Verteilte Sensoren für medizinische Anwendungen

Abstract

Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurden für medizinische Anwendungen, dynamische und zeitsynchrone Sensorinteraktionen innerhalb eines drahtlosen Sensornetzwerks im Hinblick auf sicherheitsrelevante und energetische Aspekte untersucht und optimiert. Hierzu wurde ein neuartiges, flexibel zusammenstellbares drahtloses Sensornetzwerk hardware- und softwaremäßig entwickelt und aufgebaut. Das Sensornetzwerk besteht aus Sensorknoten zur Erfassung, Speicherung und Darstellung unterschiedlicher technischer und biologischer Signale. Die Sensorknoten verfügen auf Grund ihrer Größe über eingeschränkte Energieressourcen. Diese sind auf die geringen Energiedichten der aktuell verfügbaren Akkumulatoren zurückzuführen. Zur Realisierung eines medizinischen Monitorings aus verteilten Sensoren sind daher Untersuchungen und Optimierungen im Bereich der Systemtaktfrequenzen, der Sendeleistungen sowie der Energiesparmodi zur Energieeinsparung und somit zur Laufzeitverlängerung unerlässlich. Die Sicherheitsanforderungen nach DIN EN ISO 27799 werden durch die Einbindung des „AES CCM 32“ Sicherheitsmodus gewährleistet. Eine kontinuierliche Speicherung der Daten auf den einzelnen Sensorknoten führt zudem zur Sicherstellung der Datenverfügbarkeit. Der IEEE 802.15.4 Standard verfügt über kein Zeitsynchronisationsverfahren um hochfrequent abgetastete Signale miteinander zu korrelieren. Daher wurde zur chronologischen Signalspeicherung das Zeitsynchronisationsprotokoll „flooding time synchronisation protocol“ (FTSP) imple-mentiert, angepasst und evaluiert.

In this thesis dynamic and time-synchronous sensor interactions within a wireless sensor network for medical use were examined and optimized considering safety and energy aspects. For this purpose, a new wireless sensor network which can be flexibly combined was developed. The sensor network consists of sensor nodes for acquisition, storage and display of different technical and biological signals. Energy resources of the sensor nodes are limited by the size of the nodes as well as the low energy densities of currently available batteries. To realize a medical monitoring system consisting of distributed sensors, investigations and optimization in the areas of system frequency, transmission power as well as low-power modes were performed, leading to a reduction of energy and also an extension of life-time. Security requirements (DIN EN ISO 27799) are warranted by the integration of the "AES-CCM-32" security mode. To guarantee data availability, further optimization regarding reduction of transmission power and interfer-ences by other radio-technologies allows continuous data storage on the sensor node. The IEEE 802.15.4 standard does not contain any method for time synchronization to correlate high frequency sampled signals. Therefore, to enable chronological storage of the captured signals, „flooding time synchronization protocol“ (FTSP) was implemented and evaluated.