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浅析基于低功耗蓝牙技术的新型便携医疗设备设计方案

作者:时间:2018-09-10来源:网络收藏

功耗问题是当前便携式医疗设备所面临的最棘手的问题之一。蓝牙技术有望解决这一问题。

本文引用地址:article/201809/388755.htm

无线技术一直在取代电线电缆,并通过非卧床病人监测器大大提高了病人的可活动性。目前,便携式病人监测器、输液泵、手术脚踏开关以及其它很多医疗设备都有使用无线技术来保持与监测和信息系统的连接。

目前所面临的难题之一就是功耗问题。无线连接的功耗要求限制了架构和应用。

图1 蓝牙芯片组现有两种版本

感谢蓝牙4.0版规范中推出了蓝牙技术,从而有望解决功耗难题。正在逐步深入设计人员和消费者之中。Microsoft和Apple最近都宣布支持这项新技术,这意味着这项技术将在标准计算和通信平台中被广泛使用。截止当前,无线医疗应用一直依赖定制零部件和平台实现低功耗,现在终于到了部署真正的低功耗无线医疗应用的时候了。

蓝牙低功耗技术与其它无线技术有所不同,因为它将一项从最一开始就针对超低功率电池而设计的标准化技术和基于传感器数据采集的新架构结合在了一起。蓝牙低功耗技术还将被集成到大多数便携设备中。

蓝牙特别兴趣小组(SIG)工作组已经推出了针对医疗护理、健身和医疗设备使用的配置文档,并且还在着手推出应用于其它领域的配置文档。尽管这些蓝牙设备不能直接兼容IEEE 11073,但SIG正在起草一份白皮书,将详细地介绍如何进行数据转化和兼容映像,以便让采用IEEE 11073标准的系统也能使用蓝牙数据。

据蓝牙SIG预测,蓝牙低功耗技术在未来短短几年内将被用于10亿多产品中,应用领域包括:

手机配件 >100亿

智能能源(计数和显示)约10亿

家居自动化 > 10亿

医疗、保健、运动健身 >100亿

辅助起居 >500亿

动物标记 约10亿

P2P智能运输系统>10亿

I工业自动化/M2M>100亿

独特之处

蓝牙低功耗技术是蓝牙核心规范4.0(Bluetooth v4.0)的核心。蓝牙低功耗技术延续了传统的很多技术特性,能提供成熟稳定、可靠的连接。蓝牙低功耗技术的新特性支持事件驱动数据采集、接近感应和时间同步。但是在很多方面,蓝牙低功耗技术是一项新的无线技术。蓝牙4.0的根本不同之处在于它被设计用于传送小批量的数据,而不是像传统一样提供间歇性的数据流连接。例如,传统蓝牙技术支持耳机和音频数据流,而蓝牙低功耗技术模式没有这个功能。蓝牙低功耗技术的特色之处在于面向小型设备的有效发现和连接设置、短数据包和不对称设计。

图2 蓝牙低功耗技术用40通道取代了传统蓝牙技术的79通道

可实现的最低功耗。从物理设计到使用模式,一切都是围绕保持最小功耗而设计。为了降低功耗,蓝牙低功耗设备大多数时间都处在睡眠模式。当有事件发生的时候,设备会被唤醒,并会有一条短信息被发送至网关、PC或智能机。最大/峰值功耗小于15mA,平均功耗约为1μA。有源功耗被降低至传统蓝牙技术功耗的10分之一。在低占空比应用中,一块纽扣CR2032电池可以用上5-10年。

成本有效和兼容。为了让小电池供电装置与传统蓝牙技术兼容和实现成本有效,有两类芯片组:

包括蓝牙低功耗和传统蓝牙功能的双模式技术

优化用于小电池供电装置的单一蓝牙低功耗技术,主要为了实现低成本和低功耗

图3.解释了有3路802.11b/g (无线LAN)通道情况下的AFH(自适应跳频)操作。3路广播信道以及37路数据通道中的9路数据通间隔分布在那些被无线LAN使用的通道之间。

成熟稳定、安全性和可靠性。同传统蓝牙技术一样,蓝牙低功耗技术也使用自适应跳频(AFH)技术,以便在家庭、工业及医疗应用中嘈杂的RF环境下实现稳定的传输。为了将成本和功耗最小化,蓝牙低功耗技术将传统蓝牙技术所采用的79个带宽1MHz的通道缩减成了带宽2MHz的40路通道。

无线共存

蓝牙技术、无线LAN、IEEE 802.15.4/ZigBee和很多专有无线技术都使用无需颁发许可证的2.4GHz工业、科学和医疗(ISM)频段。这么多技术在一个相同的无线空间内使用相同的无线频段,干扰的存在会降低无线性能(延迟和吞吐量),因为需要进行纠错和重新传送。在要求很高的应用中,可以通过频率规划和特殊的天线解决方案来降低干扰。传统蓝牙技术和低功耗蓝牙技术都采用了AFH,这使得蓝牙传输稳定而可靠。AFH还使得蓝牙技术对其它无线ISM波段射频技术的干扰也最小化。

图4.发送广播信息的设备会周期性地送出信息,并且在建立连接之后总是做为从装置。扫描仪随时准备接受广播信息和连接请求,并在建立连接之后总是做为主装置。

连接范围

相比传统蓝牙技术,低功耗蓝牙技术的调制方法略有不同。调制方式的差异使得低功耗蓝牙技术通过借助一个10dB的无线芯片组能支持高达300米的连接范围(此时功耗最大)。

使用和集成简单化

低功耗蓝牙解决方案通常基于主/从机制。将一个主装置与多个从装置相连接。一个装置可以是主装置或是从装置,但它不能即是主装置又是从装置。低功耗蓝牙技术没有分散网拓扑。从装置的允许通信频率由主装置控制,只有在主装置要求的情况下,从装置才会与之通信。

低功耗蓝牙技术的一个新特性就是“广播”功能(图4)。从装置可以通过这一途径来宣布它有信息要传送给主装置。一条广播信息可以包含某个事件或某个测量值。广播功能可以被用来实现一个跌倒检测器,检测器可以广播它的救助信息,并在此同时将跌倒者的位置发送出去---这一切都无线实现。

软件架构

低功耗蓝牙技术中的所有参数的状态都可以通过属性协议进行访问。所有属性由描述信号值、报告格式、客户配置等的特性来进行表述。例如,电池可能有以下特性:

Level: 0–100%

电池量 0-100%

状态:未被使用、充电中、充电完成、放电、需要马上更换电池、马上充电

在通用属性配置文件(GATT)服务组中,特性和声明被放在一起,用于确定所有设备已有的标准特性集合。在通用访问配置文件(GAP)连接中,对发现能力、连接能力和绑定进行了描述。通过这些属性,可以建立无数个基本服务和配置文件。以下为一些基本服务和配置文件的示例:

接近感应

找到目标

时间

电池

自动I/O

建筑物自动化(温度、恒温、湿度)

照明(开/关开关、调光器)

远程控制器

健身(计步器/活动监测器,心率监测器)

医疗设备(血糖计、测重计,等)

图5. 在家中使用医疗蓝牙低功率技术的模式

使用模式示例。由于蓝牙低功耗技术降低了功耗和成本,因此可以实现从家庭到医院的很多医疗使用模式。充血性心力衰竭(CHF)病人可以使用各种型号的传感器和他的手机,通过图5中所示的使用模式,在家中记录下数据和确定病情的发展趋势。

图6中所示的架构和图5类似。基于蓝牙技术的实力,依据情况将低功耗蓝牙或传统蓝牙技术用于医院中的重要生命迹象监测器。

总结

图6 医疗蓝牙低功耗技术在医院中的使用模式示例

蓝牙低功耗技术是强大的应用催化器,将改变我们的无线应用体验。其低功耗和低成本以及其成熟稳定的通信技术,使得其成为家庭及医院低功耗医疗应用的理想选择。

随着这项技术在绝大多数移动装置中被应用,因此有机会利用现成的可用便携装置来实现新的使用模式,使得这些平台能支持更丰富的用户接口和通信功能。

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