淺析基于低功耗藍牙技術(shù)的新型便攜醫療設備設計方案

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

無(wú)線(xiàn)技術(shù)一直在取代電線(xiàn)電纜，并通過(guò)非臥床病人監測器大大提高了病人的可活動(dòng)性。目前，便攜式病人監測器、輸液泵、手術(shù)腳踏開(kāi)關(guān)以及其它很多醫療設備都有使用無(wú)線(xiàn)技術(shù)來(lái)保持與監測和信息系統的連接。

便攜醫療設備目前所面臨的難題之一就是功耗問(wèn)題。無(wú)線(xiàn)連接的功耗要求限制了架構和應用。

圖1 藍牙低功耗芯片組現有兩種版本

感謝藍牙4.0版規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(zhù)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(wú)線(xiàn)醫療應用一直依賴(lài)定制零部件和平臺實(shí)現低功耗，現在終于到了部署真正的低功耗無(wú)線(xiàn)醫療應用的時(shí)候了。

藍牙低功耗技術(shù)與其它無(wú)線(xiàn)技術(shù)有所不同，因為它將一項從最一開(kāi)始就針對超低功率電池而設計的標準化技術(shù)和基于傳感器數據采集的新架構結合在了一起。藍牙低功耗技術(shù)還將被集成到大多數便攜設備中。

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

據藍牙SIG預測，藍牙低功耗技術(shù)在未來(lái)短短幾年內將被用于10億多產(chǎn)品中，應用領(lǐng)域包括：

手機配件 >100億

智能能源(計數和顯示)約10億

家居自動(dòng)化 > 10億

醫療、保健、運動(dòng)健身 >100億

輔助起居 >500億

動(dòng)物標記 約10億

P2P智能運輸系統>10億

I工業(yè)自動(dòng)化/M2M>100億

獨特之處

藍牙低功耗技術(shù)是藍牙核心規范4.0(Bluetooth v4.0)的核心。藍牙低功耗技術(shù)延續了傳統藍牙技術(shù)的很多技術(shù)特性，能提供成熟穩定、可靠的連接。藍牙低功耗技術(shù)的新特性支持事件驅動(dòng)數據采集、接近感應和時(shí)間同步。但是在很多方面，藍牙低功耗技術(shù)是一項新的無(wú)線(xiàn)技術(shù)。藍牙4.0的根本不同之處在于它被設計用于傳送小批量的數據，而不是像傳統藍牙技術(shù)一樣提供間歇性的數據流連接。例如，傳統藍牙技術(shù)支持耳機和音頻數據流，而藍牙低功耗技術(shù)模式?jīng)]有這個(gè)功能。藍牙低功耗技術(shù)的特色之處在于面向小型設備的有效發(fā)現和連接設置、短數據包和不對稱(chēng)設計。

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

可實(shí)現的最低功耗。從物理設計到使用模式，一切都是圍繞保持最小功耗而設計。為了降低功耗，藍牙低功耗設備大多數時(shí)間都處在睡眠模式。當有事件發(fā)生的時(shí)候，設備會(huì )被喚醒，并會(huì )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藍牙技術(shù)功耗的10分之一。在低占空比應用中，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藍牙技術(shù)兼容和實(shí)現成本有效，有兩類(lèi)芯片組：

包括藍牙低功耗和傳統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(shí)現低成本和低功耗

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

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

無(wú)線(xiàn)共存

藍牙技術(shù)、無(wú)線(xiàn)LAN、IEEE 802.15.4/ZigBee和很多專(zhuān)有無(wú)線(xiàn)技術(shù)都使用無(wú)需頒發(fā)許可證的2.4GHz工業(yè)、科學(xué)和醫療(ISM)頻段。這么多技術(shù)在一個(gè)相同的無(wú)線(xiàn)空間內使用相同的無(wú)線(xiàn)頻段,干擾的存在會(huì )降低無(wú)線(xiàn)性能(延遲和吞吐量),因為需要進(jìn)行糾錯和重新傳送。在要求很高的應用中，可以通過(guò)頻率規劃和特殊的天線(xiàn)解決方案來(lái)降低干擾。傳統藍牙技術(shù)和低功耗藍牙技術(shù)都采用了AFH，這使得藍牙傳輸穩定而可靠。AFH還使得藍牙技術(shù)對其它無(wú)線(xiàn)ISM波段射頻技術(shù)的干擾也最小化。

圖4.發(fā)送廣播信息的設備會(huì )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(shí)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

相比傳統藍牙技術(shù),低功耗藍牙技術(shù)的調制方法略有不同。調制方式的差異使得低功耗藍牙技術(shù)通過(guò)借助一個(gè)10dB的無(wú)線(xiàn)芯片組能支持高達300米的連接范圍(此時(shí)功耗最大)。

使用和集成簡(jiǎn)單化

低功耗藍牙解決方案通?；谥?從機制。將一個(gè)主裝置與多個(gè)從裝置相連接。一個(gè)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(méi)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(huì )與之通信。

低功耗藍牙技術(shù)的一個(gè)新特性就是“廣播”功能(圖4)。從裝置可以通過(guò)這一途徑來(lái)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(gè)事件或某個(gè)測量值。廣播功能可以被用來(lái)實(shí)現一個(gè)跌倒檢測器,檢測器可以廣播它的救助信息，并在此同時(shí)將跌倒者的位置發(fā)送出去---這一切都無(wú)線(xiàn)實(shí)現。

軟件架構

低功耗藍牙技術(shù)中的所有參數的狀態(tài)都可以通過(guò)屬性協(xié)議進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。所有屬性由描述信號值、報告格式、客戶(hù)配置等的特性來(lái)進(jìn)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，用于確定所有設備已有的標準特性集合。在通用訪(fǎng)問(wèn)配置文件(GAP)連接中，對發(fā)現能力、連接能力和綁定進(jìn)行了描述。通過(guò)這些屬性，可以建立無(wú)數個(gè)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

找到目標

時(shí)間

電池

自動(dòng)I/O

建筑物自動(dòng)化(溫度、恒溫、濕度)

照明(開(kāi)/關(guān)開(kāi)關(guān)、調光器)

遠程控制器

健身(計步器/活動(dòng)監測器,心率監測器)

醫療設備(血糖計、測重計,等)

圖5. 在家中使用醫療藍牙低功率技術(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(shí)現從家庭到醫院的很多醫療使用模式。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(guò)圖5中所示的使用模式，在家中記錄下數據和確定病情的發(fā)展趨勢。

圖6中所示的架構和圖5類(lèi)似?；谒{牙技術(shù)的實(shí)力,依據情況將低功耗藍牙或傳統藍牙技術(shù)用于醫院中的重要生命跡象監測器。

總結

圖6 醫療藍牙低功耗技術(shù)在醫院中的使用模式示例

藍牙低功耗技術(shù)是強大的應用催化器，將改變我們的無(wú)線(xiàn)應用體驗。其低功耗和低成本以及其成熟穩定的通信技術(shù)，使得其成為家庭及醫院低功耗醫療應用的理想選擇。

隨著(zhù)這項技術(shù)在絕大多數移動(dòng)裝置中被應用，因此有機會(huì )利用現成的可用便攜裝置來(lái)實(shí)現新的使用模式，使得這些平臺能支持更豐富的用戶(hù)接口和通信功能。

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