從環(huán)境到Power醫(yī)療系統(tǒng)采集能量

本文著眼于可用于收獲能量從環(huán)境到供電醫(yī)療系統(tǒng)的不同的技術(shù)，以及他們?nèi)绾伪患傻揭粋€(gè)設(shè)計(jì)。從太陽能電池到壓電發(fā)生器，也有可用于醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)，其中小型化是必不可少的幾種技術(shù)。

許多醫(yī)療應(yīng)用中希望能夠產(chǎn)生動(dòng)力來自當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境，以避免電池充電的挑戰(zhàn)，并增強(qiáng)它們的連接。

沒電的電池可能意味著丟失數(shù)據(jù)，并且在最需要他們的反應(yīng)非常遲鈍的系統(tǒng)。具有在設(shè)備充電堵塞是不方便的，并且裝置的設(shè)備可能不提供在需要的時(shí)候，它可以是一個(gè)主要問題。

在日益注重安全性也提出更大的挑戰(zhàn)誰想要從供電穿戴式醫(yī)療監(jiān)護(hù)儀克服這一挑戰(zhàn)的電池對(duì)環(huán)境收獲的能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)。還有關(guān)鍵的電源管理問題，這樣的設(shè)計(jì)考慮，而是一個(gè)范圍的開發(fā)板可以幫助組合能量采集源，低功耗微控制器和無線鏈路。

太陽能發(fā)電是供電給兩個(gè)傳感器和在可佩戴的醫(yī)療設(shè)備的無線鏈路的一個(gè)日益流行的方式。在使用設(shè)計(jì)的太陽能電池的心臟是一個(gè)超低功耗微控制器，如德州儀器MSP430。這是用在的eZ430-RF2500-SEH太陽能收集開發(fā)工具包，以幫助創(chuàng)建永久供電的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。所述模塊包括用于根據(jù)低強(qiáng)度熒光燈，它提供了足夠的電力來運(yùn)行，沒有額外的電池的無線傳感器應(yīng)用在室內(nèi)工作的高效率太陽能電池。輸入也可用于外部能量采集諸如壓電功率。

該系統(tǒng)還管理和存儲(chǔ)附加能量中的一對(duì)薄膜可充電電池，其能夠提供足夠的功率為400的傳輸而沒有任何外部電源的。這保證了醫(yī)療數(shù)據(jù)可以可靠地捕獲并不必?fù)?dān)心電池充電的，因?yàn)樗鼈兂洚?dāng)用于存儲(chǔ)能量，而應(yīng)用程序正在睡覺，并具有光可收獲能量緩沖器傳輸。它們也具有非常低的自放電，這是一個(gè)無功率，能量采集系統(tǒng)是至關(guān)重要的。

的的eZ430-RF2500用于運(yùn)行能量收集應(yīng)用。它是一個(gè)完整的基于USB的MSP430無線開發(fā)工具，并提供所有硬件和需要使用16 MHz的MSP430F2274單片機(jī)和CC2500無線收發(fā)器軟件。該收發(fā)器工作在未經(jīng)授權(quán)的2.4 GHz頻段與TI的SimpliciTI低功耗通信協(xié)議，鏈接回一個(gè)集線器可以是一臺(tái)PC或嵌入式數(shù)據(jù)采集中心，正是在這里，該設(shè)計(jì)的安全元素將實(shí)施。

德州儀器(TI)的eZ430-RF2500開發(fā)系統(tǒng)的圖像

圖1：從德州儀器(TI)的eZ430-RF2500開發(fā)系統(tǒng)采用太陽能電池供電2.4 GHz無線連接，提供醫(yī)療傳感器數(shù)據(jù)中心。

這種方法確保了傳感器和無線鏈路具有足夠的功率從能量收集，高電流脈沖放在電池的特殊要求，并反復(fù)遞送脈沖電流超過一個(gè)給定的電池的建議的負(fù)載電流可降低電池的使用壽命。傳輸過程中的幾十毫安的脈沖電流在無線傳感器系統(tǒng)中常見和接收模式。不幸的是，電池的內(nèi)部阻抗常常導(dǎo)致從遞送脈沖電流以操作外部電路所需的電壓停止電池的內(nèi)部電壓降。

減輕這種影響的一種方法是將一個(gè)低等效串聯(lián)電阻(ESR)電容器兩端的電池。電池充電放電脈沖之間的電容器，和電容器提供給負(fù)載的脈沖電流。指定電容為在應(yīng)用程序中一個(gè)給定的電池是一次幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是已知的，包括電池的阻抗和電壓，操作溫度，和脈沖電流的幅值和持續(xù)時(shí)間的簡(jiǎn)單的過程。

的的eZ430-RF2500-SEH開發(fā)板包括固件的考慮到這些限制，以及一個(gè)PC應(yīng)用程序，可以顯示所有連接的無線節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)被傳送的MSP430。

Silicon Labs的也合并的超低功率無線傳感器，從一個(gè)能量收集源供電，用合適的微控制器，用于醫(yī)療系統(tǒng)周期性喚醒以測(cè)量和傳送的結(jié)果。因?yàn)樗菑囊粋€(gè)能量收集源供電，沒有電池需要更換的系統(tǒng)，其中有15年(或7 Ah)為具有薄電池，這只是0.17毫米高的預(yù)期壽命的壽命。

傳感器節(jié)點(diǎn)使用Silicon Labs的Si1012無線的MCU，工作在919.84 MHz和由太陽能收集電源供電。當(dāng)該節(jié)點(diǎn)不發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，控制器可保持在低功率狀態(tài)，它僅消耗為50 nA。能量采集供應(yīng)的漏電流，使能時(shí)，是約3微安和被抵消由少至50勒克斯照入太陽能電池。這允許能量采集供應(yīng)到即使在黑暗中的系統(tǒng)為大約7天后供電并在兩個(gè)與200勒克司照度和室外照明用萬勒克司室內(nèi)照明有效地工作。

能量收集RD開發(fā)板從Silicon Labs的圖片

圖2：從Silicon Labs公司的能量收集RD開發(fā)板可以操作它的919兆赫無線鏈路在黑暗的日子。[!--empirenews.page--]

該節(jié)點(diǎn)包括一個(gè)太陽能電池來提供能量，一個(gè)整流器，可以用來轉(zhuǎn)換交流電振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換成一個(gè)直流電流，并從線性技術(shù)，取入DC能量，并將其調(diào)節(jié)到一恒定4.1 V.這一個(gè)功率管理器還通過從電路斷開，如果其電壓太低免受過放電的電池。

則能量管理電路的4.1 V輸出，所述薄膜電池的到一個(gè)穩(wěn)定的2.7 V使用由所述無線控制器轉(zhuǎn)換。該電路的主要成分是一種超低功耗低壓差(LDO)穩(wěn)壓器，欠壓檢測(cè)器和一個(gè)100μF的鉭電容，以提供所需的射頻傳輸峰值電流。 LDO的關(guān)斷引腳連接到欠壓檢測(cè)器的輸出，從而使系統(tǒng)不通電，直到100μF電容充電到至少3.0 V.這可以確保系統(tǒng)不會(huì)嘗試，除非它有足夠的上電儲(chǔ)存的能量通過電順序得到它。但是，系統(tǒng)需要大約3μA運(yùn)行，這是很容易，只需50勒克斯的光照射在太陽能電池供電。

當(dāng)控制器從休眠模式喚醒時(shí)，它的樣品使用芯片上的溫度傳感器，在所述薄膜電池的剩余電量，和環(huán)境光的在太陽能電池的量，其可用于管理系統(tǒng)操作的當(dāng)前溫度。

其中一個(gè)主要特點(diǎn)是無論是在睡眠和活動(dòng)模式的極低功耗。圖3示出了具有發(fā)送一次的第二的RF分組的活性曲線。的峰值電流是當(dāng)RF發(fā)送器被啟用29毫安并在三分鐘的時(shí)間間隔內(nèi)的平均電流為51微安。這是使用GFSK調(diào)制與13 dB的輸出功率上發(fā)送一個(gè)128千比特/秒鏈路。

低功率無線鏈路的活動(dòng)空間圖片

圖3：在RD開發(fā)板的低功率無線鏈路的活動(dòng)概況顯示能量收集如何支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸。

這兩種開發(fā)板使用2.4 GHz和919 MHz的專用無線協(xié)議，和任何安全都必須加入。

藍(lán)牙智能設(shè)備可以用于提供與加密2.4GHz的無線鏈路到具有內(nèi)置的信號(hào)的安全智能電話，但這是有代價(jià)的功耗和呈現(xiàn)的能量采集系統(tǒng)更大的挑戰(zhàn)。藍(lán)牙設(shè)備，如從Silicon Labs公司(以前BLUEGIGA)在DKBLE開發(fā)套件BLE112模塊可用于開發(fā)心臟速率監(jiān)測(cè)器與專用的，優(yōu)化軟件。 27毫安，發(fā)射模式下的功率消耗和僅僅0.4μA在睡眠模式下，它可以與一個(gè)電源管理子系統(tǒng)被組合以從太陽能電池用的可再充電電池收獲其能量。

從Silicon Labs公司DKBLE開發(fā)套件圖片

圖4：Silicon Labs公司的DKBLE開發(fā)套件，可用于開發(fā)心臟監(jiān)測(cè)儀與智能藍(lán)牙無線連接。

結(jié)論

有一定范圍的可用于從對(duì)穿戴式醫(yī)療監(jiān)視環(huán)境采集能量的技術(shù)。壓電器件和太陽能電池可以產(chǎn)生足夠的電源，以保證數(shù)據(jù)的采集由需要充電電池不間斷，全面的開發(fā)板提供電源管理，低功耗微控制器和軟件來實(shí)現(xiàn)這樣的系統(tǒng)。最新的技術(shù)，如藍(lán)牙智能正在增加安全性旁邊的專用軟件，使這種發(fā)展更容易的鏈接。