PL233729B1 - Sposob transmisji rozgloszeniowej dla nadajnikow Bluetooth Low Energy - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób transmisji rozgłoszeniowej dla nadajników Bluetooth Low Energy, który znajduje zastosowanie głównie w badaniach ruchów lokomocyjnych, sportowych lub monitorowaniu czynności życiowych podczas snu.

Systemy monitorowania wykorzystujące teletransmisję są coraz powszechniej stosowane. Szybki rozwój takich rozwiązań zauważyć można również na rynku urządzeń mobilnych. Monitorowanie parametrów organizmu wprowadza nową jakość życia i pozwala reagować szybko, na przykład w sytuacjach zagrożenia zdrowia lub życia. Wykorzystanie interfejsów radiowych jest jednakże bezpośrednio związane z ich zapotrzebowaniem na energię. W przypadku wykorzystania urządzeń mobilnych lub projektowania zasilanych bateryjnie systemów teletransmisyjnych istotny jest pobór prądu związany z procesem wysyłania i odbioru danych, dlatego też pożądane jest opracowywanie nowych sposobów transmisji, dzięki którym możliwe będzie obniżenie zapotrzebowania urządzenia na energię, wydłużenie pracy urządzenia i jednocześnie zwiększenie trwałości ogniw zasilających.

Z dotychczasowego stanu techniki znane są sposoby transmisji informacji i danych.

Między innymi z opisu patentowego PL175102 znane jest rozwiązanie, które wykorzystuje grupowanie odbiorników w celu odbioru informacji serwisowej. Informację transmituje się na sygnale nośnym w ramkach czasowych, które podzielone są na interwały czasowe. Z kolei do interwałów czasowych przyporządkowuje się grupy odbiorników. Interwały czasowe służą do synchronizacji w czasie pracy wielu urządzeń. Sposób taki nie pozwala na transmisję dodatkowych informacji.

Z opisu patentowego PL181627 znane jest rozwiązanie, które wykorzystuje sygnał wizyjny do transmisji dodatkowych danych w kanałach telewizyjnych. Wynalazek pozwala co prawda na transmisję dodatkowych danych, jednakże wymaga wprowadzenia dodatkowej infrastruktury sprzętowej, w stosunku do standardowej bazy sprzętowej, za pomocą której realizuje się transmisję. Sposób transmisji nie pozwala również na oszczędności energii dla nadajnika.

Z opisu patentowego PL180677 znane jest rozwiązanie, które wykorzystuje ciągi binarne w celu transmisji numeru identyfikacyjnego. W sposobie transmisji dla systemów radiotelefonicznych wykorzystuje się kodowanie BCD numeru indentyfikacyjnego, natomiast uzyskany wynikowy ciąg binarny przetwarza się za pomocą kodu Hagelbargera. Sposób transmisji wymaga sekwencji synchronizacyjnej oraz nie pozwala ani na transmisję dodatkowych informacji ani na oszczędność energii podczas transmisji.

Z opisu patentowego PL182269 znane jest rozwiązanie, które wykorzystuje sieć telekomunikacyjną do transmisji pomiędzy adapterami. Sposób realizuje transmisję informacji między adapterem cyfrowym dołączonym do centrali sieci telekomunikacyjnej przez interfejs cyfrowy, w szczególności przez interfejs cyfrowy typu ISDN, a adapterem analogowym dołączonym do centrali sieci telekomunikacyjnej przez interfejs analogowy. Sposób ten z racji wykorzystywanej infrastruktury nie uwzględnia transmisji radiowej, przesyłania dodatkowych informacji, ani oszczędności energii podczas procesu transmisji.

Z opisu patentowego PL183088 znane jest rozwiązanie, które wykorzystuje zakodowane cyfrowo sygnały radiowe, które poza częścią informacyjną obejmują również część związaną z protokołem. Transmisja części informacyjnej rozpoczyna się przed przetwarzaniem części sygnału radiowego dotyczącej protokołu, podczas tego przetwarzania, ewentualnie równocześnie z nim. Dodatkowo transmisję informacji przeprowadza się pojedynczymi bitami, a każdemu bitowi informacji przypisuje się wiązkę częstotliwości. Taki sposób transmisji nie uwzględnia przesyłania dodatkowych informacji ani oszczędności energii podczas procesu transmisji.

Z opisu patentowego PL188864 znane jest rozwiązanie, które wykorzystuje opóźnienie czasu transmisji informacji audiowizualnej w celu transmisji cyfrowej informacji telewizyjnej. Sposób wykorzystuje określone z góry i wprowadzone opóźnienie czasu transmisji informacji audiowizualnej, nadawanej w każdym z kanałów, przy czym wprowadza się w czasie rzeczywistym komunikat zdarzenia, dotyczący nadawania programu o zdarzeniu na żywo, w co najmniej jednym kanale, do strumienia danych co najmniej jednego innego kanału. Wprowadzone opóźnienie czasu transmisji informacji nie pozwala na oszczędności energii podczas procesu transmisji.

Rozwiązania znane ze stanu techniki umożliwiają transmisję informacji i danych różnego typu, jednakże nie pozwalają na jednoczesne przesyłanie dodatkowych informacji i oszczędzania energii niezbędnej do procesu transmisji.

W technice komputerowej od wielu lat stosuje się transmisję dyskretną. Dane są fragmentowane i w takiej postaci transmitowane. Wśród urządzeń mobilnych szczególnie rozpowszechnione są interfejsy radiowe Wi-Fi oraz Bluetooth, które realizują transmisję dyskretną we wspomniany sposób.

PL 233 729 B1

T ransmisja danych zawartych w standaryzowanych ramkach zapewnia wysoki transfer, bezpieczeństwo i umożliwia wykorzystanie efektywnych metod teletransmisyjnych. Szczególnie efektywna pod względem energetycznym jest transmisja impulsowa w trybie rozgłoszeniowym. Tak skonfigurowany nadajnik radiowy określany jest jako Beacon. Efektywność energetyczna tego typu układów wynika z faktu, iż realizują one transmisję nie w sposób ciągły, ale co zdefiniowany interwał czasowy. Ilość danych, które można transmitować tą metodą związana jest z częstotliwością transmisji ramek rozgłoszeniowych. Metoda ta służy zwykle do transmisji stałego identyfikatora urządzenia nadawczego, jednak transmitowane dane mogą być modyfikowane, co pozwala na przesyłanie dodatkowych informacji. Wówczas ilość danych, które można transmitować związana jest z częstotliwością transmisji ramek rozgłoszeniowych. Ograniczając zatem ilość cykli transmisyjnych w jednostce czasu, można uzyskać oszczędność energii, dzięki czemu interfejs radiowy będzie funkcjonował efektywnie w systemach zasilanych bateryjnie. Dodatkowo realizując transmisję w trybie rozgłoszeniowym - (w specyfikacji Bluetooth Low Energy nazywanej advertising) - nie ma potrzeby realizacji procedur uwierzytelniania pomiędzy nadajnikiem i odbiornikiem, dzięki czemu uproszczony zostaje format transmisji i ograniczona ilość energii potrzebnej do niej. Szczególnie technologia BLE (ang. Bluetooth Low Energy) charakteryzuje się zmniejszonym zapotrzebowaniem energetycznym. Przy wykorzystaniu współczesnych interfejsów BLE podczas transmisji pobieranych jest zwykle od kilku do kilkunastu mA prądu. Przy odpowiedniej konfiguracji interfejsu BLE możliwa jest jego ciągła praca liczona nawet w latach. Transmisja rozgłoszeniowa w standardzie Bluetooth Low Energy (BLE) służy zwykle do transmisji stałego identyfikatora urządzenia nadawczego. Ilość danych wysyłanych w ramkach rozgłoszeniowych jest znacznie ograniczona, jednak dzięki wykorzystaniu sposobu według niniejszego wynalazku można znacznie zwiększyć ilość informacji przesyłanych podczas transmisji przy jednoczesnym zachowaniu lub nawet zmniejszeniu poboru prądu. Ponadto sposób według wynalazku umożliwia także zapisywanie danych dotyczących zmiennych informacji w ramkach rozgłoszeniowych.

Celem niniejszego wynalazku jest opracowanie sposobu transmisji rozgłoszeniowej dla nadajników Bluetooth Low Energy, który pozwoli na przesyłanie dodatkowych informacji na przykład o monitorowanych funkcjach organizmu bez potrzeby modyfikowania standardowej ramki transmisyjnej i zapotrzebowania na moc obliczeniową. Jednocześnie sposób ma umożliwić oszczędność energii niezbędnej do nadawania, co pozwoli na jego wykorzystanie w szczególności w urządzeniach zasilanych bateryjnie.

Istotę wynalazku stanowi sposób transmisji rozgłoszeniowej dla nadajników Bluetooth Low Energy, zwłaszcza w urządzeniach monitorujących funkcje lokomotoryczne organizmu i/lub czynności oddechowe i/lub puls, polegający na tym, że za pomocą bloku nadajnika radiowego Bluetooth Low Energy skonfigurowanego do transmisji ramek rozgłoszeniowych nadaje się te ramki rozgłoszeniowe ze zmiennymi interwałami między ramkami rozgłoszeniowymi zgodnymi ze standardem Bluetooth Low Energy, przy czym ramki rozgłoszeniowe transmituje się tylko dla zdefiniowanych wartości w ciągu kolejnych wartości cyfrowych tworzących ciąg binarny reprezentujący sygnał wejściowy bloku nadajnika i każdej wartości cyfrowej odpowiada wartość dyskretna czasu, po czym za pomocą bloku odbiornika radiowego Bluetooth Low Energy odbiera się ramki rozgłoszeniowe i dokonuje pomiaru interwałów międzyramkowych, a następnie w bloku odbiornika wyznacza się dyskretne wartości czasu reprezentujące informacje, przy czym dyskretne wartości czasu wyznacza się poprzez sumowanie ostatnio obliczonej dyskretnej wartości czasu i ostatnio zmierzonego interwału międzyramkowego, przy czym pierwszą dyskretną wartość czasu ustala się jako wartość zero.

Korzystnie, transmisję ramek rozgłoszeniowych realizuje się za pomocą bloku nadajnika zawierającego moduł radiowy i blok mikrokontrolera z co najmniej jednym mikrokontrolerem.

Korzystnie, odbiór ramek rozgłoszeniowych i wyznaczanie dyskretnych wartości czasu reprezentujących informacje realizuje się za pomocą bloku odbiornika zawierającego moduł radiowy i blok mikrokontrolera z co najmniej jednym mikrokontrolerem.

Korzystnie, pomiary interwałów międzyramkowych i wyznaczanie dyskretnych wartości czasu reprezentujących informacje, realizuje się w co najmniej jednym mikrokontrolerze bloku mikrokontrolera odbiornika radiowego.

Korzystnie, przed wysłaniem ramki rozgłoszeniowej sekcję danych rozgłoszeniowych tej ramki wypełnia się danymi binarnymi i transmituje się tak wypełnioną ramkę do bloku odbiornika.

Sposób według wynalazku wykorzystuje transmisję rozgłoszeniową dla urządzeń Bluetooth Low Energy (BLE), która pozwala na wysłanie i odbiór informacji również bez konieczności odczytu w urzą

PL 233 729 B1 dzeniach odbiorczych zawartości sekcji danych ramki. Sposób ten nie wynika bezpośrednio ze specyfikacji standardu Bluetooth, ponieważ w tym standardzie przesłanie i odczyt informacji związane są wyłącznie z danymi przesyłanymi w ramkach transmisyjnych.

Rozwiązanie według wynalazku ma szereg zalet w stosunku do rozwiązań znanych z dotychczasowego stanu techniki:

- oszczędność energii niezbędnej do procesu transmisji, która wynika z rozgłoszeniowego trybu pracy nadajnika; impulsowa transmisja danych pozwala na znaczne oszczędności energii, ponieważ pobierana jest ona w sposób dyskretny na poszczególne cykle nadawcze,

- możliwość implementacji w zastosowaniach IoT - Internet Rzeczy, dzięki wykorzystaniu nadajnika w standardzie BLE,

- uproszczona detekcja funkcji organizmów, uzyskana dzięki konfiguracji nadajnika do wysyłania ramek ze zmiennym interwałem transmisyjnym, który odzwierciedla częstotliwość wystąpienia monitorowanej funkcji organizmu; zatem w odbiorniku wystarczy odbierać poszczególne ramki i mierzyć czas pomiędzy nimi aby odtworzyć częstotliwość wystąpienia tej funkcji organizmu,

- możliwość monitorowania funkcji organizmów jednocześnie na wielu odbiornikach, w tym urządzeniach mobilnych; konfiguracja nadajnika BLE do trybu rozgłoszeniowego pozwala na jednoczesny odbiór transmitowanych przez niego ramek przez wiele odbiorników,

- możliwość monitorowania kilku funkcji organizmu jednocześnie; konfiguracja nadajnika do trybu, w którym zmienny interwał transmisyjny reprezentuje częstotliwość wystąpienia monitorowanej jednej z funkcji organizmu pozwala na zapis parametrów innej funkcji organizmu jako danych ramki transmisyjnej; w ten sposób jedna ramka niesie informacje na przykład o dwóch funkcjach organizmu, co dodatkowo pozwala na oszczędność energii wydatkowanej na transmisję,

- otwartą topologię sieci sensorowej; dzięki wykorzystaniu transmisji rozgłoszeniowej (bezpołączeniowej) nie ma ograniczenia do standardowej topologii Bluetooth, czyli piconet lub scatternet; możliwe jest monitorowanie funkcji organizmu w wielu konfiguracjach nadajnik-odbiornik, na przykład jeden do jednego, jeden do wielu, wiele do jednego oraz wiele do wielu; w sposobie według wynalazku nie ma określonych ograniczeń co do liczby jednocześnie wykorzystanych nadajników i odbiorników.

Sposób według wynalazku zostanie bliżej objaśniony na podstawie rysunku, na którym fig. 1 przedstawia zasadę standardowej transmisji rozgłoszeniowej, ze stałym interwałem międzyramkowym, fig. 2 - uogólnioną strukturę ramki BLE, fig. 3 - uproszczony schemat blokowy układu do monitorowania funkcji organizmu, fig. 4 - praktyczny przykład układu wykorzystującego transmisję o zmiennych interwałach międzyramkowych, fig. 5 - przykład transmisji rozgłoszeniowej o zmiennych interwałach międzyramkowych, fig. 6 - uogólniony schemat blokowy układu do monitorowania funkcji organizmu wykorzystujący transmisję o zmiennych interwałach międzyramkowych, fig. 7 - wizualizację sposobu monitorowania sygnału bioelektrycznego serca, fig. 8 - wizualizację sposobu monitorowania cykli chodu, fig. 9 - wizualizację sposobu jednoczesnego monitorowania czynności oddechowych i tętna, fig. 10 przykładową konfigurację układu wykorzystującego transmisję o zmiennych interwałach międzyramkowych z pojedynczym nadajnikiem i wieloma odbiornikami, fig. 11 - przykładową konfigurację układu wykorzystującego transmisję o zmiennych interwałach międzyramkowych z wieloma nadajnikami i jednym odbiornikiem, fig. 12 - przykładową konfigurację układu wykorzystującego transmisję o zmiennych interwałach międzyramkowych z wieloma nadajnikami oraz różnej ilości bloków pomiarowych i jednym odbiornikiem, fig. 13 - przykładową konfigurację układu wykorzystującego transmisję o zmiennych interwałach międzyramkowych z wieloma nadajnikami i wieloma odbiornikami.

Prezentowany sposób transmisji rozgłoszeniowej odniesiony zostanie do konfiguracji sprzętowych, na których został przetestowany. Konfiguracje te dotyczą również przykładów zaprezentowanych poniżej.

Na fig. 3 przedstawiono ogólną strukturę układu wykorzystującego sposób transmisji rozgłoszeniowej. Blok 9 w praktyce jest w pełni funkcjonalnym układem pomiarowym z wbudowanym blokiem czujnika zawierającym czujniki 7, analogowe i/lub cyfrowe oraz układy przetwarzania i kondycjonowania sygnału 8 (wzmacniacze, filtry analogowe lub cyfrowe, mikrokontrolery, procesory DSP itp.), którego

PL 233 729 B1 wyjście 90 propaguje sygnały elektryczne reprezentujące informacje dotyczące określonej funkcji organizmu. Na fig. 6 zaprezentowano uogólnioną budowę układu do monitorowania funkcji organizmu. W układzie tym do wejść 101 bloku mikrokontrolera 10 w postaci sprzętowego interfejsu komunikacyjnego i/lub co najmniej jednego portu ogólnego przeznaczenia i/lub co najmniej jednego wejś cia analogowego może być dołączonych kilka bloków 9. Blok 9 w najprostszym wypadku może być scalonym analogowym lub cyfrowym czujnikiem monitorowanej funkcji organizmu.

Wyjście 90 bloku 9 dołączone jest do wejścia 101 bloku mikrokontrolera 10, które jest jednocześnie wejściem bloku nadajnika 12. Wyjście 100 bloku mikrokontrolera 10 dołączone jest do wejścia 111 modułu radiowego 11 (RF). W praktyce wyjście 100 bloku mikrokontrolera 10 i wejście 111 modułu radiowego 11 oznacza linie interfejsu sterującego modułem radiowym, na przykład SPI, I²C, 1wire, UART itp. Wyjście 110 modułu radiowego 11 dołączone jest do anteny 120 nadawczej.

Moduł (lub moduły) radiowy 11 bloku (lub bloków) nadajnika 12 transmituje sygnały do odpowiadającego mu bloku odbiornika 12a, na który składa się moduł radiowy 11a skonfigurowany jako odbiornik oraz bloku mikrokontrolera 10a.

Do wejścia 111a modułu radiowego 11a dołączona jest antena odbiorcza 120a. Wyjście 110a modułu radiowego 11a połączone jest z wejściem 101a bloku mikrokontrolera 10a, przy czym w praktyce wyjście 110a modułu radiowego 11a oraz wejście 101a bloku mikrokontrolera 10a oznacza linie interfejsu sterującego modułem radiowym, na przykład SPI, I²C, 1wire, UART itp.

W przypadku bloku nadajnika 12 jak i bloku odbiornika 12a zrealizowanych na bazie układów scalonych, blok mikrokontrolera 10 i moduł radiowy 11 są połączone wewnętrzną magistralą podobnie jak moduł radiowy 11a i blok mikrokontrolera 10a.

Blok mikrokontrolera 10a bloku odbiornika 12a pozwala na wykorzystanie dostępnych portów ogólnego zastosowania lub interfejsów komunikacyjnych jako wyjść 100a do zewnętrznych urządzeń, modułów, systemów pomiarowych, układów powiadamiania i alarmowych, innych struktur sieciowych radiowych lub przewodowych itp. Blok mikrokontrolera 10a pełni zatem funkcję układu sterującego pracą interfejsu radiowego, przetwarza odbierane sygnały oraz transmituje za pomocą wyjścia 100a sygnały do zewnętrznych modułów, na przykład wyświetlacza (LCD, OLED itp.), sygnalizatora akustycznego (np. piezo) i/lub optycznego (np. diody LED). W aplikacjach praktycznych antena 120a, moduł radiowy 11a oraz blok mikrokontrolera 10a są elementami składowymi bloku odbiornika 12a. Wyjście 100a bloku mikrokontrolera 10a może też pełnić rolę interfejsu sterująco-komunikacyjnego z zewnętrznymi systemami i obsługiwać podobnie jak wejścia bloku mikrokontrolera 10a różne standardy. Innym wariantem bloku odbiornika 12a mogą być również odbiorniki wbudowane w urządzenia mobilne, na przykład smartphone, smartwatch, smartband, tablet, laptop, komputer stacjonarny z interfejsem radiowym (z wersją Bluetooth 4 lub wyższą) itp.

W celu precyzyjniejszego opisu sposobu według wynalazku oraz wykazania jego praktycznego zastosowania poniżej zaprezentowane zostaną przykłady.

Na fig. 1 rysunku zaprezentowano charakterystykę wizualizującą standardową transmisję nadajnika BLE w trybie rozgłoszeniowym. Poszczególne ramki nadawane są w cyklach transmisyjnych 1 składających się z kilku impulsów, łącznie trwających zwykle kilka milisekund. Zgodnie ze standardem Bluetooth Low Energy ramki transmisyjne nadawane są ze zdefiniowanym, stałym interwałem czasowym 2. Podczas procesu transmisji prąd pobierany przez nadajnik gwałtownie (impulsowo) wzrasta, dlatego też na fig. 1 transmisję ramki zaprezentowano jako cykl impulsów prądu na zasilaniu modułu radiowego. Na fig. 1 interwał pomiędzy poszczególnymi cyklami transmisyjnymi wynosi 0,3 s.

Opisany w poniższych przykładach sposób według wynalazku wykorzystuje profil GAP (ang. Generic Access Profile) nadajnika BLE. W ramach profilu GAP blok nadajnika funkcjonuje jako urządzenie peryferyjne (ang. Peripheral) nadając ramki rozgłoszeniowe 3. Ramki te posiadają format zgodny z ramkami rozgłoszeniowymi określony w specyfikacji Bluetooth Core 4.2. Typ ramki ustawiony jest na bezpołączeniowy (ang. non-connectable) i nie dający możliwości wysłania prośby o dodatkowe dane (ang. scanrequest), w specyfikacji określony jako ADV_NONCONN_IND. Zgodnie ze specyfikacją Bluetooth Core 4.2 sekcja danych 4 ramki rozgłoszeniowej 3 zawiera trzydzieści jeden bajtów danych, które mogą być modyfikowane, przy czym w przykładach wykorzystany został implementowany przez producenta układu stos protokołów Bluetooth Low Energy, który umożliwia zmianę bajtów modyfikowalnej sekcji 6 danych rozgłoszeniowych 4, natomiast poprzedzająca je sekcja 5 powinna zostać skonfigurowana zgodnie z zaleceniami producenta. Wynika to z faktu, że standardowo udostępniana jest możliwość konfiguracji transmisji rozgłoszeniowej z wykorzystaniem ramki rozgłoszeniowej 3, której sekcja danych

PL 233 729 B1 rozgłoszeniowych 4 przystosowana jest do formatu danych iBeacona, który nie jest określony w specyfikacji Bluetooth Core 4.2. Interwał transmisyjny 2a między ramkami ustalany jest na podstawie wykonywanych pomiarów i nie jest stały lecz zależy od monitorowanej funkcji organizmu. Umożliwia to odwzorowanie pomiarów na urządzeniu odbiorczym tylko na podstawie czasu odebrania kolejnej ramki rozgłoszeniowej. Zmiana interwału nadawania danych rozgłoszeniowych skutkuje wykroczeniem poza specyfikację Bluetooth Core 4.2, w której wskazano, że interwał dla transmisji bezpołączeniowej jest stały i mieści się w przedziale od 100 ms do 10,24 s. Nadawane ramki nadal jednak mogą być odbierane przez wszelkie urządzenia zgodne z tą specyfikacją, jeżeli zachowany zostanie format ramki rozgłoszeniowej 3. W pewnych przypadkach ramka ta może nie zawierać dodatkowych danych, ponieważ informacja związana z samym faktem odbioru ramki jest wystarczająca do odwzorowania monitorowanej funkcji organizmu. Ramka posiadać musi jedynie nagłówek i adres określony w specyfikacji Bluetooth Core 4.2, natomiast dane rozgłoszeniowe 4 nie muszą być określone.

Blok odbiornika 12a podobnie jak blok nadajnika 12 wykorzystuje profil GAP. W ramach tego profilu blok odbiornika 12a pełni funkcję urządzenia centralnego. Blok odbiornika 12a skonfigurowany jest w trybie obserwatora, który umożliwia za pomocą modułu radiowego 11a odbiór ramek rozgłoszeniowych 3. Tryb ten określony jest w specyfikacji Bluetooth Core 4.2. Odbiornik za pomocą bloku mikrokontrolera 10a umożliwia odwzorowanie monitorowanej/monitorowanych funkcji, zwłaszcza funkcji organizmu poprzez analizę czasu pomiędzy odebraniem kolejnych ramek oraz opcjonalnie także poprzez analizę danych umieszczonych w ramce.

P r z y k ł a d 1

W niniejszym przykładzie opisany jest sposób transmisji rozgłoszeniowej dla nadajników Blue tooth Low Energy, wykorzystany w układzie monitorującym cykle oddechowe. W celu wizualizacji sposobu w przykładzie na fig. 5 przedstawiono charakterystyki prezentujące sygnał monitorowania funkcji organizmu 13, w tym przypadku czynności oddechowych, zestawiony z charakterystyką poboru prądu przez moduł BLE podczas cykli transmisyjnych 1, w których wysyła się ramki rozgłoszeniowe 3. Sygnał funkcji organizmu 13 w bloku mikrokontrolera 10 konwertuje się na ciąg kolejnych wartości cyfrowych tworzących ciąg binarny. Każdą z ramek rozgłoszeniowych 3 wysyła się w momencie rozpoczęcia kolejnego wydechu. Wykrycie pierwszego stanu niskiego oznaczającego początek cyklu oddechowego w przykładzie stanowi zdefiniowaną wartość 13a w ciągu kolejnych wartości cyfrowych tworzących ciąg binarny. Ponieważ czynności oddechowe charakteryzują się zmiennym czasem pomiędzy poszczególnymi cyklami oddechowymi, również nadawanie w trybie rozgłoszeniowym realizuje się co analogiczny, zmienny interwał transmisyjny 2a. Zmienny interwał transmisyjny reprezentuje w tym przypadku częstotliwość oddechu. Transmitowane przez moduł radiowy 11 bloku nadajnika 12 ramki rozgłoszeniowe 3 odbiera się następnie przez moduł radiowy 11a bloku odbiornika 12a, w którym dokonuje się pomiaru interwałów międzyramkowych 2a, co oznacza, że w bloku mikrokontrolera 10a mierzy się czas, pomiędzy kolejnymi otrzymanymi ramkami. Następnie wyznacza się dyskretne wartości czasu 15 reprezentujące informacje, przy czym dyskretne wartości czasu 15 wyznacza się poprzez sumowanie ostatnio obliczonej dyskretnej wartości czasu 15 i ostatnio zmierzonego interwału międzyramkowego 2a, przy czym pierwszą dyskretną wartość czasu ustala się jako wartość zero. W niniejszym przykładzie nie wypełniano ramki rozgłoszeniowej danymi.

Układ, który wykorzystuje sposób według wynalazku opisany w pierwszym przykładzie zaprezentowano na fig. 4. Układ wytwarzający na zaciskach wejściowych ujemną pojemność pełniący rolę układu kondycjonująco-przetwarzającego 8 wraz z dołączonym do jej wejścia 81 czujnikiem mikrokondensacyjnym 7 tworzą układ generacyjny 9. Układ generacyjny w omawianym przykładzie pełni rolę bloku pomiarowego 9, który na swoim wyjściu 90 wytwarza sygnał monitorowania funkcji organizmu 13 w omawianym przypadku sygnał prostokątny o zmiennej częstotliwości, zależnej od fazy oddechu. Sygnał prostokątny generowany jest poprzez wystąpienie czynności oddechowych, dlatego łatwo można rozróżnić poszczególne cykle. Blok nadajnika 12 zrealizowany był w postaci zintegrowanej, co oznacza, że wyjście 100 bloku mikrokontrolera 10 i wejście 111 modułu radiowego 11 połączone było magistralą wewnętrzną. Do wyjścia modułu radiowego 11 dołączona jest antena nadawcza 120. Blok odbiornika 12a zrealizowany był również w postaci zintegrowanej. Do wejścia 111a modułu radiowego 11a dołączona jest antena odbiorcza 120a. Wyjście 110a modułu radiowego 11a połączone jest z wejściem 101a bloku mikrokontrolera 10a za pomocą magistrali wewnętrznej. Wyjście 100a bloku odbiornika 12a zrealizowano w postaci interfejsu UART.

PL 233 729 B1

P r z y k ł a d 2

Jako drugi przykład sposobu rozgłoszeniowej transmisji dla nadajników Bluetooth Low Energy przedstawiono sposób wykorzystany w układzie monitorującym cykl pracy serca. W celu wizualizacji sposobu w przykładzie na fig. 7 pokazano współbieżnie rejestrowane krzywe czynności bioelektrycznej serca (U) oraz prądu (I) zasilającego moduł radiowy 11. W omawianym przykładzie blok mikrokontrolera 10 bloku nadajnika 12 skonfigurowano tak, że detekcja na jego wejściu 101 maksimum sygnału 13 reprezentującego załamek QRS bioelektrycznej czynności serca, uruchamia procedurę nadawania ramki rozgłoszeniowej 3 ze zmiennymi interwałami 2a między ramkami.

Sygnał funkcji organizmu 13 w bloku mikrokontrolera 10 konwertuje się na ciąg kolejnych wartości cyfrowych tworzących ciąg binarny. Maksimum załamka QRS w niniejszym przykładzie stanowi zdefiniowaną wartość 13a w ciągu kolejnych wartości cyfrowych tworzących ciąg binarny. Czas pomiędzy poszczególnymi cyklami pracy serca determinuje zatem interwał transmisyjny 2a pomiędzy kolejnymi transmisjami ramek rozgłoszeniowych 3. Zwiększony, impulsowy pobór prądu przez nadajnik radiowy wskazuje na proces transmisji. W omawianym przykładzie samo odebranie ramki trybu rozgłoszeniowego informuje o wystąpieniu cyklu pracy serca, natomiast czas pomiędzy odbiorem kolejnych ramek wskazuje na częstotliwość pracy serca - w ten sposób można monitorować na przykład puls. W bloku odbiornika radiowego 12a Bluetooth Low Energy odbiera się ramki rozgłoszeniowe 3 i dokonuje pomiaru interwałów międzyramkowych 2a, a następnie wyznacza się dyskretne wartości czasu 15 reprezentujące informacje, przy czym dyskretne wartości czasu 15 wyznacza się poprzez sumowanie ostatnio obliczonej dyskretnej wartości czasu 15 i ostatnio zmierzonego interwału międzyramkowego 2a.

Blok odbiornika 12a ogranicza się do samego odbioru ramek teletransmisyjnych i pomiaru interwału pomiędzy kolejnymi ramkami, bez potrzeby odczytu jakichkolwiek danych zawartych w sekcji danych rozgłoszeniowych 4 tych ramek. W niniejszym przykładzie częstotliwość pulsu odtwarza się na podstawie zmierzonych w bloku mikrokontrolera 10a interwałów międzyramkowych 2a. Na tej podstawie odtwarza się informację, którą są wartości dyskretne czasu 15 odbioru ramek rozgłoszeniowych 3.

P r z y k ł a d 3

Trzeci przykład również dotyczy wykorzystania sposobu według wynalazku do monitorowania czynności bioelektrycznej serca, jednakże w sposobie wykorzystuje się zarówno sterowanie procesem transmisji za pomocą sygnału monitorującego funkcje organizmu, jak również transmitowane ramki rozgłoszeniowe zawierają dodatkowe dane dotyczące monitorowanej funkcji. W modyfikowalnej sekcji 6 danych rozgłoszeniowych 4 w każdej z ramek zapisuje się do 24 bajtów. Dane te odzwierciedlają monitorowaną krzywą 13 elektrokardiogramu. Próbkowanie realizowano w bloku nadajnika 12 na wejściu analogowym 101 bloku mikrokontrolera 10 co 0,05 s, uzyskując ciąg kolejnych wartości cyfrowych tworzących ciąg binarny. Wybrany czas próbkowania i ilość wykorzystywanych danych rozgłoszeniowych 4 ramki rozgłoszeniowej 3 pozwala na bezstratne odwzorowanie czynności bioelektrycznej serca. Wartość każdej próbki reprezentowana jest za pomocą jednego bajta i zapisuje się ją kolejno do modyfikowanej sekcji 6 danych rozgłoszeniowych 4 ramki. Biorąc pod uwagę fakt, iż kolejne cykle pracy serca następują w nieregularnych odstępach co około 1 s, w każdej wysłanej ramce transmituje się dodatkowo około 20 próbek. Ramki transmituje się przez moduł radiowy 11 bloku nadajnika 12 podobnie jak w poprzednim przykładzie, czyli po detekcji na wejściu 101 bloku mikrokontrolera 10 maksimum sygnału reprezentującego załamek QRS bioelektrycznej czynności serca. Maksimum załamka QRS w niniejszym przykładzie stanowi zdefiniowaną wartość 13a w ciągu kolejnych wartości cyfrowych tworzących ciąg binarny. W niniejszym przykładzie częstotliwość pulsu odtwarza się na podstawie zmierzonych w bloku mikrokontrolera 10a interwałów międzyramkowych 2a. Na tej podstawie odtwarza się informację, którą są wartości dyskretne czasu 15 odbioru ramek rozgłoszeniowych 3. Natomiast krzywą bioelektrycznej czynności serca odtwarza się po odczytaniu danych zawartych w kolejnych bajtach odbieranych ramek rozgłoszeniowych, uwzględniając jako wartość stałą czas próbkowania sygnału 13. W tym celu sumuje się kolejno wartości stałej czasu próbkowania w bloku odbiornika i odtwarza się dyskretne wartości czasu, którym odpowiadają wartości cyfrowe liczb odczytanych z poszczególnych bajtów modyfikowalnej sekcji 6 danych rozgłoszeniowych 4 ramki rozgłoszeniowej 3. Zarówno w przykładzie drugim jak i trzecim blok pomiarowy 9 zawierał wzmacniacz różnicowy INA128 w układzie trójelektrodowym, oraz filtry analogowe. Wyjście 90 bloku pomiarowego 9 dołączono do wejścia analogowego 101 bloku mikrokontrolera 10.

PL 233 729 B1

P r z y k ł a d 4

Kolejny przykład dotyczy wykorzystania sposobu według wynalazku do monitorowania cykli chodu. W celu wizualizacji sposobu według niniejszego przykładu na fig. 8 zaprezentowano współbieżnie rejestrowane krzywe, które reprezentują dane z osi Y akcelerometru (Ampl.Y) oraz pobór prądu (I) przez blok nadajnika 12, co wskazuje na transmisję ramek. Ramki rozgłoszeniowe 3 transmituje się tylko dla zdefiniowanych wartości 13a w ciągu kolejnych wartości cyfrowych tworzących ciąg binarny reprezentujący sygnał wejściowy 13 bloku nadajnika 12. Zdefiniowana wartość 13a dotyczy momentu kontaktu pięty (na której zamocowany jest czujnik 7) z podłożem, co na krzywej Ampl.Y reprezentowane jest przez dużą zmianę amplitudy i to o wartościach zarówno dodatnich jak i ujemnych, dlatego też zmiana ta jest relatywnie łatwa do detekcji. W omawianym przykładzie na fig. 8 zauważyć można charakterystyczną cechę sposobu transmisji informacji według wynalazku, mianowicie pierwsza ramka została wysłana dopiero po detekcji pierwszego kontaktu pięty z podłożem, czyli po detekcji zdefiniowanej wartości 13a (na fig. 8 zaznaczonej linią przerywaną) w ciągu kolejnych wartości cyfrowych tworzących ciąg binarny - po ponad 4 s. Przez ponad trzy początkowe sekundy monitorowana osoba stała swobodnie, więc cykle chodu nie były realizowane a moduł radiowy 11 nie transmitował ramek rozgłoszeniowych 3. Na fig. 8 obszar, w którym na podstawie realizowanych przez blok mikrokontrolera 10 pomiarów sygnału monitorowania organizmu 13 nie jest realizowana transmisja ramek oznaczono jako 14. Z kolei za pomocą bloku odbiornika radiowego 12a Bluetooth Low Energy odbiera się ramki rozgłoszeniowe 3 i dokonuje pomiaru interwałów międzyramkowych 2a, a następnie w bloku odbiornika 12a wyznacza się dyskretne wartości czasu 15 reprezentujące informacje. Częstotliwość kontaktu stopy (pięty) z podłożem, odtwarzana jest na podstawie zmierzonych przez blok mikrokontrolera 10a interwałów międzyramkowych 2a. Na tej podstawie odtwarza się informację, którą są wartości dyskretne czasu 15 odbioru ramek rozgłoszeniowych 3. W omawianym przypadku blok pomiarowy 9 zrealizowany był w postaci cyfrowego wieloosiowego akcelerometru, którego wyjście 90 i wejście 101 bloku mikrokontrolera 10 stanowił interfejs I2C. Wykorzystano dwa osobne nadajniki 12, przy czym do każdego z nich dołączono pojedynczy blok pomiarowy 9, co zaprezentowano na fig. 12. Układ zawiera również pojedynczy blok odbiornika 12a wbudowany w urządzenie mobilne - smartfon. Blok nadajnika 12 wraz z blokiem pomiarowym 9 umieszcza się na kończynach osoby monitorowanej, co pozwala na rejestrację sygnałów analogiczną do tej zaprezentowanej na fig. 8, ale dla każdej kończyny z osobna.

P r z y k ł a d 5

W tym przykładzie zaprezentowano sposób według wynalazku, wykorzystany do monitorowania jednocześnie oddechu oraz pulsu. Przykład omówiony zostanie na podstawie krzywych zaprezentowanych na fig. 9. Dodatkowo w celu precyzyjnego opisu sposobu w przykładzie, w pierwszej kolejności opisany zostanie układ, który wykorzystuje sposób według wynalazku oraz procedura pomiarowa. Blok pomiarowy 9 zrealizowany był w postaci cyfrowego wieloosiowego akcelerometru, którego wyjście 90 i wejście 101 bloku mikrokontrolera 10 stanowił interfejs I²C. Akcelerometr umieszczono na ścianie brzucha osoby monitorowanej (około 2 cm poniżej wyrostka mieczykowatego mostka), która wykazuje oscylacje o różnej częstotliwości. Czynności oddechowe wywołują wolnozmienne drgania ściany brzucha (o częstotliwościach zwykle poniżej 1 Hz), natomiast akcja serca wywołuje szybkozmienne drgania o mniejszej amplitudzie. Akcelerometr mierzy jednocześnie obie oscylacje, które widoczne są na krzywej Ampl.A. Krzywa ta prezentuje nieprzeskalowane, bezwymiarowe dane zarejestrowane z akcelerometru w funkcji czasu.

W bloku mikrokontrolera 10 krzywa Ampl.A zostaje przekonwertowana na ciąg kolejnych wartości cyfrowych tworzących ciąg binarny. Filtracja danych z akcelerometru realizowana w bloku mikrokontrolera 10, pozwala na odseparowanie sygnału czynności oddechowych i pulsu. Transmisją ramek rozgłoszeniowych steruje się na podstawie sygnału pulsu (drgania ściany brzucha o wyższej częstotliwości spowodowane pracą serca). Ramki rozgłoszeniowe 3 transmituje się tylko dla zdefiniowanych wartości 13a w ciągu kolejnych wartości cyfrowych tworzących ciąg binarny reprezentujący sygnał wejściowy 13. Blok mikrokontrolera 10 skonfigurowano tak, aby po detekcji maksimów każdego cyklu pracy serca (zdefiniowanej wartości 13a w ciągu kolejnych wartości cyfrowych tworzących ciąg binarny), inicjował transmisję ramek, co na krzywej Ampl.P oznaczono symbolami koła. Przed wysłaniem każdej ramki blok mikrokontrolera 10 realizuje próbkowanie krzywej wolnozmiennej oddechu co około 0,1 s, a następnie przed wysłaniem ramki wypełnia modyfikowalną sekcję 6 danych rozgłoszeniowych 4 ramki jednobajtowymi wartościami próbek krzywej wolnozmiennej. Przy każdym cyklu pracy serca, w zależności od częstotliwości jego pracy zostanie zatem wysłane od kilku do kilkudziesięciu próbek w jednej

PL 233 729 B1 ramce, na podstawie których odtwarza się krzywą wolnozmiennego procesu oddechu. Czynności oddechowe reprezentowane są na podstawie krzywej Ampl.O. Krzywa ta prezentuje przefiltrowane, nieprzeskalowane, bezwymiarowe dane zarejestrowane z akcelerometru w funkcji czasu. Za pomocą bloku odbiornika radiowego 12a Bluetooth Low Energy odbiera się ramki rozgłoszeniowe 3 i dokonuje pomiaru interwałów międzyramkowych 2a, a następnie w bloku odbiornika 12a wyznacza się dyskretne wartości czasu 15 reprezentujące informacje. Zatem w omawianym przykładzie puls monitoruje się dzięki samej detekcji ramek rozgłoszeniowych (odtwarza się informację, którą są wartości dyskretne czasu 15 odbioru ramek rozgłoszeniowych 3), natomiast dzięki realizowanej w bloku odbiornika 12a integracji danych zawartych w kolejnych takich ramkach monitoruje się czynności oddechowe. W ten sposób, wykorzystując skromne zasoby trybu rozgłoszeniowego można podczas transmisji jednego typu danych monitorować na przykład dwie funkcje organizmu.

Sposób według wynalazku w praktyce można wykorzystywać do transmisji informacji w układach o różnych konfiguracjach. Transmitowane ramki rozgłoszeniowe z jednego bloku nadajnika 12 mogą być odbierane przez wiele bloków odbiornika 12a, w tym jednocześnie przez te wbudowane w urządzenia mobilne. Wariant z jednym blokiem nadajnika i wieloma blokami odbiorników zaprezentowano na fig. 10. Natomiast wariant układu z dwoma blokami nadajnika i z różną ilością bloków pomiarowych 9 zaprezentowano z kolei na fig. 11. Kilka układów monitorujących różne funkcje organizmu lub ten sa m typ funkcji, ale u różnych osób transmitują za pomocą swoich bloków nadajnika 12 ramki rozgłoszeniowe, które odbierane są przez jeden blok odbiornika 12a w postaci na przykład urządzenia mobilnego. Na fig. 12 zaprezentowano wariant układu z dwoma blokami nadajnika 12 o identycznej konfiguracji, które transmitują ramki rozgłoszeniowe do jednego bloku odbiornika 12a, wbudowanego w smartfon. Z kolei na fig. 13 przedstawiono konfigurację, w której wiele bloków nadajnika 12 transmituje ramki rozgłoszeniowe odbierane przez wiele bloków odbiornika 12a.

Wszystkie wyżej zaprezentowane przykłady wykorzystują moduły Bluetooth Low Energy i stos protokołów zgodny ze specyfikacją Bluetooth Core 4.2. Opisany w specyfikacji Bluetooth Core 4.2 tryb rozgłoszeniowy bazuje na trybie rozgłoszeniowym opisanym w specyfikacji Bluetooth Core 4.0. Oznacza to, że wszelkie urządzenia Bluetooth począwszy od tych, z zaimplementowanym stosem protokołów Bluetooth, co najmniej w wersji 4.0 mogą być wykorzystane w zaprezentowanym układzie (są to wszystkie urządzenia Bluetooth Low Energy).

Zastrzeżenia patentowe

Claims (5)

1. Sposób transmisji rozgłoszeniowej dla nadajników Bluetooth Low Energy, zwłaszcza w urządzeniach monitorujących funkcje lokomotoryczne organizmu i/lub czynności oddechowe i/lub puls, znamienny tym, że za pomocą bloku nadajnika radiowego (12) Bluetooth Low Energy skonfigurowanego do transmisji ramek rozgłoszeniowych (3) nadaje się te ramki rozgłoszeniowe (3) ze zmiennymi interwałami (2a) między ramkami rozgłoszeniowymi (3) zgodnymi ze standardem Bluetooth Low Energy, przy czym ramki rozgłoszeniowe (3) transmituje się tylko dla zdefiniowanych wartości (13a) w ciągu kolejnych wartości cyfrowych tworzących ciąg binarny reprezentujący sygnał wejściowy (13) bloku nadajnika (12) i każdej wartości cyfrowej odpowiada wartość dyskretna czasu, po czym za pomocą bloku odbiornika radiowego (12a) Bluetooth Low Energy odbiera się ramki rozgłoszeniowe (3) i dokonuje pomiaru interwałów międzyramkowych (2a), a następnie w bloku odbiornika (12a) wyznacza się dyskretne wartości czasu (15) reprezentujące informacje, przy czym dyskretne wartości czasu (15) wyznacza się poprzez sumowanie ostatnio obliczonej dyskretnej wartości czasu (15) i ostatnio zmierzonego interwału międzyramkowego (2a), przy czym pierwszą dyskretną wartość czasu ustala się jako wartość zero.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że transmisję ramek rozgłoszeniowych (3) realizuje się za pomocą bloku nadajnika (12) zawierającego moduł radiowy (11) i blok mikrokontrolera (10) z co najmniej jednym mikrokontrolerem.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że odbiór ramek rozgłoszeniowych (3) i wyznaczanie dyskretnych wartości czasu (15) reprezentujących informacje realizuje się za pomocą bloku odbiornika (12a) zawierającego moduł radiowy (11a) i blok mikrokontrolera (10a) z co najmniej jednym mikrokontrolerem.

PL 233 729 Β1

4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że pomiary interwałów międzyramkowych (2a) i wyznaczanie dyskretnych wartości czasu (15) reprezentujących informacje, realizuje się w co najmniej jednym mikrokontrolerze bloku mikrokontrolera (1 Oa).

5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przed wysłaniem ramki rozgłoszeniowej (3) sekcję danych rozgłoszeniowych (4) tej ramki wypełnia się danymi binarnymi i transmituje się tak wypełnioną ramkę do bloku odbiornika (12a).

Rysunki