Capítulo 5: Conclusiones.

Transcripción

1 Capítulo 5: Conclusiones. Este estudio ha sido una primera aproximación al problema del diseño de antenas energéticamente eficientes para BSN. La metodología de diseño seguida se ha basado en la modificación y el ajuste de las antenas genéricas propuestas por los fabricantes, atendiendo tanto a las características particulares de la aplicación como a los criterios de eficiencia energética, tamaño y coste. Del estudio de las distintas posibilidades tecnológicas inalámbricas de comunicaciones se concluyó que el estándar de comunicaciones IEEE era la mejor alternativa para el desarrollo de las comunicaciones en el ámbito de aplicación del presente proyecto. Dicha tecnología limita el consumo de energía hasta 1mW para un alcance de unos 30m, suficiente para el desarrollo de redes de sensores inalámbricas. El transceptor elegido fue el transceptor CC2430 de Texas Instruments [9] debido a su bajo consumo y a su bajo coste, lo que hace que sea adecuado para sistemas en los que se requiere un consumo de energía extremadamente bajo. Aunque los procesos de diseño y desarrollo se han aplicado al modelo CC2430, los resultados 127

2 obtenidos son directamente aplicables también al modelo CC2431, equivalente al anterior, pero incorporando métodos para la localización de dispositivos en red. De los tipos de antenas existentes se opta por antenas PCB microstrip por sus características de comportamiento a frecuencia 2.4 GHz (el estándar trabaja en el rango de los 2.4GHz), su bajo coste y su pequeño tamaño en altas frecuencias Para realizar el diseño de las antenas se tuvo en cuenta que debían cumplir unas serie de restricciones, atendiendo al escenario de las BSNs. En este entorno, las antenas están situadas sobre el propio cuerpo humano, el cual afecta al patrón de radiación de la antena, lo que obliga a redimensionar los parámetros en detrimento de su eficiencia. Además, el paciente demanda dispositivos ultraligeros y de tamaño mínimo, que no supongan un lastre o un cambio en su vida, con un consumo mínimo que disminuya la frecuencia de cambios de las baterías. Atendiendo a este escenario se realizó el diseño de la antena teniendo en cuenta las especificaciones impuestas para el desarrollo de las comunicaciones en redes de sensores corporales: minimización del consumo de energía, tamaño y peso mínimos, restricciones de potencia, pérdidas de retorno mínimas, ganancia alta (>-1dB), salida balanceada, ancho de banda adecuado y patrón de radiación omnidireccional. Partiendo de las distintas antenas microstrip recomendadas por el fabricante, se diseñaron y simularon diferentes modelos de antenas derivadas de cuatro modelos base (tipos de antenas). Teniendo en cuenta sus prestaciones, posteriormente se seleccionó el mejor modelo para cada uno de los tipos de antenas: DFP, DFA, MIFA e IFA. Como ya desde el principio del trabajo se estableció como meta la mejora de la antena DFP propuesta por el Grupo de Ingeniería Biomédica, de acuerdo con las especificaciones establecidas para el proyecto se propusieron los siguientes aspectos de mejora: Tamaño. Las antenas DFA, MIFA e IFA consiguen mejorar este aspecto proporcionando un tamaño menor de circuito. La antena DFA es la de menor tamaño. Patrón de radiación. El patrón de radiación debe ser lo más omnidireccional posible. La antena IFA consigue esta especificación siendo omnidireccional en el plano normal a la antena. Pérdidas por retorno. Deben ser mínimas y siempre menores de -10dB (pérdidas menores del 10%). Todas las antenas propuestas presentan valores similares de 128

3 pérdidas por retorno en la frecuencia central (f=2.44ghz). Ancho de banda. El ancho de banda de la antena debe salvaguardar el espectro comprendido entre y Ghz. Todas las antenas cumplen esta condición, siendo la antena IFA la que cubre mayor espectro. Ganancia. La ganancia direccional debe de ser mayor de -1dB. Todas las antenas cumplen este requisito, aunque la antena IFA es la única con valores de ganancia similares a la DFP, que es la que presenta mayor ganancia. A la vista de los resultados de las simulaciones, la antena IFA constituye la mejor alternativa a la antena DFP por su ganancia direccional mayor que las antenas DFA y MIFA, ser omnidireccional en el plano normal a la antena, su ancho de banda elevado, su tamaño menor que la antena DFP y sus pérdidas por retorno menores que en el resto de antenas propuestas. Las cuatro antenas se implementaron para comprobar sus prestaciones en una aplicación real, ya que los resultados podían ser un poco distintos a los esperados debido a errores de modelado, errores derivados del software de simulación o a las complicaciones de la implementación. La implementación y las pruebas fueron aplicadas sobre el sistema de comunicaciones de bajo consumo de un sistema de detección de caídas dentro del ámbito del proyecto PIMETRANS, Proyecto de Excelencia de la Junta de Andalucía (ref. P08-TIC-04069). Como el diseño del circuito sensor ha ido evolucionando a lo largo del proyecto para disminuir su tamaño, ha sido necesario realizar modificaciones sobre las antenas para adaptarlas a los nuevos contextos de desarrollo. Partiendo de las antenas simuladas, las modificaciones fueron mínimas pero necesarias para optimizar la operación de los nuevos prototipos del circuito sensor. Se han diseñado cuatro antenas distintas: DFP sensor, DFA sensor, MIFA sensor e IFA sensor. Cada una de ellas tiene un espacio reservado en el circuito, lo que hace necesario que se modifique ligeramente su posición para que la antena no ocupe el espacio reservado al sensor. En el caso de la antena DFA, fue necesario separar la antena del plano de tierra ya que ocupaba parte del plano de tierra y modificar la longitud del dipolo para ajustar la frecuencia de resonancia. Se realizaron simulaciones en la que se comprobó que la antena DFA sensor no necesitaba la bobina de desacoplo de 12nH, verificándose que el comportamiento era simular en cuanto a pérdidas de retorno, ancho de banda, ganancia y patrón de radiación. Tras estos cambios la antena DFA sensor cumplió las especificaciones con mayor margen que antes de su adaptación al 129

4 circuito sensor. En el caso de la antena MIFA sensor el diagrama de radiación se vio modificado y su ganancia máxima aumentó ligeramente desde db a 0.26 db. En las antenas DFP sensor y IFA sensor la adaptación al circuito sensor no mostró variaciones de las características. Con todas ellas el tamaño total del circuito fue menor en el caso del circuito sensor. Se han propuesto dos escenarios de experimentación para las antenas implementadas adaptadas al circuito sensor. En el primer escenario de pruebas la antena no se encontraba afectada por la presencia del cuerpo humano. En el segundo escenario de pruebas el sensor se situó en la posición establecida para el mismo sobre el cuerpo de un voluntario, de modo que la antena se vió afectada por la presencia del mismo. El criterio de la elección de la antena se realizó en base a que la potencia recibida debía ser lo mayor posible y la desviación típica de las medidas en diferentes orientaciones debía ser lo más pequeña posible, ya que se busca una antena omnidireccional. En el primer escenario, sin contacto con el cuerpo humano, los resultados sugieren que las antenas DFA sensor e IFA sensor son buenas alternativas al DFP sensor, ya que ambas presentan buenos valores de potencia y desviación típica. El DFA sensor es la más fácil de implementar de las antenas propuestas, ya que necesita menos componentes, no necesita balun por tener la salida balanceada y no necesita bobina en paralelo. En el segundo escenario, en contacto con el cuerpo humano, se comprobó que el comportamiento de la antena se ve afectado por la presencia del cuerpo humano, especialmente en las orientaciones en las que el cuerpo se interpone entre el dispositivo y el analizador de espectro. Las antenas más afectadas por el cuerpo humano son la MIFA sensor y DFA sensor, mientras que la menos afectada es la DFP sensor. En contacto con el cuerpo humano la antena DFA sensor es la que presenta los mejores niveles de potencia recibida y desviación típica. La orientación óptima del dispositivo fue aquella en la que la antena apuntaba hacia el lateral derecho del voluntario, ya que esta orientación proporcionó la mayor omnidireccionalidad. Según los resultados obtenidos, la potencia recibida se ve afectada por la presencia del cuerpo humano cuando cuando la antena está integrada en un dispositivo que se sitúa sobre el mismo. Siguiendo los criterios de máxima potencia recibida y mínima desviación típica de las medidas para diferentes orientaciones, en el escenario en el que la antena no estaba afectada por la presencia del cuerpo humano, las antenas DFA sensor e IFA sensor obtuvieron los mejores resultados. Por el contrario, en el escenario en el que la antena estaba afectada por la presencia del cuerpo humano fue la antena DFP sensor la que demostró poseer mejores prestaciones. 130

5 Los resultados evidencian la necesidad de una adaptación continua tanto de las antenas como de las tecnologías de comunicaciones a la aplicación de uso, para garantizar la optimización de las prestaciones del sistema completo. El presente proyecto ha presentado numerosas dificultades, las más importantes: Implementación de las antenas: En varias ocasiones hubo que repetir la implementación de las antenas debido al tamaño reducido de las pistas. En dos ocasiones fue necesario repetir la implementación y el montaje, ya que los resultados obtenidos en experimentación comparados con los resultados obtenidos mediante simulación evidenciaban un fallo en la implementación. Este proceso afectó al tiempo requerido en las implementaciones, no solo por el tiempo que ellas ocupan, sino también por el que ocupó la investigación del origen de las fallas. Soldaduras de componentes: El tamaño de los componentes supuso una dificultad añadida a la hora de la implementación, ya que en muchos casos fue necesario repetir las las soldaduras por una incorrecta disposición de los componentes sobre la placa de circuito impreso. 131