中心議題：

• 探討超低功耗射頻技術
• 認識傳感器節點的基本構成部件

解決方案：

• 通過在無線傳感器節點對數據進行本地處理
• 降低無線傳感器節點功耗

無線醫療設備能提高患者的舒適度和以前未所未有的方式對患者進行監測。但首先
，對功耗加以優化尤為重要。

無線傳感器節點

無線設備已經改變了我們的工作和休閑環境―它們也可能同樣改變我們的醫療設施。無線設備一個有趣的應用是無線傳感器節點，後者可以用來監測心率
、腦電波、體溫、血壓和其它生命體征。

目mu前qian，重zhong症zheng監jian護hu病bing房fang已yi使shi用yong人ren體ti傳chuan感gan器qi來lai監jian測ce病bing人ren和he在zai病bing人ren的de病bing情qing發fa生sheng變bian化hua時shi提ti醒xing醫yi生sheng。傳chuan感gan器qi通tong過guo電dian纜lan連lian接jie到dao電dian腦nao。雖sui然ran在zai這zhe種zhong情qing況kuang下xia這zhe不bu算suan根gen本ben性xing問wen題ti，但dan是shi無wu線xian傳chuan感gan器qi節jie點dian能neng夠gou讓rang醫yi院yuan和he其qi它ta地di方fang的de門men診zhen病bing人ren從cong中zhong受shou益yi是shi顯xian而er易yi見jian的de事shi。
目前
，進行睡眠監測試驗的患者必須戴上通過一束電線連接到電腦的傳感器
，這會讓患者覺得不舒服。研究機構IMEC和霍爾斯特中心開發了一款頭巾式無線監控係統，該係統有五個集成式傳感器
，能采集和傳送做有效睡眠測試所需要的所有數據（圖1）。

這個裝置能改善患者在醫院進行睡眠測試過程中的舒適度，並且省去了電纜。荷蘭睡眠失調中心Kempenhaeghe已完成的測試表明

，這款無線監控係統能像有線係統一樣有效地運行。可以想象：在不太遠的將來
，病人去看醫生時拿到一個睡眠測試帽，然後在家即可完成測試。再由睡眠失調專業醫師遠程分析結果。 一旦無線傳感器節點成為主流，將會有大量的新應用湧現。傳感器節點可以被集成到諸多產品中，包括毛毯
、汽車座椅和衣服等。例如，集成有腦電圖傳感器的棒球帽可以連續地測量癲癇病人的大腦活動（圖2）。襯衫也可以兼作心電圖監測儀。無線傳感器節點有無限種用途。

要(yao)實(shi)現(xian)我(wo)們(men)所(suo)設(she)想(xiang)的(de)無(wu)線(xian)傳(chuan)感(gan)器(qi)節(jie)點(dian)
，仍(reng)需(xu)要(yao)進(jin)行(xing)大(da)量(liang)研(yan)究(jiu)和(he)開(kai)發(fa)。其(qi)中(zhong)一(yi)個(ge)難(nan)題(ti)與(yu)功(gong)耗(hao)有(you)關(guan)。由(you)於(yu)節(jie)點(dian)不(bu)是(shi)有(you)線(xian)連(lian)接(jie)到(dao)電(dian)網(wang)的(de)
，所(suo)以(yi)必(bi)須(xu)使(shi)用(yong)電(dian)池(chi)。而(er)電(dian)池(chi)的(de)尺(chi)寸(cun)應(ying)盡(jin)可(ke)能(neng)小(xiao)，以(yi)匹(pi)配(pei)集(ji)成(cheng)到(dao)衣(yi)服(fu)中(zhong)的(de)微(wei)型(xing)係(xi)統(tong)。如(ru)果(guo)小(xiao)尺(chi)寸(cun)不(bu)是(shi)第(di)一(yi)考(kao)慮(lv)因(yin)素(su)，那(na)麼(me)把(ba)降(jiang)低(di)功(gong)耗(hao)意(yi)味(wei)著(zhe)設(she)備(bei)能(neng)支(zhi)持(chi)更(geng)長(chang)時(shi)間(jian)的(de)自(zi)主(zhu)性(xing)或(huo)支(zhi)持(chi)其(qi)它(ta)更(geng)多(duo)功(gong)能(neng)
，而(er)對(dui)植(zhi)入(ru)式(shi)傳(chuan)感(gan)器(qi)節(jie)點(dian)而(er)言(yan)
，電(dian)池(chi)能(neng)長(chang)期(qi)間(jian)使(shi)用(yong)是(shi)必(bi)需(xu)的(de)。
IMEC和he霍huo爾er斯si特te中zhong心xin正zheng在zai開kai發fa一yi款kuan心xin電dian圖tu綁bang帶dai，該gai產chan品pin像xiang運yun動dong員yuan所suo用yong的de傳chuan統tong心xin髒zang監jian測ce帶dai一yi樣yang使shi用yong。這zhe款kuan帶dai子zi不bu僅jin能neng監jian測ce心xin跳tiao，還hai可ke以yi記ji錄lu和he傳chuan送song完wan整zheng的de心xin電dian圖tu。該gai設she備bei可ke供gong有you心xin髒zang病bing的de戶hu外wai活huo動dong愛ai好hao者zhe非fei常chang方fang便bian地di使shi用yong
，或huo在zai競jing技ji活huo動dong中zhong使shi用yong（這款帶子已經在布魯塞爾馬拉鬆裏進行過測試）。目mu的de難nan題ti在zai於yu要yao將jiang係xi統tong小xiao型xing化hua和he實shi現xian足zu夠gou水shui平ping的de自zi立li性xing。根gen據ju應ying用yong的de不bu同tong，可ke能neng是shi要yao能neng使shi用yong幾ji天tian或huo永yong久jiu性xing使shi用yong。最zui終zhong目mu標biao是shi要yao將jiang這zhe款kuan電dian子zi心xin髒zang專zhuan家jia集ji成cheng到dao一yi個ge小xiao盒he子zi中zhong，而er這zhe個ge小xiao盒he子zi要yao能neng附fu著zhe在zai一yi條tiao帶dai子zi上shang（圖4），或者能嵌入到一件襯衫裏則更好。 [page]
功耗可通過檢查傳感器的單獨標準構件來預算心電圖傳感器節點的功率：傳感和讀取單元
、無線通訊、數字信號處理器（DSP）和供電單元。顯然
，節點中最耗電的是射頻芯片
，射頻芯片負責傳感器數據的無線傳輸（圖5）。通常
，實現無線通訊功能所耗費的功率占總功率預算的50％至85％。
無線傳感器節點麵臨的挑戰因素

醫療/體育無線傳感器網絡節點包括：

•一個用來測量人體參數的傳感器（如，檢查血糖水平）

•一個用來執行某個動作的執行器（如

，胰島素注射）

•一個將模擬傳感器的數據轉換成數字信號的模擬接口

•一個數字信號處理器（DSP）。實際上

，DSP相當於一台微型計算機
，若有需要
，它能收集所有數據
，進行一些計算並做出決定（例如，如果血糖水平大於X
，則注射y微升的胰島素）

•一個無線芯片
，用於將數據無線傳送到手機或醫生的筆記本電腦

•由電池和電源管理電路組成的電源。對某些應用而言，可以增加能源收集設備
，如
，太陽能電池或振動能轉換器。

當你打開電費帳單

，發現電視用電最多的時候，你會怎麼做？是去買一台節能型LED電視還是縮短電視的收看時間？IMEC和霍爾斯特中心的研究人員對傳感器節點無線采取了類似的策略。
[page]
超低功耗射頻技術

IMEC和霍爾斯特中心開發了幾類超低功率（ULP）射頻技術，每類技術針對一類不同的應用。這三種射頻架構能支持從高到低的數據速率。詳細內容見下文。

開發出的第一項技術―基於脈衝的超寬帶（UWB）射頻技術，它是低功耗和中速數據傳送（100千字節/秒~20兆字節/秒）的獨特組合。超寬帶（UWB）射頻適用於傳感器數據與流媒體相結合的應用：有兩個應用例子
，其中一個應用是一款能夠與MP3播放器進行通訊的心搏帶（當心率在慢跑期間加速時，播放節奏減弱的音樂）
，另一個應用是與MP3播放器進行無線通信的助聽器。如果將ULP UWB無線射頻技術和監測帶、助聽器和MP3播放器相結合，那麼係統功耗小於5毫瓦且具有極佳抗幹擾能力。相比用於中速數據傳送的商業低功耗無線射頻
，UWB射頻係統的功耗降低了五倍。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頻段同類競爭藍牙設備，它要少很多幹擾問題。

UWB射頻還有一個用處：定位。無線射頻信號覆蓋很廣，可以通過雷達這類方式確定設備所在位置。能在不需要基礎設施或三角測量（要得到準確定位至少需要三台設備）的條件下定位一台設備
，這在許多應用都是一種獨特功能。目前
，仍需要使用多項技術才能實現內部定位。 第二類架構是一類窄帶BAN射頻（圖6）
，適合於低速數據傳送（64，128，256，512和1024KB /秒），其功耗甚至比UWB射頻還要低。該技術針對佩戴在身體上的傳感器節點進行了優化。在數據傳送速率為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，則係統的功耗會提高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―喚醒射頻―針對極低數據傳輸速率和超低功耗（持續續工作時為60微瓦）而er開kai發fa。該gai射she頻pin技ji術shu可ke以yi和he傳chuan統tong射she頻pin技ji術shu並bing行xing工gong作zuo，在zai需xu要yao接jie收shou或huo發fa送song數shu據ju時shi打da開kai開kai關guan。通tong過guo工gong作zuo在zai這zhe種zhong方fang式shi省sheng電dian。例li如ru，手shou機ji上shang具ju有you藍lan牙ya功gong能neng的de射she頻pin組zu件jian會hui不bu斷duan尋xun找zhao藍lan牙ya設she備bei，這zhe樣yang會hui消xiao耗hao很hen大da功gong率lv。通tong過guo將jiang藍lan牙ya射she頻pin組zu件jian和he喚huan醒xing射she頻pin組zu件jian相xiang結jie合he，後hou者zhe可ke以yi在zai它ta需xu要yao連lian接jie到dao另ling一yi個ge藍lan牙ya設she備bei的de時shi候hou啟qi動dong藍lan牙ya無wu線xian。一yi個ge潛qian在zai的de醫yi學xue應ying用yong是shi，將jiang其qi用yong於yu實shi現xian需xu要yao定ding期qi傳chuan送song數shu據ju到dao醫yi生sheng電dian腦nao的de植zhi入ru式shi傳chuan感gan器qi。
[page]
降低功耗

另(ling)一(yi)個(ge)降(jiang)低(di)無(wu)線(xian)傳(chuan)感(gan)器(qi)節(jie)點(dian)功(gong)耗(hao)的(de)方(fang)法(fa)是(shi)減(jian)少(shao)必(bi)須(xu)傳(chuan)送(song)到(dao)人(ren)體(ti)中(zhong)央(yang)設(she)備(bei)或(huo)筆(bi)記(ji)本(ben)電(dian)腦(nao)的(de)數(shu)據(ju)量(liang)。可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)在(zai)節(jie)點(dian)內(nei)本(ben)地(di)處(chu)理(li)一(yi)部(bu)分(fen)數(shu)據(ju)和(he)發(fa)送(song)少(shao)量(liang)經(jing)過(guo)處(chu)理(li)的(de)數(shu)據(ju)
，而(er)非(fei)傳(chuan)送(song)大(da)量(liang)的(de)原(yuan)始(shi)傳(chuan)感(gan)器(qi)數(shu)據(ju)來(lai)做(zuo)到(dao)這(zhe)點(dian)。另(ling)外(wai)一(yi)個(ge)優(you)點(dian)是(shi)，病(bing)人(ren)能(neng)及(ji)時(shi)獲(huo)得(de)反(fan)饋(kui)。 yurenmendeyucexiangfan，dangyongtongyongweikongzhiqizhixingbendichulishi，chuanganqijiediandegonghaohuizengjia。shepinzujiandegonghaohuijiangdi，yuanyinshitameiyoutaiduodeshujuyaofasong，ershangyongweikongzhiqidegonghaomengzeng
，yuanyinshitameiyouzhenduizheleichulizuoyouhua。jiyuzhegeyuanyin

，IMEC和霍爾斯特中心開發了一款專用超低功耗DSP，它針對腦電圖
、心電圖、眼電圖及肌電圖等生理參數做了優化。

超低功耗的嶄新未來

通過選擇正確的ULP 標準模塊
，可顯著降低無線醫療設備的功耗。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，針對中-低數據傳輸速率）可以將功耗減少10倍。

2．增加ULP DSP將功耗降低10倍，有些本地處理在設備或傳感器節點內完成。

將ULP射頻和超低功耗DSP策略相結合，能使心電圖貼片的功耗降低18倍，讓我們更進一步接近廣泛使用的人體佩戴自主傳感器。