無線傳感器節(jié)點(diǎn)面臨的挑戰(zhàn)因素 - 無線醫(yī)療設(shè)備-超低功耗射頻技術(shù)詳解

無線傳感器節(jié)點(diǎn)面臨的挑戰(zhàn)因素

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

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

?一個(gè)用來執(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)無線芯片，用于將數(shù)據(jù)無線傳送到手機(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），另一個(gè)應(yīng)用是與MP3播放器進(jìn)行無線通信的助聽器。如果將ULP UWB無線射頻技術(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)低功耗無線射頻，UWB射頻系統(tǒng)的功耗降低了五倍。UWB 無線射頻工作在6~10千兆赫的無線電頻段。相比工作在2.45 ? GHz ISM頻段同類競(jìng)爭(zhēng)藍(lán)牙設(shè)備，它要少很多干擾問題。

UWB射頻還有一個(gè)用處：定位。無線射頻信號(hào)覆蓋很廣，可以通過雷達(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。

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?？梢酝ㄟ^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)過處理的數(shù)據(jù)，而非傳送大量的原始傳感器數(shù)據(jù)來做到這點(diǎn)。另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，病人能及時(shí)獲得反饋。

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，原因是它沒有針對(duì)這類處理做優(yōu)化?；谶@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

通過選擇正確的ULP 標(biāo)準(zhǔn)模塊，可顯著降低無線醫(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。