无线人体局域网技术浅析.docx
《无线人体局域网技术浅析.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《无线人体局域网技术浅析.docx（9页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
无线人体局域网技术浅析
无线人体局域网技术浅析
人体局域网（BAN）通常被看作是应对医疗保健费用剧增以及医疗服务提供商匮乏的一种解决方案，无线标准组织和IEEE都在研发BAN技术。
近几年，无线人体局域网技术的出现解决了偏远地区患者的监护问题。
降低医疗成本的需求以及人们对疾病预防和早期疾病检测关注度的提高，都是BAN不断发展的推动力。
一些市场研究报告预计，由于用于患者监护和消费类医疗保健的穿戴式及植入型医用设备的发展，2011年以前对BAN器件的需求将会达到每年1亿颗。
由于许多地区都存在人口老龄化问题，医疗监护将扮演重要的角色，特别是在那些临床医生紧缺的国家。
这种系统可对老年患者身体状况实施持续监测，将信息与远处的医疗服务提供商共享，可以更好地满足医疗保健需求。
利用这种系统，医疗及老年人监护服务提供商可以为那些患有慢性疾病的老年人提供服务，让他们可以活得更长寿。
BAN是一些极为小型的无线局域网络，可支持大量的医疗应用，从各种生命体征的追踪到对移植设备工作情况的监控，以及完成高水准的内窥镜检查。
传统的患者监护由许多生理传感器组成。
这些传感器连接患者身体和一个安装在附近的专用信号处理单元，周围有许多笨拙不便的连接线。
这些连接线限制了患者的活动范围，也影响了患者的舒适性。
一些研究报告表明，这些连接线正是医院疾病传染的来源。
另外，这些连线的晃动还会对检测结果产生不利影响。
随着低功耗、低成本无线连接技术的出现，现在可以实施和部署BAN，成为上述传统技术的一种补充。
图1显示了一种典型的无线BAN。
图1:
一种典型的人体局域网
我们可以将传感器网络安装到患者身体表面或者周围，也可以静态地植入到人体组织中，从而实现特定生理数据的收集。
这样，不管患者身在何处，我们都可以持续地监控患者的健康状况。
这些收集来的信号可用于脑电图（EEG）、心电图（EKG）、肌电图（EMG）、表皮温度、皮肤电传导和眼动电图（EOG）。
所有传感器将采集到的信息通过无线方式发送给位于患者身上或者床边的一个外部处理器。
之后，处理器通过传统数据网络（例如：
以太网、Wi-Fi或者GSM），将所有信息实时地发送给医生使用的设备或者某台指定的服务器。
BAN使用的传感器一般会要求指定其重要生理参数的精度，低功耗信号处理的水平，并要求具备无线连接功能。
某些情况下，传感器会成为收发器或者接收器，具体取决于所采集数据的带宽—例如，温度或者心率数据与模拟EKG波形的对比。
BAN中使用的传感器主要有两大类，具体使用哪一类取决于其工作模式。
穿戴式BAN所使用的传感器，一般贴在人体表面，或者植入人体浅层，用于短期监测（14天以内）。
这些传感器一般都非常昂贵，重量较轻，体积很小，可以实现自由移动式健康监测。
医疗提供商利用这些传感器，几乎可以实时地了解患者的健康状况。
植入式BAN使用的传感器安装在人体较深区域，例如：
心脏、大脑和脊髓等。
植入式BAN同时拥有主动刺激和生理监测功能，是一些慢性疾病监测的理想选择。
到目前为止，这些慢性疾病只能使用药物治疗。
植入式BAN治疗的例子包括帕金森病的深度脑刺激、慢性疼痛脊髓刺激，以及尿失禁膀胱刺激等。
理解BAN要求是在该领域进行可靠产品设计的关键。
BAN的特点是易配置、低成本、超低功耗和高可靠的传感器系统。
它的包装和工作运行必须是无菌的，以用于人体周围或者内部。
另外，无线通信必须足够健壮，以经受各种环境的RF干扰，例如：
Wi-Fi网络、微波炉和无绳电话等
BAN节点和标准
BAN节点设计的挑战包括：
外形尺寸体积和重量对BAN传感器尤为重要，因为它们直接影响患者的舒适性。
节点面积和重量越小，它对患者活动的限制就越小。
但是，它必须同其他要求一起进行权衡，例如：
传感器信噪比、抗噪性能和无线通信链接天线的效率等。
由于各大公司都在根据客户的应用进行BAN设计，因此用户友好和可靠性便成为增加用户接受度的重要因素。
功耗与流耗电池使用时间是BAN节点设计面临的一个巨大挑战。
频繁更换电池或者充电，对穿戴式节点来说并不理想，对许多植入式节点而言更是不可接受的。
传感器与通信忙闲度以及超级再生无线电接收器的使用，带来更长的工作时间，并实现了电池自主性。
一些设计师正关注能源采集技术领域取得的许多新进展，想要通过这些技术延长其BAN产品的工作寿命。
可靠性在进行医疗器件和应用设计时，系统必须要能够提供足够高的数据准确性和可靠性。
患者的安全程度取决于传感和无线传输层BAN系统的可重复性、准确性和可靠性。
安全性BAN节点必须有足够的安全措施，以保护患者个人隐私和防止黑客入侵。
智能本地信号处理能力的大小，决定了智能程度的高低；所需信号处理算法的灵活程度，决定了网络节点的多少，以及采集信号的带宽。
由于嵌入式微处理器的功耗不断降低，节点正变得越来越智能。
今天，我们可以使用多种无线连接标准来实施BAN技术，例如：
蓝牙、ZigBee、Wi-Fi、ANT或者低功耗蓝牙等。
然而，这些无线连接标准制定之初并非为BAN技术应用而开发。
表1列出了一些标准的初始目标应用。
有些标准的功耗过高，不能满足穿戴式BAN器件小于3mA的峰值功耗（耗电量）要求。
但是，标准制定机构和行业组织已经实施了医疗专用计划，旨在满足这些BAN要求。
表1：
无线连接标准的初始目标应用。
我们还可以使用各厂商提供的专有解决方案来实施BAN系统。
这类系统通常都使用不同的工作频率（取决于各个国家），且不可通用。
另一方面，相比公共无线标准，专有解决方案允许BAN专为满足一些特定需求而定制，因而拥有更好的特性，例如低功耗等。
为了开发出一种适合BAN应用的低功耗器件优化型通信标准，IEEE于2007年成立了IEEE802.15工作组6（BAN），目的是开发IEEE802.15.6标准。
相比现有标准，IEEE802.15.6拥有许多优势：
它侧重于短距离、低成本、低功耗和低实施复杂度。
IEEE802.15.6标准对物理（PHY）层、媒体访问控制（MAC）协议和安全层进行了定义。
IEEE802.15.6架构
图2显示了IEEE802.15.6架构。
它由一个PHY层和一个公共MAC及安全层组成。
PHY层被分为三个频带，目的是满足医疗和消费类应用的不同数据速率要求：
窄频带、超宽频带和人体通信频带。
它的目标通信距离为3米，支持100kbps到1Mbps之间的各种数据速率，最大耗电量为3mA。
MAC协议控制可访问该信道。
该标准还定义了三个安全等级：
0级--非安全通信；1级--需身份认证；2级--同时需要身份认证和数据加密。
图2:
IEEE802.15.6架构。
推动无线BAN技术加速发展的因素有很多，其中之一便是IEEE802.15.6标准的出现。
在低功耗和低成本CMOS无线电技术不断发展，以及人们要求获得越来越多信息的情况下，BAN市场预计会急剧增长。
未来，医疗保健应用仍然会是BAN技术发展的重要推动因素。
不过，随着该技术的不断发展，还会出现其他一些诸如工业和农业监测等新兴应用。
到了2011年初，无线充电技术经过数年的推广与演进后开始受到各界瞩目。
无线充电是指具有电池的装置透过无线感应的方式取得电力而进行充电，其方便性可以让消费者愿意支付额外的费用购买无线充电相关产品；因为有商机才会有厂商愿意投入相关产品开发，目前可以知道非常多知名品牌厂商已经将无线充电这个功能列入新一代的产品的规格之一。
由于这产技术相当新颖且各厂商有自己对技术的表述，所以无线充电、感应式电力、非接触充电、无接点充电都是泛指相同的技术，距离1mm到数公尺都是一样是无线，供电端与受电端交互作用就称感应，所以无线充电是广义的名词没有一定的规格。
原理简单,实作困难
无线充电的方法在实验阶段有开发出很多方法，但目前唯一有机会量产商品化为线圈感应式。
线圈感应式的原理很简单，是百年前就被发现物理现象，但过去长久以来这样的线圈感应只运用在绕线式的变压器中。
早期就有人发现将绕线式的变压器的将“E”型铁心绕线后对向紧贴后接上市电就可以感应传电，但距离略为分开后感应效果就消失，这是因为在市电60Hz下，电磁波传递会随着距离增加能量快速衰退。
在现今的应用中，由于装置本身需要有外壳包装，发射端加上接收端的外壳厚度至少从3mm起算，早期电动牙刷产品开发时就发现当距离拉开后需要将线圈上的操作频率提高才能让电力能传送的更远；在电磁波中有一个特性，就是频率越高的电磁波可以传送比较长的距离后能量衰减较低。
后来RFID应用开始发展，主要就规划的三个频段LF低频（125~135KHz）、HF高频（13.56MHz）、UHF超高频（860~960MHz）可以使用，而这些频段也造就了目前无线电力系统在设计之初频率采用的参考点。
早在10年前电动牙刷的无线充电就已经上市，当时的传送功率小、充电时间长，在现在的智能手持装置的耗电状况来看，当时的充电能量不敷使用所以10年来还无法实用化。
但这几年来发展出新的技术可用较高的“共振”接收效率运作方式，由于这个技术较新所以各界的说法很多，但都是有一个很重要的特性，就是接收线圈上都会有配置电容来构成一个具有频率特性的接收天线，在特定的频率下可以得到较大的功率移转。
这部份就跟早期的电磁感应不同，当距离拉开后依然就可以得到良好的电力传送效果。
共振的原理非常简单，就跟钢琴调音师一样放不同水量的玻璃杯，在精准的调音下可以将某个玻璃杯透过共振将其振碎；但其它的文章都没有提到，若是没有经过专业钢琴调音师训练的一般人，可能永远也调不出可以让玻璃杯振碎的频率！
这就是原理简单、实作困难。
展示简单,上市困难
电子零件出厂时就像是未调过音的钢琴，钢琴透过专业的调音师精准调校后可以发出高品质的声音；当大量生产后为了成本考量可能就无法在每一个产品都经由专业人员调校再出货，如果每一个产品都要专业人员来修正那就会有困难，因为专业人员有限。
这就跟目前可以看到很多无线充电产品在很久前就发表了，在发表会上产品都可以完美演出，但过了很久的等待后还没见产品上市？
就跟刚提到的例子一样，无线充电的产品为了达到很好的共振效果必需经过精准的调校，在这样的状况下量产会变的非常困难。
所以无线充电系统的设计首先必需要能针对共振这部份能自我调整，这样才能解决量产难题。
2008年INTEL即发表了可以离一公尺距离的两个线圈传送电力用以点亮60瓦特灯泡，发表当时也宣告了无线电力时代已经到来；但三年过去了相关产品还是没有上市，仔细想一下可以相距一公尺传送电力，这么强大的电磁能量就算对人体没影响、对周遭的电气制品会有非常大的杀伤力。
无线电力系统的原理与烹调电磁炉相同，透过电磁波来传送能量只不过目标不同，电磁炉使用频率约50KHz能量发出后给锅具加热用已烹饪，过去网络上就有流传过一段影片就是将手机放在运作中的电磁炉表面上，在短时间内手机即烧毁，这样的原理一样电磁波会穿过手机外壳直接对内部的金属构造加热终至烧毁。
前文题到过，为了加长传送距离必需提高传送频率，电磁炉的频率较低在离开数公分后就衰减到安全界限以下，INTEL发表的相距一公尺传送电力必需将频率提高到约13MHz才能传送，在这个状况下线圈之间若是存在金属物体将会被加热而发生危险，表演中工作人员可以站在两个线圈中间不会有危险，是因为人体内的金属成份很少所以温度上升有限。
当电磁波频率加到1GHz以上就会直接对水分子加热；这个原理就变成微波炉了，水分子被电磁波搅动后发出热量。
所以微波炉与电磁炉不一样，必需在屏蔽体内操作避免为害到人体。
这部份又与市面上的无线通讯产品不同，因为能量差距甚大；无线电力系统需要传送电力而发送到受电装置所以需高功率传送，无线通讯产品收到低功率讯号后再透过内部的电池将讯号放大处理。
所以不管是在13MHz会对金属加热或是1GHz以上直接伤害人体，无线电力在设计时必需解决安全的问题才能上市，这就是展示简单、上市困难。
三大效能指针：
效率、安全、功率
电动牙刷早在10年前就堆出无线充电了，当时由于功率需求低所以不需要考虑效率与安全。
早期的系统转换效率只有20%-30%，且没有安全机制并不会辩识目标连续供电，这样的系统就与微型电磁炉一样。
由于功率很小，接收需求只有0.1W上下，只有20%的转换效率下即有80%的能量于传送中转成热量散逸，这样推算发射器提供0.5W的能量到接收器为0.1W的能量，0.4W产生的热量有限对系统的温度上升不明显，且系统最大输出能力也不大即0.5W，所以在发射器上放置金属异物也不会产生危险；但今日的装置需求远高于0.1W，以热销的智能型手机来看接收需要5V-1A即5W的充电能量，若用电动牙刷的系统进行设计问题就会很大了，接收端5W的需求在只有20%的转换效率下有20W的能量转换成热能散逸，这样的能量会产生庞大的热能会导致系统温度大幅上升，在这样的推算下，系统最大输出能力会在25W，若为无安全设计下于发射器上放置金属异物可能会导致火灾意外，所以在功率需求提高后衍生的问题需要全新的设计来完成无线充电，所以10年前即出现的无线充电到今还改良之中。
新设计的系统需为了达到目标功率，必需先解决效率与安全的问题。
高转换效率仰赖先进规格零件与材料
现今无线充电系统都采用共振的方式进行设计，在架构上都大至相同有下列这些构造：
发射器内有
1.直流电源输入
2.频率产生装置
3.切换电力的开关
4.发射的线圈与电容谐振组合
接收器内有
A.接收的线圈与电容谐振组合
B.整流器
C.滤波与稳压器
D.直流电源输出
在样的架构下从发射器的1.直流电源输入到接收器D.直流电源输出应过的每一个环节都是效率损耗的要点，在电源电路中电流通过的每一个有阻抗特性的零件都会在上面损耗部份能量，这几年材料的进步也让无线充电的实用化大增，其中有几样先进零件是无线充电系统中与传输效率相关的，为了达到高转换效率需要将这些零件与材料作组合运用。
a.频率产生装置：
目前有数家公司将此部份开发成IC销售，其为发射电路板上的关键零件。
b.切换电力的开关：
大多为MOSFET所构成，低导通阻抗与高切换速度是选用的要点。
c.发射／接收的线圈与电容谐振组合：
此部份为过去从未出现过的技术，由于无规则可循所以只能透过不断的尝试，另外未了阻绝多于的能量散到其它地方，于线圈的未感应侧都会家上磁性材料，这类的材料特性也是全新的应用。
d.整流器：
由于在线圈上的操作都是高频率、高电压的能量讯号需要能有效的换成直流电才能给受电装置使用，目前大多采用超低VF的萧特基二极管所构成。
e.滤波与稳压器：
这部份难度在接收装置空间有限，设计上要小型化的困难处，通常高转换效率的电路配置大体积被动零件。
设计最艰难的部份在于安全
先前提到无线充电系统与电磁炉一样会发射电磁波能量，这有两大问题:
其一为当发射器上没有放目标充电装置时一样在发射能量，长时间下会造成能源的浪费，不符合现在产品节能的趋势。
另外一个问题较严重，为当发射器上放的是金属异物，电磁波对其加热；这个状况轻则烧毁装置，重则发生火灾危其人员生命财产。
所以无线充电系统若要上市销售，必需要有一个重要的功能即为“受电端目标物辨识”，当正确的目标物放置在发射器上才开始送电，若不是的话则不送电。
用来侦测近距离装置的方法有很多，但在无线充电系统上有一个问题就是无法采用昂贵的零件来完成这个功能，记住目前设计的只是一个充电器，若成本太高的话市场会无法接受这个功能。
而目前有两个实用的方法来完成这个功能：
1.磁力激活：
在受电端上装一个磁铁，当发射端感应到磁力后开始发送能量，这个方法简单有效，因为没有人会无意中放一个磁铁在发射器上让它烧毁。
2.感应线圈上的资料传送：
这是目前认为最安全的方法，与RFID的原理相同，利用两个线圈内的电力传送中，包含资料码一起传送；这个方法最安全也是最难完成的，因为感应线圈上有高能量的电力传输、另外还包含了系统的噪声与负载电流变化的干扰，如何有效的传送资料码是一大难题。
可变功率系统需建立在数据传输机制上
一个理想的系统为在无线充电发射器上放置不同的接收器，接收器可为不同的装置从小电力的耳机到大功率的笔记型计算机，都应该要能对应不同的目标物；但每个接收装置的电力需求都不一样，这时发射器必需要能自动调节功率输出。
但这样的功能要建立在发射器与接收器要能够传送资料码来进行沟通，所以如何运用感应电力的线圈进行资料码传送是研发的要点。
关于这个技术数年前已经有多家公司投入开发，其每家公司的方法有差异在实作上的稳定性也需要再经过验证。
无线充电共通标是理想却难以实现
目前有业者在推行无线充电标准，理想化的标准是可以跨品牌使用。
这个是一个很理想化的目标，所谓的标准就针对两个部份需要规范才能运作；第一就是要有共通的共振频率，电力传输是需要透过预设好的共振频率来传送，发射器提供的电磁波能量之频率需要是接收器的共振频率才能得到好的转换效率。
第二就是标准的资料传送码或其它识别激活方式，发射器需要对应到正确的接收器才能开始送电。
一个共通的标准的确是市场所期待的，目前在推动无线充电标准化的团体已经运作多时，但在市面上的产品还算少见，这部份可以深入了解后可以发现一些问题，一部份是其标准尚未完整以致研发人员照规格书开发确无法顺利将产品完成；另一个问题是该标准并不是免费的，当产品上市前需要先支付相关专利的权利金，所以共通标准是未来的趋势，但目前实际应用还未成熟。
三大关键组件牵动三个产业链
就无线充电产品看有三大关键组件，其中有控制电路板、感应线圈、磁性材料。
目前无线充电尚在起步阶段，市场预期接下来的二到三年会开始高度成长，而四年后将会变成品牌商品的标准备规格之一。
这个市场的成长会牵动的产业链不只在电子产业，感应线圈需要精密治具生产这牵动的是机械工业，线圈上需要运用高效能电磁波屏蔽能力的磁性材料这牵动的是化学工业。
所以一个产品的成长可以牵动三个产业链，因为这个产品并不是过去已经存在的产品，而是全新的类别全新的应用，相关的材料都要重新开发生产，对经营面来看这也是可以开发的新领域。
作者:
富达通科技ART
作者简介：
五年前为了无线充电开发所成立的公司，一群没有电子理论包袱的实作派，任何的方法都去尝试与实验，经过无数的试作失败后研究出一些前所未有的简单方法来完成无线充电系统，简单的系统中含有多年的技术经验，这就是今日的富达通科技
升级会员 