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从而延长电池寿命

日期:2019/05/27 17:38

  由于健康监测器如今风靡一时,无线连接有许多不同的选择。针对消费者的健身乐队正在使用最新版本的蓝牙低功耗连接到智能手机,但还有许多其他方式可以提供与健身带的连接,该健身带也可用作无线病人监护仪。

  由于传感器平台基本相同,心跳和血压监测增加了一般的运动跟踪,长距离低功率无线链路可以为频段提供显着更长的电池寿命,减少充电需求系统并实现更完整的数据捕获功能。这些可以与提供恒定链路的网关一起使用,而不是依靠移动电话进行连接,从而提供更可靠和完整的数据收集架构。这种可靠的无线链路越来越重要,因为数据可以直接发送到云进行存储和分析,而不是在充电时从监视器下载。

  由于医疗和健身监视器不需要高数据速率连接,无线链路带宽可以交换更长的范围和更短的电池寿命,在显示器需要充电之前允许更多的数据收集。

  Silicon Labs的Flex Gecko系列无线 MHz sub-GHz和2.4 GHz连接,并提供必要的加密以保护数据。 868 MHz链路提供远程链接到网关以进行数据收集的功能。该芯片结合了ARM®Cortex®-M4控制器内核,256 kB闪存,32 kB RAM和31个数字I/O引脚,可连接传感器以及7个16位定时器和多个通信接口。该发射机使用2 GFSK编码和0.1%误码率(BER),在2.4 kbps时提供20 dBm的最大输出功率和-121 dBm的接收灵敏度。有多种低功耗模式可用于不同的操作级别,有助于将功耗降至最低。这在医疗监控设备中特别有用,该设备每隔几分钟就会唤醒以获取读数并将其传输到网关,然后再回到超低功耗睡眠模式。图1显示了不同的功耗模式,其中大部分芯片保持休眠状态,直到需要发送或接收数据为止。

  sub-GHz协议的优势在于范围。单个网关可以在广泛的范围内为数百或数千个监视器提供服务,在广域网中可以达到10公里。这样就无需在每个家庭中安装单独的网关,从而实现经济高效的监控。

  图1:FlexGecko收发器的低能耗模式如何在可穿戴医疗监护仪的读数之间关闭芯片。

  目前,蓝牙是一种非常重要的医疗监测技术。在各种无线连接设备中采用该技术意味着性能不断提高,同时尺寸和功耗也在降低。采用芯片级封装的单模收发器只需几毫米,可以集成到现有的微控制器封装中,也可以作为可穿戴式医疗监控器的一部分。

  例如,STMicroelectronics的BlueNRG-MS是用于蓝牙4.1规范的单模蓝牙低功耗主/从收发器。它集成了2.4 GHz RF收发器和ARM Cortex-M0控制器内核,可运行针对蓝牙单模协议的功耗优化堆栈。它处理运行蓝牙链路所需的所有GAP和GATT软件以及链路层中的标准AES128加密协议。

  图2:使用带有嵌入式DC-DC转换器的ST BlueNRG蓝牙控制器进行低功耗操作。

  收发器针对低功率进行了优化,可通过标准纽扣电池进行操作。如果使用其嵌入式高效DC-DC降压转换器,则在最高输出功率(+8 dBm)下,最大输入电流仅为15 mA。即使不使用DC-DC转换器,最大输入电流也只有29 mA,仍能保持电池寿命。此外,超低功耗睡眠模式和工作模式之间的非常短的过渡时间导致非常低的平均电流消耗,从而延长电池寿命。

  移动电话技术还为开发无线连接提供了优势。无需确保智能手机可用于连接监视器,而是可以实现单独的链接。这很容易在低成本,无显示的手机平台上开发,该平台已经结合了蓝牙和蜂窝功能。蓝牙链接可以与监视器配对,也可以通过蜂窝链接反馈数据。

  连接多个监视器的另一种方法是使用诸如ZigBee之类的协议。这是针对低功耗进行优化的,与使用与蓝牙相同的免许可2.4 GHz频段的网关进行简单而安全的连接。

  德州仪器(TI)的CC2630采用ZigBee提供极低的有源RF和MCU电流消耗,延长电池寿命。该芯片(如图3所示)包含一个ARM Cortex-M3控制器,作为主处理器以48 MHz运行,并配有独特的超低功耗传感器控制器。该传感器控制器非常适合与外部传感器连接,并在系统其余部分处于睡眠模式时自动收集模拟和数字数据。

  IEEE 802.15.4 MAC嵌入到ROM中,部分运行在ARM Cortex-M0处理器上。这种架构提高了整体系统性能和功耗,并为应用释放了闪存。

  图3:德州仪器的CC2630包含一个自治区数据收集块用于保持监控传感器,同时无线收发器的其余部分保持在睡眠模式。

  另一种方法是在家中使用Wi-Fi模块将显示器连接到互联网。 Inventek Systems ISM4334x-M4G-L44是一款嵌入式无线 GHz频谱下运行(图4)。 Wi-Fi模块的硬件包括ARM Cortex-M4主机处理器,带MAC和基带的双频802.11 a/b/g/n无线和NFC支持。这将允许医疗监视器通过蓝牙连接,并通过附近的Wi-Fi网络转发数据,从而大大简化系统架构并推出。

  图4:Inventek的Wi-Fi模块可用作通过蓝牙连接医疗显示器并链接到现有Wi-Fi的网关网络。

  该模块提供UART和SPI接口,可实现与嵌入式设计的连接,无需操作系统,因为它具有完全集成的TCP/IP堆栈。模块硬件可与Inventek的AT命令集(IWIN)一起用于配置和监视。 Inventek的IWIN,AT命令集允许设计人员快速建立与监视器的连接,最大限度地缩短开发时间,测试例程和认证。

  有许多不同的方式可以无线连接到医疗监视器。虽然蓝牙是健身频带推广的选择,但还有其他技术,如长距离的sub-GHz,低功率的ZigBee和Wi-Fi。挑战在于通过管理低功耗操作模式来获得最佳的整体性能,同时仍然保持可靠的数据收集和传输。