為了協助人們掌握周遭環境，感測器一直扮演一個重要的角色。而截至目前為止，感測器最常量測的一項參數就是溫度。不過，初期的量測方法僅能測出相對差異、而沒有實際數字。而歷經長期技術的演進，感測器終演變成現今的高精準度量測裝置。
隨著科技的進步，各式各樣測量壓力、溼度、近距、動作等其他參數的感測器皆已開發。但要建構出一個完整應用，光是使用這些獨立感測器是不夠的。感測器必須連結一個微控制器(MCU)，以組成一個完整系統。搭配微控制器的介面連結感測器正徹底革新現今各種應用產品的面貌，並且持續進行中。包括醫療、工業、及汽車等領域，都可從感測器最創新的技術中獲得許多助益。
而為了簡化線路的布建，最近感測系統開始採用無線技術來建構相關應用，而新一代感測器也可以透過無線技術來傳送它們記錄的資料。微控制器能連結感測器，並搭載無線通訊的功能，讓系統能持續監控接收到的資料。
本文以醫院的病床為例，探討醫療應用相關的感測器介面技術。大家都體認到醫院對舒適度有更高的需求，可透過病床/床墊科技的改良，利用感測器與微控制器增添舒適度。讓病患更加舒適，不僅能幫助病患與醫生，更能協助醫療照護機構。
現今採用感測器的系統，都是透過有線線路連結到病床旁的電腦。運用感測器來偵測病患的狀況，再利用一個微控制器來收集與傳送資料。若運用經過規畫的系統，系統可透過無線管道將資料傳到護士所在的醫護站，持續監控病患的狀況。這種方法可大幅減少電纜線的數量；亦能用在醫院以外的場所，包括監控遠端病患的特殊需求。
本文探討的範圍僅涉及溫度、溼度、壓力及電容式感測器。其他可連結微控制器的感測器，也可採用類似的方法。這些感測器可依照起始點設定、記錄有用的資料與/或觸發警報，以監測病患的狀況，並透過無線網路來提醒醫生或護士。不但能協助目前的病患，所記錄的資料還能協助醫生對特定病情進行案例研究。
無線感測有助醫病資料傳遞
本文以室溫下運用低功耗射頻技術所進行的應用實證為例。市面上有多款微控制器，搭載必要的無線功能、並結合感測器，就能打造出一張具有無線感測功能的醫院病床。值得一提的是，這種方案運用一個低功耗2.4GHz射頻系統，並採用直接序列展頻技術。
在傳輸端，感測器連結一個微控制器，再透過第二個微控制器連結到無線的子系統，以透過無線傳輸器處理和傳送資料。在接收站方面，無線接收器(裝在電腦上的介面模組)連結到電腦，由該電腦收集資料，然後透過圖形化使用者介面(GUI)在監視站上顯示資料。圖1顯示此應用的方塊圖。
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| 圖1 無線監視系統的方塊圖 |
將感測器與無線子系統分散設計在多個機板，即可在無線網路中測試不同的感測器介面。在最終系統中，這兩個子系統可能會整合成單一元件。每個傳送器都有一個不同的ID，一個接收器則可整合綁到多個不同的傳送器。利用這樣的方式，同一個醫護站就能同時觀察多位病患的狀況。這種無線系統的傳輸範圍，無視線障礙物時可達400公尺，在典型的醫院環境則可達到200公尺。這樣的容量還足以涵蓋一個樓層的所有病患，把資料傳送到負責該區的醫護站。在接收器綁到一個特定的傳送器時，每位病患的資料都可以明確辨識。
感測器介面應用多元
感測器與微控制器之間的介面技術本已存在，有許多專文介紹這些方法。在下列感測器中加入無線技術，可讓系統邁入下個新世代。
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醫療領域用溫度感測器來量測體溫及監控病患的治療狀況，已難以追本溯源。在病床/床墊中加入溫度感測器，量出的病患溫度並不會準確，因為感測器沒有接觸到身體。但這樣的系統能持續監控病患體溫的變化。排成陣列的溫差電偶，可用來量測身體不同部位的溫度。採用溫差電偶，每個溫差電偶只有一個接點會靠近病患的身體表面，而介面電路則隱藏在床墊內。 |
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溼度感測器可整合到醫院床墊內，檢查出包括出汗或尿失禁等狀況。過度的出汗雖然不是一種疾病，但它是一項反映病情的徵狀。量測出汗的變化，能協助記錄與某些醫療狀況有關的資訊。它也能為醫療照護者提供一項指標，在病患有需要時前往探視。溼度感測器亦可排成陣列，如溫度感測器一般，以配合病患與照護者的需求。 |
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電容感測可用來偵測病患是否躺在床上。若病患出現無意識的移動，量測到的電容就會隨著身體位置的改變而出現波動。若病患不安地躁動，或病患在不應該的時刻離開病床，系統就會觸發警報提醒醫療者。
近距感測和電容感測運用相同的技術，可置於病床或床墊的特定位置，如靠近床頭處。當病患有特殊需求時，將手靠近感測器，就能予以啟動。如此病患就不必靠按鈕和其他動作就能輕易求援。 |
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當病患有移動障礙的情況時，壓力感測器就相當重要。這些感測器能偵測並避免病患身上任何沒有緩解的壓力，例如監控褥瘡的生成。在參考資料中討論了針對自動身體姿勢調整所研發的床墊。加入無線傳輸功能，可把舒適度與精密功能提升到更高的層次。 |
醫療監控受惠大
當發送器與接收器互相整合後，資料就可送給接收器中的應用裝置，在接收器中收集到這些資料後，運用GUI來監視每個感測器傳來的資料。搭載GUI的監視工具，可顯示資料或是用來提供各種顯示選項與功能。GUI亦可儲存各項設定值，特別實用的功能是可針對不同病情的病患，設定要監視哪些不同的參數。在連結特定的傳送器(病患)後，亦可隨時儲存資料與載入資料。
圖2顯示連結各個感測器所獲得的數據資料，並顯示病患監視系統的圖形化使用者介面。透過中央控制，照護者亦可設定各項警訊，當數值超過上限或下限門檻時就立即觸發警報。在實驗時，溫度上限設為26℃，下限設為14℃。溼度方面，上限設定為60%。警訊視窗亦顯示感測數值是否有超過上限或下限。類似的門檻亦可在壓力、電容流量或任何其他連結至系統的感測器上進行設定。醫療照護者可監視這些圖形，並在不同的病患圖表之間做切換，每當警報響起時，就前往探視病患。
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| 圖2 醫護站觀察到的病患感測數據圖 |
無線感測提升醫療系統安全性
在醫院環境的各項需求中，最重要的考量因素就是安全。若系統採用有線電源，不僅需要人工安裝纜線，當發生短路時還會有觸電的危險。反觀使用電池的無線感測器系統，則可避免這樣的安全性問題。無線系統可根據需要切換成全功率、低功率或關閉電源等模式，以確保維持較長的電池續航力。病床/床墊系統將需要一個電池操控面板，讓使用者知道何時該更換電池。
以往在醫院使用無線技術時，均面臨電磁干擾(EMI)方面的問題。經過一項詳盡的研究後，結果顯示若與醫療設備隔開建議的距離，無線技術即適合在醫院環境中使用，其中包括加護病房和手術室。當病患裝有心臟節律器或其他生命維持醫療設備時，必須特別注意維持這些距離。
雖然感測器問世已有一段很久的時間，連接到這些裝置的纜線卻一直限制其應用範疇。本文介紹的醫院床墊內建無線感測器監視系統，不僅改進病患的舒適度，亦藉由持續監視病患的狀況，讓照護者有更多的餘力去做其他工作。相較於必須人工檢查的有線系統，其監視效果更加出色。接受監控的病患不會受到打擾，照護者也可利用一個直覺化的方便介面，隨時存取感測器的紀錄資料。此外，由於無線監控的方便性，這種應用亦可用在醫院以外的其他場合，如在家照護和救護車等。
(本文作者任職於賽普拉斯)
| 參考資料 |
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．Martin Bates, “A refresher tutorial on sensor design using microcontrollers”, Embedded Systems Design, 2007
．PSoC FirstTouch? Starter Kit with CyFi Low-Power RF (CY3271)
．Tan K-S, Hunberg I, Wadhwani J, “Electromagnetic interference in medical devices”, Medical Electronics Manufacturing. 2001
．Boyle J, “Wireless technologies and patient safety in hospitals”, Telemed J E Health. 2006 |