面向穿戴式心腦電監測設備的近距離通信技術分析與比較

生寧

【摘 要】當前，可穿戴式設備在人們的運動健康領域發揮了重要作用，能夠實時采集并傳輸人的腦電、心率、血壓與血氧等多種生理信號。其中，可穿戴式心腦電監測設備也有了飛速發展，但該類設備對電源、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空間。為了更深入的研究可穿戴式心腦電監測設備的通信傳輸體制對上述特征的影響，本文對近距離無線通信技術的工作頻率、成本、功耗等方面進行了對比分析，并對適用于做心腦電監測設備的近距離通信技術進行了甄選，得到了一系列有意義的結論。

【關鍵詞】穿戴式;無線通信;近距離通信

中圖分類號： TP212 文獻標識碼： A 文章編號： 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

在醫療方面，穿戴式心腦電監測設備是新的發展領域，在諸如神經性疾病、精神障礙及心理學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測設備可以對用戶的身體信息在院內、外進行實時監護，十分適用于慢性疾病和需要長期觀察的病人，有著很好的應用前景。

穿戴式心腦電監測設備采用的通信模式決定著該設備的使用便利性與可靠性。傳統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測設備具有更高的靈活性。然而，考慮到心腦電監測設備中電極采集到的源信號非常微弱，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，對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，可以完成長時間連續監護條件下的通信任務，可以滿足實時數據傳輸和存儲需求，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，穿戴式心腦電監測設備才可以達到更為方便的健康信息采集以及隨時隨地的健康監護任務。為此，本文對如下幾種可以應用在穿戴式心腦電監測設備中的通信技術進行分析與比較。

1 近距離通信技術分析

1.1 藍牙（Bluetooth）

藍牙是一個標準的無線通信協議，其收發器芯片設備具有低成本、較低功耗的特點。藍牙技術支持信道數為79（0-78）個，頻段范圍為2.402GHz-2.480GHz，信道間隔為1MHz，功率消耗為100mW，芯片組價格在2-5$。該技術所采用調制方式為GFSK，數據速率為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，藍牙技術可以滿足腦電監測設備的通信距離與成本要求，但功率消耗仍需做進一步控制。

1.2 超寬帶 （Ultra Wideband， UWB）

UWB是射頻應用技術領域的一項重大突破，具有超寬頻帶的特性。該技術能在寬頻帶上發送一系列非常窄的低功率脈沖進行通信。與帶寬相對較窄的無線通信技術相比，UWB通信技術采用較寬的頻譜、較低的功率和脈沖化數據，可以在室內無線環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，系統功耗為1-4mW，數據速率為幾十-幾百Mbps，通信距離為0.2-40m。

相對而言，UWB有著較髙的處理增益、較強的穿透性、保密性好、抗衰落及多徑分辨能力強等技術優勢[5]，可以較好地滿足穿戴式心腦電監測設備對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，由射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術發展而來，但采取了特殊的信號衰減技術，通信距離在20cm左右。NFC工作在13.56MHz，可以進行雙向連接和識別，具有主動與被動兩種交換數據的模式，芯片組價格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相比，NFC的傳輸距離更短、成本較低、通信私密性較好[6]。可以預見，經過有效設計，NFC可以承擔穿戴式心腦電監測設備的體域網通信任務。

1.4 Zigbee

Zigbee是基于IEEE802.15.4標準的近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數據速率，低成本耗的無線通信組網技術。Zigbee工作頻率在世界范圍內多為2.4GHz，在歐洲和美國分別為886MHz和915MHz。相對而言，Zigbee工作方式更為靈活，每個ZigBee設備可以與另外254臺設備相連接，芯片組價格在6$左右，數據傳輸速率為10Kbps～250Kbps，可進入極低功耗的休眠狀態。

因此，可以判斷ZigBee技術可以應用在低數據速率傳輸條件下的穿戴式心腦電監測場合，且有利于實現大量設備間的組網，大大降低穿戴式心腦電監測設備成本。

1.5 技術指標對比

2 總結

在如今的近距離無線通信發展領域，每種技術各有它的優勢。由上表分析可知，面向不同工作頻段、數據速率、成本代價和通信距離的穿戴式心腦電監測場景，可選取不同近距離通信技術作為備選傳輸方式。同時，通過對不同通信技術的有機融合，能夠更好地滿足特殊通訊傳輸需求。

【參考文獻】

[1]滕曉菲，張元亭.移動醫療：穿戴式醫療儀器的發展趨勢[J].中國醫療器械雜志，2006，30（5）：330-340.

[2]袁鼎峰.基于射頻能量供電的植入式神經刺激器的研究[D].江蘇科技大學，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刺激器， 中國，201510024691.3[P].2017-02-22.

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

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