21897

21897

ارزيابي مبتني بر پياده سازي نسخه هاي جديد پروتكل بلوتوث در كاربردهاي نظارت بر سلامت خانگي از راه دور

كارشناسي ارشد

شبكه‌هاي كامپيوتري

96-98

1398/11/15

دكتر عيسي زارع پور

كامپيوتر

سامانه هاي نظارت بر سلامت از راه دور يا سامانه هاي مراقبت خانگي، نمونه اي از كاربرد اينترنت اشيا در حوزه سلامت هستند كه امروزه پيشرفت هاي زيادي كرده اند و روز به روز در حال توسعه هستند. مصرف انرژي اين سامانه ها به دليل استفاده از باتري براي تامين انرژي و نيز لزوم نظارت مستمر، يك چالش اساسي است كه انتخاب پروتكل كم مصرف و مناسب براي آن ها مي تواند در حل اين مشكل راه گشا باشد. از آن جا كه نسخه‌هاي جديد پروتكل بلوتوث مخصوصاً نسخه‌هاي 2/4 و 5، مصرف انرژي را تا حد زيادي كاهش مي‌دهند و برد قابل قبولي را هم براي اين سامانه ها ايجاد مي كند، براي اين كاربردها بسيار مناسب هستند. با اين حال، اندازه گيري هاي دقيق روي ميزان مصرف انرژي و حداكثر برد قابل پوشش اين پروتكل در داخل منزل انجام نشده است. بنابراين ما در اين پايان‌نامه يك بستر سخت افزاري و نرم افزاري براي ارزيابي ميزان مصرف انرژي پروتكل بلوتوث نسخه 2/4 و 5 ارائه كرده‌ايم. در سامانه طراحي شده يك گجت هوشمند پايش سلامت كه مجهز به ماژول بلوتوث 2/4 و 5 است، اطلاعات خود را به صورت منظم به گوشي تلفن همراه كاربر ارسال مي كند. سناريوهاي طراحي شده به دنبال اندازه‌گيري حداكثر برد قابل پوشش و نيز ميزان مصرف انرژي تلفن همراه و ماژول بلوتوث در بازه‌ زماني معرفي (Advertising) و در هنگام ارسال و دريافت داده در شرايط محيطي مختلف (از جمله شرايط ديد مستقيم و ديد غير مستقيم با وجود موانع معمول در منازل مثل چوب، فلز، بدن و ديوار آجري در ميزان رطوبت‌هاي مختلف) و نيز تنظيمات داخلي مختلف بلوتوث (از جمله تغييرات قدرت سيگنال ارسالي، نرخ ارسال داده و بازه زماني معرفي) مي باشند. نتايج به دست آمده نشان مي دهد كه جنس، ضخامت و تعداد موانع موجود بين فرستنده و گيرنده بلوتوث، بر حداكثر برد قابل پوشش و ميزان مصرف انرژي اين پروتكل، خصوصاً در سمت ماژول، تاثيرگذار است. به طوري كه بيش ترين ميزان مصرف انرژي مربوط به بدن انسان و ديوار آجري است. در خصوص حداكثر برد نيز، در شرايط ديد مستقيم (يعني عدم وجود هيچ مانعي بين فرستنده و گيرنده) بيش ترين برد 108 متر و در مقابل در شرايطي كه موانعي از جنس بدن انسان و ديوار آجري بين فرستنده و گيرنده وجود دارد اين مقدار به ترتيب به 45 و 29 متر كاهش مي يابد. علاوه بر نتايج فوق، رطوبت را نيز مي توان به عنوان يك عامل تاثيرگذار بر ميزان مصرف انرژي، ذكر كرد. مولكول هاي آب با جذب سيگنال هاي با فركانس 4/2 گيگاهرتز (فركانس بلوتوث)، باعث افزايش مصرف انرژي مي شوند. يكي ديگر از يافته هاي اين تحقيق، تاثير محسوس تغيير پارامتر هاي داخلي به خصوص بازه زماني معرفي، بر ميزان مصرف انرژي بود. به طوري كه، هر چه بازه‌ زماني معرفي كوتاه‌تر بود، مصرف انرژي ماژول بلوتوث بيش تر مي شد. زيرا ماژول بايد در يك بازه زماني واحد، تعداد دفعات بيش تري پيام معرفي را ارسال مي كرد تا دستگاه‌هاي مجاور، آن را ببينند. در نهايت، نتايج نشان مي‌دهد كه مصرف انرژي بلوتوث نسخه 5 با نرخ ارسال لايه فيزيكي 2Mb نسبت به حالت 1Mb كاهش پيدا كرده است. همچنين بلوتوث نسخه 5 با نرخ 2Mb در قياس با نرخ 1Mb سرعت ارسال دو برابري دارد، درحالي كه حداكثر برد قابل پوشش توسط آن، حدود 20٪ كاهش مي يابد.

1399/02/14

The experimental evaluation of the IEEE 802.15.1 v4.2 and v5 for wearable health monitoring systems

2/4/2020 12:00:00 AM

Remote health monitoring systems are examples of the use of IoT in the health field that have made great progress and are being developed day by day. Energy consumption of the wearable home-care monitoring systems is a major challenge due to the need for continuous remote monitoring of the patients. Choosing an appropriate communication protocol to reduce energy consumption of these systems is, therefore, a key parameter. Since the recent versions of the IEEE 802.15.1 (Bluetooth) protocol can potentially reduce the energy consumption and provide a better coverage range, they are promising for wearable homecare monitoring systems (WHMS). On the other hand, a deep energy consumption analysis of these protocols for WHMS has not been thoroughly yet conducted. In this survey, using software and hardware-based energy monitoring platform, the energy consumption and maximum coverage range of the Bluetooth Low Energy (BLE) V4.2 and V5 protocols are experimentally evaluated in different homecare scenarios. In our designed architecture, a smart health gadget equipped with Bluetooth 4.2 and 5 sends its data to a mobile phone periodically. Our scenarios designed to measure the maximum coverage range and the power consumption of the mobile phone and the Bluetooth module during the Advertising interval and transmitting and receiving data in various environmental conditions (including direct and indirect visibility conditions which the wireless signal may travel through the wood, metal, brick wall, body, and similar obstacles in various humidity situations), as well as different internal settings (including data transmission rate, signal transmit power, and advertising interval). Our results show that the material, thickness and number of obstacles between the Bluetooth sender and receiver affect the maximum coverage range and the energy consumption of this protocol, especially on the module side. Therefore, the highest energy consumption of the BLE protocol occurs when there is a human body or brick wall obstacle between the transmitter and receiver. About the maximum coverage range, our extensive experiments also reveal that the maximum coverage range of the BLE v5/ 1Mb, is 108m in line of sight scenarios which decline to around 45m and 29m when the signal travels through brick walls and the human body, respectively. In addition to the above results, humidity can also be mentioned as an influential factor on energy consumption. Water molecules increase the energy consumption by absorbing 2.4 GHz signals (Bluetooth frequency). The tangible impact of changing the internal parameters, especially the advertising interval on the energy consumption was also proved. So that the shorter the advertising interval, the more energy consumption. Finally, it is concluded that the energy consumption of the BLE v5/ 2Mb, is less than 1Mb. Also the BLE v5/ 2Mb transmission speed is twice the BLE v5/ 1Mb, while its maximum coverage range is 20% lower.