超低功耗无线技术实现医疗无线传感器网络

日期:2017-12-26
 
用低成本电池持续监测
 
作者Herman Morales,超低功耗无线业务开发经理,Microsemi Corporation
 
今天的传感器和无线个人区域网(WPAN)监控解决方案和无线体域网(WBAN)可以极低的功耗支持连续数据流。这对于可在频繁更换电池的环境中使用的可穿戴医疗系统是至关重要的。现在,曾经需要AA或AAA电池的系统可以使用3伏硬币电池进行操作。使之成为可能的是超低功耗中程无线电收发器,其电路设计已通过几个关键参数进行了优化,以提高功率效率。
WPAN占据网络区域,覆盖生活或工作空间在一个个体(通常高达十米),并用协议,如蓝牙和IEEE 802.15.4来实现。WBAN占有较小的无线空间,即约一米左右的人,用传感器与人体通信。应用已从高负荷循循环点测量扩展到更多的数据密集型连续链路。这项技术在医院和临床设施、临床家庭监护和门诊应用以及消费者健康和健身方面有多种用途。
 
可穿戴技术的无线要求
当选择 WPAN、WBAN和可穿戴技术中的优化电源效率的短程无线电收发器时,几个因素必须考虑。电源电压尤为重要。今天的许多传感器都可以从3 V电源电压供电,使可穿戴设备使用低成本、现成的纽扣电池运作。
另一个关键问题是峰值电流。所有基于无线传感器网络都需要在预定的占空比运行,以节省电力和限制无线空间使用。无线电收发机中的低峰值电流消耗减少了无线传感器电源的限制。低睡眠电流也对低负荷延长电池寿命至关重要。
频率的选择也影响功率消耗。工业、科学和医疗(ISM)频段内的可用频带为2.4 GHz或sub-GHz频率。最流行的2.4 GHz协议是Wi-Fi、蓝牙和ZigBee。然而,在低功耗和低数据速率的无线监控应用中,sub-GHz无线系统提供了几个优点,包括在给定功率范围内较低的功率范围和更低的功耗。
Friis方程量化了sub-GHz无线电上的传播特性,显示在2.4 GHz的路径损耗为8.5分贝,高于900 MHz时。这就意味着900 MHz无线电2.67倍的距离,因为每增加6分贝功率,范围约翻了一倍。为了匹配900 MHz无线电的范围,一个2.4 GHz的解决方案将需要超过8.5分贝的额外功率。Sub-GHz ISM频段主要用于专有的低占空比链路,不太可能互相干扰。安静的频谱意味着更容易传输和更少的重试,这更有效和节省电池电力。
载波频率也对网络级的平均功率预算有重大影响。ZigBee和蓝牙提供了高度复杂的链路层和网络层,但这些协议栈可以占用高达50到75%的无线功率消耗,且开销较大。对于超低功耗系统,“一刀切”标准化选项很少是最佳解决方案。相反,为超低功耗应用开发解决方案的设计者应该考虑使用最适合他们需要的协议。
 
最后,链路数据速率是影响占空比无线链路功耗的重要因素之一。平均功率几乎与链路数据速率成反比;例如,一个100 Kbps无线电将消耗相同有效载荷的50 Kbps无线电的一半功率。比较射频收发器时,“每比特能量”是比较电流消耗更好的功率效率指标。但是高数据速率的无线电通常是峰值电流较高的,这些对大多数小电池来说是非常不受欢迎的,因为它们会导致大容量的漏储电容器。
上述每一个因素对非常需要功率和有效载荷每秒大于10位的应用至关重要。虽然以前的穿在身上的无线传感器只能用于慢变参数,但新的射频技术可以用来帮助观察更迅速变化的生理参数(如心脏和脑电活动或血氧),可以在0.5到5 kbps提取有意义的波形数据。
 

图1:使用芯片级封装(CSP)的嵌入式环形天线简化射频电路设计
 
通过适当的电路设计平衡功率和性能
达到理想的无线性能,同时满足极低功耗和小封装尺寸的要求是一个挑战。仔细选择无线电体系结构和构建块是满足通信需求和功耗任务的关键。在满足极低功耗要求的同时,实现这些无线电性能也是非常具有挑战性的。
今天的超低功率射频收发器利用反向技术实现了低电流的最大增益。栅电压结果的增加造成了通常由p型到n型的反转产生耗尽区和相关的表面电子浓度。我们的目标是在可能的情况下,在一个弱反转区域工作,其中自由电子现在有足够的能量自由移动,产生超低功耗、低电压放大器。
来自权衡解决方案的一个例子是Microsemi的ZL70550收发器。它安装在一个约2 mm × 3 mm CSP中,有任何标准单片机控制和数据标准的二线制和串行外围接口传输;结合ZL70550收发器,所产生的解决方案可用于开发无线传感器解决方案,用一个CR系列电池连续运行长达一周。类似的功率效率可以用一个3轴加速度计或脉搏血氧仪实现,测量病人的呼吸,以及实现各种各样的其他可穿戴式健康监测平台。这样的设备可以用低成本电池或小型锂离子电池支持WPAN和WBAN的连续数据流,长达两周不用更换。
ZL70550是Rx模式2.4 mA、Tx模式2.75 mA超低电流低功耗应用的理想选择,其业界领先的超低睡眠电流为10 nA。ZL70550的低功耗性能使低成本电池或小型锂离子电池支持可穿戴设备的连续数据流。
下面的插图显示了低功耗应用中的Microsemi ZL7050。
 

 
图2:基于ZL7550的典型无线传感器
 
随着微动力电池的出现,结合超低功耗收发器技术的发展,现在可以构建智能灵活的无线传感器。适当的收发器选择对于解决各种关键设计问题是至关重要的,这样可穿戴医疗无线设备可以在使用单个小电池时对生物信号进行长时间连续监测。今天的超低功耗收发器利用反转技术提供了一个性能和功率效率相结合的权衡,用低电流实现最大可能的增益。
 
www.microsemi.com
 

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