Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Понедельник, 10 декабря
 
 

Это интересно!

Ранее

NFC-устройства для встраиваемых и отдельных применений: срез рынка

Digitimes Research провела исследования разработки и использования микросхем для радиосвязи ближнего поля (NFC) для встраиваемых и отдельных применений

В Москве прошла IV Всероссийская конференция «Современная светотехника»

«Нам есть, что рассказать свету!» С этим посылом, задавшим тон всему мероприятию, прошли выступления многих докладчиков конференции, собравшей свыше 100 специалистов в области светотехники из разных городов России.

Джордж Сорос: На то, чтобы спасти еврозону, есть только три месяца

Германия должна пожертвовать собой и сохранить «идеальный Евросоюз», в котором все страны равны, а не требовать создания на его месте Германской империи, считает знаменитый миллиардер

Реклама

По вопросам размещения рекламы обращайтесь в отдел рекламы

Реклама наших партнеров

 

15 июня

Мониторинг жизненной активности и состояния здоровья с помощью 2,4-ГГц «телесных сетей»

Медицина и спорт — перспективные приложения для беспроводных сетей. На теле человека устанавливается несколько биодатчиков, соединенных в сеть и подключенных к персональному серверу для удаленного мониторинга и управления.



С

развитием портативной электроники появляются все более разнообразные приложения, позволяющие собрать максимум информации об обладателе устройства и его стиле жизни. Так, встроенный GPS-навигатор отслеживает передвижения и просчитывает пройденный путь, затраченное время и другие параметры; наушники Apple измеряют уровень кислорода в крови. Разработано немало специализированных устройств:

  • Кулон на груди, мигающий в такт ударам сердца.
  • Компас, который вибрирует, когда сориентирован на север.
  • Ингаляторы для астматиков с GPS-датчиками, которые отслеживают время и место каждого приступа, что позволяет выявлять их периодичность, а также провоцирующие болезнь места.
  • Устройство для отслеживания продолжительности и глубины фаз сна.

Кулон, мигающий в такт ударам сердца

Структура сети WBAN

Датчики должны быть легкими и не иметь проводов, чтобы не стеснять движения спортсмена или пациента. Подобные сети получили название беспроводных телесных локальных сетей (WBAN – wireless body area networks). Каждый датчик помимо чувствительного элемента содержит антенну, схему управления и вычислительное устройство. Персональный сервер передает данные на удаленный центр, как показано на рисунке. Видно, что сеть можно разделить на 4 уровня: датчики, персональный сервер, базовая станция и удаленный сервер.

Общая структура WBAN. Информация с датчиков (sensor) передается на персональный сервер (смартфон, КПК) и далее через Интернет – на обработку в центр предсказания погоды, аварийную службу, медицинским работникам, врачам или операторам – в зависимости от назначения WBAN

В качестве протокола связи между датчиками и персональным сервером используется Bluetooth Low Energy (BLE) или ZigBee. Передача данных по BLE идет медленнее, чем по стандартному Bluetooth, однако потребление настолько мало, что датчик может работать в течение года без подзарядки батареи.

В зависимости от целевого назначения системы применяются различные типы датчиков:

  • ЭКГ для мониторинга работы сердца;
  • электромиограф для мониторинга работы мышц;
  • электроэнцефалограф для мониторинга работы мозга;
  • датчик для измерения кровяного давления;
  • датчик наклона для мониторинга положения торса;
  • датчик дыхания;
  • датчик движения для учета передвижения пользователя;
  • сенсор в обувной стельке для записи шагов.

Структура датчика активности Telos с модулем ISPM

Датчики могут быть выполнены в виде небольшой накладки на одежде или вшиты в нее. Данные непрерывно считываются и сохраняются в локальной памяти, после чего они пересылаются в персональный сервер. Частота выполнения этих операций зависит от назначения системы. Периодически датчики передают служебную информацию (статус и т.п.), чтобы динамически регулировать потребление и продлить срок службы батареи.

Персональный сервер выполняет следующие операции:

  • инициализация, конфигурация и синхронизация узлов WBAN;
  • мониторинг работы узлов и управление ними;
  • сбор данных с датчиков;
  • обработка и объединение данных с нескольких датчиков для получения более целостной картины состояния пользователя;
  • предоставление графических и звуковых подсказок;
  • защищенный обмен данными с удаленным сервером.

В качестве персонального сервера может использоваться стандартный КПК с выходом в Интернет, ПК или телефон с 3G. В зависимости от типа сети возможно несколько конфигураций. Например, между узлом и персональным сервером пересылка данных производится по протоколу Zigbee, а между персональным и удаленным сервером – по Bluetooth или через ПК, выполняющим роль шлюза.

Датчик для оттачивания мастерства игры в гольф

Схемотехнические вопросы

Как мы уже говорили, датчики должны быть миниатюрными и легкими, чтобы не причинять неудобств пользователю. Эти параметры в большей степени определяются габаритами и весом батарей. Кроме того, датчик должен эффективно преобразовывать энергию, чтобы срок службы элементов питания был больше.

Наибольшие потери энергии происходят при передаче данных. Уменьшить их можно за счет переноса части операций обработки в сам датчик.

От выбора компонентной базы также зависит многое. Наиболее критичный элемент в этом отношении – антенна.

Антенны, представленные на рынке, можно разделить на три группы: специализированные, стандартные и радиомодули с антенной. Специализированные антенны имеют малый размер и рассчитаны на работу в нескольких диапазонах. Они применяются в портативных устройствах. Специализированная антенна проектируется с учетом характеристик целевого устройства. За счет большого объема выпуска расходы на проектирование компенсируются.

Штыревая антенна сотового телефона Motorola V535

Стандартные антенны имеют меньшую стоимость и рассчитаны на большой круг применений. Для них требуется согласующая схема для обеспечения входного импеданса 50 Ом. В большинстве случаев согласующая схема разрабатывается индивидуально под проект. Их недостатки: они рассчитаны на работу в свободном пространстве или на печатной плате. Их резонансная частота меняется при изменении диэлектрической проницаемости внешней среды. Диэлектрическая проницаемость FR4 (материал печатной платы) равна 4,4, кожи человека – 37,5, а крови – 58. Из-за высокой диэлектрической проницаемости и электрической проводимости тела человека потери в антенне сильно возрастают.

Второй недостаток связан с многолучевостью. Медицинское оборудование находится в помещении, поэтому передаваемый сигнал многократно отражается.

Для нахождения способа устранения данных недостатков было проведено исследование на примере стандартной антенны 2,4 ГГц размером 15 x 5 x 1 мм. Выяснилось, что характеристики антенны действительно сильно ухудшаются при контакте с телом человека. Однако на расстоянии 3 мм ухудшение намного меньше, это явление было использовано при проектировании датчика. Вблизи тела человека потери сигнала увеличиваются на 19 дБ. Кроме того, сигнал теряет поляризацию.

Керамические антенны 2,4 ГГц для устройств Bluetooth, ZigBee, NanoNet

Побороть эти недостатки можно с помощью использования нескольких приемных и передающих антенн (MIMO), однако этот вариант неприемлем с учетом сферы применения датчиков – спортсмену нужна свобода движений и удобство. Кроме того, было выяснено, что антенны могут быть расположены ближе друг другу в 2,5 раза, если используются не в свободной среде, а вблизи тела человека. Уровень помех останется на этом же уровне.
В антенном модуле приемник и антенна выполнены в виде единого устройства. Это позволяет уменьшить размер и стоимость устройства, а также повысить эффективность передачи. Радиомодуль может быть выполнен в виде стандартного коммерческого компонента. Для этого его выводы следует расположить так, чтобы было возможно подключение внешней согласующей схемы между антенной на плате и радиоприемником. В будущем будет создано однокристальное решение, содержащее антенну, приемник, биодатчик и схему управления.  

Заключение

Непрерывный мониторинг психоэмоционального и физического состояния пользователя открывает новые возможности. В частности, позволяет вести электронный дневник самочувствия и жизненной активности, отслеживать перемещения, работу сердца и мышц. Эта информация позволяет скорректировать ритм жизни и предупредить или выявить на ранней стадии серьезные заболевания.

В медицине телесные сети также необходимы. Например, в период реабилитации после операций, перенесенных инсультов и пр., а также для диагностики хронических и вялотекущих заболеваний. Датчики не доставляют неудобств пользователю и обеспечивают безопасность, посылая на удаленный сервер сигнал тревоги в чрезвычайных ситуациях. Долгий срок службы батарей позволяет не снимать их в течение длительного времени.

Для массового внедрения телесных сетей необходимо решить ряд технических и нормативных вопросов. Необходимо разработать соответствующие законы, обеспечивающие социальную защищенность граждан и конфиденциальность персональной информации.

Источники: NCBI, Electronics Weekly

Читайте также:
Каждому по роботу в течение 5 лет
Мультистандартный трансивер для датчиковых сетей с рекордно низким потреблением
Самоуправляющиеся автомобили скоро появятся на наших дорогах
Будущее-2050: автомобили смогут разговаривать с домами

Оцените материал:

Автор: Перевод: Екатерина Самкова



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2018 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты