Sistema inalámbrico de bajo coste para asistencia a personas con discapacidad visual

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Sistema inalámbrico de bajo coste para asistencia a
personas con discapacidad visual
R. Zangroniz, R. Barrilero, J. Blanco, J.I. San José y J.M. Pastor
Grupo AutoLog - Escuela Politécnica de Cuenca (autolog.uclm.es)
Universidad de Castilla-La Mancha, Campus Universitario, 16071 Cuenca.
{Roberto.Zangroniz, Ruben.Barrilero, Jesus.Blanco, JoseIvan.SanJose, JoseManuel.Pastor}@uclm.es
Resumen—La tecnología asistencial permite a las personas con
discapacidad visual obtener independencia en la realización de
sus tareas cotidianas mejorando, de esta forma, su calidad de
vida. En este artículo se presenta un sistema basado en redes
inalámbricas de sensores, que ofrece una solución de bajo coste a
este colectivo, para referenciar objetos y elementos urbanos de
interés mediante avisos acústicos.
Palabras clave: sistema asistencial, discapacidad visual, redes
de sensores inalámbricas, IEEE 802.15.4, ZigBee, bajo coste.
I. INTRODUCCIÓN
Según la Organización Mundial de la Salud (OMS) en el
mundo hay, aproximadamente, 284 millones de personas con
discapacidad visual, de los cuales 39 millones son ciegos y 245
millones poseen visión limitada [1].
Las personas con discapacidad visual se desenvuelven en el
entorno que les rodea memorizando referencias y usando el
sentido del tacto para diferenciar objetos en su vida cotidiana
[2]. El sentido del oído supone un complemento indiscutible en
todas estas tareas; un sistema de asistencia mediante sonidos o
voz permitiría a una persona con discapacidad visual percibir
su movimiento y estimar la distancia y posición de ciertos
objetos.
Si bien se han realizado numerosas propuestas en este
sentido [3-4], generalmente están encaminadas a proveer a la
persona con discapacidad visual de un sistema de guiado
absoluto, haciendo uso de sistemas de información geográfica
(GIS) o relativo, mediante la incorporación de hitos
estratégicamente colocados que permiten indicar el paso por un
punto determinado de una ruta y que se nutren de diversas
tecnologías como son los sensores infrarrojos o las etiquetas
pasivas UHF (Ultra High Frequency) para lectores RFID. El
elevado coste de estas soluciones ha supuesto un obstáculo en
su adopción por parte de este colectivo. Además, estos sistemas
no están orientados a proveer un canal de retorno, por lo que
desaprovechan la posibilidad de que el usuario con
discapacidad visual disponga de una herramienta útil para
acceder e interactuar con el entorno más inmediato sin recurrir
a los métodos habituales, algunos de ellos de difícil ejecución
para estas personas.
En el ámbito de las ciudades inteligentes (smart cities)
donde se están realizando numerosos progresos gracias al uso,
entre otras tecnologías, de redes de sensores inalámbricas [5-6],
un sistema de asistencia como el propuesto podría integrarse
como un servicio más, dentro de los ya ofrecidos, sin una
modificación o adaptación importante de las infraestructuras ya
existentes, siendo uno de los méritos de estas redes el uso de
estándares y especificaciones que permiten la interoperabilidad
de productos de diversos fabricantes.
II. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA
Es necesario justificar la elección del protocolo elegido
para la implementación de la red de sensores inalámbrica,
destacando sus principales características, sobre las que se
fundamenta el funcionamiento del sistema propuesto.
A. Especificación ZigBee
La TABLA I muestra una comparativa de los principales
protocolos inalámbricos. Además de lo que se infiere del
análisis de la misma, cabe destacar las siguientes características
del protocolo ZigBee [9] desde el punto de vista del sistema
propuesto:
• Uso de bandas de frecuencia que no requieren licencia
de operación: 2.4 GHz o alguna de las banda
regionales por debajo del GHz.
• Diseñado especialmente para la implementación de
aplicaciones de sensores, monitorización y control.
• Baja complejidad (bajo requerimiento de memoria).
• Bajo consumo (dispositivos alimentados por batería).
• Redes en malla (característica que no se encuentra en
la mayoría de los estándares para redes inalámbricas):
o Auto creación.
o Auto reorganización.
o Protocolo de rutado multisalto (AODV).
Por todo ello, el protocolo ZigBee destaca como la opción
más razonable para implementar un sistema de asistencia
basado en redes ad hoc, bajo demanda y de bajo consumo
como el propuesto. Sin olvidar que se trata de un estándar en
constante desarrollo, que cuenta con un amplio respaldo de la
industria de los semiconductores y que está siendo adoptado en
futuras estandarizaciones sobre redes de sensores [7].

TABLA I. COMPARATIVA DE PROTOCOLOS INALÁMBRICOS
Protocolo inalámbrico
Bluetooth
UWB
Wi-Fi
ZigBee
Organización
Bluetooth
SIG
UWB
Forum y
WiMedia
Alliance
Wi-Fi
Alliance
ZigBee
Alliance
Estándar
IEEE
802.15.1
IEEE
802.15.3 a
IEEE
802.11
a/b/g/n
IEEE
802.15.4
Topología
Estrella
Estrella
Según el
medio
Todas
Rango
10 m
4-20 m
10-100 m
10-300 m
Velocidad
723 kbps
110 Mbps-
1.6 Gbps
10-105
Mbps
250 kbps
Consumo
Bajo
Bajo
Alto
Muy bajo
Nodos (máx.)
8
128
32
65 000
B. Visión general del sistema
El sistema propuesto permite notificar a personas con
cualquier grado de discapacidad visual, mediante una
codificación de avisos acústicos, la cercanía a elementos
urbanos que puedan resultar útiles como referencia o que de
otro modo pasarían desapercibidos. La arquitectura del sistema
se compone de dos elementos claramente diferenciados: nodos
fijos y móviles.
Los nodos fijos o FFD, usando la nomenclatura IEEE
802.15.4, son dispositivos con capacidad de interconectar
nodos y gestionar el tráfico de la red o ZR (Zigbee Router).
Conforman la infraestructura de red y requieren de una fuente
de alimentación permanente. Permitirían expandir una red
previamente establecida añadiendo redundancia a la
arquitectura de dicha red o establecer una nueva red en el
supuesto de no existir una previa, en cuyo caso uno de estos
nodos debería adoptar el rol de ZC (ZigBee Coordinator),
adquiriendo la capacidad de formar la red. Estos dispositivos
estarían ubicados sobre o en las inmediaciones de los objetos
urbanos de referencia.
Los nodos móviles o RFD, en la nomenclatura IEEE
802.15.4, son los dispositivos finales o ZED (ZigBee End
Devices). Estos dispositivos los portaría la persona con
discapacidad visual, constituyendo el sistema de asistencia
propiamente dicho, obteniendo la información necesaria de la
red inalámbrica formada por los nodos fijos, y dispondrán de
algún tipo de hardware de audio. La naturaleza portable de
estos dispositivos obliga a la utilización de baterías y a prestar
una especial atención al consumo para prolongar su autonomía.
La interacción entre estos dos elementos se realiza sobre el
protocolo ZigBee, usando el indicador de calidad de enlace
(LQI) o el indicador de intensidad de la señal recibida (RSSI)
de su capa de red, para estimar la distancia entre dos nodos en
la red inalámbrica. De esta forma el sistema será capaz de
notificar a la persona con discapacidad visual cada vez que se
encuentre en la proximidad del objeto referenciado.
Es interesante resaltar que el bajo coste del sistema
propuesto se basa, en gran medida, en no pretender la
localización precisa mediante la red de la persona con
discapacidad visual, lo que conllevaría mayores costes en los
nodos (algoritmos computacionalmente intensivos) y en el
despliegue y configuración de la red (medida a priori del efecto
del entorno en cuanto a la señal recibida y/o transmitida), entre
otras razones. No obstante, siempre es posible la localización
de la persona con discapacidad visual en el entorno del último
objeto referenciado.
III. HARDWARE
El funcionamiento del sistema propuesto se asienta en dos
tipos diferentes de dispositivos hardware, los componentes que
constituyan su diseño determinarán el desempeño y las
capacidades del sistema final.
A. Dispositivo fijo
La Fig. 1 muestra el diagrama de bloques general del
dispositivo fijo.
Figura 1. Diagrama de bloques del dispositivo fijo.
La etapa de alimentación es la encargada de adaptar la
fuente de alimentación disponible en la ubicación del
dispositivo a las necesidades, en cuanto a voltaje (3.3 V) e
intensidad (<500 mA), del resto de la electrónica. Para ello se
ha elegido un regulador lineal de tipo LDO (Low Drop-Out)
dado que a pesar de su reducida eficiencia en la conversión
inyecta poco ruido en la señal de alimentación, siendo la
estabilidad de la alimentación un factor clave en el rendimiento
de la etapa de RF. El diseño de esta etapa se ha completado con
la inclusión de circuitos de protección: supresor de tensión y
limitador de corriente.
Para la etapa de RF, con la intención de simplificar su
diseño, se ha elegido un módulo [8] que integra un
microcontrolador junto con un transceptor de RF compatible
con el estándar IEEE 802.15.4 en la banda de 2.4 GHz y un
LNA (Low Noise Amplifier) y PA (Power Amplifier) para
disponer de un amplio rango de cobertura (más de 1 km con
línea de visión directa). Los principales factores que han
condicionado la elección de este módulo han sido:
• Elevada sensibilidad de recepción (-104 dBm).
• Gran potencia de la señal a través del enlace, link
budget (hasta 124 dB).

• Hasta 20 dBm de potencia de salida.
• Bajo consumo:
o < 6 µA en modo de suspensión.
o 23 mA en modo de recepción.
o 50 mA en modo de transmisión.
• Suficientes recursos en cuanto a memoria (flash, RAM
y EEPROM).
• Amplia gama de interfaces, tanto analógicos como
digitales.
Otra de las ventajas del módulo elegido, además de la
existencia de un completo conjunto de herramientas de
desarrollo, es que el fabricante ofrece una implementación de
la pila Zigbee PRO que simplifica el diseño del firmware y
facilita, si fuese necesaria, la interoperación con dispositivos
Zigbee de otros fabricantes.
Se ha dotado al dispositivo con la capacidad de poder
actualizar su firmware de manera inalámbrica, con la intención
de simplificar las tareas de mantenimiento una vez desplegada
la red, para ello, ha sido necesario incluir un medio de
almacenamiento externo en la forma de memoria flash que
guarde la nueva imagen del firmware hasta que se decida
sustituirla por la actual.
Por último, se ha incluido un sensor de temperatura digital
para poder evaluar el desempeño de la red de sensores
inalámbrica.
La Fig. 2 muestra el aspecto del prototipo desarrollado para
el dispositivo fijo.
Figura 2. Prototipo del dispositivo fijo.
B. Dispositivo móvil
La Fig. 3 muestra el diagrama de bloques general del
dispositivo móvil.
La fuente de alimentación del dispositivo es una batería no
recargable de litio de tipo botón (3.0 V), sustituible una vez
agotada su vida útil. La etapa de alimentación en este caso se
compone, por un lado, de un circuito de protección contra la
instalación incorrecta de la batería, mediante un diseño que
introduce una caída de voltaje mínima (<10 mV), y por otro
lado, de una capacidad de reserva encargada de suministrar la
energía necesaria durante la transmisión y/o recepción de las
señales de RF evitando la extenuación de la batería y la
consiguiente disminución de su capacidad nominal. También se
ha incluido un pequeño circuito de adaptación para medir el
nivel de tensión de la batería que únicamente se activa durante
el tiempo de medida.
Figura 3. Diagrama de bloques del dispositivo móvil.
Para la etapa de RF se ha elegido un módulo [8] con unas
características similares del dispositivo fijo, que integra
idénticos elementos a excepción del LNA y PA por razones de
consumo y dado que en este caso no es necesario maximizar el
rango de cobertura. A modo de comparación con el módulo
elegido para el dispositivo fijo, los principales factores que han
condicionado la elección de este módulo han sido:
• Elevada sensibilidad de recepción (-101 dBm).
• Gran potencia de la señal a través del enlace, link
budget (hasta 104 dB).
• Hasta 3 dBm de potencia de salida.
• Bajo consumo:
o < 6 µA en modo de suspensión.
o 19 mA en modo de recepción.
o 18 mA en modo de transmisión.
• Suficientes recursos en cuanto a memoria (flash, RAM
y EEPROM).
• Amplia gama de interfaces, tanto analógicos como
digitales.
De igual modo, este módulo ofrece idénticas ventajas que
en el caso del dispositivo fijo: un completo conjunto de
herramientas de desarrollo y una implementación de la pila
ZigBee PRO que el fabricante pone a disposición de los
desarrolladores.
Como hardware de audio se ha optado, inicialmente, por
una solución sencilla, tanto en diseño como en consumo o
peso, en la forma de un resonador piezoeléctrico. Este tipo de
elementos posee la capacidad de generar sonidos en diferentes

frecuencias audibles cuando son estimulados de forma
conveniente.
Por último, se ha integrado un acelerómetro para detectar el
movimiento del portador del dispositivo, lo que permitiría
adaptar los intervalos de conexión con los dispositivos fijos con
la intención de reducir el consumo.
La Fig. 4 muestra el aspecto del prototipo desarrollado para
el dispositivo móvil.
Figura 4. Prototipo del dispositivo móvil.
IV. ESCENARIOS DE APLICACIÓN
El sistema de asistencia inalámbrico propuesto se basa en
un sistema de alertas sonoras que permiten a cualquier
discapacitado visual detectar la presencia de objetos urbanos.
Además, el nodo móvil cuenta con un canal de realimentación
basado en la pulsación de un único botón, cuya información
transmitida adopta un significado distinto en función del
elemento fijo al cual está conectado en cada momento.
Observando la simplicidad y versatilidad del sistema, es
posible la incorporación del mismo en multitud de elementos
urbanos, sin necesidad de modificaciones en el hardware
anteriormente descrito.
A continuación, se presentan dos aplicaciones basadas en el
sistema de asistencia inalámbrico: pasos peatonales y
transporte urbano.
A. Pasos peatonales
Una de las situaciones de mayor riesgo a las que se
enfrentan generalmente los peatones se produce al cruzar la
calzada, generalmente por que no se respetan los lugares (pasos
de cebra) y la señalización (semáforos) habilitados para tal fin.
Esta señalización, como ocurre en la mayoría de las ocasiones,
es de carácter visual, lo que dificulta su utilización por parte de
las personas con algún tipo de discapacidad visual, generando
una situación de riesgo.
Las personas con discapacidad visual suelen memorizar la
ubicación de los pasos peatonales en base a la percepción de su
propia posición y en relación con el contexto que los rodea.
Una vez en el paso peatonal necesita conocer la existencia o no
de un semáforo en el mismo y el estado de éste, incluso en el
caso de los semáforos que regulan zonas con poco tránsito
peatonal, si éstos tienen un pulsador asociado y si éste ya ha
sido pulsado por algún otro peatón.
El escenario que se propone contaría con los siguientes
elementos:
• Nodo de paso peatonal: se trata de un nodo fijo
que permite identificar la presencia de un paso de
cebra, así como indicar si existe semáforo y el
estado de éste o si dispone de un pulsador
asociado.
• Nodo de usuario: es el nodo móvil que porta el
discapacitado visual, posee el sistema de avisos
acústicos.
El funcionamiento se ha dividido en dos pasos como se
muestra en la Fig. 5.
Figura 5. Aplicación para pasos peatonales.
1) Aproximación al paso peatonal: cuando una persona
que porta el nodo de usuario es detectada por el nodo de paso
peatonal, éste le envía un primer aviso, que es transformado en
el nodo de usuario en un determinado aviso acústico que
indica la cercanía de un paso de cebra y si éste posee un
semáforo y en caso afirmativo su estado o si dispone de un
pulsador asociado.
2) Solicitud de cruce de calzada: si la persona con
discapacidad visual quiere cruzar la calzada pulsará un botón,
el paso de peatones le indicará cuando el semáforo se torne
verde o en caso de tener pulsador asociado, la pulsación del
botón lo accionará indicándole el paso de peatones cuando el
semáforo cambie a verde.
B. Transporte urbano
Una persona con deficiencias visuales, por lo general,
carece de la posibilidad de conducir un vehículo, por ello
depende en gran medida de conductores conocidos o del
transporte urbano para la realización de trayectos largos, en lo
referente a este último caso, el transporte urbano no suele estar
diseñado para atender las dificultades de este colectivo.
En primer lugar y como se ha indicado con anterioridad, la
existencia de una parada de autobús o tranvía solamente puede
ser percibida por el viandante con deficiencias visuales en caso
de tener memorizada su ubicación y el contexto que la rodea.
Una vez que el usuario encuentra la parada, la siguiente

dificultad que se le presenta es ser capaz de advertir la llegada
del transporte (situación que puede ser complicada en vías con
mucho tráfico pesado) y si se trata de la línea que desea tomar.
Incluso dentro del transporte pueden continuar las
complicaciones: no todos están dotados de un sistema de
megafonía, por lo que la presencia de las paradas ha de ser
advertida visualmente para indicar al conductor la intención de
abandonar el vehículo.
El escenario que se propone contaría con los siguientes
elementos:
• Nodo de marquesina: se trata de un nodo fijo que
permite identificar la presencia de una parada de
transporte urbano, así como indicar las líneas que
tienen parada dentro de su itinerario.
• Nodo de vehículo: es un nodo móvil, es decir, no
pertenece a la infraestructura de red, ubicado en el
vehículo y que le indica a la marquesina de qué
línea se trata.
• Nodo de usuario: es el nodo móvil que porta el
discapacitado visual y posee el sistema de avisos
acústicos.
El funcionamiento puede dividirse en varios pasos para una
mejor comprensión, como se observa en la Fig. 6.
Figura 6. Aplicación para transporte urbano.
1) Aproximación a la marquesina: cuando una persona
que porta el nodo de usuario es detectada por el nodo de
marquesina, éste le envía un primer aviso, que es transformado
en el nodo de usuario en un aviso acústico determinado que
indica la presencia de la marquesina. A continuación, la
marquesina transmitirá la información de las líneas que tienen
parada en ella, espaciadas temporalmente unas de otras y que
serán descodificadas acústicamente en el nodo usuario.
2) Solicitud de parada: si el usuario está interesado en
tomar una de las líneas que le indica la marquesina, solo
tendrá que pulsar un botón tras el sonido correspondiente a la
línea en cuestión, esta información es transmitida a la
marquesina.
3) Aproximación de un vehículo: cualquier vehículo que
se aproxime a la marquesina informa de su número de línea.
4) Indicación de parada: Una vez que el vehículo de la
línea requerida es detectado por la marquesina, esta envía la
solicitud de parada, que es notificada al conductor, en este
punto, además, el usuario que espera en la marquesina es
avisado de la llegada del transporte.
La información de proximidad a las marquesinas también
es válida dentro del vehículo, por lo que la persona con
deficiencia visual que se haya en el interior, puede utilizarla
como referencia para requerir la parada.
V. CONCLUSIONES
El entorno que nos rodea está repleto de referencias
visuales, por lo que las personas con algún grado de
discapacidad visual se ven obligadas a memorizar referencias
para poder desenvolverse en él.
Se ha descrito un sistema para asistencia a personas con
discapacidad visual basado en una red de sensores inalámbrica
ZigBee, constituida por dos tipos de dispositivos: unos fijos
que situados en los diferentes elementos urbanos a referenciar
conforman la infraestructura de la red y otros móviles con
capacidades acústicas portados por las personas con
discapacidad visual.
La implementación del sistema no se basa en la
localización precisa de los nodos móviles sino en la estimación
de su proximidad a los nodos fijos, esto se consigue mediante
el uso de los indicadores LQI o RSSI proporcionados por la
capa de red del protocolo. Por otro lado, la utilización de un
protocolo inalámbrico permite una comunicación más compleja
entre los diferentes nodos de la red, posibilitando a las personas
con discapacidad visual poder interactuar de forma automática
con los elementos del entorno.
También, se ha mostrado una implementación física del
prototipo de dos dispositivos, cada uno de ellos diseñado para
asumir uno de los roles anteriormente descritos, así como su
utilización en un par de ejemplos de escenarios de aplicación,
que resultaría sencillo extrapolar a otro tipo de situaciones.
La solución propuesta es novedosa en cuanto a la sencillez
del hardware, a que integra tecnologías que permiten
minimizar el coste de implantación y de mantenimiento y que
es considerablemente versátil en numerosas situaciones
cotidianas para la asistencia a personas con discapacidad
visual.
El desarrollo futuro se centra en construir un número
suficiente de dispositivos para realizar un análisis exhaustivo
del desempeño de la red y en dotar a los dispositivos de
diferentes sensores y actuadores que permitan aumentar el
rango de aplicación del sistema: se podría añadir a algunos
dispositivos fijos sensores fotoeléctricos para detectar
movimiento y/o la dirección del mismo o dotar a los
dispositivos móviles de un hardware de audio más complejo
capaz, por ejemplo, de convertir texto en voz (TTS).
AGRADECIMIENTOS
Al Ministerio de Economía y Competitividad por el
proyecto referencia IPT-420000-2010-017. A la Viceconsejería
de Ciencia y Tecnología de la Junta de Comunidades de
Castilla-La Mancha por la financiación del proyecto de
referencia PII1I09-0134-5683.

REFERENCIAS
[1] Organización Mundial de la Salud. “Cegera y discapacidad visual”. Nota
descriptiva Nº 282, Abril 2011,
http://www.who.int/mediacentre/factsheets/fs282/es/index.html
(Accedido el 20 de septiembre de 2011).
[2] P.A. Quinones, T. Greene, R. Yang, and M. Newman. “Supporting
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2011 annual conference extended abstracts on Human factors in
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[3] P. Mehta, P. Kant, P. Shah, and A.K. Roy. “VI-Navi: a novel indoor
navigation system for visually impaired people”. Proceedings of the
12th International Conference on Computer Systems and Technologies,
ACM, New York, NY, USA, 365-371.
[4] K. Yelamarthi, D. Haas, D. Nielsen and S. Mothersell. “RFID and GPS
Integrated Navigation System for the Visually Impaired”. IEEE
International Midwest Symposium on Circuits and Systems, August
2010.
[5] Ciudad metropolitana de Busan, “Descripción del desarrollo del
proyecto de ciudad ubicua (U-City)”.
http://english.busan.go.kr/02_government/09_04.jsp (Accedido el 20 de
septiembre de 2011).
[6] D.H. Shin. “Ubiquitous city: Urban technologies, urban infrastructure
and urban informatics”. J. Inf. Sci. 35, 5 (October 2009), 515-526.
[7] Unión Internacional de Telecomunicaciones. “ITU-T Technology Watch
Briefing Report Series”, Nº. 4, Febrero 2008,
http://www.itu.int/dms_pub/itu-t/oth/23/01/T23010000040001PDFE.pdf
(Accedido el 20 de septiembre de 2011).
[8] Atmel Corporation. “MCU Wireless Product Portfolio”.
http://www.atmel.com/products/zigbee/default.asp?source=cms&categor
y_id=171&family_id=676&source=global_nav (Accedido el 20 de
septiembre de 2011).
[9] ZigBee Alliance. “ZigBee Specification”. Documento 053474r17,
October 19, 2007.