BLUETOOTH DE BAJO CONSUMO PARA APLICACIONES DE TELEMEDICINA

BLUETOOTH LOW ENERGY FOR TELEMEDICINE APPLICATTIONS

Miguel Portieles Perez1, Rolando López Creagh2, Katia Valdés Ochoa3, Rolando López Rodríguez4

1,2,3

Ingeniero en Telecomunicaciones y Electrónica, Reserva Científica, 4

1

Ingeniero Electricista, Investigador Auxiliar.

[email protected], 2 [email protected], 3 [email protected], [email protected]

Instituto Central de Investigación Digital, calle 202 e/17 y 19, Playa, La Habana, teléf.: 2715345

Temática: El desarrollo sostenible y sustentable de las Telecomunicaciones en Cuba

La Habana, 16 de octubre de 2013

RESUMEN

El Instituto Central de Investigación Digital (ICID) tiene entre sus líneas de desarrollo aplicaciones de Telemedicina basadas en las tecnologías de transmisión inalámbrica, de gran interés por los beneficios que brindan al permitir efectuar consultas médicas y administrar los tratamientos de los pacientes desde lugares remotos, con el consiguiente abaratamiento de costos hospitalarios y aumento de la comodidad del paciente. En este trabajo, se presenta el diseño e implementación de un módulo de comunicación inalámbrica basado en la tecnología “Bluetooth de bajo consumo” para la transmisión de señales biomédicas. Su función principal es la recepción de la señal electrocardiográfica (ECG, por sus siglas en inglés) por una interfaz serie y su transmisión por radio hacia un dispositivo cercano para su análisis y procesamiento. Constituye una solución técnico - económica novedosa y factible, por su bajo costo y su bajo consumo energético. Se realizó el diseño de la tarjeta, el montaje de una placa de circuito impreso y la puesta en marcha del programa de aplicación, obteniéndose los resultados esperados y permitiendo unificar las soluciones de los proyectos que se desarrollan en el instituto con tecnología Bluetooth.

PALABRAS CLAVE: Bluetooth, BLE, CC2540, GAP, GATT, ATT, Telemedicina

ABSTRACT

The Central Institute of Digital Research (ICID) has among its lines of development the telemedicine applications, based on wireless transmission technologies, which are of great interest due to the benefits that they can provide. They allow medical consultations and the administration of treatments to the patients from remote locations, with the corresponding reduction in hospital costs and an increase in patient comfort. In this paper, it is presented the design and implementation of a wireless communication module, based on "Bluetooth low energy” technology, to be used for biomedical signal transmission. Its main function is to receive the ECG signal by a serial interface and to transmit it by radio to a nearby device for analysis and processing. It is an innovative economic- technical and viable solution due to the low cost and low energy consumption. The electronic and printed circuit board were assembled and the debugging of the application program was performed, with the expected results, allowing the unification of solutions of the projects developed with Bluetooth technology at the Central Institute of Digital Research.

KEYWORDS: Bluetooth, BLE, CC2540, GAP, GATT, ATT, Telemedicine

1. INTRODUCCIÓN El desarrollo sostenido de las Telecomunicaciones y la Informática ha proporcionado los medios necesarios para el desarrollo de la Telemedicina como herramienta de consulta y diagnóstico a distancia, establecido así por la Organización Mundial de la Salud[1]. Las instituciones vinculadas a estas especialidades han tenido como objetivo el desarrollo de interfaces que permitan la supresión de los cables de transmisión y faciliten la comunicación entre dispositivos con tecnologías inalámbricas, cada vez más utilizadas y con un crecimiento marcado a la movilidad. Estas tecnologías se aplican fundamentalmente en los campos de informática, telefonía, televisión, domótica, seguridad, deporte y en especial de la salud. En 1998 se creó el Grupo de Interés Especial de Bluetooth (SIG, por sus siglas en inglés), consorcio de empresas que utilizan y promueven esta tecnología[2]. La versión 4.0 publicada el 30 de junio de 2010, implementa la especificación “Bluetooth de bajo consumo’’ para un consumo de energía mucho menor, velocidades de hasta 1 Mbps y un bajo costo. También es denominado como Bluetooth inteligente o Smart[3]. Su uso continúa en aumento dada la posibilidad de conectar objetos físicos a Internet, lo que es hoy conocido como “El Internet de las cosas”, con múltiples aplicaciones que aparecen cada día y se estima que impulsarán la tecnología Bluetooth para lograr ventas de 20 mil millones de dispositivos para el 2017[2]. El objetivo de este trabajo consistirá en el diseño de un módulo de comunicación y en el desarrollo y puesta en marcha de una aplicación para la transmisión de señales biomédicas empleando la tecnología “Bluetooth de bajo consumo“, con el fin de obtener mayor versatilidad, eficiencia y disminución de los costos. 2. TECNOLOGÍA BLUETOOTH Bluetooth se define como un estándar global de comunicación inalámbrica (802.15.1), que posibilita la transmisión de voz y datos de corto alcance entre diferentes dispositivos, de forma robusta y sencilla, con un consumo reducido y un bajo costo, empleando un enlace por radiofrecuencia en la banda de los 2,4 GHz. El futuro de esta tecnología se centra en dos vertientes principales. La primera, se dirige al incremento de la tasas de transmisión para lograr transferencias de archivos de 1

mayor tamaño en menor tiempo, por ejemplo, contenidos de multimedia en alta definición. La segunda, se encamina a la reducción del consumo de potencia, con este fin, el SIG Bluetooth adoptó en 2010 la nueva especificación Bluetooth v4.0, que incluye la tecnología “Bluetooth de bajo consumo” [4]. Bluetooth de bajo consumo Bluetooth de bajo consumo (Bluetooth Low Energy, BLE) es un subconjunto de la especificación Bluetooth v4.0, el cual está dirigido principalmente a aplicaciones de bajo consumo y bajo costo que no requieran una elevada tasa de transmisión de datos[4]. En septiembre del 2010, Texas Instruments presentó el microcontrolador CC2540, convirtiéndose en la primera empresa en desarrollar un microcontrolador con esta tecnología[4], [5]. BLE, al igual que Bluetooth clásico, utiliza un enlace de radiofrecuencia para transmitir la información, opera en la banda de frecuencias ISM de los 2.4 a los 2.485 GHz. Sin embargo, para minimizar el costo y el consumo de potencia utiliza una distribución de canales distinta, empleando 40 canales de 2 MHz de ancho banda[3]. La información se transmite en pequeños volúmenes a bajas velocidades, presentando una velocidad máxima de 1 Mbit/s con una transmisión de información útil (throughput) de hasta 0.2 Mbit/s. BLE presenta únicamente topología de estrella, no admite las redes de dispersión. Un solo maestro puede tener prácticamente ilimitados esclavos (231). Esta topología reduce significativamente la complejidad de la implementación[6], [7]. El bajo consumo de energía es la principal ventaja que presenta esta tecnología, llegando a necesitar solo el 10% de lo que necesita Bluetooth clásico para funcionar[4]. BLE usa solo tres canales de anuncio (advertising) para descubrir o ser descubierto por otros dispositivos que quieran establecer una conexión, logrando un ahorro de tiempo y energía. Estos canales fueron escogidos cuidadosamente para evitar colisiones con los canales de Wi-Fi. En la figura 1.1 se muestran en color verde los canales de anuncio, en azul los de datos y en morado los de Wi-Fi[3], [6].

2

Figura 1.1 Distribución de canales en BLE[6]. BLE efectúa una conexión mucho más rápido que Bluetooth clásico con tiempos de solo 3 ms, lo que permite reducir el consumo de energía. En la figura 1.2 se muestra dicho proceso.

Figura 1.2 Establecimiento de la conexión en BLE[4].

El procedimiento para realizar una conexión entre un dispositivo central y uno periférico (esquema de comunicación más usado en BLE) se describe en[8]. El tamaño de los paquetes de datos se reduce, figura 1.3, pues se disminuye la información adicional, alcanzando menores tiempos de transferencia y por consiguiente un ahorro de energía[4], [9], [10].

Figura 1.3 Formato de paquetes Bluetooth y BLE[3]. 3

En la tabla 1.1 se muestran las características fundamentales de ambas tecnologías. Tabla 1.1 Características fundamentales de las tecnologías Bluetooth y BLE. Parámetros

Bluetooth Standard

BLE

Frecuencia de radio

2.4 GHz

2.4 GHz

VelocidadTx Latencia Carga útil(throughput) Nodos Activos Alcance/Rango Modulación Consumo de potencia Topología de la red Índice de modulación Servicio de descubrimiento Perfiles Consumo de corriente

1-3 MHZ 100 ms 0.7-2.1 Mb/s 7 10-100 m GFSK+PSK 1 (referencia) Redes de dispersión 0.35 Si Si