面向穿戴式心脑电监测设备的近距离通信技术分析与比较
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【摘 要】当前，可穿戴式设备在人们的运动健康领域发挥了重要作用，能够实时采集并传输人的脑电、心率、血压与血氧等多种生理信号。其中，可穿戴式心脑电监测设备也有了飞速发展，但该类设备对电源、传输方面有着较为特殊的需求，在体积、重量及佩戴舒适性等方面还存在着极大的改进空间。为了更深入的研究可穿戴式心脑电监测设备的通信传输体制对上述特征的影响，本文对近距离无线通信技术的工作频率、成本、功耗等方面进行了对比分析，并对适用于做心脑电监测设备的近距离通信技术进行了甄选，得到了一系列有意义的结论。
【关键词】穿戴式;无线通信;近距离通信
中图分类号： TP212 文献标识码： A 文章编号： 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
在醫疗方面，穿戴式心脑电监测设备是新的发展领域，在诸如神经性疾病、精神障碍及心理学等许多疾病管理方面都有着很好的成效。利用穿戴式心脑电监测设备可以对用户的身体信息在院内、外进行实时监护，十分适用于慢性疾病和需要长期观察的病人，有着很好的应用前景。
穿戴式心脑电监测设备采用的通信模式决定着该设备的使用便利性与可靠性。传统所采用的有线通信方式，传输可靠性高。但受限于通信线路影响，使得设备使用十分不便，不利于满足便携式需求。
采用无线通信方式的穿戴式心脑电监测设备具有更高的灵活性。然而，考虑到心脑电监测设备中电极采集到的源信号非常微弱，要求其所采用的通信电路具有良好的放大和滤波功能。同时，对其自身通信传输方式也有着更为特殊的需求，主要包括：通信模块体积小巧，不影响穿戴舒适性，可以完成长时间连续监护条件下的通信任务，可以满足实时数据传输和存储需求，并在不同使用场景下均具有高可靠性[1-4]。在满足这一系列通信传输要求的前提下，穿戴式心脑电监测设备才可以达到更为方便的健康信息采集以及随时随地的健康监护任务。为此，本文对如下几种可以应用在穿戴式心脑电监测设备中的通信技术进行分析与比较。
1 近距离通信技术分析
1.1 蓝牙（Bluetooth）
蓝牙是一个标准的无线通信协议，其收发器芯片设备具有低成本、较低功耗的特点。蓝牙技术支持信道数为79（0-78）个，频段范围为2.402GHz-2.480GHz，信道间隔为1MHz，功率消耗为100mW，芯片组价格在2-5$。该技术所采用调制方式为GFSK，数据速率为1Mbps，通信距离为20-200m，可以工作在分组交换或电路交换模式。
总体而言，蓝牙技术可以满足脑电监测设备的通信距离与成本要求，但功率消耗仍需做进一步控制。
1.2 超宽带 （Ultra Wideband， UWB）
UWB是射频应用技术领域的一项重大突破，具有超宽频带的特性。该技术能在宽频带上发送一系列非常窄的低功率脉冲进行通信。与带宽相对较窄的无线通信技术相比，UWB通信技术采用较宽的频谱、较低的功率和脉冲化数据，可以在室内无线环境中提供与有线相媲美的性能。具体而言，UWB工作频率范围为3.1-10.6GHz，系统功耗为1-4mW，数据速率为几十-几百Mbps，通信距离为0.2-40m。 相对而言，UWB有着较髙的处理增益、较强的穿透性、保密性好、抗衰落及多径分辨能力强等技术优势[5]，可以较好地满足穿戴式心脑电监测设备对通信方式的高可靠性需求。
1.3 近场通信 （Near Field Communication， NFC）
NFC是近距离通信的代表，由射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术发展而来，但采取了特殊的信号衰减技术，通信距离在20cm左右。NFC工作在13.56MHz，可以进行双向连接和识别，具有主动与被动两种交换数据的模式，芯片组价格2.5-4$，传输速率可为106Kbps，212Kbps，424Kbps或更高。
与其它无线近距离通信技术相比，NFC的传输距离更短、成本较低、通信私密性较好[6]。可以预见，经过有效设计，NFC可以承担穿戴式心脑电监测设备的体域网通信任务。
1.4 Zigbee
Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率，低成本耗的无线通信组网技术。Zigbee工作频率在世界范围内多为2.4GHz，在欧洲和美国分别为886MHz和915MHz。相對而言，Zigbee工作方式更为灵活，每个ZigBee设备可以与另外254台设备相连接，芯片组价格在6$左右，数据传输速率为10Kbps～250Kbps，可进入极低功耗的休眠状态。
因此，可以判断ZigBee技术可以应用在低数据速率传输条件下的穿戴式心脑电监测场合，且有利于实现大量设备间的组网，大大降低穿戴式心脑电监测设备成本。
1.5 技术指标对比
2 总结
在如今的近距离无线通信发展领域，每种技术各有它的优势。由上表分析可知，面向不同工作频段、数据速率、成本代价和通信距离的穿戴式心脑电监测场景，可选取不同近距离通信技术作为备选传输方式。同时，通过对不同通信技术的有机融合，能够更好地满足特殊通讯传输需求。
【参考文献】
[1]滕晓菲，张元亭.移动医疗：穿戴式医疗仪器的发展趋势[J].中国医疗器械杂志，2006，30（5）：330-340.
[2]袁鼎峰.基于射频能量供电的植入式神经刺激器的研究[D].江苏科技大学，2017.
[3]李效龙，郑威，郝鹏，晋春，苏胤杰，凌霖，王彪，解志斌，田雨波，张冰.一种射频能量供电的注射式神经刺激， 中国， 201510020720.9[P].2017-02-22.
[4]李效龙，郑威，郝鹏，马国军，暴琳，许琳莉，解志斌，王彪， 田雨波，张冰.一种电磁耦合链路供电的注射式神经刺激器， 中国，201510024691.3[P].2017-02-22.
[5]王军会.超宽带天线及其阵列的若干技术研究[D].西安电子科技大学，2015.
[6]孙成丹，彭木根.近场通信技术（1）[J].中兴通讯技术， 2013，19（04）：63-66.
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