Programação de uma Rede de Sensores para o Corpo Humano por meio de uma Interface Gráfica

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1 Programação de uma Rede de Sensores para o Corpo Humano por meio de uma Interface Gráfica Talles M. G. A. Barbosa 1, Iwens G. Sene Jr 1, Adson.F. Rocha 2, Francisco A. O. Nascimento 2, Hervaldo.S. Carvalho 2,3 1 Departamento de Computação (CMP), Universidade Católica de Goiás (UCG), Brasil 2 Departamento de Engenharia Elétrica (ENE), Universidade de Brasília (UnB), Brasil 3 Faculdade de Medicina (FMD) Universidade de Brasília (UnB), Brasil Resumo As características inerentes das Redes de Sensores para o Corpo Humano (RSCH) têm grande potencial para influenciar as aplicações clínicas pelas próximas décadas por promoverem um novo paradigma para o monitoramento da saúde humana baseado em sistemas vestíveis. A programação das RSCH por meio de interfaces baseadas em linhas de comando pode não ser adequada aos profissionais da saúde por consumir muito tempo, por ser propícia a erros e por requerer conhecimento técnico especializado. Para lidar com estas limitações, uma interface gráfica orientada pela aplicação tem sido desenvolvida para suporte ao projeto Body-Worn Sensor Networks. Esta ferramenta permitirá que a programação e a reconfiguração de uma RSCH possam ser executadas local ou remotamente pela Internet a partir de uma interface visual e sem perda da generalidade. Palavras-chave: Redes de Sensores para o Corpo Humano (RSCH), autômatos, multiprogramação, Java Abstract - The inherent characteristics of the Body Sensor Networks (BSN) have a great potential to influence clinical applications for the next decades. It can promote a new paradigm for health monitoring based on wearable systems. The handling of a BSN through a command-line programming interface may not be adequate for healthcare professionals. It s time-consuming, error-prone and requires specific technical knowledge. To address some of these limitations an application-oriented interface has been developed for the body-worn sensor networks project. The configuration tool allows the local or remote programming of the BSN through a visual and application-oriented interface. The interface also allows the inclusion of new sensors into the BSN. Key-words: Body Sensor Networks (BSN), automata, multiprogramming, Java Introdução A capacidade de operação autônoma e a utilização de um meio de comunicação sem fios características inerentes das Redes de Sensores Sem Fios (RSSF) aplicadas ao monitoramento do corpo humano têm grande potencial de influir nas aplicações clínicas pelas próximas décadas por promover um novo paradigma para o monitoramento da saúde humana por meio de sistemas computacionais embutidos na indumentária das pessoas (wearable systems). O projeto Body-Worn Sensor Networks (BWSNET) Project tem como objetivo a construção de uma infra-estrutura para o monitoramento da saúde humana por meio das redes de sensores sem fios que serão vestíveis e até mesmo implantadas no próprio corpo. Para oferecer suporte à programação e à reconfiguração de uma Rede de Sensores para o Corpo Humano (RSCH) uma arquitetura de software orientada pela aplicação 1 e chamada de SOAB (Software Architecture for Body-Worn Sensor Networks Project) tem sido desenvolvida. Como parte integrante da SOAB, a BWSNET Configuration Tool é uma interface gráfica que apresenta dois níveis de abstração: (i) no nível mais alto a rede de sensores e seus parâmetros reconfiguráveis e (ii) no nível mais baixo os nós-sensores que podem ser dedicados a um único propósito, ou multifuncionais. Essa interface tem como objetivo facilitar a programação dos nós-sensores em tempo de compilação, durante o ciclo de deployment, bem 1 O termo orientado pela aplicação é introduzido neste texto para caracterizar sistemas projetados ou customizados para um conjunto de aplicações com requisitos similares e específicos, tal como uma RSCH. Uma RSSF deve ser projetada a partir dos requisitos de uma ou de um conjunto de aplicações similares, seu Design Space [1]. Portanto, deve ser orientada ao domínio da aplicação.

2 como permitir a reconfiguração da rede e dos nós-sensores durante a execução da aplicação. Por ser orientada pela aplicação, e não de propósito geral, a BWSNET Configuration Tool é responsável por oferecer aos profissionais da saúde, a partir de agora programadores, um meio pelo qual possam descrever seus algoritmos de maneira menos cansativa, consumindo menos tempo, menos propícia a erros, mais intuitiva, por ser visual, e mais facilitada, sem necessidade do conhecimento específico de modelos computacionais. Esta interface permitirá que uma RSCH seja programada e reconfigurada local ou remotamente pela Internet sem perda de generalidade, ou seja, com a possibilidade de incluir novos sensores que não foram previamente especificados. Embora existam vários projetos que empregam RSSF para o monitoramento humano (vide referências a partir de [2]), até o momento a maioria deles ainda não discutiu a importância de modelos específicos para programação de RSCH ou delegaram essa responsabilidade a um modelo de propósito geral, baseado no framework TinyOS [3], o que usualmente não oferece suporte adequado aos profissionais da saúde, gestores típicos desses sistemas. Assim, o objetivo de deste artigo é apresentar a BWSNET Configuration Tool, descrevendo as principais funcionalidades e ressaltando os benefícios. Metodologia BWSNET Configuration Tool foi inteiramente desenvolvida utilizando tecnologia Java [4] a partir de uma modelagem orientada a objetos. A escolha dessa tecnologia se deu em função da quantidade de bibliotecas de código disponíveis para uso gratuito, da adequação à metodologia utilizada no projeto e principalmente em função da portabilidade entre diferentes plataformas de suporte. O modelo de dados que representa cada um dos nós da rede estende uma interface definida para um nó-sensor genérico proposta por Cavalho et al. em [5]. O diagrama de classes apresentado pela Figura 1 ilustra o modelo de dados comum a todos os sensores inclusos na rede. A classe Individual Sensor tem atributos tal como identificação do sensor, tipo do sensor, taxas de transmissão de dados e etc., além de operações que podem manipular o fluxo de informações e gerenciar o nível de bateria de cada sensor. A classe Redundant Sensor adiciona informações referentes à redundância de sensores na classe Individual Sensor. A classe Pre-Processing inclui diferentes funções usadas para o processamento de sinais analógicos e digitais. Este modelo de dados uniformiza as informações a respeito das capacidades e dos objetivos de cada sensor, facilitando a inserção de novos sensores que não foram inicialmente planejados. Figura 1 Modelo de dados para nósensor genérico. Fonte: [5] Para suportar a inclusão de novos sensores sem necessidade da recompilação do código fonte BWSNET Configuration Tool implementa uma interface baseada em Java Reflection [6], com suporte para java applets, java applications e java thinlets [7]. Essa interface habilita o sistema a carregar em memória um novo objeto que representará o novo sensor, fazer sua introspecção e finalmente executá-lo a partir de uma invocação de métodos descobertos em tempo de execução. Figura 2 Invocação Dinâmica de um novo sensor A Figura 2 apresenta o diagrama de seqüência que ilustra a invocação dinâmica de um novo sensor implementado a partir de um objeto Java Application. Note que cls, retorno e m

3 representam meta-objetos Java, ou seja, objetos que representam objetos externos ao sistema cujos métodos não são conhecidos em tempo de compilação. Resultados A programação da rede normalmente é iniciada pela seleção e programação dos nóssensores. O nível de transparência oferecido aos programadores é configurável. O programador pode simplesmente selecionar as tarefas executadas por esses dispositivos como também o nível de inteligência embutido em cada nósensor, por exemplo, pela inclusão algoritmos para remoção de ruído, pela seleção dos protocolos de rede, pela seleção dos mecanismos para gerenciamento de energia e pela seleção dos alarmes dentre outros. A Figura 3 ilustra a interface de programação de um nó-sensor multifuncional 2 para a captura do ECG. operando com freqüência de amostragem de 500 Hz e ainda (iii) ECG com seis derivações operando com freqüência de amostragem de 1000 Hz. A vantagem dessa abordagem refere-se principalmente à economia de energia pela possibilidade de redução da freqüência de operação, aliada à possibilidade de redução do volume de informações a ser transmitido por unidade de tempo. Além disto, na impossibilidade do sistema operar com uma das três tarefas, haveria ainda aproximadamente 66% de chances de se manter ativo em uma das duas outras tarefas restantes, desde que os as tarefas sejam completamente independentes. A partir do momento em que o programador finaliza suas escolhas um arquivo texto em formato XML (Extensible Markup Language) com as informações a respeito das configurações é gerado pelo sistema. Posteriormente, ao comando do programador o conteúdo deste arquivo é encapsulado numa mensagem SOAP (Simple Object Access Protocol) [8] e enviado ao BWSNET Proxy, um artefato de software executado no gateway que interconecta a RSCH limitada por RF (Rádio Freqüência) e a Internet. Figura 4 Programação e reconfiguração da RSCH pela Internet Figura 3 Interface para programação do nósensor multifuncional para captura do ECG Suponhamos que o programador tenha selecionado uma configuração a partir da colocação dos eletrodos, como ilustrado na Figura 3. Neste caso, o programador poderá dispor de um nó-sensor de ECG com três diferentes funcionalidades: (i) ECG com única derivação operando com freqüência amostragem de 100 Hz, (ii) ECG com três derivações 2 O termo nó-sensor multifuncional utilizado neste texto referese à capacidade de um nó-sensor em desempenhar mais de uma funcionalidade compartilhando o tempo de processamento por meio da multiprogramação. Os dispositivos representados pelo gateway podem incluir desde PCs (Personal Computers) para uso doméstico, PDAs (Personal Data Assistants) ou até mesmo telefones celulares, desde que disponham de interfaces capazes de interconectar uma rede IP à RSCH. A Figura 4 ilustra as entidades e os protocolos para interconexão das redes durante a programação e a reconfiguração da RSCH pela Internet. No BWSNET Proxy as informações são extraídas e repassadas ao módulo gerador automático de autômatos. Este módulo é responsável por decodificar a mensagem enviada por BWSNET Configuration Tool com o objetivo de construir toda imagem do sistema, o código binário que será embutido nos nós-sensores.

4 Outra funcionalidade não menos importante do servidor Proxy é a de promover, por meio de interfaces padronizadas, a integração da RSCH com um sistema de informação de saúde externo (Heathcare Information System HIS). A Figura 5 ilustra o comportamento do software gerado automaticamente para o nósensor de ECG a partir de uma representação baseada em autômatos. Autômato ou máquina de estados finitos é um modelo utilizado para representar o comportamento de um sistema computacional. É composto por estados, representados por círculos, e eventos, representados por arestas, que indicam as ações responsáveis pelas mudanças de estados. Figura 5 Autômato que descreve o comportamento do software gerado a partir da interface de programação A definição dos estados do autômato apresentado na Figura 5 se refere à seleção das tarefas na paleta multitask programming da interface de programação apresentada na Figura 4. A seleção dos alarmes pode ter influência na programação dos eventos, embora a programação dos eventos seja gerada com transparência ao programador pelo módulo gerador de autômatos. Maiores detalhes acerca do modelo apresentado na Figura 5 podem ser obtidos em [9]. A Figura 5 relata o consumo de corrente de acordo com cada funcionalidade (estado do autômato) que está sendo executada a cada instante de tempo. Além da redução da freqüência de operação, uma política para desligamento do rádio transmissor é associada a cada funcionalidade. Os valores aqui apresentados são referentes ao consumo de corrente para um nó-sensor de ECG montado a partir do kit Olimex MSP430P149 [10], com rádio bluetooth BlueSMiRF Basic [11] e circuitos para captura do ECG construídos com base no amplificador diferencial INA321 [12]. Além da geração automática do sistema a partir da descrição visual das tarefas, BWSNET Cofiguration Tool disponibiliza um simulador para que o programador possa avaliar, a partir da quantidade de energia estimada e da programação escolhida, a sobrevida de cada nósensor. Uma ferramenta como esta permite que o programador possa avaliar o desempenho das configurações escolhidas antes que a programação do nó-sensor seja de fato iniciada, evitando que o sistema seja programado desnecessariamente. A Figura 6 mostra os resultados gerados pelo simulador para o nó-sensor de ECG. Como entrada para este sistema tem-se: (a) o arquivo de configuração gerado automaticamente pela ferramenta de programação e (b) o nível de energia do nó-sensor estimado pelo próprio programador. Os resultados apresentados pela Figura 6 referem-se ao autômato apresentado na Figura 5. Como principal resultado, Deadline corresponde ao tempo de vida máximo estimado para nó-sensor. Ao nível de abstração da RSCH temos desenvolvido uma interface para reconfiguração da rede capaz de enviar as definições de desempenho ao MiLAN (Middleware Linking Applications and Networks) [13]. MiLAN é um middleware reflexivo composto por um núcleo (core) executado nos gateways e por módulos menores (plugins) executados nos nós-sensores. MiLAN permite que as aplicações executadas sobre a RSCH possam especificar a qualidade mínima necessária para o serviço enquanto ajusta alguns parâmetros da rede para aumentar o tempo de vida da aplicação. Qualidade de Serviço (QoS) indica quanto o sistema pode ser útil para as aplicações, pois permite que o sistema possa se ajustar de forma a maximizar o tempo de vida útil. Figura 6 Simulador para o nó-sensor de ECG A Figura 7 mostra a Interface para reconfiguração da RSCH a partir das definições estabelecidas pelo MiLAN. Pode-se verificar que uma aplicação é descrita a partir de um conjunto de variáveis e cada variável é descrita a partir de um outro conjunto de variáveis ou de um conjunto de sensores. Associado a cada sensor existe

5 ainda um valor que descreve a QoS (vide Figura 8). Sensor QoS Level refere-se à capacidade de vazão das informações necessárias a cada momento. Esses dois conjuntos de informações, variáveis e sensores, são enviados ao núcleo do MiLAN onde assumem uma representação de grafos e um algoritmo que determina o máximo fluxo para a RSCH é executado. Como resultado, as configurações para as interfaces de rede dos nós-sensores são ajustadas em tempo de execução pelos plugins de maneira a garantir a QoS, capacidade mínima de vazão das informações, durante o maior período de tempo possível. Figura 7 Interface para reconfiguração da RSCH baseada nos parâmetros do MiLAN Discussão e Conclusões O tempo gasto para a programação de cada nó-sensor tende a crescer de acordo com a complexidade do código, e o nível de inteligência embutido dentro de cada nó-sensor, o que também pode influir na quantidade de reprogramações diárias que se fazem necessárias. Por exemplo, para programação do autômato descrito pela Figura 5, na prática, são gastos em média 10 segundos. Esse tempo deve ser considerado como o período de tempo em que o paciente terá que aguardar com o sistema inativo e conectado ao BWSNET Proxy por meio da interface JTAG. Numa outra abordagem, em que a programação seria efetuada a partir da interface serial e do bootstrap loader [14], o processo se torna ainda mais lento e consume mais energia. Além disso, a quantidade operações de escrita na memória Flash influi na sobrevida do hardware. O fato é que, desconsiderando a necessidade de reprogramação por falhas de software ou do hardware, mesmo com o uso do simulador (vide Figura 6), o estado de saúde do paciente pode definir a freqüência da reprogramação do sistema. Em muitos casos essa necessidade se resume a um reajuste comportamental do software em tempo de execução. Para isto, tem sido desenvolvida uma abordagem complementar ao MiLAN que permitirá que a reprogramação dos nós-sensores multifuncionais possa ser executada sem a necessidade de interrupções no funcionamento do sistema e nem de conexões com cabos. The run-time reconfiguring methodology permitirá que os programadores possam definir a importância de cada nó-sensor da rede de acordo com as necessidades de cada aplicação, assim como especificado pelo MiLAN, e ainda permitir que o programador possa efetuar modificações a respeito do autômato embutido em cada nósensor. A Figura 8 ilustra o funcionamento desta abordagem. Além de alterar os valores das prioridades sem alterar a capacidade de operação autônoma do nó-sensora seqüência, quando nenhum evento pois os eventos definidos durante o ciclo de programação serão mantidos, o programador poderá suspender (suspend) e reinicializar (resume) as tarefas quando necessário. A alteração dos valores das prioridades pode alterar ocorrer, e principalmente o período de tempo (time-slice) em que cada tarefa deverá utilizar a CPU do nó-sensor. Para suporte a essa metodologia, um sistema operacional orientado pela aplicação tem sido desenvolvido. MedOS é um interpretador de comandos que atua como uma máquina virtual acima do sistema operacional FreeRTOS [15]. Tem como objetivo principal promover o ajuste comportamental dos nós-sensores alterando os valores das prioridades que serão associados às tarefas, aqui mapeadas em threads. Permite ainda a finalização e a suspensão das tarefas criadas em conjunto com as bibliotecas de código do FreeRTOS. Figura 8 - Reconfiguração do nó-sensor multifuncional para captura do ECG

6 Até o momento, de acordo com a literatura pesquisada nenhum documento encontrado apresenta proposta semelhante acerca de uma ferramenta para programação de uma RSCH a partir de uma interface gráfica orientada pela aplicação. Contudo, este artigo apresenta um modelo para programação de RSCH pressupondo que os programadores desses sistemas necessitam de ferramentas com mais transparência para desempenharem suas atividades. Trabalhos futuros serão concentrados (i) em testes de usabilidade, (ii) na implementação de mecanismos para segurança e autenticação, principalmente para as intervenções remotas pela Internet e em (iii) novos algoritmos baseados em prioridades e orientados pela aplicação que possam ser utilizados para escalonamento mais eficiente das funcionalidades embutidas nos nóssensores. Agradecimentos À Universidade Católica de Goiás pelo apoio financeiro através do seu programa para capacitação de docentes. Referências [1] Römer, K., Mattern, R., (2004) The design space of wireless sensor networks, In: IEEE Wireless Communications, vol. 11, no. 6, p.54-61, Dez. [2] Yang, G., (2006) Body Sensor Networks. Disponível em 06. Acesso em 23 mar [3] Berkeley, U. C., (2006) TinyOS. Disponível em: Acesso em 23 mar [4] Sun Developer Network (2006). Java Technology. Disponível em Acesso em 23 mar [5] Carvalho, H. S., Heinzelman, W., Murphy, A., Coelho Jr, C. (2003), A General Data Fusion Architecture, Proceedings of the 6th International Conference on Information Fusion (Fusion 2003), Queensland, Australia, jul. [6] Green, D., (2006) Trail: The Reflection API. Disponível em Acesso em 23 mar [7] Bajazat, R., (2006) Thinlet. Disponível em: Acesso em 23 mar [8] W3C (2006) SOAP Version 1.2 Part 1: Messaging Framework. Disponível em part /. Acesso em 23 mar [9] Carvalho, H. S., Zuquim, A., Vieira L., Vieira M., Vieira A., Nacif, J., Coelho Jr, C., Silva Jr, D., Fernandes, A., Loureiro, A., Efficient power management in real-time embedded systems, Proceedings of the 9th IEEE International Conference on Emerging Technologies and Factory Automation (ETFA'03), Lisbon, Portugal, 2003 [10] Olimex. (2006) MPS430F149 Development Board. Disponível em Acesso em 23 mar [11] Spark Fun. (2006) Bluetooth Modem - BlueSMiRF Basic Disponível em nfo.php?products_id=158. Acesso em 23 mar [12] Texas Instruments INAA321, Micropower single-supply CMOS Instrumentation Amplifier Disponível em: 21.html. Acesso em 23 mar [13] Carvalho, H. S., Perillo, M., Heinzelman, W., Murphy, A. (2004) "Middleware to support sensor network applications," In: IEEE Network Magazine, Special Issue, Jan. [14] Texas Instruments. (2006) Features of the MSP430 Bootstrap Loader (Rev. C) Texas Technical Report SLAA 089c. Fev. [15] Barry, R. (2006) FreeRTOS. Disponível em Acesso em 23 mar Contato Talles Marcelo G. de A. Barbosa. Departamento de Computação Universidade Católica de Goiás, Goiânia, Brasil. Fone: (062) Adson Ferreira da Rocha Departamento de Engenharia Elétrica Universidade de Brasília, Brasília, Brasil. Fone: (061) Hervaldo Sampaio Carvalho Faculdade de Medicina, Universidade de Brasília, Brasília, Brasil. Fone: (061)

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