簡(jiǎn)化低功耗藍(lán)牙醫(yī)療設(shè)備的設(shè)計(jì)

作者 Thomas S?derholm Nordic Semiconductor公司業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)

摘要：介紹了低功耗藍(lán)牙為醫(yī)療電子領(lǐng)域帶來的諸多應(yīng)用，及全新Nordic驗(yàn)證概念的PCB使得開發(fā)人員更容易為醫(yī)療設(shè)備加入無線連接優(yōu)勢(shì)。

　　許多開創(chuàng)先河的醫(yī)療產(chǎn)品公司已經(jīng)在其產(chǎn)品配備低功耗藍(lán)牙技術(shù)來改善糖尿病患者、過敏患者和哮喘患者的生活(如圖1)。例如，加拿大Aterica Health公司開發(fā)了用于腎上腺素自動(dòng)注射器的低功耗藍(lán)牙連接載體Veta Smart Case。最近，位于美國(guó)加利福尼亞州圣迭戈的Dexcom的G5移動(dòng)連續(xù)葡萄糖監(jiān)測(cè)(CGM)系統(tǒng)也已獲得了美國(guó)食品和藥物管理局(FDA)的批準(zhǔn)，該系統(tǒng)包括一個(gè)低功耗藍(lán)牙組件，用于從安裝在患者皮膚上的監(jiān)視器讀取血糖水平，然后傳輸?shù)街悄苁謾C(jī)或智能手表上的對(duì)應(yīng)APP，如圖3所示。

　　這些無線連接的醫(yī)療產(chǎn)品為患者提供幫助，例如提醒他們何時(shí)服藥，當(dāng)藥物快要過期時(shí)發(fā)出警告，并且在離家時(shí)提醒他們沒有隨身攜帶重要藥物。此外，通過無線方式將產(chǎn)品連接到物聯(lián)網(wǎng)(通過智能手機(jī)網(wǎng)關(guān))，可以建立雙向鏈接，不僅可以將數(shù)據(jù)傳輸給遠(yuǎn)程家庭和醫(yī)療保健專業(yè)人員，還可通過提供信息向患者進(jìn)行指導(dǎo)，對(duì)產(chǎn)品作出軟件增強(qiáng)或打上安全補(bǔ)丁。

　　無線連接還帶來醫(yī)療經(jīng)濟(jì)效益。通過幫助患者堅(jiān)持服用藥物來對(duì)主要疾病進(jìn)行適當(dāng)治療，可以減少并發(fā)癥，從而節(jié)省金錢。另一個(gè)顯著的好處是可從云獲得有價(jià)值的數(shù)據(jù)，幫助醫(yī)療設(shè)備制造商了解患者如何、何時(shí)、在何地使用設(shè)備和藥物，從而制作更好的產(chǎn)品。

　　然而，RF工程是一門具有挑戰(zhàn)性的學(xué)科，所需要的熟練人才供不應(yīng)求，因此，許多醫(yī)療產(chǎn)品制造商難以進(jìn)入市場(chǎng)。

1 簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)

　　但是，現(xiàn)在Nordic Semiconductor推出了概念驗(yàn)證(PoC)印刷電路板(PCB)，為開發(fā)人員簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程，如圖2所示。 PoC PCB帶有該公司的nRF52810低功耗藍(lán)牙解決方案和S112 協(xié)議棧(低功耗藍(lán)牙RF協(xié)議軟件堆棧)。該產(chǎn)品尺寸細(xì)小，并且針對(duì)低功耗和高性能進(jìn)行了優(yōu)化，是一款非常靈活和成熟可靠的藍(lán)牙5認(rèn)證解決方案。

　　Nordic的nRF52810低功耗藍(lán)牙 SoC是nRF52系列中的基準(zhǔn)器件，提供極佳的性價(jià)比和藍(lán)牙5功能，它具有100 dBm鏈路預(yù)算、2.4 GHz多協(xié)議無線電、64 MHz的32位ARM Cortex M4 MCU、196 kB Flash內(nèi)存和24 kB RAM。值得注意的是，其內(nèi)存分配足以運(yùn)行典型的高容量、低成本應(yīng)用(例如醫(yī)療設(shè)備)的應(yīng)用程序代碼。與所有Nordic的nRF51和nRF52系列SoC一樣，nRF52810支持空中下載設(shè)備固件更新(OTA-DFU)，只需使用無線電鏈路即可升級(jí)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的軟件。此外，與nRF52810 SoC 一起推出的Nordic最新版本S112協(xié)議棧是一款輕量級(jí)藍(lán)牙5認(rèn)證堆棧。

　　nRF52系列還帶來了對(duì)醫(yī)療產(chǎn)品開發(fā)至關(guān)重要的其他功能，特別是通過近場(chǎng)通信(NFC)進(jìn)行的“帶外”(OOB)配對(duì)，只要簡(jiǎn)單地碰觸配備NFC的智能手機(jī)，即可為醫(yī)療設(shè)備建立低功耗藍(lán)牙配對(duì)，不需要用戶進(jìn)行其他操作。其次，一旦醫(yī)療設(shè)備與智能手機(jī)配對(duì)，便可以使用128位AES加密保護(hù)低功耗藍(lán)牙鏈路，從而保護(hù)敏感醫(yī)療數(shù)據(jù)的安全。

　　S112 協(xié)議棧用于監(jiān)督通信鏈路，但通常我們還需要一些應(yīng)用程序代碼來優(yōu)化目標(biāo)產(chǎn)品的軟件。例如，如果目標(biāo)應(yīng)用是哮喘吸入器，或許還需要一些編碼來監(jiān)測(cè)這個(gè)裝置的使用頻率和時(shí)間。

　　在低功耗藍(lán)牙供應(yīng)商中，Nordic在應(yīng)用程序代碼開發(fā)領(lǐng)域中擁有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。該公司的軟件架構(gòu)將低功耗藍(lán)牙協(xié)議棧與應(yīng)用程序代碼分隔，從而消除了兩者集成的復(fù)雜性。如果沒有分隔，在軟件編譯過程中，RF堆?？赡芎苋菀妆黄茐?，從而延長(zhǎng)了開發(fā)和調(diào)試過程。Nordic的協(xié)議棧以經(jīng)過測(cè)試和驗(yàn)證的二進(jìn)制文件形式交付，并且在編譯期間，該公司的開發(fā)工具可以協(xié)調(diào)應(yīng)用程序代碼與協(xié)議棧的對(duì)接。

　　Nordic還提供簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程的開發(fā)套件(DK)和軟件開發(fā)套件(SDK)。 DK包含目標(biāo)nRF51或nRF52系列SoC，而SDK可以簡(jiǎn)化SoC與開發(fā)人員首選的ARM集成開發(fā)環(huán)境(IDE)的接口。 值得注意的是，SDK還包含簡(jiǎn)單的應(yīng)用程序代碼示例，開發(fā)人員可以使用這些示例來加速自己應(yīng)用程序的編碼。

2 結(jié)合優(yōu)勢(shì)

　　Nordic新型PoC PCB將nRF52系列SoC、低功耗藍(lán)牙協(xié)議棧、獨(dú)特的軟件架構(gòu)、參考設(shè)計(jì)和應(yīng)用代碼開發(fā)環(huán)境的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)匯集在一起，經(jīng)設(shè)計(jì)用于簡(jiǎn)化為醫(yī)療設(shè)備增加無線連接的過程。

　　基于nRF52810 SoC的PoC PCB組裝在直徑為13.5 mm的電路板上，并包含匹配電路、天線和幣形電池。Nordic 根據(jù)需求提供PoC和必要的設(shè)計(jì)文件，其中包括簡(jiǎn)介和詳細(xì)的步驟說明、電路板原理圖和物料清單(BOM)，這套解決方案允許設(shè)計(jì)人員根據(jù)這個(gè)藍(lán)牙5認(rèn)證的外設(shè)設(shè)備操作PoC來開發(fā)自己的設(shè)計(jì)。

　　該產(chǎn)品預(yù)裝了協(xié)議棧和Eddystone低功耗藍(lán)牙信標(biāo)應(yīng)用示例。開發(fā)者可以通過OTA-DFUnRF52810 對(duì)這個(gè)SoC進(jìn)行編程。由于采用S112 協(xié)議棧的nRF52810 SoC構(gòu)成了經(jīng)濟(jì)高效的藍(lán)牙5 /低功耗藍(lán)牙解決方案，因此Nordic醫(yī)療PoC PCB特別適用于廉價(jià)的一次性藥物輸送產(chǎn)品，如哮喘吸入器。根據(jù)市場(chǎng)分析機(jī)構(gòu)Market Research Future報(bào)告，到2022年，單獨(dú)的“智能”(無線)哮喘吸入器市場(chǎng)價(jià)值將達(dá)到16億美元。配備Nordic低功耗藍(lán)牙技術(shù)的吸入器可實(shí)現(xiàn)藥物管理(例如提供自動(dòng)藥物記錄)，向遠(yuǎn)處的家庭成員和醫(yī)務(wù)人員發(fā)送通知以及使用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。若得到患者許可，這些數(shù)據(jù)也可以通過互聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)發(fā)送給制造商，以改善未來產(chǎn)品的性能。

3 無聲革命

　　網(wǎng)絡(luò)醫(yī)療產(chǎn)品正在悄然進(jìn)行革命(如圖4)。由于監(jiān)管環(huán)境嚴(yán)峻，這些產(chǎn)品需要一段時(shí)間才能進(jìn)入市場(chǎng)，但有許多創(chuàng)新應(yīng)用即將實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。低功耗藍(lán)牙非常適合從功率受限的設(shè)備傳輸少量數(shù)據(jù)，并且到處也可以見到它的應(yīng)用，例如聽診器連接和智能手機(jī)應(yīng)用程序，甚至是監(jiān)視護(hù)理中心幾十位老年人的血壓，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到云，確定何時(shí)施用高血壓藥物的解決方案。而低功耗藍(lán)牙無線技術(shù)在智能手機(jī)和平板電腦中無處不在，這鞏固了其作為醫(yī)療產(chǎn)品卓越無線連接技術(shù)的地位。

　　設(shè)計(jì)無線產(chǎn)品的工程十分浩大，可能令人望而生畏，而且許多醫(yī)療產(chǎn)品公司或許沒有內(nèi)部RF專才來充分發(fā)揮相關(guān)技術(shù)。但是，通過與Nordic等低功耗藍(lán)牙供應(yīng)商合作，即使只有很少RF設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的開發(fā)人員也可以從中獲取經(jīng)過驗(yàn)證的硬件、協(xié)議固件、參考設(shè)計(jì)、開發(fā)工具和技術(shù)專長(zhǎng)，從而可以輕松構(gòu)建商用設(shè)備的原型，然后進(jìn)行量產(chǎn)。

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第5期第63頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。