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Comunicação acoplada ao corpo humano : transceiver e protocolo de rede

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Academic year: 2021

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Universidade de Aveiro Departamento deElectr´onica, Telecomunica¸c˜oes e Inform´atica 2013

Jos´

e Miguel

Laranjeira Lima

Comunica¸

ao acoplada ao corpo humano:

Transceiver e Protocolo de rede

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(3)

Universidade de Aveiro Departamento deElectr´onica, Telecomunica¸c˜oes e Inform´atica 2013

Jos´

e Miguel

Laranjeira Lima

Comunica¸

ao acoplada ao corpo humano:

Transceiver e Protocolo de rede

Disserta¸c˜ao apresentada `a Universidade de Aveiro para cumprimento dos requisitos necess´arios `a obten¸c˜ao do grau de Mestre em Engenharia Electr´onica e Telecomunica¸c˜oes, realizada sob a orienta¸c˜ao cient´ıfica do Prof. Dr. Rui Escadas Ramos Martins, Professor Auxiliar do Departamento de Electr´onica, Telecomunica¸c˜oes e Inform´atica da Universidade de Aveiro (orientador), e do Prof. Dr. Bernardo Cunha, Professor Auxiliar do Depar-tamento de Electr´onica, Telecomunica¸c˜oes e Inform´atica da Universidade de Aveiro (co-orientador).

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O j´uri / The jury

Presidente / President Professor Doutor Armando Carlos Domingues da Rocha

Professor Auxiliar do Departamento de Electr´onica, Telecomunica¸c˜oes e In-form´atica da Universidade de Aveiro (por delega¸c˜ao do Reitor da Universidade de Aveiro)

Vogais / Examiners Committee Professor Doutor V´ıtor Manuel Grade Tavares

Professor Auxiliar do Departamento de Electrot´ecnica e de Computadores da Fa-culdade de Engenharia da Universidade do Porto

Professor Doutor Rui Escadas Ramos Martins

Professor Auxiliar do Departamento de Electr´onica, Telecomunica¸c˜oes e In-form´atica da Universidade de Aveiro (orientador)

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Agradecimentos / Acknowledgements

Agrade¸co em primeiro lugar `a minha fam´ılia, pelo apoio constante, pela con-fian¸ca e pela compreens˜ao nestes ´ultimos meses. Aos meus pais agrade¸co tudo. Al´em das condi¸c˜oes que me ofereceram durante estes anos, ajudaram-me a levar este trabalho at´e ao fim.

Ao meu irm˜ao, `a minha prima, av´o e tios, agrade¸co o apoio, a preocupa¸c˜ao, e o questionamento cont´ınuo acerca do estado da disserta¸c˜ao, sempre em tom de brincadeira, permitindo descontrair em momentos de maior stress. Aos meus orientadores, pelo conhecimento transmitido, pela confian¸ca, mo-tiva¸c˜ao e por me ter permitido participar neste projecto.

Aos meus colegas do laborat´orio 234, pela amizade, motiva¸c˜ao, pela entre-ajuda, e pela presen¸ca constante nestes meses, onde muitas horas de sono foram perdidas.

Aos meus amigos, o apoio e incentivo constantes, bem como os momentos de descontra¸c˜ao proporcionados.

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Palavras-chave Comunica¸c˜ao acoplada ao corpo humano, Acoplamento capacitivo, Body Area Networks, Protocolo MAC, Transceiver

Resumo Desde o in´ıcio do novo mil´enio que as Body Area Networks (BAN) tˆem vindo a suscitar um grande interesse por parte de investigadores em todo o mundo. V´arias tecnologias tˆem vindo a ser utilizadas, e diversos protocolos de rede tˆem vindo a ser estudados `a procura do melhor compromisso de qualidade e eficiˆencia energ´etica. Actualmente, as BAN utilizam maiorita-riamente tecnologias RF, para a interliga¸c˜ao f´ısica dos diversos n´os. Nos ´

ultimos anos, as comunica¸c˜oes acopladas ao corpo humano (BCC), tˆem vindo a ser redescobertas ap´os um per´ıodo de desinteresse. BCC ´e um m´etodo de transmitir sinais el´ectricos atrav´es do corpo humano, que utiliza as propriedades condutoras do pr´oprio corpo de modo a formar um canal de comunica¸c˜ao. Este trabalho de Mestrado enquadra-se precisamente no contexto das BAN. Tem como objectivo, o projecto e implementa¸c˜ao de transceivers com suporte BCC, e tamb´em o projecto e implementa¸c˜ao de um protocolo MAC nos transceivers. Pretende-se que este sistema suporte a comunica¸c˜ao a diferentes frequˆencias. Al´em do baixo consumo, ´e pre-tendido tamb´em que este sistema suporte protocolos MAC para permitir o correcto acesso ao meio, bem como a confirma¸c˜ao de mensagens recebidas. Tudo isto deve ser implementado com recurso apenas a um microcontro-lador de relativamente baixo consumo, tirando o circuito de comunica¸c˜ao BCC. Nesta disserta¸c˜ao ´e apresentado todo o processo, desde o projecto `

a implementa¸c˜ao f´ısica dos prot´otipos, bem como o projecto do protocolo MAC. Al´em da implementa¸c˜ao, s˜ao tamb´em discutidos os resultados obti-dos como taxa de erros, qualidade de sinal recebido em diversas localiza¸c˜oes do corpo humano, mas tamb´em resultados referentes ao protocolo MAC im-plementado, como a verifica¸c˜ao de colis˜oes, o efeito das colis˜oes de pacotes no sistema, entre outros. Embora os resultados obtidos sejam bastante pro-missores, existe ainda um longo caminho a percorrer, tanto no estudo das propriedades condutivas do corpo humano e melhorias no sistema implemen-tado, bem como no estudo de mecanismos de acesso ao meio adequados `

as BAN, de modo a que esta tecnologia se torne madura o suficiente para utiliza¸c˜ao em grande escala.

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Keywords Body coupled communication, Capacitive coupling, Body Area Networks, MAC Protocol, Transceiver

Abstract Since the beginning of the new millenium, Body Area Networks (BAN) have been raising great interest from the researchers all around the world. Many technologies have being used, and several network protocols have being studied in order to achieve the best committement of quality and energy efficiency. Nowadays, BAN use mostly RF technologies for the physical connection between the nodes. In the last years, Body Coupled Communi-cations (BCC), have been rediscovered after a period of disinterest. BCC is a method of delivering electric signals through the human body, which uses the conducting properties of the body to form a communication channel. This Master Thesis’ work fits precisely in the context of BAN’s. The main goals are the project and development of transceivers with BCC capability, and also the project and implementation of a MAC protocol in the trans-ceivers. It is pretended that this system has support for comunnication at several frequencies. Besides the low consumption, this system has to sup-port MAC protocols to manage the correct access to the channel, as also as message receveid’ confirmation. All this should be implemented with resource of only one low power microcontroller, besides the BCC circuitry. In this thesis it is presented the whole process, from the project to the phy-sical implementation of the prototypes, as also as the project of the MAC protocol. Besides the implementation, it will be discussed the obtained re-sults as error rates and quality of the signal received in several zones of the human body, but also results of the implemented MAC protocol, such as collision ocurrences, the effect of collisions in the system, among others. Although the obtained results are very promising, there is still a long way to go, either in the study of the conducting properties of the human body, as in the study of the MAC protocols suitable for BAN’s, to this technology become sufficiently mature to a global use.

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Conte´

udo

Conte´udo i

Lista de acr´onimos v

Lista de Figuras vii

Lista de Tabelas xiii

1 Introdu¸c˜ao 1 1.1 Enquadramento . . . 1 1.2 Objectivos . . . 2 1.3 Metodologia . . . 2 1.4 Estrutura da disserta¸c˜ao . . . 2 2 Estado da arte 5 2.1 Introdu¸c˜ao aos conceitos: de PAN a BCC . . . 5

2.2 Estado da arte . . . 6

2.2.1 Zimmerman, MIT, 1995 [1] [2] . . . 6

2.2.2 Hugo Barreira, Universidade de Aveiro, 2009 [3] . . . 6

2.2.3 Jos´e Reis, Universidade de Aveiro, 2010 [5] . . . 7

2.2.4 Humberto Castanheira, Universidade de Aveiro, 2012 [6] . . . 7

2.3 Body Area Networks . . . 8

2.3.1 Introdu¸c˜ao . . . 8

2.3.2 Requisitos ideais . . . 8

2.3.3 Posicionamento das BAN . . . 10

2.3.4 Principais diferen¸cas entre BAN e WSN . . . 11

2.4 Problemas das BAN actuais . . . 12

2.5 Comunica¸c˜ao acoplada ao corpo humano . . . 14

2.5.1 M´etodos para comunica¸c˜ao atrav´es do corpo humano. . . 14

2.5.2 Near-field e far-field . . . 16

2.5.3 Distribui¸c˜ao do campo el´ectrico . . . 17

2.6 Revis˜ao do artigo [26] . . . 19

2.7 Consumo de energia . . . 21

2.8 Protocolo de rede . . . 22

2.8.1 Physical layer . . . 24

(14)

3.2 Arquitectura do transceiver desenvolvido em [6] . . . 28

3.3 Sistema de comunica¸c˜ao implementado . . . 30

3.4 Implementa¸c˜ao do transmissor . . . 31 3.4.1 Sincronismo - UART . . . 31 3.4.2 FSK Generator . . . 32 3.4.3 IF Conversion mixer . . . 33 3.4.4 RF Conversion Mixer . . . 36 3.4.5 Amplificador sintonizado . . . 37 3.5 Implementa¸c˜ao do receptor . . . 39 3.5.1 Amplificador sintonizado . . . 40 3.5.2 IF Conversion Mixer . . . 41

3.5.3 Amplificador de frequˆencia interm´edia e limitador . . . 42

3.5.4 Desmodulador . . . 44

3.5.5 Amplificador . . . 47

3.5.6 Circuito de decis˜ao . . . 48

3.6 Unidade central de controlo . . . 49

3.7 Layout da Placa de Circuito Impresso . . . 50

3.8 Considera¸c˜oes finais . . . 51

4 Implementa¸c˜ao da camada PHY 53 4.1 Abstrac¸c˜ao do Hardware . . . 53

4.2 Protocolo de rede . . . 54

4.3 Camada f´ısica - PHY. . . 54

4.4 Estrutura dos pacotes . . . 55

4.4.1 Preamble . . . 56

4.4.2 1st Delimiter . . . 57

4.4.3 2nd Delimiter . . . 57

4.4.4 Header. . . 57

4.4.5 Payload . . . 58

4.4.6 FCS – Frame Check Sequence. . . 58

4.5 Filas de pacotes. . . 58

4.6 Clear Channel Assessment . . . 58

4.7 Transmiss˜ao de pacotes . . . 59

4.8 Recep¸c˜ao de pacotes . . . 59

4.9 Overhead . . . 60

4.10 Aplica¸c˜oes reais . . . 61

4.10.1 Chat . . . 61

4.10.2 Transferˆencia de ficheiros . . . 62

Fase 1 . . . 63

Fase 2 . . . 63

Fase 3 . . . 64

(15)

5 Implementa¸c˜ao da camada MAC 67

5.1 Nova implementa¸c˜ao da camada f´ısica . . . 67

5.1.1 Altera¸c˜oes a n´ıvel de Hardware . . . 67

Microcontrolador . . . 68

Altera¸c˜oes ao n´ıvel do Firmware . . . 68

5.2 Camada de liga¸c˜ao de dados - MAC . . . 69

5.2.1 Framing . . . 69

5.2.2 Frame Control . . . 70

5.2.3 Sequence Number . . . 71

5.2.4 Destination Address / Message ID . . . 71

5.2.5 Source Address . . . 71

5.2.6 Transmiss˜ao de m´ultiplas frames . . . 72

5.3 Transmiss˜ao de frames . . . 72

5.4 Mecanismos de acesso ao meio . . . 73

5.5 Recep¸c˜ao de frames. . . 75

5.6 Aplica¸c˜oes reais . . . 76

5.6.1 Chat . . . 76

5.7 Considera¸c˜oes finais . . . 78

6 Resultados 79 6.1 Hardware . . . 79

6.1.1 Aspecto final do transceiver . . . 79

6.1.2 Formas de onda relevantes. . . 80

Bloco Transmissor . . . 80

Bloco receptor . . . 82

6.1.3 An´alise qualitativa do sinal recebido . . . 87

6.1.4 Consumo . . . 90

6.2 Camada PHY . . . 92

6.2.1 Descodifica¸c˜ao dos pacotes . . . 92

6.2.2 Alcance do transceiver . . . 94

6.2.3 Qualidade do sinal . . . 95

6.3 Camada MAC. . . 100

6.3.1 CSMA . . . 100

Transmiss˜ao de dois transceivers . . . 100

Transmiss˜ao de trˆes transceivers . . . 102

6.3.2 Acknowledges . . . 105

6.3.3 Efeito das colis˜oes . . . 105

6.4 Considera¸c˜oes finais . . . 106

7 Conclus˜ao e Trabalho Futuro 109 7.1 Conclus˜ao . . . 109

7.2 Trabalho Futuro . . . 110

(16)

A.2 Bloco receptor . . . A5 A.3 Alimenta¸c˜ao . . . A10

B Esquem´atico dos transceivers (PCB) A11

B.1 Bloco transmissor . . . A13 B.2 Bloco receptor . . . A14 B.3 Alimenta¸c˜ao . . . A17

(17)

Lista de acr´

onimos

AC Alternate Current ACK Acknowledge

AM Amplitude Modulation ASK Amplitude Shift Keying BAN Body Area Network

BFSK Binary Frequency Shift Keying BSN Body Sensor Network

CCA Clear Channel Assessment CCT Capacitive Coupling Transceiver CSMA Carrier Sense Multiple Access CW Contention Window

DC Direct Current

DDS Direct Digital Synthesizer FCS Frame Check Sequence

FDM Frequency Division Multiplex FM Frequency Modulation

FPGA Field Programmable Gate Array FSK Frequency Shift Keying

HBC Human Body Communicaction HW Hardware

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IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IF Intermidiate Frequency

IFS Inter Frame Sequence

ISM Industrial, Scientific and Medical

ITU International Telecommunications Union LAN Local Area Network

LO Local Oscillator

MAC Medium Access Control

MIT Massachusetts Institute of Technology PA Power Amplifier

PAN Personal Area Network PCB Printed Circuit Board PLL Phase Lock Loop PSK Phase Shift Keying

PWM Pulse Width Modulation QoS Quality of Service

RF Radio Frequency

RSSI Receiver Signal Strength Indicator SNR Signal to Noise Relation

TDM Time Division Multiplex

UART Universal Asynchronous Receiver/Transmitter VCO Voltage Control Oscillator

WAN Wide Area Network

WBAN Wireless Body Area Network WLAN Wireless Local Area Network

WMAN Wireless Metropolitan Area Network WSN Wireless Sensor Network

(19)

Lista de Figuras

2.1 Prot´otipo desenvolvido. . . 6

2.2 Compara¸c˜ao da atenua¸c˜ao da propaga¸c˜ao do sinal no corpo humano e no ar. [4] 7 2.3 Prot´otipo desenvolvido. Constitu´ıdo por duas PCB’s e o el´ectrodo. . . 8

2.4 Gr´afico comparativo de v´arias tecnologias de comunica¸c˜ao sem fios. Retirado de [9]. . . 9

2.5 Requisitos de variados testes no sector m´edico, onde as BAN podem ser ´uteis. Retirado de [10]. . . 10

2.6 (a) Exemplo pr´atico da comunica¸c˜ao nas BAN. (b) Posicionamento das BAN no paradigma nas redes sem fios. [11] . . . 11

2.7 Caracter´ısticas das BAN comparativamente `as WSN e WLAN. Retirado de [11] 13 2.8 Interferencia entre n´os devido ao alcance demasiado elevado das tecnologias utilizadas nas BAN. Retirado de [7]. . . 14

2.9 Acoplamento galvˆanico. Retirado de [21] . . . 15

2.10 Acoplamento capacitivo. (a) Distribui¸c˜ao do campo-el´ectrico (b) Modelo equi-valente el´ectrico. Retirado de [24] . . . 15

2.11 As diferentes regi˜oes de acordo com o comprimento de onda de uma fonte EM. Retirado de [25]. . . 16

2.12 Tabela descritiva das regi˜oes near-field e far-field. Retirado de [27] . . . 17

2.13 Modelos utilizados neste estudo. (a) Caracter´ısticas da antena (b) Carac-ter´ısticas do corpo humano . . . 18

2.14 Distribui¸c˜ao do campo el´ectrico no corpo humano para diferentes frequˆencias. (a) 3 MHz. (b) 30 MHz. (c) 300 MHz. (d) 3GHz. . . 19

2.15 Vista simplificada do modelo assumido. (a) Detalhe da liga¸c˜ao do el´ectrodo e corpo humano. (b) Vista geral do modelo com el´ectrodos emissores e receptores. 20 2.16 Modelo assumido. (a) Sistema de trˆes condutores. (b) Equivalente el´ectrico. . 20

2.17 El´ectrodos de teste utilizados na pr´atica e no simulador. . . 20

2.18 Resultados obtidos do ganho do sistema em fun¸c˜ao da distˆancia. (A) Liga¸c˜ao directa ao cabo coaxial e oscilosc´opio. (B) Utilizando um buffer com capacidade de entrada de 3 pF no el´ectrodo receptor. Retirado de [26]. . . 21

2.19 Camadas f´ısicas e MAC do standard 802.15.6. . . 23

2.20 Frequˆencias dispon´ıveis para as BAN. . . 23

2.21 Frequˆencias dispon´ıveis para as BAN. . . 23

2.22 Stack protocolar das WSN. . . 24

2.23 Estrutura dos pacotes da camada f´ısica HBC do standard 802.15.6. . . 25

(20)

3.3 Representa¸c˜ao da arquitectura de transmiss˜ao do transceiver desenvolvido em

[6] . . . 29

3.4 Representa¸c˜ao da arquitectura de recep¸c˜ao do transceiver desenvolvido em [6] 29 3.5 Esquema representativo da arquitectura implementada no transceiver desen-volvido. . . 30

3.6 Representa¸c˜ao dos blocos constituintes da parte da transmiss˜ao do transceiver desenvolvido. . . 31

3.7 Representa¸c˜ao dos m´odulos internos do microcontrolador constituintes do FSK Generator . . . 32

3.8 Exemplo da modula¸c˜ao FSK implementada . . . 33

3.9 Diagrama de blocos do SA602 . . . 34

3.10 Divisor resistivo utilizado para atenuar o sinal FSK gerado pelo microcontro-lador. ´E retirada a componente DC atrav´es de C1 e aplicada uma filtragem suave atrav´es de C2 . . . 35

3.11 Circuito associado ao SA602 para a convers˜ao de FSK de baixa frequˆencia para FSK de alta frequˆencia . . . 35

3.12 Resposta em frequˆencia do filtro cerˆamico utilizado. [36] . . . 36

3.13 Circuito do amplificador sintonizado correspondente ao andar de sa´ıda . . . . 37

3.14 Compara¸c˜ao da resposta em frequˆencia de uma malha LC para elevados e reduzidos valores de Q . . . 38

3.15 Simula¸c˜ao do andar de entrada . . . 39

3.16 Representa¸c˜ao dos blocos constituintes da parte da transmiss˜ao do transceiver desenvolvido. . . 39

3.17 Circuito do amplificador sintonizado correspondente ao andar de entrada. . . 40

3.18 Simula¸c˜ao do andar de entrada . . . 41

3.19 Diagrama de blocos do SA636 . . . 42

3.20 Adi¸c˜ao do sinal `a frequˆencia imagem com o sinal pretendido . . . 42

3.21 Adi¸c˜ao do sinal `a frequˆencia imagem com o sinal pretendido . . . 43

3.22 Detector de quadratura simples. Retirado de [39] . . . 44

3.23 Fase em fun¸c˜ao da frequˆencia normalizada. Retirado de [39] . . . 45

3.24 Circuito utilizado para o detector de quadratura . . . 46

3.25 Exemplo representativo da varia¸c˜ao da tens˜ao de referˆencia aplicada ao varicap consoante o duty-cycle . . . 46

3.26 Simula¸c˜ao da resposta em frequˆencia do detector de quadratura. Imagem reti-rada de [6] . . . 47

3.27 Circuito utilizado na amplifica¸c˜ao do sinal desmodulado . . . 47

3.28 Representa¸c˜ao dos m´odulos internos do microcontrolador constituintes do Cir-cuito de decis˜ao . . . 49

3.29 Layout do circuito. (a) Camada TOP da PCB. (b) Camada BOTTOM da PCB. 51 4.1 Vis˜ao geral da arquitectura do transceiver . . . 53

4.2 Vis˜ao geral da arquitectura f´ısica do transceiver . . . 55

4.3 Processo geral de recep¸c˜ao e transmiss˜ao da camada PHY . . . 55

(21)

4.5 Utiliza¸c˜ao do 1o delimitador para receber correctamente os restantes campos

do pacote . . . 57

4.6 Buffers para transmiss˜ao e recep¸c˜ao apenas na camada PHY . . . 59

4.7 Processo de detec¸c˜ao de um pacote . . . 60

4.8 Processo de recep¸c˜ao ap´os a detec¸c˜ao de um pacote. . . 60

4.9 Aplica¸c˜ao Chat. Esta aplica¸c˜ao est´a embutida no transceiver. . . 61

4.10 Fluxograma do processo geral da aplica¸c˜ao Chat . . . 62

4.11 Modelo da transferˆencia de ficheiros na Fase 1. S˜ao utilizado dois buffers para recep¸c˜ao, para deste modo ser poss´ıvel transmitir continuamente, caso contr´ario seria necess´ario esperar pelo fim da transmiss˜ao para preencher o buffer. . . . 63

4.12 Processo da transferˆencia de ficheiros com controlo de erros. . . 64

4.13 Aplica¸c˜ao desenvolvida para a transferˆencia de ficheiros . . . 65

5.1 Compara¸c˜ao entre a implementa¸c˜ao da camada f´ısica anterior e actual. O rendimento desta nova implementa¸c˜ao ´e bastante superior.. . . 69

5.2 Estrutura das frames relativamente `a estrutura dos pacotes . . . 70

5.3 Estrutura do campo Frame Control. ´E tamb´em indicado o n´umero de bits para cada subcampo . . . 70

5.4 Estrutura dos campos Source e Destination Address. Na camada MAC im-plementada, no campo Source Address apenas tem significado o subcampo Address . . . 71

5.5 Transmiss˜ao de uma mensagem com 500 bytes por um n´o na rede, e tamb´em de uma mensagem de outro n´o. Na transmiss˜ao com frames singulares, a mensagem do n´o 2 pode interromper a transmiss˜ao cont´ınua do outro n´o. Isto n˜ao acontece na transmiss˜ao de frames m´ultiplas. . . 72

5.6 Caso de uma transmiss˜ao efectuada com sucesso [41] . . . 73

5.7 Caso de uma transmiss˜ao efectuada sem sucesso [41] . . . 73

5.8 Probabilidade de sucesso das transmiss˜oes de acordo com o n´umero de n´os. CW = 32 Slots. [41] . . . 74

5.9 Algoritmo CSMA implementado. . . 75

5.10 Mensagens transmitida pelo transceiver com endereco 10. . . 76

5.11 Mensagens transmitida pelo transceiver com endereco 15. . . 77

5.12 Mensagens recebidas pelo transceiver com endereco 0 . . . 77

6.1 Transceivers desenvolvidos. Em a) a primeira vers˜ao, e em b) a nova vers˜ao do transceiver. . . 80

6.2 PCB’s assembladas correspondentes `a nova vers˜ao do transceiver. `A esquerda, a camada TOP da PCB e `a direita a camada BOTTOM . . . 80

6.3 Sinal UART e FSK de banda base. (a) Baudrate: 30 kbps. (b) Baudrate: 100 kbps.. . . 81

6.4 Espectro do sinal `a sa´ıda do primeiro mixer 6.4(a), e `a entrada do segundo mixer 6.4(b). . . 81

6.5 Sinais FSK de banda base, a amarelo, e FSK-IF, a azul. (a) f0 (b) f1 . . . . 82

6.6 Espectro do sinal `a sa´ıda do 2o mixer. . . . . 83

6.7 (a) Espectro do sinal transmitido. (b) Sinal transmitido no dom´ınio do tempo. 83 6.8 Espectro do sinal `a entrada do mixer do SA636.. . . 84

(22)

6.10 Espectro do sinal `a sa´ıda do amplificador do SA636 6.9(a), e `a entrada do limitador tamb´em do SA636 6.9(b) . . . 85 6.11 Espectro do sinal `a sa´ıda do limitador do SA636 6.9(a), e o sinal no dom´ınio

do tempo em 6.9(b) . . . 85 6.12 Sinal recebido em fun¸c˜ao do duty-cycle do PWM de sintonia do varicap da

malha de quadratura. A amarelo, a RSSI, a azul, o sinal desmodulado, e a roxo, o sinal desmodulado amplificado. (a) Duty-cycle: 0% (b) Duty-cycle: 20% (c) Duty-cycle: 35% (d) Duty-cycle: 50%. . . 86 6.13 Sinal recebido. A amarelo, a RSSI, a azul, o sinal desmodulado, e a roxo, o

sinal depois do circuito de decis˜ao. (a) Baudrate: 30 kbps. (b) Baudrate: 100 kbps.. . . 87 6.14 Informa¸c˜ao b´asica contida num diagrama de olho. Retirado de [44] . . . 87 6.15 Diagramas de olho referentes ao sinal desmodulado e amplificado. Para obter

os diagramas foi utilizada a seguinte sequˆencia de bits: 0101 0001 0111 0011. (a) Transmiss˜ao a 30 kbps. (b) Transmiss˜ao a 100 kbps. . . 88 6.16 Consumo do modo emissor. Medidas efectuadas com recurso `a alimenta¸c˜ao

atrav´es da porta USB de um PC port´atil. (a) Escala de tempo reduzida. (b) Escala de tempo aumentada. . . 91 6.17 Corrente relativa `a transmiss˜ao de pacotes. N˜ao est´a activo o SA636 neste modo. 92 6.18 Sinal desmodulado e amplificado a 10 kbps, e n´ıvel m´edio do sinal para decis˜ao.

A amarelo, a RSSI, a azul, o sinal desmodulado e amplificado, e a roxo, o n´ıvel m´edio do sinal. . . 92 6.19 Sinal desmodulado e amplificado a 30 kbps, e n´ıvel m´edio do sinal para decis˜ao.

A amarelo, a RSSI, a azul, o sinal desmodulado e amplificado, e a roxo, o n´ıvel m´edio do sinal. . . 93 6.20 Sinal desmodulado e amplificado a 100 kbps, e n´ıvel m´edio do sinal para decis˜ao.

A amarelo, a RSSI, a azul, o sinal desmodulado e amplificado, e a roxo, o n´ıvel m´edio do sinal. . . 93 6.21 Sinal recebido. A amarelo, a RSSI, a roxo, o sinal desmodulado, e a azul, o

sinal depois do circuito de decis˜ao. (a) Baudrate: 30 kbps (b) Baudrate: 100 kbps . . . 94 6.22 Exemplos das situa¸c˜oes onde se testou o alcance do transceiver, atrav´es de

um indicador luminoso. (a) Numa superf´ıcie n˜ao condutora. (b) Com um transceiver em cada m˜ao. (c) Com um transceiver na m˜ao, e outro por baixo da planta do p´e. (d) Entre dois corpos.. . . 95 6.23 Sistema de referˆencia. Cen´ario onde foram realizadas as medi¸c˜oes do n´ıvel da

RSSI em fun¸c˜ao da distˆancia entre os transceivers. . . 96 6.24 Resultados do Packet Error Rate e n´ıvel da RSSI em fun¸c˜ao da distˆancia entre

os transceivers no sistema de referˆencia. . . 96 6.25 Casos onde foram realizadas as medi¸c˜oes do n´ıvel da RSSI em fun¸c˜ao da

distˆancia entre os transceivers. (a) Transceiver emissor colocado sobre a m˜ao e transceiver receptor sobre o bra¸co. (b) Transceiver emissor colocado sob a m˜ao e transceiver receptor sobre o bra¸co. . . 98 6.26 Resultados obtidos do n´ıvel da RSSI nos casos em que os transceivers

(23)

6.27 Resultados obtidos do n´ıvel da RSSI do transceiver receptor em fun¸c˜ao da da distˆancia entre os transceivers, numa mesa com suporte met´alico. . . 100 6.28 Cen´arios utilizados. (a) Caso 1. (b) Caso 2. . . 101 6.29 Transmiss˜ao cont´ınua de frames pelos transceivers. A roxo, o sinal relativo

`

a transmiss˜ao do transceiver 1, a amarelo, a transmiss˜ao do transceiver 2, e a azul, a transmiss˜ao de Acknowledges do transceiver 3. (a) Transmiss˜ao de frames dos transceivers 1 e 2. (b) Transmiss˜ao de frames dos transceivers 1 e 2,e transmiss˜ao de Acknowledges por parte do transceiver 3. . . 101 6.30 Cen´ario utilizado, onde os dois transceivers tentam transmitir frames

continu-amente. . . 102 6.31 Transmiss˜ao cont´ınua de frames pelos transceivers. A roxo, o sinal relativo `a

transmiss˜ao do transceiver 1, e a azul, a transmiss˜ao de frames do transceiver 2.102 6.32 Cen´ario utilizado para a transmiss˜ao de trˆes transceivers. . . 103 6.33 Transmiss˜ao cont´ınua de frames pelos transceivers. A roxo, o sinal relativo

`

a transmiss˜ao do transceiver 1, a amarelo, a transmiss˜ao do transceiver 2, e a azul, a transmiss˜ao do transceiver 3. (a) Transmiss˜ao cont´ınua dos trˆes transceivers. (b) Transmiss˜ao cont´ınua dos trˆes transceivers numa escala de tempo maior. . . 103 6.34 Cen´ario utilizado, onde os trˆes transceivers tentam a transmiss˜ao cont´ınua de

frames.. . . 104 6.35 Transmiss˜ao cont´ınua de frames pelos transceivers. A roxo, o sinal relativo `a

transmiss˜ao do transceiver 1, a amarelo, a transmiss˜ao do transceiver 2, e a azul, a transmiss˜ao do transceiver 3. (a) Escala de tempo pequena. (b) Escala de tempo maior. . . 104 6.36 Envio de pacotes e confirma¸c˜ao atrav´es de Acknowledges. A amarelo, a RSSI,

a roxo, o sinal transmitido, e a azul o sinal recebido ap´os o circuito de decis˜ao. 105 6.37 Transmiss˜ao cont´ınua de pacotes pelos transceivers. A azul, o sinal relativo

`

a transmiss˜ao do transceiver 1, a roxo, a transmiss˜ao do transceiver 2, e a amarelo, o sinal recebido e desmodulado do transceiver 3. . . 106 A.1 Circuito do bloco do microcontrolador da primeira vers˜ao do transceiver.. . . A2 A.2 Circuito do bloco do microcontrolador da segunda vers˜ao do transceiver. . . . A3 A.3 IF Conversion mixer. . . A4 A.4 RF Conversion Mixer. . . A4 A.5 Andar de sa´ıda. . . A5 A.6 Andar de entrada da primeira vers˜ao do transceiver. . . A6 A.7 Andar de entrada da segunda vers˜ao do transceiver. . . A7 A.8 Andar de frequˆencia interm´edia. . . A8 A.9 Amplificador do sinal desmodulado. Primeira vers˜ao do transceiver. . . A9 A.10 Amplificador do sinal desmodulado. Segunda vers˜ao do transceiver.. . . A9 A.11 Alimenta¸c˜ao do transceiver. . . A10 B.1 Circuito do bloco do microcontrolador. . . A12 B.2 IF Conversion mixer. . . A13 B.3 RF Conversion Mixer. . . A13 B.4 Andar de sa´ıda. . . A14 B.5 Andar de entrada. . . A14

(24)
(25)

Lista de Tabelas

2.1 Eficiˆencia de radia¸c˜ao da antena a diferentes frequˆencias.. . . 18 6.1 Consumo dos modos do transceiver. . . 90 6.2 Resultados do Packet Error Rate e n´ıvel da RSSI para diversas situa¸c˜oes. . . 97

(26)
(27)

Cap´ıtulo 1

Introdu¸

ao

1.1

Enquadramento

Desde a banaliza¸c˜ao da televis˜ao e r´adio, nos ´ultimos 30 anos, que pode-se dizer que entr´amos na era das tecnologias da informa¸c˜ao. A necessidade de fornecer `as pessoas os mais variados tipos de informa¸c˜ao, levou ao surgimento de novas tecnologias. `A medida que novas tecnologias iam surgindo, procurou-se tamb´em a miniaturiza¸c˜ao dos diversos dispositivos electr´onicos. Antes os primeiros computadores ocupavam enormes ´areas, hoje conseguimos transportar um computador num bolso.

Do ponto de vista das comunica¸c˜oes sem fios, verifica-se um crescimento inverso `a `area por elas abrangida. Inicialmente, com o r´adio e televis˜ao, pretendia-se abranger a maior ´area poss´ıvel, agora o maior foco encontra-se nas comunica¸c˜oes sem fios pessoais, devido ao ao crescimento e ao aumento de utiliza¸c˜ao dos dispositivos port´ateis.

No mundo actual, ´e dif´ıcil encontrar uma pessoa que n˜ao possua diversos dispositivos electr´onicos port´ateis, sejam eles telem´oveis, smartphones, leitores de mp3, entre muitos ou-tros. A interac¸c˜ao entre estes dispositivos numa rede pessoal, ´e realizada atrav´es de comu-nica¸c˜oes r´adio, que utiliza uma banda do espectro electromagn´etico que ´e partilhada por praticamente todas comunica¸c˜oes sem fios para uso dom´estico, sejam elas Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee, etc. Neste tipo de comunica¸c˜oes sem fios, surge tamb´em o problema da privacidade, isto ´e, como as tecnologias RF abrangem uma ´area significativa, as comunica¸c˜oes s˜ao pass´ıveis de serem interceptadas. Existe assim uma lacuna a preencher nas redes de dispositivos pes-soais, de modo a evitar estes problemas.

Nos ´ultimos anos, as redes sem fios para uso pessoal, passaram das WLAN, que abrangiam uma ´area significativa, para as PAN, que tˆem um alcance reduzido, atingido apenas alguns metros. Seguindo esta linha de ideias, resta apenas o desenvolvimento de uma rede sem fios verdadeiramente pessoal, onde os dispositivos interagem entre si, apenas no corpo utilizador, ou a poucos cent´ımetros deste. Este tipo de redes possibilitaria:

• Envio de dados de um leitor mp3 para os auriculares sem fios

• Efectuar pagamentos, de modo semelhante `a tecnologia NFC, mas apenas por apro-xima¸c˜ao da m˜ao do terminal

(28)

• Ver o trajecto do autocarro no smartphone, pela aproxima¸c˜ao da m˜ao de uma zona da paragem de autocarros

• Ver um trailer de um filme no smartphone atrav´es do toque num poster

• Reduzir a abundˆancia de cabos, ou at´e mesmo elimin´a-los, na monitoriza¸c˜ao dos diversos sinais vitais dos pacientes de um hospital

• Entre milhares de outras aplica¸c˜oes...

1.2

Objectivos

Este trabalho de disserta¸c˜ao de Mestrado insere-se no contexto das Body Area Networks (BAN). Com a realiza¸c˜ao deste projecto, pretende-se efectuar o envio e recep¸c˜ao de informa¸c˜ao utilizando o corpo humano como meio de transmiss˜ao. O objectivo principal consiste no projecto e implementa¸c˜ao de um sistema, que permita a comunica¸c˜ao entre trˆes transceivers, simulando uma rede, atrav´es do toque ou aproxima¸c˜ao do corpo humano.

Pretende-se que o transceiver seja um dispositivo port´atil, e low power, ou seja, que consuma o m´ınimo de energia para o correcto funcionamento. Relativamente `a taxa de trans-miss˜ao, pretende-se que atinja os 100 Kbps, sendo um valor suficiente para a transmiss˜ao de sinais vitais.

O projecto do transceiver deve permitir efectuar o estudo a diversas frequˆencias de trans-miss˜ao, com o m´ınimo de modifica¸c˜oes nos transceivers.

´

E tamb´em objectivo projectar um protocolo de rede capaz de interligar os transceivers, e garanta a inexistˆencia de erros na recep¸c˜ao.

Como objectivo secund´ario, surge uma aplica¸c˜ao pr´atica para demonstrar a versatilidade deste sistema. Para o efeito, implementa-se um mecanismo de transferˆencia de ficheiros que permita a correcta transferˆencia de ficheiros de um computador para outro, atrav´es dos transceivers, utilizando elevadas taxas de transmiss˜ao. Posto isto, se ´e poss´ıvel transferir ficheiros de computador correctamente, facilmente realiza a transmiss˜ao de qualquer outro tipo de informa¸c˜ao, como o caso de sinais vitais.

1.3

Metodologia

A realiza¸c˜ao desta disserta¸c˜ao assenta num projecto de continuidade. Este projecto visa desenvolver meios para a comunica¸c˜ao atrav´es do corpo humano. Uma revis˜ao dos traba-lhos realizados previamente ser˜ao apresentados no cap´ıtulo 2. De igual modo, este trabalho destina-se a ser uma base para projectos futuros.

1.4

Estrutura da disserta¸

ao

Esta disserta¸c˜ao de Mestrado encontra-se dividida em 6 cap´ıtulos, al´em deste introdut´orio: • Cap´ıtulo 2 - Estado da arte: S˜ao introduzidos os conceitos relativos ao contexto deste tipo de tecnologias. ´E tamb´em feita uma revis˜ao dos trabalhos realizados anteriormente, no ˆambito deste projecto, na Universidade de Aveiro. ´E feita uma pequena revis˜ao de um artigo que apresenta a distribui¸c˜ao do campo el´ectrico no corpo humano, em rela¸c˜ao

(29)

1.4. Estrutura da disserta¸c˜ao

`

as frequˆencias de trabalho. Por ´ultimo, ´e abordado o rec´em standard IEEE 802.15.6, relativo ao protocolo de rede das BAN.

• Cap´ıtulo 3 - Sistema de comunica¸c˜ao: Inicialmente ´e feita uma breve apresenta¸c˜ao do sistema de comunica¸c˜ao do trabalho realizado anteriormente. Posteriormente, ´e feita uma exposi¸c˜ao detalhada do projecto do sistema realizado neste trabalho.

• Cap´ıtulo 4 - Implementa¸c˜ao da camada PHY: Apresenta¸c˜ao dos detalhes e da imple-menta¸c˜ao da camada PHY neste sistema. S˜ao apresentadas tamb´em as aplica¸c˜oes pr´aticas, um Chat e transferˆencia de ficheiros, realizadas com base nesta camada do protocolo.

• Cap´ıtulo 5 - Implementa¸c˜ao da camada MAC: ´E apresentado em primeiro lugar as altera¸c˜oes que tiveram que ser realizadas na segunda vers˜ao do transceiver. De seguida, e de igual modo que no cap´ıtulo 4, s˜ao apresentados os detalhes da implementa¸c˜ao da camada MAC. ´E apresentado o mecanismo de acesso ao meio implementado, e tamb´em uma a aplica¸c˜ao pr´atica, um Chat, que permite o endere¸camento das mensagens com base no endere¸co MAC.

• Cap´ıtulo 6 - Resultados: Apresenta¸c˜ao e discuss˜ao de todos os resultados relevantes, relativos `a implementa¸c˜ao dos transceivers, bem como `a implementa¸c˜ao das camadas PHY e MAC do protocolo projectado.

• Cap´ıtulo 7 - Conclus˜ao e Trabalho Futuro: Resumo geral do trabalho realizado. Termina-se a disTermina-serta¸c˜ao os aspectos a melhorar, e com a exposi¸c˜ao de linhas de trabalho que poder˜ao ser desenvolvidas no futuro.

Al´em destes cap´ıtulos, encontra-se em anexo para consulta auxiliar, o esquem´atico dos transceivers desenvolvidos.

(30)
(31)

Cap´ıtulo 2

Estado da arte

Neste cap´ıtulo s˜ao apresentados os conceitos gerais da tecnologia referente a este projecto, bem como a revis˜ao do estado da arte, apresentando tamb´em o trabalho realizado anterior-mente por alunos da Universidade de Aveiro.

2.1

Introdu¸

ao aos conceitos: de PAN a BCC

PAN (Personal Area Network) ´e um conceito introduzido pela primeira vez por Thomas Zimmerman em 1995, que caracteriza um sistema de comunica¸c˜ao que permite que os v´arios dispositivos pessoais, como PDA’s e telem´oveis troquem informa¸c˜ao.

Quando Zimmerman propˆos este conceito, como fruto do seu trabalho, tinha referido que o meio de transmiss˜ao das PAN seria o pr´oprio corpo humano e a informa¸c˜ao seria transmitida por varia¸c˜oes no campo el´ectrico (acoplamento electrost´atico)[1]. Devido a ser uma proposta revolucion´aria, atraiu a aten¸c˜ao de diversos investigadores em todo mundo. No entanto, PAN viria a tornar-se mais tarde um conceito mais geral, mais abrangente e mais adequado ao seu significado, ou seja, sem se relacionar com a camada f´ısica. Por exemplo, uma rede de dispositivos Bluetooth (piconets), ´e considerada uma PAN.

A descri¸c˜ao de PAN que Zimmerman tinha proposto, veio a enquadrar-se numa das abor-dagens chave para desbloquear o desenvolvimento e expans˜ao das BAN ou WBAN (Wireless Body Area Network). BAN ´e um termo utilizado para caracterizar uma rede de dispositivos, maioritariamente sensores (sendo referida como BSN, Body Sensor Network, neste caso), que operam e comunicam sobre o corpo humano ou nas imedia¸c˜oes deste. Estes dispositivos co-municam principalmente atrav´es de tecnologias RF tradicionais como Bluetooth ou ZigBee. Todavia, com a utiliza¸c˜ao destas tecnologias surgem diversos problemas, como o elevado con-sumo de energia e potˆencia transmitida, a transmiss˜ao tem um alcance elevado desnecess´ario e contamina¸c˜ao do espectro (o que pode causar interferˆencias a outros dispositivos).

A tecnologia comummente designada por BCC (Body Coupled Communication) ou IBC (Inter Body Communication), est´a actualmente a ser investigada e optimizada por diversas equipas em todo o mundo, e apresenta uma solu¸c˜ao para os problemas das tecnologias sem fios anteriores utilizadas nas BAN. BCC ´e um tipo relativamente novo de comunica¸c˜ao que utiliza o corpo humano como meio de transmiss˜ao em que o alcance de transmiss˜ao est´a confinado ao pr´oprio corpo ou a cent´ımetros deste. Existem duas abordagens a serem consideradas na utiliza¸c˜ao desta tecnologia, uma em que o sinal transmitido ´e controlado pela corrente el´ectrica que passa pelo corpo humano, que se designa de acoplamento galvˆanico, e necessita

(32)

que os dispositivos se encontrem em contacto directo com a pele. Outra ´e a abordagem que Zimmerman propˆos em 1995/1996, que se designa por acoplamento capacitivo, que transmite a informa¸c˜ao por meio de campos el´ectricos formados em redor do corpo humano, e que ao contr´ario do acoplamento galvˆanico, n˜ao necessita estar em contacto com a pele, mas pr´oxima do corpo, como por exemplo num bolso que ´e uma situa¸c˜ao usual.

2.2

Estado da arte

2.2.1 Zimmerman, MIT, 1995 [1] [2]

O primeiro estudo reportado acerca da possibilidade de comunica¸c˜ao utilizando o corpo humano como meio de transmiss˜ao, foi realizado por Thomas G. Zimmerman, no MIT, em 1995. T. G. Zimmerman desenvolveu um prot´otipo que, atrav´es do m´etodo de acoplamento capacitivo, demonstrou a possibilidade de comunica¸c˜ao atrav´es do corpo humano. Esta prova de conceito, apresentou taxas de transmiss˜ao na ordem dos 2.4 Kbps, utilizando uma porta-dora com frequˆencia de 330 KHz. Zimmerman investigou duas t´ecnicas de modula¸c˜ao, OOK e DSSS, e embora DSSS apresentasse melhor eficiˆencia, escolheu OOK para a demonstra¸c˜ao do prot´otipo, pela simplicidade na implementa¸c˜ao. Ambos os transceivers constru´ıdos, eram ali-mentados a baterias, de modo a estarem electricamente isolados, de modo a permitir obten¸c˜ao de resultados, mais pr´oxima de uma aplica¸c˜ao real. O trabalho de Zimmerman impulsionou a investiga¸c˜ao nesta ´area, por parte de diversos investigadores em todo o mundo.

2.2.2 Hugo Barreira, Universidade de Aveiro, 2009 [3]

Na Universidade de Aveiro, a primeira tentativa na constru¸c˜ao de um transceiver que permitisse a comunica¸c˜ao atrav´es do corpo humano, foi levada a cabo por Hugo Barreira. O prot´otipo do sistema desenvolvido ´e apresentado na figura 2.1.

Figura 2.1: Prot´otipo desenvolvido.

Neste sistema, foram utilizados caixas de rel´ogios como base do emissor e transmissor. A base met´alica dos rel´ogios, eram os el´ectrodos. Os el´ectrodos foram plastificados, de modo a que o el´ectrodos n˜ao estivessem em contacto directo com corpo humano.

Foram assim obtidas taxas de transmiss˜ao de 10 Kbps, atrav´es de um Timer 555 a oscilar a 10 KHz, que simulava a informa¸c˜ao a modular. Foi utilizada a modula¸c˜ao BFSK, centrada

(33)

2.2. Estado da arte

em 10.7 MHz, que o estudo em [4], figura2.2, indica ser a frequˆencia a que o corpo humano apresenta menor atenua¸c˜ao.

Figura 2.2: Compara¸c˜ao da atenua¸c˜ao da propaga¸c˜ao do sinal no corpo humano e no ar. [4]

2.2.3 Jos´e Reis, Universidade de Aveiro, 2010 [5]

No ano seguinte, Jos´e Reis procurou resolver os problemas encontrados na implementa¸c˜ao do sistema de Hugo Barreira. Atrav´es de um simulador de circuitos (OrCad PSpice 9.2 ), estudou diferentes abordagens de resolver os problemas em [3], tomando tamb´em em conta a an´alise do ru´ıdo dos andares de entrada e sa´ıda dos transceivers.

Um problema importante detectado neste trabalho, foi a fraca estabilidade do andar de entrada, que devido ao seu alto ganho, introduzia distor¸c˜ao no sinal recebido. Jos´e Reis, decidiu ent˜ao diminuir o ganho deste andar, favorecendo uma p´os-amplifica¸c˜ao em andares seguintes, introduzindo uma resistˆencia na source do mosfet inferior. Este circuito do andar de entrada, devido aos bons resultados apresentados, ´e utilizado neste projecto.

2.2.4 Humberto Castanheira, Universidade de Aveiro, 2012 [6]

O trabalho de Humberto Castanheira ´e, talvez o mais importante e com mais avan¸cos at´e `

a data nesta ´area, realizado na Universidade de Aveiro. Neste trabalho, foram desenvolvidos dois transceivers totalmente funcionais, de dimens˜oes relativamente reduzidas, alimentados a baterias e electricamente isolados, como mostra a figura2.3. Humberto Castanheira demons-trou a comunica¸c˜ao sobre o corpo humano atrav´es do seguinte cen´ario: com a utiliza¸c˜ao dos dois transceivers, um configurado em modo emissor, e o outro em modo receptor, sempre que eram colocados em contacto com o corpo humano, ou na proximidade deste, o transceiver receptor acendia um LED a indicar que recebia as tramas enviadas pelo outro transceiver. Atrav´es deste m´etodo, obteve resultados do alcance dos transceivers que, superou as expec-tativas com cobertura praticamente sobre todo o corpo.

A integra¸c˜ao de um microcontrolador no transceiver, permitiu a transmiss˜ao de informa¸c˜ao real e ´util, aproximando-se assim de um produto final, que um prot´otipo apenas para estudo.

(34)

Figura 2.3: Prot´otipo desenvolvido. Constitu´ıdo por duas PCB’s e o el´ectrodo.

Utilizando um IC receptor FM-IF, tirou partido do elevado ganho de recep¸c˜ao que este integrado oferecia nos andares IF, e utilizou o mixer de down-conversion como up-conversion para transmiss˜ao do sinal FSK modulado.

A arquitectura dos transceivers desenvolvidos neste projecto, foram em grande parte, baseados nos transceivers constru´ıdos por Humberto Castanheira.

2.3

Body Area Networks

2.3.1 Introdu¸c˜ao

Nos ´ultimos anos, devido aos recentes avan¸cos tecnol´ogicos, possibilitando a constru¸c˜ao de dispositivos e elementos sensoriais mais leves, compactos e de baixo custo e consumo energ´etico, tem havido um aumento significativo de interesse por parte de investigadores em todo o mundo, num novo tipo de arquitectura de rede, as Body Area Networks. As BAN’s s˜ao tamb´em comummente referidas como Wireless BAN’s ou ainda Body Sensor Networks.

A necessidade de monitoriza¸c˜ao de diferentes sinais vitais, foi uma das fortes raz˜oes para o desenvolvimento recente das BAN. A aplica¸c˜ao mais ´obvia das BAN ´e no sector m´edico, embora hajam muitas outros usos para as BAN [7]. Os locais ´optimos para monitorizar os diferentes sinais vitais e/ou injectar medicamentos/drogas encontram-se em diferentes locais do corpo humano. As BAN’s fornecem links de comunica¸c˜ao no, e em redor do corpo humano, possibilitando a comunica¸c˜ao entre sensores, actuadores e elementos de processamento.

Nas BAN’s, os mais variados sensores podem-se encontrar distribu´ıdos pela indument´aria do utilizador, pelo corpo ou mesmo implementados debaixo da pele.

2.3.2 Requisitos ideais

(35)

2.3. Body Area Networks

1. Capacidade de interligar os v´arios dispositivos, que podem ser desde dispositivos com-pletos/complexos (ex: um telem´ovel) a dispositivos mais pequenos que sejam parte de um principal (ex: sensores).

2. Capacidade de configura¸c˜ao autom´atica, isto ´e, a adi¸c˜ao ou remo¸c˜ao de um dispositivo de uma BAN deve ser transparente ao utilizador.

3. Integra¸c˜ao de servi¸cos, ou seja, tem de suportar a coexistˆencia de transferˆencias de tempo real como ´audio, e transferˆencias ocasionais como por exemplo uma transferˆencia de dados entre dois telem´oveis.

4. Capacidade de interliga¸c˜ao a outras BAN’s (ex: trocar informa¸c˜ao com outras pessoas) ou PAN’s (ex: acesso `a internet)

Existem v´arios aspectos a ter em conta na implementa¸c˜ao de BAN’s. A n´ıvel de hard-ware, os sensores a colocar no corpo humano devem ser de tamanho reduzido, n˜ao invasivos, devem permitir comunica¸c˜ao sem fios e gastarem o m´ınimo de energia. Do ponto de vista da comunica¸c˜ao, ´e extremamente importante projectar protocolos de acesso ao meio (MAC) apropriados, de modo a garantir capacidade de rede, eficiˆencia energ´etica e qualidade de servi¸co (QoS) adequada.

Ao contr´ario de muitas outras redes sem fios, que j´a atingiram a fase de maturidade (ex: 802.11), as BAN encontram-se ainda na sua infˆancia. Portanto, as caracter´ısticas ideais de uma BAN mencionadas atr´as, n˜ao se encontram completamente implementadas nas BAN actualmente.

A figura2.4posiciona o consumo ideal das BAN, comparativamente a outras tecnologias de comunica¸c˜ao sem fios.

Figura 2.4: Gr´afico comparativo de v´arias tecnologias de comunica¸c˜ao sem fios. Retirado de [9]

(36)

2.3.3 Posicionamento das BAN

As aplica¸c˜oes das BAN no sectores m´edico e de cuidados de sa´ude possuem um elevado potencial para a monitoriza¸c˜ao cont´ınua em regime ambulat´orio. Com as BAN ´e poss´ıvel melhorar a qualidade de vida dos paciente, permitindo retirar as restri¸c˜oes que prendem os pacientes a casa ou a servi¸cos m´edicos especializados, permitindo que executem as tarefas normais do seu dia-a-dia. A inclus˜ao de dados da monitoriza¸c˜ao cont´ınua dos pacientes, em base de dados dos servi¸cos de sa´ude, leva a que a an´alise destes dados, permitam um cuidado especializado e optimizado para cada indiv´ıduo, al´em de fornecerem um hist´orico m´edico simultaneamente.

Na figura2.5´e apresentada uma variedade de aplica¸c˜oes das BAN no sector m´edico, e os seus requisitos de taxas de transmiss˜ao.

Figura 2.5: Requisitos de variados testes no sector m´edico, onde as BAN podem ser ´uteis. Retirado de [10]

Os dispositivos numa BAN comunicando entre si, atrav´es de tecnologias sem fios, transmi-tem dados para uma esta¸c˜ao base, onde os dados s˜ao reencaminhados para o hospital, servi¸cos de emergˆencia ou outros lugares. A figura 2.6(a)exemplifica um exemplo.

Muitas das implementa¸c˜oes das BAN actualmente, consistem em re-empacotar os sensores tradicionais (ECG, batimento card´ıaco) com dispositivos sem fios j´a existentes. Tamb´em ´e importante referir que muitas destas implementa¸c˜oes, utilizam transceivers com dimens˜oes relativamente elevadas, como tamb´em acontece com o tamanho das antenas, pelo que n˜ao s˜ao indicadas para uso no corpo humano.

Na figura 2.6(b), as BAN s˜ao comparadas com outros tipos de redes sem fios, como Wireless Personal(WPAN), Wireless Local (WLAN),Wireless Metropolitan (WMAN) e Wide Area Networks(WAN).

As BAN possuem um dom´ınio de opera¸c˜ao pr´oximo do corpo humano e um alcance res-tringido a dezenas de cent´ımetros, ou at´e 1-2 metros. Enquanto as BAN est˜ao viradas para a comunica¸c˜ao entre os chamados ”wearable devices”, as PAN s˜ao uma arquitectura de rede projectada para operar no ambiente em redor de uma pessoa. O alcance das WPAN pode atingir v´arios metros, e ´e designada tanto para altos d´ebitos como para aplica¸c˜oes com taxas de transmiss˜ao reduzidas. As WLAN s˜ao projectadas para interligarem dispositivos a dezenas de metros, podendo mesmo atingir as centenas de metros. As WMAN e WAN s˜ao

(37)

arquitec-2.3. Body Area Networks

(a) (b)

Figura 2.6: (a) Exemplo pr´atico da comunica¸c˜ao nas BAN. (b) Posicionamento das BAN no paradigma nas redes sem fios. [11]

turas de grande porte, destinadas a operar nas cidades metropolitanas ou nas liga¸c˜oes por sat´elite. Cada tipo de arquitectura de rede ´e definido por standards IEEE. WPAN ´e definido pelo standard IEEE 802.15.1 (Bluetooth) ou 802.15.4 (ZigBee), WLAN utiliza IEEE 802.11 (Wi-Fi) e WMAN utiliza IEEE 802.16 (WiMAX).

2.3.4 Principais diferen¸cas entre BAN e WSN

Na literatura, n˜ao existe ainda um consenso sobre o tipo de arquitectura das BAN. Em v´arios papers, as BAN s˜ao consideradas tipos especiais de Wireless Sensor Networks (WSN). As WSN consistem numa grande densidade de n´os individuais, dotados de capacidade de computa¸c˜ao e comunica¸c˜ao sem fios, que s˜ao capazes de interagir com o meio em que se en-contram, retirando dados espec´ıficos (sensing) atrav´es de sensores, ou controlando parˆametros f´ısicos atrav´es de actuadores. Os n´os comunicam e colaboram entre si para a correcta rea-liza¸c˜ao das tarefas [12]. As WSN s˜ao projectadas para uma dispers˜ao de n´os elevada, e tˆem uma gama de aplica¸c˜oes muito vasta, passando por monitoriza¸c˜ao ambiental, de ´agua, solo, habitats (determinando a popula¸c˜ao das esp´ecies de plantas ou animais e o seu comporta-mento), detec¸c˜ao s´ısmica, vigilˆancia, aplica¸c˜oes militares, invent´ario, etc [13].

A monitoriza¸c˜ao com fins m´edicos, imp˜oe uma demanda no aumento da fiabilidade das comunica¸c˜oes. A utiliza¸c˜ao pr´atica de sensores colocados no corpo humano leva a uma ne-cessidade de dimens˜oes reduzidas por parte dos sensores e antenas. As baterias necessitam tamb´em de terem tamanho reduzido, o que leva a uma elevada eficiˆencia energ´etica.

Existe tamb´em a preocupa¸c˜ao com a mobilidade dos sensores, uma vez que, por exemplo um sensor colocado no pulso movimenta-se em rela¸c˜ao a outro colocado na anca.

Assim, s˜ao apresentadas a seguir, as principais diferen¸cas entre as WSN e as BAN [11] [14]:

• Escala e densidade: O alcance nas BAN pode variar entre cent´ımetros ou metros, en-quanto que nas WSN pode atingir dezenas de metros ou at´e mesmo quil´ometros. Nas BAN, os n´os s˜ao colocados estrategicamente no corpo humano, ou na indument´aria, e, devido ao espa¸co limitado, n˜ao ´e suposto conter n´os redundantes para compensar falhas como acontece nas WSN.

(38)

• Ritmo de transmiss˜ao: Por regra, as WSN s˜ao implementadas para monitoriza¸c˜ao base-ada em eventos (event-based), onde os eventos podem acontecerem intervalos irregulares e espor´adicos. Em contraste, nas BAN como o objectivo ´e registar e monitorizar os si-nais vitais e ac¸c˜oes de um indiv´ıduo, ´e previs´ıvel que as transmiss˜oes ocorram de forma peri´odica, o que resulta em transmiss˜oes de dados relativamente constantes.

• Latˆencia: Este requisito depende da aplica¸c˜ao, e pode ser trocada para aumento de robustez (reliability) e poupan¸ca de energia. Nas WSN os n´os podem estar em locais de dif´ıcil acesso, o que leva a que neste caso, o tempo de vida seja mais importante do que a latˆencia. Isto em princ´ıpio n˜ao acontece nas BAN, pois ´e mais f´acil substituir as baterias (caso n˜ao se encontrem dentro do corpo humano).

• Mobilidade: Este ´e talvez o aspecto mais importante e mais diferente entre as BAN e as WSN. Nas BAN, o utilizador pode mover-se, e os n´os colocados em certas partes do corpo, movem-se tamb´em com o movimento dessa parte do corpo. Nas WSN, isto n˜ao acontece, pois os n´os s˜ao tipicamente estacion´arios. Em rela¸c˜ao `as BAN, este factor pode causar problemas, pois como tˆem que lidar com ambientes dinˆamicos podem ocorrer problemas de comunica¸c˜ao entre os n´os. De modo a ultrapassar problemas, como interferˆencia e quebras de liga¸c˜ao, a potˆencia de transmiss˜ao pode ser aumentada. O contra-p´e desta medida, ´e o facto de o sinal poder ser recebido a uma maior distˆancia, o que pode levar a problemas/preocupa¸c˜ao de privacidade. Outro problema do aumento de potˆencia de transmiss˜ao, ´e obviamente a redu¸c˜ao do tempo de vida das baterias. • Seguran¸ca: Enquanto que nas WSN o n´ıvel de seguran¸ca ´e relativamente reduzido, nas

BAN, o n´ıvel de seguran¸ca deve ser elevado para proteger as informa¸c˜oes do pacien-tes/indiv´ıduo.

• Energia: Nas BAN, devido a restri¸c˜oes de espa¸co, os n´os necessitam de ter tamanho mais reduzido comparativamente ao caso das WSN, pelo que ´e mais f´acil alimentar os n´os nas WSN do que nas BAN.

A figura 2.7 apresenta as caracter´ısticas ideais das BAN em compara¸c˜ao com as WSN e WLAN.

2.4

Problemas das BAN actuais

As BAN utilizando as tecnologias encontradas nas WSN n˜ao est˜ao preparadas para os obst´aculos associados com a monitoriza¸c˜ao do corpo humano. O corpo humano consiste num complexo ambiente interno que responde a, e interage com os seus ambientes externos. O corpo humano n˜ao ´e s´o um ambiente relativamente pequeno, como tamb´em requer diferentes tipos e frequˆencias de monitoriza¸c˜ao, com diferentes desafios dos apresentados pelas WSN.

Actualmente, as BAN existentes utilizam as tecnologias RF tradicionais, projectadas para diferentes arquitecturas de rede como [15] [16] [17]:

• ZigBee (IEEE 802.15.4) • Bluetooth

(39)

2.4. Problemas das BAN actuais

Figura 2.7: Caracter´ısticas das BAN comparativamente `as WSN e WLAN. Retirado de [11]

• Telem´oveis / Smartphones • Outros RF Transceivers

As BAN tˆem que lidar com ambientes mais dinˆamicos do que as WSN, pois as pessoas raramente est˜ao paradas. As tecnologias RF utilizadas nas BAN sofrem principalmente de trˆes problemas: body shadowing, interferˆencia e fraca eficiˆencia energ´etica. O primeiro refere-se `a absor¸c˜ao de energia RF pelo corpo humano. Em [18], foi investigado o factor path loss, perdas e atenua¸c˜ao, no corpo humano, e verificou-se que o movimento do corpo humano afecta gravemente, e de forma muito vari´avel, a liga¸c˜ao entre os r´adios. O segundo problema refere-se `a interferˆencia introduzida pelos dispositivos constituintes das BAN, no espectro RF onde operam outras BAN, e ainda dispositivos em diferentes arquitecturas de rede, como ´e o caso das bandas ISM. Por ´ultimo, os sinais RF propagam-se para longe do corpo humano, o que ´e uma perda consider´avel de energia, considerando que os restantes n´os encontram-se tamb´em no mesmo corpo, e a relativamente curtas distˆancias.

Para ultrapassar os problemas causados pela atenua¸c˜ao introduzida pelo corpo humano e por interferˆencias externas, a potˆencia do sinal transmitido pode ser aumentada. Isto leva a que o sinal seja tamb´em transmitido a maiores distˆancias, o que pode levantar problemas de privacidade, e como ´e aumentada a potˆencia de transmiss˜ao, o tempo de vida ´util das baterias ´e reduzido. [19]

Al´em do problema do consumo destas tecnologias, existe tamb´em o problema relativo `

a associa¸c˜ao dos n´os [7]. Como n˜ao existem cabos f´ısicos a interligar os diversos n´os, a comunica¸c˜ao n˜ao est´a confinada apenas a uma BAN, mas interfere com as BAN vizinhas. Problemas graves, como pacientes a receber informa¸c˜ao errada relativa a outros pacientes, podem surgir se n˜ao forem tomadas precau¸c˜oes.

A figura 2.8 exemplifica o maior problema com os sistemas r´adio em curtas distˆancias. Como consequˆencia, o n´o pode n˜ao conseguir distinguir se o outro n´o pertence `a mesma pessoa (BAN) ou a uma outra pessoa (BAN) vizinha.

Este problema pode ter maiores consequˆencias, do que apenas interferˆencia entre as BAN. Devido a estas interferˆencias, os pacotes das BAN vizinhas podem n˜ao ser recebidas

(40)

correcta-Figura 2.8: Interferencia entre n´os devido ao alcance demasiado elevado das tecnologias uti-lizadas nas BAN. Retirado de [7]

mente, o que leva a um n´umero maior de retransmiss˜oes de mensagens. Este factor, implica um maior tempo de transmiss˜ao das mensagens, e tamb´em, maior consumo de energia.

A ignorˆancia dos r´adios relativamente `as pessoas, faz com que a configura¸c˜ao das BAN seja ent˜ao propensa a erros, sen˜ao for realizada com as devidas precau¸c˜oes.

2.5

Comunica¸

ao acoplada ao corpo humano

Uma tecnologia com potencial para ultrapassar os problemas das BAN descritos anteri-ormente ´e a comunica¸c˜ao acoplada ao corpo humano, Body Coupled Communication (BCC), tamb´em referida como Intra-body Communication (IBC) ou Human Body Communication (HBC).

BCC ´e uma tecnologia de comunica¸c˜ao que utiliza o corpo humano como canal de comu-nica¸c˜ao. Atrav´es de el´ectrodos colocados em contacto com o corpo humano, ou nas imedia¸c˜oes deste, ´e poss´ıvel a transmiss˜ao de sinais el´ectricos. Uma vantagem associada a este tipo de co-munica¸c˜ao, ´e o facto de que em quase toda a ´area do corpo humano, as perdas de propaga¸c˜ao, path loss, encontram-se abaixo dos 80 dB, mesmo quando os el´ectrodos encontram-se afastados do corpo humano [20].

2.5.1 M´etodos para comunica¸c˜ao atrav´es do corpo humano

Existem dois m´etodos para a transmiss˜ao de sinais utilizando o corpo humano, usualmente designadas por acoplamento galvˆanico e acoplamento capacitivo.

No m´etodo por acoplamento galvˆanico, s˜ao aplicados sinais diferenciais a um par de el´ectrodos transmissores, que necessitam de estar em contacto directo com o corpo. O corpo humano ´e tratado, neste caso, como um tipo especial de linha de transmiss˜ao [21], em que uma

(41)

2.5. Comunica¸c˜ao acoplada ao corpo humano

corrente propaga-se ao longo do corpo, e a diferen¸ca de potencial ´e detectada pelos el´ectrodos receptores, como mostra a figura2.9[22].

Figura 2.9: Acoplamento galvˆanico. Retirado de [21]

No m´etodo por acoplamento capacitivo, os el´ectrodos n˜ao necessitam de estar em contacto directo com o corpo humano, bastando encontrarem-se pr´oximos deste, como mostra a figura 2.10(a). Os el´ectrodos transmissores geram campos el´ectricos na superf´ıcie do corpo humano, sendo as varia¸c˜oes no campo detectadas pelo receptor. Portanto, esta m´etodo n˜ao gera radia¸c˜oes electromagn´eticas significativas, n˜ao interferindo assim com outros sistemas BCC ou RF. De modo a um sinal n˜ao radiante atravessar do transmissor para o receptor, um caminho de retorno (referˆencia) tem de ser fornecido [2]. Este m´etodo utiliza o ambiente externo como referˆencia como exemplifica a figura 2.10(b)[23] [21].

(a) (b)

Figura 2.10: Acoplamento capacitivo. (a) Distribui¸c˜ao do campo-el´ectrico (b) Modelo equi-valente el´ectrico. Retirado de [24]

(42)

e aplicacional. Tecnicamente, o m´etodo de acoplamento galvˆanico ´e vantajoso pois n˜ao ´e afectado pelas condi¸c˜oes externas, mas pelas condi¸c˜oes internas ao corpo. No entanto, ´e necess´ario que os el´ectrodos estejam em contacto directo com o corpo humano, sobre a pele ou no interior, enquanto que no m´etodo por acoplamento capacitivo podem estar sobre a roupa, ou no interior de um bolso.

Para aplica¸c˜oes de monitoriza¸c˜ao a longo termo, o m´etodo de acoplamento capacitivo parece ser a melhor solu¸c˜ao. Como este ´e o m´etodo adaptado, daqui em diante, o acr´onimo BCC ´e tamb´em utilizado para referir este m´etodo.

2.5.2 Near-field e far-field

O sistema BCC ´e por natureza, mais seguro que as tecnologias RF tradicionais, e tem uma maior eficiˆencia energ´etica. Devido ao alcance reduzido deste sistema, que se encontra confinado ao corpo humano, ou a imedia¸c˜oes deste, ´e pouco prov´avel que a comunica¸c˜ao seja interceptada pelo exterior. O alcance reduzido deste sistema de comunica¸c˜ao, deve-se ao facto da regi˜ao de trabalho ser o near-field. Para todos os efeitos, existem apenas duas regi˜oes de trabalho, relativamente `as comunica¸c˜oes sem fios, a regi˜ao utilizada em RF, far-field, e a utilizada neste tipo de sistema, a near-field. A diferen¸ca entre estas duas regi˜oes de trabalho, centra-se na distˆancia de comunica¸c˜ao, em que a regi˜ao far-field ´e caracterizada pelas grandes distˆancias de trabalho relativamente ao comprimento de onda do sinal transmitido, ao contr´ario da regi˜ao near-field, como mostra a figura 2.11.

Figura 2.11: As diferentes regi˜oes de acordo com o comprimento de onda de uma fonte EM. Retirado de [25]

A diferen¸ca fundamental das regi˜oes near-field e far-field centra-se no projecto da antena. Na regi˜ao near-field, o acoplamento electrost´atico ´e proporcional `a ´area da superf´ıcie do el´ectrodo. Para a regi˜ao far-field, a eficiˆencia de transmiss˜ao ´e maximizada pela adapta¸c˜ao da impedˆancia do transmissor com a impedˆancia do ar, free-space, onde s˜ao tipicamente utilizadas antenas com meio comprimento de onda [1].

Considerando um dip´olo est´atico, o campo el´ectrico apresenta um decaimento proporcional a r−3 na regi˜ao near-field, enquanto que na regi˜ao far-field, ´e apresentado um decaimento proporcional a r−1, onde r ´e a distˆancia da fonte ao ponto de observa¸c˜ao [26] [27]. A tabela na figura2.12descreve as regi˜oes de uma fonte electromagn´etica.

(43)

2.5. Comunica¸c˜ao acoplada ao corpo humano

Figura 2.12: Tabela descritiva das regi˜oes near-field e far-field. Retirado de [27]

A seguran¸ca do sistema BCC deve-se ao decaimento abrupto que o campo el´ectrico sofre na regi˜ao near-field. Os sistemas de comunica¸c˜ao utilizando as tecnologias RF tradicionais lidam com este problema implementando mecanismos de seguran¸ca, como encripta¸c˜ao das mensagens. No entanto, no sistema BCC, este problema ´e minimizado, uma vez que a partir de alguns dec´ımetros do corpo humano, n˜ao ´e poss´ıvel interceptar a comunica¸c˜ao.

A n´ıvel energ´etico, o sistema BCC ´e mais eficiente que as tecnologias RF. Enquanto que nas tecnologias RF, toda a energia radiada ´e perdida, mesmo que n˜ao existam receptores, no sistema BCC, apenas uma pequena parte da energia ´e perdida na comunica¸c˜ao entre o transmissor e receptor [26], devido `a natureza reactiva da regi˜ao de trabalho.

N˜ao tendo sido feito qualquer tipo de estudo relativamente aos efeitos deste tipo de tec-nologia no corpo humano, ´e esperado n˜ao haver efeitos nefastos para a sa´ude, uma vez que a energia envolvida na comunica¸c˜ao ´e significativamente menor que nas tecnologias RF.

2.5.3 Distribui¸c˜ao do campo el´ectrico

Em [28], ´e realizado um estudo da comunica¸c˜ao atrav´es do corpo humano, e a sua de-pendˆencia com a frequˆencia.

Os modelos assumidos, da antena e corpo humano, para este estudo s˜ao apresentados na figura2.13.

As distribui¸c˜oes do campo el´ectrico devido `a transmiss˜ao, no interior e exterior do corpo humano s˜ao analisadas `as seguintes frequˆencias de trabalho: 3 MHz, 30MHz, 300 MHz e 3GHz, como mostra a figura 2.14. A potˆencia de transmiss˜ao foi ajustada para 1 mW, e 0 dB corresponde a 500 V/m. A eficiˆencia de radia¸c˜ao para os casos analisados ´e apresentada na tabela2.1.

As distribui¸c˜oes a 3 MHz e a 30MHz s˜ao idˆenticas, sendo que a 30 MHz os n´ıveis est˜ao 20 dB abaixo. A 300 MHz, os n´ıveis da distribui¸c˜ao do campo el´ectrico s˜ao semelhantes aos de a 30 MHz. Devido `a redu¸c˜ao do comprimento de onda (1 m), as linhas do campo el´ectrico deixam de ser cont´ınuas, e a eficiˆencia de transmiss˜ao aumenta. Quando a frequˆencia ´e 3 GHz, os n´ıveis na retaguarda do corpo s˜ao relativamente baixos, e a eficiˆencia de radia¸c˜ao aumenta drasticamente. Adicionalmente, s˜ao geradas ondas (ripples) ao longo do corpo como se pode ver na figura2.14 (d).

Verifica-se ent˜ao que a implementa¸c˜ao deste sistema est´a limitada pela frequˆencia de trabalho utilizada. O comprimento de onda deve ser suficientemente maior que o corpo humano, para permitir que o campo el´ectrico criado pelo transmissor cubra a totalidade do

(44)

(a) (b)

Figura 2.13: Modelos utilizados neste estudo. (a) Caracter´ısticas da antena (b) Carac-ter´ısticas do corpo humano

Frequˆencia Eficiˆencia de radia¸c˜ao

3 MHz 0.0014%

30 fMHz 0.081%

300 MHz 6%

3 GHz 49%

Tabela 2.1: Eficiˆencia de radia¸c˜ao da antena a diferentes frequˆencias. corpo, e tamb´em de modo a reduzir a eficiˆencia de radia¸c˜ao.

(45)

2.6. Revis˜ao do artigo [26]

Figura 2.14: Distribui¸c˜ao do campo el´ectrico no corpo humano para diferentes frequˆencias. (a) 3 MHz. (b) 30 MHz. (c) 300 MHz. (d) 3GHz.

2.6

Revis˜

ao do artigo [

26

]

Em [26] foi estudado em detalhe o sistema BCC. Neste artigo, o autor considerou uma abordagem ligeiramente diferente dos trabalhos presentes na literatura e a apresentada ante-riormente. Neste estudo, na procura de um modelo simples do canal de transmiss˜ao, o corpo humano ´e considerado um condutor perfeito, e ´e assim a referˆencia do sistema.

A figura 2.15 apresenta o ponto de vista simplificado deste sistema. Considerando que a capacidade dos el´ectrodos inferiores, ´e muito maior que a capacidade entre os superio-res, ´e aceit´avel assumir que os el´ectrodos inferiores est˜ao curto-circuitados ao corpo para as frequˆencias de interesse.

Este modelo ´e representado na figura2.16(b), enquanto o seu equivalente el´ectrico ´e apre-sentado na figura2.16(a).

Da an´alise deste modelo, foi derivada a seguinte equa¸c˜ao 2.1 que relaciona o ganho do sistema, com as propriedades f´ısicas dos el´ectrodos.

G = 2KeCL

h2

d3 (2.1)

Onde Ke representa a constante diel´ectrica do meio, CL a capacidade do el´ectrodo, h a

altura dos el´ectrodos em rela¸c˜ao ao plano de referˆencia, e d, a distˆancia entre os el´ectrodos. Esta aproxima¸c˜ao ´e v´alida se a distˆancia entre os el´ectrodos for muito maior que a distˆancia

(46)

(a) (b)

Figura 2.15: Vista simplificada do modelo assumido. (a) Detalhe da liga¸c˜ao do el´ectrodo e corpo humano. (b) Vista geral do modelo com el´ectrodos emissores e receptores.

(a) (b)

Figura 2.16: Modelo assumido. (a) Sistema de trˆes condutores. (b) Equivalente el´ectrico.

dos el´ectrodos ao corpo humano. Esta ´e uma situa¸c˜ao normal, mesmo que os el´ectrodos se encontrem dentro dos bolsos.

De modo a provar a validade do modelo proposto, foram realizadas simula¸c˜oes com recurso ao software Ansoft HFSS (simulador de campos electromagn´eticos), e foram tamb´em obtidos resultados pr´aticos atrav´es de medi¸c˜oes do sistema idˆentico ao simulado, onde os el´ectrodos encontravam-se numa gaiola de Faraday. A figura2.17 apresenta os el´ectrodos de teste. Os resultados obtidos s˜ao apresentados na figura2.18.

Figura 2.17: El´ectrodos de teste utilizados na pr´atica e no simulador.

O gr´afico da figura2.18 apresenta resultados para duas situa¸c˜oes distintas. No caso A, o el´ectrodo receptor ´e ligado directamente a um cabo coaxial (com capacidade de 200 pF), que liga a um oscilosc´opio. No caso B, ´e colocado um buffer de baixa capacidade (3 pF) entre o

(47)

2.7. Consumo de energia

Figura 2.18: Resultados obtidos do ganho do sistema em fun¸c˜ao da distˆancia. (A) Liga¸c˜ao directa ao cabo coaxial e oscilosc´opio. (B) Utilizando um buffer com capacidade de entrada de 3 pF no el´ectrodo receptor. Retirado de [26].

el´ectrodo receptor e o cabo coaxial. ´

E interessante verificar que os resultados obtidos s˜ao pr´oximos dos resultados te´oricos. Utilizando o buffer de entrada, verifica-se uma melhoria significativa, superior a 20 dB, em rela¸c˜ao `a liga¸c˜ao directa do el´ectrodo ao cabo coaxial.

Pode-se concluir que a utiliza¸c˜ao de um buffer de entrada com baixa capacidade de entrada, ´e de extrema relevˆancia pois resulta numa melhoria bastante significativa nos resultados da recep¸c˜ao.

2.7

Consumo de energia

”Even though digital IF’s are taking over there are still things you can do with a good old analog IF strip that are hard to beat for power/cost/complexity etc.” [29]

No sector m´edico, os sensores sendo de dimens˜oes reduzidas, apenas podem ser equipados com fontes de alimenta¸c˜ao limitadas. Em alguns casos, a troca deste tipo de recursos pode ser mesmo imposs´ıvel. O tempo de vida das baterias ´e ent˜ao um factor extremamente impor-tante. Uma das raz˜oes pelo que n˜ao se adaptou solu¸c˜oes digitais, como FPGA’s, ou chipset’s comerciais, foi o seu elevado consumo. A ERICSSON [30] desenvolveu um sistema BCC, em que utilizaram-se FPGA’s e obteve-se uma taxa de transferˆencia de 10 Mbps. Este sistema ´e designado por ”Connected me”, e foi demonstrado na conferˆencia CES 2012, em que, atrav´es do toque em dois el´ectrodos, referentes ao transmissor e receptor, uma faixa de m´usica era tocada. No entanto, a utiliza¸c˜ao de FPGA’s aumenta o consumo de um dispositivo drastica-mente, sendo praticamente imposs´ıvel a alimenta¸c˜ao a baterias. Tentou-se assim construir um prot´otipo de um transceiver para BCC, utilizando off the shelf components, e que tivesse um consumo reduzido. Nas tecnologias RF convencionais, um ”sensor node”despende o m´aximo de energia na comunica¸c˜ao propriamente dita. Isto porque al´em do consumo do transceiver,

Imagem

Figura 2.2: Compara¸ c˜ ao da atenua¸c˜ ao da propaga¸ c˜ ao do sinal no corpo humano e no ar
Figura 2.3: Prot´ otipo desenvolvido. Constitu´ıdo por duas PCB’s e o el´ ectrodo.
Figura 2.5: Requisitos de variados testes no sector m´ edico, onde as BAN podem ser ´ uteis.
Figura 2.8: Interferencia entre n´ os devido ao alcance demasiado elevado das tecnologias uti- uti-lizadas nas BAN
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Referências

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