I sensori wearable wireless si sono sviluppati rapidamente negli ultimi anni, principalmente guidati da applicazioni di e-health, fitness e benessere. MEDICON ha sviluppato una nuova unità wearable general-purpose per la realizzazione di Body Sensor Network (BSN) adottatabile come piattaforma tecnologica per la realizzazione di nuovi prodotti per il mercato. L’unità sfrutta un'architettura dual-core. Un core offre capacità di elaborazione, l'altro un'interfaccia radio IEEE 802.15.4. L’intero sistema è supportato da un protocollo per massimizzare il throughput, ridurre la perdita di pacchetti e migliorare la robustezza della comunicazione dei nodi dei sensori wireless. I risultati sperimentali mostrano che la soluzione sviluppata offre una migliore velocità di trasmissione dei dati per le configurazioni inferiori a 10 nodi rispetto a diversi prodotti commerciali ampiamente utilizzati.

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Laboratorio
Referenti
Guido Comai
Giacomo Giacobbi
Area di specializzazione
Digitale
Salute e Benessere
Keyword
Wireless Sensor Network
Inertial Measurement Units
Motion Capture
Biomedical Application
Diversi sensori inerziali (IMU) comunicano i dati acquisiti all'applicazione di alto livello tramite gateway (GW), un nodo centrale in una rete a stella.
Descrizione prodotto

La Body Sensor Network (BSN) sviluppata sfrutta dei sensori inerziali (IMU) dual-core con algoritmi locali di sensor-fusion. Gli algoritmi sfruttano il core più potente ARM Cortex M4 mentre l'altro utilizzato per la trasmissione wireless, implementa un protocollo TDMA personalizzato basato su IEEE 802.15.4, responsabile del mantenimento della sincronizzazione della rete. Il sistema è costituito da diversi dispositivi IMU indossabili che comunicano con un unico gateway (GW) connesso a un'unità centrale, in una rete con topologia a stella. Il gateway, oltre all'interfaccia wireless, può comunicare tramite USB con un'applicazione di alto livello. Le varie unità inerziali sono collocate nei punti di interesse del corpo del paziente e comunicano con l'unità GW collegata al computer. Le applicazioni di alto livello residenti su un PC, ad esempio gli algoritmi di multi-sensor fusion, possono gestire i nodi in tempo reale.

Aspetti innovativi

La soluzione sviluppata, elaborando le grandezze di interesse direttamente in locale sulle IMU, diminuisce la larghezza di banda richiesta sul canale di comunicazione. Questi nuovi nodi hanno la capacità di calcolo per eseguire localmente algoritmi di sensor-fusion per il calcolo dell'orientamento del sensore rispetto a un sistema di riferimento fisso nello spazio. È possibile selezionare un numero di nodi flessibile in base all'applicazione, fino a 20 unità. Il sistema proposto è flessibile in termini di numero di nodi e frequenza associata, rispetto ad altre soluzioni disponibili sul mercato

Applicazioni

Le applicazioni più popolari delle BSN sono principalmente di monitoraggio e supporto dei pazienti con patologie del movimento (e-health). Altre possibili applicazioni prevedono la registrazione della posizione di segmenti del corpo di un atleta per il monitoraggio delle performance. I videogiochi o le produzioni cinematografiche spesso utilizzano queste tecnologie per animare personaggi realizzati con tecniche di rendering computerizzate.

Unità inerziale wireless: le dimensioni sono 40 mm x 30 mm, il peso è 20 g.
Esempio di applicazione

Monitoraggio atleti in terapia di recupero per lussazione bilaterale della spalla

Descrizione applicazione e risultati

La lussazione bilaterale della spalla è solitamente causate da lesioni sportive, crisi epilettiche, scosse elettriche. La terapia per il recupero prevede il monitoraggio dei movimenti per determinare se il paziente è tornato alla massima mobilità. Al paziente vengono applicati 3 sensori per il monitoraggio della spalla, 5 se si esegue il monitoraggio bilaterale (è comunque possibile utilizzare fino a 20 sensori, in relazione ai segmenti corporei e alle articolazioni da monitorare). Le prestazioni raggiungibili dalla BSN sviluppata da MediCon in queste condizioni di utilizzo, ovvero con 5 unità in funzionamento, sono: • Campionamento da 1 a 110Hz • Throughput massimo di 10,45 KB/s • Perdita pacchetti inferiore al 2% con interferenze comuni in zona di lavoro con diverse reti WiFi • Durata massima campionamento 3h (valore in generale consono per la maggior parte degli sport) A seconda del numero di unità che necessita la particolare applicazione, l'utilizzatore può configurare la rete per ottenere il miglior tradeoff tra frequenza di campionamento, durata della batteria, e altre features di funzionamento riguardanti i calcoli che le unità possono fare in locale.

Partner coinvolti

Il progetto è stato oggetto del Dottorato di Ricerca in "Alto Apprendistato" in collaborazione con Alma Mater Studiorum - Università di Bologna.

Tempi di realizzazione
36 mesi uomo
Livello di maturità tecnologica
TRL 9 - sistema reale testato in ambiente operativo
Valorizzazione applicazione

Il risultato della ricerca si propone sotto forma di piattaforma tecnologica personalizzabile che può essere adottata dai clienti MediCon Ingegneria per la realizzazione di nuovi prodotti per il mercato.

Scheduling di rete con cinque nodi: il Tround è il reciproco della frequenza di campionamento dell'unità.