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射频传感器

射频传感器 无线医疗设备能提高患者的舒适度和以前未?所未有的方式对患者进行监测。但首先,对功耗加以优化尤为重要…

射频传感器

无线医疗设备能提高患者的舒适度和以前未?所未有的方式对患者进行监测。但首先,对功耗加以优化尤为重要。≒

本文引用地址:http://www.‖eepw.com.cn/article/201706/350081.htm

无?线传感器节点

无线?设备已经改变了我们的工¤作和休闲环境—它们也※可能同样改变我们?的医疗设施。无线设备一?个有趣的应用是无线传感器节点,后者可以用来监测心率、脑电波、体温、血压和其它生命体征。

目前∩,重症监护病房已使用人体传感器来监测病人和在?病人的病情发生变化时提醒医生。传感器通过电缆连∑接到电脑。虽?然在这种情况下这不算根本性问题,但是无线传感器节点2能够让医院和其它地方的门诊?病人从中受益是£显而易见的事?。

图1:一款睡眠监μ测系≠统由?一条带有三个传感 ?器节点的头巾组射频传感器成。这三个传感器节点对两路EGG通道(脑电图ml)、?两路眼动电图、一路肌动电图进行测量,分别监测大脑的活动、眼球的活动和下巴肌肉的活动。
目前,进行睡?眠监测试验=的患者必须戴上通?过一束电线连接到电脑的传感器,这会让患者觉得不舒服。研究机构IMEC和∮霍尔斯特中心开?发了一款头巾式∴无线监控系统,该系统有五个集成式传感器,能采集和传∵㎏送做有效睡眠测试所需?要的所有数据(图1)。

这个装置能√改善患者在医院进行睡眠测试过程中的舒适度,并且省去了电缆。荷兰睡眠失调中心Kempenhaeghe已完成的测试表明,这款无线监控系统能像有线*系统一样有效地运行。可以想象:㏑在不太远的将来,∏病人去看医生时拿到一个睡眠测试帽,然后在家即可完成测试。再由睡眠失调专业医师远程/分析结果。

图2:在帽上中集成脑电图传感器,用于监测癫痫患者

一旦无线传感±器节点成为主流,?将会有大量的﹢新应用涌现。传感器节点可以被集成到诸多产≦品中,包括?毛毯、汽车座椅和衣服等。例?如,集成有脑电图传感器?的棒球帽可?以连续地测量癫⌒痫病人的大脑活动(图2)。衬衫也可以兼作心电图监¢测仪。无线传感器节点有§无限种用途。

要实现我们所设想的?无线传感器节点,仍需要进行大量研究和开发。其中一个难题与功∝耗有关。由于节点不是有线连接到电网的,∣所以必须使用电池。而电池的尺寸应尽可能小,以匹配集成到衣服中的微型系统。如果小尺寸?不是第一考虑因素,那么把降低功耗意味着设备能支持更长时间的自主?性或支持其它更多功?能,≧而对植入式传感器节点而言,电池能长期间使用是必需的。

图 3 :?传感器节点的基本构成部件。
IMEC%和霍尔斯特中心正在开发一款心电图绑带,该产品像运动员所用的传统?心脏监测$?带一样使用。这款带子不仅能监测心跳,还可以记录和传送完整的心电图。该设备可供有心脏病?的户外活动爱?好者非常方便地使用,或在竞技活动♂中使用(这款带子已经在布?鲁塞尔马拉松里进行过测⊙试)。目的难题在于要将系㈱统小型化和实现足够水平的自立性。根据应用的不同,可能?是要能使用几天?或永久性使用。最?终目标是要将这款电子心脏专家集成到一个小盒子中,而这个♀小盒子要能附着在一条带子上?(?图?4),或者能嵌入到一件衬??衫里则更好∠。
图4:IMEC和霍尔斯特中心已开发了一款心电图带子。研究?人员目前正在试图缩小其尺寸,同时提高其自主性。

功耗可通㎡过检查传感器的单独标准构件来预?算心电?图传感器节点的功率:传感和读取单元、无线通讯?、数字信号处理器(DSP)和供电单元。显然,节点中最耗电的是射频?芯片,射频芯片负责传感器数据的无线传输¬(图5)。通常,实现无线通讯功能所耗费的功率占总功率预算的50%至85%。

图5:对传感器节点的构成部?件做功耗分析的结果+表明:传感器节点中最耗能的是无线组件。

图6:另一个降低传感器节点功耗的途径是使用专用的超低功率射频组件来代替非专门设计?的低功率射频组件。若£用IMEC的BAN射频组件替代现货供应的Zigbee这?类?射频组件来传输未经处理的心电图,能将?整个系统?功率降低10倍。

㎎无线传感∈器节点面临⊿的挑战因素

医疗?/体育无线传感器网络节点№包括:

? 一?个用mol来测量人体?参数的传㎜感器(〒如,检×查血糖水≈平)
? 一个用来执行某个动作的执行器(如,胰岛素?注射)
? 一?个将模拟传感器的数据转?换成数字信号的模拟接口
? 一∟个数字信号处理器(DSP)。实际上,DSP相当于一台微∷型计算机,若有需要*,它能收集所有数?据,进行一些计¥算并做出决定(例如,如果血?糖水平大于X,则注射y微升的胰岛素)
?1 一个无线芯片,用于?将数据无线传送到手机或医生的笔记本电脑
? 由电池和电源管理电路组成的电源。对某些应用而言,可以增加?能源收集设备,如,太∥阳能电池或振动能m转换器。
?当你打开电费″帐单,发现电视用电最多的时≡候,你会怎么做?是去买一台节能型LED电视还是缩短电视的收看时间?IMEC和霍尔斯特中心的研究人员对传感器节点无线采取了类似的策略?。

超低功耗射频技术

IMEC和霍尔斯特中心开发了几类超低功率(ULP)射频技术,每类技术针对一类不?同的应用。这三种射?频架构能支持从高到低的数据速率。?详细内容见下文。

开发出的第一项技℡术—基于脉冲的超宽带(UWB)射频技?术,它是低功耗和中速数据传送(100千字节/秒20兆字=节/秒)的∷独特组合。超宽带(UWB)射频适?用于传感器数据与流媒体相结合的应用:有两个应用例子,其中一个应用是一款能够与MP3播放器进行通讯的心搏带℉(当心率在慢跑期间加速时,播放节奏减弱的音乐)?,另一个应用是与MP3播放器进行无线通信的助听器。如果将UL?P UWB无线射频技术和监测带、助听器和MP3播放器相结合,那么系统功耗小于5毫瓦且具有极佳抗干㏄扰能力。相比用于中速数据传送的商业㎝低功耗无线射频,UWB射频系统∶的功耗降低了五倍。UWB 无线射频工作在610千兆赫的无线电频段。相?比◎工·作在2.45 &nd≤ash; G﹥Hz ISM频段同类竞争蓝牙设备,它要少很多干扰问题。

UWB射频还有一个用处:定位3。无线射频信号覆盖很广,可以通过雷达这类方式确定设备所在位置。能在不需要基础设施或三角测量(要得到准确定位至少需要三?台设备)的条件下定位一﹢台设备, 这在许多应用都是一种独特功能。目前,仍需要使用多项技术才能实现内?部定位。

图7:通过本地处理(见右图),减少了需要传送的数据量。

第二类架构是一类窄带BAN 射频(图%?6),适合于低?速‰@数据传送(64,128,2﹤56,?512和1024 KB× /秒),其功耗甚?至比㎞UWB射频还要低。该技术针对佩戴在身体上的传感器节点进行了优化。在数据传送速率?为1 Mb /秒的情况下>,其接?收功耗为1 mW,传送功耗为0.9 mW,没有占空比。?而若是⊕采用Zigbee或其它技术,则系统的功耗-会?提高10到100o倍。窄带 B∫AN工作在2.4 GH3z ISM或?850950 UHF射频波段。

?第三种可?选技术—唤醒射频—≮针对极低数据传输速率和超低功耗(持续续工作∽时为60微瓦)而开发。该射频技术可以和传统射频技术并行工作,在需要接收或发送数据时打开开关。通过工作在这种方式省电。例如,手机上具有蓝牙功能的射频组件会不断寻找蓝牙设备?,这样会消耗很大?功率。通过将蓝牙射频组件和唤醒射频㏕组件相?结合,后?者可以在它需要连接到另一个蓝牙设备的时候启动蓝牙无线。一个潜在的医?学应用是,将其用于实现需要定期传送数据到?医生电脑的植入式传感器。

降低功耗

另一个降低无线传感器′节点功耗的方法是减少必℅须传送到人体中央设备或笔记⊥本电脑的数据量。可?以通过在节?点内本地处理一部分数据和发送少量经过处理的数据,而非传送大量的原∧?始传感器数据来做到这点。另外一个优点?是,病人能及时获得反馈。

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图8:通过在无线传感器节点对数据进行本地处理,无线组件的功耗下降?。但是,这会增大通用微处理器的功耗,两者相抵消了。研∞究人员开发出了一款低功耗DSP来解决这一∨问题,该?低功≯耗DSP针对处理生理参数进行了优化。例如,若采用IMEC的BioDSP处理㏒本地心电图m,则采用﹣现货Zigbee?射频的心电图贴片的系统功耗将下降近10倍。

与人们的预测相反,当用通用微控制器执行本地处理时,传感器节点的功耗会增加。射频组件的功耗会降低,原因是它没有太多的数据要发送,?而商用微控制器的功耗猛曾,原因是它没有∪针对这类处理做优化。基于这个原因,IMEC和霍尔斯特中心开发了一?款专用超低功耗?DS?P,它针对脑电?图、心电图、眼电图<及≌肌电图等生理参数做了优化。

超低功耗的崭新未来

通过选择正确的?UL﹣P 标准模块,可显着降低无线医疗设备的功耗。本文概述了两种?策略:

1.增加超低功耗射频(UWB、BAN或唤醒射频,针对中-低数据传输速率)可以将功耗减少10倍。

2.增加ULP DSP将功耗降低10倍,有些本地?处理在设备或?传感器节点内完成℃÷。

将ULP射频和超低功耗DSP策略相结合,能使心电图贴片的功耗≥降低18倍,¥?让我们更进一步接近广泛使用的人体佩戴自主传感器。

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作者: mgnqyz

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