基于无线传感器的个人区域网络

　　本文着眼于无线个域网络中用于医疗监控的不同类型的传感器，以及它们的数据需求如何映射到可用的不同无线网络协议，从 BPAN 到 ZigBee 和蓝牙低功耗。它涵盖了飞思卡尔心电图开发套件等产品，以及德州仪器、飞思卡尔和爱特梅尔的蓝牙和 ZigBee 设备。

　　个人区域网络，尤其是医疗系统，都是关于传感器的。其目的是从身体周围的一系列传感器捕获数据，并将这些信息传送到可以存储、分析并在必要时迅速采取行动的地方。使用电线将传感器连接到基站限制了该技术在病房内的使用，从而限制了可能挽救生命的系统的更广泛使用。使用无线技术将传感器连接到基站正在开辟监测患者的新方法和系统开发的新机遇。

　　据全球技术研究公司 ON World 称，这些无线传感器网络 （WSN） 正在改变消费者和医疗保健组织对健康的看法。

　　2017 年，全球将有 1820 万个健康和保健 WSN 系统（不包括运动和健身设备）出货，这些系统带来的年收入将达到 163 亿美元。云连接服务将在五年内占收入的 53%。

　　届时，血糖管理和心脏/心电图监测等慢性病解决方案将占收入的 60%。然而，在未来五年内，一般健康将增加 1600%，届时它将占设备出货量的 41%。

　　与传感器网络相结合的健康云平台还为远程医疗、远程护理和家庭服务提供商提供捆绑机会，其中一半以上专注于自我管理、预防和一般健康。智能手机和蜂窝创新包括糖尿病管理系统、心电图 （ECG） 监测系统和 NFC 血压监测器。越来越多的蓝牙健康产品与智能手机一起用于血糖监测和血压监测。例如， Parallax

　　的 Polar T34 非编码心率发射器监测，然后将心率数据从胸带无线传输到 Polar WearLink+ 兼容接收器。这允许佩戴者监控他们的心率和相关的生物统计数据。如果该发射器与 Polar WearLink 兼容，则它可以与当地的健身房锻炼设备配对。

　　它无需导电凝胶即可无线传输心率数据，电池可持续使用长达 2500 小时。

　　由于这种增长，出现了两种新的无线协议，将有助于此类系统的开发。低功耗蓝牙是蓝牙 v4.0 的一部分，它提供快速连接以降低功耗，其优势在于可以轻松链接到现有智能手机以进行存储和分析以及向前传输。这使用点对点连接，因此适用于单传感器系统或传感器融合系统，例如图 1 所示的非编码心率发射器。对于身体周围经常使用的蓝牙网络，可能必须考虑加密为了保护常规数据链路不被拦截，无线设备现在包括 128 位 AES 加密块，以轻松保护传感器数据。

　　ZigBee 是另一种无线协议，针对无线传感器网络进行了优化，具有低功耗和短而可靠的链路，可用于从身体周围的传感器传输数据。ZigBee 的一个关键能力是网状网络能力。这允许一个节点从另一个节点转发数据，从而使链接显着缩短。虽然这不适用于高数据速率，但它非常适合流式传输传感器数据和具有多个传感器的医疗网络。例如，心电图心脏监测器可能在胸部的不同点有多个场效应传感器，所有传感器都馈送到一个中央集线器，该集线器整理数据。场效应传感器需要将数据可靠地传输回集线器以捕获所有心跳信息，因为信号的微小变化对医生来说可能很重要。

　　这使得很难使用占空比来降低链路的功耗，因此较短的链路距离意味着与传感器接口的射频收发器的功耗可以显着降低，从而延长电池寿命。

　　用于医疗个人网络的 ZigBee 变体 802.15.4j 于 2013 年 2 月获准使用一组不同的频率。在美国，这是 2.36 GHz 至 2.4 GHz 频段，略低于 Wi-Fi、传统 ZigBee 和蓝牙网络使用的未经许可的 2.4 GHz 频段。这会修改无线链路的 PHY 和 MAC 层，以将这些较少拥塞和监管的频段用于医疗无线传感器网络。由于链路不受干扰，它们可以使用更低的功率并更可靠地运行，从而再次延长为传感器供电的电池的电池寿命，或者允许使用体热和运动等能量收集源代替电池。

　　数字听诊器

　　连接医疗系统的一个例子是数字听诊器，它结合了麦克风和模数转换器，将患者呼吸的声音转换成可以通过无线链路传输的数字流。听诊器模拟前端通常以可选择的模式提供音频输出，这些模式决定了麦克风所需的频率响应和 ADC 的范围。响铃模式（20 Hz 至 220 Hz）模拟听诊器的轻触以拾取低频声音，而隔膜模式（50 Hz 至 600 Hz）模拟更牢固的接触方法以拾取高频声音。扩展范围（20 Hz 至 2000 Hz）当然涵盖了整个范围，而不是模拟传统的声学传感器。

　　数字听诊器前端可以通过标准接口连接到各种处理器平台，例如CC2540，TI 用于蓝牙低功耗 （BLE） 应用的经济高效、低功耗、真正的片上系统 （SoC）。它能够以非常低的总物料清单成本构建强大的 BLE 主节点或从节点，从而连接医疗个人网络中的传感器。

　　CC2540 使用行业标准的增强型 8051 MCU、系统内可编程闪存、8 KB RAM 和极低功耗的睡眠模式，是医疗网络的理想选择。操作模式之间的短转换时间进一步实现了低功耗，因此设备可以快速上电、发送数据并再次断电，从而最大限度地减少能耗。

　　8051 CPU 内核是单周期 8051 兼容内核。它具有三种不同的内存访问总线（SFR、DATA 和 CODE/XDATA）、一个调试接口和一个 18 输入扩展中断单元。

　　内存仲裁器是系统的核心，因为它通过 SFR 总线将 CPU 和 DMA 控制器与物理内存和所有外设连接起来，这使得传感器数据可以流式传输到 RF 收发器。内存仲裁器有四个内存访问点，访问可以映射到三个物理内存之一：SRAM、闪存和 XREG/SFR 寄存器。它负责在对同一物理内存的同时内存访问之间执行仲裁和排序。

　　DMA 控制器中的五个通道提供对外部传感器和使用 XDATA 内存空间的内存的访问；从那里，到所有的物理记忆。每个通道（触发器、优先级、传输模式、寻址模式、源和目标指针以及传输计数）都配置有 DMA 描述符，这些描述符可以位于内存中的任何位置。许多硬件外设（AES 内核、闪存控制器、USART、定时器、ADC 接口等）也可以与 DMA 控制器一起使用，通过在单个 SFR 或 XREG 地址与闪存/SRAM 之间执行数据传输来实现高效操作。这简化了传感器通过 USART 或 ADC 与收发器的连接。

　　中断控制器总共为 18 个中断源提供服务，分为 6 个中断组，每个中断组与四个中断优先级之一相关联，这些中断优先级可以来自连接到设备的任何一个传感器。即使设备处于睡眠模式（电源模式 1 和 2），I/O 和睡眠定时器中断请求也会通过将 CC2540 恢复到活动模式来处理，从而保持低功耗。

　　数据可以通过 ADC 传送到收发器，ADC 支持 7 至 12 位分辨率，相应的带宽范围分别为 30 kHz 至 4 kHz。可以使用多达 8 个输入通道（I/O 控制器引脚）进行 DC 和音频转换。输入可以选择为单端或差分。参考电压可以是内部、AVDD 或单端或差分外部信号。ADC 还具有温度传感器输入通道，可用于医疗监控以简化无线传感器节点的设计。ADC 可以自动执行一系列通道上的周期性采样或转换过程，从而使设计人员无需编写代码。

　　运算放大器旨在为 ADC 提供前端缓冲和增益。输入和输出都可在引脚上使用，因此反馈网络是完全可定制的。斩波稳定模式适用于需要高精度和高增益的应用。

　　对医疗网络中的数据进行加密是设计人员的关键决定。数据链路的功率非常低且范围非常短，因此难以拦截，但确保医疗数据的安全和免受黑客攻击是任何设计的重要元素。ZigBee 在其协议中包含加密，但蓝牙没有，因此必须更多地考虑实现数据安全性。CC2540 中的 AES 加密/解密内核允许用户使用 128 位密钥的 AES 算法加密和解密数据。

　　飞思卡尔半导体的医疗心电图模块 （MED-EKG） 是一款低成本开发板，允许用户快速制作心电图 （EKG/ECG） 应用原型。用户可以选择使用外部模拟组件或使用微控制器的片上模拟模块或两者的混合来开发 EKG/ECG 应用程序。

　　图 ：MED-EKG 开发板的框图。

　　EKG/ECG 软件演示和分步实验室指南均在塔式系统中提供，它还允许使用诸如飞思卡尔第三代 ZigBee 平台等设备添加用于设计无线部分的开发板。MC1322x

　　将低功耗 2.4 GHz 射频收发器与基于 32 位 ARM7 内核的 MCU、IEEE 802.15.4 MAC 和 AES 安全硬件加速以及全套 MCU 外设集成到 99 引脚 LGA 平台中。封装内 （PiP）。

　　32 位 ARM7TDMI-S 内核的工作频率高达 26 MHz，而 128 KB 闪存镜像到 96 KB RAM，因此可以轻松实现上层堆栈和应用软件。此外，80 KB ROM 可用于引导软件、标准化 IEEE 802.15.4 MAC 和通信堆栈软件。全套外设和直接内存访问 （DMA） 引擎支持传感器与收发器的集成。除晶体和天线外，所有组件都集成在封装中，使设备尽可能小而轻。

　　飞思卡尔有两个独立的代码库来支持两个 ZigBee 标准规范，但医疗传感器网络应用的关键是 BeeStack，因为它支持 ZigBee-2007 和 ZigBee Pro 扩展，并将支持 802.15.4j-2013 修正案。

　　BeeStack 架构实现了 ZigBee-2007 协议栈，包括 Stack Profile 1 和 Stack Profile 2 （Pro）。PHY、MAC 和网络 （NWK） 层为应用程序 （APL） 层奠定了基础，但 BeeStack 定义了额外的服务来改进协议栈各层之间的通信。关键是与 IEEE 802.15.4 兼容的 MAC/PHY 层不是 ZigBee 本身的一部分。NWK 层定义路由、网络创建和配置以及设备同步，而应用程序框架 （AF） 支持定义 ZigBee 功能的服务。ZigBee 联盟还定义了针对特定市场的配置文件，并且有针对医疗保健应用的配置文件。

　　Atmel 同样有一个低功耗 2.4 GHz 无线电收发器，专为使用 ZigBee IEEE 802.15.4 协议的医疗传感器而设计。AT86RF231可以使用外部微控制器与收发器连接，除了天线、晶体和去耦电容器外，所有射频关键组件都集成在芯片上。这使得 AT86RF231 特别适用于小型低功耗 MBAN 网络，同时简化了传感器与外部微控制器的连接。

　　这些可以使用主 SPI 接口直接链接到 AT86RF231。SPI 用于寄存器、帧缓冲器、SRAM 和 AES 访问。附加控制信号连接到微控制器的 GPIO/IRQ 接口。引脚 17 （CLKM） 可用作微控制器主时钟源。如果微控制器直接从 CLKM 获得 SPI 主时钟 （SCLK），则 SPI 以同步模式运行，否则以异步模式运行。

　　图 ：通过 SPI 将 Atmel AT86RF321 ZigBee 收发器连接到微控制器。

　　在同步模式下，最大 SCLK 频率为 8 MHz。在异步模式下，最大 SCLK 频率限制为 7.5 MHz。引脚 CLKM 上的信号不需要导出 SCLK，可以禁用以降低功耗和杂散发射。

　　结论

　　新的超低功耗协议将为使用传感器的医疗个人网络带来更长的电池寿命和更大的灵活性。将传感器与单芯片收发器集成提供了一种经济高效的方式，可提供此类应用所需的小尺寸和更长的电池寿命，并且为不同的应用领域和用例选择蓝牙或 ZigBee 为工程师提供了相当大的灵活性优化设计。