簡化低功耗藍牙醫療設備的設計

作者 Thomas S?derholm Nordic Semiconductor公司業務發展總監

摘要：介紹了低功耗藍牙為醫療電子領域帶來的諸多應用，及全新Nordic驗證概念的PCB使得開發人員更容易為醫療設備加入無線連接優勢。

　　許多開創先河的醫療產品公司已經在其產品配備低功耗藍牙技術來改善糖尿病患者、過敏患者和哮喘患者的生活(如圖1)。例如，加拿大Aterica Health公司開發了用于腎上腺素自動注射器的低功耗藍牙連接載體Veta Smart Case。最近，位于美國加利福尼亞州圣迭戈的Dexcom的G5移動連續葡萄糖監測(CGM)系統也已獲得了美國食品和藥物管理局(FDA)的批準，該系統包括一個低功耗藍牙組件，用于從安裝在患者皮膚上的監視器讀取血糖水平，然后傳輸到智能手機或智能手表上的對應APP，如圖3所示。

　　這些無線連接的醫療產品為患者提供幫助，例如提醒他們何時服藥，當藥物快要過期時發出警告，并且在離家時提醒他們沒有隨身攜帶重要藥物。此外，通過無線方式將產品連接到物聯網(通過智能手機網關)，可以建立雙向鏈接，不僅可以將數據傳輸給遠程家庭和醫療保健專業人員，還可通過提供信息向患者進行指導，對產品作出軟件增強或打上安全補丁。

　　無線連接還帶來醫療經濟效益。通過幫助患者堅持服用藥物來對主要疾病進行適當治療，可以減少并發癥，從而節省金錢。另一個顯著的好處是可從云獲得有價值的數據，幫助醫療設備制造商了解患者如何、何時、在何地使用設備和藥物，從而制作更好的產品。

　　然而，RF工程是一門具有挑戰性的學科，所需要的熟練人才供不應求，因此，許多醫療產品制造商難以進入市場。

1 簡化設計

　　但是，現在Nordic Semiconductor推出了概念驗證(PoC)印刷電路板(PCB)，為開發人員簡化設計流程，如圖2所示。 PoC PCB帶有該公司的nRF52810低功耗藍牙解決方案和S112 協議棧(低功耗藍牙RF協議軟件堆棧)。該產品尺寸細小，并且針對低功耗和高性能進行了優化，是一款非常靈活和成熟可靠的藍牙5認證解決方案。

　　Nordic的nRF52810低功耗藍牙 SoC是nRF52系列中的基準器件，提供極佳的性價比和藍牙5功能，它具有100 dBm鏈路預算、2.4 GHz多協議無線電、64 MHz的32位ARM Cortex M4 MCU、196 kB Flash內存和24 kB RAM。值得注意的是，其內存分配足以運行典型的高容量、低成本應用(例如醫療設備)的應用程序代碼。與所有Nordic的nRF51和nRF52系列SoC一樣，nRF52810支持空中下載設備固件更新(OTA-DFU)，只需使用無線電鏈路即可升級現場設備的軟件。此外，與nRF52810 SoC 一起推出的Nordic最新版本S112協議棧是一款輕量級藍牙5認證堆棧。

　　nRF52系列還帶來了對醫療產品開發至關重要的其他功能，特別是通過近場通信(NFC)進行的“帶外”(OOB)配對，只要簡單地碰觸配備NFC的智能手機，即可為醫療設備建立低功耗藍牙配對，不需要用戶進行其他操作。其次，一旦醫療設備與智能手機配對，便可以使用128位AES加密保護低功耗藍牙鏈路，從而保護敏感醫療數據的安全。

　　S112 協議棧用于監督通信鏈路，但通常我們還需要一些應用程序代碼來優化目標產品的軟件。例如，如果目標應用是哮喘吸入器，或許還需要一些編碼來監測這個裝置的使用頻率和時間。

　　在低功耗藍牙供應商中，Nordic在應用程序代碼開發領域中擁有獨特的優勢。該公司的軟件架構將低功耗藍牙協議棧與應用程序代碼分隔，從而消除了兩者集成的復雜性。如果沒有分隔，在軟件編譯過程中，RF堆棧可能很容易被破壞，從而延長了開發和調試過程。Nordic的協議棧以經過測試和驗證的二進制文件形式交付，并且在編譯期間，該公司的開發工具可以協調應用程序代碼與協議棧的對接。

　　Nordic還提供簡化設計流程的開發套件(DK)和軟件開發套件(SDK)。 DK包含目標nRF51或nRF52系列SoC，而SDK可以簡化SoC與開發人員首選的ARM集成開發環境(IDE)的接口。 值得注意的是，SDK還包含簡單的應用程序代碼示例，開發人員可以使用這些示例來加速自己應用程序的編碼。

2 結合優勢

　　Nordic新型PoC PCB將nRF52系列SoC、低功耗藍牙協議棧、獨特的軟件架構、參考設計和應用代碼開發環境的關鍵優勢匯集在一起，經設計用于簡化為醫療設備增加無線連接的過程。

　　基于nRF52810 SoC的PoC PCB組裝在直徑為13.5 mm的電路板上，并包含匹配電路、天線和幣形電池。Nordic 根據需求提供PoC和必要的設計文件，其中包括簡介和詳細的步驟說明、電路板原理圖和物料清單(BOM)，這套解決方案允許設計人員根據這個藍牙5認證的外設設備操作PoC來開發自己的設計。

　　該產品預裝了協議棧和Eddystone低功耗藍牙信標應用示例。開發者可以通過OTA-DFUnRF52810 對這個SoC進行編程。由于采用S112 協議棧的nRF52810 SoC構成了經濟高效的藍牙5 /低功耗藍牙解決方案，因此Nordic醫療PoC PCB特別適用于廉價的一次性藥物輸送產品，如哮喘吸入器。根據市場分析機構Market Research Future報告，到2022年，單獨的“智能”(無線)哮喘吸入器市場價值將達到16億美元。配備Nordic低功耗藍牙技術的吸入器可實現藥物管理(例如提供自動藥物記錄)，向遠處的家庭成員和醫務人員發送通知以及使用統計數據。若得到患者許可，這些數據也可以通過互聯網自動發送給制造商，以改善未來產品的性能。

3 無聲革命

　　網絡醫療產品正在悄然進行革命(如圖4)。由于監管環境嚴峻，這些產品需要一段時間才能進入市場，但有許多創新應用即將實現商業化。低功耗藍牙非常適合從功率受限的設備傳輸少量數據，并且到處也可以見到它的應用，例如聽診器連接和智能手機應用程序，甚至是監視護理中心幾十位老年人的血壓，并將數據轉發到云，確定何時施用高血壓藥物的解決方案。而低功耗藍牙無線技術在智能手機和平板電腦中無處不在，這鞏固了其作為醫療產品卓越無線連接技術的地位。

　　設計無線產品的工程十分浩大，可能令人望而生畏，而且許多醫療產品公司或許沒有內部RF專才來充分發揮相關技術。但是，通過與Nordic等低功耗藍牙供應商合作，即使只有很少RF設計經驗的開發人員也可以從中獲取經過驗證的硬件、協議固件、參考設計、開發工具和技術專長，從而可以輕松構建商用設備的原型，然后進行量產。

　　本文來源于《電子產品世界》2018年第5期第63頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。