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人體近身區域網路之技術突破

簡介

  由於近年來IC設計產業的蓬勃發展與技術的更趨成熟,許多新興領域因而誕生,人體近身區域網路(Body Area Network)即為一最佳範例,其概念為:在人體周遭配置大量感測器,用以長時間監測人體的生理訊號變化,以便慢性疾病與突發狀況的控制,這樣的眾多感測器與一集線器即形成一個在人體周遭的近身區域網路;傳統的想法是讓個別的感測器以身體周遭的無線區域為通道,利用無線傳輸的方式將訊號傳送至集線器,然而,無線通道之路徑衰減造成感測器需以較大之功耗進行資料的傳輸,而由於能量消耗的上升,也將使得感測器可使用之時間因而減少,基於以上理由,使用替代通道做為感測器與集線器傳輸方式的近身區域網路因而被提出,以今年ISSCC2010為例,韓國KAIST提出使用人體來作為通道的解決方案,而美國MIT亦提出使用植入於衣物的導體來做為通道的解決方案,兩作品皆以異於以往無線傳輸的方式,來達成新的近身網路應用,此外為了有效增加感測器可使用的能量,兩作品皆採用由集線器遠距供電的方式來給予感測器能量,以下將進一步介紹這兩篇發表之論文。

韓國KAIST提出的作品為目前第一個可同時監測胸阻抗變異 (thoracic impedance variance, TIV) 與心電圖 (ECG) 監測的系統,包含訊號感測、能源提供、資料傳輸,其預設的使用情境如圖一,以一Base Station做為集線器,由貼在心臟胸腔周遭的25個電極陣列所組成的可阻態感測器來做生理訊號量測,此感測器建立在一四層的織物電路板 (fabric PCB),並搭配織物電感 (fabric inductance)、可撓式電池 (flexible battery) 來使用。感測器的電源是由集線器利用電感無線感應搭配振幅鍵位移調變 (ASK) 的方式來提供,於提供後,與感測器作使用者序號確認,接著開始使用身體通道傳輸 (Body Channel Communication, BCC) 的方式來傳送生理訊號資料至集線器,並再經由集線器得到新的量測命令,這個量測命令更新的動作將重新定義感測器25個電極之組態,以供不同生理訊號量測的需求;身體通道傳輸使用頻段為20-40MHz,並將其切分為四通道,調變方式為頻率鍵位移 (FSK),傳輸之資料率為 1Mbps,功耗約為3mW

圖一: KAIST提出之 thoracic impedance variance (TIV)/ECG 監測系統

美國MIT提出的作品為eTextile近身區域網路系統,著重在能源提供、資料傳輸的部分,有別於KAIST提出的人體身體通道,eTextile在穿著的衣服內加入了一層導體,來做為此近身區域網路的通道,使用情境如圖二,由於相較於無線通道、抑或身體通道,額外附加的導體皆能表現出較低的路徑消耗,故使用於此網路的傳接器可採用較低功耗的設計,來延長系統的使用時間。圖二配戴在衣服上的eTextile 端點代表感測器使用的傳接器,藉由衣服內的導體層來做通訊,Base Station 表示集線器,包含與衣服上感測器的溝通以及與外界的無線通訊,除此之外,衣服上配戴的感測器電源亦由集線器經由導體來提供,並儲存於超級電容,以取代體積較大的電池使用。此傳接器操作於基頻,使用rail-to-rail differential的傳輸來降低傳輸訊號的振幅大小,消耗功率110μW並達到10Mbps資料率。

這兩篇作品揭示了使用兩種不同傳輸媒介的近身區域網路系統,相較於全無線傳輸的近身區域網路系統,可見使用身體通道或附著在衣物上的導體,更有機會使系統功耗下降,藉以延長整個系統的使用時間,甚至能增加感測器與集線器之間傳輸的安全度,使系統更加健全,唯其對於身體之影響與成本的考量未見評估。

圖二: MIT提出之 eTexitile近身區域網路

Reference

ISSCC 2010 Session 27 DIRECTIONS IN HEALTH, ENERGY & RF

27.3 “A 3.9mW 25-Electrode Reconfigured Thoracic Impedance/ECG SoC with Body-Channel Transponder,” Long Yan, Joonsung Bae, Seulki Lee, Binhee Kim, Taehwan Roh, Kiseok Song, Hoi-Jun Yoo, KAIST, Korea

27.6 “A 110μW 10Mb/s eTextiles Transceiver for Body Area Networks with Remote Battery Power,” Patrick P. Mercier, Anantha P. Chandrakasan, MIT, U.S.A.

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