Prototyping von tragbaren medizinischen Geräten mithilfe von Wi-Fi-Modulen

Von Jon Gabay

Zur Verfügung gestellt von Electronic Products

Die gerade stattfindende Konnektivitätsexplosion hat weitreichende Auswirkungen auf unsere Gesundheit und unser Wohlbefinden. Zunächst zwingen medizinische Geräte Patienten nicht mehr notwendigerweise in ein Krankenhausbett oder in eine medizinische Einrichtung. Die Ärzte können nun von einer Person getragene Geräte per Fernbedienung überwachen, steuern und sogar sofortige Änderungen vornehmen.

Diese Vorzüge sind größtenteils der zunehmenden Verbreitung von Mobiltelefonen, Computern, tragbaren Peripheriegeräten und PANs (Personal Area Networks) zu verdanken. Kostenbewusste Versicherungsunternehmen unterstützen aus ökonomischen Gründen den Trend zu tragbaren medizinischen Geräten, da eine frühzeitige Erkennung und Vorhersage eines bevorstehenden Ereignisses die Behandlungskosten für den Patienten senken kann.

Dieser Artikel behandelt den Einsatz von ab Lager lieferbaren Wi-Fi-Modulen für das Prototyping von tragbaren medizinischen Geräten. Diese Geräte können die Entwicklung der eingesetzten Sensoren und Schaltungen beschleunigen, sie können bei Bedarf als OEM-Lösung eingesetzt werden oder als Referenzdesign in eine Platine aufgehen, wenn ein Produkt marktreif ist. Alle Geräte, Datenblätter und Schulungsmaterialien finden Sie online auf der Digi-Key-Website.

Warum Wi-Fi?

Mehrere kabelgebundene und drahtlose Protokolle konkurrieren um den Einsatz in PANs. Zu den drahtlosen Lösungen gehören Wi-Fi, ZigBee, Bluetooth, ANT+, 6LoWPAN und Z-Wave. Zwar haben alle diese Protokolle reale und greifbare Vorzüge wie niedrigere Kosten, geringeren Overhead, weniger komplexe Protokolle und geringeren Datenverkehr, aber Wi-Fi ist aus verschiedenen Gründen vielleicht in der besten Position, den Markt für tragbare medizinische Geräte zu erobern.

Einer der Gründe ist, dass Wi-Fi im Gegensatz zu anderen Protokollen weit verbreitet ist. Cafés, Restaurants und sogar öffentliche Plätze sind mit kostenlosem Wi-Fi ausgestattet. Daher stellt es einen idealen Kanal für medizinische Geräte dar, die direkt über die öffentliche Infrastruktur mit der Cloud und Medizinfachleuten kommunizieren müssen. Im Fall von tragbaren medizinischen Geräten kann dieser direkte Kanal als Reserve verwendet werden, wenn der tragbare Host-Computer nicht verfügbar ist.

Ein anderer Grund ist, dass Wi-Fi universell in Smartphones vorhanden ist. Dies bedeutet, dass das medizinische Gerät, wenn Smartphones die Datenverarbeitung und Kommunikation mit tragbaren Geräten sammeln, ständig über 3G/4G/5G- und andere Dienste bei niedrigem Energieverbrauch mit der Cloud verbunden ist.

Ein weiterer Grund besteht darin, dass Wi-Fi über rudimentäre Sicherheits- und Verschlüsselungsfunktionen verfügt. Neben der Tatsache, dass Sie nicht möchten, dass jemand Ihre medizinischen Daten abhört oder sich z. B. in Ihren Herzschrittmacher hackt, stellt IPv6 eine genügende Anzahl IP-Adressen zur eindeutigen Identifizierung aller Geräte bereit. Die Adressierung ist kein Problem.

Und schließlich sind mehrere gute ab Lager lieferbare und sofort einsatzbereite Wi-Fi-Lösungen sowohl als Chip als auch als Modul vorhanden. Dies bedeutet, dass Sie die Technologie nutzen können, ohne sich in ihre Feinheiten vertiefen zu müssen. Beispiele für Schaltpläne, Code, Layouts und Unterstützung für Anwendungen sind jederzeit verfügbar.

Denken Sie über Module nach

Für einen Designer ist das Kopieren und Einfügen eines Referenzdesigns auf eine Platine ziemlich trivial. Das Design wurde doch bereits hergestellt, getestet und charakterisiert. Was sollte schiefgehen?

Im wirklichen Leben nähern sich sogar HF-Chiphersteller ihren Demo- und Entwicklungsplatinen über mehrere Iterationen an, da die HF-Leistung durch sehr viele Faktoren beeinflusst wird. Darüber hinaus besteht jederzeit das Risiko, dass der zeitraubende und kostenintensive Test einer Platine wegen einer Änderung, die nichts mit HF zu tun hat, neu begonnen werden muss. Dies kostet Zeit und erhöht Kosten und Risiko und verlängert die Zeit bis zur Marktreife.

Die Spezifizierung von Modulen für das Prototyping und die erste Produktion ist aus mehreren Gründe eine gute Wahl. Zunächst bringen die Module von Haus aus FCC- und TUV-Zertifizierungen und die weltweit spezifizierten Frequenzen mit. Sie können auch getestet und unabhängig von anderen Systemkomponenten entwickelt werden. So können Gehäuse, Platzbedarf und Anordnung von Komponenten hinsichtlich einer maximalen Leistung getestet werden, insbesondere, weil Material, das sich sehr nahe bei Antennen befindet, die HF-Leistung beeinflussen kann.

Ein wesentlicher Vorzug der Verwendung von Modulen ist die Möglichkeit des gleichzeitigen Designs. Die Hauptanwendung kann überarbeitet werden und es können Prototyping sowie Tests durchgeführt werden, während im Hintergrund ein HF-Modul entwickelt wird. Dies vermindert etwas den Druck, da sogar anfängliche Produktionsläufe des Produkts mit OEM-Wi-Fi-Modulen ausgeliefert werden können, die zu günstigen Bedingungen verfügbar sind.

Erkennungsmodus

Datenraten können zur Entscheidung für die am besten geeigneten Module beitragen. Nicht jede Anwendung benötigt hohe Geschwindigkeit und Höchstleistung. Nehmen Sie z. B. das 3,3-V-Universalmodul MIKROE-1135 Wi-Fi von MikroElectronika, das den 11-Mbit/s-, 802.11b-Standard unterstützt. Die auf der Platine integrierte Antenne deckt angeblich einen Bereich von 400 m ab und über den in der Firmware codierten Stack kann Ihr Embedded-Mikrocontroller über einen Standard-UART kommunizieren. Das Modul mit Einrastmontage kann für schnelle Aktualisierung und Montage gesockelt werden (Abb. 1). Referenz-Schaltplan und Code-Beispiele sind verfügbar. MikroElectronika bietet noch weitere Bausteine aus seiner modularen Click™-Serie von HF-Modulen an.

Abbildung von Modulen mit Einrastmontage

Abbildung 1: Module mit Einrastmontage können für Entwicklung und Test gesockelt werden und bieten ein gewisses Maß an Freiheit bei der Bestimmung der optimalen Anordnung auf der Platine für die beste Leistung.

Das HDG104-DN-2 von H&D Wireless ist ein Modul für 802.11b und g und unterstützt damit Datenraten von 54 Mbit/s. Das gesamte Modul ist wie ein QFN 44-Pin-SMT-Chip verpackt, nimmt auf der Platine nur 7,1 x 7,7 mm ein und wird mit 2,7 bis 3,3 V betrieben.

Bemerkenswert bei diesem Modul ist, dass keine HF-Feinabstimmung erforderlich ist und der Baustein mit einer bereits zugewiesenen MAC-Adresse vorkalibriert ist. Dieses Modul basiert auf einem Atmel AVR-Prozessor mit internem Boot-ROM und übernimmt den 40-MHz-Takt vom Host-System, um alle benötigten internen Mikrocontroller- und HF-Frequenzen zu synthetisieren. Der Takt kann auch geliefert werden, wenn ein lokaler Oszillator vorhanden ist. Es kann auch ein 32,768-kHz-Takt für Niedrigenergiemodi bezogen werden. Im Soft-Shutdown-Modus werden dann nur 15 mW gezogen. Dieser Baustein arbeitet mit externer Antenne und serieller Kommunikation über SPI. Digitale E/A ist ebenfalls verfügbar (Abb. 2).

Diagramm des HDG104-DN-2 von H&D Wireless

Abbildung 2: Für den Einsatz dieses Moduls in Chip-Form sind nur Takt, Strom und serielle Kommunikation nötig. Externe Antennen müssen möglicherweise nicht abgestimmt werden.

Texas Instruments hat ebenfalls einige 54-Mbit/s-Wi-Fi-Module im Programm, z. B. das Modul WL1831MODGBMOCT, das einen Wi-Fi 802.11 b/g/n-Transceiver mit einem Bluetooth-Transceiver verbindet. Als Bestandteil der WiLink™-Serie basiert es auf den Sitara-Mikroprozessoren von TI und verfügt über Stack- und Software-Unterstützung für Linux, Android, Wi-Fi und Bluetooth und ist in den AM335x-Entwicklungs-Kits vorintegriert.

Es stehen mehrere Mitbewerber bereit, z. B. das 54-Mbit/s-Mehrzweck-WiFi-Modul RN171XVS-I/RM von Microchip und das 54-Mbit/s-Modul SPB800-BCP1 von H&D auf einer Platine für die Oberflächenmontage. Eine erwähnenswerte Besonderheit ist die unmittelbare drahtlose Konnektivität von Geräten mit UART oder RS-232 mit dem Internet oder einem LAN.

Höhere Geschwindigkeiten

Eine etwas höhere Datenrate von 65 Mbit/s kommt von einem Type-TN-802.11b/g/n- und Bluetooth-4.0-Kombinationsmodul, dem LBEE5ZSTNC-523 von Murata. Murata bietet eine Produktfamilie von HF-Modulen an, die auch eine Verbindung von medizinischen Geräten über Bluetooth und sogar mit 900-MHz-Funkbausteinen zur Erhöhung der Reichweite und besseren Durchdringung von Wänden herstellen (Abb. 3).

Abbildung von HF-Modulen von Murata

Abbildung 3: Über eine Auswahl von mehreren Drahtlos-Modulen können tragbare medizinische Geräte eine Verbindung mit anderen Nicht-WiFi-Netzwerken sowie mit dem seltener eingesetzten 900-MHz-Band herstellen, das sauberere Kanäle und größere Entfernungen ermöglicht.

Inventek verfügt über ein interessantes über UART angesteuertes ISM43362-M3G-L44-E-C2.4.0.2-Modul für 802.11-b/g/n-Wi-Fi mit Microstrip-Antenne und Anschlussmöglichkeit an eine externe Antenne (Abb. 4). Dieser Baustein bietet auch eine einfache serielle Kommunikation, kann aber mit mehreren SPI-, UART- und USB-Anschlüssen als eigenständiger Mini-Hub fungieren (zu beachten sind auch die A/D-Wandler auf dem Modul für Mischsignal-Funktionalität).

Diagramm des über UART angesteuerten ISM43362-M3G-L44-E-C2.4.0.2

Abbildung 4: Wenn auf einem Modul mehr als ein serieller Anschluss vorhanden ist, kann dieser als Mini-Kommunikations-Hub und Server für mehrere medizinische Geräte fungieren. Dies ermöglicht die Nutzung eines einzigen HF-Kanals für mehrere verteilte Sensoren wie bei EKG-Messungen.

BlueGiga bietet eine Familie von WF111- und WF121-Wi-Fi Modulen mit und ohne externe Antenne an, z. B. das 72-Mbit/s-WF111-E zur Verwendung mit externer Antenne oder das WF121-A mit internen Antennen. Noch höhere Datenraten (150 Mbit/s) bietet das Universal-802.11 b/g/n/-Modul SG901-1059B-5.0-H von Sagrad, für das eine externe Antenne erforderlich ist. Die integrierte Ein-Chip-Lösung RT3070 mit USB-2.0-Schnittstelle umfasst einen 150-Mbit/s-PHY und ist vollständig mit dem Entwurf 802.11n 3.0 und dessen Funktionsumfang kompatibel. Zu beachten ist, dass dieser Baustein durch einen 300- oder 400-MIPS-Prozess angesteuert werden muss, um seine volle Leistung zu entfalten. Bisher wurden 32-Bit-ARM- und x86-Architekturen sowie 64-Bit-x86-Prozessoren mit diesem Modul getestet.

Zusammenfassung

Die Hersteller von medizinischen Geräten sind Experten für die Entwicklung von Geräten für Patienten und Ärzte, aber sie sind wahrscheinlich keine vergleichbaren Experten für drahtlose Kommunikation. Hier wird die Konstruktion einer Drahtlosversion eines medizinischen Sensors oder Behandlungssystems erleichtert. Während ein Team unbeirrt an der optimalen medizinischen Lösung arbeitet, kann ein anderes Team die erforderliche kostengünstige HF-Anbindung verfeinern. Dies führt zu einer schnellen Marktreife mit geringstmöglichem Risiko und wahrscheinlich niedrigeren Kosten, insbesondere dann, wenn FCC-Zertifizierungstests wiederholt werden müssen.

Weitere Informationen zu den in diesem Artikel beschriebenen Produkten finden Sie über die bereitgestellten Links zu den Produktinformationsseiten auf der Digi-Key-Website.

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Über den Autor

Jon Gabay

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Das Magazin "Electronic Products" und "ElectronicProducts.com" dienen Ingenieuren und technischen Führungskräften, die für die Entwicklung elektronischer Geräte und Systeme verantwortlich sind.