超低功耗無線傳感器射頻技術(shù)詳解

無線醫(yī)療設(shè)備能提高患者的舒適度和以前未所未有的方式對患者進(jìn)行監(jiān)測。但首先，對功耗加以優(yōu)化尤為重要。

無線傳感器節(jié)點(diǎn)

無線設(shè)備已經(jīng)改變了我們的工作和休閑環(huán)境—它們也可能同樣改變我們的醫(yī)療設(shè)施。無線設(shè)備一個有趣的應(yīng)用是無線傳感器節(jié)點(diǎn)，后者可以用來監(jiān)測心率、腦電波、體溫、血壓和其它生命體征。

目前，重癥監(jiān)護(hù)病房已使用人體傳感器來監(jiān)測病人和在病人的病情發(fā)生變化時提醒醫(yī)生。傳感器通過電纜連接到電腦。雖然在這種情況下這不算根本性問題，但是無線傳感器節(jié)點(diǎn)能夠讓醫(yī)院和其它地方的門診病人從中受益是顯而易見的事。

圖1：一款睡眠監(jiān)測系統(tǒng)由一條帶有三個傳感器節(jié)點(diǎn)的頭巾組成。這三個傳感器節(jié)點(diǎn)對兩路EGG通道（腦電圖）、兩路眼動電圖、一路肌動電圖進(jìn)行測量，分別監(jiān)測大腦的活動、眼球的活動和下巴肌肉的活動。
目前，進(jìn)行睡眠監(jiān)測試驗(yàn)的患者必須戴上通過一束電線連接到電腦的傳感器，這會讓患者覺得不舒服。研究機(jī)構(gòu)IMEC和霍爾斯特中心開發(fā)了一款頭巾式無線監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)有五個集成式傳感器，能采集和傳送做有效睡眠測試所需要的所有數(shù)據(jù)（圖1）。

這個裝置能改善患者在醫(yī)院進(jìn)行睡眠測試過程中的舒適度，并且省去了電纜。荷蘭睡眠失調(diào)中心Kempenhaeghe已完成的測試表明，這款無線監(jiān)控系統(tǒng)能像有線系統(tǒng)一樣有效地運(yùn)行?？梢韵胂螅涸诓惶h(yuǎn)的將來，病人去看醫(yī)生時拿到一個睡眠測試帽，然后在家即可完成測試。再由睡眠失調(diào)專業(yè)醫(yī)師遠(yuǎn)程分析結(jié)果。

圖2：在帽上中集成腦電圖傳感器，用于監(jiān)測癲癇患者

一旦無線傳感器節(jié)點(diǎn)成為主流，將會有大量的新應(yīng)用涌現(xiàn)。傳感器節(jié)點(diǎn)可以被集成到諸多產(chǎn)品中，包括毛毯、汽車座椅和衣服等。例如，集成有腦電圖傳感器的棒球帽可以連續(xù)地測量癲癇病人的大腦活動（圖2）。襯衫也可以兼作心電圖監(jiān)測儀。無線傳感器節(jié)點(diǎn)有無限種用途。

要實(shí)現(xiàn)我們所設(shè)想的無線傳感器節(jié)點(diǎn)，仍需要進(jìn)行大量研究和開發(fā)。其中一個難題與功耗有關(guān)。由于節(jié)點(diǎn)不是有線連接到電網(wǎng)的，所以必須使用電池。而電池的尺寸應(yīng)盡可能小，以匹配集成到衣服中的微型系統(tǒng)。如果小尺寸不是第一考慮因素，那么把降低功耗意味著設(shè)備能支持更長時間的自主性或支持其它更多功能，而對植入式傳感器節(jié)點(diǎn)而言，電池能長期間使用是必需的。

圖 3 ：傳感器節(jié)點(diǎn)的基本構(gòu)成部件。
IMEC和霍爾斯特中心正在開發(fā)一款心電圖綁帶，該產(chǎn)品像運(yùn)動員所用的傳統(tǒng)心臟監(jiān)測帶一樣使用。這款帶子不僅能監(jiān)測心跳，還可以記錄和傳送完整的心電圖。該設(shè)備可供有心臟病的戶外活動愛好者非常方便地使用，或在競技活動中使用（這款帶子已經(jīng)在布魯塞爾馬拉松里進(jìn)行過測試）。目的難題在于要將系統(tǒng)小型化和實(shí)現(xiàn)足夠水平的自立性。根據(jù)應(yīng)用的不同，可能是要能使用幾天或永久性使用。最終目標(biāo)是要將這款電子心臟專家集成到一個小盒子中，而這個小盒子要能附著在一條帶子上（圖4），或者能嵌入到一件襯衫里則更好。
圖4：IMEC和霍爾斯特中心已開發(fā)了一款心電圖帶子。研究人員目前正在試圖縮小其尺寸，同時提高其自主性。

功耗可通過檢查傳感器的單獨(dú)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件來預(yù)算心電圖傳感器節(jié)點(diǎn)的功率：傳感和讀取單元、無線通訊、數(shù)字信號處理器（DSP）和供電單元。顯然，節(jié)點(diǎn)中最耗電的是射頻芯片，射頻芯片負(fù)責(zé)傳感器數(shù)據(jù)的無線傳輸（圖5）。通常，實(shí)現(xiàn)無線通訊功能所耗費(fèi)的功率占總功率預(yù)算的50％至85％。

圖5：對傳感器節(jié)點(diǎn)的構(gòu)成部件做功耗分析的結(jié)果表明：傳感器節(jié)點(diǎn)中最耗能的是無線組件。

圖6：另一個降低傳感器節(jié)點(diǎn)功耗的途徑是使用專用的超低功率射頻組件來代替非專門設(shè)計的低功率射頻組件。若用IMEC的BAN射頻組件替代現(xiàn)貨供應(yīng)的Zigbee這類射頻組件來傳輸未經(jīng)處理的心電圖，能將整個系統(tǒng)功率降低10倍。

無線傳感器節(jié)點(diǎn)面臨的挑戰(zhàn)因素

醫(yī)療/體育無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)包括：

? 一個用來測量人體參數(shù)的傳感器（如，檢查血糖水平）
? 一個用來執(zhí)行某個動作的執(zhí)行器（如，胰島素注射）
? 一個將模擬傳感器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的模擬接口
? 一個數(shù)字信號處理器（DSP）。實(shí)際上，DSP相當(dāng)于一臺微型計算機(jī)，若有需要，它能收集所有數(shù)據(jù)，進(jìn)行一些計算并做出決定（例如，如果血糖水平大于X，則注射y微升的胰島素）
? 一個無線芯片，用于將數(shù)據(jù)無線傳送到手機(jī)或醫(yī)生的筆記本電腦
? 由電池和電源管理電路組成的電源。對某些應(yīng)用而言，可以增加能源收集設(shè)備，如，太陽能電池或振動能轉(zhuǎn)換器。
當(dāng)你打開電費(fèi)帳單，發(fā)現(xiàn)電視用電最多的時候，你會怎么做？是去買一臺節(jié)能型LED電視還是縮短電視的收看時間？IMEC和霍爾斯特中心的研究人員對傳感器節(jié)點(diǎn)無線采取了類似的策略。

超低功耗射頻技術(shù)

IMEC和霍爾斯特中心開發(fā)了幾類超低功率（ULP）射頻技術(shù)，每類技術(shù)針對一類不同的應(yīng)用。這三種射頻架構(gòu)能支持從高到低的數(shù)據(jù)速率。詳細(xì)內(nèi)容見下文。

開發(fā)出的第一項(xiàng)技術(shù)—基于脈沖的超寬帶（UWB）射頻技術(shù)，它是低功耗和中速數(shù)據(jù)傳送（100千字節(jié)/秒20兆字節(jié)/秒）的獨(dú)特組合。超寬帶（UWB）射頻適用于傳感器數(shù)據(jù)與流媒體相結(jié)合的應(yīng)用：有兩個應(yīng)用例子，其中一個應(yīng)用是一款能夠與MP3播放器進(jìn)行通訊的心搏帶（當(dāng)心率在慢跑期間加速時，播放節(jié)奏減弱的音樂），另一個應(yīng)用是與MP3播放器進(jìn)行無線通信的助聽器。如果將ULP UWB無線射頻技術(shù)和監(jiān)測帶、助聽器和MP3播放器相結(jié)合，那么系統(tǒng)功耗小于5毫瓦且具有極佳抗干擾能力。相比用于中速數(shù)據(jù)傳送的商業(yè)低功耗無線射頻，UWB射頻系統(tǒng)的功耗降低了五倍。UWB 無線射頻工作在610千兆赫的無線電頻段。相比工作在2.45 – GHz ISM頻段同類競爭藍(lán)牙設(shè)備，它要少很多干擾問題。

UWB射頻還有一個用處：定位。無線射頻信號覆蓋很廣，可以通過雷達(dá)這類方式確定設(shè)備所在位置。能在不需要基礎(chǔ)設(shè)施或三角測量（要得到準(zhǔn)確定位至少需要三臺設(shè)備）的條件下定位一臺設(shè)備， 這在許多應(yīng)用都是一種獨(dú)特功能。目前，仍需要使用多項(xiàng)技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)內(nèi)部定位。

圖7：通過本地處理（見右圖），減少了需要傳送的數(shù)據(jù)量。

第二類架構(gòu)是一類窄帶BAN 射頻（圖6），適合于低速數(shù)據(jù)傳送（64，128，256，512和1024 KB /秒），其功耗甚至比UWB射頻還要低。該技術(shù)針對佩戴在身體上的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化。在數(shù)據(jù)傳送速率為1 Mb /秒的情況下，其接收功耗為1 mW，傳送功耗為0.9 mW，沒有占空比。而若是采用Zigbee或其它技術(shù)，則系統(tǒng)的功耗會提高10到100倍。窄帶 BAN工作在2.4 GHz ISM或850950 UHF射頻波段。

第三種可選技術(shù)—喚醒射頻—針對極低數(shù)據(jù)傳輸速率和超低功耗（持續(xù)續(xù)工作時為60微瓦）而開發(fā)。該射頻技術(shù)可以和傳統(tǒng)射頻技術(shù)并行工作，在需要接收或發(fā)送數(shù)據(jù)時打開開關(guān)。通過工作在這種方式省電。例如，手機(jī)上具有藍(lán)牙功能的射頻組件會不斷尋找藍(lán)牙設(shè)備，這樣會消耗很大功率。通過將藍(lán)牙射頻組件和喚醒射頻組件相結(jié)合，后者可以在它需要連接到另一個藍(lán)牙設(shè)備的時候啟動藍(lán)牙無線。一個潛在的醫(yī)學(xué)應(yīng)用是，將其用于實(shí)現(xiàn)需要定期傳送數(shù)據(jù)到醫(yī)生電腦的植入式傳感器。

降低功耗

另一個降低無線傳感器節(jié)點(diǎn)功耗的方法是減少必須傳送到人體中央設(shè)備或筆記本電腦的數(shù)據(jù)量?？梢酝ㄟ^在節(jié)點(diǎn)內(nèi)本地處理一部分?jǐn)?shù)據(jù)和發(fā)送少量經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)，而非傳送大量的原始傳感器數(shù)據(jù)來做到這點(diǎn)。另外一個優(yōu)點(diǎn)是，病人能及時獲得反饋。

圖8：通過在無線傳感器節(jié)點(diǎn)對數(shù)據(jù)進(jìn)行本地處理，無線組件的功耗下降。但是，這會增大通用微處理器的功耗，兩者相抵消了。研究人員開發(fā)出了一款低功耗DSP來解決這一問題，該低功耗DSP針對處理生理參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。例如，若采用IMEC的BioDSP處理本地心電圖，則采用現(xiàn)貨Zigbee射頻的心電圖貼片的系統(tǒng)功耗將下降近10倍。

與人們的預(yù)測相反，當(dāng)用通用微控制器執(zhí)行本地處理時，傳感器節(jié)點(diǎn)的功耗會增加。射頻組件的功耗會降低，原因是它沒有太多的數(shù)據(jù)要發(fā)送，而商用微控制器的功耗猛曾，原因是它沒有針對這類處理做優(yōu)化?；谶@個原因，IMEC和霍爾斯特中心開發(fā)了一款專用超低功耗DSP，它針對腦電圖、心電圖、眼電圖及肌電圖等生理參數(shù)做了優(yōu)化。

超低功耗的嶄新未來

通過選擇正確的ULP 標(biāo)準(zhǔn)模塊，可顯著降低無線醫(yī)療設(shè)備的功耗。本文概述了兩種策略：

1．增加超低功耗射頻（UWB、BAN或喚醒射頻，針對中-低數(shù)據(jù)傳輸速率）可以將功耗減少10倍。

2．增加ULP DSP將功耗降低10倍，有些本地處理在設(shè)備或傳感器節(jié)點(diǎn)內(nèi)完成。

將ULP射頻和超低功耗DSP策略相結(jié)合，能使心電圖貼片的功耗降低18倍，讓我們更進(jìn)一步接近廣泛使用的人體佩戴自主傳感器。

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