超低功耗射頻技術(shù)詳解

　無(wú)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(duì)患者進(jìn)行監(jiān)測(cè)。但首先，對(duì)功耗加以優(yōu)化尤為重要。

　　無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)

　　無(wú)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(wú)線設(shè)備一個(gè)有趣的應(yīng)用是無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，后者可以用來(lái)監(jiān)測(cè)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(lái)監(jiān)測(cè)病人和在病人的病情發(fā)生變化時(shí)提醒醫(yī)生。傳感器通過(guò)電纜連接到電腦。雖然在這種情況下這不算根本性問(wèn)題，但是無(wú)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(cè)系統(tǒng)由一條帶有三個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的頭巾組成。這三個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)兩路EGG通道（腦電圖）、兩路眼動(dòng)電圖、一路肌動(dòng)電圖進(jìn)行測(cè)量，分別監(jiān)測(cè)大腦的活動(dòng)、眼球的活動(dòng)和下巴肌肉的活動(dòng)。

　　目前，進(jìn)行睡眠監(jiān)測(cè)試驗(yàn)的患者必須戴上通過(guò)一束電線連接到電腦的傳感器，這會(huì)讓患者覺(jué)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(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)有五個(gè)集成式傳感器，能采集和傳送做有效睡眠測(cè)試所需要的所有數(shù)據(jù)（圖1）。

　　這個(gè)裝置能改善患者在醫(yī)院進(jìn)行睡眠測(cè)試過(guò)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(cè)試表明，這款無(wú)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(lái)，病人去看醫(yī)生時(shí)拿到一個(gè)睡眠測(cè)試帽，然后在家即可完成測(cè)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(cè)癲癇患者

　　一旦無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)成為主流，將會(huì)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(cè)量癲癇病人的大腦活動(dòng)（圖2）。襯衫也可以兼作心電圖監(jiān)測(cè)儀。無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)有無(wú)限種用途。

　　要實(shí)現(xiàn)我們所設(shè)想的無(wú)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(gè)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(zhǎng)時(shí)間的自主性或支持其它更多功能，而對(duì)植入式傳感器節(jié)點(diǎn)而言，電池能長(zhǎng)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(dòng)員所用的傳統(tǒng)心臟監(jiān)測(cè)帶一樣使用。這款帶子不僅能監(jiān)測(cè)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(dòng)愛好者非常方便地使用，或在競(jìng)技活動(dòng)中使用（這款帶子已經(jīng)在布魯塞爾馬拉松里進(jìn)行過(guò)測(cè)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(gè)小盒子中，而這個(gè)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(shí)提高其自主性。

　　功耗可通過(guò)檢查傳感器的單獨(dú)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件來(lái)預(yù)算心電圖傳感器節(jié)點(diǎn)的功率：傳感和讀取單元、無(wú)線通訊、數(shù)字信號(hào)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(wú)線傳輸（圖5）。通常，實(shí)現(xiàn)無(wú)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(duì)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(wú)線組件。

　　圖6：另一個(gè)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(lái)代替非專門設(shè)計(jì)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(lái)傳輸未經(jīng)處理的心電圖，能將整個(gè)系統(tǒng)功率降低10倍。

　　無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)面臨的挑戰(zhàn)因素

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

　　•一個(gè)用來(lái)測(cè)量人體參數(shù)的傳感器（如，檢查血糖水平）

　　•一個(gè)用來(lái)執(zhí)行某個(gè)動(dòng)作的執(zhí)行器（如，胰島素注射）

　　•一個(gè)將模擬傳感器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的模擬接口

　　•一個(gè)數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）。實(shí)際上，DSP相當(dāng)于一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)，若有需要，它能收集所有數(shù)據(jù)，進(jìn)行一些計(jì)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(gè)無(wú)線芯片，用于將數(shù)據(jù)無(wú)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(duì)某些應(yīng)用而言，可以增加能源收集設(shè)備，如，太陽(yáng)能電池或振動(dòng)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(shí)候，你會(huì)怎么做？是去買一臺(tái)節(jié)能型LED電視還是縮短電視的收看時(shí)間？IMEC和霍爾斯特中心的研究人員對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)無(wú)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(duì)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(gè)應(yīng)用例子，其中一個(gè)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(shí)，播放節(jié)奏減弱的音樂(lè)），另一個(gè)應(yīng)用是與MP3播放器進(jìn)行無(wú)線通信的助聽器。如果將ULP UWB無(wú)線射頻技術(shù)和監(jiān)測(cè)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(wú)線射頻，UWB射頻系統(tǒng)的功耗降低了五倍。UWB 無(wú)線射頻工作在6~10千兆赫的無(wú)線電頻段。相比工作在2.45 ? GHz ISM頻段同類競(jìng)爭(zhēng)藍(lán)牙設(shè)備，它要少很多干擾問(wèn)題。

　　UWB射頻還有一個(gè)用處：定位。無(wú)線射頻信號(hào)覆蓋很廣，可以通過(guò)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(cè)量（要得到準(zhǔn)確定位至少需要三臺(tái)設(shè)備）的條件下定位一臺(tái)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(guò)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1024KB /秒），其功耗甚至比UWB射頻還要低。該技術(shù)針對(duì)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1Mb/秒的情況下，其接收功耗為1mW，傳送功耗為0.9mW，沒(méi)有占空比。而若是采用Zigbee或其它技術(shù)，則系統(tǒng)的功耗會(huì)提高10到100倍。窄帶BAN工作在2.4GHz ISM或850~950UHF射頻波段。

　　第三種可選技術(shù)―喚醒射頻―針對(duì)極低數(shù)據(jù)傳輸速率和超低功耗（持續(xù)續(xù)工作時(shí)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(shí)打開開關(guān)。通過(guò)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(huì)不斷尋找藍(lán)牙設(shè)備，這樣會(huì)消耗很大功率。通過(guò)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(gè)藍(lán)牙設(shè)備的時(shí)候啟動(dòng)藍(lán)牙無(wú)線。一個(gè)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(gè)降低無(wú)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。可以通過(guò)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(guò)處理的數(shù)據(jù)，而非傳送大量的原始傳感器數(shù)據(jù)來(lái)做到這點(diǎn)。另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，病人能及時(shí)獲得反饋。

　　圖8：通過(guò)在無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行本地處理，無(wú)線組件的功耗下降。但是，這會(huì)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(lái)解決這一問(wèn)題，該低功耗DSP針對(duì)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(cè)相反，當(dāng)用通用微控制器執(zhí)行本地處理時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)的功耗會(huì)增加。射頻組件的功耗會(huì)降低，原因是它沒(méi)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(méi)有針對(duì)這類處理做優(yōu)化。基于這個(gè)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(duì)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(lái)

　　通過(guò)選擇正確的ULP 標(biāo)準(zhǔn)模塊，可顯著降低無(wú)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(duì)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。