Lrwpan 4 health_care_sicotel_2012

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

Primer Seminario Taller Latinoamericano de Instrumentación, Control y Telecomunicaciones SICOTEL 2012

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Resumen—Se describe el proceso de diseño e

implementación de una red inalámbrica de sensores orientada

a la monitorización de variables fisiológicas. El objetivo es

obtener de manera ambulatoria, a partir de nodos ubicados

sobre diferentes partes del cuerpo, mediciones y registros de

interés biomédico con una red que responda a requerimientos

de flexibilidad, escalabilidad e integrabilidad con otras redes.

A su vez, se discuten los requerimientos para los nodos

sensores y se presentan consideraciones relativas a las

opciones existentes de interconectividad con otras redes y la

posibilidad del tránsito de los datos de medición, a través de

internet y de redes de telefonía móvil. También se abordan

algunos aspectos relevantes del marco regulatorio ligado a este

tipo de implementaciones. Finalmente se presentan algunos de

los resultados obtenidos, tanto a nivel de hardware como de

software, para cumplir con los objetivos del proyecto.

Índice de Términos—Estándar IEEE 802.15.4,

Monitorización ambulatoria, Redes inalámbricas de sensores,

Variables fisiológicas

I. INTRODUCCIÓN

El desarrollo y evolución del estándar IEEE

802.15.4, y otros afines a él, ha permitido que en los

últimos años se consolide el espectro de

aplicaciones de las redes de sensores inalámbricas,

encontrándose en la actualidad una gran variedad de

implementaciones y escenarios de operación [1][2].

A partir del despliegue de nodos sensores ubicados

espacialmente de conformidad con la naturaleza

específica de la aplicación, pueden realizarse, entre

otras, tareas de monitoreo de personas, animales,

ambientes, estructuras y edificaciones [3].

Un factor definitivo en el gran auge de las

aplicaciones basadas en redes inalámbricas de

sensores, sin duda tiene que ver con el gran

desarrollo que se ha alcanzado en los últimos años

en dispositivos electrónicos de uso extendido como

los microcontroladores y los sensores. Es posible

contar hoy, aparte de los tradicionales modelos de 8

bits, con microcontroladores de 16 y 32 bits, lo que

posibilita el desarrollo de circuitos y soluciones

embebidas de gran complejidad y altas prestaciones

[4].

Respecto a los sensores podemos decir que la

incorporación de innovaciones tecnológicas como

los sistemas micro-electromecánicos (MEMs por

sus siglas en inglés) y la evolución hacia

dispositivos más completos como los sensores

inteligentes, hace que hoy en día se encuentre una

gran variedad en la oferta y se cuente con una

completísima gama de sensores que abarcan un gran

universo de variables [5]. Adicionalmente la

industria electrónica especializada se ha

concentrado en fortalecer aspectos como la

miniaturización y el bajo consumo de energía de los

dispositivos, para favorecer la realización de

diseños más compactos y eficientes que se puedan

ajustar a la filosofía de trabajo de los sistemas de

sensado distribuido.

Diseño e implementación de una red inalámbrica de

sensores para la monitorización de variables

fisiológicas utilizando protocolos basados en el

estándar IEEE 802.15.4

Meneses, Gustavo



2

II. DESARROLLO DE UNA RED DE SENSORES PARA LA

MONITORIZACIÓN AMBULATORIA DE VARIABLES

FISIOLÓGICAS

A. Elección del protocolo de comunicación

Por razones como el seguimiento que debe

realizarse a las personas durante la realización de

sus actividades físicas y la autonomía de operación

requerida para el sistema, una red diseñada con el

propósito de monitorizar de manera ambulatoria las

variaciones de los signos vitales u otras señales de

interés biomédico, debe basarse en estándares de

comunicación para medios no guiados [6]. Algunas

frecuencias de UHF se ajustan a los requerimientos

de tamaño de las antenas, relacionado a su vez con

la longitud de onda, para los transceptores

requeridos, pero los desarrollos que se han realizado

allí no obedecen a una estrategia sistemática que

esté orientada a la portabilidad o para el trabajo en

red, algo necesario para los nodos sensores.

B. La familia de recomendaciones IEEE 802

A partir de la formulación de las especificaciones

de la familia IEEE 802 se plantearon las

condiciones para el desarrollo de aplicaciones con

la robustez suficiente para soportar infraestructuras

en el ámbito de las Redes Inalámbricas de Área

Personal (WPAN) y de las Redes Inalámbricas de

Area Corporal (WBAN). Es así como hoy en día

encontramos una existencia importante de

aplicaciones operando en la BANDA ISM

(Industrial, Scientific and MedicaI), especialmente

alrededor de la banda de 2.4GHz, que se benefician

de las características operativas derivadas del

trabajo con este esquema de comunicaciones.

Para el tipo de desarrollo que nos concierne, los

estándares que se acomodan a los requerimientos de

tamaño compacto, bajo consumo de energía,

alcance moderado y facilidades de escalabilidad se

concentran en las especificaciones IEEE 802.15.1

(Certificación Bluetooth) y IEEE 802.15.4 (LR-

WPAN o Red de Área Personal con baja tasa de

transmisión según sus siglas en inglés) [7]. Aunque

Bluetooth es una opción viable en algunos

escenarios y permite la transmisión de una mayor

cantidad de datos, frente a IEEE 802.15.4 presenta

un rango de alcance significativamente menor y

diferencias importantes en cuanto al consumo de

energía y a la complejidad del stack de

comunicaciones [1].

Fig. 1. Aspectos comparativos de tres variantes de

implementación para redes inalámbricas

Es a partir de estas consideraciones que se

establece que el estándar IEEE 802.15.4, resulta

más adecuado para el desarrollo de aplicaciones

para el monitoreo de personas con fines de

observación biomédica, puesto que permite alcanzar

distancias importantes y, a pesar de su relativa

limitación en cuanto a la capacidad de transmisión,

provee los medios suficientes para suplir las

necesidades del sistema en red planteado.

C. Zigbee y el protocolo propietario MiWi

Al interior de IEEE802.15.4 se destaca Zigbee, no

obstante, una de las desventajas de Zigbee es lo

demandante que resulta para un microcontrolador la

implementación de su stack, además del hecho que

se deba pagar por las royalties constituye un ítem

determinante frente a la perspectiva de desarrollar

redes pequeñas, de costo reducido y con una

relativa facilidad de implementación. Zigbee

constituye una opción propietaria bastante robusta y

tal vez un tanto sobredimensionada para

aplicaciones orientadas para la monitorización

ambulatoria de solo una persona a la vez como en

este caso.

Aparece entonces la opción intermedia de MiWi

que es un protocolo apalancado por una conocida

firma fabricante de microcontroladores, con

tradición en el campo y que impulsa el trabajo con

una gama de dispositivos con capacidades

extendidas, que permiten la concepción e



3

implementación de aplicaciones bastante completas

[7][8]. El footprint requerido es sustancialmente

inferior al de Zigbee y, además, existe un escenario

completo para el desarrollo de las redes, desde la

programación y depuración de los nodos hasta el

seguimiento a los paquetes transmitidos.

III. CARACTERÍSTICAS DE LOS ELEMENTOS DE RED

A. Topologías de red, tipos de nodos, roles y

aspectos funcionales

Bajo la recomendación IEEE 802.15.4 A, marco

de referencia para MiWi, se cubren las topologías

de Estrella (Star), Peer-to-Peer (P2P), malla (Mesh)

y Cluster Tree [9]. La topología en estrella, por

ejemplo, centraliza las comunicaciones en el

Coordinador de la PAN. Por lo tanto todos los

dispositivos terminales solo se pueden comunicar

con el coordinador de PAN. Si un dispositivo

terminal requiere transmitir datos a otro de su tipo,

envía sus datos al coordinador de la PAN, que a su

vez, reenvía los datos al destino. A partir del

análisis del número de nodos que se integrarán a la

red y del seguimiento y la verificación de los

paquetes, se ha elegido para esta fase del proyecto

una topología estrella para la implementación.

Fig. 2. Topologías de red en estrella y cluster tree para redes MiWi

En una red en árbol (cluster tree) también solo hay

un coordinador de PAN; sin embargo, se permite a

otros coordinadores unirse a la red. Los mensajes

siguen la ruta de la estructura de árbol y pueden ser

enrutados a través de más de un nodo para alcanzar

su destino eventual. Las redes cluster tree son

multi-hop (multisalto) [7][9].

En general los dispositivos pueden asociarse en red

bajo el rol de Coordinador de la red de área personal

(COORDAP o PAN Coordinator), Coordinador

secundario o como dispositivo terminal. La

diferencia entre el COORDAP y el coordinador

secundario radica en que el primero es único en la

red, mientras que el segundo puede existir en

compañía de otros de su mismo rol, que bien

pueden actuar como dispositivos terminales pero

con capacidades de comunicación extendida, como

por ejemplo, la interconexión con otras PAN o

Clusters.

TABLA I. TIPOS DE DISPOSITIVOS EN REDES MIWI

Tipo de Dispositivo Tipo de Dispositivo

IEEE

Función Típica

Coordinador de la Red de Área Personal (PAN)

FFD Uno por red. Forma la red, asigna las direcciones de red, guarda la tabla de vinculaciones.

Coordinador (secundario)

FFD Opcional. Extiende el rango físico de la red. Le permite a más nodos unirse a la red. Puede también realizar funciones de monitoreo o control.

Dispositivo Terminal FFD ó RFD Realiza funciones de monitoreo o control.

En cuanto a la funcionalidad se habla de dos tipos

de dispositivos, RFD o dispositivo con funciones

reducidas y dispositivo con funciones completas o

FFD. Como es de suponerse, los coordinadores son

FFD siempre y los end-devices son RFDs o FFDs.

Es común que los dispositivos terminales (end-

devices) tengan un menor tamaño de memoria y

menores capacidades y características de

procesamiento. Usualmente un dispositivo terminal

es el dispositivo de menor costo en la red, aunque

para el caso de las redes de monitorización de

variables fisiológicas esto pueda ser bastante

relativo [1][7].

TABLA II. DIFERENCIAS FUNCIOANALES DE LOS DISPOSITIVOS EN REDES

MIWI

Tipo de Dispositivo

Servicios ofrecidos

Fuente de Alimentación

Configuración del Receptor

Inactivo

Dispositivo de Funciones

Completas (FFD)

Todos o la

Mayoría

Alimentación Convencional

(Mains)

ON

Dispositivo de Funciones

Reducidas (RFD)

Limitados Batería OFF



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B. Acceso al medio

En cuanto al acceso al medio, la recomendación

IEEE 802-15-4(A) permite las redes con o sin

beacon. Cuando hay beacon prácticamente cada

nodo o unidad de monitorización tendrá su tiempo

garantizado para transmitir (GTS), para redes sin

beacon, el cual es el caso de MiWi, el acceso se

hace por contienda siguiendo la mecánica de

CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Access with

Collision Avoidance). Cada vez que un dispositivo

quiere transmitir primero realiza una estimación de

canal libre (CCA o Clear Channel Assessment) para

asegurarse de que el canal no está en uso por otro

dispositivo, luego de esto el dispositivo comienza a

transmitir. La decisión de declarar un canal libre o

no puede basarse en la medición de la energía sobre

la frecuencia de interés [1][7][8].

IV. DISEÑO DEL COORDINADOR DE RED Y DE LOS

DISPOSITIVOS TERMINALES

A. Coordinador de la Red de Área Personal

El dispositivo coordinador se basa en un

microcontrolador de 16 bits, que opera como un

nodo “estático” proyectado para un escenario de

operación indoor, con suministro permanente de

energía, que posee conexión a un computador, pero

que también permite opciones de visualización local

y registro de los datos en medio extraíble [4][10].

La elección de un coordinador de red de área

personal no ambulatorio se basa en un precepto de

estabilidad de operación y disponibilidad de

conexión a computadores de escritorio, portátiles,

dispositivos móviles e incluso supone el potencial

rol mixto de Gateway hacia redes de cobertura

WLAN a partir, por ejemplo, de Wi-Fi que es

susceptible de implementación sobre sistemas

embebidos. También se puede alcanzar el ámbito de

las WMAN a través de la interacción con teléfonos

celulares o dispositivos móviles similares [11].

B. Dispositivos terminales: Nodos sensores

Los nodos sensores o unidades de monitorización

son los encargados de recolectar la información

ligada a las diferentes variables fisiológicas

monitorizadas. Un aspecto determinante en el

aspecto y tamaño final de los dispositivos

terminales es la naturaleza de la variable que deben

captar. La forma como deben ubicarse sobre las

diferentes partes del cuerpo y otros aspectos ligados

al procedimiento requerido para obtener mediciones

correctas, hace que no todos los dispositivos

resulten compactos en su presentación final y que su

portabilidad o puesta en funcionamiento, presente

limitantes [12].

TABLA III. CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DE LOS NODOS SENSORES

Característica Descripción

Variable fisiológica Signo vital o señal biomédica, entre otras;

Ritmo cardíaco, presión arterial, saturación

de oxigeno, temperatura corporal.

Periodicidad de los

envíos

Lapso de tiempo en el que deben transmitirse

los registros para tener observaciones que

aporten información significativa para el

personal que las evaluará

Periodicidad de la

medición

Establece las condiciones para la realización

de mediciones sucesivas en el tiempo

Autonomía de

operación

Tiempo de operación que del nodo ante

condiciones normales de baterías y circuitos

C. Marco Regulatorio

En Colombia el organismo que regula la operación

de dispositivos médicos y equipos biomédicos es el

INVIMA. Normalmente el Instituto Nacional de

Vigilancia de Medicamentos y Alimentos se acoge

a directrices internacionales de organismos como la

estadounidense FDA, AFSAAPS de Francia y

Health Canada entre otros. Un referente importante

es el Draft Guidance for Industry and FDA Staff

que se ha llamado “Radio Frequency Wireless

Technology in Medical Devices” [13], documento

que aborda las temáticas de Coexistencia

inalámbrica, Desempeño, Integridad, Seguridad de

los Datos y Compatibilidad Electromagnética. La

Tabla IV muestra varios temas relacionados con el

funcionamiento de las redes inalámbricas de

sensores en aspectos regulatorios y de sanidad [14].

TABLA IV. ALGUNOS ASPECTOS ACERCA DE LA INCIDENCIA DE LOS NODOS

Y LA RED DE SENSORES SOBRE TEMAS NORMATIVOS Y DE SEGURIDAD

Aspecto de la Red

Inalámbrica de Sensores

Aspectos Regulatorios y de

Seguridad Radiación electromagnética Compatibilidad electromagnética con

otros dispositivos a sus alrededores

Materiales utilizados en los

nodos y baterías

Impacto ambiental y riesgos para la

salud

Datos procesados,

transmitidos y almacenados

Seguridad de los datos y privacidad



5

Los nodos sensores definitivos deberán acogerse a

las normativas del INVIMA y de las agencias

estadounidenses FDA (Food & Drug

Administration), FCC (Federal Communications

Commission) y la directiva RoHS (Restriction of

Hazardous Substances) que rigen a nivel

internacional.

V. RESULTADOS

A. Elementos para pruebas y depuración

A la fecha se cuenta con un conjunto de cinco

nodos para realizar pruebas de operación de la red.

El conjunto está compuesto por un coordinador de

red de área personal, un nodo sensor de temperatura

y tres nodos más, que enviarán datos simulando

otras unidades de monitorización que se integrarán

posteriormente. Actualmente se está desarrollando

un nodo para el registro de actimetría.

Fig. 4. Elementos de Hardware utilizados para realizar pruebas y

ajustes sobre la funcionalidad de las comunicaciones de la red.

Para la verificación del tránsito de los paquetes por

la red se utiliza una tarjeta sniffer en conjunto con el

software ZENA [15].

Fig. 5. Visualización de la interacción de los nodos utilizando un

analizador de tráfico (Sniffer) y el aplicativo ZENA

B. Tarjeta e Interfaz del Coordinador de Red

El coordinador de red posee una pantalla para la

visualización local, además de una interface

serial/USB que permite adquirir los datos de

medición en un instrumento virtual.

Fig. 6. Tarjeta de desarrollo para realizar pruebas sobre el

coordinador de la red de área personal (PAN coordinator)

Para efectos de depuración se ha utilizado una

tarjeta de desarrollo que permite almacenar, en una

memoria EEPROM de datos, un volumen

considerable de información del sistema de

monitorización. En el diseño del prototipo

definitivo está contemplado registrar los datos de

medición en una tarjeta tipo SD. La operación del

coordinador de la red de área personal no dependerá

de que la conexión al PC esté activa. La interfaz de

instrumento virtual es un elemento de un modo de

operación complementario, el cual puede utilizarse

o no dependiendo de las necesidades especificas de

los estudios o experimentos realizados. El

microcontrolador elegido para este nodo, tiene

también capacidades para interactuar con

conexiones a Ethernet y WiFi lo que podrá

incorporarse en etapas posteriores del proyecto.

C. Nodo sensor de temperatura

Uno de los nodos desarrollados debe registrar la

temperatura corporal de la persona bajo

monitorización. Se ha trabajado con dos opciones

de alimentación; con baterías o con un adaptador

DC para pruebas muy extendidas en el tiempo. Un

módulo LCD ayuda con el proceso de ajuste de las

tareas de conversión análoga/digital y los aspectos

funcionales propio del sistema. En este último ítem



6

se abordan aspectos como el manejo de los

identificadores de nodos y paquetes transmitidos

(adicionales a los propios del estándar IEEE

802.15.4), la comunicación con la interfaz de la

instrumentación virtual y la visualización en el

display del nodo coordinador.

Fig. 7. Tarjeta para realizar las pruebas de comunicación del nodo

sensor de temperatura

VI. CONCLUSIONES

A partir de un conjunto de tarjetas electrónicas se

han realizado pruebas de operación en escenarios

indoor con el fin de verificar el funcionamiento de

las comunicaciones en una red de sensores para la

monitorización de variables fisiológicas. Los

resultados obtenidos indican la comunicación entre

los elementos de red pero también sugieren que

deben hacerse ajustes sobre la funcionalidad de las

comunicaciones según los requerimientos del

sistema en desarrollo. Se siguen realizando ajustes

sobre los nodos y sobre el esquema funcional de las

comunicaciones para garantizar escenarios de

operación con la confiabilidad necesaria.

La posibilidad de seguimiento continuo e in-situ

de diversas variables, expande las posibilidades de

trabajo de los profesionales e investigadores de

diferentes disciplinas, puesto que permite realizar

análisis y estudios con una mayor cantidad de

elementos de juicio. Esto permite elaborar visiones

más abarcadoras y detalladas de la realidad para

intervenirla de manera más acertada y efectiva.

REFERENCIAS

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[9] MiWi™ P2P Wireless Protocol, Aplication Note AN1204

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[13] Draft Guidance for Industry and FDA Staff: Radio-

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[14] A. García, J. Martínez, J. Lopez, A. Prayati, L. Redondo,

Problem Solving for Wireless Sensor Networks. London:

Springer-Verlag, 2008, ch 6.

[15] ZENA™ Wireless Network Analyzer User’s Guide,
