便携式医疗系统中无线监控的挑战性要求

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。

IMSResearch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HealthDeviceProfile（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。

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MSP430FR59xx16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），200ksps时耗电75µA，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6µs内快速唤醒。

这些微控制器用于配合无线收发器使用，如TexasInstruments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6mmx6mm的封装中。收发器18.5mA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。

DialogSemiconductor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16MHzARMCortex-M0处理器上运行。

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93dB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SiliconLabs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5mmx6mm的芯片中。可支持142到1050MHz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146dB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。

SiliconLabs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64kB，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。