Universidade de Aveiro Departamento deElectr´onica, Telecomunica¸c˜oes e Inform´atica 2010
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AO ATRAV´
ES DO CORPO
HUMANO:
Universidade de Aveiro Departamento deElectr´onica, Telecomunica¸c˜oes e Inform´atica, 2010
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Reis Assun¸
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COMUNICAC
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AO ATRAV´
ES DO CORPO
HUMANO:
SIMULAC
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AO DE UM TRANSCEIVER
Disserta¸c˜ao apresentada `a Universidade de Aveiro para cumprimento dos requesitos necess´arios `a obten¸c˜ao do grau de Mestre em Electr´onica e Tele-comunica¸c˜oes, realizada sob a orienta¸c˜ao cient´ıfica do Prof. Doutor Rui Manuel Ramos Escadas Martins e Prof. Doutor Manuel Bernardo Salvador Cunha, Professores do Departamento de Electr´onica e Comunica¸c˜oes e In-form´atica da Universidade de Aveiro
O j´uri
Presidente Jo˜ao Paulo Trigueiros Da Silva Cunha
Professor Associado do Departamento de Electr´onica, Telecomunica¸c˜oes e In-form´atica da Universidade de Aveiro
Orientador Rui Escadas Ramos Martins
Professor Auxiliar do Departamento de Electr´onica, Telecomunica¸c˜oes e In-form´atica da Universidade de Aveiro
Co-orientador Manuel Bernardo Salvador Cunha
Professor Auxiliar do Departamento de Electr´onica, Telecomunica¸c˜oes e In-form´atica da Universidade de Aveiro
Arguente Jos´e Augusto Almeida Pinheiro de Carvalho
Professor Adjunto do Departamento de Electrotecnia da Escola Superior de Tec-nologia e Gest˜ao do Instituto Polit´ecnico de Bragan¸ca
agradecimentos / acknowledgements
Venho por este meio, expressar a minha gratid˜ao para com os meus orienta-dores, Prof. Doutor Rui Escadas e Prof. Doutor Bernardo Cunha pela sua colabora¸c˜ao, ajuda, apoio e disponibilidade que me prestaram no desenro-lar deste trabalho, contribuindo n˜ao s´o para a minha forma¸c˜ao profissional, como tamb´em pessoal.
Agrade¸co aos meus companheiros e amigos de laborat´orio (sala 234), onde passei parte do tempo dispendido na realiza¸c˜ao do projecto, pelo seu apoio e aconselhamento n˜ao s´o na realiza¸c˜ao desta tese, bem como ao longo do curso.
Gostaria tamb´em de agradecer a todos os meus amigos de Aveiro e ami-gos da minha terra natal, S. Jo˜ao da Madeira por todo o apoio que me ofereceram ao longo do meu percurso acad´emico.
Finalmente um agradecimento especial aos meus pais, Elsa e Augusto, `a minha namorada Diana e `a minha fam´ılia pelo seu apoio e compreens˜ao demonstrados ao longo da minha vida.
Palavras Chave Personal area network , body area network, corpo humano, transceiver
Resumo Actualmente, as redes de comunica¸c˜ao pessoal (PAN) est˜ao presentes cada vez mais no nosso quotidiano, designadamente em aplica¸c˜oes biom´edicas, comunica¸c˜ao entre equipamentos pessoais multim´edia (PDAs, telem´oveis, ...). No entanto este tipo de tecnologias costuma ter elevado consumo, um alcance pouco definido e problemas ao n´ıvel de seguran¸ca. Para tentar ul-trapassar estes problemas surgiu a ideia de usar o corpo humano como canal de comunic¸c˜ao. Adoptando este conceito, implementou-se em simula¸c˜ao e na pr´atica os v´arios circuitos de um sistema BAN com baixo consumo, com peso e dimens˜oes m´ınimas que possibilite a comunica¸c˜ao atrav´es do corpo humano.
O sistema ´e formado por um emissor (oscilador cristal 10MHz e modulador) e por um receptor (amplificador sintonizado e desmodulador). O emissor gera uma portadora de 10MHz e modula-a em frequˆencia por uma onda quadrada de 10kHz (representando um sequˆencia de 0s e 1s. Posterior-mente, o sinal ´e amplificado, pelo amplificador sintonizado (`a frequˆencia da portadora) e desmodulado obtendo-se a onda quadrada original.
Os circuitos principais do transceiver s˜ao descritos, simulados e o seu de-sempenho ´e verificado experimentalmente.
Keywords Personal area network (PAN), body area network (BAN), human body, transceiver.
Abstract Nowadays personal area networks (PAN) are increasingly becoming widespread in our lives, namely in biomedical applications and communi-cations between multimedia personal equipment (PDAs, mobile phones,...). However this type of technology tends to have a high energy consumption, a poorly defined scope and security problems. As a mean to try to overcome these problems arose the idea of using the human body as a comunication’s channel.Bearing this concept in mind this dissertation presents and describes circuits in order to implement a test transceiver.
The system comprises a transmitter (modulator and crystal oscillator at 10MHz) and its receiver (a tuned amplifier and demodulator). The trans-mitter modulates (FSK) a 10MHz carrier with a 10kHz square wave (rep-resenting and infinite chain of 0s and 1s ). This sequency is obtained back by the receiver, after amplification and demodulation of received signal and then is amplified by the.
The transceiver’s main circuits are presented, simulated and their perfor-mance verified experimentally.
Conte´
udo
Conte´udo i Lista de Tabelas iv Lista de Figuras v 1 Introdu¸c˜ao 1 1.1 Motiva¸c˜ao . . . 1 1.2 Conceito BAN . . . 21.3 Objectivos e Organiza¸c˜ao da tese . . . 3
2 Estado da Arte 5 2.1 Sum´ario . . . 5
2.2 BAN vs Outras tecnologias . . . 5
2.2.1 PAN/BAN . . . 5
2.2.2 Corpo humano vs Outras Tecnologias . . . 6
2.2.2.1 Infravermelhos . . . 6
2.2.2.2 Bluetooth . . . 7
2.2.2.3 Zigbee . . . 8
2.3 Primeiro Prot´otipo PAN . . . 9
2.3.1 Desenvolvimento do Prot´otipo . . . 10
2.3.1.1 Elementos funcionais . . . 10
2.3.1.2 Constru¸c˜ao dos Prot´otipos . . . 11
2.3.1.3 Modula¸c˜ao . . . 12
2.3.1.4 Demonstra¸c˜ao do Prot´otipo . . . 12
2.3.2 Cr´ıtica . . . 13
2.4 Wireless Body Area Networks . . . 13
2.4.1 Desafios . . . 14
2.4.2 Modelo do sistema . . . 14
2.4.3 Aplica¸c˜oes m´edicas da tecnologia BAN . . . 15
2.4.4 Prot´otipos desenvolvidos na tecnologia WBAN . . . 16
2.4.4.1 HipGuard System . . . 16
2.4.4.2 CodeBlue . . . 17
2.4.4.3 MobiHealth . . . 17
2.4.4.4 LifeShirt e Vitaljacket . . . 18
2.4.5 Cr´ıtica . . . 18
2.5.1 Arquitectura BAN . . . 20 2.5.2 Hardaware e dispositivos . . . 21 2.5.2.1 Sensores Corporais . . . 21 2.5.2.2 Plataforma . . . 23 2.5.3 Camada F´ısica . . . 24 2.5.3.1 Modela¸c˜ao do canal . . . 24 2.5.3.2 Dimensionamento de antenas . . . 24 2.5.3.3 Desenvolvimento de Protocolo . . . 24
2.5.4 Camada MAC(Media Acess Control ) . . . 25
2.5.5 Projectos usando sensores corporais . . . 25
2.5.6 Cr´ıtica . . . 27
2.6 Comunica¸c˜ao atrav´es do corpo humano: desenvolvimento de um transceiver . 29 2.6.1 Arquitectura do prot´otipo . . . 29
2.6.2 Funcionamento do Sistema . . . 30
2.6.3 Testes e resultados experimentais . . . 31
2.6.4 Cr´ıtica . . . 33
3 Discuss˜ao do problema 35 3.1 O Simulador . . . 35
3.2 Amplificador Sintonizado: Identifica¸c˜ao do problema . . . 35
3.3 Amplificador Sintonizado: Metodologia para resolu¸c˜ao do problema . . . 37
3.3.1 Fonte de Ru´ıdo Branco . . . 37
3.3.2 Simula¸c˜ao do amplificador sintonizado com ru´ıdo . . . 39
3.4 Amplificador Sintonizado: Solu¸c˜oes . . . 40
3.5 Emissor: Identifica¸c˜ao do problema . . . 41
3.6 Emissor: Metodologia para resolver o problema . . . 41
3.7 Emissor: Solu¸c˜oes . . . 42
4 Implementa¸c˜ao 43 4.1 Sum´ario . . . 43 4.2 Emissor . . . 43 4.2.1 Oscilador VCXO . . . 44 4.2.1.1 Oscilador IQVCXO-161 . . . 45 4.3 Receptor . . . 46
4.3.1 Amplificador Sintonizado: Sum´ario . . . 46
4.3.2 Amplificador Sintonizado: Andar de entrada(cascode) . . . 47
4.3.2.1 An´alise de ru´ıdo do amplificador sintonizado . . . 49
4.3.3 Amplificador: Andar na configura¸c˜ao de emissor comum . . . 51
4.3.4 Amplificador Sintonizado: Andar de sa´ıda . . . 52
4.3.5 Desmodulador: Sum´ario . . . 53
4.3.6 Desmodulador: PLL (Phase lock loop) . . . 53
4.3.6.1 CD74HC4046 . . . 54
4.3.6.2 Configura¸c˜ao da PLL . . . 55
4.3.7 Desmodulador: Circuito Desmodulador . . . 57
4.3.8 Desmodulador: Amplificador na configura¸c˜ao n˜ao inversora . . . 58
5 Resultados 61
5.1 Introdu¸c˜ao . . . 61
5.2 Emissor . . . 61
5.2.1 Oscilador: Simula¸c˜ao . . . 61
5.2.2 Oscilador: Resultados Experimentais . . . 62
5.2.3 Oscilador: Observa¸c˜oes . . . 63
5.3 Receptor . . . 64
5.3.1 Amplificador Sintonizado: Sum´ario . . . 64
5.3.2 Amplificador Sintonizado: Simula¸c˜ao no dom´ınio da frequˆencia . . . . 64
5.3.3 Amplificador Sintonizado: Simula¸c˜ao no dom´ınio do tempo . . . 65
5.3.4 Amplificador Sintonizado: Resultados Experimentais . . . 65
5.3.5 Amplificador Sintonizado: Ru´ıdo Simulador . . . 67
5.3.5.1 Ru´ıdo Te´orico . . . 67
5.3.6 Amplificador Sintonizado: Observa¸c˜oes . . . 68
5.3.7 Desmodulador: Sum´ario . . . 69
5.3.8 Desmodulador: PLL (desmodulador) Simula¸c˜ao . . . 69
5.3.9 Desmodulador: Amplificador e Schmitt trigger: Simula¸c˜ao . . . 71
5.3.10 Desmodulador: Resultados Experimentais . . . 72
5.3.11 Desmodulador: Observa¸c˜oes . . . 72
5.4 Consumo . . . 72
6 Conclus˜oes e trabalho futuro 75
A Circuitos Simulados 77
Lista de Tabelas
2.1 OOK vs Spread. . . 12 2.2 Sensores usados nos sistemas BAN e as suas taxas de transmiss˜ao t´ıpicas. . . 22 4.1 Capacidade em fun¸c˜ao da frequˆencia. . . 44 5.1 Frequˆencia em fun¸c˜ao da Voltage Control. . . 63 5.2 Ru´ıdo (em V) no amplificador sintonizado. . . 67
Lista de Figuras
1.1 Diagrama de uma rede BAN. . . 2
2.1 BAN vs ZigBee vs Bluetooth vs Infravermelhos. . . 6
2.2 Diagrama de blocos do Sistema PAN. . . 9
2.3 Diagrama de blocos do half-duplex transceiver. . . 10
2.4 Prot´otipos do receptor(esquerda) e do transmissor(direita). . . 11
2.5 Demonstra¸c˜ao do Prot´otipo PAN. . . 13
2.6 Modelo do Sistema WBAN. . . 14
2.7 Sistema HipGuard. . . 16
2.8 Sensor sem fios de pulsa¸c˜ao. . . 17
2.9 Sistema MobiHealth. . . 18
2.10 Sistema LifeShirt. . . 18
2.11 Arquitectura BAN. . . 20
2.12 Modulo de um n´o de sensor. . . 23
2.13 Principais componentes de um sistema de sensores corporais. . . 25
2.14 Compara¸c˜ao de projectos BAN existentes. . . 26
2.15 Modelo el´ectrico equivalente do corpo humano como canal de tranmiss˜ao. . . 29
2.16 Diagrama de blocos do prot´otipo. . . 29
2.17 Sistema final. . . 30
2.18 Montagem e formas de onda do sinal (a), na sa´ıda do amplificador sintonizado (b), na sa´ıda do filtro da PLL (c) e no conversor ´optico-el´ectrico com o emissor a 5cm do receptor. . . 31
2.19 Montagem e formas de onda do sinal (a), na sa´ıda do amplificador sintonizado (b), na sa´ıda do filtro da PLL (c) e no conversor ´optico-el´ectrico com o emissor a 40cm do receptor. . . 32
2.20 Montagem e formas de onda do sinal (a), na sa´ıda do amplificador sintonizado (b), na sa´ıda do filtro da PLL (c) e no conversor ´optico-el´ectrico com o emissor a 50cm do receptor. . . 32
3.1 Circuito do amplificador sintonizado . . . 36
3.2 Formas de ondas na entrada e sa´ıda do amplificador sintonizado obtidas no simulador. . . 36
3.3 Formas de ondas na entrada (a) e no colector do segundo andar de ganho (b) do amplificador sintonizado. . . 36
3.4 C´odigo da fun¸c˜ao geradora de ru´ıdo Branco. . . 37
3.6 Formas de onda na entrada e sa´ıda com ru´ıdo adicionado e na sa´ıda (a) e
formas de ondas de sa´ıda sobrepostas (b). . . 39
3.7 Forma de onda na entrada com ru´ıdo adicionado e na sa´ıda do amplificador modificado. . . 40
3.8 Formas de de onda na sa´ıda do oscilador cristal. . . 42
4.1 Oscilador Colpitts. . . 44
4.2 Circuito de teste. . . 45
4.3 Diagrama de blocos do amplificador sintonizado. . . 46
4.4 Andar de entrada do amplificador sintonizado. . . 47
4.5 Circuito de ruido. . . 49
4.6 Andar de ganho do amplificador sintonizado. . . 51
4.7 Andar de sa´ıda do amplificador sintonizado. . . 52
4.8 Diagrama de blocos do desmodulador. . . 53
4.9 Diagrama de blocos de uma PLL. . . 53
4.10 Diagrama l´ogico da CD74HC4046. . . 54
4.11 Formas de onda usando o comparador de fase 1. . . 55
4.12 Valor t´ıpico da frequˆencia central em fun¸c˜ao de C1 e R1. . . 56
4.13 Caracter´ıstica da frequˆencia de VCO sem offset. . . 56
4.14 Andar de entrada do desmodulador. . . 57
4.15 Amplificador na configura¸c˜ao n˜ao inversora. . . 58
4.16 Schmitt trigger. . . 59
5.1 Forma de onda na sa´ıda do oscilador. . . 61
5.2 Emissor (placa). . . 62
5.3 Forma de onda na sa´ıda do circuito emissor. . . 62
5.4 Frequˆencia em fun¸c˜ao da Voltage Control. . . 63
5.5 Ganho (dBs) vs frequˆencia no amplificador sintonizado . . . 64
5.6 Formas de onda na entrada e na sa´ıda. . . 65
5.7 Amplificador Sintonizado (placa). . . 65
5.8 Formas de onda na entrada (a), no dreno (b), e na sa´ıda do amplificador (c). 66 5.9 Densidade espectral do ru´ıdo. . . 67
5.10 Formas de onda na entrada (a) e na sa´ıda do modulador (b). . . 69
5.11 Formas de onda na sa´ıda do filtro passa-baixo (a) e na entrada/sa´ıda do circuito PLL Desmodulador (b). . . 70
5.12 Formas de onda na entrada do circuito (a) e na sa´ıda do circuito (b). . . 71
5.13 Desmodulador com PLL (a) e amplificador e Schmitt trigger (b). . . 72
A.1 Circuito simulado do Amplificador Sintonizado . . . 78
A.2 Circuito simulado do Amplificador Sintonizado do trabalho [9] . . . 79
A.3 Circuito simulado do Oscilador . . . 80
A.4 Circuito simulado do Desmodulador com PLL . . . 80
Lista de Acr´
onimos
• A - Amp´ere;
• AC - Alternative current;
• BAN - Body Area network (rede de ´area corporal); • DC - Direct current;
• ECG - Electrocardiogram; • EEG - Electroencefalograma; • FSK - Frequency shift keying; • GND - Ground (terra);
• LED - Light emitting diode (d´ıodo emissor de luz); • PAN - Personal area network (rede de ´area pessoal); • PCB - Printed circuit board (placa de circuito impresso); • PDA - Personal digital assistant;
• PLL - Phase lock loop (malha de captura de fase); • SMD - Surface mount device;
• V - Volts;
• Vcc - Tens˜ao de alimenta¸c˜ao;
• VCO - Voltage controlled oscilattor (oscilador controlado por tens˜ao);
• VCXO - Voltage controlled xtal oscilattor (oscilador cristal controlado por tens˜ao); • W - Watts;
Cap´ıtulo 1
Introdu¸
c˜
ao
1.1
Motiva¸
c˜
ao
Nos dias de hoje, as redes de comunica¸c˜ao pessoal est˜ao constantemente presentes no nosso quotidiano, em que cada vez mais s˜ao usados dispositivos electr´onicos, nomeadamente telem´oveis, PDAs, leitores de ´audio, entre outros. Com o avan¸co tecnol´ogico neste ramo das comunica¸c˜oes, surgiram v´arias tecnologias como o Bluetooth, Zigbee, WiFi, Infravermel-hos. Apesar do avan¸co destas tecnologias, elas apresentam certos problemas, como elevados consumos de energia, alcance pouco definido, pouca imunidade a interferˆencias, bem como alguma inseguran¸ca. Para resolver estes inconvenientes est´a a desenvolver-se um sistema que utiliza o corpo humano como meio de comunica¸c˜ao com alcance bem definido e de muito baixo consumo de energia. O trabalho apresentado nesta disserta¸c˜ao insere-se neste ˆambito e procura ajudar a dar resposta a quest˜oes como:
• Varia¸c˜ao da impedˆancia - o fluxo sangu´ıneo faz com que a impedˆancia do corpo baixe significativamente nos s´ıtios onde o sinal passa momentaneamente. O sangue apresenta uma boa condutividade pois ´e composto por uma grande percentagem de ´agua;
• O corpo humano apresenta respostas distintas para diversos n´ıveis de frequˆencias; • A propaga¸c˜ao do sinal pelo corpo depende da posi¸c˜ao em que este se encontra, pode
contribuir para aumentar ou diminuir o grau de dificuldade de propaga¸c˜ao do mesmo. Por outro lado, o uso da transmiss˜ao via corpo humano, proporciona uma solu¸c˜ao vi´avel para diversos tipos de aplica¸c˜oes, principalmente para as quais a seguran¸ca da informa¸c˜ao ´e prioridade, pois o seu alcance ´e bem definido (alguns cent´ımetros em torno do corpo humano) o que inibe o uso de sniffers utilizando, por exemplo, antenas de alto ganho[10]. Assim poss´ıveis aplica¸c˜oes ser˜ao:
• Simples troca de dados entre dispositivos electr´onicos, como por exemplo dados de um cart˜ao electr´onico durante um aperto de m˜ao [2];
• Troca de informa¸c˜oes entre dispositivos pessoais (telefones, PDAs e cart˜oes inteligentes)[2]; • Possibilidade, com um simples tocar de dedo, identificar e aceder `a ficha pessoal de um
• Monitoriza¸c˜ao dos sinais vitais de um paciente (por exemplo: ECG, EEG, press˜ao arte-rial,...) atrav´es de sensores externos ou implantados no corpo, efectuando a transmiss˜ao desses sinais para um telem´ovel ou PDA do m´edico que est´a designado a essa pessoa, em casos de doen¸cas card´ıacas por exemplo;
• Colocar um ve´ıculo a trabalhar com um simples encostar do dedo;
• Os sistemas com autentica¸c˜ao de seguran¸ca, por reconhecimento facial, de impress˜ao digital, e ´ıris, apresentam alguns problemas, como duplica¸c˜ao e fraudes. Uma solu¸c˜ao seria utilizar novas caracter´ısticas do corpo humano como uma electroencefalografia como autentica¸c˜ao[8];
• Sistemas de transmiss˜ao ´audio atrav´es do corpo humano.
Portanto, todas estas possibilidades, despertam um grande interesse e uma grande mo-tiva¸c˜ao a realizar um trabalho nesta ´area, nomeadamente ao n´ıvel das aplica¸c˜oes biom´edicas.
1.2
Conceito BAN
O r´apido crescimento de sensores fisiol´ogicos, circuitos integrados de baixo consumo e das comunica¸c˜oes sem fios deu origem a uma nova gera¸c˜ao de redes de sensores sem fios. Estas redes s˜ao usadas para controlo de trˆansito, infra-estruturas e na sa´ude. O campo Body Area Network (BAN) ´e uma ´area interdisciplinar que pode permitir um acompanhamento cont´ınuo do estado de sa´ude de um paciente com actualiza¸c˜oes em tempo real dos registos m´edicos atrav´es da internet e com um custo relativamente baixo [8]. Um conjunto de sensores fi-siol´ogicos podem ser usados para reabilita¸c˜ao assistida por computador e detec¸c˜ao precoce de doen¸cas. Esta ´area reside na viabilidade da implanta¸c˜ao de sensores biol´ogicos muito pe-quenos, que n˜ao interfiram nas fun¸c˜oes normais do corpo humano, nem causem desconforto ao utilizador. Os sensores implantados no corpo humano v˜ao monitorizar os sinais vitais necess´arios, de modo a ser poss´ıvel fazer um acompanhamento do estado de sa´ude de um paciente, onde quer que ele esteja. A informa¸c˜ao recolhida ser´a transmitida atrav´es de comu-nica¸c˜ao sem fios para uma unidade de processamento de dados. Seguidamente, esta unidade transmitir´a toda a informa¸c˜ao em tempo real para os m´edicos e, no caso de ser detectada alguma anomalia, o paciente ser´a imediatamente informado atrav´es de algum sinal de alarme. A figura 1.1 ilustra um exemplo de uma rede BAN.
Outras aplica¸c˜oes desta tecnologia ser˜ao no ramo desportivo, militar e na seguran¸ca [3]. Poder´a ser poss´ıvel a transferˆencia de informa¸c˜ao entre dois indiv´ıduos, apenas com um aperto de m˜ao, com o objectivo de transmitir dados de forma segura e eficaz [2].
1.3
Objectivos e Organiza¸
c˜
ao da tese
Neste trabalho pretende-se projectar um emissor e um receptor(transceiver ), que per-mitam a comunica¸c˜ao entre dois locais distintos da superf´ıcie do corpo humano, bem como a comunica¸c˜ao entre dois indiv´ıduos que estejam em contacto (como por exemplo a darem um simples aperto de m˜ao). O objectivo ´e a realiza¸c˜ao em simulador de todos os circuitos que fazem parte do transceiver e comparar os circuitos propostos com o trabalho realizado anteriormente. Pretende-se ainda implementar estes circuitos para verifica¸c˜ao experimental do seu bom funcionamento.
A tese encontra-se organizada da seguinte maneira. O Cap´ıtulo 2 cont´em uma apre-senta¸c˜ao de trabalhos realizados anteriormente que utilizam o corpo humano como canal de transmiss˜ao, come¸cando naturalmente pelo pioneiro. ´E feita tamb´em uma compara¸c˜ao entre as tecnologias j´a existentes e normalmente referenciadas como PAN (Personal Area Networks ), sublinhando as suas principais desvantagens e percebendo que nesse caso o corpo humano seria uma alternativa v´alida. No Cap´ıtulo 3 apresenta-se o simulador de circuitos anal´ogicos utilizado, bem como a descri¸c˜ao de alguns problemas de trabalhos realizados anteriormente[9]. No Cap´ıtulo 4, procede-se a descri¸c˜ao de cada um dos circuitos implementados que fazem parte do sistema. No Cap´ıtulo 5 est˜ao presentes todos os resultados quer de simula¸c˜ao, quer pr´aticos dos circuitos do sistema. As conclus˜oes encontram-se no Cap´ıtulo 6.
Cap´ıtulo 2
Estado da Arte
2.1
Sum´
ario
Neste cap´ıtulo s˜ao apresentados os trabalhos j´a realizados que recorrem ao corpo o humano como canal de transmiss˜ao bem como uma compara¸c˜ao da tecnologia BAN com outras tec-nologias. A maior parte dos artigos reportados na literatura, al´em de falarem de prot´otipos desenvolvidos, fazem tamb´em referˆencia a testes que foram realizados sobre a resposta do corpo humano e a modelos de simula¸c˜ao criados. Sobre cada artigo v˜ao ser focados aspectos importantes bem como os resultados obtidos. Come¸ca-se por fazer referˆencia ao prot´otipo pioneiro, que foi desenvolvido por Tom Zimmerman no ano de 1995. Sobre este ´e feita uma de-scri¸c˜ao sucinta do seu funcionamento, implementa¸c˜ao e dos resultados obtidos. Os prot´otipos desenvolvidos v˜ao ser colocados por ordem cronol´ogica de desenvolvimento, e no final de cada um vai ser feita um cr´ıtica pessoal.
2.2
BAN vs Outras tecnologias
Existem v´arias tecnologias que s˜ao utilizadas em PAN (ver 2.2.1), no entanto ´e importante conhecer as suas principais vantagens/desvantagens e compreender o porquˆe do uso do corpo humano como canal de transmiss˜ao.
2.2.1 PAN/BAN
PAN significa personal area network (rede de area pessoal) e o conceito foi introduzido por Thomas Zimmerman e Neil Gershenfeld em 1995. E uma tecnologia de informa¸c˜´ ao que interliga dispositivos que contemplem n˜ao s´o uma pessoa como a ´area envolvente. A comunica¸c˜ao pode ser efectuada entre dispositivos pessoais ou entre dispositivos que tenham o mesmo sistema de comunica¸c˜ao. Tipicamente, o seu raio de alcance ´e de alguns metros e estes tipos de redes podem ser ligadas com ou sem fios. Inicialmente, o conceito foi concebido apenas para utilizar o corpo humano como canal de transmiss˜ao, no entanto foi adaptado a outras tecnologias que usam o ar como canal de transmiss˜ao ou um fio. No que diz respeito a tecnologias com fio, a mais sonante ´e o USB e ao n´ıvel de tecnologias sem fios destacam-se os infravermelhos, Bluetooth e o Zigbee. Mais tarde decorrente do conceito PAN surge um outro, o BAN.
Ban (body area network ) foi o conceito introduzido para denominar apenas os sistemas que utilizam o corpo humano como canal de transmiss˜ao e cujo o seu raio de alcance ´e apenas cerca de 1 a 2m, enquanto o PAN pode ir at´e 10m [4].
2.2.2 Corpo humano vs Outras Tecnologias
Aqui vai ser feita uma breve descri¸c˜ao de cada um dos principais tipos de tecnologias sem fios j´a utilizadas em redes de comunica¸c˜ao pessoal, destacando sobretudo os seus problemas e desvantagens. Estas tecnologias s˜ao os infravermelhos, Bluetooth e oZigbee.
Figura 2.1: BAN vs ZigBee vs Bluetooth vs Infravermelhos.
2.2.2.1 Infravermelhos
Os infravermelhos foram descobertos por William Herschel (um astr´onomo inglˆes) em 1800. Caracterizam-se por um tipo de radia¸c˜ao electromagn´etica cujo comprimento de onda ´e menor que a luz vis´ıvel e maior que a das microondas. S˜ao usados em sistemas de vigilˆancia, aparelhos de vis˜ao nocturna, sistemas biom´edicos, na comunica¸c˜oes entre dispositivos (alcance de alguns metros) e transferˆencias de ficheiros (alcance de 1m)[17]. Ao n´ıvel dos sistemas de comunica¸c˜ao pode-se destacar, por exemplo, a comunica¸c˜ao entre um televisor e um co-mando. Nesta tecnologia ´e utilizado normalmente, um d´ıodo emissor(LED) e um fotodetector (fotod´ıodo) que funciona como o receptor de sinal, ou seja, s´o ´e poss´ıvel fazer a comunica¸c˜ao entre dois dispositivos de cada vez. A troca de dados ´e half-duplex, isto ´e, um dispositivo s´o pode estar a receber ou a enviar. No entanto, este tipo de tecnologia tem a vantagem de n˜ao sofrer interferˆencias de outras ondas electromagn´eticas. Contudo, os infravermelhos apresentam algumas desvantagens, nomeadamente:
• os dispositivos para efectuarem a transferˆencia de dados tem de estar em linha de vista e devem ser colocados num ˆangulo de 30o e, no m´aximo, a um metro de distˆancia [17]; • a sua velocidade de transmiss˜ao ´e limitado a 1Mb/s [17];
• os dados transmitidos n˜ao s˜ao encriptados, isto ´e, qualquer dispositivos com infraver-melhos pode receber os dados, o que torna insegura este tipo de tecnologia, no entanto ´
e dificil isto acontecer devido ao seu curto alcance;
• tem um elevado consumo (corrente na ordem das centenas de mA e potˆencias na ordem dos mW).
Estes tipos de desvantagens e mais especificamente devido ao facto de os dispositivos terem de estar em linha de vista, limitam o uso deste tipo de tecnologia em redes de comunica¸c˜ao pessoal.
2.2.2.2 Bluetooth
O bluetooth ´e uma tecnologia de comunica¸c˜ao sem fios entre dispositivos fixos e moveis. Esta tecnologia foi criada pela Ericsson com o objectivo inicial de ser uma alternativa sem fios `a tecnologia RS-232. Mais tarde em 1998, a Nokia, Toshiba, Intel e IBM formaram o cons´orcio denominado Bluetooth SIG (Special Interest Group) com o objectivo de expandir o conceito de Bluetooth e estabelece-lo como um novo padr˜ao industrial. Esta tecnologia baseia-se numa liga¸c˜ao de r´adio de curto alcance e baixo custo que permite a troca de informa¸c˜oes entre dispositivos como telem´oveis, PDAs, computadores port´ateis entre outros, bem como o controlo dos mesmos[18]. Com uma ´area de alcance que pode ir de 1 at´e 100m, este tipo de tecnologia (comunica¸c˜ao via r´adio) n˜ao necessita de visualiza¸c˜ao directa e os dispositivos podem iniciar automaticamente uma troca de informa¸c˜ao. Tem capacidade de ter v´arios dispositivos ao mesmo tempo, ultrapassando os problemas de sincroniza¸c˜ao. A sua frequˆencia ´e de 2.4GHz e pode atingir uma velocidade m´axima de transmiss˜ao at´e 1Mb/s. O seu consumo pode ser de uma corrente entre 50 a 80mA em modo activo e cerca de 200uA em stand-by, correspondendo a potˆencias entre 100 e 200mW. As aplica¸c˜oes do Bluetooth podem ser ao n´ıvel de dispositivos m´edicos, industriais, dom´esticos, etc., como se pode constatar pelos exemplos enunciados:
• Abertura de portas de garagem; • Vigilˆancia de beb´es;
• Estabelecimento de uma liga¸c˜ao `a internet atrav´es de um computador que esteja ligado um telem´ovel com internet[5];
• Troca de informa¸c˜ao entre telem´oveis ou outros dispositivos (impressoras, computa-dores, port´ateis, PDAs);
• Comunica¸c˜ao entre um PC e os seus perif´ericos (rato, teclado, impressora);
No entanto, o Bluetooth apresenta algumas desvantagens como o elevado consumo de energia, baixa taxa de transmiss˜ao e principalmente a inseguran¸ca. A este n´ıvel ´e importante referir que permite:
• Um estranho nos possa enviar ficheiros (mesmo com possibilidade de recusa);
• Um hacker experiente tenha acesso aos dados de um telem´ovel, sem conhecimento ou autoriza¸c˜ao do utilizador [5];
• Uma pessoa que tenha acesso a um telem´ovel pessoal pode com o conhecimento dos seus comandos efectuar chamadas, enviar mensagens ou at´e mesmo aceder `a internet a partir do telem´ovel de um dado utilizador. Como meio de evitar estas situa¸c˜oes deve-se desligar o bluetooth no fim de utiliza¸c˜ao.
Estas situa¸c˜oes referidas tornam o bluetooth uma tecnologia pouco segura para redes de comunica¸c˜ao pessoal.
2.2.2.3 Zigbee
O Zigbee ´e uma tecnologia recente que surgiu em Dezembro de 2004. No entanto a sua apresenta¸c˜ao em p´ublico ocorreu em Julho de 2005 e a entidade respons´avel por este pro-tocolo ´e a ZigbeeTM Alliance. Caracteriza-se por uma tecnologia de comunica¸c˜ao sem fios, usada em redes de comunica¸c˜ao pessoal, que usa protocolos de comunica¸c˜ao de alto n´ıvel, e pequenos r´adios digitais de baixo consumo baseados na norma IEEE 802.15.4. Relativamente `
as outras tecnologias o Zigbee pretende associar a transmiss˜ao de dados com elevada fiabili-dade e um reduzido consumo energ´etico[21]. O Zigbee surgiu com o objectivo de uniformizar o desenvolvimento de um sistema standard em que se destacasse sobretudo, por uma elevada compatibilidade. Assim sendo, as principais caracter´ısticas do Zigbee s˜ao:
• Alcance de 1 a 100m [22];
• Baixo Consumo (em modo activo at´e no m´aximo de 30mA e 3 uA em Stand-by), potˆencias entre 20 e 50mW[21];
• Elevada autonomia de baterias (100 at´e 1000dias); • Taxa de transmiss˜ao m´axima de 250kb/s [21]; • Comunica¸c˜oes at´e entre 65536 dispositivos[21];
• Actua na banda de frequˆencias dos 2.4GHz ou ent˜ao na de 815MHz na Europa e na de 915MHz nos EUA e Austr´alia (isto depende da sua aplica¸c˜ao);
• Necessidade de um microcontrolador para cada dispositivo Zigbee [22].
Com estas caracter´ısticas o Zigbee tem diversas aplica¸c˜oes, sobretudo nas ´areas de dom´otica, ind´ustria e servi¸cos m´oveis, como por exemplo:
• Monitoriza¸c˜ao e controlo de terminais m´oveis [22]; • Luzes inteligentes, controladores de temperatura [22]; • Sistemas de seguran¸ca [22];
• Controlo de processos industriais [22]; • Detectores de fogo e presen¸ca [22];
• Sensores de ´agua, entre outras aplica¸c˜oes [22].
Contudo o Zigbee tem algumas desvantagens, designadamente uma taxa de transmiss˜ao muito baixa, tornando-se assim dif´ıcil a transferˆencia de ficheiros como m´usica e imagens, o facto de cada dispositivo Zigbee necessitar de um microcontrolador, e o seu consumo ´e considerado elevado para aplica¸c˜oes em que os sensores estejam colocados no corpo humano.
2.3
Primeiro Prot´
otipo PAN
Esta parte da tese foi realizada com base em [2] e [1], quer ao n´ıvel de informa¸c˜ao, quer ao n´ıvel de figuras . O conceito PAN foi introduzido pelo investigador Thomas Zimmerman, para denominar um sistema de comunica¸c˜ao desenvolvido por ele em conjunto com a sua equipa que se baseava em dispositivos electr´onicos, que trocavam informa¸c˜ao atrav´es do corpo humano. A figura 2.2 mostra o diagrama de blocos simplificado do sistema PAN. A informa¸c˜ao era transmitida atrav´es da modula¸c˜ao dos campos el´ectricos e do acoplamento de correntes electrost´aticas pelo corpo humano sendo que a corrente transmitida pelo mesmo era de 50pA. A portadora usada foi relativamente baixa para que a energia propagada seja m´ınima e assim n˜ao ocorra interferˆencias entre sistemas PANs vizinhos.
2.3.1 Desenvolvimento do Prot´otipo
O transceiver desenvolvido usa um microcontrolador (PIC16C71) para a aquisi¸c˜ao do sinal. O objectivo deste transceiver PAN half-duplex ´e efectuar a troca de dados digitais atrav´es do corpo humano, usando os campos el´ectricos gerados por um circuito electr´onico de baixo custo, alimentado com uma bateria e de pequena dimens˜ao. Este faz uma combina¸c˜ao de circuitos anal´ogicos e digitais, neste caso um chopper bipolar controlado por um microcontrolador digital.
2.3.1.1 Elementos funcionais
Os elementos funcionais do transceiver est˜ao ilustrados na figura 2.3.
Figura 2.3: Diagrama de blocos do half-duplex transceiver.
O sistema usa circuitos anal´ogicos para efectuar a detec¸c˜ao s´ıncrona sob o controlo do microcontrolador. Esta combina¸c˜ao tem como vantagem o facto de os circuitos anal´ogicos conseguirem integrar sinais, na ordem dos microvolts e mais r´apidos do que, a resolu¸c˜ao tem-poral e de tens˜ao da ADC do microcontrolador. A linha de sa´ıda digital do microcontrolador activa um circuito de ressonˆancia (tank circuit ) que a partir de uma onda quadrada de 5Vpp de amplitude gera uma sinusoidal com 30Vpp e injecta-a no corpo atrav´es do el´ectrodo de sinal localizado no transmissor. A taxa de transmiss˜ao m´axima ´e de 2.4kb/s. O receptor consiste num amplificador de corrente que converte uma corrente de nanoamperes num sinal de microvolts. A seguir a este amplificador vem um amplificador de tens˜ao, o qual pode ser programado digitalmente para um dado ganho (1, 10 e 100). O sinal amplificado pode ser aplicado directo a um integrador, ou a atrav´es de um inversor (que efectua uma mudan¸ca do
sinal da tens˜ao amplificada). A selec¸c˜ao do ganho ´e feita pelo microcontrolador, sincronizando o sinal transmitido com o objectivo de produzir um sinal com uma polaridade constante (pos-itiva ou negativa), a qual ´e posteriormente integrado num valor suficientemente grande, para ser digitalizado pela ADC do microcontrolador (0-5 V, 8bits, 19.5mv por divis˜ao). O micro-controlador usa o sinal digital integrado para determinar o estado l´ogico do bit recebido. O integrador ´e descarregado ap´os cada mensagem de bit. Esta t´ecnica (integrar e descarregar) minimiza a interferˆencia entre s´ımbolos - ISI. Assim que a mensagem ´e recebida, o microcon-trolador transfere-a para um computador atrav´es de uma liga¸c˜ao de fibra ´optica. Isto ´e feito para isolar electricamente o transceiver, para que deste modo este possa ser avaliado inde-pendentemente de algum ponto de massa que possa ser criado pelo meio envolvente. Al´em disso a conex˜ao por fibra ´optica ´e extremamente ´util para eliminar erros de c´odigo, que s˜ao causados pela liga¸c˜ao de pontas de prova ao transceiver.
2.3.1.2 Constru¸c˜ao dos Prot´otipos
Os prot´otipos do transmissor e receptor vˆem ilustrados na figura 2.4. Estes tˆem dimens˜oes de 94mm x 120mm x 37mm e ambos possuem dois el´ectrodos.
Figura 2.4: Prot´otipos do receptor(esquerda) e do transmissor(direita).
Ao n´ıvel de consumo, o prot´otipo, para funcionar durante algumas horas, necessita de ser alimentado por baterias de 9V. O elemento que consome mais energia ´e o LED emissor usado para comunica¸c˜ao ´optica, no entanto, este elemento n˜ao faz parte do transceiver, ´e apenas utilizado para testes. Os 9V s˜ao regulados para 5V para alimentar o microcontrolador, o oscilador cristal. Os outros elementos s˜ao alimentados a ±9V. O transceiver PAN apresenta um consumo total de 400mW.
2.3.1.3 Modula¸c˜ao
Foram usadas duas estrat´egias de modula¸c˜ao: OOK(on-off-keying) e sequˆencia directa de largo espectro (direct sequence spread spectrum). Na modula¸c˜ao OOK, quando o bit ´e 1, a portadora vai a on e quando o bit ´e 0 vai a off. A rela¸c˜ao sinal-ru´ıdo melhora quando se aumenta a tens˜ao de transmiss˜ao. A sequˆencia directa modula a portadora com uma sequˆencia pseudo-aleat´oria (PN - Pseudnoise-sequence), produzindo uma largura de banda muito maior do que a largura de banda do sinal. Assim, quando o bit a transmitir ´e 1, este transmite a sequˆencia inteira e quando ´e 0, transmite a sequˆencia invertida. A rela¸c˜ao sinal-ru´ıdo melhora com o aumento do comprimento da sequˆencia PN. O prot´otipo ´e capaz de detectar os dois tipos de modula¸c˜ao. Na OOK os interruptores do chopper bipolar s˜ao conduzidos pela frequˆencia portadora e o resultado integrado ´e comparado com uma sequˆencia de threshold fixa para determinar o valor da mensagem de bit. A detec¸c˜ao de fase quadr´atica ´e implementada atrav´es da realiza¸c˜ao de duas sequˆencias de integra¸c˜oes, a 0 e 90o, para cada mensagem de bit. Na outra codifica¸c˜ao, os interruptores s˜ao conduzidos pela sequˆencia PN e o resultado do integrador correlacionador ´e comparado com dois threshold. Se a correla¸c˜ao ´e maior que o threshold positivo, o bit ´e 1, se a correla¸c˜ao ´e menor que o threshold negativo o bit ´e 0, caso a correla¸c˜ao esteja entre os dois thresholds, nenhum bit ´e recebido. Quando a mensagem for recebida e desmodulada com sucesso, o microcontrolador transmite-a para o computador atrav´es da fibra ´optica, que se encontra isolada do transceiver.
Os dois tipos de modula¸c˜ao foram comparados, colocando-se o transceiver numa plataforma de madeira e separados por uma distˆancia de 20cm. A amplitude do sinal integrado recebido em unidades pela ADC (m´aximo 255) ´e dada pela seguinte tabela:
Transmissor Receptor Sinal Recebido Compara¸c˜ao(%)
spread spread 149 100
OOK OOK 90 60 (com tank ressonator)
OOK OOK 62 41 (sem ressonator)
OOK spread 27 18
spread OOK 2 1
Tabela 2.1: OOK vs Spread.
Como se pode observar pela tabela 2.1, o spread spectrum produz um sinal recebido com maior amplitude. O tank ressonator melhora o desempenho da modula¸c˜ao OOK em cerca de 50%, mas em compara¸c˜ao com o spread spectrum ´e apenas 60% t˜ao eficaz como este.
2.3.1.4 Demonstra¸c˜ao do Prot´otipo
O prot´otipo do sistema PAN, ilustrado na figura 2.5, consiste num transmissor e recep-tor alimentados com uma bateria e um computador para an´alise de dados. O transmissor cont´em um microcontrolador que transmite continuamente caracteres ASCII guardados na sua mem´oria. A parte de baixo do transmissor que cont´em o el´ectrodo de referˆencia est´a em contacto com o ground e a parte de cima do transmissor que possui o el´ectrodo de sinal est´a pr´oximo do corpo da mulher, efectuando o acoplamento de um campo el´ectrico modulado ao corpo desta. A parte de baixo do receptor est´a pr´oximo do ground, enquanto que o p´e do homem est´a colocado em cima do receptor efectuando o acoplamento com o el´ectrodo de
sinal do receptor. Quando estes est˜ao pr´oximos, mais concretamente a darem um aperto de m˜ao, o circuito el´ectrico fica completo, permitindo a passagem de um sinal de transmiss˜ao, da ordem de nanoamperes, pelos corpos, do transmissor para o receptor. A outra parte do sinal passa pelo ground . Quando os caracteres ASCII chegam ao receptor s˜ao desmodulados e enviados para o computador. O receptor limpa o bit de topo de cada mensagem de bit a fim de que mensagens/bits errados sejam entendidos como bits de controlo. Este receptor n˜ao usa t´ecnica de detec¸c˜ao de erros a fim de demonstrar a degrada¸c˜ao do sinal com a distˆancia. No computador os caracteres ASCII recebidos s˜ao exibidos.
Figura 2.5: Demonstra¸c˜ao do Prot´otipo PAN.
2.3.2 Cr´ıtica
O prot´otipo desenvolvido foi um grande passo para cria¸c˜ao de sistemas que usam o corpo humano como canal de transmiss˜ao e tamb´em para introduzir o conceito PAN. Houve um grande estudo pr´evio sobre as poss´ıveis interferˆencias electromagn´eticas causadas pelas partes met´alicas do computador ou de algum aparelho que tivesse pr´oximo do transceiver, que pudesse influenciar os resultados da experiˆencia. Este problema, poderia pˆor em causa a fiabilidade do sistema e para evitar o problema recorreu ao uso da fibra ´optica. Face a tec-nologia existente na ´epoca, o prot´otipo era bastante sofisticado, no entanto as dimens˜oes eram grandes, o seu consumo de energia era elevado e a taxa de transmiss˜ao era relativamente baixa o que n˜ao se adequava `a transferˆencia de ficheiros multim´edia.
2.4
Wireless Body Area Networks
A informa¸c˜ao aqui referenciada (e as figuras), bem como dos estudos efectuados foi baseada em [7].
Os avan¸cos ao n´ıvel da comunica¸c˜ao sem fios e dos sistemas micro electro-mecˆanicos, permite o estabelecimento em larga escala, de redes com baixo consumo e baixo custo. As Wireless Sensor Networks (WSNs) tˆem aplica¸c˜oes em v´arias ´areas como seguran¸ca, acompan-hamento m´edico, automa¸c˜ao industrial entre outras. Este tipo de redes pode ser usado com efic´acia em cuidados m´edicos com o objectivo de melhorar a qualidade vida dos pacientes e a
qualidade dos servi¸cos de sa´ude. Por exemplo pacientes equipados com um dispositivo WBAN (wireless body area network), n˜ao precisam de estar presentes a um m´edico para terem um diagn´ostico. Um rede BAN ´e adequada para casos de emergˆencia, pois atrav´es de sensores implantados no corpo de forma n˜ao evasiva, envia informa¸c˜ao sobre o estado de sa´ude do paciente, de modo a ter um resposta r´apida no caso de ser preciso um tratamento imediato. Estes sensores formam uma rede sem fios, entre o corpo e algumas entidades externas ao corpo humano. Uma rede deste tipo pode ser usada para v´arios tipos de aplica¸c˜oes, pois os sensores corporais podem ser usados para monitorizar parˆametros fisiol´ogicos como press˜ao arterial, n´ıveis de glicose e colheita de dados para posterior an´alise.
2.4.1 Desafios
A qualidade dos cuidados de sa´ude ´e sempre uma grande preocupa¸c˜ao para o individuo. O crescimento da popula¸c˜ao dos pa´ıses desenvolvidos representa um grande gasto do or¸camento do estado e um novo desafio para os sistemas de sa´ude, particularmente com as pessoas idosas que vivem em lares de terceira idade. Normalmente os cuidados m´edicos s˜ao prestados periodicamente, onde o paciente ´e atendido por um m´edico, faz alguns testes, faz o diagn´ostico em caso de algum problema, e depois monitoriza o progresso ao longo do tratamento.
Antes de descrever as aplica¸c˜oes m´edicas dos BANs, ´e preciso focar os diversos desafios e os aspectos gerais que descrevem este tipo de tecnologia. Os desafios nas aplica¸c˜oes `a sa´ude s˜ao o consumo, limita¸c˜oes computacionais dos sensores, seguran¸ca e interferˆencias, robustez, opera¸c˜ao cont´ınua e protec¸c˜ao do corpo da pessoa.
2.4.2 Modelo do sistema
A rede WBAN consiste num grupo de sensores corporais implantados sobre o corpo hu-mano, um dispositivo externo (n´o de controlo) colocado no corpo e uma esta¸c˜ao computacional como est´a ilustrado na figura 2.6. Os sensores corporais (entre eles) e o n´o de controlo formam uma rede. O n´o de controlo est´a ligado a um computador externo. Um sensor corporal ´e constitu´ıdo por um processador, uma mem´oria, um transceiver, um sensor e pela unidade de alimenta¸c˜ao. Estes sensores corporais realizam tarefas como recolha de informa¸c˜ao do corpo humano, processamento e transmiss˜ao dessa informa¸c˜ao e recep¸c˜ao de sinais externos para definir a ac¸c˜ao do sensor dentro do corpo. O n´o de controlo actua como uma agrega¸c˜ao de da-dos e como ponto de divulga¸c˜ao dos mesmos. Os dados s˜ao recolhidos periodicamente pelo n´o de controlo e enviados para um computador, onde s˜ao guardados para futuro processamento. Comparado com o n´o de controlo e os sensores corporais, o computador tem uma capacidade de transmiss˜ao e processamento de dados muito superior. Os sensores corporais s˜ao muito limitados ao n´ıvel de computa¸c˜ao e comunica¸c˜ao. Existem trˆes tipos de comunica¸c˜oes sem fios neste modelo que s˜ao a comunica¸c˜ao entre os v´arios sensores corporais, entre os sen-sores corporais e o n´o de controlo, e entre o n´o de controlo e a esta¸c˜ao computacional (como mostra na figura 2.6). Ao contr´ario das liga¸c˜oes com fios, os dados das liga¸c˜oes sem fios s˜ao acess´ıveis a quem entre nessas liga¸c˜oes, tornando estas liga¸c˜oes inseguras. Para ultrapassar este problema, foi necess´ario recorrer a uma criptografia assim´etrica, usando as capacidades computacionais do n´o de controlo e da esta¸c˜ao computacional.
2.4.3 Aplica¸c˜oes m´edicas da tecnologia BAN
J´a h´a diversas aplica¸c˜oes m´edicas no presente usando sensores sem fios, como a detec¸c˜ao de problemas card´ıacos, asma, resposta em caso de emergˆencia e controlo do stress. A integra¸c˜ao de tecnologia m´edica especializada com as redes sem fios ir´a ser vista num futuro pr´oximo. As aplica¸c˜oes m´edicas beneficiam com a introdu¸c˜ao dos sensores sem fios em muitas ´areas. Os recentes avan¸cos na miniaturiza¸c˜ao dos sensores corporais, abrem a porta para um conjunto de novas oportunidades de um controlo continuo do estado de sa´ude dos pacientes. Sensores pequenos e n˜ao evasivos permitem a recolha de largas quantidades de dados, reduzindo o custo e o inconveniente das visitas regulares ao m´edico. Outras poss´ıveis aplica¸c˜oes m´edicas s˜ao:
• Doen¸cas Cardiovasculares: As equipas m´edicas podem preparar um tratamento com antecedˆencia e dar uma resposta mais r´apida no caso de receberem informa¸c˜ao vital sobre o estado do paciente atrav´es da monitoriza¸c˜ao feita usando este tipo de tecnologia, por exemplo, quando s˜ao detectadas irregularidades no ritmo card´ıaco de um paciente ´
e poss´ıvel enviar uma equipa m´edica ao local de imediato;
• Detec¸c˜ao de Cancro: O cancro ´e uma das maiores causas de morte actualmente, continua a crescer e ´e uma das grandes amea¸cas `a vida humana. Um sensor com a capacidade de detectar oxido n´ıtrico emitido pelas c´elulas cancer´ıgenas, ´e colocado em partes do corpo em que existem suspeitas de cancro com o objectivo de permitir um interven¸c˜ao mais r´apida e eficaz, pois como ´e de conhecimento p´ublico muitos dos diagn´osticos de cancro, s˜ao feitos j´a quando a doen¸ca est´a num estado avan¸cado n˜ao permitindo em grande parte dos casos uma interven¸c˜ao eficaz levando `a morte;
• Alzheimer, depress˜oes, e controlo de pessoas idosas: De acordo com estudos feitos nos EUA, o n´umero de pessoas adultas entre os 65 e 84 anos tende a duplicar. Esta
tecnolo-gia pode ajudar pessoas idosas, que normalmente est˜ao em casa e se sentem sozinhas e deprimidas, com a detec¸c˜ao de alguma situa¸c˜ao anormal, alertando de imediato a familia e o hospital mais perto das suas residˆencias;
• Controlo dos n´ıveis de glicose: O numero de casos de diabetes tˆem aumentado de ano para ano e esta doen¸ca pode levar a situa¸c˜oes de doen¸cas card´ıacas, press˜ao arterial alta, cegueira, falhas renais e at´e em casos mais graves, a amputa¸c˜oes. Um sensor corporal implantado num paciente permite um m´etodo mais consistente, preciso e menos evasivo de controlo dos n´ıveis de glicose, transmitindo os resultados, por exemplo, para um PDA e injectando automaticamente insulina quando os n´ıveis de glicose passam o limite estipulado;
• Asma: Uma rede de sensores sem fios pode ajudar milh˜oes de pessoas que sofrem de asma, tendo um sensor que detecta agentes causadores de alergia no ar;
• Ataques epil´epticos: Pacientes com o diagn´ostico de epilepsia , usando um sensor com capacidade de avaliar o seu comportamento motor, podem ter uma resposta mais r´apida.
2.4.4 Prot´otipos desenvolvidos na tecnologia WBAN
Neste sec¸c˜ao v˜ao ser apresentados alguns prot´otipos desenvolvidos neste tipo de tecnologia. 2.4.4.1 HipGuard System
Este dispositivo foi desenvolvido para pacientes que estejam em recupera¸c˜ao de cirurgias na zona das ancas. Este sistema monitoriza a posi¸c˜ao e rota¸c˜ao das pernas e ancas do paciente com sensores sem fios embutidos nos cal¸c˜oes do pacientes como ilustra na figura 2.7. Sinais de alarme podem ser enviados para a unidade do sistema presente no pulso do paciente em caso de algum problema. Este sistema provou ser muito ´util em processos de reabilita¸c˜ao de pacientes.
2.4.4.2 CodeBlue
O CodeBlue ´e um projecto em desenvolvivento pela Universidade de Harvard que consiste num projecto de investiga¸c˜ao m´edico baseado em redes de sensores. O sistema utiliza sensores de sinais vitais sem fios e de baixa potˆencia, computadores da m˜ao (PDAs) e rastreadores de localiza¸c˜ao. Uma interface de consulta simples permite ´as equipas m´edicas fazer o pedido dos dados de um grupo de pacientes, para permitir uma triagem em tempo real e observa¸c˜ao de pacientes a longo termo. Na figura 2.8 est´a ilustrado um exemplo deste sistema.
Figura 2.8: Sensor sem fios de pulsa¸c˜ao.
2.4.4.3 MobiHealth
O MobiHealth ´e um projecto que utiliza tecnologia de comunica¸c˜ao sem fios GPRS (Gen-eral Packets Radio Service)/UMTS (Universal Mobile Telecommunications Systems) para transferˆencia de dados, baseado numa iniciativa europeia para criar uma plataforma gen´erica usando sensores BAN e tecnologia telef´onica sem fios. O MobiHealth providencia uma mon-itoriza¸c˜ao cont´ınua dos pacientes fora do ambiente hospitalar. O objectivo desta iniciativa ´e de melhorar a qualidade de vida dos pacientes, abrindo portas a servi¸cos em ´areas de pre-ven¸c˜ao de doen¸cas, diagn´ostico, assistˆencia remota, controlo do estado f´ısico da pessoa e at´e em pesquisa cl´ınica. Resumindo, um paciente que precisa de constante acompanhamento m´edico por pequenos ou longos per´ıodos de tempo n˜ao precisa de estar no hospital. Com o dispositivo MobiHealth BAN, o paciente ´e livre de realizar as suas actividades di´arias. A figura 2.9 ilustra a estrutura t´ıpica do projecto MobiHealth .
Figura 2.9: Sistema MobiHealth.
2.4.4.4 LifeShirt e Vitaljacket
LifeShirt ´e um sistema confort´avel e n˜ao evasivo que recolhe dados durante a rotina di´aria de um paciente, fornecendo das mais completas imagens remotas do estado de sa´ude dos pacientes. Permite aos profissionais de sa´ude acompanhar mais de 30 sinais e fun¸c˜oes vitais dos pacientes, estando eles nos seus quotidianos. A LifeShirt recolhe os dados dos pacientes usando sensores integrados incluindo bandas respirat´orias (que medem a fun¸c˜ao pulmonar) e ECG (que registam a activade el´ectrica do cora¸c˜ao humano). Permite tamb´em registar as actividades f´ısicas. A figura 2.10 ilustra este sistema.
Figura 2.10: Sistema LifeShirt.
O VitalJacket[20] ´e um sistema semelhante que permite a monitoriza¸c˜ao cont´ınua do sinal de ECG.
2.4.5 Cr´ıtica
Embora n˜ao sejam apresentados os aspectos detalhados ao n´ıvel da electr´onica e da co-munica¸c˜ao usadas neste tipo de tecnologia foi feito neste artigo uma aprecia¸c˜ao global do uso
da tecnologia BAN ao n´ıvel da sa´ude, pois ´e uma das aplica¸c˜oes mais importantes e ´e um grande passo para a melhoria da qualidade de vida da popula¸c˜ao mundial em geral.
2.5
Aplica¸
c˜
oes e Arquitectura BAN
A informa¸c˜ao aqui referenciada quer ao nivel de figuras, bem como dos estudos efectuados foi baseada em [8].
Recentemente, tem surgido cada vez mais interesse no desenvolvimento de uma nova arquitectura de redes, Body area networks (BAN). Esta arquitectura fez sucesso pelas suas diversas vantagens como o seu tamanho reduzido, baixo consumo, e o uso de sensores de monitoriza¸c˜ao. Nos BANs, os sensores monitorizam continuamente, as diversas actividades e ac¸c˜oes fisiol´ogicas do corpo humano, como os sinais vitais e o padr˜ao de movimento do corpo. Esta classe de redes est´a a abrir caminho para o desenvolvimento de um inovador modelo de controlo de aplica¸c˜oes no sistema de sa´ude.
2.5.1 Arquitectura BAN
Figura 2.11: Arquitectura BAN.
Comparado com as tecnologias existentes como as WLANs (Wireless Local Area Net-works), a tecnologia BAN permite a comunica¸c˜ao sem fios em torno do corpo humano por meios sofisticados, utilizando computadores com tecnologia sem fios. A figura 2.11 ilustra a arquitectura comum do sistema BAN de monitoriza¸c˜ao de sinais vitais. Sensores de ECG (electrocardiograma), EEG (electroencefalograma), EMG (Electro Miografia ), movimento, press˜ao arterial enviam informa¸c˜ao para um servidor colocado perto do corpo, esse servidor pode ser apenas um simples telem´ovel ou PDA. `A medida que recebe os dados dos sensores, o servidor atrav´es de uma liga¸c˜ao por Bluetooth ou WLAN, transfere os dados por exemplo para o m´edico da pessoa que possui o dispositivo BAN em tempo real. Este tipo de sistema permite em muitos dos casos um diagn´ostico em tempo real.
A figura 2.11 divide este tipo de arquitectura de comunica¸c˜oes em trˆes partes, intra-BAN communication, inter-intra-BAN communication, e beyond-intra-BAN communication. A utiliza¸c˜ao termo Intra-BAN communication, deve-se ao facto, de a comunica¸c˜ao se dar a cerca de 2 metros `a volta do corpo humano as quais podem ser a comunica¸c˜ao entre os sensores do corpo e um n´o de controlo que ´e a parte do sistema que recebe as informa¸c˜oes dos sensores
espalhados pelo corpo e envia para um servidor como mostra a figura anterior. A Inter-BAN communication define-se por ser a comunica¸c˜ao entre o servidor (PDA) e um ponto de acesso, por exemplo um computador, atrav´es de tecnologias como o WLAN, Bluetooth, Zigbee. A terceira parte desta arquitectura chama-se Beyond-BAN Communication consiste na liga¸c˜ao do ponto de acesso `a internet por exemplo, de modo a transmitir informa¸c˜ao para o m´edico, fam´ılia, base de dados do hospital.
2.5.2 Hardaware e dispositivos
Um n´o dos sensores corporais ´e constitu´ıdo por duas partes: os diversos sensores corporais espalhados pelo corpo e a plataforma r´adio a qual estes est˜ao ligados. A fun¸c˜ao geral dos sensores corporais ´e a recolha de sinais biol´ogicos ou ac¸c˜oes corporais. Estes sinais anal´ogicos podem ser adquiridos pelo correspondente equipamento r´adio, onde os sinais anal´ogicos s˜ao digitalizados. Finalmente o sinal ´e enviado pelo transceiver r´adio.
2.5.2.1 Sensores Corporais
Os sensores corporais s˜ao os elementos chave dos sistemas BAN. Estes fazem a ponte entre a parte f´ısica e os sistemas electr´onicos. Devido ao facto destes sensores estarem em contacto directo com o corpo ou mesmo implantados, os seus tamanhos e compatibilidades f´ısicas para com os tecidos humanos s˜ao cruciais. Isto motiva a pesquisa e a s´ıntese de novos materiais. Os sensores corporais s˜ao usados para recolherem os sinais vitais de um paciente. Baseando-se nestes sinais, pode se obter um diagn´ostico mais preciso de modo a dar aos pacientes um trata-mento r´apido e correcto. Tradicionalmente, as an´alises via sensores corporais necessitam de interven¸c˜ao humana por uma equipa m´edica. Com o cont´ınuo avan¸co a n´ıveis tecnol´ogicos no design de circuitos, processamento de sinal e nos MEMS (Micro-Electro Mechanical Systems), os dados podem ser recolhidos dos pacientes de um modo n˜ao evasivo. Os sensores corporais, est˜ao tamb´em em evolu¸c˜ao, os seus tamanhos s˜ao cada vez mais reduzidos e funcionais, o que faz com que a tecnologia BAN possa ser usado com um dinamismo muito melhor com-parado com os antigos sistemas m´edicos. Como resultado, os custos m´edicos e a dependˆencia nas institui¸c˜oes cl´ınicas podem ser significativamente reduzidas, enquanto se melhora a qual-idade dos servi¸cos m´edicos e de sa´ude. Alguns dos sensores dispon´ıveis actualmente para a tecnologia BAN s˜ao os seguintes:
• Aceler´ometros/Girosc´opio: Os aceler´ometros usados nas aplica¸c˜oes BAN consistem num aceler´ometro de 3 eixos o qual ´e colocado numa localiza¸c˜ao estrat´egica do corpo. O girosc´opio ´e usado para medir e manter a orienta¸c˜ao, baseado no princ´ıpio de con-serva¸c˜ao do momento angular. Os aceler´ometros e os girosc´opios s˜ao usados para acom-panhar e reconhecer a postura do corpo humano e o movimento f´ısico;
• Glicose no sangue: ´E tamb´em chamado de a¸c´ucar no sangue e ´e quantidade de glicose presente na corrente sangu´ınea. Tradicionalmente, a medi¸c˜ao da glicose no sangue, ´e feita picando o dedo e extraindo uma gota de sangue, seguido de uma an´alise do sangue usando um medidor ´optico (Glicos´ımetro) para obter o numero de glicose no sangue. Recentemente, est˜ao dispon´ıveis medidores de glicose n˜ao evasivos atrav´es de tecnologia de infravermelhos e sensores ´opticos;
• Press˜ao arterial: O sensor de press˜ao arterial ´e um sensor n˜ao evasivo desenhado para medir a press˜ao sist´olica e diast´olica, utilizando uma t´ecnica oscilom´etrica;
• Sensor de di´oxido de carbono: Mede a quantidade de di´oxido de carbono durante a respira¸c˜ao humana;
• Sensor de ECG: Um ECG ´e um registo gr´afico da actividade el´ectrica do cora¸c˜ao. Para obter o sinal ECG, v´arios el´ectrodos tˆem de estar colocados em s´ıtios espec´ıficos da pele(e.g, bra¸cos, e peito), e a diferen¸cas de potencial entre estes el´ectrodos s˜ao medidas; • Sensor de EEG: Este sensor mede a actividade el´ectrica do c´erebro, atrav´es da coloca¸c˜ao de pequenos el´ectrodos colocados no cabe¸ca. Depois, a informa¸c˜ao recolhida ´e encam-inham para um amplificador para produzir um padr˜ao de tra¸cados;
• Sensor de EMG: Este sensor mede os sinais el´ectricos produzidos pelos m´usculos quando contra´ıdos ou em descanso;
• Oximetro de pulso: Este sensor mede a satura¸c˜ao do oxig´enio usando um m´etodo n˜ao evasivo. O sensor envia um sinal de luz que passa por entre a pele. De acordo com a absor¸c˜ao da luz mede-se a quantidade de oxig´enio no sangue;
• Sensores de temperatura e humidade: S˜ao usados para medir a temperatura do corpo e a humidade do meio em redor da pessoa.
Na tabela 2.2 est˜ao ilustrados os diversos sensores com a topologia e taxas de transmiss˜ao t´ıpicas.
Sensor topologia Taxa de trasmiss˜ao Aceler´ometro/giroscopio estrela Alta
Glicose no sangue estrela Alta
Press˜ao Arterial estrela Baixa Sensor de di´oxido de carbono estrela Muito baixa
Sensor de ECG estrela Alta
Sensor de EEC estrela Alta
Sensor de EMG estrela Muito alta
Oximetro de pulso estrela Baixa
Humidade estrela Muito baixa
Temperatura estrela Muito baixa
2.5.2.2 Plataforma
A figura 2.12 ilustra um n´o de controlo comum, com o sensor, r´adio e o m´odulos de mem´oria. O m´odulo sensor consiste num sensor, num filtro e numa ADC. O sensor converte as formas de energias vindas do corpo em sinais anal´ogicos, que s˜ao filtrados por um filtro passa-banda para depois ser convertido para um sinal digital atrav´es da ADC para futuro processamento. O sensore possui baixo consumo, mas a taxa de transmiss˜ao ´e baixa cerca de 250kpbs, o que ´e insuficiente para uma rede de sensores corporais ou para aplica¸c˜oes envolvendo transferˆencia de multim´edia como streaming de v´ıdeos. No geral, uma combina¸c˜ao do sistema operativo TinyOS e uma interface r´adio IEEE 802.15.4 foi adoptada para os sistemas BAN.
2.5.3 Camada F´ısica
2.5.3.1 Modela¸c˜ao do canal
O modelo do canal ´e importante para o design e avalia¸c˜ao das t´ecnicas de sinal que ser˜ao aplicadas `as camadas f´ısicas. Nos ´ultimos anos v´arios estudos mostraram que os trˆes factores que contribuem para caracter´ısticas de primeira e segunda ordem dos modelos dos canais dos sistemas BAN s˜ao:
• Ambiente em redor: onde o utilizador do sistema BAN est´a localizado, isto ´e, ao ar livre, em casa, se o utilizador est´a a movimentar-se, e como as interferˆencias de outros utilizadores prejudicam o sistema.
• Tipo de liga¸c˜ao: onde o n´o de sensores est´a localizado, isto ´e, no corpo, fora do corpo, se os sensores ligados ao n´o se encontram localizados.
• A actividade do utilizador (e.g. se esta a caminhar, correr, saltar), como o tempo que a actividade dura.
Modelagem baseada em medi¸c˜oes para dispositivos implementados ou amov´ıveis ´e dif´ıcil. A complexidade do tecido humano, estrutura e a forma do corpo devem ser considerados quando se caracteriza a propaga¸c˜ao de ondas electro-magn´eticas. Al´em disso, o ambiente dinˆamico, os movimentos corporais, e a atenua¸c˜ao complicam a valida¸c˜ao emp´ırica dos mod-elos dos canais.
2.5.3.2 Dimensionamento de antenas
O design de antenas em ambientes BAN ´e afectado pela postura do utilizador, ganho/perca de peso da pessoa e envelhecimento da pele. Por outro lado, o design de antenas tamb´em deve considerar o ambiente intr´ınseco do corpo, restri¸c˜oes em termos de tamanho , forma e o material utilizado. As antenas para aplica¸c˜oes BAN, s˜ao classificadas em dois grupos : antenas el´ectricas e antenas magn´eticas. Em antenas colocadas dentro do corpo, s´o se pode utilizar material n˜ao corrosivo e bio-compat´ıvel, como platina ou titˆanio. Contudo esses materiais tˆem uma fraca performance comparados com o cobre. O tamanho e a forma da antena depende tamb´em da sua localiza¸c˜ao dentro do corpo, o que imp˜oe uma limita¸c˜ao em quest˜oes de design. Efeitos de aquecimento em tecidos como gordura, m´usculos e pele provocam interferˆencias no campo el´ectrico do corpo, este factor tamb´em deve ser levado em considera¸c˜ao. O limite de potˆencia de sa´ıda da antena tem de ser no m´aximo 25uW o que causa mais um problema no design das antenas.
2.5.3.3 Desenvolvimento de Protocolo
Da perspectiva da camada f´ısica, o suporte para os protocolos BAN d´a origem a um conflito entre distˆancia de transmiss˜ao, taxa de transmiss˜ao e consumo de potˆencias. Enquanto que a distˆancia das comunica¸c˜oes intra-BAN s˜ao limitadas a 2m, e junto com a taxa de transmiss˜ao determinada pela aplica¸c˜oes em causa, o consumo de potˆencia depende da ´area dos canais de propaga¸c˜ao r´adio e das ac¸c˜oes humanas, em adi¸c˜ao do esquema de modula¸c˜ao usada. Comparando com os redes sem fios normais, decrescendo a distˆancia para 2m e limitando a taxa de transmiss˜ao para 1Mbps, a corrente ´e cerca de 10mA. O design dos protocolos da camada f´ısica devem cumprir alguns requisitos para o caso dos BANs, como as seguintes:
• A conectividade precisa de ser mantida por inteiro nos ambientes a que ´e exposto, de modo ter o m´ınimo poss´ıvel de atenua¸c˜ao e n˜ao ter percas de performance.
• Em certas bandas, ´e necess´ario um protocolo robusto para tornar o sistema menos vulner´avel a interferˆencias por dispositivos em seu redor.
• O consumo de potˆencia deve aumentar linearmente a quando um aumento da taxa de transmiss˜ao, com o objectivo de obter um sinal de informa¸c˜ao energy-per-bit (energia por bit) constante.
2.5.4 Camada MAC(Media Acess Control )
Na camada MAC existe um conflito entre realiza¸c˜ao, latˆencia e consumo energ´etico que necessitam de ser resolvidos. Obviamente, os requisitos da QoS (Qualidade de servi¸co), isto ´e, realiza¸c˜ao e latˆencia, originadas pelas apica¸c˜oes, e o consumo energ´etico reflectem-se no duty-cycle aplic´avel e na complexidade geral do protocolo. Comparado com as redes sem fios comuns para ´areas grandes, os BANs consomem muito menos energia o que significa tempos de vida mais longos por terem um duty-cycle muito baixo e um protocolo simples. Os sensores actuais, s˜ao muito limitados ao n´ıvel da capacidade da bateria, principalmente aqueles colocados dentro do corpo. Para optimizar o funcionamento destes sensores ´e necess´ario o uso de energy-eficient MAC protocols (protocols MAC de uso eficiente de energia), mas por outro lado, algumas aplica¸c˜oes baseadas em BANs necessitam de uma comunica¸c˜ao segura, baixo consumo energ´etico e com pouco atraso.
2.5.5 Projectos usando sensores corporais
Nesta parte est˜ao apresentados os aspectos importantes do desenvolvimento da tecnologia BAN, em termos de n´os de sensores, comunica¸c˜ao intra-BAN, inter-BAN e beyond-BAN. Na figura 2.13 est´a um sum´ario da arquitectura principal dos componentes que constituem os sistemas de sensores corporais.
Para as aplica¸c˜oes BAN alguns componentes s˜ao unicos. Por exemplo, para implementa¸c˜ao flex´ıvel e r´apida de uma comunica¸c˜ao inter-BAN, uma estrutura de malha ´e adoptada pelo projecto AID-N. Isto acontece devido `a sua aplica¸c˜ao ser de lidar com incidentes onde podem ocorrer muitas v´ıtimas. Comparando com outros projectos, o projecto MIMOSA e WHMS tˆem especial aten¸c˜ao para a comunica¸c˜ao beyond-BAN. A raz˜ao de tal acontecer ´e por que o WHMS est´a ligado a aplica¸c˜oes de tele-medicina, enquanto que o objectivo do MIMOSA ´e dar suporte a larga escala de aplica¸c˜oes com uma elaborada interface para o utilizador. Al´em disso, uma aplica¸c˜ao BAN tamb´em sofre influˆencia directa do tipo de sensor que se usa no sistema. Na 2.14 s˜ao apresentados alguns projectos baseados em BANs como o CodeBlue, AID-N, SMART, CareNet, ASNET, MITHril, WHMS, WiMoCa e MIMOSA, bem como as suas caracter´ısticas de comunica¸c˜ao.
2.5.6 Cr´ıtica
A tecnologia BAN ´e promissora e ´e um grande passo para uma nova gera¸c˜ao de sistemas de sa´ude e aplica¸c˜oes de entretimento. Este artigo demonstra as funcionalidades dos sistemas e ´e apresentado o modelo base da arquitectura BAN divido nas trˆes partes j´a mencionadas anteriormente. O grande passo para esta tecnologia est´a em melhorar o hardware dos sensores com o objectivo de aumentar as taxas de transmiss˜ao sem que o consumo de energia aumente. Este ´e o desafio para os investigadores desta ´area BAN. Contudo muito dos sistemas BAN aqui mostrados j´a apresentam funcionalidades e aplica¸c˜oes muito ´uteis ao n´ıvel de sa´ude.
2.6
Comunica¸
c˜
ao atrav´
es do corpo humano: desenvolvimento
de um transceiver
Este trabalho cient´ıfico focou-se no desenvolvimento do sistema de comunica¸c˜ao BAN. Com este conceito implementou-se um sistema (prot´otipo) ultra low-power, com peso e di-mens˜oes m´ınimas que possibilite a comunica¸c˜ao atrav´es do corpo humano.
2.6.1 Arquitectura do prot´otipo
Apesar de o objectivo n˜ao ser de desenvolver o el´ectrodo, a figura 2.15 ilustra o modelo el´ectrico equivalente de transmiss˜ao atrav´es do corpo humano.
Figura 2.15: Modelo el´ectrico equivalente do corpo humano como canal de tranmiss˜ao. O sistema em geral, ´e formado por um emissor (modulador e oscilador a 10kHz), um ampli-ficador sintonizado, um desmodulador (receptor), e ainda um para de conversores el´ ectrico-´
optico e ´optico-el´ectrico para realizar medi¸c˜oes com fiabilidade. O diagrama de blocos do sistema est´a ilustrado na figura 2.16.
2.6.2 Funcionamento do Sistema
O emissor gera uma onda quadrada atrav´es de um timer 555 e modula-a com uma por-tadora de 10MHz, enviando o sinal para o corpo humano atrav´es de um el´ectrodo. O sinal passa pelo corpo humano e ´e adquirido no receptor (por um el´ectrodo). Posteriormente, ´e am-plificado, pelo amplificador sintonizado (`a frequˆencia da portadora) e desmodulado obtendo-se a onda quadrada original. Para evitar poss´ıveis acoplamentos entre as capacidades do transceiver e do oscilosc´opio (que possa favorecer a recupera¸c˜ao do sinal), a sa´ıda do desmod-ulador ´e ligada a um conversor el´ectrico-´optico (que converte o sinal el´ectrico para ´optico) que encaminha o sinal por fibra ´optica. No fim da fibra est´a um conversor ´optico-el´ectrico (converte o sinal ´optico para el´ectrico), onde ´e colocada a ponta de prova para posterior ob-serva¸c˜ao do sinal do oscilosc´opio. Com o sistema descrito conseguiu-se transmitir um sinal de 10kHz at´e uma distˆancia de 50cm. A figura 2.17 ilustra o sistema desenvolvido.
2.6.3 Testes e resultados experimentais
Os testes ao sistema foram realizados apenas com uma ponta de prova para evitar o poss´ıvel acoplamento entre massas que favorece a transmiss˜ao do sinal. A fibra ´optica permitiu isolar as partes met´alicas do oscilosc´opio, face ao sistema. A alimenta¸c˜ao desta era proveniente de pilhas, que evita a interferˆencia do ru´ıdo gerado pelas fontes de alimenta¸c˜ao.
O procedimento para realizar os testes foi, colocar o receptor no pulso esquerdo e ir afastando o emissor at´e onde fosse poss´ıvel efectuar a transmiss˜ao de sinal. Os testes foram feitos com o emissor colocado a distˆancias de 5, 40 e 50 cm do receptor e as figuras seguintes ilustram os resultados obtidos.
Figura 2.18: Montagem e formas de onda do sinal (a), na sa´ıda do amplificador sintonizado (b), na sa´ıda do filtro da PLL (c) e no conversor ´optico-el´ectrico com o emissor a 5cm do receptor.
Figura 2.19: Montagem e formas de onda do sinal (a), na sa´ıda do amplificador sintonizado (b), na sa´ıda do filtro da PLL (c) e no conversor ´optico-el´ectrico com o emissor a 40cm do receptor.
Figura 2.20: Montagem e formas de onda do sinal (a), na sa´ıda do amplificador sintonizado (b), na sa´ıda do filtro da PLL (c) e no conversor ´optico-el´ectrico com o emissor a 50cm do receptor.
Os resultados obtidos comprovam que foi poss´ıvel ocorrer transmiss˜ao de sinal atrav´es do corpo humano. O sinal gerado no emissor aparece no desmodulador com algum ru´ıdo, no entanto apresenta uma boa amplitude e aparece relativamente bem delineado (figura 2.18). Na figura 2.19 o sinal no desmodulador j´a apresenta uma amplitude mais baixa, como seria de esperar com o aumento da distˆancia, e apresenta mais ru´ıdo. Com o aumento da distˆancia em 10cm como demonstrado na figura 2.20, a amplitude do sinal diminui, o ru´ıdo aumentou mas ainda foi poss´ıvel observar-se o sinal.
2.6.4 Cr´ıtica
Os resultados deste trabalho cient´ıfico foram muito positivos, conseguiu-se efectuar trans-miss˜ao de sinal utilizando o corpo humano como canal de transmiss˜ao com sucesso. No entanto, ao reparar com cuidado nos resultados obtidos sobressai uma esp´ecie de nuvem no oscilograma, para al´em do sinal detectado. Uma an´alise cuidada, permitiu concluir que o circuito oscilava a frequˆencias pr´oximas dos 10.7MHz e apresentava um ganho inferior ao que se previa por simula¸c˜ao. Um outro problema, embora de menor escala, reside no facto de o emissor possuir pouca estabilidade ao n´ıvel da modula¸c˜ao na frequˆencia, o que o levava por vezes a sair da gama de lock da PLL do receptor!
Para obviar o primeiro problema, tent´amos reproduzir no simulador PSPICE o problema descrito e encontrar uma solu¸c˜ao mais est´avel. Em rela¸c˜ao `a estabilidade da frequˆencia do emissor, preconiza-se que um oscilador a cristal proporciona um muito melhor desempenho. As simula¸c˜oes destes e outros circuitos s˜ao apresentadas no pr´oximo cap´ıtulo.
