為節省全球人口高齡化所衍生的醫療成本支出，減少民眾親自到醫療院所進行例行性的檢查已成為解決之道，而此須仰賴內建無線通訊技術的新型醫療設備來實現。在眾多可打造遠距醫療裝置的無線通訊技術中，ZigBee以低功耗、高傳輸距離，以及較佳的抗干擾能力備受青睞。
在在美國，已有13%的人口屆滿65歲以上。年齡介於50～54歲之間的族群，光是在2000年內就增加了55%(根據2000年人口普查報告)。這部分的人口代表潛在的一群人，只要是處在有高科技解決方案支援的健康安全環境中，就可更獨立地生活。若能將健康醫療設備加上連線功能，並運用在日常生活當中，該族群的成員甚至可能將這類獨立生活的模式持續到80歲以後。
由於全球大多數人口將持續老化，因此家庭醫療用設備的數量將會大幅成長，並遠超過目前既有的數目。另外，由於無線連結功能逐漸嵌入到目前許多家用的醫療監控與感應產品中，這使得若干原本只存在於醫療用或長期照護機構內的功能，也逐漸透過無線功能進入到家庭當中，這樣的轉變增加無線感測技術新的市場機會。
本文將提供無線感應的基本知識、可能的應用清單、簡易功能方塊圖範例，以及系統功能區塊的相關資訊，並分享以ZigBee標準為基礎的無線通訊協定如何嵌入家用的遠距應用當中。另外也會提出並說明無線連結如何能夠延伸現有的終端產品，並解決若干今日市場上將會影響數個世代的現實問題。
雖然，現有ZigBee以外的大量無線標準也同樣很重要，然而，對於低資料傳輸率、抗雜訊能力、低功率感應及監控網路的需求而言，ZigBee仍會是網路設計師的首選解決方案。為證實此一說法，僅須分析Continua Health Alliance何以會選擇ZigBee標準作為無線解決方案，即可明白。作為指定需求之後，每種標準就可以在不斷成長的醫療市場中找到最合適的定位。
挾低功耗、長傳輸距離特性 ZigBee為無線醫療設備首選
心血管、肺部疾病、糖尿病及癌症相關的疾病數量都在增加，以傳統的醫療管道來照顧日漸增加的全球老化人口，成本只會更加高漲。由於醫療成本上升，因此必須要設法降低非要有內科醫師或治療人員在場協助的需求，促使醫療市場對科技的接受度正逐漸增加。一般人也已認知到，科技可解決若干與本文所述趨勢相關的問題，進而提升醫療照護品質。
有一種替代性的設計解決方案，可有效地支援各種健康醫療應用，就是在家用醫療設備中添加無線功能。以ZigBee標準為主的協定是為現有及未來的家庭醫療設備添加無線功能的絕佳基礎，進而可解決該種應用中因採用有線連結而造成的諸多複雜性和問題。
無線家用醫療網路可透過閘道器連接網際網路，再接通到內科醫師辦公室或其他網頁式的醫療紀錄。該項標準定義實體層(PHY Layer)、資料或媒體存取控制(MAC)層、應用設定，讓設計工程師從此只須專注於終端產品的需求及應用研發。
2.4GHz的ZigBee封包資料協定還額外提供優於其他無線協定的優點。在免授權使用的2.4GHz頻帶中，共指定十六個頻道。該標準的短循環週期、小型封包傳輸及抗干擾等最佳化措施，均可將電池壽命從數月延長至數年之久，已與電池外部結構的壽命相當。在吵雜的2.4GHz頻帶範圍裡，ZigBee可選擇仍未被無線區域網路(Wi-Fi)頻帶占用的開放式頻道(15、20、25和26)，如此一來，即使是處於雜訊眾多的環境下，也可確保品質更良好、更可靠的資料傳輸。在低訊噪比(SNR)環境中的射頻(RF)接收器效能，其訊噪比約在-10～+5分貝之間。
以血壓監測計為例。在既定期間內，該設備可提醒病患即將進行檢測，應該起身接受測量，再以無線方式將資料傳給閘道器，由閘道器將資料轉入患者的機密網頁式醫療紀錄。有鑑於該設備經常處於休眠模式的低功率損耗狀態之下，它會先送出小量的資料(短封包)，由收發器傾聽是否可以傳送，再進行傳輸，待閘道器傳回確認訊息後，該設備才會再度返回至休眠狀態。
依據網路的複雜程度，運用直接序列展頻(Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS)技術傳遞能量的輕巧無線網路，約需以30～50KB左右的記憶體容量來建構(不論是點對點、星狀、或是複合星狀的網路組態)。ZigBee標準的空中資料傳輸率為250kbit/s，啟動延遲約為27毫秒(ms)，而能見距離範圍則是30～100公尺。這種範圍及低功率損耗，是其他無線協定望塵莫及。
ZigBee協定的通訊能力，包括簡單的訊框架構、具備確認功能的可靠資料傳輸、載波偵測多重存取碰撞預防演算法(CSMA-CA)，以及網路關聯/斷離等。該網路支援AES128加密與認證、64位元IEEE與16位元短位址及102位元組的資料酬載量。此外，還有訊框檢查值欄位(Frame Check Sequence, FCS)可用來驗證，確保資料無誤。
這些特性及功能滿足許多家用醫療設備對於無線設備的需求。ZigBee在雜訊環境中仍可確保通訊穩定、開機延遲短、休眠模式及清晰的頻道評估可減少功率損耗；這套標準可作為通用解決方案；而ZigBee晶片與系統從2003年以來就已經量產，出貨數目更是超過百萬之譜，市場上有各式各樣的晶片來源提供設計工程師選擇。
無線感應及監控功能的加入，讓病患毋須耗費金錢及時間到診所就診，醫師便可取得患者的基本資料。無線網路讓人們得以在像是治療提醒(Medication Reminder)、關鍵跡象監控，以及健康狀態主動監控等工具的協助之下，得以更長期地獨立生活。此外，無線醫療環境其他好處，包括激勵內科醫師及患者願意運用遠距醫療的能力，亦即最近已有數州及保險機構願意支付醫師的遠距醫療服務款項。
無線感測網路強化醫療儀器功能性
以下列舉若干適於運用在無線感應與監控實作的醫療應用，如治療提醒、體重計、血壓計、脈搏血氧計、心電圖(ECG)、心搏記錄器、血糖記錄器、體溫計、肺活量計與心搏計(HRM)。
凡是以無線連接的可攜式醫療應用設備，通常都少不了以下幾種零組件或嵌入式功能的組合，包括收發器、微控制器(MCU)、測量引擎、能夠延長電池壽命的低功率能力，以及顯示輸出。如前述，整合無線功能後就可以讓終端裝置的性能大為提升，不但容易使用，也可以讓各種年齡層或教育程度都能簡單設定，定期監控(通常幾乎不影響日常生活)，並連接到內科醫師或電子化的健康紀錄。無線規格可為終端產品提供特殊功能集，讓一般或是新款的醫療保健裝置立即躋身為與眾不同的產品，不但超越競爭對手的解決方案，也能延長產品壽命，並提升獲利潛力。
ZigBee IDE簡化產品設計流程
很多廠商都提供IEEE 802.15.4與ZigBee無線領域所需的收發器與整合式解決方案，並有各種無線電與微控制器的組態可供選擇，如獨立式收發器、單晶片系統、獨立封裝系統，讓設計工程師視需求決定解決方案時，有更大的選擇範圍。這些微控制器選項為收發器提供輔助處理功能，甚至可作為嵌入式解決方案的一部分(獨立封裝系統或單晶片系統)，亦可與8位元、16位元或32位元的微控制器整合。
除如同先前所述的矽晶效能及功能外，也應考慮能夠提供全面解決方案的供應商。全面性的供應商應能兼顧簡單易用的無線電/網路設定工具、應用整合式研發環境(IDE)、完整的技術文件、參考設計及研發工具組。
紮實的無線電與網路軟體研發工具是開發解決方案的基礎，這種工具必須提供圖形使用者介面(GUI)以便產生、修改，以及更新無線網路設計的實作。此外，還必須自動驗證組態的參數，產生作業用檔案以便匯入應用IDE當中，還要具備延伸性，以便支援新的程式碼、功能變更、或是程式碼再生利用。
整合式研發環境應當具備改良程式碼密度的最佳化編譯器，以便能夠支援微控制器應用研發，此外也須具備廣泛的程式庫，才能研發更深入的嵌入式應用。其他如簡單易用的快速入門指南、專案精靈，以及能在短時間內產製原始程式碼的功能，都不可或缺。
同時，也要涵蓋各種功能特性的硬體研發專用線路板與套件，包括主線路板及子卡、IO表頭、液晶顯示器(LCD)與LCD按鈕、可程式化的發光二極體(LED)、觸控板、通用序列匯流排(USB)及其他關鍵介面、特殊接頭、測試點、整合式天線與除錯能力等。
此外，也須考量能夠提供具備其他必要相關功能線路板的供應商，例如可感應到加速、壓力或溫度的感應器。
慎選ZigBee供應商 降低成本與設計時間
為縮短設計及上市時間，要選擇能提出參考設計檔案及所有研發套件線路板用料的供應商。還有，參考設計應當具備各種特殊規格，像是不同的尺寸和形狀等。能夠提出方塊圖或完整參考解決方案，就可構成無線醫療用應用設計的基礎。務必確認供應商除提供能夠證明所有參考設計的清楚、簡明文件以外，還要提出物料清單(BOM)成本、設計概要及線路板的Gerber檔案。
對於初次踏入無線醫療解決方案設計領域的嵌入式工程師來說，天線的組態尤其是整個參考設計的關鍵。好的參考設計可簡化天線、RF匹配元件及其他功能的選擇，如能取得這些能力，就可以解決資淺的嵌入式工程師在設計時面臨的RF相關問題。部分參考設計甚至還提供良好的作業系統(OS)支援。
32位元微控制器增加醫療裝置功能
醫療保健應用所選擇的微控制器通常都採用8位元以降低成本(通常是在終端節點)和功率。採用32位元的微控制器則是為加入多重低功率模式、額外的輸入/輸出(I/O)，以及顯示功能所需的USB或LCD驅動程式。通常整合度或嵌入性越高的解決方案，越能解決空間問題並降低整體系統成本。有些嵌入式的微控制器解決方案可在單一元件中含括控制器、測量引擎、低功率功能及顯示需求。
序列周邊介面(SPI)則有助於連結圖形顯示器及無線收發器。此外，目前有部分無線產品已能將收發器(或無線電)及微控制器整合在單一封裝或單一晶片當中，這些單晶片無線電/微控制器系統的電路，其作用就如同網路中的無線協調器、路由器、或是終端節點。
ZigBee改變現有醫療行為
雖然ZigBee無線感測與監控僅有最基本的基礎，但所提供的資訊仍足以延伸產品對於保健設備改良的定義過程，並納入無線網路技術的實行與優點。根據ZigBee標準實作無線網路，可支援可靠的資料傳輸、低資料速率、低功率及長效電池壽命。這類型的網路十分適合將眾多家用健康設備轉型為無線類型，因此使用者毋須再受限於無法移動的有線方案。
無線連結可解決諸多現實問題，並作為有效之解決方案，拓展個人獨立生活能力，並享有更佳的生活品質。此外，管理家用醫療保健設備的無線網路也造就新的典範，這個新典範讓人們不論是在節省成本、舒適度、獨立性與安全性等方面，都享有更多樣化的抉擇。無線網路能為病患、出資者、供應商及醫師提供更多機會，進一步明確釐清各種需要當面互動的狀況。這些潛在的優點，不但可為所有人提升照護品質，同時也可替下一代控管醫療照護的成本。
(本文作者Jon Adams為飛思卡爾業務開發經理、Patricia L. Brown為技術行銷工程師、Mark DiPerri為應用工程師)