunica con el procesador principal mediante una interfaz periférica síncrona (SPI). Generalmente, cuando se transmite un mensaje, el procesador cargue el FIFO de transmisión con todo el mensaje y luego permite la transmisión. Sin embargo, los mensajes FTSP contienen una marca de tiempo que se genera después de que el mensaje ha comenzado la transmisión. Cuando se produce la interrupción SFD, el valor del temporizador capturado se recupera y se convierte en una indicación de la hora mundial. La marca de tiempo se inserta en el mensaje y el resto del mensaje se coloca en la FIFO. Suponiendo que todo esto se puede hacer con la suficiente rapidez, se transmite el mensaje correctamente. Sin embargo, si el proceso es demasiado lento, el FIFO será el empotramiento y la transmisión del mensaje fallará.

El soporte de software para la sincronización de tiempo se implementa como una interfaz NesC que proporciona acceso a las aplicaciones de la información de sincronización de tiempo.

Para las pruebas de protocolo de sincronización de tiempo, se ha desarrollado un banco de pruebas donde el coordinador de la red y los sensores esclavos WWBAN están conectados a una señal de cable común conectado a un puerto de E / S digital de MSP430 con capacidad de captura de temporizador.

Sorprendentemente, se ha descubierto que aumenta el tiempo entre los mensajes, mejora la sincronización de tiempo, porque los nodos están en mejores condiciones para estimar el sesgo del reloj. Sin embargo, el costo de los períodos entre baliza más grandes es un aumento en el tiempo de conversión algoritmo. En consecuencia, se implementó un esquema híbrido donde se envían más a menudo mensajes. Durante la convergencia, los nodos procesarán cada baliza. Después se consigue una convergencia gruesa, nodos comenzarán a procesar cada N-ésimo faro, lo que permite una estimación más precisa.

Eficiencia energética

El consumo de energía es una primera clase de restricción de diseño de redes de sensores inalámbricos, ya que funcionan con baterías. Para extender la vida de cada nodo, es necesario reducir la disipación de energía tanto como sea posible; disipación por debajo de 100 LW, se permitirá el funcionamiento de la energía recogida desde el medio ambiente. Varios diseños trade-offs entre la comunicación y la computación en el sensor, protocolos de colaboración, y la organización jerárquica de la red puede producir un ahorro de energía significativa. Una vez que la red de sensores se despliega, las técnicas de administración de energía dinámica se pueden emplear con el fin de maximizar la vida de la batería.

En los sistemas de WWBAN, reducir el consumo total de energía es crucial, por varias razones. La capacidad de una batería es directamente proporcional a su tamaño. Por consiguiente, los nodos de sensores WWBAN tienen que ser extremadamente eficiente de la energía, ya que la reducción de los requerimientos de energía permitirá a los diseñadores utilizar baterías más pequeñas. Baterías más pequeñas tendrán como resultado mayor miniaturización de los sensores fisiológicos y, a su vez, un mayor nivel de confort del usuario. En segundo lugar, es deseable un período prolongado de operación sin cambios de la batería, debido a los cambios de batería frecuentes en múltiples sensores son propensos a obstaculizar la aceptación de los usuarios. Además, la vida útil de la batería disminuirá los costos operativos WWBAN.

Se a diseñado un protocolo personalizado, específico de la aplicación de acuerdo con las recomendaciones 802.15.4. Con el fin de satisfacer los requisitos de aplicaciones médicas, el protocolo de red especifica un ciclo de supertrama 1-s (TSFC = 1 s) y cada nodo esclavo tiene su ranura de tiempo reservada de 50 ms para transmitir los datos que se encuentran en la siguiente imagen.

Un ciclo de súper trama comienza con un mensaje de la baliza enviado por el coordinador de la red, el mensaje de la baliza lleva la información de sincronización de tiempo. Cada nodo sensor despierta su interfaz de radio en un modo de recepción inmediatamente antes de la siguiente baliza se esperaba la siguiente figura muestra los perfiles de potencia registrados por un sensor de movimiento utilizando un entorno para la supervisión de la alimentación en tiempo real.

Se puede identificar tres estados distintos: Escucha, transmisión y modos inactivos.

Conclusiones

En este trabajo se muestra el uso de WWBANS como una infraestructura clave que permite el monitoreo de la salud discreto, continuo ambulatorio. Esta nueva tecnología tiene el potencial de ofrecer una amplia gama de beneficios a los pacientes, el personal médico y la sociedad a través de la monitorización continua en el ámbito ambulatorio, la detección temprana de condiciones anormales, rehabilitación supervisada, y el potencial de descubrimiento de conocimiento a través de la minería de datos de toda la información recopilada. Se a descrito una arquitectura general WWBAN, las cuestiones de aplicación importantes, y un prototipo WWBAN basado en plataformas de sensores inalámbricos off-the-shelf y sensores de ECG y el movimiento de diseño personalizado. Se a abordado varias cuestiones técnicas clave como nodo sensor de la arquitectura de hardware, arquitectura de software, sincronización de hora de red, y la conservación de la energía. Se requieren esfuerzos adicionales para mejorar la calidad de servicio de la comunicación inalámbrica, la fiabilidad de los nodos sensores, seguridad y normalización de las interfaces y la interoperabilidad. Además, otros estudios de diferentes condiciones médicas en contextos clínicos y ambulatorios son necesarios para determinar las limitaciones específicas

y las posibles nuevas aplicaciones de esta tecnología.

 Bibliográfica:

Wireless sensor networks for personal health monitoring: Issues and
an implementation |Aleksandar Milenkovic, Chris Otto, Emil Jovanov | 6 de marzo de 2006 | http://202.114.89.42/resource/pdf/2897.pdf