如何利用Wi-Fi模块进行可穿戴医疗设备的原型开发?

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连接技术正经历着爆炸式发展,给人们的健康和保健带来深远影响。对于入门者来说,医疗设备已不必再把病人禁锢到医院病床上,或者甚至是一台医疗设施中;医生现在可远程监控放置在病人身上的设备,即使在飞机上也能进行调整。

这种进步在很大程度上归功于手机、电脑、可穿戴外设和个人局域网(PAN) 的不断融合。从经济角度来看,具有成本意识的保险公司正大力推动可穿戴医疗设备,因为对即将发生的情况提前进行探测和预测能够减少病人的治疗费用。

本文介绍利用现成Wi-Fi 模块进行可穿戴医疗设备的原型开发。这些设备可以加快实际医疗传感器和电路的开发,并在需要时作为OEM 解决方案,或者如果用作参考设计,在产品发布前将其吸纳到电路板中。本文引用的所有设备、规格书以及培训材料均可在Digi-Key 网站上找到。

为什么选择Wi-Fi

在PAN 中有多种相互竞争的有线和无线协议可供使用。无线解决方案包括Wi-Fi、ZigBee、蓝牙、ANT+、6LoWPAN 和Z-Wave。虽然所有这些协议都具有诸如功耗更低、协议复杂性和开销更小、流量更少等实实在在的竞争优势,但鉴于多方面的原因,Wi-Fi 在占领医疗设备市场时也许处于最有利的地位。

其中一个原因就是相比其它几个协议,Wi-Fi 部署极为广泛。现在,咖啡厅、饭店,甚至是公共场所都安装了Wi-Fi,这对于需要通过公共基础设施直接连接云和专业医疗人员的医疗设备来说,无疑是一个理想的连接通道。采用可穿戴医疗设备时,这种直接通道在可穿戴主机电脑故障时可用作备用通道。

另一个原因是所有智能手机都普遍地支持Wi-Fi。也就是说,智能手机已成为可穿戴设备的计算和通信功能聚合器,为我们的医疗设备提供了一条通过3G/4G/5G 等服务连接云的低功耗、不间断链路。

另外,Wi-Fi 具有基本的安全和加密功能。除了不希望任何人截取您的医疗数据或者入侵您的心脏起搏器外,例如采用IPv6 时就会有足够的IP 地址用于唯一地识别每个人的设备。寻址已不是问题。

最后,目前有多种很好的现成Wi-Fi 解决方案可直接用在芯片和模块化形式的产品中。这样,您就能充分利用这种技术,而不必深陷于技术本身的各种错综复杂的深奥理论中。现已有各种现成的样例方案、代码、布局和应用支持。

考虑模块

对于设计人员来说,把一个参考设计复制、粘贴到PCB 上似乎是相当琐屑的事情。毕竟这些设计的制造、测试和特征化过程已完成。会出现什么问题?

然而在现实世界中,因为影响RF 性能的因素如此之多,所以即使是RF 芯片制造商也可能不得不对其PCB 演示板和开发板进行多次迭代处理。此外,欲使PCB 通过测试就需要经过耗时、费钱的认证过程,但每一次与RF 无关的改动都可能将我们置于需要重做PCB 的风险之中。这会极大提高成本和风险,延长产品上市时间。

鉴于多种原因,为原型开发和初始生产指定模块是一个不错的选择。这些模块最初提供FCC、TUV 认证以及多个特定频率,以求全球适用。此外,可对这些模块进行测试,也可抛开其它系统元件对其单独开发。这样,尤其在因为各种材料非常靠近天线而影响RF 性能时,您就能测试外壳、间距、元件放置情况以获得最高性能。

使用模块的最大优势之一是能够同步进行设计。在RF 模块进行幕后开发的同时,即可进行主应用的设计、原型开发和测试。这会减轻一些压力,因为即使初期产品生产也可利用OEM Wi-Fi 模块进行,且这些模块的成本非常合理。

发现模式

数据速率有助于确定哪种模块最适合您。不是每一种应用都需要高速和大量电力。我们以支持11-Mbit/s 802.11b 标准的MikroElectronika 3.3 V 通用型MIKROE-1135 Wi-Fi 模块为例。这种集成式PCB 板天线的覆盖距离为400 m,且固件编码式协议栈允许您的嵌入式微处理器通过标准UART 与其通讯。这种咬接安装式模块可插入插座中,方便快速升级和装配(图1),同时配备参考示意图和代码样例。MikroElectronika 还提供其模块化Click™ 系列的其它RF 模块。

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图1:咬接式模块可插入插座中用于开发和测试,也允许在确定PCB 最优位置时进行自由测量,以实现最佳性能。

H&D Wireless 的HDG104-DN-2 增加了54 Mbit/s 数据速率支持能力,是一款同时支持802.11b 和g 协议的模块。工作电压为2.7 - 3.3 V,整个模块采用类似于QFN 44 引脚SMT 芯片的封装,所占电路板面积仅7.1 x 7.7 mm 。

该模块的一个亮点是不需要进行RF 调整,且设备利用已分配的MAC 地址经过预校准。该模块基于具有内部导引ROM 的Atmel AVR 处理器,可从主机系统获取一个40 MHz 时钟(或者如果为其增加一个本地振荡器,可提供一个同样的时钟),以使主机系统与所有必要的内部微处理器和RF 频率同步。该模块还可为低功耗模式采用32.768 kHz 时钟,这种情况下采用软关断段模式时的功耗为15 mW。该器件确实使用一个外部天线并通过SPI 进行串行通讯。该器件还具有数字式I/O(图2)。

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图2:要充分发挥这种芯片式模块的优势,所需要的只是时钟、电源和串行通讯。外部天线可能不需要调整。

Texas Instruments 也提供了一些可直接使用的54 Mbit/s Wi-Fi 模块,如WL1831MODGBMOCT 模块,这些模块组合了Wi-Fi 802.11 b/g/n 收发器与蓝牙收发器。该模块属于WiLink™ 系列,基于TI 的Sitara 微处理器,并预先将支持Linux、Android、Wi-Fi 和蓝牙的堆栈和软件与 AM335x 开发套件集成在一起。

其它几个可以直接使用的竞争产品如Microchip 的RN171XVS-I/RM 通用型54 Mbits/s Wi-Fi 模块、采用表面贴装电路板的54 Mbit/s H&D SPB800-BCP1。此处最值得注意的是,能使具有UART 或RS-232 连接功能的任何设备以无线方式连接互联网或者局域网。

速度更快

Murata 推出一款稍快的器件——数据速率为65 Mbit/s 的TN 型802.11b/g/n 和蓝牙4.0 组合模块LBEE5ZSTNC-523。Murata 还有一个能将医疗设备与蓝牙以及甚至是与900 MHz 无线电连接的RF 模块,可实现更大的覆盖范围和更强的穿墙能力(图3)。

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图3:模块化无线选择有多种,它们都能使可穿戴医疗设备与其它非Wi-Fi 网络连接,甚至与很少使用的900 MHz 频段连接,以实现更清晰的通道和更大的传输距离。

Inventek 提供一款很吸引人的UART 馈入式ISM43362-M3G-L44-E-C2.4.0.2 模块,用于802.11 b/g/n Wi-Fi 且带有微带天线,也能连接外部天线(图4)。该器件也可进行简单的串行通讯,但凭借多个SPI、UART 和USB 端口,该器件本身就可作为一个微型集线器(注意,也可作为模块上的A/D 转换器,用于混合信号功能)。

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图4:当模块上有一个以上串行端口时,该模块可作为一个微型通讯集线器以及多个医疗设备的服务器。这样,象EKG 探头等多个分布式传感器仅需单个RF 通道即可。

BlueGiga 有一个WF111 和WF121 Wi-Fi 模块系列,这些器件带或不带外部天线,如72 Mbit/s WF111-E 带外部天线,而WF121-A 采用内部天线。Sagrad SG901-1059B-5.0-H 拥有更快的数据速率,达到了150 Mbit/s,是一款采用外部天线的通用型802.11 b/g/n/ 模块。集成式RT3070 单芯片解决方案使用USB 2.0 接口,集成了一个150 Mbit/s 的PHY,且完全符合802.11n 3.0 草案和特性集要求。请注意,为使该零件发挥全部性能,需要采用300 或400-MIPS 进程进行充分驱动。到目前为止,32 位ARM 和x86 架构已利用该模块通过测试,就像64 位x86 处理器一样。

总结

医疗设备制造商在病人使用和医生使用的健康产品开发领域是专家,但未必同样精通无线通讯技术。这就是为什么模块化解决方案能让这些制造商更轻松地设计其无线版医疗传感器或治疗系统。在一个团队在努力开发最优医疗解决方案同时,另一个团队就可开发必要的低成本RF 链路。这样就能提供一个风险最低、成本可能更低且更快速面市的解决方案,在需要重复进行FCC 认证测试时尤其如此。

 

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