Vom Körper zum Server: Mobile und drahtlose Datenerfassung und -Übertragung in Gesundheitspflege-, Notfall- und AAL-Szenarien

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1 Technische Universität Technische Universität Braunschweig Carl- Fried rich-ga uß- Faku Ität Institut für Betriebssysteme und Rechnerverbund Vom Körper zum Server: Mobile und drahtlose Datenerfassung und -Übertragung in Gesundheitspflege-, Notfall- und AAL-Szenarien Von der Carl-Friedrich-Gauß-Fakultät der Technischen Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig zur Erlangung des Grades eines Doktoringenieurs (Dr.-Ing.) genehmigte Dissertation von Felix Büsching geboren am 'in Braunschweig Eingereicht am: Disputation am: Referent: Prof. Dr.-Ing. Lars Wolf 2. Referent: Prof. Dr. Stefan Fischer

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Gestaltung Altersgerechter Lebenswelten Persönlicher Aktivitäts- und Haushaltsassistent Monitoring im Präventions- und Reha-Sport Sensorgestützte Aktivitätsbestimmung Sensorbasierte Sturzprävention und -erkennung Technische Plattform für altersgerechte Lebenswelten Datenschutzkonzept Ein Blick in die Nachbarschaft: Ähnliche Projekte Wirelessly Accessible Sensor Populations (WASP) CodeBlue SmartAssist Wissenschaftliche Beiträge und weiterer Aufbau 7 2 Herausforderungen Szenarien im GAL-Projekt Sturzerkennung Sturzprävention Aktivitätserkennung Weitere Szenarien im medizinischen und AAL-Bereich Vitalparameterüberwachung Hausnotruf Abgeleitetes allgemeines Szenario Online vs. Offline Überwachung Funktionalität außerhalb der Wohnung Aggregiertes Szenario Anforderungen an die Sicherheit Anforderungsdefinition 17 3 Systementwurf und mögliche Umsetzungen Tragbare Sensorsysteme Drahtlose Sensorknoten Kommerzielle Sensorsysteme Zusammenfassung: Vorhandene Sensorknoten und kommerzielle Systeme Datenübertragung und Datenspeicherung mit mobiler Sensorik Übertragungsprotokolle MSHP - die Basisstation zu Hause Notfallmeldungen Alarmmeldung von der MSHP 28

3 x INHALTSVERZEICHNIS Notrufsystem für die tragbare Sensorik Backend-Systeme Kommunikation zwischen MSHP und Backend Konkrete Aufgaben 29 4 Analyse: Messwerte, Sensoren und Datenraten Der Mensch - Messwerte vom menschlichen Körper Vitalparameter Postitions-, Bewegungs- und Aktivitätsdaten Körpernahe Sensorik - Art und Datenraten der Sensoren Accelerometer - ADXL Gyroskop ST L3G4200D Luftdrucksensor BMP085 (inkl. Temperatursensor) Puls und EKG Zusammenfassung: Erwartbare Datenraten Datenraten auf dem Funkkanal Frequenzbänder Übertragungsprotokolle und Standards 37 5 Tragbare Sensorik Terminologie: Messaufiiehmer und Sensoren Beschleunigungssensoren Sensorauswahl Testumgebung Evaluation Sensorauswahl des Accelerometers Weitere Sensoren Gyroskop Luftdrucksensor Weitere Anforderungen Betriebssystem " Prozessor und Hauptspeicher Datenspeicher und SD-Karte Funkinterfäce Energieversorgung Handhabbarkeit Architektur von INGA USB-Schnittstelle Laderegler und Energieüberwachung IEEE Funktransceiver AT86RF231." MSPI-Bus I 2 C-Bus Bootloader Fertigung von INGA Gehäuse und Akku fiir INGA 53

4 INHALTSVERZEICHNIS XI 5.7 Evaluation von INGA Funkreichweite Stromaufnahme UDP-Durchsatz RIME-Durchsatz Speicherdurchsatz Kosten Der Sensorknoten INGA-Zusammenfassung 59 6 Datenübertragung zum Gateway Unterbrechungstolerante Netzwerke Unterstützung mehrerer Anwendungsfalle durch DTNs Kapazität von unterbrechungstoleranten Netzen ;<DTN- Eine Bundle-Protokoll-Implementierung fiir WSNs Evaluation von f/dtn auf INGA Zusammenfassung: Unterbrechungstolerante Netze Sicherheit und Verschlüsselung Verschlüsselungsmethoden Advanced Encryption Standard (AES) auf INGA Verschlüsselung und Authentifizierung in drahtlosen Sensornetzen One-Time-Pads Zusammenfassung: Sicherheit und Verschlüsselung Datenreduktion Ansätze zur Datenreduktion Zustandslose Quellenkodierung Analyse: Aufgenommene Daten aus realer Anwendung Strom- und Spannungsmessimg HufFman-Kodierung der aufgenommenen Daten Deltakodierung Angepasste Deltakodierung mit quellenkodierten Extremwerten Zusammenfassung der Datenieduktion Mobiler Notfallkanal Sturzerkennung auf mobilen Geräten Einschränkungen von Smartphones Vor- und Nachteile des tragbaren Sensorsystems Systemdesign zur Unterstützung mobiler Alarmmeldungen Anbindung des Smartphones Evaluation der Umsetzungen Baseline: Energieverbrauch des Smartphones Messwerte vom Sensorknoten-Sturzerkennung auf Smartphone Messwerte und Sturzerkennung auf Sensorknoten Messwerte und Sturzerkennung auf dem Smartphone Energieverbrauch des erweiterten Sensorknotens Fazit: Sturzerkennung und Notfällkanal io-go" 133

5 XII INHALTSVERZEICHNIS 8 Infrastruktur-Elemente Multi-Services-Home-Platform - MSHP Hard- und Software der MSHP Verteilte Systeme Datensicherheit und Maßnahmen zur Erhöhung der Datensicherheit Backend-Systeme Systemüberwachung Fernwartung und Systemsteuerung Datensicherung und Backup Backup im lokalen Dateisystem Lagerung der Sicherungen Datensicherungskonzept Zusammenfassung: Datensicherung und Backup Datenübertragung zu Backends Virtuelle Private Netzwerke (VPNs) Zusammenfassung: Fernüberwachung, Fernwartung und Backup über VPN ' Implementierung und Evaluation des Systems Fazit Beiträge Ausblick 152 Glossar 153 Literaturverzeichnis 155