从环境收集能量为医疗系统供电

本文探索各种从环境收集能量为医疗系统供电的技术，以及如何将其集成到设计中。 从太阳能电池到压电发电机，多种技术可以用于必须采用微型化设计的医疗监控系统。

许多医疗应用需要能从本地环境发电，以避免电池充电难题以及提升应用的连接性。

电池缺电可能导致数据丢失，以及紧急情况下系统无响应。 必须插上设备进行充电这一点不太方便，意味着设备可能在需要时不可用，可能造成很大的问题。

系统设计人员希望从环境中收集能量为可穿戴式医疗监视器供电，以克服电池难题，而对安全性的关注与日俱增，为他们提出了更大的挑战。 还需考虑诸如设计等关键电源管理问题，但丰富多样的开发板能帮助整合能量收集源、低功耗微控制器和无线链路。

太阳能作为可穿戴式医疗设备传感器和无线链路的供电方式，正日渐流行起来。 设计中使用太阳能电池的核心在于低功耗微控制器，如 Texas Instruments 的 MSP430。 它被应用在 eZ430-RF2500-SEH 太阳能收集开发套件中，帮助创建永久供电的无线传感器网络。 该模块包括高效太阳能电池，用于在室内低强度荧光灯下工作，可提供足够的电能运行无线传感器应用，无需额外电池。 也可使用外部能量收集器供电，如压电电源。

该系统还通过一对薄膜充电电池管理和存储多余能量，该电池能提供足够的电能，进行 400 多次传输，无需外部电源。 这样可确保可靠地捕捉和传输医疗数据，无需担心电池充电问题，因为它们充当能量缓冲器，在应用休眠且有光可以收集的时候存储能量。 而且它们的自放电极少，这对无电源的能量收集系统至关重要。

eZ430-RF2500 用于运行能量收集应用。 它是一款完整的基于 USB 的 MSP430 无线开发工具，可提供使用 16 MHz MSP430F2274 微控制器和 CC2500 无线收发器所需的所有必要硬件和软件。 收发器在非许可 2.4 GHz 频带下工作，采用 TI 的 SimpliciTI 低功耗通信协议，链路返回到可以是 PC 或是嵌入式数据收集集线器的集线器，至此设计安全要素即已实现。

图 1：Texas Instruments 的 eZ430-RF2500 开发系统利用太阳能电池为 2.4 GHz 无线链路供电，将医疗传感器数据传递到集线器。

这种方法可确保传感器和无线链路以能量收集方式获得足够电能，因为高电流脉冲对电池有着特殊要求，重复提供超出给定电池建议负载电流的脉冲电流会降低电池的使用寿命。 传输和接收模式下，无线传感器系统中通常有几十毫安的脉冲电流。 遗憾的是，电池内部阻抗通常形成内部压降，它会阻止电池在运行外部电路所需要的电压下提供脉冲电流。

缓解这种情况的一种方法是在电池中放置低的等效串联电阻 (ESR) 电容器。 电池在放电脉冲之间为电容器充电，然后电容器向负载提供脉冲电流。 一些关键参数已知后，直接的办法是规定应用中给定电池的电容，包括电池阻抗和电压、工作温度和脉冲电流幅度和持续时间。

eZ430-RF2500-SEH 开发板包括了考虑这些约束的 MSP430 固件，以及可显示所有已连接的无线节点和正在传递之数据的 PC 应用。

Silicon Labs 还整合了超低功耗无线传感器，其由能量收集源供电，带有适当的微控制器，供定期唤醒的医疗系统测量与传输结果。 由于它由能量收集源供电，系统寿命期间无需更换电池，使用的高度仅为 0.17 mm 的薄型电池，它的预期寿命为 15 年（或 7 Ah）。

传感器节点使用 Silicon Labs Si1012 无线 MCU，可在 919.84 MHz 下工作，由太阳能收集电源供电。 节点未传输数据时，控制器能保持低功耗状态，此时仅消耗 50 nA。 能量收集电源在启用时的漏电电流约 3 µA，且只需低至 50 lux 光照射太阳能电池即可抵消。 这样，即使在较暗环境中，能量收集电源仍可为系统供电 7 天左右，能在室内 200 lx 照度照明和室外 10,000 lx 照明下有效工作。

图 2：Silicon Labs 能量收集 RD 开发板能让其 919 MHz 无线链路在较暗环境中工作数日。

节点包括提供能量的太阳能电池、可将 AC 振动能量转换为 DC 电流的整流器和 Linear Technology 电源管理器（可接收 DC 能量并将其调节为恒定的 4.1 V）。若电压过低，可将电池与电路断开，由此防止电池过度充电。

然后，能量管理电路将薄膜电池的 4.1 V 输出转换为调节的 2.7 V，供无线控制器使用。 此电路的主要部件有超低功耗低压差 (LDO) 稳压器、欠压检测器和 100 µF 钽电容器，为射频传输提供所需的峰值电流。 LDO 的关断引脚与欠压检测器输出相连，因此在 100 µF 电容器充电到至少 3.0 V 前，不对该系统供电。这可确保系统不会尝试启动，除非有足够的储能完成启动序列。 但是，该系统需要约 3 µA 才能工作，这只需 50 lux 光照射太阳能电池即可轻松供电。

当控制器从休眠模式唤醒，它用片载温度传感器采样当前温度，并且利用薄膜电池剩余电量和太阳能电池的环境光量管理系统运行。

关键特性之一是在休眠和工作模式下都是超低功耗。 图 3 显示了每秒发送一次射频数据包的活动曲线。 射频发射器启用时，峰值电流为 29 mA，三分钟时间周期的平均电流为 51 µA。 在 128 kbit/s 链路上使用 GFSK 调制发送，输出功率为 +13 dB。

图 3：RD 开发板中的低功耗无线链路活动曲线显示了能量收集如何支持数据传输。

这些开发板均采用 2.4 GHz 和 919 MHz 的专用无线协议，必须加入任何安全特性。

智能蓝牙器件能用于为信号内置安全型智能手机提供 2.4 GHz 加密无线链路，但这要牺牲功耗，并对能量收集系统带来更大的挑战。 DKBLE 开发套件中的蓝牙器件，如 Silicon Labs（以前称 BlueGiga）的 BLE112 模块，可以用于开发含专用优化软件的心率监视器。 其功耗在传输模式下 27 mA，休眠模式下仅 0.4 µA，它能与电源管理子系统结合，用充电电池收集太阳能电池的能量。

图 4：Silicon Labs 的 DKBLE 开发套件能用于开发带智能蓝牙无线链路的心率监视器。

结论

为可穿戴式医疗监视器收集环境能量的技术有很多。 压电器件和太阳能电池能产生足够的电源，确保数据捕捉不因电池需充电而中断，综合开发板可提供电源管理、低功耗微控制器和软件来实现这类系统。 现在，诸如智能蓝牙等最新技术为链路带来安全性，还有专用软件能让此类开发更加轻松。