連接技術正經(jīng)歷著爆炸式發(fā)展，給人們的健康和保健帶來深遠影響。 對于入門者來說，醫(yī)療設備已不必再把病人禁錮到醫(yī)院病床上，或者甚至是一臺醫(yī)療設施中；醫(yī)生現(xiàn)在可遠程監(jiān)控放置在病人身上的設備，即使在飛機上也能進行調(diào)整。

這種進步在很大程度上歸功于手機、電腦、可穿戴外設和個人局域網(wǎng) （PAN） 的不斷融合。 從經(jīng)濟角度來看，具有成本意識的保險公司正大力推動可穿戴醫(yī)療設備，因為對即將發(fā)生的情況提前進行探測和預測能夠減少病人的治療費用。

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

為什么選擇 Wi-Fi？

在 PAN 中有多種相互競爭的有線和無線協(xié)議可供使用。 無線解決方案包括 Wi-Fi、ZigBee、藍牙、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)議復雜性和開銷更小、流量更少等實實在在的競爭優(yōu)勢，但鑒于多方面的原因，Wi-Fi 在占領醫(yī)療設備市場時也許處于最有利的地位。

其中一個原因就是相比其它幾個協(xié)議，Wi-Fi 部署極為廣泛。 現(xiàn)在，咖啡廳、飯店，甚至是公共場所都安裝了 Wi-Fi，這對于需要通過公共基礎設施直接連接云和專業(yè)醫(yī)療人員的醫(yī)療設備來說，無疑是一個理想的連接通道。 采用可穿戴醫(yī)療設備時，這種直接通道在可穿戴主機電腦故障時可用作備用通道。

另一個原因是所有智能手機都普遍地支持 Wi-Fi。 也就是說，智能手機已成為可穿戴設備的計算和通信功能聚合器，為我們的醫(yī)療設備提供了一條通過 3G/4G/5G 等服務連接云的低功耗、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 時就會有足夠的 IP 地址用于唯一地識別每個人的設備。 尋址已不是問題。

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，而不必深陷于技術本身的各種錯綜復雜的深奧理論中。 現(xiàn)已有各種現(xiàn)成的樣例方案、代碼、布局和應用支持。

考慮模塊

對于設計人員來說，把一個參考設計復制、粘貼到 PCB 上似乎是相當瑣屑的事情。 畢竟這些設計的制造、測試和特征化過程已完成。 會出現(xiàn)什么問題？

然而在現(xiàn)實世界中，因為影響 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其 PCB 演示板和開發(fā)板進行多次迭代處理。 此外，欲使 PCB 通過測試就需要經(jīng)過耗時、費錢的認證過程，但每一次與 RF 無關的改動都可能將我們置于需要重做 PCB 的風險之中。 這會極大提高成本和風險，延長產(chǎn)品上市時間。

鑒于多種原因，為原型開發(fā)和初始生產(chǎn)指定模塊是一個不錯的選擇。 這些模塊最初提供 FCC、TUV 認證以及多個特定頻率，以求全球適用。 此外，可對這些模塊進行測試，也可拋開其它系統(tǒng)元件對其單獨開發(fā)。 這樣，尤其在因為各種材料非?？拷?a target="_blank">天線而影響 RF 性能時，您就能測試外殼、間距、元件放置情況以獲得最高性能。

使用模塊的最大優(yōu)勢之一是能夠同步進行設計。 在 RF 模塊進行幕后開發(fā)的同時，即可進行主應用的設計、原型開發(fā)和測試。 這會減輕一些壓力，因為即使初期產(chǎn)品生產(chǎn)也可利用 OEM Wi-Fi 模塊進行，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。 不是每一種應用都需要高速和大量電力。 我們以支持 11-Mbit/s 802.11b 標準的 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標準 UART 與其通訊。 這種咬接安裝式模塊可插入插座中，方便快速升級和裝配（圖 1），同時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發(fā)和測試，也允許在確定 PCB 最優(yōu)位置時進行自由測量，以實現(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，是一款同時支持 802.11b 和 g 協(xié)議的模塊。 工作電壓為 2.7 - 3.3 V，整個模塊采用類似于 QFN 44 引腳 SMT 芯片的封裝，所占電路板面積僅 7.1 x 7.7 mm 。

該模塊的一個亮點是不需要進行 RF 調(diào)整，且設備利用已分配的 MAC 地址經(jīng)過預校準。 該模塊基于具有內(nèi)部導引 ROM 的 Atmel AVR 處理器，可從主機系統(tǒng)獲取一個 40 MHz 時鐘（或者如果為其增加一個本地振蕩器，可提供一個同樣的時鐘），以使主機系統(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 時鐘，這種情況下采用軟關斷段模式時的功耗為 15 mW。 該器件確實使用一個外部天線并通過 SPI 進行串行通訊。 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，所需要的只是時鐘、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)器與藍牙收發(fā)器。 該模塊屬于 WiLink? 系列，基于 TI 的 Sitara 微處理器，并預先將支持 Linux、Android、Wi-Fi 和藍牙的堆棧和軟件與 AM335x 開發(fā)套件集成在一起。

其它幾個可以直接使用的競爭產(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 連接功能的任何設備以無線方式連接互聯(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 和藍牙 4.0 組合模塊 LBEE5ZSTNC-523。 Murata 還有一個能將醫(yī)療設備與藍牙以及甚至是與 900 MHz 無線電連接的 RF 模塊，可實現(xiàn)更大的覆蓋范圍和更強的穿墻能力（圖 3）。

圖 3：模塊化無線選擇有多種，它們都能使可穿戴醫(yī)療設備與其它非 Wi-Fi 網(wǎng)絡連接，甚至與很少使用的 900 MHz 頻段連接，以實現(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）。 該器件也可進行簡單的串行通訊，但憑借多個 SPI、UART 和 USB 端口，該器件本身就可作為一個微型集線器（注意，也可作為模塊上的 A/D 轉(zhuǎn)換器，用于混合信號功能）。

圖 4：當模塊上有一個以上串行端口時，該模塊可作為一個微型通訊集線器以及多個醫(yī)療設備的服務器。 這樣，象 EKG 探頭等多個分布式傳感器僅需單個 RF 通道即可。

BlueGiga 有一個 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 150 Mbit/s 的 PHY，且完全符合 802.11n 3.0 草案和特性集要求。 請注意，為使該零件發(fā)揮全部性能，需要采用 300 或 400-MIPS 進程進行充分驅(qū)動。 到目前為止，32 位 ARM 和 x86 架構已利用該模塊通過測試，就像 64 位 x86 處理器一樣。

總結

醫(yī)療設備制造商在病人使用和醫(yī)生使用的健康產(chǎn)品開發(fā)領域是專家，但未必同樣精通無線通訊技術。 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計其無線版醫(yī)療傳感器或治療系統(tǒng)。 在一個團隊在努力開發(fā)最優(yōu)醫(yī)療解決方案同時，另一個團隊就可開發(fā)必要的低成本 RF 鏈路。 這樣就能提供一個風險最低、成本可能更低且更快速面市的解決方案，在需要重復進行 FCC 認證測試時尤其如此。