物联网操作系统Zephyr和Intel Curie助力Neopenda可穿戴设备完成硬件升级

　　在发展中国家医疗资源极其匮乏，这使很多患者由于得不到及时救治而失去生命，尤其是新生儿，可预防性死亡率居高不下。究其原因是新生儿生命体征监测反馈不够及时，因此错过了最佳救治时机。为了降低发展中国家的新生儿死亡率，联合国可持续发展署提出新目标：到2030年，全面控制新生儿和5岁以下儿童可预防性死亡数量。但是，由于发展中国家交通条件有限，将早产、呼吸窒息、严重感染的新生儿及时地送到医院接受治疗成为一大难题。

　　随着物联网技术的发展，远程监控新生儿健康体征成为可能。毕业于哥伦比亚大学生物医学工程的Teresa Cauvel女士和她的合伙人Sona Shah共同设计开发了一款用于新生儿医疗监测的可穿戴设备Neopenda，可以实时监测新生儿的心率、呼吸率、血氧饱和度和体温，同时该设备可以通过无线方式连接至平板电脑和智能手机，医护人员可以实时观察每个新生儿的健康状况，当新生儿体征参数发生变化时，设备会及时提醒监护人，以确保新生儿得到及时救治。2016年初，这对合伙人在Kickstarter组织的帮助下成立Neopenda公司，得到了思科和沃达丰的投资。

　　“对于新生儿护理来说，疾病的早期监测非常关键。”Cauvel解释，“这套设备能够帮助工作人员更好地照顾患者。新生儿护理需要有足够的护士、医生、仪器和物资，一般两个护士可以照顾50到75个婴儿，重要信号检测器仪器非常昂贵。”

　　低功耗、低成本满足资源受限地区需求

　　在发展中国家，可穿戴设备受到工作环境和成本的限制。因此，在选择技术平台方面，Cauvel和Shah提出了几个关键需求：第一，设备需要用电池供电，且功耗低，保证足够长的待机时间;第二，由于工作环境恶劣，设备需要抗尘、耐高温、耐磨损;第三，硬件提供商要在无线和传感器技术方面提供全面的技术支持，方便大医院和诊所使用;第四，价格要划算，用户可以负担得起。Neopenda的目标是将每台可穿戴设备的成本控制在50美元左右，这对医疗监控设备来说已经非常低廉。

　　从Arduino101到英特尔Curie，硬件升级换代

　　最初，Neopenda设备的硬件部分采用了Arduino Uno开发板，运行Zephyr实时操作系统，配备测量各项指标所需要的传感器，如：脉搏传感器、LilyPad温度传感器和双LED光学传感器。后来Arduino Uno采用带有 WiFi的ATMega328 MCU和其它元器件构建原型。由于WiFi功耗较高，开发者用低功耗蓝牙替代了WiFi进行无线通信，但是辐射风险又提高了。

　　在后来的研发过程中，Teresa Cauvel和Sona Shah让新一代产品采用英特尔Curie模块，运行Zephyr操作系统，它可兼容英特尔Quark SE CPU。Curie模块的优势在于体积更小、价格便宜，效率比Arduino更高。同时，Curie模块还提供一个ARC EM4传感器子系统，内置低功耗蓝牙发射模块和更适合复杂低功耗蓝牙应用的80KB SRAM。

　　Curie模块的各种组件和Quark SE之间的接口通信能节约很多时间。另外，Curie的模式匹配引擎和6轴传感器可以满足设备的二次开发;ARC子系统控制Curie模块的12位ADC，完成精准的DSP测量;设备配有一颗LilyPad MCP9700温度传感器和一颗脉冲传感器，Neopenda开发了一套算法，可以通过脉冲率得出呼吸速率。

　　针对血氧测量，开发者用红色发光二极管设计了一个传感器电路板，带有TSL235光频转换器，从这里可以实现血氧状态测量。多路复用两个发光二极管来计算吸收率，用GPIO驱动程序和它的反馈API来计算频率。

　　Zephyr在系统设计中起到关键作用

　　该设备原型能够设计成功，Zephyr起了关键作用。其具有模块化特点，支持资源受限系统，相对于Arduino IDE具有更高级的性能。“Zephyr功能强大，它支持ARC核、DSP子系统和X86主机。”Cauvel表示，“Zephyr也支持复杂传感器多线路操作和中断，因此系统可以清楚地处理来自不同传感器的数据。”

　　开发者也将从Zephyr提供的资源中受益，Zephyr支持多种驱动和传感器，提供示例程序和带有交叉工具链的可靠SDK。在ARC处理器和主机处理器中，BSP用工具链编译DSP子系统，支持Arduino 101开发板。编译器和工具链的安装只需要几个小时，在Eclipse IDE的帮助下，开发者可以使用DSP和主机得到GDB调试器。

　　Cauvel对传感器算法修改做了详细的解释。目前，大部分传感器的读取已经实现，包括昂贵的商用传感器。“我们需要在其中加上傅里叶变换，从而获得精准的呼吸数据。”Cauvel解释。Neopenda公司已经开发了一个安卓应用，它可以中断BLE信号并使数据实现可视化。

　　Cauvel自信地宣布，2017年，这款可穿戴设备将在乌干达试用。目前，Neopenda正在申请CE标志认证，这需要得到乌干达政府的批准，这个计划将在非洲推广。Cauvel希望成千上万生活在医疗资源匮乏地区的新生儿站在“应得的健康起跑线”上。

　　关于Zephyr项目

　　Zephyr 项目是一款小型且可扩展的操作系统，尤其适用于资源受限的硬件系统，可支持多种架构;该系统高度开源，对于开发人员社区完全开放，开发人员可根据需要对该系统进行二次开发，以支持最新硬件、工具和设备驱动程序;该系统高度模块化平台，可轻松集成任何架构的第三方库和嵌入式设备。

　　关于Neopenda：

　　Neopenda是一款可穿戴设备，用于监测新生儿的四项生命体征：心率、呼吸率、血氧饱和度和体温，设备可以通过无线方式连接至平板电脑，医护人员可以实时观察每个新生儿的健康状态，当新生儿遇险会及时提醒监护人。

　　Neopenda的联合创始人兼首席技术官是Teresa Cauvel女士，毕业于哥伦比亚大学生物医学工程。她于2015年初在哥伦比亚大学的研究生课程开始研发Neopenda，2015年8月成立公司并首次赴乌干达，参与了2015年至2016年健康加速器项目。