本文探討了便攜式醫療系統中無線監控的挑戰性要求。在設計高可靠性醫療設備時需要權衡各種工程環節，從超低功耗收發器和各種協議，到高效電源管理和傳感器接口。

便攜式醫療器件的開發人員和用戶越來越要求增強連接性、延長電池壽命，因此安全性正成為關鍵問題。

目前有多種應對方式，包括在智能藍牙等協議中增加安全特性，以使家庭監控更加安全。

IMSResearch預測，紐扣電池供電型醫療器件中使用的智能藍牙將成為未來幾年的熱門，僅2016年的系統發貨量就能超過470萬套。智能藍牙中有三分之一以上將提供無線連接，部分程度上是由于連接安全性的推動作用。

這說明了設計安全性和可靠性、微控制器、無線收發器之間的緊密聯系，以及不同因素之間的平衡。

智能藍牙越來越受歡迎，它可將智能手機用作便攜式醫療器件的接口。手機發送的數據既可在本地處理，也可通過蜂窩網絡或本地Wi-Fi網絡發送到云端進行存儲和分析。如此一來，對設備設計人員的要求顯著降低了，但確保數據在傳輸鏈中的安全性變卻得愈發重要，傳輸鏈中的智能藍牙應用尤其流行。

其中一種方式便是使用藍牙技術聯盟（SIG）開發的HealthDeviceProfile（HDP）。此方法可優化電池較低漏極的無線鏈接性能，而且針對特定應用增加了多種格式，尤其是醫療設備。這意味著醫療產品設計人員可以根據特定應用選擇相應的規范，從而降低存儲器和電源開銷。HDP支持醫療和健身應用，如體溫測量、血壓、體重計、血糖、脈搏血氧飽和度、心率、計步器、速度、距離、周期節奏、簡單遙控和電池狀態。

除數據安全外，智能藍牙還增加了隱私保護，尤其是當用戶在進行戶外活動時。這限制了通過頻繁改變的器件隨機地址追蹤傳輸器件的能力。

在電子醫療記錄和遠程醫療日益盛行的趨勢之下，醫療從業人員同樣有職責像保護傳統紙質記錄那樣，保護患者醫療記錄，維護患者治療隱私。由于電子文檔更容易被復制和傳播，電子文件、圖像、音頻和視頻的存儲需要更高層次的安全。因此，在開發任何便攜式醫療器件時需要認真考慮數字安全問題。

TI的MSP430FR59xx16位微控制器系列采用鐵電存儲器（FRAM）實現低功耗存儲，在與無線產品結合時，通過智能藍牙個人保健器件類（PHDC）協議，能用于血壓監視器、血糖儀、體重秤、脈搏血氧計等。

將傳統藍牙的AES加密技術應用到FRAM微控制器的硬件加速器中，以便保持盡可能低的功耗。256位AES引擎可用于128、196和256位密鑰，并且不同類型的加密方式對應不同的DMA支持，如ECB、CBC、OFB和CFB。這樣可將數據直接傳輸到AES引擎上，無需使用無線收發器的中央內核，進而降低功耗。

收發器連接也盡可能保持低功耗，帶有12位模數轉換器（ADC），200ksps時耗電75μA，支持最多八通道差分輸入。每個輸入還有窗口比較器功能，可以簡化數據比較，以便僅捕獲顯著改變，從而進一步降低醫療應用的功耗。

讓無線固件更容易更新，為時間敏感的數據存儲提供更快速的響應，控制器中的FRAM存儲器可由此節省12-15%的電池壽命。此外，FRAM續航時間長，不需要外部EEPROM，因為代碼存儲在內部，所以設計更加安全，并可降低功耗、物料清單和制造復雜度。器件還包括IP防護、器件ID、篡改檢測和安全數據記錄，以進一步保護無線系統中運行的數據。

超低功耗模式對此類型的設計也至關重要，該平臺可支持七種低功耗模式，可在6μs內快速喚醒。

這些微控制器用于配合無線收發器使用，如TexasInstruments的CC2541藍牙收發器。包括名為BLE堆棧的免費固件，它能實現便攜式設計的空中（OTA）下載，讓升級更加容易。控制器、主機和應用處理器全部集成到一個6mmx6mm的封裝中。收發器18.5mA傳輸電流的低功耗設計意味著，它能靠單顆紐扣電池工作一年以上。

DialogSemiconductor的DA14580采用了不同的方法。這是一款全集成無線電收發器和智能藍牙基帶處理器。它可用作獨立應用處理器，或者作為帶有單獨微控制器的托管型系統的數據泵。

DA14580支持存儲藍牙規范和自定義應用代碼的靈活存儲架構，可以通過OTA更新。智能藍牙協議堆棧存儲在專門的ROM中，通過簡單調度程序在集成的16MHzARMCortex-M0處理器上運行。

智能藍牙固件包括L2CAP服務層協議、安全管理器（SM）、屬性協議（ATT）、通用規范（GATT）以及通用訪問規范（GAP），128位AES加密處理器支持這些協議，可確保數據流安全。

為了簡化設備設計，收發器一端直接連接天線，另一端有鏈路層專用加速器，可提供93dB鏈路預算。設計中的所有RF代碼塊均通過片載低壓差穩壓器（LDO）提供，可按代碼塊編程，并經過最小功耗優化。

DA14580搭載Dialog的SmartSnippets藍牙軟件平臺，包括符合要求的片載智能藍牙單模式堆棧。其配有各種消費者健康、運動、健身、安全和近端應用的標準智能藍牙規范，其它用戶規范可以輕松開發并加入到堆棧中。SmartSnippets軟件開發環境是基于Keil的uVision工具，其中包括嵌入式和托管模式的范例代碼。

但并非所有的便攜式醫療設計都需要智能藍牙。家用健康監控系統可以使用SiliconLabs的Si106x/8x等器件，連接到家庭網絡而非移動電話，以便利用集線器中的其它計算資源來確保安全性。對于不超出家庭范圍的系統，這種方案所需器件更小巧、成本更低。106x/108x將高性能無線連接和超低功耗8051微控制器處理整合到外形尺寸為5mmx6mm的芯片中。可支持142到1050MHz范圍的主要頻率帶寬，包括集成的先進數據包處理引擎和實現高達146dB鏈路預算的能力。這樣即可允許設計人員平衡鏈路預算、低功耗范圍和更長的電池壽命。

SiliconLabs器件經過優化，通過最大限度地降低傳輸、接收、工作模式、休眠模式電流并支持快速喚醒功能，能將電池供電型應用的能耗降至最低。Si106x無線MCU與Si108x器件引腳兼容，閃存容量從8擴展到64kB，并可提供堅固的模數外設，包括ADC、雙比較器、計時器和GPIO。

結論

安全性正成為無線便攜式醫療設備日益重要的設計要求。使用智能藍牙的最新規范能增加安全鏈路，同時優化特定醫療應用設計，盡可能實現最長的電池壽命。可以通過結合超低功耗微控制器和收發器，或通過高度集成的片上系統設計實現。也可通過更簡單的鏈接到家庭網絡的收發器來實現，家庭網絡的處理能力更強，可確保數據在傳輸鏈路中保持安全。