Applicazioni delle Wireless Sensor

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1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI GENOVA FACOLTÀ DI INGEGNERIA Applicazioni delle Wireless Sensor Network nel campo bio-medicale Candidato: Luca Maranzano Relatore: Chiar. mo Prof. Ing. Sandro Zappatore 9 marzo

2 Sommario Campi di applicazione Architetture per le WSN Piattaforme hardware Protocollo intra-livello (XLP) Esperienze significative 2

3 Campi di applicazione Militare Ambientale Domestico Industriale Bio-medico SmartDust: reti di sensori per ambienti ostili Sniper Detection System: individuazione cecchini VigilNet: rete di sorveglianza su larga scala Great Duck Island: distribuzione uccelli marini Corie Columbia River Ecosystem Monitoraggio vulcani, livello dei fiumi, geologico Domotica Sistemi di controllo HVAC HeatingVentilationand Conditioning Sistemi di manutenzione preventiva impianti Controllo luci ambientali nei centri commerciali Tracciamento Asset e gestione catena logistica Monitoraggio remoto pazienti Sistemi di gestione delle emergenze sanitarie in caso di eventi disastrosi su larga scala 3

4 Elementi salienti delle WBSN Affidabilità Zero impatti della RF sulla salute Compatibilità Biologica Gestione della QoS Portabilità La centralità del paziente Efficienza Energetica Privacy e Sicurezza Protocolli leggeri 4

5 Architettura di una WBSN Reti a 1, 2 e 3 livelli Ad ogni livello ci sono diverse esigenze di banda, consumi, portata 5

6 Piattaforme Hardware per i sensori Diversi profili in termini di risorse hardware (CPU, RAM, I/O) La sfida dei consumi energetici 6

7 Architettura di massima di un sensore LiteOS SunSPOT Sensore o Attuatore Sensore o Attuatore o ComPort TinyOS Sink/ Hub GPIO ADC I2C SPI UART RF CPU a basso consumo RAM Storage(EEPROM, Flash) Sistema di Alimentazione SPI Sottosistema Radio System in Package Mote, PICZ, imote, Z-Wave, ZigBee, X10, GE Security 7

8 Protocolli di comunicazione IEEE LoWPAN / ZigBee Bluetooth IEEE Ultra Wide (WiFi) Band Tecnologia Data Rate Consumo Kbps 7 ma Bluetooth 1 Mbps 22 ma Mbps 200 ma UWB Ultra Wide Band 100 Mbps 2 ma 8

9 XLP Un protocollo cross-layer Le WSN adottano un modello data-centrico rispetto alle reti tradizionali Fusione dei 4 livelli inferiori in un singolo protocollo che tiene conto degli effetti del canale 9

10 XLP Dettagli implementativi Funzione di Iniziativa: ogni nodo partecipa in funzione del suo stato locale Contesa del ricevitore: ogni nodo è in contesa per diventare relay Controllo della congestione intra-livello locale Routingbasato sull angolazione Operazioni adattive al canale Operazioni in duty-cycleper minimizzare i consumi di energia 10

11 Sistemi per la telemedicina Sensori on-body : ECG, movimento, temperatura Sensori in-body : trattamenti cardiaci (pacemakers e ICD - ImplantedCardioverterDefibrillator), pompe insuliniche, monitoraggio glucosio e monitoraggio pressione sanguigna Modelli di propagazione per i canali wireless nelle BAN: pathloss, shadowing, multipath fading Standard Livello Fisico Frequenze MICS 4-FSK/ 2-FSK Mhz IEEE DSSS, BPSK/DSSS, O-QPSK/CSS 868 Mhz(EU) / 915 Mhz(US) / 2.4 Ghz IEEE a UWB BPM-BPSK con spreading Khz/3,1-5 Ghz/6-10,6 Ghz Ultra Wide Band PPM 3,1-10,6 Ghz Wireless Medical Telemetry Service Basato su x / / Mhz (USA) IEEE a/b/g PSK, DSSS, OFDM 2,4 Ghz 11

12 Analisi dei dati e modelli decisionali Categorie di motori inferenziali usati nelle applicazioni bio-mediche: Modelli basati su regole statiche Usati nelle applicazioni mission-critical(es. Pacemakers) Modelli basati su probabilità statistica Usati nel monitoraggio di un paziente per dedurne il comportamento in base all analisi dei sensori Modelli Bayesiani e di Markov Supporto alla decisione in condizioni di incertezza, aiutano a rispondere alla domanda quale evento è più probabile? 12

13 Prestazioni di reti Wireless multi-livello (1/2) Esempio di architettura multi-livello: BAN sul paziente -> coordinatore -> HUB Wireless Parametro Freq. Campionamento (Hz) Bit per campione Canali Data rate totale (bps) EEG ECG per canale Press. sangue o più 1920 Ossimetria Output Cardiaco Temperatura ,4 13

14 Prestazioni di reti Wireless multi-livello (2/2) Analisi comparativa scelte tecnologiche: Bluetooth

15 Sistemi per le emergenze sanitarie Progetto mitags(medical Information Tags): Piattaforma Wireless basata su IEEE , modulare ed estensibile che supporta le comunicazioni BAN e quelle LAN verso gli aggregatori; il mitag si interfaccia ad un nutrito insieme di sensori (pressione sangue, ECG, temperatura, GPS) Rete BAN auto-organizzante in grado di sopperire ai guasti dei nodi locali Comportamento adattivo in funzione delle condizioni del paziente Infrastruttura di supporto Wireless LAN di rapida e facile installazione Modulo server di raccolta, elaborazione e distribuzione dei dati basato su prodotti OpenSource e su Web Services standard Risultati e benefici: Automazione del monitoraggio dei pazienti in situazioni difficili: affidabilità dei dati, maggiore accuratezza nelle misure, interventi tempestivi in caso di peggioramento delle condizioni di salute Maggiore efficienza nella condivisione delle informazioni da parte degli operatori medici e dei gruppi di supporto, sia locali che presso le strutture sanitarie 15

16 Sfide future La questione energetica: migliorare l efficienza dei componenti migliorare l efficienza dei sistemi di alimentazione (batterie, pannelli solari) Evoluzione della sensoristicaper i pazienti: da indossabile a completamente contact-less La naturale tendenza ad integrare le WBSN con Internet pone l accento sulle questioni legate alla privacy e alla sicurezza: i requisiti di sicurezza classici del controllo accessi, dell autenticazione, della confidenzialità ed integrità dei dati del paziente possono diventare un ostacolo bloccante nelle situazioni di emergenza 16