无线传感器应用广泛 超低功耗射频技术详解

无线医疗设备能提高患者的舒适度和以前未所未有的方式对患者进行监测。但首先，对功耗加以优化尤为重要。

无线传感器节点

无线设备已经改变了我们的工作和休闲环境—它们也可能同样改变我们的医疗设施。无线设备一个有趣的应用是无线传感器节点，后者可以用来监测心率、脑电波、体温、血压和其它生命体征。

目前，重症监护病房已使用人体传感器来监测病人和在病人的病情发生变化时提醒医生。传感器通过电缆连接到电脑。虽然在这种情况下这不算根本性问题，但是无线传感器节点能够让医院和其它地方的门诊病人从中受益是显而易见的事。



图1：一款睡眠监测系统由一条带有三个传感器节点的头巾组成。这三个传感器节点对两路EGG通道（脑电图）、两路眼动电图、一路肌动电图进行测量，分别监测大脑的活动、眼球的活动和下巴肌肉的活动。
目前，进行睡眠监测试验的患者必须戴上通过一束电线连接到电脑的传感器，这会让患者觉得不舒服。研究机构IMEC和霍尔斯特中心开发了一款头巾式无线监控系统，该系统有五个集成式传感器，能采集和传送做有效睡眠测试所需要的所有数据（图1）。

这个装置能改善患者在医院进行睡眠测试过程中的舒适度，并且省去了电缆。荷兰睡眠失调中心Kempenhaeghe已完成的测试表明，这款无线监控系统能像有线系统一样有效地运行。可以想象：在不太远的将来，病人去看医生时拿到一个睡眠测试帽，然后在家即可完成测试。再由睡眠失调专业医师远程分析结果。



图2：在帽上中集成脑电图传感器，用于监测癫痫患者

一旦无线传感器节点成为主流，将会有大量的新应用涌现。传感器节点可以被集成到诸多产品中，包括毛毯、汽车座椅和衣服等。例如，集成有脑电图传感器的棒球帽可以连续地测量癫痫病人的大脑活动（图2）。衬衫也可以兼作心电图监测仪。无线传感器节点有无限种用途。

要实现我们所设想的无线传感器节点，仍需要进行大量研究和开发。其中一个难题与功耗有关。由于节点不是有线连接到电网的，所以必须使用电池。而电池的尺寸应尽可能小，以匹配集成到衣服中的微型系统。如果小尺寸不是第一考虑因素，那么把降低功耗意味着设备能支持更长时间的自主性或支持其它更多功能，而对植入式传感器节点而言，电池能长期间使用是必需的。



图 3 ：传感器节点的基本构成部件。
IMEC和霍尔斯特中心正在开发一款心电图绑带，该产品像运动员所用的传统心脏监测带一样使用。这款带子不仅能监测心跳，还可以记录和传送完整的心电图。该设备可供有心脏病的户外活动爱好者非常方便地使用，或在竞技活动中使用（这款带子已经在布鲁塞尔马拉松里进行过测试）。目的难题在于要将系统小型化和实现足够水平的自立性。根据应用的不同，可能是要能使用几天或永久性使用。最终目标是要将这款电子心脏专家集成到一个小盒子中，而这个小盒子要能附着在一条带子上（图4），或者能嵌入到一件衬衫里则更好。
图4：IMEC和霍尔斯特中心已开发了一款心电图带子。研究人员目前正在试图缩小其尺寸，同时提高其自主性。



功耗可通过检查传感器的单独标准构件来预算心电图传感器节点的功率：传感和读取单元、无线通讯、数字信号处理器（DSP）和供电单元。显然，节点中最耗电的是射频芯片，射频芯片负责传感器数据的无线传输（图5）。通常，实现无线通讯功能所耗费的功率占总功率预算的50％至85％。



图5：对传感器节点的构成部件做功耗分析的结果表明：传感器节点中最耗能的是无线组件。



图6：另一个降低传感器节点功耗的途径是使用专用的超低功率射频组件来代替非专门设计的低功率射频组件。若用IMEC的BAN射频组件替代现货供应的Zigbee这类射频组件来传输未经处理的心电图，能将整个系统功率降低10倍。

无线传感器节点面临的挑战因素

医疗/体育无线传感器网络节点包括：

? 一个用来测量人体参数的传感器（如，检查血糖水平）
? 一个用来执行某个动作的执行器（如，胰岛素注射）
? 一个将模拟传感器的数据转换成数字信号的模拟接口
? 一个数字信号处理器（DSP）。实际上，DSP相当于一台微型计算机，若有需要，它能收集所有数据，进行一些计算并做出决定（例如，如果血糖水平大于X，则注射y微升的胰岛素）
? 一个无线芯片，用于将数据无线传送到手机或医生的笔记本电脑
? 由电池和电源管理电路组成的电源。对某些应用而言，可以增加能源收集设备，如，太阳能电池或振动能转换器。
当你打开电费帐单，发现电视用电最多的时候，你会怎么做？是去买一台节能型LED电视还是缩短电视的收看时间？IMEC和霍尔斯特中心的研究人员对传感器节点无线采取了类似的策略。