基于無(wú)線傳感器的個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)

　　本文著眼于無(wú)線個(gè)域網(wǎng)絡(luò)中用于醫(yī)療監(jiān)控的不同類(lèi)型的傳感器，以及它們的數(shù)據(jù)需求如何映射到可用的不同無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，從 BPAN 到 ZigBee 和藍(lán)牙低功耗。它涵蓋了飛思卡爾心電圖開(kāi)發(fā)套件等產(chǎn)品，以及德州儀器、飛思卡爾和愛(ài)特梅爾的藍(lán)牙和 ZigBee 設(shè)備。

　　個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，尤其是醫(yī)療系統(tǒng)，都是關(guān)于傳感器的。其目的是從身體周?chē)囊幌盗袀鞲衅鞑东@數(shù)據(jù)，并將這些信息傳送到可以存儲(chǔ)、分析并在必要時(shí)迅速采取行動(dòng)的地方。使用電線將傳感器連接到基站限制了該技術(shù)在病房?jī)?nèi)的使用，從而限制了可能挽救生命的系統(tǒng)的更廣泛使用。使用無(wú)線技術(shù)將傳感器連接到基站正在開(kāi)辟監(jiān)測(cè)患者的新方法和系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的新機(jī)遇。

　　據(jù)全球技術(shù)研究公司 ON World 稱(chēng)，這些無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) （WSN） 正在改變消費(fèi)者和醫(yī)療保健組織對(duì)健康的看法。

　　2017 年，全球?qū)⒂?1820 萬(wàn)個(gè)健康和保健 WSN 系統(tǒng)（不包括運(yùn)動(dòng)和健身設(shè)備）出貨，這些系統(tǒng)帶來(lái)的年收入將達(dá)到 163 億美元。云連接服務(wù)將在五年內(nèi)占收入的 53%。

　　屆時(shí)，血糖管理和心臟/心電圖監(jiān)測(cè)等慢性病解決方案將占收入的 60%。然而，在未來(lái)五年內(nèi)，一般健康將增加 1600%，屆時(shí)它將占設(shè)備出貨量的 41%。

　　與傳感器網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的健康云平臺(tái)還為遠(yuǎn)程醫(yī)療、遠(yuǎn)程護(hù)理和家庭服務(wù)提供商提供捆綁機(jī)會(huì)，其中一半以上專(zhuān)注于自我管理、預(yù)防和一般健康。智能手機(jī)和蜂窩創(chuàng)新包括糖尿病管理系統(tǒng)、心電圖 （ECG） 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和 NFC 血壓監(jiān)測(cè)器。越來(lái)越多的藍(lán)牙健康產(chǎn)品與智能手機(jī)一起用于血糖監(jiān)測(cè)和血壓監(jiān)測(cè)。例如， Parallax

　　的 Polar T34 非編碼心率發(fā)射器監(jiān)測(cè)，然后將心率數(shù)據(jù)從胸帶無(wú)線傳輸?shù)?Polar WearLink+ 兼容接收器。這允許佩戴者監(jiān)控他們的心率和相關(guān)的生物統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。如果該發(fā)射器與 Polar WearLink 兼容，則它可以與當(dāng)?shù)氐慕∩矸垮憻捲O(shè)備配對(duì)。

　　它無(wú)需導(dǎo)電凝膠即可無(wú)線傳輸心率數(shù)據(jù)，電池可持續(xù)使用長(zhǎng)達(dá) 2500 小時(shí)。

　　由于這種增長(zhǎng)，出現(xiàn)了兩種新的無(wú)線協(xié)議，將有助于此類(lèi)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。低功耗藍(lán)牙是藍(lán)牙 v4.0 的一部分，它提供快速連接以降低功耗，其優(yōu)勢(shì)在于可以輕松鏈接到現(xiàn)有智能手機(jī)以進(jìn)行存儲(chǔ)和分析以及向前傳輸。這使用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，因此適用于單傳感器系統(tǒng)或傳感器融合系統(tǒng)，例如圖 1 所示的非編碼心率發(fā)射器。對(duì)于身體周?chē)?jīng)常使用的藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)，可能必須考慮加密為了保護(hù)常規(guī)數(shù)據(jù)鏈路不被攔截，無(wú)線設(shè)備現(xiàn)在包括 128 位 AES 加密塊，以輕松保護(hù)傳感器數(shù)據(jù)。

　　ZigBee 是另一種無(wú)線協(xié)議，針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了優(yōu)化，具有低功耗和短而可靠的鏈路，可用于從身體周?chē)膫鞲衅鱾鬏敂?shù)據(jù)。ZigBee 的一個(gè)關(guān)鍵能力是網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)能力。這允許一個(gè)節(jié)點(diǎn)從另一個(gè)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，從而使鏈接顯著縮短。雖然這不適用于高數(shù)據(jù)速率，但它非常適合流式傳輸傳感器數(shù)據(jù)和具有多個(gè)傳感器的醫(yī)療網(wǎng)絡(luò)。例如，心電圖心臟監(jiān)測(cè)器可能在胸部的不同點(diǎn)有多個(gè)場(chǎng)效應(yīng)傳感器，所有傳感器都饋送到一個(gè)中央集線器，該集線器整理數(shù)據(jù)。場(chǎng)效應(yīng)傳感器需要將數(shù)據(jù)可靠地傳輸回集線器以捕獲所有心跳信息，因?yàn)?a target="_blank">信號(hào)的微小變化對(duì)醫(yī)生來(lái)說(shuō)可能很重要。

　　這使得很難使用占空比來(lái)降低鏈路的功耗，因此較短的鏈路距離意味著與傳感器接口的射頻收發(fā)器的功耗可以顯著降低，從而延長(zhǎng)電池壽命。

　　用于醫(yī)療個(gè)人網(wǎng)絡(luò)的 ZigBee 變體 802.15.4j 于 2013 年 2 月獲準(zhǔn)使用一組不同的頻率。在美國(guó)，這是 2.36 GHz 至 2.4 GHz 頻段，略低于 Wi-Fi、傳統(tǒng) ZigBee 和藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)使用的未經(jīng)許可的 2.4 GHz 頻段。這會(huì)修改無(wú)線鏈路的 PHY 和 MAC 層，以將這些較少擁塞和監(jiān)管的頻段用于醫(yī)療無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。由于鏈路不受干擾，它們可以使用更低的功率并更可靠地運(yùn)行，從而再次延長(zhǎng)為傳感器供電的電池的電池壽命，或者允許使用體熱和運(yùn)動(dòng)等能量收集源代替電池。

　　數(shù)字聽(tīng)診器

　　連接醫(yī)療系統(tǒng)的一個(gè)例子是數(shù)字聽(tīng)診器，它結(jié)合了麥克風(fēng)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將患者呼吸的聲音轉(zhuǎn)換成可以通過(guò)無(wú)線鏈路傳輸?shù)臄?shù)字流。聽(tīng)診器模擬前端通常以可選擇的模式提供音頻輸出，這些模式?jīng)Q定了麥克風(fēng)所需的頻率響應(yīng)和 ADC 的范圍。響鈴模式（20 Hz 至 220 Hz）模擬聽(tīng)診器的輕觸以拾取低頻聲音，而隔膜模式（50 Hz 至 600 Hz）模擬更牢固的接觸方法以拾取高頻聲音。擴(kuò)展范圍（20 Hz 至 2000 Hz）當(dāng)然涵蓋了整個(gè)范圍，而不是模擬傳統(tǒng)的聲學(xué)傳感器。

　　數(shù)字聽(tīng)診器前端可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口連接到各種處理器平臺(tái)，例如CC2540，TI 用于藍(lán)牙低功耗 （BLE） 應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)高效、低功耗、真正的片上系統(tǒng) （SoC）。它能夠以非常低的總物料清單成本構(gòu)建強(qiáng)大的 BLE 主節(jié)點(diǎn)或從節(jié)點(diǎn)，從而連接醫(yī)療個(gè)人網(wǎng)絡(luò)中的傳感器。

　　CC2540 使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型 8051 MCU、系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存、8 KB RAM 和極低功耗的睡眠模式，是醫(yī)療網(wǎng)絡(luò)的理想選擇。操作模式之間的短轉(zhuǎn)換時(shí)間進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了低功耗，因此設(shè)備可以快速上電、發(fā)送數(shù)據(jù)并再次斷電，從而最大限度地減少能耗。

　　8051 CPU 內(nèi)核是單周期 8051 兼容內(nèi)核。它具有三種不同的內(nèi)存訪問(wèn)總線（SFR、DATA 和 CODE/XDATA）、一個(gè)調(diào)試接口和一個(gè) 18 輸入擴(kuò)展中斷單元。

　　內(nèi)存仲裁器是系統(tǒng)的核心，因?yàn)樗ㄟ^(guò) SFR 總線將 CPU 和 DMA 控制器與物理內(nèi)存和所有外設(shè)連接起來(lái)，這使得傳感器數(shù)據(jù)可以流式傳輸?shù)?RF 收發(fā)器。內(nèi)存仲裁器有四個(gè)內(nèi)存訪問(wèn)點(diǎn)，訪問(wèn)可以映射到三個(gè)物理內(nèi)存之一：SRAM、閃存和 XREG/SFR 寄存器。它負(fù)責(zé)在對(duì)同一物理內(nèi)存的同時(shí)內(nèi)存訪問(wèn)之間執(zhí)行仲裁和排序。

　　DMA 控制器中的五個(gè)通道提供對(duì)外部傳感器和使用 XDATA 內(nèi)存空間的內(nèi)存的訪問(wèn)；從那里，到所有的物理記憶。每個(gè)通道（觸發(fā)器、優(yōu)先級(jí)、傳輸模式、尋址模式、源和目標(biāo)指針以及傳輸計(jì)數(shù)）都配置有 DMA 描述符，這些描述符可以位于內(nèi)存中的任何位置。許多硬件外設(shè)（AES 內(nèi)核、閃存控制器、USART、定時(shí)器、ADC 接口等）也可以與 DMA 控制器一起使用，通過(guò)在單個(gè) SFR 或 XREG 地址與閃存/SRAM 之間執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸來(lái)實(shí)現(xiàn)高效操作。這簡(jiǎn)化了傳感器通過(guò) USART 或 ADC 與收發(fā)器的連接。

　　中斷控制器總共為 18 個(gè)中斷源提供服務(wù)，分為 6 個(gè)中斷組，每個(gè)中斷組與四個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)之一相關(guān)聯(lián)，這些中斷優(yōu)先級(jí)可以來(lái)自連接到設(shè)備的任何一個(gè)傳感器。即使設(shè)備處于睡眠模式（電源模式 1 和 2），I/O 和睡眠定時(shí)器中斷請(qǐng)求也會(huì)通過(guò)將 CC2540 恢復(fù)到活動(dòng)模式來(lái)處理，從而保持低功耗。

　　數(shù)據(jù)可以通過(guò) ADC 傳送到收發(fā)器，ADC 支持 7 至 12 位分辨率，相應(yīng)的帶寬范圍分別為 30 kHz 至 4 kHz?？梢允褂枚噙_(dá) 8 個(gè)輸入通道（I/O 控制器引腳）進(jìn)行 DC 和音頻轉(zhuǎn)換。輸入可以選擇為單端或差分。參考電壓可以是內(nèi)部、AVDD 或單端或差分外部信號(hào)。ADC 還具有溫度傳感器輸入通道，可用于醫(yī)療監(jiān)控以簡(jiǎn)化無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。ADC 可以自動(dòng)執(zhí)行一系列通道上的周期性采樣或轉(zhuǎn)換過(guò)程，從而使設(shè)計(jì)人員無(wú)需編寫(xiě)代碼。

　　運(yùn)算放大器旨在為 ADC 提供前端緩沖和增益。輸入和輸出都可在引腳上使用，因此反饋網(wǎng)絡(luò)是完全可定制的。斬波穩(wěn)定模式適用于需要高精度和高增益的應(yīng)用。

　　對(duì)醫(yī)療網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密是設(shè)計(jì)人員的關(guān)鍵決定。數(shù)據(jù)鏈路的功率非常低且范圍非常短，因此難以攔截，但確保醫(yī)療數(shù)據(jù)的安全和免受黑客攻擊是任何設(shè)計(jì)的重要元素。ZigBee 在其協(xié)議中包含加密，但藍(lán)牙沒(méi)有，因此必須更多地考慮實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全性。CC2540 中的 AES 加密/解密內(nèi)核允許用戶(hù)使用 128 位密鑰的 AES 算法加密和解密數(shù)據(jù)。

　　飛思卡爾半導(dǎo)體的醫(yī)療心電圖模塊 （MED-EKG） 是一款低成本開(kāi)發(fā)板，允許用戶(hù)快速制作心電圖 （EKG/ECG） 應(yīng)用原型。用戶(hù)可以選擇使用外部模擬組件或使用微控制器的片上模擬模塊或兩者的混合來(lái)開(kāi)發(fā) EKG/ECG 應(yīng)用程序。

　　圖 ：MED-EKG 開(kāi)發(fā)板的框圖。

　　EKG/ECG 軟件演示和分步實(shí)驗(yàn)室指南均在塔式系統(tǒng)中提供，它還允許使用諸如飛思卡爾第三代 ZigBee 平臺(tái)等設(shè)備添加用于設(shè)計(jì)無(wú)線部分的開(kāi)發(fā)板。MC1322x

　　將低功耗 2.4 GHz 射頻收發(fā)器與基于 32 位 ARM7 內(nèi)核的 MCU、IEEE 802.15.4 MAC 和 AES 安全硬件加速以及全套 MCU 外設(shè)集成到 99 引腳 LGA 平臺(tái)中。封裝內(nèi) （PiP）。

　　32 位 ARM7TDMI-S 內(nèi)核的工作頻率高達(dá) 26 MHz，而 128 KB 閃存鏡像到 96 KB RAM，因此可以輕松實(shí)現(xiàn)上層堆棧和應(yīng)用軟件。此外，80 KB ROM 可用于引導(dǎo)軟件、標(biāo)準(zhǔn)化 IEEE 802.15.4 MAC 和通信堆棧軟件。全套外設(shè)和直接內(nèi)存訪問(wèn) （DMA） 引擎支持傳感器與收發(fā)器的集成。除晶體和天線外，所有組件都集成在封裝中，使設(shè)備盡可能小而輕。

　　飛思卡爾有兩個(gè)獨(dú)立的代碼庫(kù)來(lái)支持兩個(gè) ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，但醫(yī)療傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的關(guān)鍵是 BeeStack，因?yàn)樗С?ZigBee-2007 和 ZigBee Pro 擴(kuò)展，并將支持 802.15.4j-2013 修正案。

　　BeeStack 架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了 ZigBee-2007 協(xié)議棧，包括 Stack Profile 1 和 Stack Profile 2 （Pro）。PHY、MAC 和網(wǎng)絡(luò) （NWK） 層為應(yīng)用程序 （APL） 層奠定了基礎(chǔ)，但 BeeStack 定義了額外的服務(wù)來(lái)改進(jìn)協(xié)議棧各層之間的通信。關(guān)鍵是與 IEEE 802.15.4 兼容的 MAC/PHY 層不是 ZigBee 本身的一部分。NWK 層定義路由、網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建和配置以及設(shè)備同步，而應(yīng)用程序框架 （AF） 支持定義 ZigBee 功能的服務(wù)。ZigBee 聯(lián)盟還定義了針對(duì)特定市場(chǎng)的配置文件，并且有針對(duì)醫(yī)療保健應(yīng)用的配置文件。

　　Atmel 同樣有一個(gè)低功耗 2.4 GHz 無(wú)線電收發(fā)器，專(zhuān)為使用 ZigBee IEEE 802.15.4 協(xié)議的醫(yī)療傳感器而設(shè)計(jì)。AT86RF231可以使用外部微控制器與收發(fā)器連接，除了天線、晶體和去耦電容器外，所有射頻關(guān)鍵組件都集成在芯片上。這使得 AT86RF231 特別適用于小型低功耗 MBAN 網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)簡(jiǎn)化了傳感器與外部微控制器的連接。

　　這些可以使用主 SPI 接口直接鏈接到 AT86RF231。SPI 用于寄存器、幀緩沖器、SRAM 和 AES 訪問(wèn)。附加控制信號(hào)連接到微控制器的 GPIO/IRQ 接口。引腳 17 （CLKM） 可用作微控制器主時(shí)鐘源。如果微控制器直接從 CLKM 獲得 SPI 主時(shí)鐘 （SCLK），則 SPI 以同步模式運(yùn)行，否則以異步模式運(yùn)行。

　　圖 ：通過(guò) SPI 將 Atmel AT86RF321 ZigBee 收發(fā)器連接到微控制器。

　　在同步模式下，最大 SCLK 頻率為 8 MHz。在異步模式下，最大 SCLK 頻率限制為 7.5 MHz。引腳 CLKM 上的信號(hào)不需要導(dǎo)出 SCLK，可以禁用以降低功耗和雜散發(fā)射。

　　結(jié)論

　　新的超低功耗協(xié)議將為使用傳感器的醫(yī)療個(gè)人網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)更長(zhǎng)的電池壽命和更大的靈活性。將傳感器與單芯片收發(fā)器集成提供了一種經(jīng)濟(jì)高效的方式，可提供此類(lèi)應(yīng)用所需的小尺寸和更長(zhǎng)的電池壽命，并且為不同的應(yīng)用領(lǐng)域和用例選擇藍(lán)牙或 ZigBee 為工程師提供了相當(dāng)大的靈活性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)。