Diseño de un sistema RFID pasivo de bajo consumo para monitorizar inalámbricamente constantes biomédicas
- Autores: José Antonio Rodríguez Rodríguez
- Directores de la Tesis: Manuel Delgado Restituto (dir. tes.), Ángel Benito Rodríguez Vázquez (tut. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Sevilla ( España ) en 2013
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Ángel Barriga Barros (presid.), Antonio José Acosta Jiménez (secret.), Jordi Madrenas Boadas (voc.), Javier Calpe Maravilla (voc.), Guillermo Bistue Garcia (voc.)
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- Resumen
La monitorización de constantes biomédicas es de vital importancia en el seguimiento de pacientes o de un grupo de personas que requieran de un control médico o sanitario. En la actualidad, la mayoría de sensores existentes utilizan cables para transmitir la información relativa a las constantes biomédicas, disminuyendo el confort y movilidad sobre los que se utiliza. Con vistas a mejorar la comodidad del paciente han ido apareciendo algunas soluciones que utilizan sensores que emplean un enlace de RF para realizar la transmisión de los datos. Durante la presente tesis se realizará el diseño de un tag pasivo RFID en la banda UHF con capacidad de sensado que permitirá realizar medidas de temperatura y de pulso cardíaco. Dicho dispositivo deberá operar sin la necesidad de una batería o pila que lo alimente, ya que funcionará con la energía proveniente del enlace de RF. Y deberá realizar la transmisión de datos mediante la técnica conocida de backscattering, consistente en la modulación de la impedancia de entrada de la cabecera de RF para reflejar con un cierto coeficiente de reflexión la señal de entrada. Dicha señal reflejada deberá llegar hasta el reader con una potencia superior a la sensibilidad del mismo.
El tag diseñado estará formado por una antena, con la que se captará y enviarán la información a través de un enlace de RF; un chip, donde se integrará en tecnología CMOS toda la circuitería del tag; dos electrodos, que captarán las señales eléctricas del cuerpo humano; un termistor, que se utilizará para medir la temperatura; y algunos componentes pasivos que se utilizarán para fijar una referencia de corrientes y tendrán funciones de sensado para los circuitos que se encarguen de procesar las señales biológicas recogidas por los sensores. El sistema diseñado será compatible con el protocolo más utilizado en la industria en RFID, llamado EPC Class-1 Generation-2 creado por EPCGlobal.
La tesis se organizará en 6 capítulos que se describirán a continuación.
En el Capítulo 1, se realizará una introducción a la monitorización inalámbrica 2 empleando sistemas RFIDs, y el estado de arte de este tipo de dispositivos.
También se ha realizado una revisión a los diferentes estándares de comunicación RFID. El capítulo se cierra con una planificación del diseño del tag, desde el punto de vista de los requerimientos de cada uno de los bloques que lo componen para conseguir tener una cobertura en el rango de 1-3m que permitan una monitorización cómoda del sujeto.
La implementación física del sensor inalámbrico tendrá forma de parche e irá adosado sobre el torso de una persona. En el Capítulo 2 se analizarán los problemas que existirán en el diseño del tag debido a su proximidad con tejidos corporales, y se propondrá un sistema multicapa que solvente o atenúen los problemas presentados, y permita cumplir con los requerimientos de cobertura establecidos en el Capítulo 1.
En este capítulo se establece que el chip del tag estará dividido en tres partes bien diferenciadas: circuitería digital, compuesta por el procesador de banda base; cabecera de RF, formada por el rectificador, demodulador y modulador; y circuitería de señal mixta, compuesta por todos aquellos circuitos analógicos y digitales que se utilizan en tareas auxiliares como generadores de corrientes, tensión, frecuencia¿etc.
El capítulo se cierra con un plan de diseño del chip y de la antena, utilizando una primera aproximación de la ecuación de cobertura, obtenida a partir de la ecuación de Friis. Este plan pretende ser una referencia sobre la cual apoyarse para diseñar cada uno de los circuitos del tag.
El Capítulo 3 consistirá en un resumen o revisión del protocolo de comunicación EPC Class-1 Generation-2 para facilitar la comprensión de ciertos aspectos del diseño, principalmente del procesador; y de las dificultades que este protocolo introduce en el diseño de un tag de bajo consumo.
Tras analizar el estándar de comunicación citado anteriormente, se presentará en el Capítulo 4, el diseño del procesador de banda base que implementará toda la funcionalidad tanto relativa al protocolo, como su adaptación para que pueda habilitar los diferentes sensores y comunicarse con ellos. A lo largo del capítulo se plantean una cierta metodología para abordar este tipo de diseños en los que la característica dominante consiste en la reducción del consumo de potencia. Para ello, se analiza y establece una estrategia para reducir el consumo de potencia. Las principales técnicas de bajo consumo empleadas fueron la reducción al máximo de la frecuencia de reloj y la reducción de la actividad de los circuitos, mediante el uso de celdas de clock-gating.
El procesador jugará un papel muy importante en el área y en el consumo del tag, ya que un diseño inadecuado podría significar un consumo inasumible dada la complejidad de este sistema digital. El capítulo finaliza con 3 los resultados experimentales obtenidos después de realizar 2 integraciones en silicio en una tecnología CMOS de 0.35¿m.
El Capítulo 5 detalla las diferentes metodologías empleadas para realizar el diseño de cada uno de los circuitos de señal mixta y la cabecera de RF.
También se explican los criterios seguidos para el diseño de una antena que permita solventar los problemas en la degradación de potencia, y que sea lo más pequeña posible, del orden de algunos cm, ya que cuanto menor sea se mejorará el confort del paciente.
La estructura de este capítulo es algo diferente al resto debido al alto número de bloques que se describen, por ello, cada uno de ellos se divide en dos sub-secciones: una de ellas donde se exponen los diferentes aspectos teóricos/prácticos básicos y en la otra se indican como fueron diseñados y los resultados de simulación obtenidos, con especial atención al consumo de potencia y los requerimientos específicos de cada bloque.
En este capítulo se propondrán expresiones que servirán para realizar una estimación de la cobertura máxima del sistema RFID, considerando los diferentes estados de la comunicación: recepción, procesamiento, sensado y transmisión. Habitualmente, no siempre son empleados cada uno de estos estados en el cálculo de la cobertura, y no se consideran el impacto que tiene la modulación y recepción de comandos en el tag.
Para concluir, en el Capítulo 6 se resumirán el número de integraciones en silicio que se ha realizado y el impacto que tendrá sobre la cobertura los resultados de los Capítulos 4 y 5, relacionados con el diseño de antena, procesador de banda base y circuitería de señal mixta.
