简化低功耗蓝牙医疗设备的设计

作者 Thomas Søderholm Nordic Semiconductor公司业务发展总监

摘要：介绍了低功耗蓝牙为医疗电子领域带来的诸多应用，及全新Nordic验证概念的PCB使得开发人员更容易为医疗设备加入无线连接优势。

　　许多开创先河的医疗产品公司已经在其产品配备低功耗蓝牙技术来改善糖尿病患者、过敏患者和哮喘患者的生活(如图1)。例如，加拿大Aterica Health公司开发了用于肾上腺素自动注射器的低功耗蓝牙连接载体Veta Smart Case。最近，位于美国加利福尼亚州圣迭戈的Dexcom的G5移动连续葡萄糖监测(CGM)系统也已获得了美国食品和药物管理局(FDA)的批准，该系统包括一个低功耗蓝牙组件，用于从安装在患者皮肤上的监视器读取血糖水平，然后传输到智能手机或智能手表上的对应APP，如图3所示。

　　这些无线连接的医疗产品为患者提供帮助，例如提醒他们何时服药，当药物快要过期时发出警告，并且在离家时提醒他们没有随身携带重要药物。此外，通过无线方式将产品连接到物联网(通过智能手机网关)，可以建立双向链接，不仅可以将数据传输给远程家庭和医疗保健专业人员，还可通过提供信息向患者进行指导，对产品作出软件增强或打上安全补丁。

　　无线连接还带来医疗经济效益。通过帮助患者坚持服用药物来对主要疾病进行适当治疗，可以减少并发症，从而节省金钱。另一个显著的好处是可从云获得有价值的数据，帮助医疗设备制造商了解患者如何、何时、在何地使用设备和药物，从而制作更好的产品。

　　然而，RF工程是一门具有挑战性的学科，所需要的熟练人才供不应求，因此，许多医疗产品制造商难以进入市场。

1 简化设计

　　但是，现在Nordic Semiconductor推出了概念验证(PoC)印刷电路板(PCB)，为开发人员简化设计流程，如图2所示。 PoC PCB带有该公司的nRF52810低功耗蓝牙解决方案和S112 协议栈(低功耗蓝牙RF协议软件堆栈)。该产品尺寸细小，并且针对低功耗和高性能进行了优化，是一款非常灵活和成熟可靠的蓝牙5认证解决方案。

　　Nordic的nRF52810低功耗蓝牙 SoC是nRF52系列中的基准器件，提供极佳的性价比和蓝牙5功能，它具有100 dBm链路预算、2.4 GHz多协议无线电、64 MHz的32位ARM Cortex M4 MCU、196 kB Flash内存和24 kB RAM。值得注意的是，其内存分配足以运行典型的高容量、低成本应用(例如医疗设备)的应用程序代码。与所有Nordic的nRF51和nRF52系列SoC一样，nRF52810支持空中下载设备固件更新(OTA-DFU)，只需使用无线电链路即可升级现场设备的软件。此外，与nRF52810 SoC 一起推出的Nordic最新版本S112协议栈是一款轻量级蓝牙5认证堆栈。

　　nRF52系列还带来了对医疗产品开发至关重要的其他功能，特别是通过近场通信(NFC)进行的“带外”(OOB)配对，只要简单地碰触配备NFC的智能手机，即可为医疗设备建立低功耗蓝牙配对，不需要用户进行其他操作。其次，一旦医疗设备与智能手机配对，便可以使用128位AES加密保护低功耗蓝牙链路，从而保护敏感医疗数据的安全。

　　S112 协议栈用于监督通信链路，但通常我们还需要一些应用程序代码来优化目标产品的软件。例如，如果目标应用是哮喘吸入器，或许还需要一些编码来监测这个装置的使用频率和时间。

　　在低功耗蓝牙供应商中，Nordic在应用程序代码开发领域中拥有独特的优势。该公司的软件架构将低功耗蓝牙协议栈与应用程序代码分隔，从而消除了两者集成的复杂性。如果没有分隔，在软件编译过程中，RF堆栈可能很容易被破坏，从而延长了开发和调试过程。Nordic的协议栈以经过测试和验证的二进制文件形式交付，并且在编译期间，该公司的开发工具可以协调应用程序代码与协议栈的对接。

　　Nordic还提供简化设计流程的开发套件(DK)和软件开发套件(SDK)。 DK包含目标nRF51或nRF52系列SoC，而SDK可以简化SoC与开发人员首选的ARM集成开发环境(IDE)的接口。 值得注意的是，SDK还包含简单的应用程序代码示例，开发人员可以使用这些示例来加速自己应用程序的编码。

2 结合优势

　　Nordic新型PoC PCB将nRF52系列SoC、低功耗蓝牙协议栈、独特的软件架构、参考设计和应用代码开发环境的关键优势汇集在一起，经设计用于简化为医疗设备增加无线连接的过程。

　　基于nRF52810 SoC的PoC PCB组装在直径为13.5 mm的电路板上，并包含匹配电路、天线和币形电池。Nordic 根据需求提供PoC和必要的设计文件，其中包括简介和详细的步骤说明、电路板原理图和物料清单(BOM)，这套解决方案允许设计人员根据这个蓝牙5认证的外设设备操作PoC来开发自己的设计。

　　该产品预装了协议栈和Eddystone低功耗蓝牙信标应用示例。开发者可以通过OTA-DFUnRF52810 对这个SoC进行编程。由于采用S112 协议栈的nRF52810 SoC构成了经济高效的蓝牙5 /低功耗蓝牙解决方案，因此Nordic医疗PoC PCB特别适用于廉价的一次性药物输送产品，如哮喘吸入器。根据市场分析机构Market Research Future报告，到2022年，单独的“智能”(无线)哮喘吸入器市场价值将达到16亿美元。配备Nordic低功耗蓝牙技术的吸入器可实现药物管理(例如提供自动药物记录)，向远处的家庭成员和医务人员发送通知以及使用统计数据。若得到患者许可，这些数据也可以通过互联网自动发送给制造商，以改善未来产品的性能。

3 无声革命

　　网络医疗产品正在悄然进行革命(如图4)。由于监管环境严峻，这些产品需要一段时间才能进入市场，但有许多创新应用即将实现商业化。低功耗蓝牙非常适合从功率受限的设备传输少量数据，并且到处也可以见到它的应用，例如听诊器连接和智能手机应用程序，甚至是监视护理中心几十位老年人的血压，并将数据转发到云，确定何时施用高血压药物的解决方案。而低功耗蓝牙无线技术在智能手机和平板电脑中无处不在，这巩固了其作为医疗产品卓越无线连接技术的地位。

　　设计无线产品的工程十分浩大，可能令人望而生畏，而且许多医疗产品公司或许没有内部RF专才来充分发挥相关技术。但是，通过与Nordic等低功耗蓝牙供应商合作，即使只有很少RF设计经验的开发人员也可以从中获取经过验证的硬件、协议固件、参考设计、开发工具和技术专长，从而可以轻松构建商用设备的原型，然后进行量产。

　　本文来源于《电子产品世界》2018年第5期第63页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。