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 ____________________________________ 17

Dexternet _________________________________________________________________________ 17

Mercury ___________________________________________________________________________ 18

AlarmNet __________________________________________________________________________ 19

Shimmer __________________________________________________________________________ 20

CodeBlue __________________________________________________________________________ 21

Teco Particle _______________________________________________________________________ 22

BTnode ___________________________________________________________________________ 26

MyriaNed __________________________________________________________________________ 28

EMUTEM __________________________________________________________________________ 29

SMGI _____________________________________________________________________________ 30

INTENSA ___________________________________________________________________________ 31

Características generales de las plataformas consultadas ___________________________________ 32

Colombia __________________________________________________________________________ 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: __________________________________________________________ 115

Diseño: ___________________________________________________________________________ 119

Montaje de los componentes sobre las tarjetas __________________________________________ 125

Pruebas y depuración sobre elementos de hardware ______________________________________ 129

Pruebas y depuración sobre elementos de firmware: _____________________________________ 130

Pruebas de comunicación en red ______________________________________________________ 133

Simulación ________________________________________________________________________ 152

Pruebas con baterías _______________________________________________________________ 157

Conclusiones y Observaciones ________________________________________________________ 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 Inicio de los tiempos - presente

Sentidos humanos “Hipócrates”-presente

Sentidos humanos aumentados Siglo XIX-presente

Sentidos humanos remplazados Mediados del siglo XIX-presente

Sensores remotos Finales del siglo XX-presente

Sensores vestibles 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 Escala de tiempo aproximada

Telegrafía y telefonía 1840 - 1920

Radio A partir de 1920 (Fue la tecnología más importante hasta 1950)

Tecnologías televisión/espacial A partir de 1950 (Fue la tecnología más importante hasta 1980)

Tecnologías digitales A partir de 1990

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

Teleconsulta y telediagnóstico (Radiología, Patología, Dermatología, Psiquiatría, Cardiología, Otorrinolaringología, entre otros) [6].

Teleradiología

Telecirugía

Telementoring

Teleoncología

Telespirometría

Videoconsulta

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]

Forma de energía Variables Ejemplos de bioseñales

Eléctrica Voltaje, corriente, resistencia, capacitancia, inductancia …

Electrocardiografía (ECG), Electroencefalografía (EEG), Electromiografía (EMG), Electrooculograma (EOG), Electronistagmografía (ENG)

Mecánica Desplazamiento, velocidad, aceleración, fuerza, presión, flujo…

Presión arterial, velocidad de onda de pulso

Térmica Temperatura, flujo térmico, conducción térmica

Temperatura interna, temperatura cutánea

Radiante Luz visible, infrarrojo, ondas de radio…

SpO2, fotopletismografía

Magnética Flujo magnético, intensidad de Magnetoencefalografía, flujo

campo

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

Glucosa, colesterol, creatina quinasa

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 Ritmo cardiaco, variabilidad de ritmo cardíaco (HRV)

EMG Actividad muscular y fatiga

Respuesta galvánica de la piel Conductancia de la piel

Temperatura Temperatura cutánea, estado de salud (fiebre)

Respiración Ritmo respiratorio, actividad física

Oxígeno en la sangre Estado del sistema cardiovascular, ritmo cardíaco

Presión arterial 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

Micrófono Reconocimiento de voz, localización a partir de sonidos ambientales, detección de actividad,

características de voz.

Sensor de luz visible Ubicación de fuentes de luz

Rotación Movimientos corporales

Brújula electrónica Orientación del cuerpo y de la cabeza

Presión atmosférica Movimiento vertical en ascensor o en escaleras

Sensor de luz Luz del sol, ubicación de luminarias

Temperatura ambiente Exteriores, interiores

Humedad Ubicación, condiciones ambientales

WLAN/GSM/CDMA Ubicación, entorno del usuario

Bluetooth, Zigbee 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 técnico-

conceptual 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

[34]

Tesis de Grado Aún No es integrable a

sistema multiparamétrico de

monitoreo fisiológico

(Culminado)

Ajustes de

Hardware y Software

al módulo de

comunicaciones

Medidor Portable de Presión

Arterial no Invasiva (PANI)

[35]

Tesis de Grado Conectividad ad-hoc con

dispositivo coordinador

Aún no es integrable a



(Culminado)

Ajustes de Software

al módulo de

comunicaciones

Medidor de Saturación de

Oxígeno (SpO2)

PIS

(Proyecto Integrativo de

Semestre)




(En desarrollo)

Módulo completo de

comunicaciones

(Hardware+Software)

Actígrafo PIS Aún no es integrable a



(En desarrollo)

Módulo completo de

comunicaciones

(Hardware+Software)

Monitor de Actividad

Cardíaca y Frecuencia

Respiratoria

PIS Aún no es integrable a



(En desarrollo)

Módulo completo de

comunicaciones

(Hardware+Software)

Force Plate

(Medidor de Presión plantar)

Adaptación e Innovación

Tecnológica

(Cofinanciado por la UdeA y

la empresa Ilimitada S.A)




Requiere a futuro

conectividad a sistema

multiparamétrico

(Culminado)

Módulo completo de

comunicaciones

(Hardware+Software)

Monitor multiparamétrico de

parámetros fisiológicos

[36]

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

Sistema portátil para la

medición del gasto

energético por método de

calorimetría indirecta

Tesis de Grado Debe ser integrable a un



(Culminado)

Módulo completo de

comunicaciones

(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

Instruments de bajo consumo, el MSP430, que también provee interfaces I2C, 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

acoplar si son digitales, posee interfaz I2C 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 Protocol-

Internet 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

País /Universidad o

Empresa

Campos de aplicación Protocolo (Estándar de

Comunicación) Mercury [43]

EEUU/Harvard Monitoreo de pacientes con desordenes neuromotores (Parkinson, epilepsia y apoplejía)

802.15.4

Alarm-Net [44]

EEUU/University of Virginia

Vida asistida y monitoreo residencial, ritmos de actividad circadiana.

802.15.4

HealthGear [54]

EEUU/Microsoft Oximetría y pulso, detección de eventos de apnea.

802.15.1

Waiter [55]

China/Hong Kong Polytechnic University

Monitorización de ritmo cardiaco, movimiento, temperatura de la piel y sistema de ayuda

para emergencias médicas

802.15.1

DexterNet [42]

EEUU-Italia-Finlandia/ University of California (Berkeley), Cornell University, WSN Lab sponsored by Pirelli and Telecom Italia, Tampere University of Technology, University of Texas

Medición de ECG, Movimiento, Velocidad, Desplazamiento, Gasto energético, Ubicación (vía GPS)

802.15.4

Eco: Ultra-Wearable and Expandable Wireless Sensor Platform [56]

Center for Embedded Computing Systems, University of California

Monitoreo de niños prematuros, Danza interactiva, ECG

ShockBurstTM

(2.4 GhZ) (Nordic’s proprietary

technology)

SENSATION [57] (Advanced Sensor Development for Attention, Stress, Vigilance & Sleep/Wakefulness Monitoring” (SENSATION)

Aristotle University of Thessaloniki-Greece Technische Universitat Berlin-Germany 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)

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

Health-data [58]

Dongseo University (Korea)

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


iCalm [59]

National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program and the MIT (Massachusetts Institute of Technology) Media Lab’s Things That Think Consortium

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

Wireless Biomedical System [60]

Department of Electrical & Computer Engineering, Sultan Qaboos University, Muscat, OMAN

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


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

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.


LiveNet [62]

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

Reconocimiento embebido de actividad. Monitorizacion de ejercicios fisicos, soporte de adultos mayores, asistencia de largo termino preventiva y para pacientes crónicos, asistencia cognitiva.

Bluetooth RF Communication (RFCOMM) protocol-Zigbee

MOPET [64]

Department of Mathematics and Computer Science, University of Udine, Italy

Sistema portátil y adaptivo al usuario, consciente del entorno para entrenamiento deportivo. Posición, ECG, Acelerómetro.

GPS-GSM

Opensensor [65]

Aalborg University. Dept. of Electronic Systems Aalborg – Denmark

Recuperación de información contextual Bluetooth RF Communication (RFCOMM) protocol

Scalable Wireless Body Area Nework [66]

Quality of Life Technology Laboratory, The University of Texas at Dallas. North Texas Healthcare System and University of Texas Southwestern Medical Center

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

Zigbee

Instrumented Wearable Belt [67]

Dep. Of Information Engineering, University of Brescia, , Italy

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

Shadow Monitor [68]

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

Monitor portátil de flexiones de los dedos desarrollado para evaluar la función manual en individuos con disfunción de las manos.

Zigbee (IEEE 802.15.4)

healthcare system based on intelligent wireless

College of Computer, Nanjing University of Posts and Telecommunications,

Monitorización de signos vitales Zigbee

sensor networks [69]

China

Wearable wireless heart rate monitor [70]

AGH University of Science and Technology, Poland

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

Bluetooth

Smart Shirt [71]

Division of Computer & Information Engineering, Dongseo University. Division of Electronics, Computer and Telecommunication Engineering, Pukyong National University, Daeyeon-Dong, South Korea

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

IEEE 802.15.4

Ambulatory Stress Monitoring [72]

Department of Computer Science and Engineering, Texas A&M University

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)

Smart Vest [73]

Department of Research & Development, Army Public College of Managements and Sciences Rawalpindi, Pakistan.

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

Bluetooth

CodeBlue [46]

Division of Engineering and Applied Sciences Harvard University

Plataforma combinada hardware-software para redes de sensores biomédicos

IEEE 802.15.4

Physical Activities Healthcare System (PATHS) [74]

Shenzhen University, The Chinese University of Hong Kong, China.

Monitorización de actividades físicas y electrocardiograma ambulatorio

Bluetooth

SHIMMER [45]

TRIL Centre (Intel, Trinity College Dublin, University College Dublin, and the National University of Ireland, Galway

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

Bluetooth- IEEE 802.15.4

TEMPO 3.1 [75]

Department of Electrical and Computer Engineering University of Virginia

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

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 Características del sistema embebido

Mercury Chipcon CC2420 radio TI MSP430 microcontroller Alarm-Net

Chipcon CC2420 radio transceiver Nodos sensores MICAz

HealthGear Promi-ESD-2 module (class 2 transmitter) Nonin’s Xpod Board

Waiter Bluetooth transceiver No especificadas

DexterNet cc2420 radio equipped motes TelosB mote, MSP430F1611 microcontroller

Eco: Ultra-Wearable and Expandable Wireless Sensor Platform

Radio nRF24E1 embedded 8051-compatible MCU

SENSATION No revelado Portable Data Processing Unit (BAN coordinator)

Health-data

2.4GHz CC2420 radio motas de tipo TelosB (TIP 710CM) Procesador MSP430F1611

iCalm Chipcon CC2420 radio module Atmel Atmega328 microcontroller

Wireless Biomedical System

XBee RF Module (maxstream) Microchip’s PIC18F4550 microcontroller

Wireless Intelligent Assistive Navigation Management System (WIANMS)

No revelado Microchip’s PIC Microcontroller.

Mobile Sensing Platform (MSP)

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 nRF905 radio interface 16 bit architecture dsPIC- 30f3013 processor produced by Microchip

Scalable Wireless Body Area Nework

Transceiver Zigbee Microcontrolador 8051-compatible de 8 bits

Instrumented Wearable Belt

Transceiver de 13.56MHz MC9S08GB microcontrolador de 8 bits

Shadow Monitor 2.4 GHz IEEE 802.15.4 Chipcon Wireless Transceiver

Texas Instruments MSP430 microcontroller

healthcare system based on intelligent

CC2420 8 bit ATmega128L MCU (healthcare node)

wireless sensor networks

Wearable wireless heart rate monitor

Bluetooth class 2 ARM7 family processor (Atmel AT91SAM7X256)

Smart Shirt CC2420 wireless transceiver MSP430F1611

Ambulatory Stress Monitoring

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

MSP430 microcontroller

Smart Vest Transmisor Bluetooth AT89C2051 ( 20/8051 family)

CodeBlue ChipCon CC2420 radio TI MSP430

Physical Activities Healthcare System (PATHS)

Transmisor Bluetooth No revelado

SHIMMER Roving Networks Bluetooth Module-CC2420 Radio Transceiver

MSP430 MCU

TEMPO 3.1 RN-41 embedded Bluetooth module from Roving Networks

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

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

Características ligadas a la energía

Interoperabilidad con otras redes

Mercury MicroSD flash 250 mAh Li-polymer rechargeable battery.

N/A

Alarm-Net

Base diaria 3V pair of AA batteries N/A

HealthGear

Continua por 12 horas 3V pair of AAA rechargeable batteries

Celular-GPRS

Waiter

Reportes periódicos Baterías (no se especifican detalles)

Celular

DexterNet Continua por 20 horas Baterías 600mAh Bluetooth-WiFi-GPS

Eco: Ultra-Wearable and Expandable Wireless Sensor Platform

4 horas (duty cycle=50%) 30mAh rechargeable Li-Polymer battery

802.11b

SENSATION 1 noche (también monitoreo 24 horas durante tres

día para un escenario de insomnio)

rechargeable Li-ion battery WiFi-GPRS-Internet

Health-data

1 día 2 baterías tipo AA Celular

iCalm 30 horas 250 mAh 3V lithium-ion battery

Bluetooth, Celular, Internet

Wireless Biomedical System

Reportes periódicos Baterías (no se especifican detalles)

WiFi

Wireless Reportes periódicos 2 baterías tipo AA Bluetooth

Intelligent Assistive Navigation Management System (WIANMS)

Mobile Sensing Platform (MSP)

Reportes periódicos (4 horas aprox)

Version 1: 200 mAh Li-Polymer battery Versión 2: 1800 mAH Li-Polymer battery:

GPS, WiFi

Opensensor Reportes periódicos 9V battery block. Bluetooth

Scalable Wireless Body Area Nework

Reportes periódicos 3V lithium ion coin battery WiFi-WiMAX-GPRS-UMTS

Instrumented Wearable Belt

Reportes periódicos 3V, 50 mAh Rechargeable Battery

Bluetooth-GSM

Shadow Monitor

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

Dos Baterias AA No

healthcare system based on intelligent wireless sensor networks

Reportes periódicos Batería de litio WLAN-WiFi

Wearable wireless heart rate monitor

Reportes continuos de largo termino Horas y días

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

No

Smart Shirt Reportes periódicos two AAA size batteries No

Ambulatory Stress Monitoring

Reportes continuos: días-horas Li-Po Battery Bluetooth

Smart Vest Reportes periódicos No revalado Infrarrojo

CodeBlue Reportes continuos-días 2 AA batteries TCP/IP

Physical Activities Healthcare System (PATHS)

Reportes periódicos (horas-1 a 2 días)

Registro en tarjeta SD

3.7V Li-Poly battery and1.5V Nickel-Hydrogen AA battery

WiFi

SHIMMER Registro continuo: horas o días. Registro en tarjeta SD

3V-280 mAh rechargeable battery

Bluetooth

TEMPO 3.1 6 hours of run-time for high-precision sensing

applications.

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-Empresa-Universidad

(Año)

Título Descripción

Universidad de Antioquia

(2012)

[76]

Análisis de métricas de calidad de

servicio para la configuración del

protocolo CSMA/CA en redes de sensores

inalámbricas de área corporal

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

Universidad Pontificia Bolivariana

(2012)

[77]

Sistema de telemonitoreo inalámbrico multiparámetro de neonatos

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.

Universidad Autónoma de Occidente

(con colaboración de la Universidad Politécnica de Valencia)

(2008)

[78]

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

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.

Escuela Colombiana de Carreras Industriales ECCI

(2011)

[79]

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

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.

Universidad Militar Nueva Granada

(2010)

[80]

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

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.

Politécnico Jaime Isaza Cadavid

(2009)

[81]

Desarrollo de un sistema de monitoreo inalámbrico para señales biomédicas

Se presenta el diseño de un nodo que envía datos de frecuencia cardiaca mediante Xbee a un computador en donde se visualizan los datos.

Universidad Pontificia Bolivariana

(2008)

[82]

Sistema de detección, registro y telemonitoreo de arritmias cardiacas

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 Variables ambientales Variables Sociométricas

Ritmo cardíaco Frecuencia respiratoria Presión arterial Temperatura corporal

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

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 Sensores Químicos

Desplazamiento Velocidad

Aceleración (lineal y angular) Temperatura

Fuerza Presión

Flujo Energía radiante

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

Amplificación Se actúa sobre los niveles de amplitud de la señal original. Las ganancias (G) pueden tener dos situaciones G<1 y G>1 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.

Filtrado 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.

Los filtros utilizados pueden ser activos, digitales o pasivos; en sus configuraciones de pasabajos, pasa-altos, pasabanda, rechazabanda, entre otros.

Conversión Análoga/Digital o Digital/Análoga

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.

Cambio de Modo 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.

Cambio de Variable 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.

Acople (Matching) 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

Longevidad Se recomienda que el medio de almacenamiento escogido tenga un ciclo de 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.

Capacidad 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.

Viabilidad 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.

Obsolescencia 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 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)

Susceptibilidad 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 Li-Polímero. 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 Baterías Secundarias

Carbono Zinc

Alcalina

Litio

Celdas de óxido de plata

Celdas de aire zinc

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 Descripción

1 Los principios básicos han sido observados y reportados

2 El concepto tecnológico y/o la aplicación ha sido formulado

3 Función crítica experimental y analítica y/o característica

4 Validación del componente y/o protoboard en ambiente de laboratorio

5 Validación del componente y/o protoboard en ambiente pertinente

6 Modelo sistema/subsistema o demostración del prototipo en un ambiente pertinente

7 Demostración del prototipo del sistema en un ambiente de operación

8 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].

2008 2013 2018 2023

Mecanismo de Conversión de Energía

Sistemas

(escala)

Sistemas

(escala)

Sistemas

(escala)

Sistemas

(escala)

Macro (escala de

cm3)

Micro (escala de

mm3)

Macro Micro Macro Micro Macro Micro

Piezoeléctrico (esfuerzo)

9 4 9 5 9 5 9 6

Electrostático

(vibración)

6 3 7 4 8 5 9 6

Electromagnético

(vibración)

8 5 9 6 9 7 9 8

Termoeléctrico 7 6 8 7 8 7 9 8

Inductivo RF 5 4 6 5 8 6 9 8

Celdas solares

(Si, película delgada)

8 4 9 5 9 7 9 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

Confidencialidad de los datos Los datos pueden constituir información sensible que no debe fugarse.

Integridad de los datos 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.

Actualidad de los datos Debe garantizarse que se reciban datos recientes y no datos antiguos retransmitidos. Para prevenir esto debe agregarse un marcador de tiempo o fecha.

Autenticación 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 tecnológica-

operativa, 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 (CSMA-

CA: 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 auto-

regenerativa. 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 Aspectos Regulatorios y de Seguridad

Radiación electromagnética Compatibilidad electromagnética con otros dispositivos a sus alrededores

Materiales utilizados en los nodos y baterías Impacto ambiental y riesgos para la salud

Datos procesados, transmitidos y almacenados Seguridad de los datos y privacidad

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 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 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 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 Radio-

Frequency 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 radio-

transmisiones 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 Estándar-Asunto

Association for the Advancement of Medical Instrumentation (AAMI)

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.

Electrostatic Discharge Association (ESD Association)

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

European Telecommunications Standards Institute (ETSI)

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

International Electrotechnical Commission (IEC)

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 61326- Requerimientos de compatibilidad electromagnética, equipo eléctrico para medición, control y uso de laboratorio

Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE)

IEEE 1073.X- Informática en salud, comunicación de dispositivos médicos

Estándares IEEE 802.x

International Organization for Standardization (ISO)

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

Soporte a través de software propietario (MoteWorks de Crossbow) que se debe adquirir con un costo adicional al de los nodos [90]

Imote2 de Crossbow 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]

BTNode del

Instituto Federal Suizo de tecnología

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]

Desarrollo holandés MyriaNED

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]

plataforma abierta EPIC Mote

Este proyecto de Berkeley ofrece cierto nivel de soporte pero la información de red no es completa [94]

TECO Particle de la Universidad de Karlsruhe

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]

sun spot de Sun microsystems

Presenta algún grado de soporte pero los nodos para implementar las redes tienen un costo que puede resultar elevado. [96]

MITES (MIT-USA)

Da orientaciones sobre la implementación de los nodos y la red y es abierta. No actualizado. [97]

Codeblue (Harvard) 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

DESARROLLO DE LOS NODOS (A NIVEL DE HARDWARE)

SOPORTE A NIVEL DE RED

Disponible Compilador gratuito

Entorno Integrado Desarrollo (IDE) Gratuito

Costos Microcontrolador y disponibilidad en el mercado local

Soporte- información para fabricación de nodos

Despliegue y puesta en operación de redes

Manejo de los datos generados los nodos

SHIMMER

(proyecto vigente)

IDE

(CCStudio) para el

MSP430

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

Bajo

IMOTE2

(proyecto vigente)

Soporte para el PXA271 a través de MS .Net micro framework

No disponible en el país Costo: N/A

Bajo

*Con costo

BTNODE

(no vigente)

Soporte a través de eclipse IDE Para el ATmega128L


Alto X

MYRIANED (proyecto vigente)

X X Información no disponible

X Muy Bajo

*Con costo

EPIC

(no vigente)

X X No disponible en el país

Costo: N/A

Medio X

TECO PARTICLE

(proyecto vigente)

X No disponible en el país Costo: N/A

Alto

SUN SPOT

(proyecto vigente)


X Medio

MITES

(no vigente)

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

Medio X

CODEBLUE

(no vigente)

IDE (CCStudio) para el MSP430

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

Medio

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 técnico-

regulatorio 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

Método Auscultatorio

(Korotkoff)

Ampliamente

difundido en

implementaciones de

medidores

ambulatorios

El procesamiento de la señal

puede ser muy demandante a

nivel de recursos software-

firmware

El principio general

utilizado para la

medición permanece

básicamente invariante

Multiplicidad de enfoques para

realizar la medición de la

presión arterial

Permite medir la

presión media,

(estimar la presión

diastólica y sistólica)

Permite medir la presión

sistólica y diastólica (estimar

la presión media)

El análisis de la señal

para la estimación de

las medidas requiere

una segmentación

moderada

El número de fases a

caracterizar en la señal es alto

(cinco como referencia)

Dependencia con la

edad, estado de salud

del paciente

(arritmias), hay cierta

sensibilidad al

movimiento

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]

Microchip Technology, “Microchip Wireless (MiWiTM

) 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 Alimentación

Configuración del Receptor Inactivo

Método de Recepción de los Datos

Dispositivo de Funciones Completas

(FFD)

Alimentación Convencional (Mains)

ON Directo

Dispositivo de Funciones Reducidas

(RFD)

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) FFD El dispositivo inicia en primer lugar y

espera por una conexión

Dispositivo Terminal FFD ó RFD 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 Memoria de programa (Bytes)

Memoria de acceso aleatorio: RAM (Bytes)

Tamaño reducido de stack < 4 K 100 + Tamaño del Buffer de transmisión + Tamaño del Buffer de Recepción + (9* Tamaño

de la conexión P2P)

La programación de las características adicionales requiere más memoria de programa y RAM.

Tabla XXIX. Requerimientos de memoria para la familia de Microcontroladores PIC18 para el

protocolo MiWi P2P con Características adicionales habilitadas [107]

Configuración Memoria Adicional de Programa (Bytes)

RAM Adicional (Bytes)

Habilitación de Comunicación 462 0

Intra-PAN

Habilitación del modo Sleep 186 0

Habilitación de la Seguridad (Sin chequeo de lo reciente de las

tramas)

500 48

Habilitación de la Seguridad (Con chequeo de lo reciente de

las tramas)

1488 54

Habilitación del Escaneo Activo 1070 69

Habilitación del Escaneo de Energía

752 0

Habilitación de Mensajes Indirectos

950 Tamaño del mensaje indirecto * Tamaño del Buffer de transmisión

Habilitación de Mensajes Indirectos con Capacidad de

Broadcasting

1228 Tamaño del mensaje indirecto * Tamaño del Buffer de transmisión

En la tabla se relacionan los elementos requeridos a nivel de Hardware, Software y Firmware para

integrar un nodo a la plataforma EnViBo. Inicialmente todo se plantea de la manera como se ha

realizado hasta ahora, sin que esto signifique, como se ha dicho antes, que no puedan integrarse

microcontroladores o transceptores o software diferente al de Microchip.

Tabla XXX. Recursos necesarios para desarrollar aplicaciones con nodos sensores para la

plataforma EnViBo

Elementos de Hardware Elementos de Software Elementos de Firmware

Microcontrolador (8, 16 ó 32 bits)

Transceptor Compatible con el estándar IEEE 802.15.4

Sensor(es)

Baterías y porta baterías

Caja (enclosure)

Medio de sujeción

Tarjeta “Sniffer” ZENA

Programador-Debugger (ICD-PicKit)

Módulos Gateway (Bluetooth, WiFi, Ethernet)

MPLAB IDE (Ambiente Integrado de Desarrollo)

Complemento Microchip Solutions

Compilador para microcontroladores (C18, C30 ó XC )

ZENA Wireless Network Analyzer Software

Complementos TCP-IP Stack

Software para simulación de redes inalámbricas de sensores (e.g. OMNET)

Proyecto de MPLAB

Archivos de base (tipo h y tipo c) para la configuración de los transceptores elegidos (Según implementación: MiWi, MiWi P2P ó MiWi Pro).

Archivo principal con las tareas del nodo según

Framework de referencia.

Programación de nodos sensores al interior de la plataforma EnViBo

Microchip pone a disposición de los usuarios de sus productos, a través de los complementos

llamados Microchip Solutions, una serie de archivos de base que soportan varias de las

funcionalidades especiales que se pueden integrar en soluciones embebidas tales como:

Funcionalidades gráficas especiales

Aplicaciones con el protocolo propietario MiWi

Soporte para el stack y las aplicaciones TCP-IP

Soporte para funcionalidades USB

Aplicaciones para registro en medio extraíble tipo SD

Fig. 32. Librerías de referencia para la implementación de los nodos sensores [112].

Para el desarrollo e implementación de los nodos sensores se ha elegido como referencia la suite

de librerías llamada Application Libraries que ofrece Microchip de manera gratuita y que ofrece una

serie de recursos para el desarrollo de aplicaciones avanzadas que aprovechan diferentes

recursos de los microcontroladores de 8, 16 y 32 bits. En este sentido se han encontrado

diferencias significativas entre el soporte y los recursos que ofrece este proveedor con lo ofrecido

por otras compañías que suministran productos similares.

Interfaz de Programación de Aplicaciones (API) de MiWi: MiApp

La especificación MiApp [108] define las interfaces de programación entre la capa de aplicación y

los protocolos de comunicación inalámbricos propietarios de Microchip. La interface MiApp se

implementa en dos formas: como parámetros de definidos en el archivo de configuración y como

un conjunto de llamadas de funciones a los protocolos inalámbricos propietarios de Microchip. Al

cumplir con la especificación MiApp, las aplicaciones pueden utilizar cualquier protocolo propietario

de Microchip. Con poca o ninguna modificación en la capa de aplicación, el desarrollo de software

puede ser cambiado fácilmente entre un protocolo de conexión con topología P2P/estrella a un

protocolo de malla completo para redes pequeñas o grandes, dependiendo de las necesidades de

la aplicación.

Fig. 33. Diagrama de integración del stack inalámbrico MiWi de Microchip [108]

Programación de Aplicaciones MiWi en MPLAB

Como hemos mencionado, el desarrollo de la programación de los nodos se realizará utilizando el

ambiente integrado de desarrollo de Microchip para aplicaciones con microcontroladores: MPLAB.

Al revisar un proyecto relativo al protocolo MiWi nos encontramos con un escenario similar al

mostrado en la figura.

Fig. 34. Aspecto general de un proyecto de MPLAB para comunicaciones inalámbricas bajo el

protocolo MiWi

Archivos para incluir o de cabecera (Header Files)

En el entorno de programación existen una serie de archivos que contienen la declaración de

funciones especializadas que realizan todo tipo de operaciones matemáticas, lógicas, de

búsqueda, sobre todo tipo de datos, simples y compuestos. Estos archivos utilizan la extensión .h y

se pueden incluir al principio del programa para poder emplear las funciones que declaran.

Estos archivos de cabecera y las funciones que definen se encuentran disponibles en diferentes

entornos de programación de un mismo lenguaje de programación y es una de las características

que hacen portables a los programas en C.

Archivos Fuente (Source files)

En estas carpetas encontramos toda la serie de archivos de extensión .c que abarcan todas las

funciones o firmware propias del microcontrolador y sus módulos, además todo el código que

garantiza el funcionamiento del protocolo de comunicación.

Dependiendo de los microcontroladores utilizados para los elementos de red (Nodos sensores y

Coordinador de la Red de Área Personal), debe elegirse un compilador, la plataforma EnViBo se

apoya en compiladores que poseen la opción de adquirirse sin costo en algunas de sus variantes,

tal es el caso de los compiladores C18, C30 y XC, todos ellos para compilación de proyectos en

lenguaje C. Compiladores de Microchip para el trabajo con microcontroladores de 8,16 y 32 bits

[16]

A continuación se presenta la descripción de los diferentes bloques de archivos agrupados en las

subcarpetas de un proyecto para comunicación MiWi bajo el entorno de MPLAB. Los archivos tipo

header como aquellos tipo source, aparecen agrupados en cuatro bloques o conjuntos llamados:

Application, Common, Protocols y Transceivers

Tabla XXXI. Conjunto de archivos de referencia para la implementación de nodos en la plataforma

Conjunto de archivos

Descripción

Application Definen la funcionalidad básica de los nodos inalámbricos. Es común que estas configuraciones puedan diferir para los diferentes nodos pertenecientes a una misma aplicación, dependiendo del rol del nodo inalámbrico dentro de la red. Las configuraciones en la capa de aplicación incluyen las siguientes categorías:

Elección del protocolo inalámbrico y del transceptor RF

Configuración de interfaces de conexión hacia los transceptores y demás recursos de hardware

Definiciones de los recursos del sistema y configuración de registros

Habilitar/Deshabilitar funcionalidades según las necesidades de la aplicación

Programación específica de la aplicación (código fuente del nodo sensor)

Configuración de la dirección del nodo y de la red, de aspectos de conectividad y funcionalidades especiales del protocolo para gestión de energía, seguridad, asociación de dispositivos, naturaleza y enrutamiento de los mensajes.

Common Configuración de comunicaciones de los módulos UART y SPI

Configuración de rutinas de retardos (delays)

Definiciones especificas del compilador y del hardware del microcontrolador

Funciones de manejo de consola a través de UART Protocols La configuración de los protocolos inalámbricos puede utilizarse para ajustar el

comportamiento de estos. Las posibles configuraciones difieren entre los diferentes protocolos.

Configuración de los detalles de operación de los diferentes protocolos (MiWi, MiWi P2P)

Transceivers Especifican como trabajará el transceptor RF en la capa MiMAC. Las configuraciones en esta capa puede definir la banda de frecuencia, la tasa de datos y otros parámetros RF relacionados. Estas configuraciones varían para los diferentes transceptores. Configuración de elementos de seguridad y código de redundancia cíclica

Al interior del proyecto MPLAB para comunicación utilizando el protocolo MiWi nos encontramos

con un número de archivos asociados que pueden ser de hasta unos treinta y cinco para el caso

de los Demos, no obstante para el caso de aplicaciones definitivas, de este conjunto se pueden

prescindir de unos diez archivos puesto que corresponden a versiones iguales del mismo archivo

(header ó source), replicados para los diferentes tipos de transceptores y de variantes de los

protocolos, además también hay archivos relativos a la consola, recursos UART y manejo de LCD,

que no son necesarios en todos los casos . La totalidad de los archivos tienen que ver con tareas

como la configuración del stack MiWi, de los transceptores, del rol del nodo dentro de la red y su

configuración a nivel de direcciones, de seguridad y de específicamente del elemento de red en

cuanto a sus funciones como Coordinador o como nodo sensor.

De manera simplificada, ilustraremos la integración de un nodo nuevo nodo a la red de

monitorización. En general podemos decir, que esta integración es un proceso de cuatro pasos que

describiremos a continuación.

Fig. 35. Flujograma simplificado de integración de un nuevo nodo a la plataforma EnViBO

Paso 1: Creación del proyecto de MPLAB con los archivos MiWi de Referencia

En el entorno de programación MPLAB se trabaja con base a proyectos, constituidos por el

conjunto de archivos que se compilan para generar el archivo .hex que se transferirá al

microcontrolador para ejecutar la aplicación programada. Los archivos para crear el proyecto

asociado al nuevo nodo estarán agrupados en una carpeta llamada “MiWi_Referencia” y a su vez

al interior de esta, en dos carpetas: “Coordinador” o “NodoSensor” según sea el rol del nodo a ser

implementado.

Se muestra en la tabla el detalle de los nombres, el tipo (source o header file) y el bloque en el cual

aparecen dentro del proyecto, de la totalidad de los archivos que constituyen el proyecto de

referencia para implementar los nodos requeridos dentro de una aplicación de monitorización

ambulatoria.

Tabla XXXII. Conjunto de archivos de referencia para la implementación de nodos en la plataforma

Archivos Fuente (Source Files) Archivos Encabezado (Header files) Application

Nodo.c ó Coordinador.c HardwareProfile.c

ConfigApp.h HardwareProfile.h SystemProfile.h

Common

Console.c MSPI.c

TimeDelay.c

Compiler.h Console.h

GenericTypeDefs.h MSPI.h

TimeDelay.h

Protocols

LCDBlocking.c MiWi.c NVM.c P2P.c

SymbolTime.c

ConfigMiWi.h ConfigP2P.h

LCDBlocking.h MCHP_API.h

MiWi.h NVM.h P2P.h

SymbolTime.h

Transceivers

Crc.c MRF24J40.c

Security.c

ConfigMRF24J40.h Crc.h

MCHP_MAC.h MRF24J40.h

Security.h Transceivers.h

A través del menú “Configure” de MPLAB y dentro de este en la opción “Select Device” se

selecciona la referencia del microcontrolador de 8, 16 o 32 bits que ejecutará la aplicación

programada. La configuración del compilador debe hacerse en concordancia con el número de bits

del microcontrolador seleccionado a través de la opción “Select Language Toolsuite” que pertenece

al menú Project del entorno MPLAB.

Paso 2: Intervención sobre los archivos “HardwareProfile”

Son cuatro los archivos que normalmente se deben intervenir para la incorporación de un nuevo

nodo a la red de monitorización, en este apartado nos ocupamos de la descripción de las

intervenciones que deben realizarse sobre dos de ellos: HardwareProfile.c y HardwareProfile.h

El archivo HardwareProfile provee las configuraciones y las funcionalidades básicas de hardware

para los microcontroladores de referencia (pertenecientes a las familias PIC18, PIC24, PIC32,

dsPIC30 y dsPIC33). Este archivo debe intervenirse para ajustar configuraciones de pines

adicionales a los de las funcionalidades de comunicaciones, lo que se conoce como la palabra de

configuración de la palabra de los registros específicos, el tipo de oscilador, prescaler, watchdog

timer, reset por bajo voltaje, carácter análogo-digital y entrada-salida de los pines, entre otros

aspectos.

En estos dos archivos también se acceden a los detalles de la configuración de las conexiones

microcontrolador-transceptor e, igualmente, se pueden configurar las conexiones a todos los

periféricos o elementos de entrada-salida que estarán en la tarjeta electrónica del nodo sensor. Es

así como encontraremos secciones de código referidas a los leds, pulsadores, módulos LCD, la

interfaz SPI y además se tendrá acceso a configurar recursos como las interrupciones.

Fig. 36. Intervención sobre archivos del proyecto de referencia MiWi

2.1 Intervención sobre el archivo “HardwareProfile.c” En este archivo se encuentran las definiciones y configuraciones que aseguran la funcionalidad del hardware a nivel de registros y de bits de registros. El archivo está estructurado a partir de una serie de selectores múltiples, elaborados con SI condicionales (IF...) que cubren las configuraciones para diferentes tarjetas de evaluación de microchip y diferentes referencias de microcontroladores de 8,16 y 32 bits de las familias PIC18, PIC24, PIC32, dsPIC30 y dsPIC33.

Fig. 36. Selección del hardware para la implementación de nodos de red

En la figura se muestra los detalles de los bits de configuración y de algunas líneas de código que se ocupan de recursos como el Watchdog timer y el oscilador a los que se puede acceder o que pueden modificarse desde HardwareProfile.c (pic24FJ128GA010)

Fig. 36. Acceso a los bits de configuración para los microcontroladores de los nodos sensores

En este archivo está la función BoardInit que se ocupa de los detalles de configuración de los bits y los registros que garantizan que el protocolo MiWi y el transceptor elegido funcionen para la board o el microcontrolador elegido.

Algunos de los registros que se manejan en esta función, dependiendo de la tarjeta o del microcontrolador:

OSCCON

EECON

TRIS

LAT

INTCON

ADCON

Fig. 36. Acceso a los registros y configuración de elementos de entrada-salida a nivel de hardware

para los microcontroladores de los nodos sensores

Finalmente podemos decir que hay otras funciones relacionadas con el LCD (para las tarjetas de

evaluación que lo tienen) y que se encargan de mostrar el conteo de bytes transmitidos y recibidos

así como el mensaje.

Function: void LCDTRXCount(BYTE txCount, BYTE rxCount)

Function: void LCDDisplay(char *text, BYTE value, BOOL delay)

También hay unas funciones ligadas a los botones que ejecutan algunas funciones especiales en

los demos que corren en tarjetas de evaluación.

Function: BYTE ButtonPressed(void)

Igualmente hay algunas funciones que se ocupan de interrupciones que están ligadas al

funcionamiento de algunas tarjetas de evaluación.

Function: void Enable_PB_1_2_Interrupts()

Function: void _CN_Interrupt_ISR(void)

Observaciones finales:

Las únicas modificaciones significativas que deben realizarse sobre este archivo son a nivel de bits

de configuración (Watchdog timer, tipo de oscilador, etc.). Por lo general no se requiere ningún otro

tipo de modificación.

Las modificaciones estarán ligadas al uso de otros recursos no cubiertos en los demos de

referencia o a la adaptación del código para microcontroladores no explícitamente declarados en el

código de este archivo.

2.2 Intervención sobre el archivo “HardwareProfile.h

En este archivo se encuentran las configuraciones que aseguran la funcionalidad del hardware a

nivel de pines. En este archivo se configuran los pines ligados al transceptor ( a la interfaz SPI que

los maneja), a los LCD (para las board que los tienen) y de otros elementos periféricos como teclas

y leds.

Fig. 36. Definiciones para las interfaces a nivel de hardware para los nodos sensores

Este archivo es susceptible de varias modificaciones cuando la persona que está implementando

su aplicación MiWi desarrolla cambios significativos sobre tarjetas con diseños específicos en los

que se toma distancia de las asignaciones realizadas para las tarjetas de evaluación o cuando se

está programando una referencia nueva de microcontrolador.

Fig. 36. Definiciones de hardware y acceso a registros para la tarjeta Explorer16

Consideraciones Finales:

De los dos archivos, HardwareProfile.c y HardwareProfile.h, este último es normalmente el que

debe someterse a mayores modificaciones en un nuevo diseño de nodo siempre y cuando este se

aleje de las configuraciones que se hacen en los archivos de referencia para las evaluation board

de las diferentes familias.

Intervención sobre el archivo ConfigApp

Debe existir coherencia en las direcciones como los roles de red y las funcionalidades a nivel de

seguridad, escaneo de red, administración de energía u otras habilitadas. Por estas razones se

debe intervenir el archivo ConfigApp.h para definir si el nodo va a tener el rol de Coordinador o

Dispositivo Terminal (End Device) si el protocolo va a ser P2P o MiWi, confirmar el transceptor

(MRF24J40, MRF49XA o MRF89XA), definir la dirección de ocho bytes permanente del nodo, el

tamaño del buffer de transmisión y recepción, el identificador de la red de área personal (PAN ID),

el número máximo de conexiones simultaneas que permite el dispositivo, los aspectos de

seguridad, de modo sleep, el manejo de como el dispositivo despierta, el salto entre canales ante

condiciones de ruido, entre otros.

Fig. 37. Ajustes sobre archivo de configuración (ConfigApp.h)

Es importante anotar que el archivo de referencia ConfigApp.h de la carpeta de referencia está ya

bien configurado para garantizar la comunicación y normalmente las modificaciones que deben

realizarse son pocas. En caso de modificaciones avanzadas deben consultarse los archivos del

proyecto de Referencia y la documentación de Microchip relacionada.

Intervención sobre los archivos Nodo-Coordinador

Luego se procede a hacer los ajustes específicos que corresponden a las tareas particulares que

debe realizar el nodo al interior de la red. En este caso específico, se configuran los aspectos

relativos al canal A/D para realizar la adquisicion de la señal, el algoritmo de procesamiento y la

transmisión del valor de temperatura.

Fig. 38. Configuración de modulo A/D

En el coordinador de red deben programarse las funcionalidades que permitan recibir los datos

enviados por los nodos sensores, transferirlos a la interfaz de usuario vía serial/USB o

almacenarlos. En algunos casos, parte del algoritmo de procesamiento de la señal captada por los

nodos sensores puede encargársele al nodo coordinador puesto que es común, más no

imprescindible, que este tenga unas capacidades de procesamiento mayores que las de los nodos

sensores.

En el coordinador también se programan las líneas de código que se ocupan de garantizar la

funcionalidad de los dispositivos tipo enlace o Gateway que hacen posible el paso de los datos de

la plataforma de monitorización hacia redes una jerarquía superior e interfaces alternas para la

visualización, procesamiento y manejo de la información.

Ejemplo de Implementación de Red con base en la formulación de la plataforma

EnViBo

Se muestra a continuación una red de ejemplo implementada siguiendo la formulación de la

plataforma EnViBo. La red está conformada por cuatro nodos; un coordinador de red (Coordinador

PAN) y tres nodos sensores.

Descripción de los Elementos de Red

Coordinador de Red

Especificaciones Técnicas: Nuestro coordinador de red (coordinador de Red de Área Personal o

Coordinador PAN) está basado en un microcontrolador de 16 bits que pertenece a la familia PIC24

y cuyas características se resumen en la figura.

Fig. 39. Resumen de características principales del microcontrolador PIC24FJ128GA010 [113]

El circuito integrado tiene 100 pines que se distribuyen en ocho puertos, desde el puerto A hasta el

puerto G. Por medio de los pines vinculados a estos puertos se desarrollan tareas ligadas a

entradas/salidas digitales, entradas análogas, funciones de comunicación, interrupciones,

modulación por ancho de pulso, entre otras.

La Unidad de Procesamiento Central (CPU) de los microcontroladores de la familia PIC24 [114]

posee una arquitectura Harvard modificada con un conjunto de instrucciones con palabras de 24-

bits de ancho. Las instrucciones se ejecutan en un solo ciclo de programa salvo algunas

excepciones como las instrucciones que cambian el flujo del programa e instrucciones que pueden

ocupar más.

Especificaciones de los elementos de Comunicaciones

En cuanto al transceptor, se ha elegido el MRF24J40MB [115] que es un transceptor que se ajusta

a los requerimientos del estándar IEEE 802.15.4 y cuyas especificaciones técnicas, interfaz de

comunicación SPI y diagrama de bloques se muestra en la tabla.

Tabla XXXIII. Características principales, diagrama de bloques e interfaz del transceptor [115]

Soporta los protocolos propietarios Zigbee, MiWi y MiWi P2P

Certificado según las regulaciones de radio para Estados Unidos (FCC), Canadá (IC) y Europa (ETSI)

Es compatible con las familias de microcontroladores de Microchip: PIC16F, PIC18F, PIC24F/H, dsPIC33 y PIC 32.

Interfaz SPI simple de 4 líneas

Consumo de corriente:

Modo Rx: 25mA (típico)

Modo Tx: 130mA (típico)

Modo Sleep: (Típico)

Opera en la banda ISM de 2.405 a 2.475 GHz

Tasa de datos de 250 kbps

Interfaz SPI: Transceptor-Microcontrolador

Mecanismo de hardware CSMA-CA, respuesta ACK automática y

chequeo FCS

Capacidad automática de retransmisión de paquetes

Motor de seguridad por hardware (AES-128)

Soporta encriptación y desencriptacion para las

subcapas MAC y las capas superiores

El modulo básico para el coordinador PAN a nivel de comunicaciones consta tan solo de un

transceptor MRF24J40MB que soporta el protocolo MiWi y de una interfaz serial-USB. Las pruebas

para la integración de estos y otros módulos como el de almacenamiento local se han realizado

utilizando la tarjeta de desarrollo denominada Explorer 16 [116].

Comunicaciones: Protocolo MiWi – MiWi Stack (MiWi App + MiWi MAC) Analizador de paquetes IEEE 802.15.4 ZENA

Algoritmos:

Algoritmo de gestión de red Estimación del valor de variables

biomédicas mediante procesamiento adicional-fusión de datos

Control de Hardware:

Conversión A/D de 10 bits, Interfaz SPI Interfaz Serial-USB Interfaz paralela para LCD

Hardware de Circuito:

Microcontrolador de 16 bits pic24FJ128GA010 Transceptor MRF24J40MB Tarjeta Ethernet Transceptor MiWi Transceptor Bluetooth Tarjeta SD Conversor dc-dc 5V-3.3V Conexión Programador/Debugger serial Sockets para hacer posible el reemplazo de elementos

Fig. 40. Coordinador PAN detalles arquitectura e implementación en tarjeta de prueba [116]

Especificaciones funcionales

En la figura se muestra un diagrama de flujo que muestra de manera general las tareas que debe

realizar el coordinador de la red de área personal o Coordinador PAN

Fig. 41. Diagrama de flujo de funcionamiento del coordinador PAN

Nodos Sensores

Se relaciona a continuación la descripción, según la arquitectura propuesta por la plataforma

EnViBo, para los nodos de la red de área personal implementad.

Los nodos sensores utilizados para probar la funcionalidad de la red están basados en

microcontroladores de 8 bits, de la familia PIC18. Estos microcontroladores tienen características

de bajo consumo, como el PIC18LF4620 [117] y de extra bajo consumo como el PIC18F46K20

[118]. En la figura se muestra el microcontrolador de 40 pines que sirve de base para algunos de

los nodos de prototipo.

Tabla XXXIV. Especificaciones técnicas y distribución de pines del PIC18F4620 [117]

Descripción Técnica Distribución de Pines

Especificaciones de los Elementos de Comunicaciones

El transceptor utilizado en los nodos sensores es el MRF24J40MA, elemento compatible con el

estándar IEEE 802.15.4 y que se direcciona desde el microcontrolador a través de una interfaz

SPI. Este dispositivo tiene básicamente las mismas prestaciones del transceptor MRF24J40MB

utilizado en el coordinador de la red. La diferencia mayor radica en el alcance que es menor y

algunas pequeñas diferencias no muy significativas en el diagrama de radiación.

En la figura se muestra un resumen de las características técnicas de un nodo de tamaño reducido

realizado para la monitorización de la temperatura corporal. Este nodo está gobernado por un

microcontrolador de 8 bits, el pic18F46k20 que es de extrabajo consumo [118]. El microcontrolador

tiene características como:

Voltaje de operación entre 1.8 y 3.6V

En modo sleep <100 nA para 1.8V

Perro guardian < 800nA para 1.8V

Oscilador del Temporizador <800nA para 1.8V y 32kHz

Fig. 42. Características técnicas y distribución de pines para el microcontrolador de extrabajo

consumo pic18F46K20 [118]

Diversos nodos han sido realizados y probados en el proceso de optimización de los diseños y del

tamaño de las tarjetas de circuito impreso. Se muestra como estos nodos se acomodan a la

arquitectura propuesta para el caso de los elementos de red que se ubican sobre el cuerpo o

vestimenta de la persona bajo monitorización.

Comunicaciones:

Protocolo MiWi – MiWi Stack (MiWi App + MiWi MAC) Analizador de paquetes IEEE 802.15.4 ZENA

Algoritmos:

Estimación de los ángulos de inclinación en x,y e z Algoritmo de detección de caídas


Conversión A/D de 10 bits, Protocolo SPI

Hardware de Circuito:

Unidad de Medición Inercial (IMU) con Acelerómetro de tres ejes + Giróscopo de tres ejes, 6 grados de libertad). Batería de Ni-MH recargable de 8.4 Voltios Microcontrolador de 8 bits PIC18F4620 Transceptor MRF24J40MA Conversor dc-dc tipo step-down Conexión Programador/Debugger serial Sockets para hacer posible el reemplazo de elementos

Fig. 43. Nodo actígrafo basado en acelerometro


Algoritmos:

Estimación del valor de la temperatura


Conversión A/D de 10 bits, Protocolo SPI Hardware de Circuito:

Termistor NTC Batería tipo moneda Li-MnO2 de 3V Microcontrolador de 8 bits de extrabajo consumo en encapsulado QFN PIC18F46k20 Transceptor MRF24J40MA Conversor dc-dc tipo step-up Conexión Programador/Debugger serial

Fig. 44. Nodo sensor de temperatura


Algoritmos:

Estimación del valor de la temperatura


Conversión A/D de 10 bits, Protocolo SPI Hardware de Circuito:

Termistor activo lineal de bajo consumo de energía 2 Baterías Alcalinas recargables tipo AAA de 1.2V Microcontrolador de 8 bits de extrabajo consumo en encapsulado QFN PIC18F46k20 Transceptor MRF24J40MA Conversor dc-dc tipo step-up Conexión Programador/Debugger serial

Fig. 45. Nodo sensor de temperatura

Especificaciones funcionales

La figura muestra un diagrama de flujo que trata de resumir de forma genérica las tareas

principales de los nodos sensores de la red que tienen a su cargo la monitorización ambulatoria de

las variables biomédicas.

Fig. 46. Diagrama de flujo simplificado para los nodos sensores

Una lista de chequeo para verificar que los nodos están adecuados para unirse a la red se muestra

a continuación. Esta lista le sirve también al diseñador para repasar las tareas que hacen posible la

integración de nuevas unidades a la plataforma.

Tabla XXXV. Lista de chequeo para verificar el cumplimiento de condiciones por parte de los nodos

para integrarse a la plataforma EnViBo

Ítem Verificado

Si No El Hardware de circuito opera adecuadamente La estimación del parámetro es satisfactoria

El firmware del nodo está completo El protocolo MiWi está implementado

La transmisión y recepción de datos se realizan adecuadamente El dispositivo cumple con las regulaciones relativas a emisiones RF

Integridad de los datos El nodo es seguro para los usuarios

La documentación del nodo está completa Se necesita asesoría de expertos para realizar las mediciones

El nodo utiliza baterías de uso común El nodo hace uso eficiente de la energía

El usuario debe ser consultado antes de la utilización del nodo debido a riesgos potenciales derivados de su funcionamiento

El dispositivo es liviano y cómodo para su uso El nodo se ha probado para operación durante periodos extendidos de tiempo

Transmisión de paquetes a través de la red y otros aspectos funcionales

El estándar IEEE 802.15.4 define un tamaño de paquete de 127 bytes y establece que los

paquetes o tramas MAC tienen tres componentes; un encabezado MAC, un payload MAC y un pie

de mensaje o footer que contiene una secuencia de chequeo de trama. El transceptor MRF24J40

tiene buffers de recepción y transmisión de 128 bytes que permiten el envío y recepción de

paquetes completos. La figura muestra una unidad de datos de protocolo MAC (MAC Protocol Data

Unit) para un paquete enviado desde el nodo 3 al coordinador de la PAN y el Acknowledegement o

acuso de recibo que confirma la recepción del paquete.

Fig. 47. Estructura de PDU MAC. Datos y Acknowledgement para un intercambio de información

entre el nodo 3 y el coordinador de la red utilizando el protocolo MiWi P2P [1]

El encabezado MAC tiene un campo de control de trama MAC, la dirección de la PAN o PAN ID y

la información de las direcciones de origen y destino. El payload MAC involucra los datos en sí que

se están transmitiendo y el pie de mensaje (footer) lleva información acerca de la indicación de

intensidad recibida de señal (RSSI: Received Signal Strength Indication) y chequeo de redundancia

cíclica (CRC).

Los paquetes transmitidos en la red utilizando el protocolo MiWi pueden monitorearse y visulizarse

utilizando la herramienta ZENA [119]. Dependiendo del tipo de mensaje o de la dinámica de la red,

un paquete puede ser una secuencia que involucra un conjunto bloques que indican el proceso de

handshaking y el tipo de paquete (comando, beacon, acknowledge o datos), las identificaciones de

los nodos que envían y reciben los mensajes, las peticiones de asociación, los datos encriptados,

los datos no encriptados, el tipo de transmisión (unicast o broadcast) y otros aspectos.

Ejemplo de transacciones en red

Se muestran los resultados de un arreglo experimental con tres nodos; un coordinador de red que

es el nodo 1 (Coordinador PAN) y dos nodos sensores, un nodo genérico (Nodo 3) y un nodo para

monitorización de temperatura (Nodo 2)

Fig. 48. Representación gráfica de la transferencia de paquetes entre los nodos activos [102]

Establecimiento de la comunicación (Handshaking) bajo el protocolo MiWi P2P

El protocolo MiWi P2P simplifica el proceso de handshaking indicado en la recomendación IEEE

802.15.4. La figura muestra el handshaking entre el nodo 3, el cual actúa como un nodo genérico y

el coordinador PAN. Los paquetes mostrados han sido capturados con la herramienta ZENA. El

color rojo de los campos en los paquetes resalta su componente de comandos MAC.

Fig. 49. Procedimiento de handshaking utilizando el protocolo MiWi P2P entre el nodo y el

coordinador PAN [102]

Transferencia de paquetes entre nodos

La figura muestra la transferencia de datos entre el nodo de monitorización de temperatura y el

coordinador PAN.

|

Fig. 50. Transferencia de paquetes entre el nodo de monitorización de temperatura corporal y el

coordinador PAN utilizando el protocolo MiWi P2P [102]

Ajustes sobre el código

Para nuestra implementación se ha realizado una serie de modificaciones significativas sobre los

archivos correspondientes a las comunicaciones para los microcontroladores PIC18 y PIC24. Por

ejemplo, el archivo para el coordinador PAN tiene ajustes que hacen posible la administración de la

red.

Por propósitos de fiabilidad, los datos que se reciben de los nodos estarán marcados con un

carácter ligado a la variable monitorizada, el cual es seguido por los datos numéricos que

corresponden al valor de la variable biomédica; estas marcas adicionales son transmitidas en el

campo correspondiente al payload de los paquetes. De esta forma, un dato de temperatura

corporal será transmitido como un string por ejemplo así “T37.5”. En el lado del transmisor la

función MiApp_WriteData() se invoca recurrentemente para construir el string enviando

secuencialmente los caracteres ASCII que corresponden al valor de la variable y a su marcador

particular. En el lado del coordinador, los datos recibidos se acceden desde rxMessage.Payload[i] y

son concatenados para reconstruir el mensaje completo, como se muestra en la figura.

Fig. 51. Formateo del payload recibido en el lado del coordinador PAN. Los datos más el marcador

de la variable se concatenan para mejorar el proceso de registro de los datos [102].

Las pruebas realizadas han mostrado que la comunicación entre los nodos y el coordinador puede

perderse durante la operación de la red, por esta razón, se ha integrado una función adicional que

permite la reconexión de los nodos y que transmite también un string de identificación del nodo

cuando recién el nodo se conecta a la red. El string de identificación del nodo tiene la siguiente

estructura: NODO-#-LETRA_de_VARIABLE, así para el nodo de temperatura se tiene N2T, el nodo

de monitorización de pulsioximetria (SpO2) tendrá el string N4S, el nodo de actimetría basado en

acelerómetro tendrá el string N3A y así sucesivamente. Esta forma de identificación facilita la

reconexión de manera dinámica y el hace más confiable el registro de los datos cuando un nodo

regresa a la red o se incorpora a esta.

Especificaciones para la red de monitorización bajo la plataforma EnViBo

A partir de los resultados obtenidos, se han realizado una serie de elecciones para definir las

especificaciones más apropiadas para una red inalámbrica que cumpla con los requerimientos de

la plataforma. La red puede tener ajustes en su configuración para realizar diferentes tipos de

pruebas que involucren la monitorización de una o más personas simultáneamente. La cantidad y

naturaleza de signos vitales y señales biomédicas monitorizadas dependerán de las necesidades

específicas e intereses de los investigadores. La tabla resume estas especificaciones para la

implementación de base para la plataforma EnViBo.

Tabla XXVI. Ejemplo de especificaciones técnicas para una red implementada según los

requerimientos de la plataforma EnViBo [102]

Protocol Microchip’s (IEEE 802.15-4 based) MiWi P2P Protocol

Topologies Star/P2P

Networking Non beacon enabled network

Channel Access Contention based (CSMA-CA Mechanism)

Frequency Band 2.4 GHz (ISM)

Channel Number Variable (Depends on Energy Scan)

Bit rate 250 kbps

Number of nodes 1024 (maximum)

Addressing 16-bit short addressing or 64-bit extended addressing

Data Verification FCS: Frame Check Sequence CRC: Cyclic Redundacy Check

Encryption 128-bit Advanced Encryption Standard

Clear Channel Assessment

CCA mode 1,2 or 3

Coordinators Maximum Eight (8) for network

Transceiver MRF24J40MA=>Sensor Nodes MRF24J40MB=>PAN Coordinator

Power Supply Sensor Nodes => Battery PAN Coordinator =>Mains/Battery Backup

Hopping 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 16th-

21st, 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 módulos UART, 2 SPI y 2 I2C

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:

𝑅𝑥 = 𝑅𝑥𝐴𝑐𝑐 =∆𝑥

𝑆𝑒𝑛𝑠𝑏=

∆𝑥

0.3; 𝑅𝑦 = 𝑅𝑦𝐴𝑐𝑐 =

∆𝑦


∆𝑦

0.3 ; 𝑅𝑧 = 𝑅𝑧𝐴𝑐𝑐

=∆𝑧


∆𝑧

0.3

La magnitud del vector es:

𝑅𝐴𝑐𝑐 = 𝑅𝑥2 + 𝑅𝑦2 + 𝑅𝑧2

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 MRF24J40A

Pin # Función Pin # Función

15 RC0/T1OSO/T13CKI 8 CS

16 RC1/T1OSI/CCP2 3 WAKE

24 RC5/SDO 5 SDI

18 RC3/SCK/SCL 6 SCK

23 RC4/SDI/SDA 7 SDO

33 RB0/INT0/FLTO/AN12 4 INT

17 RC2/CCP1/P1A 2 RESET

Fig. 65 . Correspondencia de conexiones PIC18F4620 y transceptor MiWi MRF24J40

Tabla XXXIX. Correspondencia de conexiones PIC18F46K20 y transceptor MiWi MRF24J40

PIC18F46K20 MRF24J40A

Pin # Función Pin # Función

34 RC0/T1OSO/T13CKI 8 CS

35 RC1/T1OSI/ICCP2 3 WAKE

43 RC5/SDO 5 SDI

37 RC3/SCK/SCL 6 SCK

42 RC4/SDI/SDA 7 SDO

9 RB0/INT0/FLTO/AN12 4 INT

36 RC2/CCP1/P1A 2 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 Algoritmo Comunicaciones

A este nivel se realizaron pruebas y depuración para garantizar la operación de las

Se realizaron labores de pruebas y depuración del firmware correspondiente al

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 Color

Encabezado MAC Blanco

Comandos MAC y Beacons Rojo

Encabezado de Red Lima

Encabezado de Mensaje Amarillo

Datos del Mensaje Aqua

Encabezado de Seguridad y Datos Encriptados 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.

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

1110 1120 1130 1140 1150 1160 1170 1180 1190 1200 1210

0

50

100

150

200

250

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 Voltaje Nominal-Corriente

Recargable Valoración

Alcalina AAA

1.5V

No Desempeño adecuado

Ni-MH AAA

1.2V

900mAh y 700mAh

Si Desempeño satisfactorio

Ni-MH PP3

8.4V

220mAh y 170mAh

Si Desempeño satisfactorio

Litio (Moneda)

3V No Desempeño no satisfactorio

Alcalina 23AE

12V No Desempeño aceptable

Ni-CD AA

1.2V Si Desempeño Satisfactorio

Alcalina AA

1.5 No 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.

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