使用 Wi-Fi 模組進行穿戴式醫療裝置原型設計

目前爆炸性成長的連線需求對於健康和保健而言具有深遠影響。 首先，病患再也不用待在病床上，甚至不需走進醫療院所，就可使用醫療裝置，而醫生能從遠端監測並控制病患身上的裝置，甚至可進行調整。

能有此進展，很大的原因是因為結合了行動電話、電腦、穿戴式周邊和個人區域網路 (PAN)。 從經濟角度來看，注重成本的保險公司正在促成醫療穿戴式裝置的風潮，以便早期發現並預測未來的病況，進而降低病患的治療費用。

本文探討如何使用現有的 Wi-Fi 模組進行穿戴式醫療裝置的原型設計。 這些裝置能加速實際醫療感測器與電路的開發，若有需要，甚至能當作 OEM 方案使用，或者也可當作公版設計使用，在產品準備發行時納入到板件中。 本文所述之所有元件、規格書和培訓內容皆可在 Digi-Key 網站取得。

為何使用 Wi-Fi？

目前有不少有線和無線通訊協定爭相搶進 PAN 領域。 競爭的無線方案包括 Wi-Fi、ZigBee、藍牙、ANT+、6LoWPAN 和 Z-Wave。 這些通訊協定都有實際且實質的優點，例如降低成本、減少協定複雜度和負擔，並可降低處理流量，但 Wi-Fi 應該是最適合穿戴式醫療裝置領域的選擇，原因如下。

首先，Wi-Fi 比起其他通訊協定，更加廣泛採用。 許多咖啡廳、餐廳甚至是公共場所都有免費 Wi-Fi 可用，因此是醫療裝置的理想傳輸管道，能透過這些公共基礎建設直接跟雲端還有醫護專業人員進行通訊。 使用醫療穿戴式裝置時，若穿戴式主機電腦故障的話，此直接管道能當作備援。

另一個原因則是智慧型手機普遍都有支援 Wi-Fi。 也就是說，由於智慧型手機成為穿戴式裝置的運算和通訊匯集中心，醫療裝置將透過 3G/4G/5G 等服務享有持續低功率的雲端連結鏈路。

還有另一個原因在於，Wi-Fi 提供基本的安全性和加密。 除了可防止任何人攔截醫療數據或入侵心律調節器外，若採用 IPv6，更可透過 IP 位址的獨特性，判別每個人的裝置。 位址不會是問題。

最後，目前已經有不少現成的 Wi-Fi 方案可立即用於晶片和模組產品上。 也就是說，您無需深入探究其複雜的技術內容，就可運用此技術。 範例線路圖、程式碼、佈局以及應用程式支援都可立即取得。

考慮使用模組

對設計人員而言，在 PCB 上複製與貼上公版設計似乎沒有價值。 畢竟，設計本身已經歷經製作、測試與特性化。 還有哪裡會出錯呢？

但在現實世界中，有太多因素會影響 RF 效能，甚至 RF 晶片製造商也必須要對其 PCB 展示板和開發板重複進行測試才行。 除此之外，PCB 認證的測試流程相當耗費時間與成本，每次若有非 RF 相關因素的變更時，都需承擔重新測試的風險。 這將增加許多成本、風險並造成延遲，且會延後上市時間。

基於眾多理由，指定原型和初次生產所用的模組會是比較好的作法。 這些模組一開箱就提供 FCC 和 TUV 認證，並具有符合國際規範的特定頻率。 此外，這些模組能獨立於其他系統元件，自行進行測試和開發。 因此，您可針對外殼、間距以及元件置放進行測試，以達到最高效能，特別是當材料相當靠近天線時，可能會影響 RF 效能。

採用模組的最大優勢在於能同時進行設計。 在進行主要應用的設計、原型開發和測試時，可同時在背景中進行 RF 模組的開發。 這有助於排解一部份生產壓力，甚至產品的初次生產都可透過 OEM 的 Wi-Fi 模組進行，而且僅需合理價格就可取得模組。

探索模式

您可依據數據傳輸率決定最適合的模組。 並非所有應用都需要高速和高功率。 舉例而言，MikroElectronika 3.3 V 一般用途 MIKROE-1135 Wi-Fi 模組支援 11-Mbit/s 802.11b 標準。 此整合式 PCB 天線宣稱具有 400 m 訊號範圍，韌體編碼的堆疊能讓嵌入式微處理器透過標準 UART 進行通訊。 扣入式安裝模組能插入插座以便快速更新並組裝（圖 1），並且有參考線路圖與程式碼範例的支援。 MikroElectronika 亦提供模組化 Click™ 系列 RF 模組的其他款式。


圖 1：扣入式模組能插入插座進行開發與測試，並可提供量測靈活度，以便判定最佳的 PCB 置放方式達到最佳效能。

H&D Wireless 的 HDG104-DN-2 模組額外支援 54 Mbit/s 數據傳輸率，適用於 802.11b 和 g。 此模組能在 2.7 至 3.3 V 下操作，封裝類似 QFN 44 引腳 SMT 晶片，電路板佔用面積僅有 7.1 x 7.7 mm。

此模組有個優點在於，無需進行 RF 調整，而且元件經過預先校準並且已經指定 MAC 位址。 此模組採用 Atmel AVR 處理器為基礎，內建開機 ROM，能從主機系統取得 40 MHz 時脈（若添加本機振盪器，亦可提供時脈），合成所有必要的內部微處理器和 RF 頻率。 此外，此模組亦可使用 32.768 kHz 時脈進入低功率模式，且在軟關機模式中僅消耗 15 mW。 此元件採用外接天線，並且透過 SPI 進行序列通訊。 亦有提供數位 I/O（圖 2）。


圖 2：僅需具備時脈、電源和序列通訊，就可享受此晶片樣式模組的優勢。 外接天線無需進行調整。

Texas Instruments 亦推出一些立即可用的 54 Mbit/s Wi-Fi 模組，例如 WL1831MODGBMOCT 模組，其結合了 Wi-Fi 802.11b/g/n 收發器以及藍牙收發器。 此元件屬於 WiLink™ 系列成員，採用 TI 的 Sitara 微處理器為基礎，並且在 AM335x 開發套件中預先整合堆疊和軟體支援，可用於 Linux、Android、Wi-Fi 和藍牙。

其他廠商也有推出立即可用的產品加入競爭行列，例如 Microchip 的 54 Mbit/s RN171XVS-I/RM 一般用途 Wi-Fi 模組，以及 H&D 的 54 Mbit/s SPB800-BCP1，位於可進行表面黏著的電路板上。 這些產品的主要優勢在於，只需透過 UART 或 RS-232 連線，任何裝置就能以無線方式連接到區域網路或網際網路。

速度更快

Murata 推出結合 TN 型 802.11b/g/n 和藍牙 4.0 的模組：LBEE5ZSTNC-523，數據傳輸率些微提升至 65 Mbit/s。 Murata 推出一系列 RF 模組，能讓醫療裝置連接藍牙甚至是 900 MHz 的無線電，提供更長的訊號傳輸距離以及更優異的穿牆效果（圖 3）。


圖 3：有一些模組化無線元件能讓穿戴式醫療裝置連接其他非 Wi-Fi 網路，甚至是較少使用的 900 MHz 頻帶，提供更清晰的通道與更長的傳輸距離。

Inventek 推出一款 UART 介面的 ISM43362-M3G-L44-E-C2.4.0.2 模組，適用於 802.11 b/g/n Wi-Fi，並具有微帶天線，亦可連接外接天線（圖 4）。 此元件亦具有簡易的序列通訊功能，並可透過多重 SPI、UART 和 USB 連接埠，即可自行成為迷你集線器（請注意，模組上有 A/D 轉換器提供混合式訊號功能）。


圖 4：若模組上有不只一個序列連接埠，則可當作迷你通訊集線器使用，並成為多個醫療裝置的伺服器。 如此一來，數個分散的感測器，如 EKG 探針，就只需要一個 RF 通道即可通訊。

BlueGiga 亦推出 WF111 和 WF121 Wi-Fi 模組系列，可自行選擇是否搭配外接天線。例如 72 Mbit/s 的 WF111-E 可搭配外接天線，而 WF121-A 則有內建天線。 若需要 150 Mbit/s 的更快速數據傳輸率，則可考慮 Sagrad 的 SG901-1059B-5.0-H 一般用途 802.11 b/g/n/ 模組，其採用外接天線。 整合式 RT3070 單晶片方案採用 USB 2.0 介面，整合了 150 Mbit/s PHY，並且完全符合 802.11n 3.0 標準草案與功能組合。 請注意，需要 300 或 MIPS 處理能力才可完整驅動此元件達到完整效能水準。 目前，此模組已經通過 32 位元 ARM 和 x86 架構的測試，64 位元 x86 處理器也通過測試。

總結

醫療裝置製造商在開發病患和醫師用的健康照護產品上具有專業技術，但在無線通訊領域上未必也同樣專精。 因此，模組化方案有利其輕鬆設計無線款式的醫療感測器或治療系統。 一個小組負責開發最佳化醫療方案，另一個小組則負責鑽研達到必要的低成本 RF 鏈路。 如此一來，就能以最低風險提出快速上市的方案，特別是在必須重複進行 FCC 認證測試的情況下，此作法甚至能大幅降低成本。

若要深入瞭解此文章所述之零件，請使用本文所示之連結進入 Digi-Key 網站的產品資訊頁面。