SISTEMA TELEMÉTRICO INALÁMBRICO PARA LA MONITORIZACIÓN DE MAGNITUDES ESTÁTICAS Y DINÁMICAS.

Se propone un sistema telemétrico inalámbrico basado en transmisión de referencia temporal para la monitorización de magnitudes estáticas y dinámicas. El sistema propuesto comprende un instrumento lector y, al menos, un transpondedor que incluye a su vez los transductores asociados a las variables objeto de observación y/o medida. Con objeto de comunicar el instrumento lector y el transpondedor, el sistema también comprende un mecanismo para la transmisión de información relativa a la frecuencia de operación interna del transpondedor hacia el instrumento lector y un método para la determinación remota de la frecuencia de operación interna del transpondedor. El instrumento lector comprende: una antena

(11000), una sección de comunicación (12000), una sección de procesado de señal (13000), una sección de cómputo (14000), una unidad de temporización (15000) estable con la temperatura, una sección de interfaz de usuario (16000) y una sección de salida de datos (17000).

Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201231201.

Solicitante: CONSEJO SUPERIOR DE INVESTIGACIONES CIENTIFICAS (CSIC).

Nacionalidad solicitante: España.

Inventor/es: DELGADO RESTITUTO,Manuel, RODRÍGUEZ RODRÍGUEZ,José Antonio, RUIZ AMAYA,Jesús, MASUCH,Jens, RODRÍGUEZ PÉREZ,Alberto.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION G — FISICA > COMPUTO; CALCULO; CONTEO > TRATAMIENTO DE DATOS DIGITALES ELECTRICOS (computadores... > Disposiciones de entrada para la transferencia de... > G06F3/06 (Entrada digital a partir de, o salida digital hacia soportes de registro)
  • SECCION G — FISICA > COMPUTO; CALCULO; CONTEO > TRATAMIENTO DE DATOS DIGITALES ELECTRICOS (computadores... > G06F19/00 (Métodos o equipos para computación digital o procesamiento de datos, especialmente adaptados para aplicaciones específicas (G06F 17/00  tiene preferencia; sistema o métodos de procesamiento de datos especialmente adaptados para propósitos administrativos, comerciales, financieros, de gestión, supervisión o predicción G06Q))
google+ twitter facebookPin it
SISTEMA TELEMÉTRICO INALÁMBRICO PARA LA MONITORIZACIÓN DE MAGNITUDES ESTÁTICAS Y DINÁMICAS.

Fragmento de la descripción:

Sistema telemétrico inalámbrico para la monitorización de magnitudes estáticas y dinámicas.

Objeto de la invención.

La presente invención propone un sistema telemétrico inalámbrico basado en transmisión de referencia temporal para la monitorización de magnitudes estáticas y dinámicas. El sistema propuesto comprende varios aspectos tales como un instrumento lector y, al menos, un transpondedor que incluye a su vez los transductores asociados a las variables objeto de observación y/o medida. Con objeto de comunicar el instrumento lector y el transpondedor, la presente invención también comprende un mecanismo para la transmisión de información relativa a la frecuencia de operación interna del transpondedor hacia el instrumento lector y un método para la determinación remota de la frecuencia de operación interna del transpondedor.

La invención se enmarca dentro del sector de las tecnologías físicas y más, en concreto, en el ámbito de las tecnologías de la información y las comunicaciones aplicadas a la telemetría.

Antecedentes de la invención La creación de espacios inteligentes demanda el uso de sistemas inalámbricos, preferiblemente con bajo factor de forma, capaces de monitorizar de forma remota magnitudes físicas, químicas o de cualquier otra índole, observables en el entorno. Tales sistemas inalámbricos constan de un instrumento lector (también llamado interrogador) , que sirve para activar el procedimiento de medida y procesar la información recibida; y un transpondedor con capacidad de sensado (también llamado sensor inalámbrico) , que se encarga de capturar y transmitir sin cables las mediciones de las variables bajo observación. Mientras el transpondedor con capacidad de sensado se ha de disponer de tal forma que se garantice la fidelidad de las mediciones, el instrumento lector puede mantenerse a una cierta distancia limitada por el rango de comunicación entre ambos aparatos.

Con el objetivo de alargar el tiempo de vida útil del transpondedor, favorecer su reutilización y reducir los costes de mantenimiento, es deseable que el sensor inalámbrico en su conjunto funcione sin baterías. También es recomendable que el sistema interrogador-transpondedor tenga una amplia cobertura inalámbrica de forma que un único lector, configurado al efecto, pueda monitorizar las mediciones de distintos transpondedores, evitando colisiones entre las diferentes fuentes de información. Así mismo, resulta conveniente que, siempre que las variables bajo observación lo permitan, los transpondedores puedan soportar la medición de distintas magnitudes para, por un lado, reducir el despliegue de dispositivos (menor coste de implementación) y, por otro, disminuir el tráfico de información inalámbrico (mayor eficiencia energética) .

Estos requisitos demandan el uso de técnicas de diseño con consumos ultra-bajos de potencia, así como, de generadores de energía ligados al transpondedor, capaces de obtener tensiones de alimentación a partir de recursos ambientales. También demandan el empleo de arquitecturas y procedimientos que permitan la reutilización de bloques componentes, caso de que el transpondedor tenga que soportar la medición de variables de distinta naturaleza. Así mismo, y con vistas a reducir el coste de producción, se han de evitar fases de medición y ajuste durante el proceso de fabricación, esto es, se deben proporcionar los medios para la auto-calibración del sistema telemétrico. Todo ello, debe lograrse además, satisfaciendo los valores de precisión y resolución de las medidas propias del entorno de aplicación.

Un ejemplo en que dichas prestaciones son especialmente pertinentes es en la monitorización de patrones fisiológicos en individuos. Claramente, el uso de tecnologías inalámbricas con transpondedores con capacidad de sensado que tengan reducidas dimensiones y sean fácilmente portables, permitiría la lectura remota de signos vitales del paciente, sin reducir los niveles de movilidad o confort del mismo. Por el mismo motivo, la concentración en un único transpondedor de diferentes sensores, como, por ejemplo, temperatura corporal, patrones ECG, actividad muscular o ritmo respiratorio, favorecería la monitorización del paciente de forma simple y discreta.

Este ejemplo de ámbito sanitario revela un aspecto común a la mayoría de sistemas telemétricos destinados a la creación de espacios inteligentes, esto es, la baja complejidad de la información a transmitir así como la reducida cadencia de variación de los datos (en el orden de segundos) . Por este motivo y teniendo en cuenta, además, las demandas de bajo consumo y la tendencia hacia soluciones sin baterías, las técnicas basadas en tecnologías RFID (Identificación por Radiofrecuencia) pasivas constituyen una prometedora alternativa para la implementación de sistemas telemétricos inalámbricos. Sin embargo, en la mayoría de las realizaciones propuestas hasta la fecha, dichos sistemas sólo soportan la monitorización de una única variable bajo observación, en lugar de una monitorización múltiple como sería deseable. Además, dichas variables bajo observación son esencialmente estáticas, por lo que no se contempla la monitorización de propiedades dinámicas. Más aún, en muchos casos, los sensores ligados a los transpondedores deben ser alimentados con baterías, con lo que se vulnera el objetivo de la pasividad del dispositivo el cual, preferentemente, debe procurar energía no sólo a los bloques vinculados al enlace inalámbrico, sino también a los sensores desde donde se capturan las magnitudes bajo monitorización.

Al igual que en otros ámbitos de aplicación, estas limitaciones son ostensibles en los sistemas telemétricos para la monitorización inalámbrica de patrones fisiológicos existentes que, en ningún caso, satisfacen todos los objetivos anteriores. Por ejemplo, el documento del estado de la técnica con número de publicación WO-2011010437 (A1) y título “System for measuring patients body temperature used in hospital, has data reading device which changes electric power level in excitation unit when magnetic field change is detected” describe un dispositivo para medir temperatura corporal mediante sensores incluidos en una unidad de procesamiento pero no contempla la monitorización de múltiples variables. El documento del estado de la técnica con título “Full Passive UHF Tag with a Temperature Sensor Suitable for Human Body Temperature Monitoring” de A. Vaz, et al. (IEEE Trans. on Circuits and Systems II - Express Briefs, Vol. 57 (2) , Pages 95-99 DOI: 10.1109/TCSII.2010.2040314) también se centra exclusivamente en la medición de temperatura corporal. Además, al igual que WO-2011010437 (A1) , el sistema usa circuitos integrados que requieren el uso de calibración. La propuesta divulgada en la solicitud de patente con número de publicación US-A1-2010156598 y título “Radio frequency identification (RFID) medical device for reading physiological parameter e.g. temperature from patient, has transmitter for transmitting sensed signal from sensor to reader in contact less manner” plantea el uso de múltiples elementos sensores externos a la unidad RFID de transmisión de información. Sin embargo, dichos sensores deben ser individualmente alimentados por baterías, por lo que la implementación no es completamente pasiva. La aportación contenida en la solicitud de patente con número de publicación US-A1-2010171596 y título “In vivo complementar y metal oxide semiconductor compatible radio frequency identification chip implanted in body of patient, has compatible circuitr y that controls drug release from drug reservoir based on biosensed information” usa transpondedores RFID pasivos, sin embargo, está destinada a la inyección de drogas...

 


Reivindicaciones:

1. Instrumento lector para un sistema telemétrico inalámbrico para la monitorización de magnitudes estáticas y dinámicas, donde el instrumento lector (10000) está caracterizado por que comprende:

-una antena (11000) capaz de transmitir diferentes señales de interrogación hacia un transpondedor y de recibir señales de información desde dicho transpondedor;

-una sección de comunicación (12000) conectada a la antena que proporciona los medios y procedimientos para definir unos formatos de señal, una codificación de datos, un tipo de modulación, unas tasas de transmisión/recepción, una envolvente RF y unos parámetros que establecen la comunicación inalámbrica con el transpondedor;

-una sección de procesado de señal (13000) , la cual está conectada a la sección de comunicación (12000) , donde la sección de procesado de señal (13000) proporciona los medios y procedimientos necesarios para crear, de acuerdo con las instrucciones del usuario, la secuencia de comandos requerida para seleccionar e interrogar al transpondedor, así como para identificar y clasificar los datos recibidos procedentes de dicho transpondedor;

-una sección de cómputo (14000) que interpreta los valores representativos de la frecuencia de operación interna del transpondedor y de las mediciones de las variables bajo observación, previamente clasificados en la sección de procesado de señal (13000) ;

-una unidad de temporización (15000) estable con la temperatura que determina la frecuencia de operación de todo el instrumento lector y que proporciona a la sección de cómputo (14000) de los parámetros necesarios para interpretar los valores representativos tanto de la frecuencia de operación interna del transpondedor como de las mediciones de las variables bajo observación;

-una sección de interfaz de usuario (16000) que proporciona los medios para que se activen los procedimientos de identificación y medida de variables bajo observación desde el transpondedor; y, -una sección de salida de datos (17000) que proporciona unos medios y procedimientos para almacenar los datos medidos por el transpondedor y unos de comunicación de dichos datos con el exterior.

2. Transpondedor para un sistema telemétrico inalámbrico para la monitorización de magnitudes estáticas y dinámicas, donde el transpondedor (20000) está caracterizado por que comprende:

-una antena (21000) capaz de recibir diferentes señales de interrogación desde un instrumento lector y de transmitir a dicho instrumento lector señales representativas de su identificación exclusiva y de su frecuencia de operación interna, así como de unas mediciones de unas variables bajo observación;

-un circuito activo (22000) que gestiona unas operaciones de comunicación con el instrumento lector así como unas operaciones de tratamiento de datos de acuerdo con las instrucciones recibidas; y,

-un conjunto de transductores (23000) , asociados a las variables bajo observación, que convierten unas magnitudes monitorizadas de las variables bajo observación a valores eléctricos interpretables por el circuito activo, tal que la conversión realizada por cada transductor es una función monotónica, conocida y disponible en la sección de cómputo del instrumento lector.

3. Transpondedor para un sistema telemétrico inalámbrico para la monitorización de magnitudes estáticas y dinámicas, según la reivindicación 2, caracterizado por que el circuito activo (22000) comprende:

-una sección de almacenamiento (22100) en donde se registra un código de identificación único para el transpondedor; -una unidad de generación y almacenamiento de energía (22400) en donde se generan y regulan unas tensiones de alimentación necesarias para el funcionamiento del transpondedor; -una sección de temporización (22200) en donde se generan autónomamente unas señales de reloj necesarias para activar el transpondedor;

-una sección de modulación y demodulación de señales (22600) en donde se extraen unos códigos binarios incluidos en las señales de interrogación procedentes del instrumento lector, y en donde se modulan los datos generados por el transpondedor de acuerdo con las peticiones realizadas por dicho instrumento lector;

-una unidad de procesamiento (22500) en donde se interpretan los comandos recibidos desde el instrumento lector, se gestionan los modos de operación de las diferentes secciones del circuito activo para llevar a cabo unas acciones incluidas en dichos comandos y se da formato a los números binarios representativos de la frecuencia de operación interna del transpondedor y de las mediciones de las variables bajo observación que se han de enviar a dicho instrumento lector; y,

-una sección de adquisición y medida (22300) que proporciona los medios y procedimientos para secuenciar la actividad de los transductores, convertir las señales analógicas obtenidas de dichos transductores al dominio digital y transferir dichos datos digitales a la unidad de procesamiento, tal que, la conversión de datos realizada en la sección de adquisición y medida es una función monotónica, conocida y disponible en la sección de cómputo del instrumento lector.

4. Transpondedor para un sistema telemétrico inalámbrico para la monitorización de magnitudes estáticas y dinámicas, según la reivindicación 3, caracterizado por que el circuito activo (22000) está fabricado sobre un sustrato que se elige de entre: silicio, orgánico, silicio sobre aislante, silicio-germanio, fosfuro de indio y arseniuro de galio.

5. Transpondedor para un sistema telemétrico inalámbrico para la monitorización de magnitudes estáticas y dinámicas, según la reivindicación 3, caracterizado por que la unidad de procesamiento (22500) comprende una máquina de estados finitos instalada en el transpondedor que detecta una trama de temporización enviada desde el instrumento lector, y un contador digital activado por un reloj interno del transpondedor que cuenta el número de períodos de reloj comprendidos en dicha trama.

6. Método de comunicación entre un transpondedor y un instrumento lector, ambos para un sistema telemétrico inalámbrico para la monitorización de magnitudes estáticas y dinámicas, donde el transpondedor está definido en una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 5, y donde el instrumento lector está definido según la reivindicación 1; el método de comunicación está caracterizado por que comprende:

-en primer lugar (41000) , el instrumento lector selecciona e interroga a un transpondedor de entre un conjunto limitado de transpondedores localizados en un rango de cobertura del instrumento lector mediante el envío de una señal de interrogación;

-en segundo lugar (42000) , el transpondedor seleccionado transmite unos datos requeridos por el instrumento lector en respuesta a la señal de interrogación recibida; -en tercer lugar (43000) , el instrumento lector recibe e interpreta los datos emitidos por el transpondedor, y transfiere unos datos correspondientes al usuario.

7. Método de comunicación entre un transpondedor y un instrumento lector, según la reivindicación 6, donde el método adicionalmente comprende determinar de forma remota la frecuencia de operación interna del transpondedor seleccionado e interrogado, por el instrumento lector, mediante las siguientes etapas:

-generación (51000) en el instrumento lector de un comando que contiene una trama binaria específica de duración predeterminada; -recepción, demodulación y decodificación (52000) en el transpondedor del comando emitido por el instrumento lector; -activación de una máquina de estados finitos (53000) para detectar los instantes inicial y final de la trama binaria específica; -habilitación de un contador digital (54000) , operado a una frecuencia proporcional a la frecuencia interna del

transpondedor, en el momento en que la máquina de estados finitos detecta el instante inicial de la trama; -inhabilitación del contador (55000) cuando la máquina de estados finitos detecta el instante final de la trama; -almacenamiento, codificación y posterior envío (56000) al instrumento lector del número de ciclos contados por el contador digital; -recepción, demodulación y decodificación (57000) de dicho número de ciclos en el instrumento lector; y, -cálculo de la frecuencia interna (58000) del transpondedor en función del número de ciclos contados, la constante de proporcionalidad del reloj usado en el recuento y de la duración de la trama binaria enviada por el instrumento lector.

8. Sistema telemétrico inalámbrico para la monitorización de magnitudes estáticas y dinámicas que comprende un transpondedor de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 5, un instrumento lector según la reivindicación 1 y un método para la determinación remota de la frecuencia de operación interna del transpondedor mediante el instrumento lector según una cualquiera de las reivindicaciones 6 a 7.