連接技術(shù)正經(jīng)歷著爆炸式發(fā)展，給人們的健康和保健帶來(lái)深遠(yuǎn)影響。 對(duì)于入門者來(lái)說(shuō)，醫(yī)療設(shè)備已不必再把病人禁錮到醫(yī)院病床上，或者甚至是一臺(tái)醫(yī)療設(shè)施中；醫(yī)生現(xiàn)在可遠(yuǎn)程監(jiān)控放置在病人身上的設(shè)備，即使在飛機(jī)上也能進(jìn)行調(diào)整。

這種進(jìn)步在很大程度上歸功于手機(jī)、電腦、可穿戴外設(shè)和個(gè)人局域網(wǎng) （PAN） 的不斷融合。 從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)看，具有成本意識(shí)的保險(xiǎn)公司正大力推動(dòng)可穿戴醫(yī)療設(shè)備，因?yàn)閷?duì)即將發(fā)生的情況提前進(jìn)行探測(cè)和預(yù)測(cè)能夠減少病人的治療費(fèi)用。

本文介紹利用現(xiàn)成 Wi-Fi 模塊進(jìn)行可穿戴醫(yī)療設(shè)備的原型開(kāi)發(fā)。 這些設(shè)備可以加快實(shí)際醫(yī)療傳感器和電路的開(kāi)發(fā)，并在需要時(shí)作為 OEM 解決方案，或者如果用作參考設(shè)計(jì)，在產(chǎn)品發(fā)布前將其吸納到電路板中。 本文引用的所有設(shè)備、規(guī)格書(shū)以及培訓(xùn)材料均可在 Digi-Key 網(wǎng)站上找到。

為什么選擇 Wi-Fi？

在 PAN 中有多種相互競(jìng)爭(zhēng)的有線和無(wú)線協(xié)議可供使用。 無(wú)線解決方案包括 Wi-Fi、ZigBee、藍(lán)牙、ANT+、6LoWPAN 和 Z-Wave。 雖然所有這些協(xié)議都具有諸如功耗更低、協(xié)議復(fù)雜性和開(kāi)銷更小、流量更少等實(shí)實(shí)在在的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，但鑒于多方面的原因，Wi-Fi 在占領(lǐng)醫(yī)療設(shè)備市場(chǎng)時(shí)也許處于最有利的地位。

其中一個(gè)原因就是相比其它幾個(gè)協(xié)議，Wi-Fi 部署極為廣泛。 現(xiàn)在，咖啡廳、飯店，甚至是公共場(chǎng)所都安裝了 Wi-Fi，這對(duì)于需要通過(guò)公共基礎(chǔ)設(shè)施直接連接云和專業(yè)醫(yī)療人員的醫(yī)療設(shè)備來(lái)說(shuō)，無(wú)疑是一個(gè)理想的連接通道。 采用可穿戴醫(yī)療設(shè)備時(shí)，這種直接通道在可穿戴主機(jī)電腦故障時(shí)可用作備用通道。

另一個(gè)原因是所有智能手機(jī)都普遍地支持 Wi-Fi。 也就是說(shuō)，智能手機(jī)已成為可穿戴設(shè)備的計(jì)算和通信功能聚合器，為我們的醫(yī)療設(shè)備提供了一條通過(guò) 3G/4G/5G 等服務(wù)連接云的低功耗、不間斷鏈路。

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醫(yī)療數(shù)據(jù)或者入侵您的心臟起搏器外，例如采用 IPv6 時(shí)就會(huì)有足夠的 IP 地址用于唯一地識(shí)別每個(gè)人的設(shè)備。 尋址已不是問(wèn)題。

最后，目前有多種很好的現(xiàn)成 Wi-Fi 解決方案可直接用在芯片和模塊化形式的產(chǎn)品中。 這樣，您就能充分利用這種技術(shù)，而不必深陷于技術(shù)本身的各種錯(cuò)綜復(fù)雜的深?yuàn)W理論中。 現(xiàn)已有各種現(xiàn)成的樣例方案、代碼、布局和應(yīng)用支持。

考慮模塊

對(duì)于設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，把一個(gè)參考設(shè)計(jì)復(fù)制、粘貼到 PCB 上似乎是相當(dāng)瑣屑的事情。 畢竟這些設(shè)計(jì)的制造、測(cè)試和特征化過(guò)程已完成。 會(huì)出現(xiàn)什么問(wèn)題？

然而在現(xiàn)實(shí)世界中，因?yàn)橛绊?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對(duì)其 PCB 演示板和開(kāi)發(fā)板進(jìn)行多次迭代處理。 此外，欲使 PCB 通過(guò)測(cè)試就需要經(jīng)過(guò)耗時(shí)、費(fèi)錢的認(rèn)證過(guò)程，但每一次與 RF 無(wú)關(guān)的改動(dòng)都可能將我們置于需要重做 PCB 的風(fēng)險(xiǎn)之中。 這會(huì)極大提高成本和風(fēng)險(xiǎn)，延長(zhǎng)產(chǎn)品上市時(shí)間。

鑒于多種原因，為原型開(kāi)發(fā)和初始生產(chǎn)指定模塊是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。 這些模塊最初提供 FCC、TUV 認(rèn)證以及多個(gè)特定頻率，以求全球適用。 此外，可對(duì)這些模塊進(jìn)行測(cè)試，也可拋開(kāi)其它系統(tǒng)元件對(duì)其單獨(dú)開(kāi)發(fā)。 這樣，尤其在因?yàn)楦鞣N材料非?？拷?a target="_blank">天線而影響 RF 性能時(shí)，您就能測(cè)試外殼、間距、元件放置情況以獲得最高性能。

使用模塊的最大優(yōu)勢(shì)之一是能夠同步進(jìn)行設(shè)計(jì)。 在 RF 模塊進(jìn)行幕后開(kāi)發(fā)的同時(shí)，即可進(jìn)行主應(yīng)用的設(shè)計(jì)、原型開(kāi)發(fā)和測(cè)試。 這會(huì)減輕一些壓力，因?yàn)榧词钩跗诋a(chǎn)品生產(chǎn)也可利用 OEM Wi-Fi 模塊進(jìn)行，且這些模塊的成本非常合理。

發(fā)現(xiàn)模式

數(shù)據(jù)速率有助于確定哪種模塊最適合您。 不是每一種應(yīng)用都需要高速和大量電力。 我們以支持 11-Mbit/s 802.11b 標(biāo)準(zhǔn)的 MikroElectronika 3.3 V 通用型 MIKROE-1135 Wi-Fi 模塊為例。 這種集成式 PCB 板天線的覆蓋距離為 400 m，且固件編碼式協(xié)議棧允許您的嵌入式微處理器通過(guò)標(biāo)準(zhǔn) UART 與其通訊。 這種咬接安裝式模塊可插入插座中，方便快速升級(jí)和裝配（圖 1），同時(shí)配備參考示意圖和代碼樣例。 MikroElectronika 還提供其模塊化 Click? 系列的其它 RF 模塊。

圖 1：咬接式模塊可插入插座中用于開(kāi)發(fā)和測(cè)試，也允許在確定 PCB 最優(yōu)位置時(shí)進(jìn)行自由測(cè)量，以實(shí)現(xiàn)最佳性能。

H&D Wireless 的 HDG104-DN-2 增加了 54 Mbit/s 數(shù)據(jù)速率支持能力，是一款同時(shí)支持 802.11b 和 g 協(xié)議的模塊。 工作電壓為 2.7 - 3.3 V，整個(gè)模塊采用類似于 QFN 44 引腳 SMT 芯片的封裝，所占電路板面積僅 7.1 x 7.7 mm 。

該模塊的一個(gè)亮點(diǎn)是不需要進(jìn)行 RF 調(diào)整，且設(shè)備利用已分配的 MAC 地址經(jīng)過(guò)預(yù)校準(zhǔn)。 該模塊基于具有內(nèi)部導(dǎo)引 ROM 的 Atmel AVR 處理器，可從主機(jī)系統(tǒng)獲取一個(gè) 40 MHz 時(shí)鐘（或者如果為其增加一個(gè)本地振蕩器，可提供一個(gè)同樣的時(shí)鐘），以使主機(jī)系統(tǒng)與所有必要的內(nèi)部微處理器和 RF 頻率同步。 該模塊還可為低功耗模式采用 32.768 kHz 時(shí)鐘，這種情況下采用軟關(guān)斷段模式時(shí)的功耗為 15 mW。 該器件確實(shí)使用一個(gè)外部天線并通過(guò) SPI 進(jìn)行串行通訊。 該器件還具有數(shù)字式 I/O（圖 2）。

圖 2：要充分發(fā)揮這種芯片式模塊的優(yōu)勢(shì)，所需要的只是時(shí)鐘、電源和串行通訊。 外部天線可能不需要調(diào)整。

Texas Instruments 也提供了一些可直接使用的 54 Mbit/s Wi-Fi 模塊，如 WL1831MODGBMOCT 模塊，這些模塊組合了 Wi-Fi 802.11 b/g/n 收發(fā)器與藍(lán)牙收發(fā)器。 該模塊屬于 WiLink? 系列，基于 TI 的 Sitara 微處理器，并預(yù)先將支持 Linux、Android、Wi-Fi 和藍(lán)牙的堆棧和軟件與 AM335x 開(kāi)發(fā)套件集成在一起。

其它幾個(gè)可以直接使用的競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品如 Microchip 的 RN171XVS-I/RM 通用型 54 Mbits/s Wi-Fi 模塊、采用表面貼裝電路板的 54 Mbit/s H&D SPB800-BCP1。 此處最值得注意的是，能使具有 UART 或 RS-232 連接功能的任何設(shè)備以無(wú)線方式連接互聯(lián)網(wǎng)或者局域網(wǎng)。

速度更快

Murata 推出一款稍快的器件——數(shù)據(jù)速率為 65 Mbit/s 的 TN 型 802.11b/g/n 和藍(lán)牙 4.0 組合模塊 LBEE5ZSTNC-523。 Murata 還有一個(gè)能將醫(yī)療設(shè)備與藍(lán)牙以及甚至是與 900 MHz 無(wú)線電連接的 RF 模塊，可實(shí)現(xiàn)更大的覆蓋范圍和更強(qiáng)的穿墻能力（圖 3）。

圖 3：模塊化無(wú)線選擇有多種，它們都能使可穿戴醫(yī)療設(shè)備與其它非 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)連接，甚至與很少使用的 900 MHz 頻段連接，以實(shí)現(xiàn)更清晰的通道和更大的傳輸距離。

Inventek 提供一款很吸引人的 UART 饋入式 ISM43362-M3G-L44-E-C2.4.0.2 模塊，用于 802.11 b/g/n Wi-Fi 且?guī)в形炀€，也能連接外部天線（圖 4）。 該器件也可進(jìn)行簡(jiǎn)單的串行通訊，但憑借多個(gè) SPI、UART 和 USB 端口，該器件本身就可作為一個(gè)微型集線器（注意，也可作為模塊上的 A/D 轉(zhuǎn)換器，用于混合信號(hào)功能）。

圖 4：當(dāng)模塊上有一個(gè)以上串行端口時(shí)，該模塊可作為一個(gè)微型通訊集線器以及多個(gè)醫(yī)療設(shè)備的服務(wù)器。 這樣，象 EKG 探頭等多個(gè)分布式傳感器僅需單個(gè) RF 通道即可。

BlueGiga 有一個(gè) WF111 和 WF121 Wi-Fi 模塊系列，這些器件帶或不帶外部天線，如 72 Mbit/s WF111-E 帶外部天線，而 WF121-A 采用內(nèi)部天線。 Sagrad SG901-1059B-5.0-H 擁有更快的數(shù)據(jù)速率，達(dá)到了 150 Mbit/s，是一款采用外部天線的通用型 802.11 b/g/n/ 模塊。 集成式 RT3070 單芯片解決方案使用 USB 2.0 接口，集成了一個(gè) 150 Mbit/s 的 PHY，且完全符合 802.11n 3.0 草案和特性集要求。 請(qǐng)注意，為使該零件發(fā)揮全部性能，需要采用 300 或 400-MIPS 進(jìn)程進(jìn)行充分驅(qū)動(dòng)。 到目前為止，32 位 ARM 和 x86 架構(gòu)已利用該模塊通過(guò)測(cè)試，就像 64 位 x86 處理器一樣。

總結(jié)

醫(yī)療設(shè)備制造商在病人使用和醫(yī)生使用的健康產(chǎn)品開(kāi)發(fā)領(lǐng)域是專家，但未必同樣精通無(wú)線通訊技術(shù)。 這就是為什么模塊化解決方案能讓這些制造商更輕松地設(shè)計(jì)其無(wú)線版醫(yī)療傳感器或治療系統(tǒng)。 在一個(gè)團(tuán)隊(duì)在努力開(kāi)發(fā)最優(yōu)醫(yī)療解決方案同時(shí)，另一個(gè)團(tuán)隊(duì)就可開(kāi)發(fā)必要的低成本 RF 鏈路。 這樣就能提供一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)最低、成本可能更低且更快速面市的解決方案，在需要重復(fù)進(jìn)行 FCC 認(rèn)證測(cè)試時(shí)尤其如此。