從環(huán)境收集能量為醫(yī)療系統(tǒng)供電

本文探索各種從環(huán)境收集能量為醫(yī)療系統(tǒng)供電的技術(shù)，以及如何將其集成到設(shè)計(jì)中。 從太陽能電池到壓電發(fā)電機(jī)，多種技術(shù)可以用于必須采用微型化設(shè)計(jì)的醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)。

許多醫(yī)療應(yīng)用需要能從本地環(huán)境發(fā)電，以避免電池充電難題以及提升應(yīng)用的連接性。

電池缺電可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，以及緊急情況下系統(tǒng)無響應(yīng)。 必須插上設(shè)備進(jìn)行充電這一點(diǎn)不太方便，意味著設(shè)備可能在需要時(shí)不可用，可能造成很大的問題。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員希望從環(huán)境中收集能量為可穿戴式醫(yī)療監(jiān)視器供電，以克服電池難題，而對安全性的關(guān)注與日俱增，為他們提出了更大的挑戰(zhàn)。 還需考慮諸如設(shè)計(jì)等關(guān)鍵電源管理問題，但豐富多樣的開發(fā)板能幫助整合能量收集源、低功耗微控制器和無線鏈路。

太陽能作為可穿戴式醫(yī)療設(shè)備傳感器和無線鏈路的供電方式，正日漸流行起來。 設(shè)計(jì)中使用太陽能電池的核心在于低功耗微控制器，如 Texas Instruments 的 MSP430。 它被應(yīng)用在 eZ430-RF2500-SEH 太陽能收集開發(fā)套件中，幫助創(chuàng)建永久供電的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。 該模塊包括高效太陽能電池，用于在室內(nèi)低強(qiáng)度熒光燈下工作，可提供足夠的電能運(yùn)行無線傳感器應(yīng)用，無需額外電池。 也可使用外部能量收集器供電，如壓電電源。

該系統(tǒng)還通過一對薄膜充電電池管理和存儲(chǔ)多余能量，該電池能提供足夠的電能，進(jìn)行 400 多次傳輸，無需外部電源。 這樣可確保可靠地捕捉和傳輸醫(yī)療數(shù)據(jù)，無需擔(dān)心電池充電問題，因?yàn)樗鼈兂洚?dāng)能量緩沖器，在應(yīng)用休眠且有光可以收集的時(shí)候存儲(chǔ)能量。 而且它們的自放電極少，這對無電源的能量收集系統(tǒng)至關(guān)重要。

eZ430-RF2500 用于運(yùn)行能量收集應(yīng)用。 它是一款完整的基于 USB 的 MSP430 無線開發(fā)工具，可提供使用 16 MHz MSP430F2274 微控制器和 CC2500 無線收發(fā)器所需的所有必要硬件和軟件。 收發(fā)器在非許可 2.4 GHz 頻帶下工作，采用 TI 的 SimpliciTI 低功耗通信協(xié)議，鏈路返回到可以是 PC 或是嵌入式數(shù)據(jù)收集集線器的集線器，至此設(shè)計(jì)安全要素即已實(shí)現(xiàn)。

圖 1：Texas Instruments 的 eZ430-RF2500 開發(fā)系統(tǒng)利用太陽能電池為 2.4 GHz 無線鏈路供電，將醫(yī)療傳感器數(shù)據(jù)傳遞到集線器。

這種方法可確保傳感器和無線鏈路以能量收集方式獲得足夠電能，因?yàn)楦?a href="http://wenjunhu.com/tags/電流/" target="_blank">電流脈沖對電池有著特殊要求，重復(fù)提供超出給定電池建議負(fù)載電流的脈沖電流會(huì)降低電池的使用壽命。 傳輸和接收模式下，無線傳感器系統(tǒng)中通常有幾十毫安的脈沖電流。 遺憾的是，電池內(nèi)部阻抗通常形成內(nèi)部壓降，它會(huì)阻止電池在運(yùn)行外部電路所需要的電壓下提供脈沖電流。

緩解這種情況的一種方法是在電池中放置低的等效串聯(lián)電阻 (ESR) 電容器。 電池在放電脈沖之間為電容器充電，然后電容器向負(fù)載提供脈沖電流。 一些關(guān)鍵參數(shù)已知后，直接的辦法是規(guī)定應(yīng)用中給定電池的電容，包括電池阻抗和電壓、工作溫度和脈沖電流幅度和持續(xù)時(shí)間。

eZ430-RF2500-SEH 開發(fā)板包括了考慮這些約束的 MSP430 固件，以及可顯示所有已連接的無線節(jié)點(diǎn)和正在傳遞之?dāng)?shù)據(jù)的 PC 應(yīng)用。

Silicon Labs 還整合了超低功耗無線傳感器，其由能量收集源供電，帶有適當(dāng)?shù)奈⒖刂破?，供定期喚醒的醫(yī)療系統(tǒng)測量與傳輸結(jié)果。 由于它由能量收集源供電，系統(tǒng)壽命期間無需更換電池，使用的高度僅為 0.17 mm 的薄型電池，它的預(yù)期壽命為 15 年（或 7 Ah）。

傳感器節(jié)點(diǎn)使用 Silicon Labs Si1012 無線 MCU，可在 919.84 MHz 下工作，由太陽能收集電源供電。 節(jié)點(diǎn)未傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，控制器能保持低功耗狀態(tài)，此時(shí)僅消耗 50 nA。 能量收集電源在啟用時(shí)的漏電電流約 3 μA，且只需低至 50 lux 光照射太陽能電池即可抵消。 這樣，即使在較暗環(huán)境中，能量收集電源仍可為系統(tǒng)供電 7 天左右，能在室內(nèi) 200 lx 照度照明和室外 10,000 lx 照明下有效工作。

圖 2：Silicon Labs 能量收集 RD 開發(fā)板能讓其 919 MHz 無線鏈路在較暗環(huán)境中工作數(shù)日。

節(jié)點(diǎn)包括提供能量的太陽能電池、可將 AC 振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為 DC 電流的整流器和 Linear Technology 電源管理器（可接收 DC 能量并將其調(diào)節(jié)為恒定的 4.1 V）。若電壓過低，可將電池與電路斷開，由此防止電池過度充電。

然后，能量管理電路將薄膜電池的 4.1 V 輸出轉(zhuǎn)換為調(diào)節(jié)的 2.7 V，供無線控制器使用。 此電路的主要部件有超低功耗低壓差 (LDO) 穩(wěn)壓器、欠壓檢測器和 100 μF 鉭電容器，為射頻傳輸提供所需的峰值電流。 LDO 的關(guān)斷引腳與欠壓檢測器輸出相連，因此在 100 μF 電容器充電到至少 3.0 V 前，不對該系統(tǒng)供電。這可確保系統(tǒng)不會(huì)嘗試啟動(dòng)，除非有足夠的儲(chǔ)能完成啟動(dòng)序列。 但是，該系統(tǒng)需要約 3 μA 才能工作，這只需 50 lux 光照射太陽能電池即可輕松供電。

當(dāng)控制器從休眠模式喚醒，它用片載溫度傳感器采樣當(dāng)前溫度，并且利用薄膜電池剩余電量和太陽能電池的環(huán)境光量管理系統(tǒng)運(yùn)行。

關(guān)鍵特性之一是在休眠和工作模式下都是超低功耗。 圖 3 顯示了每秒發(fā)送一次射頻數(shù)據(jù)包的活動(dòng)曲線。 射頻發(fā)射器啟用時(shí)，峰值電流為 29 mA，三分鐘時(shí)間周期的平均電流為 51 μA。 在 128 kbit/s 鏈路上使用 GFSK 調(diào)制發(fā)送，輸出功率為 +13 dB。

圖 3：RD 開發(fā)板中的低功耗無線鏈路活動(dòng)曲線顯示了能量收集如何支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸。

這些開發(fā)板均采用 2.4 GHz 和 919 MHz 的專用無線協(xié)議，必須加入任何安全特性。

智能藍(lán)牙器件能用于為信號內(nèi)置安全型智能手機(jī)提供 2.4 GHz 加密無線鏈路，但這要犧牲功耗，并對能量收集系統(tǒng)帶來更大的挑戰(zhàn)。 DKBLE 開發(fā)套件中的藍(lán)牙器件，如 Silicon Labs（以前稱 BlueGiga）的 BLE112 模塊，可以用于開發(fā)含專用優(yōu)化軟件的心率監(jiān)視器。 其功耗在傳輸模式下 27 mA，休眠模式下僅 0.4 μA，它能與電源管理子系統(tǒng)結(jié)合，用充電電池收集太陽能電池的能量。

圖 4：Silicon Labs 的 DKBLE 開發(fā)套件能用于開發(fā)帶智能藍(lán)牙無線鏈路的心率監(jiān)視器。

結(jié)論

為可穿戴式醫(yī)療監(jiān)視器收集環(huán)境能量的技術(shù)有很多。 壓電器件和太陽能電池能產(chǎn)生足夠的電源，確保數(shù)據(jù)捕捉不因電池需充電而中斷，綜合開發(fā)板可提供電源管理、低功耗微控制器和軟件來實(shí)現(xiàn)這類系統(tǒng)。 現(xiàn)在，諸如智能藍(lán)牙等最新技術(shù)為鏈路帶來安全性，還有專用軟件能讓此類開發(fā)更加輕松。