藍牙低功耗技術在便攜式醫療設備中的應用研究

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

無線技術一直在取代電線電纜，并通過非臥床病人監測器大大提高了病人的可活動性。目前，便攜式病人監測器、輸液泵、手術腳踏開關以及其它很多醫療設備都有使用無線技術來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題。無線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，從而有望解決功耗難題。藍牙技術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，這意味著這項技術將在標準計算和通信平臺中被廣泛使用。截止當前，無線醫療應用一直依賴定制零部件和平臺實現低功耗，現在終于到了部署真正的低功耗無線醫療應用的時候了。

藍牙低功耗技術與其它無線技術有所不同，因為它將一項從最一開始就針對超低功率電池而設計的標準化技術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，并且還在著手推出應用于其它領域的配置文檔。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，將詳細地介紹如何進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，藍牙低功耗技術在未來短短幾年內將被用于10億多產品中，應用領域包括：

手機配件 》100億

智能能源（計數和顯示）約10億

家居自動化 》 10億

醫療、保健、運動&健身 》100億

輔助起居 》500億

動物標記 約10億

P2P智能運輸系統》10億

I工業自動化/M2M》100億

獨特之處

藍牙低功耗技術是藍牙核心規范4.0（Bluetooth v4.0）的核心。藍牙低功耗技術延續了傳統藍牙技術的很多技術特性，能提供成熟穩定、可靠的連接。藍牙低功耗技術的新特性支持事件驅動數據采集、接近感應和時間同步。但是在很多方面，藍牙低功耗技術是一項新的無線技術。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一樣提供間歇性的數據流連接。例如，傳統藍牙技術支持耳機和音頻數據流，而藍牙低功耗技術模式沒有這個功能。藍牙低功耗技術的特色之處在于面向小型設備的有效發現和連接設置、短數據包和不對稱設計。

圖2 藍牙低功耗技術用40通道取代了傳統藍牙技術的79通道

可實現的最低功耗。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間都處在睡眠模式。當有事件發生的時候，設備會被喚醒，并會有一條短信息被發送至網關、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兼容和實現成本有效，有兩類芯片組：

包括藍牙低功耗和傳統藍牙功能的雙模式技術

優化用于小電池供電裝置的單一藍牙低功耗技術，主要為了實現低成本和低功耗

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線LAN使用的通道之間。

成熟穩定、安全性和可靠性。同傳統藍牙技術一樣，藍牙低功耗技術也使用自適應跳頻（AFH）技術，以便在家庭、工業及醫療應用中嘈雜的RF環境下實現穩定的傳輸。為了將成本和功耗最小化，藍牙低功耗技術將傳統藍牙技術所采用的79個帶寬1MHz的通道縮減成了帶寬2MHz的40路通道。

無線共存

藍牙技術、無線LAN、IEEE 802.15.4/ZigBee和很多專有無線技術都使用無需頒發許可證的2.4GHz工業、科學和醫療（ISM）頻段。這么多技術在一個相同的無線空間內使用相同的無線頻段，干擾的存在會降低無線性能（延遲和吞吐量），因為需要進行糾錯和重新傳送。在要求很高的應用中，可以通過頻率規劃和特殊的天線解決方案來降低干擾。傳統藍牙技術和低功耗藍牙技術都采用了AFH，這使得藍牙傳輸穩定而可靠。AFH還使得藍牙技術對其它無線ISM波段射頻技術的干擾也最小化。

圖4.發送廣播信息的設備會周期性地送出信息，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，低功耗藍牙技術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通過借助一個10dB的無線芯片組能支持高達300米的連接范圍（此時功耗最大）。

使用和集成簡單化

低功耗藍牙解決方案通?；谥?從機制。將一個主裝置與多個從裝置相連接。一個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。低功耗藍牙技術沒有分散網拓撲。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，從裝置才會與之通信。

低功耗藍牙技術的一個新特性就是“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事件或某個測量值。廣播功能可以被用來實現一個跌倒檢測器，檢測器可以廣播它的救助信息，并在此同時將跌倒者的位置發送出去---這一切都無線實現。

軟件架構

低功耗藍牙技術中的所有參數的狀態都可以通過屬性協議進行訪問。所有屬性由描述信號值、報告格式、客戶配置等的特性來進行表述。例如，電池可能有以下特性：

Level： 0–100%

電池量 0-100%

狀態：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。在通用訪問配置文件（GAP）連接中，對發現能力、連接能力和綁定進行了描述。通過這些屬性，可以建立無數個基本服務和配置文件。以下為一些基本服務和配置文件的示例：

接近感應

找到目標

時間

電池

自動I/O

建筑物自動化（溫度、恒溫、濕度）

照明（開/關開關、調光器）

遠程控制器

健身（計步器/活動監測器，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的模式

使用模式示例。由于藍牙低功耗技術降低了功耗和成本，因此可以實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展趨勢。

圖6中所示的架構和圖5類似?；谒{牙技術的實力，依據情況將低功耗藍牙或傳統藍牙技術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在醫院中的使用模式示例

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

隨著這項技術在絕大多數移動裝置中被應用，因此有機會利用現成的可用便攜裝置來實現新的使用模式，使得這些平臺能支持更豐富的用戶接口和通信功能。

責任編輯：gt