הכנת אב-טיפוס להתקנים רפואיים לבישים באמצעות מודולי Wi-Fi‏

התופעה של התפוצצות החיבוריות המתרחשת כיום הנה בעלת כמה השלכות מרחיקות לכת על בריאותנו ורווחתנו. בתור התחלה, ההתקנים הרפואיים אינם צריכים עוד לכבול את החולה למיטת בית-החולים או אפילו למתקן רפואי. הרופאים יכולים היום לנטר ולשלוט מרחוק בהתקנים שעל המטופל ואפילו לבצע כוונונים תוך כדי פעולה.

התקדמות זו חלה במידה רבה הודות למיזוג של טלפונים סלולאריים, מחשבים, התקנים היקפיים לבישים ורשתות אישיות (PAN). מנקודת מבט כלכלית, חברות הביטוח המודעות לעלויות דוחפות את המגמה לשימוש בהתקנים רפואיים לבישים כיוון שגילוי וחיזוי מוקדם של אירוע מתקרב יכול להקטין את הוצאות הטיפול בחולה.

מאמר זה בוחן את השימוש במודולי Wi-Fi מן-המדף לצורך הכנת אב-טיפוס להתקנים רפואיים לבישים. התקנים אלו יכולים להאיץ את הפיתוח של החיישנים והמעגלים הרפואיים עצמם, לשרת כפתרון OEM אם יתבקשו לכך, או, בשימוש כתכן ייחוס, להיקלט בלוח המעגלים כאשר המוצר מוכן להשקה. ניתן למצוא את כל ההתקנים, גיליונות הנתונים וחומר ההדרכה שהוזכרו באתר האינטרנט המקוון של Digi-Key.

מדוע Wi-Fi?

מספר פרוטוקולים קוויים ואלחוטיים מתחרים על השימוש ברשתות אישיות (PAN). פתרונות האלחוט כוללים Wi-Fi‏, ZigBee‏, Bluetooth‏, ANT+‎‏, 6LoWPAN‏ וכן Z-Wave. בשעה שכל הפרוטוקולים האלו מצוידים ביתרונות אמיתיים ומוחשיים, כגון עלויות נמוכות יותר, רמת מורכבות פרוטוקול ותקורה נמוכה יותר וכן התמודדות עם היקפי תעבורה פחותים יותר, ייתכן כי פרוטוקול ה- Wi-Fi נמצא במקום הטוב ביותר לחדור לשוק ההתקנים הרפואיים הלבישים, וזאת ממספר סיבות.

אחת הסיבות לכך היא שפרישת פרוטוקול ה- Wi-Fi רחבה ביותר לעומת זו של פרוטוקולים אחרים. בבתי קפה, במסעדות ואפילו במקומות ציבוריים מותקן Wi-Fi חינמי, ההופך אותו לצינור אידיאלי עבור התקנים רפואיים הזקוקים לתקשורת ישירה לענן ולאיש מקצוע רפואי באמצעות התשתית הציבורית. במקרה של התקנים רפואיים לבישים, ערוץ ישיר זה יכול לשמש כגיבוי אם המחשב המארח הלביש שלנו נופל.

סיבה נוספת לכך היא שקיימת תמיכה אוניברסלית בפרוטוקול ה- Wi-Fi בטלפונים חכמים. משמעות הדבר היא שבשעה שהטלפונים החכמים הופכים לצובר המחשוב והתקשורת של ההתקנים הלבישים, ההתקן הרפואי שלנו ייהנה מחיבור רציף בהספק נמוך לענן באמצעות שירותי 3G/4G/5G (ודומיהם).

עוד סיבה לכך היא שפרוטוקול ה- Wi-Fi מציע אבטחה והצפנה בסיסיות. נוסף לכך שאיש אינו מעוניין כי מישהו יקלוט את הנתונים הרפואיים שלו או יפרוץ לקוצב הלב שלו, לדוגמה, ה- IPv6 מאפשר די כתובות IP כדי לזהות באופן ייחודי את ההתקנים של כולם. המיעון אינו מהווה בעיה.

לבסוף, ישנם כמה פתרונות Wi-Fi טובים מן-המדף המוכנים לשימוש הן בצורת שבב והן בצורה מודולרית. פירוש הדבר, כי ניתן למנף את הטכנולוגיה מבלי לשקוע עמוק מדי במורכבויותיה. סכמות דוגמה, קודים, פריסות, ותמיכת יישומים זמינים בשפע.

שימוש במודולים

עבור המתכנן, העתקה והדבקה של תכן ייחוס על לוח ה- PCB עשויות להיראות עניין טריוויאלי למדי. אחרי הכול, התכן כבר יוצר, נבדק ואופיין. מה עלול להשתבש?

אך לעומת זאת בעולם האמיתי, מאחר ודברים רבים כל כך יכולים להשפיע על ביצועי ה- RF, ייתכן שאפילו יצרנים של שבבי RF ייאלצו לבצע מספר איטרציות על דגם לוח ה- PCB ועל לוחות הפיתוח שלהם. בנוסף, תהליך האישור היקר וגוזל הזמן לבדיקת לוח ה- PCB יכול לסכן אותם מבחינת הצורך בביצוע חוזר בכל פעם שמתרחש שינוי שאינו קשור ל- RF. בכך נוספות עלויות, סיכונים ועיכובים רבים המאריכים את זמן היציאה לשוק.

ציון מודולים לצורך הכנת אב-טיפוס וייצור ראשוני הוא בחירה טובה ממספר סיבות. מודולים אלו מספקים מלכתחילה את אישורי ה- FCC וה- TUV ואת התדרים הספציפיים לתאימות ברחבי העולם. כמו כן, הם ניתנים לבדיקה ואפשר לפתח אותם באופן בלתי תלוי ברכיבי מערכת אחרים. הדבר מאפשר בדיקת מארזים, ריווח והרכבת רכיבים לביצועים מקסימליים, בעיקר מאחר והחומרים הנמצאים בסמיכות לאנטנה יכולים להשפיע על ביצועי ה- RF.

אחד היתרונות הבולטים ביותר של השימוש במודולים הוא היכולת לתכנן בו-זמנית. ניתן לתכנן את היישום הראשי, להכין את האב-טיפוס ולבדוק אותו בזמן שפיתוח מודול ה-RF מתנהל ברקע. הדבר מוריד חלק מהלחץ, מאחר וניתן להשיק אפילו ייצור סדרתי ראשוני של המוצר עם מודולי Wi-Fi מסוג OEM, הזמינים בעלויות סבירות ביותר.

שלב גילוי הרכיבים

קצבי הנתונים עשויים לעזור לך להחליט אילו מודולים הם הטובים ביותר עבורך. לא כל יישום זקוק למהירות גבוהה ולהספק רב. נבחן, לדוגמה, את מודול ה- Wi-Fi‏ MIKROE-1135 לשימוש-כללי ‎3.3 V של MikroElectronika התומך בתקן 802.11b‏ ‎11-Mb/s. אנטנת לוח ה- PCB המשולבת דורשת טווח של 400 מ', וחבילת התוכנה המקודדת-בקושחה מאפשרת למיקרו-בקר המשובץ שלך לתקשר אתה באמצעות UART סטנדרטי. המודול הניתן להרכבה בהצמדה (Snap-in) יכול להתחבר לשקע לצורך עדכונים והרכבה מהירים (איור 1), והוא נתמך על ידי שרטוט ייחוס ודוגמאות קוד. חברת MikroElectronika גם מציעה מוצרים נוספים מסדרת Click™‎ של מודולי RF המודולריים מתוצרתה.


איור 1: המודולים בהצמדה (Snap-in) ניתנים לחיבור לשקע לצורך פיתוח ובדיקה והם גם מאפשרים מידה של חופש בקביעת מיקומי ההרכבה המיטביים על לוח ה- PCB כדי להבטיח את הביצועים הטובים ביותר.

הרכיב של H&D Wireless‏, HDG104-DN-2, המוסיף תמיכה בקצבי נתונים של ‎54 Mb/s, הוא מודול המתאים הן לתקן 802.11b והן לתקן 802.11g. המודול כולו, הפועל במתח ‎2.7 V עד ‎3.3 V, ארוז כמו שבב QFN‏ של 44 פינים להרכבה משטחית (SMT) ותופס שטח של 7.1 ×‏ 7.7 מ"מ בלבד משטח לוח המעגלים.

אחד הדברים הנאים במודול זה הוא שאין צורך בכוונון RF, וההתקן מכויל מראש עם כתובת MAC שכבר מוקצית. מודול זה, המבוסס על מעבד AVR של Atmel ‏עם זיכרון ROM בעל אתחול פנימי, מקבל (או מספק, אם מוסיפים מתנד מקומי) שעון ‎40 MHz מהמערכת המארחת כדי ליצור את כל תדרי המיקרו וה- RF הפנימיים הנדרשים. הוא גם יכול לקבל שעון של ‎32.768 kHz עבור אופני הספק נמוך שבהם הוא צורך ‎15 mW במצב כיבוי-רך. חלק זה עושה שימוש באנטנה חיצונית ובתקשורת טורית באמצעות ממשק SPI. הוא גם מאפשר קלט/פלט דיגיטלי (איור 2).


איור 2: כדי לנצל את המודול בסגנון-שבב זה, כל הנדרש הוא שעונים, הספקת-כוח ותקשורת טורית. אנטנה חיצונית עשויה לא להזדקק לכוונון.

חברת Texas Instruments מציעה גם כמה מודולי Wi-Fi‏ מוכנים לשימוש בקצב ‎54 Mb/s, כגון המודול WL1831MODGBMOCT שלה, המשלב מקמ"ש Wi-Fi‏ ‎802.11 b/g/n עם מקמ"ש Bluetooth. כמוצר בסדרת WiLink™‎, הוא מבוסס על המיקרו-מעבדים Sitara של TI ונהנה מתמיכת תוכנה עבור Linux, אנדרואיד, Wi-Fi ו-Bluetooth בשילוב מראש עם ערכות הפיתוח AM335x.

ישנם עוד כמה מתמודדים המוכנים לשימוש, כגון מודול ה-Wi-Fi לשימוש-כללי ‎54 Mbits/s‏ RN171XVS-I/RM של Microchip וה- SPB800-BCP1‏ ‎54 Mb/s של H&D בלוח המעגלים הניתן להרכבה-משטחית. במקרה זה, הסיבה העיקרית להצלחה היא חיבוריות אלחוטית מידית לאינטרנט או לרשת תקשורת מקומית עבור כל התקן בעל חיבוריות UART או RS-232.

מהירויות גבוהות יותר

קצב נתונים ‎מהיר מעט יותר של ‎65 Mb/s מתקבל מחברת Murata, המציעה מודול משולב מסוג TN 802.11b/g/n ו-Bluetooth 4.0 המכונה LBEE5ZSTNC-523. חברת Murata מחזיקה משפחת מודולי RF המסוגלת לחבר גם התקנים רפואיים ל-Bluetooth ואפילו לתדרי רדיו ‎900 MHz לטווח ארוך יותר ולמעבר טוב יותר דרך קירות (איור 3).


איור 3: מספר פתרונות אלחוטיים מודולריים מאפשרים להתקנים רפואיים לבישים להתחבר לרשתות נוספות שאינן Wi-Fi, כמו גם לפסי תדר שימושיים פחות של ‎900 MHz לקבלת ערוצים ברורים יותר ומרחקים ארוכים יותר.

חברת Inventek מציעה מודול מעניין מוזן UART‏, ה- ISM43362-M3G-L44-E-C2.4.0.2, עבור Wi-Fi‏ ‎802.11 b/g/n עם אנטנת מיקרוסטריפ ויכולת לחבר אנטנה חיצונית (איור 4). חלק זה גם מצויד בתקשורת טורית פשוטה, אך עם יציאות SPI‏, UART ו-USB מרובות הוא יכול לפעול כמיני-רכזת עצמאית (שים לב גם לממירי ה-A/D שעל המודול לפונקציונליות של אותות מעורבים).


איור 4: כאשר קיימת יותר מיציאה טורית אחת במודול הוא יכול לפעול כמיני-רכזת תקשורת וכשרת עבור מספר התקנים רפואיים. הדבר מאפשר למספר חיישנים מבוזרים, כגון בחוני EKG, להזדקק לערוץ RF אחד ויחיד בלבד.

חברת BlueGiga מציעה משפחה של מודולי Wi-Fi‏ WF111 ו-WF121, עם אנטנה חיצונית ובלעדיה, כגון ה- WF111-E‏ ‎72 Mb/s לשימוש עם אנטנה חיצונית וה- WF121-A עם אנטנות פנימיות. קצבי נתונים מהירים אף יותר - ‎150 Mb/s - זמינים במודול של Sagrad‏, SG901-1059B-5.0-H לשימוש-כללי ‎802.11 b/g/n/‎‏, המשתמש באנטנה חיצונית. באמצעות ממשק USB 2.0, פתרון השבב-היחיד המשולב RT3070 משלב שבב PHY של ‎150 Mb/s ותואם במלואו לטיוטה ולמערך התכונות של 802.11n 3.0. שים לב כי נדרש תהליך של ‎300 MIPS או ‎400 MIPS כדי לדחוף חלק זה במלואו ולהביאו לרמת הביצועים המלאה שלו. עד כה, ארכיטקטורות ARM‏ ‎32-bit ו-x86 נבדקו עם מודול זה, וכן גם מעבדי x86‏ ‎64-bit.

לסיכום

יצרני התקנים רפואיים עשויים להיות מומחים בפיתוח מוצרי בריאות עבור חולים ורופאים, אך לא סביר שיהיו בקיאים במידה שווה בתחום התקשורת האלחוטית. כאן המקום שבו הפתרון המודולרי מאפשר להם לתכנן בקלות רבה יותר גירסה אלחוטית של החיישנים הרפואיים או של מערכות הטיפול מתוצרתם. בעוד שצוות אחד מתקדם בעבודת הפיתוח של פתרון רפואי אופטימלי, צוות אחר יכול לשפר את חיבור ה- RF הנדרש בעלות נמוכה. הדבר מעניק פתרון לזמן יציאה מהיר לשוק תוך רמת הסיכון הנמוכה ביותר, וייתכן גם שבעלויות נמוכות בהרבה, במיוחד אם נדרש לחזור על בדיקות האישור של ה- FCC.

לפרטים נוספים על החלקים שהוזכרו במאמר זה, השתמש בקישורים לדפי מידע על המוצרים באתר האינטרנט של Digi-Key.