淺析基于低功耗藍牙技術(shù)的新型便攜醫(yī)療設(shè)備設(shè)計方案

時間：2012-05-09 14:52:16

關(guān)鍵字：低功耗藍牙醫(yī)療設(shè)備藍牙技術(shù) 藍牙低功耗

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[導(dǎo)讀]功耗問題是當前便攜式醫(yī)療設(shè)備所面臨的最棘手的問題之一。藍牙低功耗技術(shù)有望解決這一問題。無線技術(shù)一直在取代電線電纜，并通過非臥床病人監(jiān)測器大大提高了病人的可活動性。目前，便攜式病人監(jiān)測器、輸液泵、手術(shù)腳

功耗問題是當前便攜式醫(yī)療設(shè)備所面臨的最棘手的問題之一。藍牙低功耗技術(shù)有望解決這一問題。

無線技術(shù)一直在取代電線電纜，并通過非臥床病人監(jiān)測器大大提高了病人的可活動性。目前，便攜式病人監(jiān)測器、輸液泵、手術(shù)腳踏開關(guān)以及其它很多醫(yī)療設(shè)備都有使用無線技術(shù)來保持與監(jiān)測和信息系統(tǒng)的連接。

便攜醫(yī)療設(shè)備目前所面臨的難題之一就是功耗問題。無線連接的功耗要求限制了架構(gòu)和應(yīng)用。

圖1 藍牙低功耗芯片組現(xiàn)有兩種版本

感謝藍牙4.0版規(guī)范中推出了藍牙低功耗技術(shù)，從而有望解決功耗難題。藍牙技術(shù)正在逐步深入設(shè)計人員和消費者之中。Microsoft和Apple最近都宣布支持這項新技術(shù)，這意味著這項技術(shù)將在標準計算和通信平臺中被廣泛使用。截止當前，無線醫(yī)療應(yīng)用一直依賴定制零部件和平臺實現(xiàn)低功耗，現(xiàn)在終于到了部署真正的低功耗無線醫(yī)療應(yīng)用的時候了。

藍牙低功耗技術(shù)與其它無線技術(shù)有所不同，因為它將一項從最一開始就針對超低功率電池而設(shè)計的標準化技術(shù)和基于傳感器數(shù)據(jù)采集的新架構(gòu)結(jié)合在了一起。藍牙低功耗技術(shù)還將被集成到大多數(shù)便攜設(shè)備中。

藍牙特別興趣小組(SIG)工作組已經(jīng)推出了針對醫(yī)療護理、健身和醫(yī)療設(shè)備使用的配置文檔，并且還在著手推出應(yīng)用于其它領(lǐng)域的配置文檔。盡管這些藍牙設(shè)備不能直接兼容IEEE 11073，但SIG正在起草一份白皮書，將詳細地介紹如何進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化和兼容映像，以便讓采用IEEE 11073標準的系統(tǒng)也能使用藍牙數(shù)據(jù)。

據(jù)藍牙SIG預(yù)測，藍牙低功耗技術(shù)在未來短短幾年內(nèi)將被用于10億多產(chǎn)品中，應(yīng)用領(lǐng)域包括：

手機配件 >100億

智能能源(計數(shù)和顯示)約10億

家居自動化 > 10億

醫(yī)療、保健、運動&健身 >100億

輔助起居 >500億

動物標記約10億

P2P智能運輸系統(tǒng)>10億

I工業(yè)自動化/M2M>100億

獨特之處

藍牙低功耗技術(shù)是藍牙核心規(guī)范4.0(Bluetooth v4.0)的核心。藍牙低功耗技術(shù)延續(xù)了傳統(tǒng)藍牙技術(shù)的很多技術(shù)特性，能提供成熟穩(wěn)定、可靠的連接。藍牙低功耗技術(shù)的新特性支持事件驅(qū)動數(shù)據(jù)采集、接近感應(yīng)和時間同步。但是在很多方面，藍牙低功耗技術(shù)是一項新的無線技術(shù)。藍牙4.0的根本不同之處在于它被設(shè)計用于傳送小批量的數(shù)據(jù)，而不是像傳統(tǒng)藍牙技術(shù)一樣提供間歇性的數(shù)據(jù)流連接。例如，傳統(tǒng)藍牙技術(shù)支持耳機和音頻數(shù)據(jù)流，而藍牙低功耗技術(shù)模式?jīng)]有這個功能。藍牙低功耗技術(shù)的特色之處在于面向小型設(shè)備的有效發(fā)現(xiàn)和連接設(shè)置、短數(shù)據(jù)包和不對稱設(shè)計。

圖2 藍牙低功耗技術(shù)用40通道取代了傳統(tǒng)藍牙技術(shù)的79通道

可實現(xiàn)的最低功耗。從物理設(shè)計到使用模式，一切都是圍繞保持最小功耗而設(shè)計。為了降低功耗，藍牙低功耗設(shè)備大多數(shù)時間都處在睡眠模式。當有事件發(fā)生的時候，設(shè)備會被喚醒，并會有一條短信息被發(fā)送至網(wǎng)關(guān)、PC或智能機。最大/峰值功耗小于15mA，平均功耗約為1μA。有源功耗被降低至傳統(tǒng)藍牙技術(shù)功耗的10分之一。在低占空比應(yīng)用中，一塊紐扣CR2032電池可以用上5-10年。

成本有效和兼容。為了讓小電池供電裝置與傳統(tǒng)藍牙技術(shù)兼容和實現(xiàn)成本有效，有兩類芯片組：

包括藍牙低功耗和傳統(tǒng)藍牙功能的雙模式技術(shù)

優(yōu)化用于小電池供電裝置的單一藍牙低功耗技術(shù)，主要為了實現(xiàn)低成本和低功耗

圖3.解釋了有3路802.11b/g (無線LAN)通道情況下的AFH(自適應(yīng)跳頻)操作。3路廣播信道以及37路數(shù)據(jù)通道中的9路數(shù)據(jù)通間隔分布在那些被無線LAN使用的通道之間。

成熟穩(wěn)定、安全性和可靠性。同傳統(tǒng)藍牙技術(shù)一樣，藍牙低功耗技術(shù)也使用自適應(yīng)跳頻(AFH)技術(shù)，以便在家庭、工業(yè)及醫(yī)療應(yīng)用中嘈雜的RF環(huán)境下實現(xiàn)穩(wěn)定的傳輸。為了將成本和功耗最小化，藍牙低功耗技術(shù)將傳統(tǒng)藍牙技術(shù)所采用的79個帶寬1MHz的通道縮減成了帶寬2MHz的40路通道。

無線共存

藍牙技術(shù)、無線LAN、IEEE 802.15.4/ZigBee和很多專有無線技術(shù)都使用無需頒發(fā)許可證的2.4GHz工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療(ISM)頻段。這么多技術(shù)在一個相同的無線空間內(nèi)使用相同的無線頻段,干擾的存在會降低無線性能(延遲和吞吐量),因為需要進行糾錯和重新傳送。在要求很高的應(yīng)用中，可以通過頻率規(guī)劃和特殊的天線解決方案來降低干擾。傳統(tǒng)藍牙技術(shù)和低功耗藍牙技術(shù)都采用了AFH，這使得藍牙傳輸穩(wěn)定而可靠。AFH還使得藍牙技術(shù)對其它無線ISM波段射頻技術(shù)的干擾也最小化。

圖4.發(fā)送廣播信息的設(shè)備會周期性地送出信息，并且在建立連接之后總是做為從裝置。掃描儀隨時準備接受廣播信息和連接請求，并在建立連接之后總是做為主裝置。

連接范圍

相比傳統(tǒng)藍牙技術(shù),低功耗藍牙技術(shù)的調(diào)制方法略有不同。調(diào)制方式的差異使得低功耗藍牙技術(shù)通過借助一個10dB的無線芯片組能支持高達300米的連接范圍(此時功耗最大)。

使用和集成簡單化

低功耗藍牙解決方案通常基于主/從機制。將一個主裝置與多個從裝置相連接。一個裝置可以是主裝置或是從裝置,但它不能即是主裝置又是從裝置。低功耗藍牙技術(shù)沒有分散網(wǎng)拓撲。從裝置的允許通信頻率由主裝置控制,只有在主裝置要求的情況下,從裝置才會與之通信。

低功耗藍牙技術(shù)的一個新特性就是“廣播”功能(圖4)。從裝置可以通過這一途徑來宣布它有信息要傳送給主裝置。一條廣播信息可以包含某個事件或某個測量值。廣播功能可以被用來實現(xiàn)一個跌倒檢測器,檢測器可以廣播它的救助信息，并在此同時將跌倒者的位置發(fā)送出去---這一切都無線實現(xiàn)。

軟件架構(gòu)

低功耗藍牙技術(shù)中的所有參數(shù)的狀態(tài)都可以通過屬性協(xié)議進行訪問。所有屬性由描述信號值、報告格式、客戶配置等的特性來進行表述。例如,電池可能有以下特性:

Level: 0–100%

電池量 0-100%

狀態(tài):未被使用、充電中、充電完成、放電、需要馬上更換電池、馬上充電

在通用屬性配置文件(GATT)服務(wù)組中，特性和聲明被放在一起，用于確定所有設(shè)備已有的標準特性集合。在通用訪問配置文件(GAP)連接中，對發(fā)現(xiàn)能力、連接能力和綁定進行了描述。通過這些屬性，可以建立無數(shù)個基本服務(wù)和配置文件。以下為一些基本服務(wù)和配置文件的示例：

接近感應(yīng)

找到目標

時間

電池

自動I/O

建筑物自動化(溫度、恒溫、濕度)

照明(開/關(guān)開關(guān)、調(diào)光器)

遠程控制器

健身(計步器/活動監(jiān)測器,心率監(jiān)測器)

醫(yī)療設(shè)備(血糖計、測重計,等)

圖5. 在家中使用醫(yī)療藍牙低功率技術(shù)的模式

使用模式示例。由于藍牙低功耗技術(shù)降低了功耗和成本，因此可以實現(xiàn)從家庭到醫(yī)院的很多醫(yī)療使用模式。充血性心力衰竭(CHF)病人可以使用各種型號的傳感器和他的手機，通過圖5中所示的使用模式，在家中記錄下數(shù)據(jù)和確定病情的發(fā)展趨勢。