便携式医疗系统中无线监控挑战性及要求

本文探讨了便携式医疗系统中无线监控的挑战性要求。 在设计高可靠性医疗设备时需要权衡各种工程环节，从超低功耗收发器和各种协议，到高效电源管理和传感器接口。

便携式医疗器件的开发人员和用户越来越要求增强连接性、延长电池寿命，因此安全性正成为关键问题。

目前有多种应对方式，包括在智能蓝牙等协议中增加安全特性，以使家庭监控更加安全。

IMS Research 预测，纽扣电池供电型医疗器件中使用的智能蓝牙将成为未来几年的热门，仅 2016 年的系统发货量就能超过 470 万套。 智能蓝牙中有三分之一以上将提供无线连接，部分程度上是由于连接安全性的推动作用。

这说明了设计安全性和可靠性、微控制器、无线收发器之间的紧密联系，以及不同因素之间的平衡。

智能蓝牙越来越受欢迎，它可将智能手机用作便携式医疗器件的接口。 手机发送的数据既可在本地处理，也可通过蜂窝网络或本地 Wi-Fi  网络发送到云端进行存储和分析。  如此一来，对设备设计人员的要求显著降低了，但确保数据在传输链中的安全性变却得愈发重要，传输链中的智能蓝牙应用尤其流行。

其中一种方式便是使用蓝牙技术联盟 (SIG) 开发的 Health Device Profile (HDP)。  此方法可优化电池较低漏极的无线链接性能，而且针对特定应用增加了多种格式，尤其是医疗设备。  这意味着医疗产品设计人员可以根据特定应用选择相应的规范，从而降低存储器和电源开销。 HDP  支持医疗和健身应用，如体温测量、血压、体重计、血糖、脉搏血氧饱和度、心率、计步器、速度、距离、周期节奏、简单遥控和电池状态。

图 1：数据流通过蓝牙从无线医疗器件传输到智能手机再到云端。

除数据安全外，智能蓝牙还增加了隐私保护，尤其是当用户在进行户外活动时。 这限制了通过频繁改变的器件随机地址追踪传输器件的能力。

在电子医疗记录和远程医疗日益盛行的趋势之下，医疗从业人员同样有职责像保护传统纸质记录那样，保护患者医疗记录，维护患者治疗隐私。  由于电子文档更容易被复制和传播，电子文件、图像、音频和视频的存储需要更高层次的安全。 因此，在开发任何便携式医疗器件时需要认真考虑数字安全问题。

TI 的 MSP430FR59xx 16 位微控制器系列采用铁电存储器 (FRAM) 实现低功耗存储，在与无线产品结合时，通过智能蓝牙个人保健器件类 (PHDC) 协议，能用于血压监视器、血糖仪、体重秤、脉搏血氧计等。

将传统蓝牙的 AES 加密技术应用到 FRAM 微控制器的硬件加速器中，以便保持尽可能低的功耗。 256 位 AES 引擎可用于  128、196 和 256 位密钥，并且不同类型的加密方式对应不同的 DMA 支持，如 ECB、CBC、OFB 和 CFB。  这样可将数据直接传输到 AES 引擎上，无需使用无线收发器的中央内核，进而降低功耗。

收发器连接也尽可能保持低功耗，带有 12 位模数转换器 (ADC)，200 ksps 时耗电 75 µA，支持最多八通道差分输入。 每个输入还有窗口比较器功能，可以简化数据比较，以便仅捕获显著改变，从而进一步降低医疗应用的功耗。

让无线固件更容易更新，为时间敏感的数据存储提供更快速的响应，控制器中的 FRAM 存储器可由此节省 12-15% 的电池寿命。  此外，FRAM 续航时间长，不需要外部 EEPROM，因为代码存储在内部，所以设计更加安全，并可降低功耗、物料清单和制造复杂度。 器件还包括  IP 防护、器件 ID、篡改检测和安全数据记录，以进一步保护无线系统中运行的数据。

超低功耗模式对此类型的设计也至关重要，该平台可支持七种低功耗模式，可在 6 µs 内快速唤醒。

这些微控制器用于配合无线收发器使用，如 Texas Instruments 的 CC2541  蓝牙收发器。 包括名为 BLE 堆栈的免费固件，它能实现便携式设计的空中 (OTA) 下载，让升级更加容易。  控制器、主机和应用处理器全部集成到一个 6 mm x 6 mm 的封装中。 收发器 18.5 mA  传输电流的低功耗设计意味着，它能靠单颗纽扣电池工作一年以上。

图 2：CC2541 开发套件包括用于安全无线链路的智能蓝牙收发器。

Dialog Semiconductor 的 DA14580 采用了不同的方法。 这是一款全集成无线电收发器和智能蓝牙基带处理器。 它可用作独立应用处理器，或者作为带有单独微控制器的托管型系统的数据泵。

DA14580 支持存储蓝牙规范和自定义应用代码的灵活存储架构，可以通过 OTA 更新。 智能蓝牙协议堆栈存储在专门的 ROM 中，通过简单调度程序在集成的 16 MHz ARM Cortex-M0 处理器上运行。

图 3：Dialog Semiconductor 的 DA14580 整合了带 2.4 GHz 智能蓝牙收发器的 ARM Cortex-M0 内核。

智能蓝牙固件包括 L2CAP 服务层协议、安全管理器 (SM)、属性协议 (ATT)、通用规范 (GATT) 以及通用访问规范 (GAP)，128 位 AES 加密处理器支持这些协议，可确保数据流安全。

为了简化设备设计，收发器一端直接连接天线，另一端有链路层专用加速器，可提供 93 dB 链路预算。 设计中的所有 RF 代码块均通过片载低压差稳压器 (LDO) 提供，可按代码块编程，并经过最小功耗优化。

DA14580 搭载 Dialog 的 SmartSnippets 蓝牙软件平台，包括符合要求的片载智能蓝牙单模式堆栈。  其配有各种消费者健康、运动、健身、安全和近端应用的标准智能蓝牙规范，其它用户规范可以轻松开发并加入到堆栈中。 SmartSnippets  软件开发环境是基于 Keil 的 uVision 工具，其中包括嵌入式和托管模式的范例代码。

但并非所有的便携式医疗设计都需要智能蓝牙。 家用健康监控系统可以使用 Silicon Labs 的 Si106x/8x  等器件，连接到家庭网络而非移动电话，以便利用集线器中的其它计算资源来确保安全性。 对于不超出家庭范围的系统，这种方案所需器件更小巧、成本更低。  106x/108x 将高性能无线连接和超低功耗 8051 微控制器处理整合到外形尺寸为 5 mm x 6 mm 的芯片中。 可支持 142 到  1050 MHz 范围的主要频率带宽，包括集成的先进数据包处理引擎和实现高达 146 dB 链路预算的能力。  这样即可允许设计人员平衡链路预算、低功耗范围和更长的电池寿命。

图 4：Si106x 收发器整合了带 sub-GHz 无线链路的 8051 控制器内核，适用于家庭低成本监控。

Silicon Labs  器件经过优化，通过最大限度地降低传输、接收、工作模式、休眠模式电流并支持快速唤醒功能，能将电池供电型应用的能耗降至最低。 Si106x 无线  MCU 与 Si108x 器件引脚兼容，闪存容量从 8 扩展到 64 kB，并可提供坚固的模数外设，包括 ADC、双比较器、计时器和 GPIO。

结论

安全性正成为无线便携式医疗设备日益重要的设计要求。  使用智能蓝牙的最新规范能增加安全链路，同时优化特定医疗应用设计，尽可能实现最长的电池寿命。  可以通过结合超低功耗微控制器和收发器，或通过高度集成的片上系统设计实现。  也可通过更简单的链接到家庭网络的收发器来实现，家庭网络的处理能力更强，可确保数据在传输链路中保持安全。