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，以及如何將其集成到設計中。 從太陽能電池到壓電發(fā)電機，多種技術可以用于必須采用微型化設計的醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)。

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

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

系統(tǒng)設計人員希望從環(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，而對安全性的關注與日俱增，為他們提出了更大的挑戰(zhàn)。 還需考慮諸如設計等關鍵電源管理問題，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)療設備傳感器和無線鏈路的供電方式，正日漸流行起來。 設計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。 該模塊包括高效太陽能電池，用于在室內(nèi)低強度熒光燈下工作，可提供足夠的電能運行無線傳感器應用，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多余能量，該電池能提供足夠的電能，進行 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)，無需擔心電池充電問題，因為它們充當能量緩沖器，在應用休眠且有光可以收集的時候存儲能量。 而且它們的自放電極少，這對無電源的能量收集系統(tǒng)至關重要。

eZ430-RF2500 用于運行能量收集應用。 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，至此設計安全要素即已實現(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，因為高電流脈沖對電池有著特殊要求，重復提供超出給定電池建議負載電流的脈沖電流會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，它會阻止電池在運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，然后電容器向負載提供脈沖電流。 一些關鍵參數(shù)已知后，直接的辦法是規(guī)定應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)點和正在傳遞之數(shù)據(jù)的 PC 應用。

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?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，它的預期壽命為 15 年（或 7 Ah）。

傳感器節(jié)點使用 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)點未傳輸數(shù)據(jù)時，控制器能保持低功耗狀態(tài)，此時僅消耗 50 nA。 能量收集電源在啟用時的漏電電流約 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)點包括提供能量的太陽能電池、可將 AC 振動能量轉(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)不會嘗試啟動，除非有足夠的儲能完成啟動序列。 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。

當控制器從休眠模式喚醒，它用片載溫度傳感器采樣當前溫度，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)運行。

關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)包的活動曲線。 射頻發(fā)射器啟用時，峰值電流為 29 mA，三分鐘時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曲線顯示了能量收集如何支持數(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。

智能藍牙器件能用于為信號內(nèi)置安全型智能手機提供 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現(xiàn)這類系統(tǒng)。 現(xiàn)在，諸如智能藍牙等最新技術為鏈路帶來安全性，還有專用軟件能讓此類開發(fā)更加輕松。