Wi-Fi 모듈을 사용하여 웨어러블 의료용 장치의 시제품 제작

현재 폭발적으로 증가하고 있는 연결성은 우리의 건강과 웰빙에 대해 다소 광범위한 영향을 미칩니다. 먼저, 의료용 장치 때문에 더 이상 환자를 병원 침대나 심지어 의료 시설에 구속할 필요가 없습니다. 이제 의사는 환자의 장치를 원격으로 모니터링 및 제어하고 이동 중에 조정을 수행할 수도 있습니다.

이러한 이점은 대부분 휴대 전화, 컴퓨터, 웨어러블 주변 장치 및 개인 영역 네트워크(PAN)의 병합 덕분입니다. 경제적 관점에서, 비용에 민감한 보험 회사는 의료용 웨어러블로 향하는 추세를 지지하는데, 발생할 수 있는 이벤트에 대한 조기 감지와 예측으로 환자 치료 비용을 줄일 수 있기 때문입니다.

이 기사에서는 웨어러블 의료용 장치의 시제품 제작을 위한 기성품 Wi-Fi 모듈 사용에 대해 살펴봅니다. 이러한 장치는 실제 의료용 센서 및 회로의 개발을 가속화하고, 필요한 경우 OEM 솔루션으로 작동하거나, 참조 설계로 사용될 경우 제품이 출시 준비를 마치면 기판으로 흡수될 수 있습니다. 참조된 모든 장치, 규격서 및 교육 자료는 DigiKey의 온라인 웹 사이트에서 확인할 수 있습니다.

왜 Wi-Fi인가?

여러 유선 및 무선 프로토콜이 PAN에서의 사용을 위해 결쟁을 벌이고 있습니다. 무선 솔루션에는 Wi-Fi, ZigBee, Bluetooth, ANT+, 6LoWPAN 및 Z-Wave가 있습니다. 이러한 모든 프로토콜에 비용 감소, 프로토콜 복잡도 및 오버헤드 감소, 문제가 되는 트래픽 감소 같은 실제적/실재적 이점이 있기는 하지만, Wi-Fi는 여러 가지 이유에서 웨어러블 의료용 장치 시장을 장악하는 데 가장 적합할 것입니다.

한 가지 이유는 다른 프로토콜에 비해 Wi-Fi가 매우 광범위하게 배포된다는 것입니다. 카페, 음식점, 심지어 공공 장소에서도 무료 Wi-Fi가 제공되기 때문에 공공 인프라를 통해 클라우드 및 의료 전문가와 직접 통신해야 하는 의료용 장치에 이상적인 전선관일 수 있습니다. 의료용 웨어러블의 경우, 이 직접 채널은 웨어러블 호스트 컴퓨터가 다운되는 경우 백업으로서 역할을 수행할 수 있습니다.

또 다른 이유는 Wi-Fi가 스마트폰에서 범용적으로 지원된다는 것입니다. 즉 스마트폰이 웨어러블에 대한 컴퓨팅 및 통신 집합기가 됨에 따라 의료용 장치는 3G/4G/5G(등) 서비스를 통해 클라우드에 대한 연속적 저전력 링크를 갖게 됩니다.

Wi-Fi가 기본적인 보안 및 암호화를 제공하는 것도 또 다른 이유일 수 있습니다. 다른 누군가 자신의 의료 데이터를 가로채거나 심박 조율기를 해킹하는 것을 원치 않을 뿐만 아니라, 예를 들어 IPv6에는 각각의 장치를 고유하게 식별할 수 있는 충분한 IP 주소가 제공됩니다. 주소 지정은 문제가 아닙니다.

마지막으로, 칩 및 모듈 형식으로 사용할 수 있는 우수한 규격품 Wi-Fi 솔루션이 많이 있습니다. 즉 복잡한 문제에 깊숙이 관여하지 않고도 기술을 활용할 수 있습니다. 예제 회로도, 코드, 레이아웃 및 응용 지원도 지속적으로 제공됩니다.

모듈 고려

설계자에게 참조 설계를 복사하여 PCB에 붙여넣는 작업은 다소 사소한 일일 수 있습니다. 결국, 해당 설계가 제조, 테스트 및 특성화되었습니다. 무엇이 잘못될 수 있을까요?

그러나 실제 세계에서는 RF 성능에 영향을 줄 수 있는 요인이 너무 많기 때문에 RF 칩 제조업체도 PCB 데모 및 개발 기판을 여러 번 반복해야 합니다. 또한 시간과 비용이 많이 소요되는 PCB 테스트 인증 공정은 비RF 관련 변경이 발생할 때마다 재작업을 수행해야 하는 위험이 있을 수 있습니다. 이로 인해 많은 비용, 위험, 지연이 추가되고 시장 출시 기간이 길어집니다.

시제품 제작 및 초기 생산을 위한 모듈을 지정하는 것은 여러 이유에서 올바른 선택입니다. 먼저, 이러한 모듈은 FCC 및 TUV 인증과 전 세계에서 적합할 수 있는 특정 주파수를 제공합니다. 또한 검증이 가능하고 다른 시스템 부품에서 독립적으로 개발될 수 있습니다. 따라서 특히 안테나에 가까이 있는 재료가 RF 성능에 영향을 줄 수 있기 때문에 사용자가 최대 성능을 위해 인클로저, 간격 및 부품 배치를 테스트할 수 있습니다.

모듈 사용의 가장 큰 혜택 중 하나는 동시에 설계가 가능하다는 것입니다. 주 응용 제품을 설계, 시제품 제작 및 테스트하면서 RF 모듈을 개발할 수 있습니다. 제품의 초기 생산도 매우 합리적인 가격으로 제공되는 OEM Wi-Fi 모듈로 시작할 수 있으므로 부담이 감소합니다.

검색 모드

데이터 전송률은 사용자에게 가장 적합한 모듈을 결정하는 데 도움이 될 수 있습니다. 모든 응용 제품에 빠른 속도와 많은 전력이 필요한 것은 아닙니다. 예를 들어, 11Mbit/s 802.11b 표준을 지원하는 MikroElectronika 3.3V 범용 MIKROE-1135 Wi-Fi 모듈을 살펴보겠습니다. 통합된 PCB 안테나는 400m 범위를 필요로 하며, 펌웨어 코드 스택을 사용하면 표준 UART를 통해 내장형 마이크로에서 통신할 수 있습니다. 스냅인 실장 가능 모듈은 빠른 업데이트 및 조립을 위해 소켓화할 수 있으며(그림 1) 참조 회로도와 코드 예제로 지원됩니다. MikroElectronika는 또한 모듈식 Click™ 계열 RF 모듈의 다른 제품도 제공합니다.


그림 1: 스냅인 모듈은 개발 및 테스트를 위해 소켓화할 수 있으며 또한 최고의 성능을 위한 최적의 PCB 배치를 결정할 때 자유로운 측정이 가능합니다.

54Mbit/s 데이터 전송률에 대한 지원을 추가하는 H&D Wireless HDG104-DN-2는 802.11b 및 g 모두에 사용할 수 있는 모듈입니다. 2.7V ~ 3.3V에서 작동되는 이 전체 모듈은 단 7.1mm x 7.7mm의 회로 기판 영역을 차지하는 QFN 44핀 SMT 칩과 유사하게 패키징되었습니다.

이 모듈의 좋은 점 중 하나는 RF 트리밍이 필요하지 않고, 이미 할당된 MAC 주소로 장치가 사전 보정되었다는 것입니다. 내부 부트 ROM을 갖춘 Atmel AVR 프로세서를 기반으로 하는 이 모듈은 호스트 시스템에서 40MHz 클록을 사용하여(로컬 발진기를 추가할 경우에는 제공) 필요한 모든 내부 마이크로 및 RF 주파수를 동기화합니다. 또한 저전력 모드의 경우(소프트 차단 모드에서 15mW 소비)에는 32.768kHz 클록을 사용합니다. 이 부품은 외부 안테나와 SPI를 통한 직렬 통신을 사용합니다 디지털 I/O도 제공됩니다(그림 2).


그림 2: 클록, 전력, 직렬 통신만 있으면 이 칩 유형 모듈의 이점을 활용할 수 있습니다. 외부 안테나는 트리밍이 필요하지 않을 수 있습니다.

Texas Instruments는 또한 Wi-Fi 802.11b/g/n 트랜시버와 Bluetooth 트랜시버를 결합하는 WL1831MODGBMOCT 모듈처럼 즉시 사용 가능한 일부 54Mbit/s Wi-Fi 모듈을 포함합니다. WiLink™ 계열 제품의 경우 TI의 Sitara 마이크로 프로세서를 기반으로 하며 AM335x 개발 기판에 Linux, Android, Wi-Fi, Bluetooth에 대한 스택 및 소프트웨어 지원이 사전 통합되어 있습니다.

표면 실장 가능 회로 기판의 54Mbit/s Microchip RN171XVS-I/RM 범용 Wi-Fi 모듈 및 54 Mbit/s H&D SPB800-BCP1과 같이, 여러 다른 경쟁 제품도 사용할 수 있습니다. 이 제품이 흥미로운 이유는 UART 또는 RS-232 연결을 사용하는 어떠한 장치에 대해서도 인터넷 또는 근거리 통신망으로의 즉각적인 무선 연결을 제공하기 때문입니다.

속도 향상

Type TN 802.11b/g/n 및 Bluetooth 4.0 콤보 모듈의 Murata LBEE5ZSTNC-523은 약간 더 빠른 65Mbit/s 데이터 전송률을 제공합니다. Murata는 또한 의료 장치와 Bluetooth 및 확장된 범위와 향상된 벽 침투를 위해 900MHz 무선 통신과도 연결할 수 있는 RF 모듈 제품군을 보유하고 있습니다(그림 3).


그림 3: 다양한 모듈식 무선 옵션을 통해 웨어러블 의료 장치를 다른 비Wi-Fi 네트워크에 연결할 뿐만 아니라, 채널을 더욱 분명히 하고 거리를 확장하기 위해 900MHz 대역폭(사용 빈도 적음)에 연결할 수 있습니다.

Inventek에서 마이크로 스트립 안테나와 외부 안테나를 연결하는 기능을 갖추고 있고, 802.11 b/g/n Wi-Fi를 지원하는 흥미로운 UART ISM43362-M3G-L44-E-C2.4.0.2 모듈을 제공합니다(그림 4). 이 부품은 또한 간단한 직렬 통신을 갖추고 있지만 여러 SPI, UART, USB 포트를 통해 자체적으로 모두 미니 허브처럼(또한 혼합 신호 기능의 경우 모듈의 A/D 컨버터) 작동할 수 있습니다.


그림 4: 모듈에서 한 개 이상의 직렬 포트가 사용 가능한 경우, 여러 의료용 장치에 대한 서버 및 미니 통신 허브로 작동할 수 있습니다. 그러므로 EKG 프로브 같은 여러 분산된 센서도 단일 RF 채널만 있으면 됩니다.

BlueGiga는 외부 안테나와 함께 사용할 경우 72Mbit/s WF111-E, 내부 안테나와 함께 사용할 경우 WF121-A와 같이, 외부 안테나를 포함하거나 포함하지 않는 WF111 및 WF121 Wi-Fi 모듈 제품군을 제공합니다. 외부 안테나를 사용하는 Sagrad SG901-1059B-5.0-H 범용 802.11 b/g/n/ 모듈에서는 더 빠른(150Mbit/s) 데이터 전송률이 제공됩니다. USB 2.0 인터페이스를 사용하는 통합 RT3070 단일 칩 솔루션은 150Mbit/s PHY를 통합하며 802.11n 3.0 초안 및 특징 목록을 완벽하게 준수합니다. 이 부품을 최대 성능 수준으로 완전히 구동하려면 300MIPS 또는 400MIPS 공정이 필요합니다. 지금까지, 32비트 ARM 및 x86 아키텍처는 64비트 X86 프로세서와 같이 이 모듈로 테스트되어 왔습니다.

요약

의료용 장치 제조업체는 환자와 의사를 위한 헬스케어 제품을 개발하는 전문가일 수 있지만 무선 통신에 대해서는 그만큼 능숙하지 않습니다. 모듈식 솔루션을 사용하면 이러한 의료용 센서나 치료 시스템의 무선 버전을 보다 쉽게 설계할 수 있습니다. 한 팀은 최적의 의료용 솔루션을 개발하는 데 집중하고 다른 팀은 필요한 저가형 RF 링크를 개선할 수 있습니다. 이를 통해, 특히 FCC 인증 테스트를 반복해야 하는 경우 최소한의 위험과 가능한 가장 낮은 가격으로 빠른 시간 내에 솔루션을 시장에 출시할 수 있습니다.

이 기사에서 설명한 부품에 대한 자세한 내용을 보려면 제공된 링크를 사용하여 DigiKey 웹 사이트의 제품 페이지에 액세스하십시오.