藍(lán)牙低功耗技術(shù)在便攜式醫(yī)療設(shè)備中的應(yīng)用研究

功耗問題是當(dāng)前便攜式醫(yī)療設(shè)備所面臨的最棘手的問題之一。藍(lán)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(dòng)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(lán)牙低功耗芯片組現(xiàn)有兩種版本

感謝藍(lán)牙4.0版規(guī)范中推出了藍(lán)牙低功耗技術(shù)，從而有望解決功耗難題。藍(lán)牙技術(shù)正在逐步深入設(shè)計(jì)人員和消費(fèi)者之中。Microsoft和Apple最近都宣布支持這項(xiàng)新技術(shù)，這意味著這項(xiàng)技術(shù)將在標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算和通信平臺(tái)中被廣泛使用。截止當(dāng)前，無線醫(yī)療應(yīng)用一直依賴定制零部件和平臺(tái)實(shí)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(shí)候了。

藍(lán)牙低功耗技術(shù)與其它無線技術(shù)有所不同，因?yàn)樗鼘⒁豁?xiàng)從最一開始就針對超低功率電池而設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)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(lán)牙低功耗技術(shù)還將被集成到大多數(shù)便攜設(shè)備中。

藍(lán)牙特別興趣小組（SIG）工作組已經(jīng)推出了針對醫(yī)療護(hù)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(lán)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(xì)地介紹如何進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化和兼容映像，以便讓采用IEEE 11073標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)也能使用藍(lán)牙數(shù)據(jù)。

據(jù)藍(lán)牙SIG預(yù)測，藍(lán)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(jī)配件 》100億

智能能源（計(jì)數(shù)和顯示）約10億

家居自動(dòng)化 》 10億

醫(yī)療、保健、運(yùn)動(dòng)&健身 》100億

輔助起居 》500億

動(dòng)物標(biāo)記 約10億

P2P智能運(yùn)輸系統(tǒng)》10億

I工業(yè)自動(dòng)化/M2M》100億

獨(dú)特之處

藍(lán)牙低功耗技術(shù)是藍(lán)牙核心規(guī)范4.0（Bluetooth v4.0）的核心。藍(lán)牙低功耗技術(shù)延續(xù)了傳統(tǒng)藍(lán)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(lán)牙低功耗技術(shù)的新特性支持事件驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)采集、接近感應(yīng)和時(shí)間同步。但是在很多方面，藍(lán)牙低功耗技術(shù)是一項(xiàng)新的無線技術(shù)。藍(lán)牙4.0的根本不同之處在于它被設(shè)計(jì)用于傳送小批量的數(shù)據(jù)，而不是像傳統(tǒng)藍(lán)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(lán)牙技術(shù)支持耳機(jī)和音頻數(shù)據(jù)流，而藍(lán)牙低功耗技術(shù)模式?jīng)]有這個(gè)功能。藍(lán)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(jì)。

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

可實(shí)現(xiàn)的最低功耗。從物理設(shè)計(jì)到使用模式，一切都是圍繞保持最小功耗而設(shè)計(jì)。為了降低功耗，藍(lán)牙低功耗設(shè)備大多數(shù)時(shí)間都處在睡眠模式。當(dāng)有事件發(fā)生的時(shí)候，設(shè)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(jī)。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(lán)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(lán)牙技術(shù)兼容和實(shí)現(xiàn)成本有效，有兩類芯片組：

包括藍(lán)牙低功耗和傳統(tǒng)藍(lán)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(lán)牙低功耗技術(shù)，主要為了實(shí)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(lán)牙技術(shù)一樣，藍(lán)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(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的傳輸。為了將成本和功耗最小化，藍(lán)牙低功耗技術(shù)將傳統(tǒng)藍(lán)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。

無線共存

藍(lán)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(gè)相同的無線空間內(nèi)使用相同的無線頻段，干擾的存在會(huì)降低無線性能（延遲和吞吐量），因?yàn)樾枰M(jìn)行糾錯(cuò)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(lán)牙技術(shù)和低功耗藍(lán)牙技術(shù)都采用了AFH，這使得藍(lán)牙傳輸穩(wěn)定而可靠。AFH還使得藍(lán)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(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(zhǔn)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(lán)牙技術(shù)，低功耗藍(lán)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(lán)牙技術(shù)通過借助一個(gè)10dB的無線芯片組能支持高達(dá)300米的連接范圍（此時(shí)功耗最大）。

使用和集成簡單化

低功耗藍(lán)牙解決方案通常基于主/從機(jī)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(lán)牙技術(shù)沒有分散網(wǎng)拓?fù)?。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(lán)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(gè)事件或某個(gè)測量值。廣播功能可以被用來實(shí)現(xiàn)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---這一切都無線實(shí)現(xiàn)。

軟件架構(gòu)

低功耗藍(lán)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(jìn)行訪問。所有屬性由描述信號值、報(bào)告格式、客戶配置等的特性來進(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(shè)備已有的標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行了描述。通過這些屬性，可以建立無數(shù)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(yīng)

找到目標(biāo)

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/關(guān)開關(guān)、調(diào)光器）

遠(yuǎn)程控制器

健身（計(jì)步器/活動(dòng)監(jiān)測器，心率監(jiān)測器）

醫(yī)療設(shè)備（血糖計(jì)、測重計(jì)，等）

圖5. 在家中使用醫(yī)療藍(lán)牙低功率技術(shù)的模式

使用模式示例。由于藍(lán)牙低功耗技術(shù)降低了功耗和成本，因此可以實(shí)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(jī)，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。

圖6中所示的架構(gòu)和圖5類似。基于藍(lán)牙技術(shù)的實(shí)力，依據(jù)情況將低功耗藍(lán)牙或傳統(tǒng)藍(lán)牙技術(shù)用于醫(yī)院中的重要生命跡象監(jiān)測器。

總結(jié)

圖6 醫(yī)療藍(lán)牙低功耗技術(shù)在醫(yī)院中的使用模式示例

藍(lán)牙低功耗技術(shù)是強(qiáng)大的應(yīng)用催化器，將改變我們的無線應(yīng)用體驗(yàn)。其低功耗和低成本以及其成熟穩(wěn)定的通信技術(shù)，使得其成為家庭及醫(yī)院低功耗醫(yī)療應(yīng)用的理想選擇。

隨著這項(xiàng)技術(shù)在絕大多數(shù)移動(dòng)裝置中被應(yīng)用，因此有機(jī)會(huì)利用現(xiàn)成的可用便攜裝置來實(shí)現(xiàn)新的使用模式，使得這些平臺(tái)能支持更豐富的用戶接口和通信功能。

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