Estudio de Consumo en Redes de Sensores Corporales Inalámbricos para la detección de ondas característcas en ECG

Laura Gutiérrez Muñoz

Profesores de Proyecto:David Atienza y Marcos Sánchez-Elez

Colaboradores: Francisco J. Rincón

Curso 2007/2008Facultad Informática UCM

Introducción Redes de Sensores Inalámbricas (WSN)

Redes formadas por nodos Nodos o dispositivos pequeños que miden

algún parámetro fisiológico Se comunican entre ellos y con la estación

base

CPU6%

Radio86%

ADC3%

Leds5%

CPU

Radio

ADC

Leds

Motivación La vida de los nodos es limitada debido al

consumo de energía (baterías pequeñas) El mayor consumo se registra en la Radio

Objetivo: Disminuir el consumo de la radio, disminuyendo las transmisiones

Dotar de cierta “inteligencia y control” a los nodos

Arquitectura Hardware de los Nodos WSBN

Partes del nodo WSBN: Sensor de 25-canales ultra-low-power ASIC Microprocesador TI MSP430 (2kB RAM, 60

kB ROM, 8 MHz, varios modos consumo) Radio Nordic nRF2401, comunicación

inalámbrica con la estación base

Arquitectura Software de los Nodos WBNS

TinyOS Sistema operativo WSN Basado en eventos Lenguaje NesC

Simulador TOSSIM Basado en eventos Mediciones del consumo de energía con

PowerTOSSIM Mica2 model not accurate enough

Packets reach the destination without errors

Overhearing: all the packets are sent to the microcontroller

Protocolo MAC especifico

Novel energy modeling framework

Radio, we model: Collisions CRC performed by the radio

We consider that there can be errors in the transmision of a packet

Overhearing Packets not directed to the node are discarded by the radio, but they are computed in the power consumption

Control packet overhead ACKs, synchronization packets, etc.

CPU Computed the time the CPU is in each working

mode (active, low-power, off, etc.).

Validation. TDMA MAC protocols

WSN for medical applications ECG/EEG sensors Realistic number of nodes (5 to 10) Star topology

R RR RR R RSBSB

Validation. Proposed TDMA MACs

S

SSRRB

RB

RB

RB

RB

RB

SRB

RB

RB

Base station

Node 1

Node 2

Node 3 SSR S

RSB

SSR

RB

RB

RB

SB

RB

RB

RB

S

Base station

Node 1

Node 2

Node 3

ES SB ES

RB

RB

RB

SB ES R

SSR

S

RB

RB

RB

SB ES R R

S

Static TDMA

Improvement: dynamic TDMA

Validation. Experimental setup

MAC protocols Static TDMA (with 5 nodes, changing

the TDMA cycle length) Dynamic TDMA (with a 10-ms slot

length, changing the number of nodes) ECG streaming application: all

sensors’ information sent to the base station, which processes it

Experiments run for 60s

Optimizaciones sobre el Algoritmo

Tiempo max slot

(ms)Descripción

Streaming 7 Envía todos los datos de la señal recogidos por el sensor.

Versión 1 50 Envía siempre cuando se ha hecho una detección.

Versión 2 150 Envía al detectar una cardiopatía que se ha detectado ya varias veces, y que no sea el mismo fallo enviado la ultima vez. Registro de Historia de resultados.

Versión 3 200 Envía cuando detecta 4 latidos indicando solo el instante de detección de los Rpeaks y la validación de cada uno.

Versión 4 850 Envía cuando detecta 17 latidos indicando solo la validación de cada detección y la frecuencia cardiaca.

Resultados Comparación entre las versiones

desarrolladas y el funcionamiento original sin el algoritmo: Red de 4 nodos y 1 BS, con MAC dinámico Ahorro de energía > 85,56%

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Streamming Versión 1 Versión 2 Versión 3 Versión 4

CONSUMO (mJ)

Consumo Radio (mJ)

Streaming 421.78

Versión 1 60.89

Versión 2 19.78

Versión 3 15.65

Versión 4 3.74

Conclusiones

Se pretendía: Minimizar el consumo de energia. Tiempo de vida

de los nodos máximo posible.

Partiendo de: Analisis de ECG en tiempo real, optimizado para

escasos recursos de procesamiento.

Se ha conseguido: Reducción del consumo en la Radio hasta un

99,11% Disminuir la comunicación, minimiza el consumo.

“Dotar de inteligencia al nodo”

Preguntas

Dudas, preguntas,…