生寧

【摘 要】當(dāng)前，可穿戴式設(shè)備在人們的運(yùn)動(dòng)健康領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用，能夠?qū)崟r(shí)采集并傳輸人的腦電、心率、血壓與血氧等多種生理信號(hào)。其中，可穿戴式心腦電監(jiān)測設(shè)備也有了飛速發(fā)展，但該類設(shè)備對(duì)電源、傳輸方面有著較為特殊的需求，在體積、重量及佩戴舒適性等方面還存在著極大的改進(jìn)空間。為了更深入的研究可穿戴式心腦電監(jiān)測設(shè)備的通信傳輸體制對(duì)上述特征的影響，本文對(duì)近距離無線通信技術(shù)的工作頻率、成本、功耗等方面進(jìn)行了對(duì)比分析，并對(duì)適用于做心腦電監(jiān)測設(shè)備的近距離通信技術(shù)進(jìn)行了甄選，得到了一系列有意義的結(jié)論。

【關(guān)鍵詞】穿戴式;無線通信;近距離通信

中圖分類號(hào)： TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）04-0036-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.04.014

Analysis and comparison of short distance communication technology for wearable ECG

and EEG monitoring equipment

SHENG Ning

（School of Computer， Jiangsu University Of Science and Technology，Zhenjiang Jiangsu 212003，China）

【Abstract】At present， wearable devices play an important role in the field of people's sports health. They can collect and transmit many physiological signals such as EEG， heart rate， blood pressure and blood oxygen in real time. Among them， wearable ECG and EEG monitoring equipment have also developed rapidly， but this kind of equipment has a special demand for power supply and transmission， and there is still great room for improvement in size， weight and wearing comfort. In order to further study the influence of the communication system of wearable ECG and EEG monitoring equipment on the above characteristics， this paper makes comparison and analysis of the frequency， cost and power consumption for short-range wireless communication technology， selects the short-range communication technology suitable for ECG and EEG monitoring equipment， and obtains a series of meaningful conclusions.

【Key words】Wearable; Wireless communication; Short-range communications

0 引言

在醫(yī)療方面，穿戴式心腦電監(jiān)測設(shè)備是新的發(fā)展領(lǐng)域，在諸如神經(jīng)性疾病、精神障礙及心理學(xué)等許多疾病管理方面都有著很好的成效。利用穿戴式心腦電監(jiān)測設(shè)備可以對(duì)用戶的身體信息在院內(nèi)、外進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)，十分適用于慢性疾病和需要長期觀察的病人，有著很好的應(yīng)用前景。

穿戴式心腦電監(jiān)測設(shè)備采用的通信模式?jīng)Q定著該設(shè)備的使用便利性與可靠性。傳統(tǒng)所采用的有線通信方式，傳輸可靠性高。但受限于通信線路影響，使得設(shè)備使用十分不便，不利于滿足便攜式需求。

采用無線通信方式的穿戴式心腦電監(jiān)測設(shè)備具有更高的靈活性。然而，考慮到心腦電監(jiān)測設(shè)備中電極采集到的源信號(hào)非常微弱，要求其所采用的通信電路具有良好的放大和濾波功能。同時(shí)，對(duì)其自身通信傳輸方式也有著更為特殊的需求，主要包括：通信模塊體積小巧，不影響穿戴舒適性，可以完成長時(shí)間連續(xù)監(jiān)護(hù)條件下的通信任務(wù)，可以滿足實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)需求，并在不同使用場景下均具有高可靠性[1-4]。在滿足這一系列通信傳輸要求的前提下，穿戴式心腦電監(jiān)測設(shè)備才可以達(dá)到更為方便的健康信息采集以及隨時(shí)隨地的健康監(jiān)護(hù)任務(wù)。為此，本文對(duì)如下幾種可以應(yīng)用在穿戴式心腦電監(jiān)測設(shè)備中的通信技術(shù)進(jìn)行分析與比較。

1 近距離通信技術(shù)分析

1.1 藍(lán)牙（Bluetooth）

藍(lán)牙是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的無線通信協(xié)議，其收發(fā)器芯片設(shè)備具有低成本、較低功耗的特點(diǎn)。藍(lán)牙技術(shù)支持信道數(shù)為79（0-78）個(gè)，頻段范圍為2.402GHz-2.480GHz，信道間隔為1MHz，功率消耗為100mW，芯片組價(jià)格在2-5$。該技術(shù)所采用調(diào)制方式為GFSK，數(shù)據(jù)速率為1Mbps，通信距離為20-200m，可以工作在分組交換或電路交換模式。

總體而言，藍(lán)牙技術(shù)可以滿足腦電監(jiān)測設(shè)備的通信距離與成本要求，但功率消耗仍需做進(jìn)一步控制。

1.2 超寬帶 （Ultra Wideband， UWB）

UWB是射頻應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域的一項(xiàng)重大突破，具有超寬頻帶的特性。該技術(shù)能在寬頻帶上發(fā)送一系列非常窄的低功率脈沖進(jìn)行通信。與帶寬相對(duì)較窄的無線通信技術(shù)相比，UWB通信技術(shù)采用較寬的頻譜、較低的功率和脈沖化數(shù)據(jù)，可以在室內(nèi)無線環(huán)境中提供與有線相媲美的性能。具體而言，UWB工作頻率范圍為3.1-10.6GHz，系統(tǒng)功耗為1-4mW，數(shù)據(jù)速率為幾十-幾百M(fèi)bps，通信距離為0.2-40m。

相對(duì)而言，UWB有著較髙的處理增益、較強(qiáng)的穿透性、保密性好、抗衰落及多徑分辨能力強(qiáng)等技術(shù)優(yōu)勢[5]，可以較好地滿足穿戴式心腦電監(jiān)測設(shè)備對(duì)通信方式的高可靠性需求。

1.3 近場通信 （Near Field Communication， NFC）

NFC是近距離通信的代表，由射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)發(fā)展而來，但采取了特殊的信號(hào)衰減技術(shù)，通信距離在20cm左右。NFC工作在13.56MHz，可以進(jìn)行雙向連接和識(shí)別，具有主動(dòng)與被動(dòng)兩種交換數(shù)據(jù)的模式，芯片組價(jià)格2.5-4$，傳輸速率可為106Kbps，212Kbps，424Kbps或更高。

與其它無線近距離通信技術(shù)相比，NFC的傳輸距離更短、成本較低、通信私密性較好[6]?？梢灶A(yù)見，經(jīng)過有效設(shè)計(jì)，NFC可以承擔(dān)穿戴式心腦電監(jiān)測設(shè)備的體域網(wǎng)通信任務(wù)。

1.4 Zigbee

Zigbee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率，低成本耗的無線通信組網(wǎng)技術(shù)。Zigbee工作頻率在世界范圍內(nèi)多為2.4GHz，在歐洲和美國分別為886MHz和915MHz。相對(duì)而言，Zigbee工作方式更為靈活，每個(gè)ZigBee設(shè)備可以與另外254臺(tái)設(shè)備相連接，芯片組價(jià)格在6$左右，數(shù)據(jù)傳輸速率為10Kbps～250Kbps，可進(jìn)入極低功耗的休眠狀態(tài)。

因此，可以判斷ZigBee技術(shù)可以應(yīng)用在低數(shù)據(jù)速率傳輸條件下的穿戴式心腦電監(jiān)測場合，且有利于實(shí)現(xiàn)大量設(shè)備間的組網(wǎng)，大大降低穿戴式心腦電監(jiān)測設(shè)備成本。

1.5 技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

2 總結(jié)

在如今的近距離無線通信發(fā)展領(lǐng)域，每種技術(shù)各有它的優(yōu)勢。由上表分析可知，面向不同工作頻段、數(shù)據(jù)速率、成本代價(jià)和通信距離的穿戴式心腦電監(jiān)測場景，可選取不同近距離通信技術(shù)作為備選傳輸方式。同時(shí)，通過對(duì)不同通信技術(shù)的有機(jī)融合，能夠更好地滿足特殊通訊傳輸需求。

【參考文獻(xiàn)】

[1]滕曉菲，張?jiān)?移動(dòng)醫(yī)療：穿戴式醫(yī)療儀器的發(fā)展趨勢[J].中國醫(yī)療器械雜志，2006，30（5）：330-340.

[2]袁鼎峰.基于射頻能量供電的植入式神經(jīng)刺激器的研究[D].江蘇科技大學(xué)，2017.

[3]李效龍，鄭威，郝鵬，晉春，蘇胤杰，凌霖，王彪，解志斌，田雨波，張冰.一種射頻能量供電的注射式神經(jīng)刺激， 中國， 201510020720.9[P].2017-02-22.

[4]李效龍，鄭威，郝鵬，馬國軍，暴琳，許琳莉，解志斌，王彪， 田雨波，張冰.一種電磁耦合鏈路供電的注射式神經(jīng)刺激器， 中國，201510024691.3[P].2017-02-22.

[5]王軍會(huì).超寬帶天線及其陣列的若干技術(shù)研究[D].西安電子科技大學(xué)，2015.

[6]孫成丹，彭木根.近場通信技術(shù)（1）[J].中興通訊技術(shù)， 2013，19（04）：63-66.