Redes IEEE 802.15.4 para aplicações móveis: uma arquitetura para monitoramento de grandezas fisiológicas

Abstract

Nos últimos anos, há uma notável expansão do uso das redes de sensores sem fio (RSSF). Entre as aplicações mais comuns destacam-se aquelas relacionadas com as áreas médica, militar, agricultura, meio ambiente e, mais recentemente, na automação industrial. Esta tese aborda, principalmente, as RSSFs aplicadas à saúde. A principal motivação é que diversos desafios tecnológicos precisam ser superados nesta área, os quais são muito similares aos encontrados na automação industrial. Dentre eles destacam-se: estruturação da rede e distribuição dos nodos, a construção de dispositivos eficientes, compactos, multifuncionais e baratos, a escalabilidade, além de tolerância a falhas e o consumo de energia. Além disso, outro importante aspecto está relacionado com a mobilidade, pois implica na utilização de comunicação multiponto e na troca de pontos de acessos (handoff) sem perda da qualidade de comunicação exigida pela aplicação. Estas questões abrem possibilidades de pesquisa sobre novas arquiteturas e protocolos de comunicação. Dentro deste contexto, esta tese está focada em fornecer uma arquitetura de comunicação baseada no padrão IEEE 802.15.4 que suporte a comunicação de nodos móveis em ambientes abertos, e que contemple requisitos de qualidade de serviço para, por exemplo, aplicações de monitoramento e supervisão de pacientes em reabilitação. Este trabalho tem o objetivo de implementar melhorias no mecanismo de handoff do padrão IEEE 802.15.4, possibilitando a livre movimentação de nodos móveis em uma determinada área enquanto, por exemplo, os sinais fisiológicos de pacientes são monitorados. Avaliações demonstram que o uso de novas estratégias de associação, bem como, uma adequada configuração de parâmetros da rede, melhoram significativamente a sua eficiência. As principais contribuições desta tese são: uma revisão sistemática da literatura sobre reabilitação de pacientes e as tecnologias de comunicação; um estudo e avaliação experimental sobre interferência entre redes sem fio; uma proposta de uma arquitetura para monitoramento de dados fisiológicos baseada no padrão IEEE 802.15.4; o desenvolvimento de um protótipo de eletromiógrafo sem fio e uma aplicação de monitoramento; uma revisão sistemática da literatura sobre o handoff e a proposição de melhorias no mecanismo de associação e na configuração adequada de parâmetros do mecanismo CSMA/CA.

Abstract: In recent years, there has been a notable expansion of the use of wireless sensor networks (WSNs). Among the most common applications are those related to the medical, military, agriculture, environment and, more recently, industrial automation. This doctoral thesis mainly addresses the WSNs applied to healthcare. The main motivation is that several technological challenges need to be overcome in this area which are very similar to those found in industrial automation. These include: network structuring and node distribution, design of efficient, compact, multifunctional and inexpensive devices, scalability, routing, fault tolerance, and energy consumption. In addition, another important aspect is related to patient mobility, since it implies the use of multi-hop communication and the change of handoff points without loss of communication quality demanded by the application. These issues open up possibilities for research on new architectures and communication protocols. Within this context, this thesis focuses on providing a communication architecture based on the IEEE 802.15.4 standard that supports the communication of mobile nodes in open environments, and which contemplates the quality of service requirements, for example, on monitoring and supervision applications of patients in rehabilitation process. This work aims to implement improvements in the handoff mechanism of the IEEE 802.15.4 standard, which allow the free movement of mobile nodes in a given coverage area of the network, while, for example, the physiological patient signals are monitored. Experimental and simulation experiments demonstrate that the use of new association strategies as well as an adequate setup of network parameters significantly improve their efficiency. The main contributions of this thesis are: a systematic review of the literature on patient rehabilitation and communication technologies; an experimental study and evaluation on interference between wireless networks; a proposal and experimental validation of an architecture for the monitoring of physiological data based on the IEEE 802.15.4 standard; the development of a wireless equipment of electromyography prototype and a signal monitoring application; a systematic review of the handoff literature and the proposition of improvements in the mechanism of association and an adequate configuration of CSMA/CA mechanism parameters.