بخشی از مقاله
بررسی شبکه های حسگر بیسیم ناحیه بدن
1
چکیده
شبکههای حسگر بیسیم ناحیه بدن نمونه از یک شبکه حسگر خاص است که با بکارگیری گرههای حسگر بیسیم در محدودهی بدن فرد پارامترهای فیزیولوژیکی همانند فشار خون، درجه حرارت بدن، ضربان قلب و سطح قند او را اندازهگیری میکند و مانیتورینگ سلامت او را از راه دور میسر میسازد و به دو نوع پوشیدنی و کاشتنی در دسترس میباشد. این سیستمها با ارائه سرویسهایی نظیر نظارت پزشکی و ارائه اطلاعات دارویی و پزشکی و ارتقاء حافظه افراد و کنترل دستگاههای خانگی و برقراری ارتباط در شرایط اورژانسی میتوانند کمک قابل توجهی به افراد نماید و همچنین میتواند به طور قابل توجهی هزینههای درمانی را کاهش دهد. برخلاف شبکههای حسگر بیسیم در شبکههای حسگر بدن از معماری توپولوژی ستارهای استفاده میشود. در این توپولوژی یک نقطه دسترسی (چاهک) برای جمعآوری دادهها از گرهها در بدن مستقر است. با این حال گرههای حسگر موجود در این شبکه با منابع انرژی محدود روبرو هستند. در شبکههای حسگر بدنی برای نظارت بر علائم حیاتی بیمار و یا تشخیص حرکت، حسگرهایی( مانند حسگرهای حرکتی) روی بدن بیماران نصب میشود. در حقیقت شبکه حسگر بدنی از چندین حسگر زیستی تشکیل شده است. یک شبکه حسگر بدنی بیسیم ضمن آنکه میتواند بر علائم حیاتی نظارت داشته باشد یک بازخورد بلادرنگ برای کاربر فراهم میکند که کاربر به واسطه آن میتواند پیشرفت بیماری خود را مشاهده و پیشگیریهای لازم را انجام دهد . در این نوع شبکهها مصرف انرژی حسگرها بسیار مهم است و اگر منبع انرژی حسگرها به پایان برسد طول عمر شبکه به مرور کاهش پیدا میکند. بنابراین در این مقاله ما، یک بررسی مختصر از شبکههای حسگر بدن با ویژگیها و چالشهای آن و همچنین پروتکلهای مسیریابی کارآمد که برای انرژی نیاز است را مطرح میکنیم. پروتکلهای مسیریابی طراحی شده در شبکههای حسگر بیسیم ممکن است برای شبکههای بیسیم بدن استفاده نشوند زیرا معماری و برنامههای آن متفاوت است. پس نیاز به پروتکلهای مسیریابی کارآمد با روش جدید برای شبکههای بیسیم بدن است. تا مشکل مصرف انرژی و طول عمر شبکه را رفع کنیم.
کلمات کلیدی: شبکههای حسگر بدن، چاهک، طول عمرشبکه، پروتکل مسیریابی، مصرف انرژی
-1 مقدمه
هر فردی دارای یکسری ویژگی منحصر به فرد از جمله حساسیت نسبت به بیماری، داروها یا عملیات پزشکی میباشد. این موارد باعث ایجاد تغییر رویکرد در مراقبت سلامت را نشان میدهد. همه شاخههای پزشکی مدرن از پیشگیری تا درمانهای پیچیده کاملا وابسته به تشخیص زود هنگام، دقیق و همراه با بررسی نتایج از نزدیک است. برای رسیدن به این اهداف لازم است که اطلاعات دقیق فرد در سطحهای مختلف بصورت پیوسته دریافت شود. این دریافت اطلاعات باید به صورتی شکل گیرد که زندگی طبیعی فرد مشکلی را ایجاد نکند و از نظر هزینه منطقی و قابل تامین باشد. از این نظر نیاز به تکنولوژی میباشد که این مشکل را مرتفع کند. به همین منظور شبکههای حسگر بیسیم ناحیه
1
بدن که زیر مجموعه از شبکههای حسگر بیسیم است. اغلباً میتواند با ارائه پارادیم بخصوص تشخیص زودهنگام بیماریهای مختلف را انجام دهند. این نوع شبکهها میتوانند با جمع آوری و تجزیه و تحلیل دادهها مربوطه و با بکارگیری انواع مختلف سنسورهای پزشکی نشانه حیاتی بیماران را نشان دهند.[1] که به عنوان مثال (درجه حرارت بدن، ضربان قلب، فشار خون، نوار قلب، نوار مغز و بقیه سنسورها میباشد.) اینکار در یک دوره زمانی طولانی، نتیجه کاهش هزینه بهداشت و درمان را درپی دارد.
گرههای حسگر هم میتوانند بر روی بدن انسان و هم در داخل بدن انسان کار گذاشته شوند. هر گره اطلاعات خود را به ایستگاه پایه ارسال میکند. و ایستگاه پایه با توجه به اطلاعات هر گره وضعیت بیمار را به کاربر نشان میدهد.[3][2] در این نوع شبکهها مصرف انرژی حسگرها بسیار مهم است و اگر منبع انرژی حسگرها به پایان برسد طول عمر شبکه به مرور کاهش پیدا میکند و گرهها که کار انتقال اطلاعات برای رساندن علائم حیاتی بدن برای مراکز درمانی هستند زودتر میمیرند و انرژی آنها تخلیه میشود. با این وجود برای حفظ انرژی و بالا بردن طول عمر شبکه که نشاندهنده مجموع مدت زمان عملیات شبکه تا مردن تمام گرهها است، باید پروتکلهای مسیریابی را انتخاب کنیم که دارای حداقل انرژی مصرفی و کمترین فاصله مورد نیاز برای مسیریابی و انتقال داده به چاهک باشند.
بنابراین نیاز به مسیریابی کارآمد برای مصرف انرژی است تا با این مشکل بر محدودیت انرژی غلبه کند. پروتکلهای مسیریابی طراحی شده در شبکههای حسگر بیسیم ممکن است برای شبکههای بیسیم بدن استفاده نشوند، زیرا معماری و برنامههای آن متفاوت است. پس نیاز به مسیریابی کارآمد با روش جدید برای شبکههای بیسیم بدن است. تا مشکل مصرف انرژی و طول عمر شبکه را رفع کنیم.
-2 معماری شبکههای حسگر بدن
معماری شبکههای حسگر بیسیم بدن به سه سطح زیر تقسیمبندی میشود[4] که در شکل شماره 1 نشان داده شده است.
شکل -1 معماری شبکههای حسگر بیسیم بدن
سطح -1 گرههای حسگر پزشکی کاشته شده روی بدن انسان و یا داخل بدن به همراه چاهک در این سطح واقع شده است.
سطح-2 در این سطح گرههای حسگر دادههای خود را به چاهک ارسال و چاهک با تجمیع دادهها و پردازش آن به ایستگاه پایه ارسال میکند. سطح-3 در این سطح هم بعد از دریافت دادهها به ایستگاه پایه از طریق زیرساختهای اینترنت به مراکز پزشکی برای نظارت و درمان از راه دور ارسال میشود. در کل در معماری این نوع از شبکهها هر کدام از سنسورها با دریافت اطلاعات حسی از علائم حیاتی بدن و سپس با ارسال آن به ایستگاه پایه، سلامت فرد را برای مراکز کنترل پزشکی مانیتورینگ میکنند تا مراقبتهای درمانی صورت گیرد.
2
-3 ویژگی و چالشهای شبکه بی سیم بدن
-1-3 وظیفه شبکه حسگر بدن
گرههای حسگر وظیفه پایش پارامترهای مهم بدن را که وضعیت بیماری فرد و علائم حیاتی آن است را نشان میدهد را بر عهده دارد.[5] در یک شبکه حسگر بدنی، علائم حیاتی که به طور عمده مورد پایش قرار میگیرند. دمای بدن، ضربان قلب، فشار خون، نرخ تنفس و میزان اکسیژن خون و غیره هستند.
علاوه بر علائم حیاتی، سایر کاربردهای حسگرهای پزشکی عبارتند از پایش سیگنال قلبی (ECG) برای مراقبت از فعالیتهای قلب، سیگنال مغزی (EEG)، سیگنال ماهیچهای (EMG)، مراقبت سطح گلوگز و پایش حرکات فیزیکی برای تعیین وضعیت افراد است.
در هنگام استفاده از شبکههای حسگر برای بدست آوردن نتایج منطقی و مناسب، باید حسگرهای متفاوتی را در شبکه قرار دهیم و از اطلاعات حسگرهای متفاوت برای بررسی شرایط بیمار استفاده شود و تصمیمات مناسب را اتخاذ گردد. نمونههایی از انواع حسگرهای به کار رفته شده به شکل مختلف از جمله الکترودهای پوستی، مچ بندها و غیره در جدول شماره 1 نشان داده شده است.[6]
جدول -1 حسگرهای پزشکی مختلف روی بدن انسان
همانطور که در جدول شماره 1 مشاهده میکنید هر کدام از این سنسورها با توجه به موقعیت خود روی بدن انسان قرار میگیرند و مطابق با نوع حسگر، علائم بیمار را نشان میدهند. مثلا دمای بدن یکی از مهمترین عواملی است که باید برای تعیین وضعیت سلامت بیمار اندازهگیری شود. بالا بودن دمای بدن نشانه بیماری است و پائین بودن آن هم از یک حد معین نشان دهنده افزایش احتمال بیمار شدن است. از فشار خون، میتوان برای تخمین میزان بالا بودن کلسترول خون، گرفتگی شریانها، و یا نامنظم بودن فعالیت قلب استفاده کرد. از حسگر ثبت ضربان قلب (ECG) میتوان برای نشان دادن سطح و میزان استرس نیز استفاده کرد. زمانیکه فشار خون تحت تاثیر استرس اندازهگیری میشود در سطح نرمال قرار نمیگیرد و یا ECG و دمای بدن فرد با میزان فعالیت فرد رابطه مستقیم دارد.
-2-3 کاربرد شبکه حسگر بدن
با وجود اینکه اعضای گوناگون بدن که به هم متصل شدهاند شبکههای ناحیه بدنی توانایی کاربردهای گوناگون در حوزه مراقبت بهداشتی و موارد اورژانسی و تحقیق و سبک زندگی و ورزشها و یا موارد نظامی را دارا میباشند. از جمله این کاربردها میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
3
کاربردهای پزشکی: شبکههای حسگر بدنی میتوانند واسطهایی را برای تشخیص و نظارت از راه دور علائم فیزیولوژیکی انسان و مدیریت داروها در بیمارستانها فراهم کنند و به عنوان کمکی برای توان بخشی میباشند. در آینده امکان نظارت مداوم بیماران و دادن داروهای لازم به آن ها در زمانی که در خانه یا بیمارستان یا جاهای دیگر هستند فراهم میشود.
سبک زندگی و ورزشها: شبکههای حسگر بدنی توانایی ایجاد خدمات جدید برای شبکههای بدنی بیسیم شامل سیستم سرگرمی پوشیدنی و سیستمهای رهیابی برای هدایت ماشین و هم برای نظارت بر عملکرد ورزشکاران و نظارت بر نوزادان و کارتهای پول بیسیم ( نمایش معاملات اخیر و چک کردن موجودی) را دارند.
کاربردهای نظامی: شامل نظارت برسلامت و محل و دما وسطوح ترکیب با آب و تشخیص مواد شیمیایی و نظارت بر شرایط سربازان است.شبکه ناحیه بدنی میزان بقا و زنده بودن را نشان میدهد.[7]
از انواع کاربردهای شبکههای حسگر بدنی میتوان از مواردی از قبیل: پرستاری در خانه و آزمایشات پزشکی و بالا بردن مراقبتهای پزشکی اورژانسی نام برد:
پرستاری در خانه: این کاربرد بر پرستاری افراد سالمند تاکید دارد. در این دسته از کاربردها دوربینهایی شامل حسگرهای اندازهگیر فشار و جهتیاب و حسگرهایی برای تشخیص فعالیتهای ماهیچه کار گذاشته میشود که یک شبکه ی پیچیده را ایجاد میکند این شبـکه افتادن فرد سالمـند، عدم هوشیاری، علائم حیـاتی، رژیم غذایی و ورزش او را نظارت میکند.
آزمایشات پزشکی: فرض کنید یک آزمایش پزشکی قرار است در زمان معینی انجام شود حسگرها به کـاربران امـکان میدهد که بدون نیاز به آزمایـشهای مکرر موارد مورد آزمایش تحت کنـترل قرار گیـرد.
بالا بردن مراقبتهای پزشکی اورژانس: امروزه ابزارهای بیسیم کم توان توانستهاند در زمینه چالشهای جدید علم پزشکی موثر باشند. سیستمهای نمایشگر با استفاده از تعدادی از این ابزارها مورد بهرهبرداری قرار میگیرند. این دسته از ابزارها امکان دادن سرویسهای سریع به بیماران اورژانسیرا فراهم کردهاند.[8]
-3-3 محدودیتهای شبکههای حسگر
افزایش تجهیزات بیسیم و پیشرفت اخیر در کوچکسازی حسگرها، امکان پذیری سیستمهای پایش سلامت را اثبات کردهاند. با این حال، پژوهشگران شبکههای حسگر بدنی، با محدودیتهای برای تامین رضایت کاربران در ارتباط با سادگی استفاده، اندازه، قابلیت اطمینان و امنیت شبکه مواجهاند. برای فراگیر کردن این تکنولوژی، تحقیقات زیادی برای رفع مشکلات و ارتقای این شبکهها متناسب با ظرفیتهای موجود ضروری به نظر رسیده انجام شده است.[9]
شبکههای که در بدن کار گذاشته میشوند باید سازگار با بدن، مقاوم در برابر خطا و خرابی باشند. و نیاز به تعمیراتشان نباشد. شبکههای پوشیدنی باید سبک و قابل حمل باشند تا برای فعالیتهای روزانه بیمار مزاحمتی را ایجاد نکنند. هر دو نوع این شبکهها باید مقیاس پذیر، بسیار ایمن، قابل اطمینان و با مصرف کارامد انرژی همراه باشند.
محدودیتهای کلی شبکههای حسگر بیسیم از نظر پهنای باند، انرژی، توان محاسباتی، توان مخابراتی، حافظه نیز میباشد. همچنین حسگرهای پزشکی باید وزن کم و انداره کوچکی داشته باشند و مصرف انرژی آنها کمینه باشد. محدوده کوتاه ارسال در شبکههای ناحیه بدن (BAN) امنیت موضعی را در این قسمت از سیستم تامین میکند. در واقع نه تنها مقیاسپذیری بدن انسان نسبت به سایر شبکههای حسگر بیسیم((WSN کوچکتر است بلکه چنین محیطی احتیاج به نوع فرکانس متفاوتی برای پایش دارد.
اصولاً شبکههای حسگر بدنی محدودیتهای متفاوتی نسبت به WSN دارند. و این واقعیت که WSNهای طراحی شده و موجود به صورت ایدهآل برای پایش بدن مناسب نیستند موجب توسعه BAN شده است. هر چند مسائلی که شبکههای BAN با آن مواجهند از جهات بسیاری شبیه به شبکههای حسگر بیسیم هستند.
-4-3 تکنولوژیهای ارتباطی بیسیم
4
شبکههای بیسیم یکی از تکنولوژیهای جذابی هستند که توانستهاند توجه بسیاری را به سوی خود جلب نمایند و عدهای را نیز مسحور خود نمودهاند. هرچند این تکنولوژی جذابیت و موارد کاربرد بالایی دارد ولی مهمترین مرحله که تعیین کننده میزان رضایت از آن را به دنبال
خواهد داشت، ارزیابی نیازها و توقعات و مقایسه آن با امکانات و قابلیتهای این تکنولوژی است. نادیده گرفتن حقایق، امکانات فنی و موارد کاربرد این تکنولوژی نتیجهای جز شکست و عدم رضایت نخواهد داشت. تکنولوژی شبکههای ارتباطی در شبکههای حسگر بدن بسیار نقش مهمی را ایجاد میکند. مهم بودن نقش آن به خاطر حساس بودن دادههای است که علائم حیاتی بدن را برای مانتیورینگ وضعیت انسان نمایش می دهد و با سلامت انسان سروکار دارد و نباید باعث ایجاد اختلال در ایجاد ارتباط شود. در این بخش تعدادی از فنآوریهای بیسیم موجود در شبکههای حسگر بدن را معرفی میکنیم:[10]
4-3-1 تکنولوژی Zigbee
زیگبی (ZigBee) یک شبکه هوشمند است که برای پروتکلهای ارتباطی که در سطوح بالا و دادهها با نرخ ارسال پایین داده استفاده میشوند، بکار میرود. این پروتکل در شبکههای شخصی((PAN و کوچک و قدرت پایین مورد استفاده قرار میگیرد و تکنولوژی آن بر اساس استاندارد IEEE 802 .15.4است. در شبکههای حسگر بدن پروتکل zigbee با پسوردهای 128 بیتی رمز گذاری میشود. این سیستم از طریق شبکههای درختی و ستارهای و مش پشتیبانی میشود.[11] هر دستگاه باید یک هماهنگکننده بر روی خود داشته باشد. فرکانس کاری آن در محدوده 2/4 گیگا هرتز و و سرعت انتقال آن 250 کیلو بیت بر ثانیه میباشد.
4-3-2 تکنولوژی Bluetooth
بلوتوث درحقیقت یک استاندارد و پروتکلی ساده برای ارتباط تحت برد کوتاه، با مصرف انرژی کم، هزینه پایین و بدون نیاز به سیمهای دردسرساز است. پایه اصلی فناوری بلوتوث، امواج رادیویی است.
شکل -2 تکنولوژی بلوتوث در شبکه بیسیم ناحیه بدن
همانطور که در شکل2 نمایش داده شده است بلوتوث یکی از تکنولوژیهای ایدهآل برای شبکههای حسگر بدن مورد استفاده قرار میگیرد.[11] تا با استفاده از آن اطلاعات سیستم بدن انسان را مانیتورینگ کند. زمانیکه این تراشه کوچک در سیستمها بهصورت دلخواه نصب میشود درواقع یک شبکه بیسیم شخصی به وجود میآورد که به شما اجازه میدهد با دستگاه کاربر دیگر که در فاصله نزدیکتان قرار دارد ارتباط برقرار کنید.
