Funkanbindung für portable Geräte im Gesundheitsmarkt

Blockdiagramm der stromsparenden Bluetooth-Low-Energy-ICs TC35678 und TC35679. Toshiba Electronics Europe

In diesem Beitrag beschreibt Toshiba einige der Trends, Anwendungen und Herausforderungen, die hinter diesem Wachstumsmarkt stecken. Zudem wird die neueste Bluetooth-Technologie vorgestellt, die tragbare Gesundheits-/Healthcare-Produkte der nächsten Generation ermöglicht.

Bluetooth: Die Grundlagen

Ursprünglich als Funk-Kommunikationsprotokoll für kurze Reichweiten entwickelt, wurde „Classic“ zunächst als Protokoll für den Anschluss von Computerperipherie wie Tastaturen, Computer-Mäusen und Lautsprechern verwendet. Mit dem Aufkommen erster Mobiltelefone war Bluetooth das Protokoll der Wahl für Freisprech-Kopf-/Ohrhörer.

Als Mobiltelefone zu Smartphones weiter entwickelt wurden, hat sich auch Bluetooth weiter verbessert. Das wurde zu einem vielfältig einsetzbaren Gerät, um im Internet zu surfen und auf Dienste zuzugreifen. Um die Anforderungen der Mobilgeräte vor allem in Bezug auf einen niedrigen Stromverbrauchs zu erfüllen, wurde Bluetooth Low Energy (Bluetooth LE) eingeführt.

Derzeit wird Bluetooth LE jährlich in drei Milliarden neuen Geräte integriert (Quelle: ABI Research, Dezember 2016). Dieser Anteil wird weiter wachsen, da neue Anwendungen die kommenden Versionen des Protokolls aufnehmen und werden nutzen können.

Wie bei jedem Protokoll ist eine interoperable Umsetzung bei allen Anbietern entscheidend für den Erfolg. Der Bluetooth-Standard, dessen Weiterentwicklung als auch dessen korrekte Implementierung in Geräten, obliegt der Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth ) mit über 30.000 Mitgliedsunternehmen. Führend in dieser Gruppe sind sieben Promoter-Unternehmen, darunter Toshiba, die großen Einfluss auf die zukünftige Ausrichtung von Bluetooth haben. Toshiba hat dadurch Zugang zu neuen Spezifikationen, technischen Informationen und Zukunftsplänen, sodass neueste Technologien bereits in einem sehr frühen Stadium in das Chip- und Softwareangebot von Toshiba einfließen können.

Gesundheitsanwendungen für Bluetooth

Durch die Möglichkeit, Überwachungsgeräte über Bluetooth LE zu vernetzten, revolutioniert sich das Gesundheitswesen. Blutzuckermessgeräte, Pulsoximeter, Herzfrequenzmesser, Asthma-Inhalatoren und so weiter werden immer beliebter. Mit Bluetooth können diese Geräte an PCs, Smartphones und Tablets angeschlossen werden, sodass Patienten ihr eigenes Wohlbefinden überwachen können. Darüber hinaus können medizinische Fachkräfte – wenn nötig in Echtzeit – auf diese Daten zugreifen. Damit lässt sich der Gesundheitszustand von Patienten aus der Ferne überwachen, was häufige Besuche in der Arztpraxis erübrigt.

Integrierte HF-Anpassung spart Platz auf der Leiterplatte und Kosten für die Stückliste. Toshiba Electronics Europe

Bluetooth LE basiert auf verschiedenen hochsicheren Verschlüsselungstechniken, die während der Übertragung sensible personenbezogene Daten sichern. Der neue Bluetooth-Standard (BT4.2) wurde um wichtige Sicherheitsfunktionen erweitert. Integrierte „Privacy“-Funktionen sorgen zum Beispiel dafür, dass Bluetooth-Geräte schwer zu verfolgen sind, und ein neuer elliptischer Kurvenalgorithmus sorgt zusammen mit intelligenter Kryptographie-Schlüsselverwaltung für einen starken Schutz gegen Lauschangriffe und Datenmanipulation. Die Frequenzsprung-Funktechnik der Bluetooth-Technik vermindert zudem erheblich Übertragungsstörungen und sorgt für ein hohes Maß an Funk-Störfestigkeit. Damit steht zu jeder Zeit eine sichere und zuverlässige Verbindung zur Verfügung.

Da die Verbraucher immer gesundheitsbewusster werden, sorgt Bluetooth für eine Revolution, die über „professionelle“ Geräte hinausgeht und eine ständig wachsende Zahl von Personal-Healthcare-Geräten am Markt erscheinen lässt. Die häufigsten von ihnen sind tragbare Fitnessgeräte, die immer mehr Körperwerte überwachen und eine Bluetooth-Verbindung zu einem Smartphone nutzen.

Konzepte für neue Bluetooth-basierte Healthcare-Geräte sind eigentlich nur durch die Fantasie des Entwicklers begrenzt. Dazu zählen Infrarot-Thermometer, Körperwaagen, die den Body Mass Index (BMI) messen; Sport-BHs und Sporthemden, die die Atmung, Herzfrequenz, Trainingsintensität und verbrauchten Kalorien erfassen; intelligente Ernährungsflaschen und sogar Pflaster, die die UV-Belastung oder Blutzuckerwerte überwachen. Selbst ein Säuglingsschnuller mit eingebauter Temperaturmessung ist dabei. Da die Menschen auch bei Krankheit länger zu Hause leben wollen, kommen auch Geräte auf den Markt, die speziell auf Bedürfnisse älterer Menschen ausgerichtet sind ( für zu Hause). Tragbare Notfall-Ruftaster ermöglichen zum Beispiel die sofortige Kommunikation mit medizinischen Fachkräften, wo immer sich der Nutzer/Patient auch befindet.

Herausforderungen für Entwickler

Da die Verbraucher immer mehr Funktionen und längere Betriebszeiten bis zum nächsten Aufladen des Akkus verlangen, steigen die Anforderungen an die Entwickler Bluetooth-basierter Geräte eben auch für Anwendungen im Gesundheitswesen. Weil diese Anforderungen äußerst vielfältig sind, benötigen Entwickler neueste Technologie, um diesen schnell und mit vertretbarem Aufwand gerecht zu werden.

Da viele der Geräte tragbar sind, ist ein Batteriebetrieb erforderlich. Dennoch wollen die Verbraucher immer mehr Funktionen, die einen höheren Batterieverbrauch verursachen. Werden die Geräte kleiner, steht weniger Platz für die Hardware zur Verfügung, mit der sich die Funktionen umsetzen lassen – größere Batterien für mehr Leistung werden am Markt nicht akzeptiert. Heute erwartet der Verbraucher bei Geräten mit nur einer CR2032-Knopfzelle bereits eine Batterielaufzeit von mehreren Jahren.

Dies ist ein hoher Anspruch – und im Gesundheitsmarkt kommt erschwerend hinzu, dass immer mehr Anbieter für immer mehr Wettbewerb sorgen. Von den Entwicklern wird erwartet, dass sie äußerst kleine, effiziente Geräte mit vielen Funktionen auf den Markt bringen – zu einem günstigeren Preis als für die Vorgängergeneration.

Während der Kopplung (Pairing) zwischen Bluetooth-Geräten können diese datentechnisch angreifbar sein. Nutzer werden daher zunehmend anspruchsvoller und verlangen, dass ihre persönlichen Informationen jederzeit sicher gespeichert und übermittelt werden.

Auf der nächsten Seite geht es um Private Pairing und Neuerungen bei Bluetooth-ICs.

Private Pairing

Durch die Kombination aus NFC-Technik (Near-Field Communication) und Bluetooth lässt sich nun ein noch sicheres Pairing und nicht zuletzt eine sichere Datenverbindung realisieren.

Dies mag auf den ersten Blick kompliziert erscheinen – ist in der Praxis jedoch ganz einfach und intuitiv. Zuerst wird das Healthcare-Gerät in der unmittelbaren Nähe des NFC-fähigen Smartphones oder Tablets platziert. Energie vom mobilen Gerät „weckt“ das Bluetooth-Gerät auf, das seine Anmeldeinformationen sicher über überträgt.

Erkennt das Healthcare-Gerät, dass das Smartphone anwesend ist, akzeptiert es eine Pairing-Anfrage und tauscht einen Schlüssel (Passkey) sicher über aus. Diese sichere Übertragung über NFC verhindert, dass der Passkey abgefangen wird. NFC funktioniert nur in einer nahen Umgebung von bis zu 10 cm. Die Kopplung wird dann abgeschlossen und die Geräte können über die Bluetooth-Antenne eine sichere Bluetooth-Verbindung eröffnen.

Abgesehen von der hohen Sicherheit spart dieser Ansatz auch Strom. Der NFC-Stromverbrauch ist vernachlässigbar klein und Bluetooth wird nur aktiviert, sobald die NFC-Verbindung eine Bluetooth Verbindung anfordert.

Neuerungen bei Bluetooth-ICs

Toshiba kündigte zwei neue an, die Bluetooth Low-Energy der Version 4.2 unterstützen. Der TC35678 und der TC35679 erzielen einen branchenweit führenden niedrigen Stromverbrauch und eignen sich ideal für den Einsatz in Gesundheitsprodukten mit Batterieversorgung.

Ein hocheffizienter DC/DC-Wandler und stromsparender Schaltkreis verringern den Stromverbrauch um fast 46 Prozent im Vergleich zu früheren Produkten. Bei einer 3-V-Versorgung weisen die ICs einen Spitzenstromverbrauch von 3,3 mA aus, sowohl im Sende- als auch im Empfangsmodus. Im Deep-Sleep-Modus sinkt dieser auf 50 nA. Dies ist (derzeit) der niedrigste Spitzenstromverbrauch am Markt, sodass Geräte bis zu vier Jahre und länger mit einer einzigen CR2032-Knopfzelle betrieben werden können, je nach programmiertem Bluetooth-Betriebsmodus.

Das umfassende SDK unterstützt Bluetooth Low Energy und NFC. Toshiba Electronics Europe

Der TC35678 enthält 256 KByte Flash-ROM zum Speichern von Anwenderprogrammen und Daten und benötigt keine externe Host-MCU. Die Speicherkapazität für Anwenderprogramme wurde nun auf 83 KByte erhöht, was ausreichende Möglichkeiten für Anwendungsprogramme bereitstellt. Das integrierte Flash-ROM erübrigt externes EEPROM und gegebenenfalls auch einen externen Mikrocontroller, und trägt so zu geringeren Kosten und weniger Platzbedarf bei, da sich die Zahl der externen Bauteile verringert. Im Vergleich dazu weist der TC35679 kein integriertes Flash-ROM auf und kann somit einen noch niedrigeren Stromverbrauch erzielen. Der TC35679 lässt sich mit fast jeder externen Host-MCU über eine serielle Schnittstelle kombinieren, sodass Entwickler die entsprechend der erforderlichen Rechenleistung auswählen und abstimmen können, oder schon vorhandene Anwendungssoftware von früheren Systemlösungen wiederverwenden können.

Eine weitere attraktive Funktion dieser Bausteine ist das integrierte HF-Anpassungsnetzwerk. Durch den Wegfall einer Anpassungsschaltung werden insgesamt sechs LC-Elemente auf der externen Platine eingespart (im Vergleich zur Toshiba-Bluetooth-LSI-Vorgängergeneration). Dies verringert den erforderlichen Platzbedarf auf der Leiterplatte um rund 20 Prozent, genauso wie die Kosten für die Stückliste – zwei wesentliche Vorteile bei der Entwicklung moderner Healthcare-Geräte.

Neben führenden ICs bietet Toshiba auch ein komplettes Angebot an Hardware- und Software-Entwicklungswerkzeugen an. Bezüglich der Hardware stehen Host-Mode-Starterkits sowie ein eigenständiges Entwicklungskit mit USB- und SWD-Schnittstellen zur Verfügung.

Das Software-Entwicklungskit () bietet zahlreiche praktische Vorteile. Es ermöglicht die direkte Nutzung vorhandener Bluetooth-Low-Energy-Profile und die einfache Integration neuer Bluetooth-Low-Energy-Profile, die mit dem Bluetooth SIG Developer Studio erstellt werden können. Die Softwareschnittstelle () für SPP-classic, Bluetooth LE GATT und mehrere Standard-BLE-Profile sind bereits enthalten, und sorgen für einen minimalen Implementierungsaufwand und beschleunigen somit die Markteinführung. Um die weiter zu vereinfachen, bietet Toshiba eine AT-Befehlssoftware-Schnittstelle für gehostete Systeme an (Systeme mit externem Mikrocontroller).

Das SDK enthält auch NFC-Treiber, um OoB-Pairing (Out-of-Band) über NFC zu unterstützen. Auch Mesh-Netzwerk-Protokolle werden unterstützt, sobald der BT-SIG-Standard veröffentlicht ist. Software-Entwickler können das SDK auch für kommende Bluetooth-ICs von Toshiba einsetzen.

Zusammenfassung

Der Gesundheits-/Healthcare-Markt ist ein schnell wachsender Markt mit ständig neuen Geräten und neuen Funktionen. Bluetooth, vor allem Bluetooth Low Energy, spielt eine zentrale Rolle bei der Anbindung dieser Geräte an das Internet über Smartphones und Tablets, was bequem für die Nutzer als auch für medizinische Dienstleister ist.

Die Herausforderungen für Entwickler sind hoch. Sie beziehen sich auf den Stromverbrauch, das sichere Pairing und die sichere , kleine Baugrößen und geringere Kosten. Eine neue Generation von BLE-ICs von Toshiba hilft Entwicklern, diese Herausforderungen zu meistern. Die zugehörigen ermöglichen es allen Entwicklern, darunter auch jenen mit wenig Bluetooth-Erfahrung, führende Produkte schnell und zuverlässig auf den Markt zu bringen.

(jj)