Design and Implementation of a Tree Fractal Biosensor Antenna System for Wireless Remote Patient Monitoring

Abstract

Ця робота представляє інноваційну інтеграцію модуля NRF24L01+ із фрактальною антеною у формі дерева, спеціально розробленою для покращеного бездротового біомедичного зв’язку в діапазоні 2,5 ГГц. Запропонована конструкція забезпечує збільшену дальність та високу чутливість завдяки оптимізованій геометрії антени та стратегічному розміщенню, підтвердженому тестуванням за допомогою mini VNA. Відмінною особливістю цієї системи є подвійна функціональність антени: вона виконує роль як комунікаційного пристрою, так і біосенсора, демонструючи чутливість 0,1037 ГГц/RIU для виявлення захворювань та моніторингу стану пацієнта. Використання фрактальної геометрії дозволяє антені працювати в мультидіапазонному режимі, зберігаючи компактні розміри, що робить її ідеальною для носимих медичних пристроїв. При інтеграції з Arduino-орієнтованою системою розробка забезпечує збір та передавання фізіологічних даних у реальному часі з високою надійністю, що підтримується спеціальним програмним забезпеченням для обробки та візуалізації даних. Модуль NRF24L01+, оснащений зовнішньою антеною SMA та регульованою потужністю передавання до + 20 дБм, забезпечує виняткову чутливість – 92 дБм і підтримує дальність зв’язку до 800 м за оптимальних умов. Повна система працює з мінімальним енергоспоживанням, одночасно забезпечуючи безпеку передавання даних, що робить її особливо цінною для безперервного дистанційного моніторингу пацієнтів, зокрема у карантинних умовах. Експериментальні результати показують високу відповідність між моделюванням і виміряними параметрами, а виготовлена антена досягла коефіцієнта зворотних втрат – 50,08 дБ на частоті 2,5 ГГц, що підтверджує її ефективність для біомедичних застосувань. Ця інтеграція є значним кроком уперед у розвитку бездротових біосенсорних технологій, пропонуючи практичне рішення для систем телеметрії наступного покоління, що відповідає зростаючому попиту на надійні дистанційні системи моніторингу здоров'я.

This work presents an innovative integration of an NRF24L01+ module with a tree fractal antenna, specifically engineered for enhanced wireless biomedical communication in the 2.5 GHz band. The proposed design achieves superior range and sensitivity through optimized antenna geometry and strategic placement, validated using mini VNA testing. A distinguishing feature is the dual functionality of the antenna as both a communication device and a biosensor, demonstrating a sensitivity of 0.1037 GHz/RIU for disease detection and patient monitoring. The design incorporates fractal geometry principles to achieve multiband capabilities while maintaining a compact form factor, making it ideal for wearable medical applications. When integrated with an Arduino-based system, the setup enables real-time physiological data acquisition and transmission with high reliability, supported by custom software for data processing and visualization. The NRF24L01+ module, featuring an external SMA antenna and adjustable transmission power up to + 20 dBm, achieves a remarkable sensitivity of – 92 dBm and supports long-range communication up to 800 m under optimal conditions. The complete system operates with minimal power consumption while maintaining data security, making it particularly valuable for continuous remote patient monitoring in quarantine scenarios. Experimental results show excellent agreement between simulated and measured performance, with the fabricated antenna achieving a return loss of – 50.08 dB at 2.5 GHz, demonstrating its efficiency for biomedical applications. This integration marks a significant advancement in wireless biosensor technology, offering a practical solution for next-generation medical telemetry applications while addressing the growing demand for reliable remote health monitoring systems.