無(wú)線(xiàn)傳感器應用廣泛 超低功耗射頻技術(shù)詳解

　　無(wú)線(xiàn)設備已經(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療設施。無(wú)線(xiàn)設備一個(gè)有趣的應用是無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)，后者可以用來(lái)監測心率、腦電波、體溫、血壓和其它生命體征。

　　目前，重癥監護病房已使用人體傳感器來(lái)監測病人和在病人的病情發(fā)生變化時(shí)提醒醫生。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(xiàn)傳感器節點(diǎn)能夠讓醫院和其它地方的門(mén)診病人從中受益是顯而易見(jiàn)的事。

　　圖1：一款睡眠監測系統由一條帶有三個(gè)傳感器節點(diǎn)的頭巾組成。這三個(gè)傳感器節點(diǎn)對兩路EGG通道（腦電圖）、兩路眼動(dòng)電圖、一路肌動(dòng)電圖進(jìn)行測量，分別監測大腦的活動(dòng)、眼球的活動(dòng)和下巴肌肉的活動(dòng)。

　　目前，進(jìn)行睡眠監測試驗的患者必須戴上通過(guò)一束電線(xiàn)連接到電腦的傳感器，這會(huì )讓患者覺(jué)得不舒服。研究機構IMEC和霍爾斯特中心開(kāi)發(fā)了一款頭巾式無(wú)線(xiàn)監控系統，該系統有五個(gè)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據（圖1）。

　　這個(gè)裝置能改善患者在醫院進(jìn)行睡眠測試過(guò)程中的舒適度，并且省去了電纜。荷蘭睡眠失調中心Kempenhaeghe已完成的測試表明，這款無(wú)線(xiàn)監控系統能像有線(xiàn)系統一樣有效地運行?？梢韵胂螅涸诓惶h的將來(lái)，病人去看醫生時(shí)拿到一個(gè)睡眠測試帽，然后在家即可完成測試。再由睡眠失調專(zhuān)業(yè)醫師遠程分析結果。

圖2：在帽上中集成腦電圖傳感器，用于監測癲癇患者

　　一旦無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)成為主流，將會(huì )有大量的新應用涌現。傳感器節點(diǎn)可以被集成到諸多產(chǎn)品中，包括毛毯、汽車(chē)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地測量癲癇病人的大腦活動(dòng)（圖2）。襯衫也可以兼作心電圖監測儀。無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)有無(wú)限種用途。

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

圖 3 ：傳感器節點(diǎn)的基本構成部件。

　　IMEC和霍爾斯特中心正在開(kāi)發(fā)一款心電圖綁帶，該產(chǎn)品像運動(dòng)員所用的傳統心臟監測帶一樣使用。這款帶子不僅能監測心跳，還可以記錄和傳送完整的心電圖。該設備可供有心臟病的戶(hù)外活動(dòng)愛(ài)好者非常方便地使用，或在競技活動(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)測試）。目的難題在于要將系統小型化和實(shí)現足夠水平的自立性。根據應用的不同，可能是要能使用幾天或永久性使用。最終目標是要將這款電子心臟專(zhuān)家集成到一個(gè)小盒子中，而這個(gè)小盒子要能附著(zhù)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(kāi)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)檢查傳感器的單獨標準構件來(lái)預算心電圖傳感器節點(diǎn)的功率：傳感和讀取單元、無(wú)線(xiàn)通訊、數字信號處理器（DSP）和供電單元。顯然，節點(diǎn)中最耗電的是射頻芯片，射頻芯片負責傳感器數據的無(wú)線(xiàn)傳輸（圖5）。通常，實(shí)現無(wú)線(xiàn)通訊功能所耗費的功率占總功率預算的50％至85％。

圖5：對傳感器節點(diǎn)的構成部件做功耗分析的結果表明：傳感器節點(diǎn)中最耗能的是無(wú)線(xiàn)組件。

圖6：另一個(gè)降低傳感器節點(diǎn)功耗的途徑是使用專(zhuān)用的超低功率射頻組件來(lái)代替非專(zhuān)門(mén)設計的低功率射頻組件。若用IMEC的BAN射頻組件替代現貨供應的Zigbee這類(lèi)射頻組件來(lái)傳輸未經(jīng)處理的心電圖，能將整個(gè)系統功率降低10倍。

　　醫療/體育無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)包括：

　　• 一個(gè)用來(lái)測量人體參數的傳感器（如，檢查血糖水平）

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

　　• 一個(gè)將模擬傳感器的數據轉換成數字信號的模擬接口

　　• 一個(gè)數字信號處理器（DSP）。實(shí)際上，DSP相當于一臺微型計算機，若有需要，它能收集所有數據，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(gè)無(wú)線(xiàn)芯片，用于將數據無(wú)線(xiàn)傳送到手機或醫生的筆記本電腦

　　• 由電池和電源管理電路組成的電源。對某些應用而言，可以增加能源收集設備，如，太陽(yáng)能電池或振動(dòng)能轉換器。

　　當你打開(kāi)電費帳單，發(fā)現電視用電最多的時(shí)候，你會(huì )怎么做？是去買(mǎi)一臺節能型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傳感器節點(diǎn)無(wú)線(xiàn)采取了類(lèi)似的策略。

　　IMEC和霍爾斯特中心開(kāi)發(fā)了幾類(lèi)超低功率（ULP）射頻技術(shù)，每類(lèi)技術(shù)針對一類(lèi)不同的應用。這三種射頻架構能支持從高到低的數據速率。詳細內容見(jiàn)下文。

　　開(kāi)發(fā)出的第一項技術(shù)—基于脈沖的超寬帶（UWB）射頻技術(shù)，它是低功耗和中速數據傳送（100千字節/秒~20兆字節/秒）的獨特組合。超寬帶（UWB）射頻適用于傳感器數據與流媒體相結合的應用：有兩個(gè)應用例子，其中一個(gè)應用是一款能夠與MP3播放器進(jìn)行通訊的心搏帶（當心率在慢跑期間加速時(shí)，播放節奏減弱的音樂(lè )），另一個(gè)應用是與MP3播放器進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信的助聽(tīng)器。如果將ULP UWB無(wú)線(xiàn)射頻技術(shù)和監測帶、助聽(tīng)器和MP3播放器相結合，那么系統功耗小于5毫瓦且具有極佳抗干擾能力。相比用于中速數據傳送的商業(yè)低功耗無(wú)線(xiàn)射頻，UWB射頻系統的功耗降低了五倍。UWB 無(wú)線(xiàn)射頻工作在6~10千兆赫的無(wú)線(xiàn)電頻段。相比工作在2.45 – GHz ISM頻段同類(lèi)競爭藍牙設備，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(xiàn)射頻信號覆蓋很廣，可以通過(guò)雷達這類(lèi)方式確定設備所在位置。能在不需要基礎設施或三角測量（要得到準確定位至少需要三臺設備）的條件下定位一臺設備， 這在許多應用都是一種獨特功能。目前，仍需要使用多項技術(shù)才能實(shí)現內部定位。

圖7：通過(guò)本地處理（見(jiàn)右圖），減少了需要傳送的數據量。

　　第二類(lèi)架構是一類(lèi)窄帶BAN 射頻（圖6），適合于低速數據傳送（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點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化。在數據傳送速率為1 Mb /秒的情況下，其接收功耗為1 mW，傳送功耗為0.9 mW，沒(méi)有占空比。而若是采用Zigbee或其它技術(shù)，則系統的功耗會(huì )提高10到100倍。窄帶 BAN工作在2.4 GHz ISM或850~950 UHF射頻波段。

　　第三種可選技術(shù)—喚醒射頻—針對極低數據傳輸速率和超低功耗（持續續工作時(shí)為60微瓦）而開(kāi)發(fā)。該射頻技術(shù)可以和傳統射頻技術(shù)并行工作，在需要接收或發(fā)送數據時(shí)打開(kāi)開(kāi)關(guān)。通過(guò)工作在這種方式省電。例如，手機上具有藍牙功能的射頻組件會(huì )不斷尋找藍牙設備，這樣會(huì )消耗很大功率。通過(guò)將藍牙射頻組件和喚醒射頻組件相結合，后者可以在它需要連接到另一個(gè)藍牙設備的時(shí)候啟動(dòng)藍牙無(wú)線(xiàn)。一個(gè)潛在的醫學(xué)應用是，將其用于實(shí)現需要定期傳送數據到醫生電腦的植入式傳感器。

　　另一個(gè)降低無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)功耗的方法是減少必須傳送到人體中央設備或筆記本電腦的數據量?？梢酝ㄟ^(guò)在節點(diǎn)內本地處理一部分數據和發(fā)送少量經(jīng)過(guò)處理的數據，而非傳送大量的原始傳感器數據來(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(xiàn)傳感器節點(diǎn)對數據進(jìn)行本地處理，無(wú)線(xiàn)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(kāi)發(fā)出了一款低功耗DSP來(lái)解決這一問(wèn)題，該低功耗DSP針對處理生理參數進(jìn)行了優(yōu)化。例如，若采用IMEC的BioDSP處理本地心電圖，則采用現貨Zigbee射頻的心電圖貼片的系統功耗將下降近10倍。

　　與人們的預測相反，當用通用微控制器執行本地處理時(shí)，傳感器節點(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)有太多的數據要發(fā)送，而商用微控制器的功耗猛曾，原因是它沒(méi)有針對這類(lèi)處理做優(yōu)化?；谶@個(gè)原因，IMEC和霍爾斯特中心開(kāi)發(fā)了一款專(zhuān)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做了優(yōu)化。

　　通過(guò)選擇正確的ULP 標準模塊，可顯著(zhù)降低無(wú)線(xiàn)醫療設備的功耗。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-低數據傳輸速率）可以將功耗減少10倍。

　　2．增加ULP DSP將功耗降低10倍，有些本地處理在設備或傳感器節點(diǎn)內完成。

　　將ULP射頻和超低功耗DSP策略相結合，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。