可穿戴医疗设备的连接选项和电源要求

总有一天，可佩戴的便携式医疗设备将在我们的日常生活中随处可见。事实上，我们不会再将它们视为“设备”，而是更在意它们提供的各种服务。随着无线连接的持续发展，以及医疗行业向门诊服务模式的转变，设备开发者如果能够提前预测到未来需求并充分加以利用，则将迎来真正的机遇。

当然，设备开发者必须满足非常严格的制造要求。可穿戴医疗设备必须外形小巧，能够持续保持连接，并且具有较长的电池续航时间。它们将能在设备内提供更多计算资源。市场竞争日趋复杂且日益激烈，而设备开发者必须在这样的市场中生存下来。为了达到这个目标，设备开发者必须构建快速、灵活、轻巧而又具成本效益的平台(图 1)。

 

 

图 1： 软件平台必须覆盖所有非应用程序特定代码。

设备外形

可穿戴医疗设备分为两大类：一次性设备以及可重复使用设备。一次性设备属于相对较新的市场领域，由于这些设备的产品寿命相对较短，因此其发展较为快速。相反，可重复使用设备则要求更长的产品寿命和更高的安全性，以及很高的可靠性系数。

驱动一次性设备发展的模式是薄利高产量。为了实现这个目标，一次性设备必须让资源最有限的处理器提供最多的功能。为了最大程度提高收入，设备开发者通常会针对最终用户群体提供一系列产品，以价格换取功能。为产品的每项功能编写应用程序的做法不太合算。

因此，必须构建一个通用软件环境，既可支持单种应用程序，也能够在各种计算资源之间无缝迁移。此类环境必须能够压缩到最精简的系统，它们通常只提供很少的存储器资源，但能够进行扩展以支持更加丰富的功能。

可重复使用设备市场向设备开发者提出了一系列不同的挑战。设备制造商向市场提供的主要增值是最终客户使用的处理器不再是临时性质的。半导体供应商支持的设备生命周期存在很大差异。医疗行业客户通常不希望产品更换周期达到十年甚至更长。要消除这种冲突，并且维持必要的应用程序代码生命周期以保持盈利，就要设计稳定的编程 API，而不是特定的处理器设备。

连接选项

我们一直都有能力制造出足够小巧、便于佩戴的设备。当前设备与以往设备的区别在于是否能提供全球连接——包括直接连接到互联网或云，或者连接到本地中间设备(可穿戴医疗设备与用户的智能手机配对)，再通过中间设备连接到互联网。这种连接可能是间断的(使用无线连接或临时的有线连接)，也可能是持续的(使用某一种无线选项)。

有线选项是成本最低的连接方式，但却最不灵活。不过，对于低成本设备而言，它们仍然是可行的解决方案。当通过有线链路连接到可穿戴系统供应商提供的另一部设备时，可以使用极其简单的连接方法，例如 SPI 和 I2C。相反，当连接到通用的计算设备时，则需要使用更为开放的标准，例如 USB。使用过这些不同连接方法的工程师知道，USB 和其他简单连接方法的协议复杂性相差很远。连接选项很可能在设备生命周期内变化，甚至在开发周期内变化。操作环境应该能够最有效地将应用程序层与底层连接方法隔离开。

然而，未来的可穿戴医疗设备的趋势是使用无线连接方式。虽然 USB 是比 SPI 更加复杂的协议，但各种不同的无线连接选项远比 USB 复杂得多，特别是在涉及安全性时。无线连接方法包括近场无线电、蓝牙/BLE、Wi-Fi，以及蜂窝移动网络(图 2)。在这些无线连接方面，技术、协议和选项都在快速变化。更加重要的是，这些系统的成本也会发生变化，虽然在当前看来，这些解决方案似乎过于昂贵，但在今后很可能成为经济实惠的标准，当应用程序层代码可以维持很长的生命周期时。

 

 

图 2：无线连接选项丰富多样而又在不断变化。

实时操作系统 (RTOS) 环境具有 SPI 级别接口，当前能够应用于最精简的设备中，并且能够实现向全蜂窝连接的迁移(无论是整个产品系列还是产品生命周期)，它们无疑能够让可佩戴医疗设备 OEM 厂商适应可能出现的任何形势。

电源要求

可穿戴医疗设备的电池续航时间显然是一大关键要素。对于人们随身携带或佩戴的任何设备而言，重量始终都是一个倍受关注的指标，而电池又是所有便携式设备中的最笨重部件。最大程度地减少功耗可以延长电池续航时间，但对于整天甚至夜间都要使用设备的用户来说，光做到这一点还远远不够。在大幅降低电源需求的同时，还要最大程度地减小电池尺寸。智能手机等设备采用特定尺寸的电池，由电池提供特定的电量。而这一参数通常是固定不变的，因此只需达到一定的电池充电续航时间，就能满足客户的需求。但可穿戴医疗设备并非如此。当电池充电续航时间确定之后，必须不断地降低功耗，因为每次降低功耗都能进一步减小电池尺寸和重量。

当前的现代处理器提供了一系列有效的节能功能。遗憾的是，这些功能非常复杂，不仅功能之间通常具有很高的相互依赖性，而且其还要依赖与要实施的特定节能模式不相关的系统部件。例如，更改器件时钟频率会影响通信时钟速率，即便通信外围设备没有更改它们的电源状态也是如此。所有这些因素累加起来，也就让应用程序开发人员更加不堪重负，因为他们原本就承担了完成目标应用的重任。能否让电池提供更高的电量，将决定设备在市场上的竞争力。设备开发者面临着双重压力，既要让软件达到或超出应用程序要求，又要兼顾项目的外围设备的尺寸，这样才能在市场上立足。

 

 

图 3：功率优化涉及到所有可穿戴设备元器件。

要解决这个问题，就需要在集成了电源管理功能并将其作为环境必不可少的一部分的软件平台上开发应用程序(图 3)。大部分大型通用操作系统都包括一系列非常先进的电源管理功能;但是，这些操作系统在面向便携式医疗设备的处理设备中并不能发挥作用。大部分实时操作系统都提供某种形式的电源管理，最常见的是 Tick 抑制，当没有计划运行的任务时，它将中断内核周期性定时器 Tick，直至下一个定时器事件。可穿戴设备需要其他更为复杂的方法，而这样的方法在 RTOS 中非常罕见。目前只有Mentor Graphics 的 Nucleus RTOS 可提供对所有器件节能功能的内置支持，包括动态电压频率调整 (DVFS)，以及对外围设备之间所有交互的外围设备功率级别的完全控制和对内核操作时钟周期的完全控制(图 4)。

 

 

图 4： 结构化电源框架优化开发工作。

尺寸限制

为了适应可穿戴医疗设备的物理外形参数，电子设备能够容纳元器件的空间很小，散热能力也比较有限。散热问题和功耗问题一直都是我们在努力解决的两大问题。由于物理尺寸限制，导致我们通常选择MCU 片上系统 (SoC) 作为内核处理引擎。虽然这些设备可以容纳很多不同尺寸的外围设备，但由于存储器容量问题，我们无法控制存储器的几何形状。每个应用程序都需要更多存储空间。而小型设备中的存储器，包括易失性和非易失性存储器，更是如此。设备开发者最不希望看到的就是应用程序与 RTOS 争夺资源。正是这个问题妨碍了通用操作系统进入可穿戴医疗设备领域。考虑采用某个 RTOS 时，它必须能够在代码和数据需求方面都压缩到最小，以完美贴合 2K 精简内核，如此就更能够在最为低端的设备领域中经久不衰。这个 RTOS 还必须能够扩展，以运行功能最全面的服务，例如蜂窝移动通信。如果做不到，设备开发者必须尝试支持跨越多个操作系统环境的应用程序。

实施与产品

有些人还记得，在 PC 革命兴起初期，广告商、营销人员和科技杂志关注的焦点是时钟速度、总线大小和其他技术细节。现代设备的唯一判定标准是终端用户体验。有些开发者在工程方面取得了重大突破，让腕带能够运行大量指令，这可能是在同行之间夸耀的资本，但并非决定性的因素。这就迫使设备开发者必须用最少的硬件提供最丰富的功能。无论是最小的存储器、最慢的时钟(设备限制或实际使用)，还是体积最小的电池，工程师都能够在设备中(很多情况下是一次性设备)提供神奇的功能。

结论

当今的市场需要更为复杂多样、物超所值而又先进的底层硬件，要在这样的市场上生存下来，应用程序必须在功能强大且非常灵活的平台上运行。这种平台必须非常精简，同时还能够优化特定硬件特性。这种平台不再完全取决于处理架构或外围设备集合，还要取决于它为开发者提供的编程环境。满足这些条件的标准平台，例如 Windows、Android、iOS、Linux 等操作系统，超出了最低硬件要求的底限。一旦超出这些底限，则无法满足可穿戴医疗设备在价格、电源和物理限制方面的要求。因此，我们需要具有高适应性和可扩展性的 RTOS 环境，用以取代裸机系统，满足对功能全面的低端操作系统的需求。