从环境到Power医疗系统采集能量

本文着眼于可用于收获能量从环境到供电医疗系统的不同的技术，以及他们如何被集成到一个设计。从太阳能电池到压电发生器，也有可用于医疗监控系统，其中小型化是必不可少的几种技术。

许多医疗应用中希望能够产生动力来自当地的环境，以避免电池充电的挑战，并增强它们的连接。

没电的电池可能意味着丢失数据，并且在最需要他们的反应非常迟钝的系统。具有在设备充电堵塞是不方便的，并且装置的设备可能不提供在需要的时候，它可以是一个主要问题。

在日益注重安全性也提出更大的挑战谁想要从供电穿戴式医疗监护仪克服这一挑战的电池对环境收获的能源系统设计。还有关键的电源管理问题，这样的设计考虑，而是一个范围的开发板可以帮助组合能量采集源，低功耗微控制器和无线链路。

太阳能发电是供电给两个传感器和在可佩戴的医疗设备的无线链路的一个日益流行的方式。在使用设计的太阳能电池的心脏是一个超低功耗微控制器，如德州仪器MSP430。这是用在的eZ430-RF2500-SEH太阳能收集开发工具包，以帮助创建永久供电的无线传感器网络。所述模块包括用于根据低强度荧光灯，它提供了足够的电力来运行，没有额外的电池的无线传感器应用在室内工作的高效率太阳能电池。输入也可用于外部能量采集诸如压电功率。

该系统还管理和存储附加能量中的一对薄膜可充电电池，其能够提供足够的功率为400的传输而没有任何外部电源的。这保证了医疗数据可以可靠地捕获并不必担心电池充电的，因为它们充当用于存储能量，而应用程序正在睡觉，并具有光可收获能量缓冲器传输。它们也具有非常低的自放电，这是一个无功率，能量采集系统是至关重要的。

的的eZ430-RF2500用于运行能量收集应用。它是一个完整的基于USB的MSP430无线开发工具，并提供所有硬件和需要使用16 MHz的MSP430F2274单片机和CC2500无线收发器软件。该收发器工作在未经授权的2.4 GHz频段与TI的SimpliciTI低功耗通信协议，链接回一个集线器可以是一台PC或嵌入式数据采集中心，正是在这里，该设计的安全元素将实施。

德州仪器(TI)的eZ430-RF2500开发系统的图像

图1：从德州仪器(TI)的eZ430-RF2500开发系统采用太阳能电池供电2.4 GHz无线连接，提供医疗传感器数据中心。

这种方法确保了传感器和无线链路具有足够的功率从能量收集，高电流脉冲放在电池的特殊要求，并反复递送脉冲电流超过一个给定的电池的建议的负载电流可降低电池的使用寿命。传输过程中的几十毫安的脉冲电流在无线传感器系统中常见和接收模式。不幸的是，电池的内部阻抗常常导致从递送脉冲电流以操作外部电路所需的电压停止电池的内部电压降。

减轻这种影响的一种方法是将一个低等效串联电阻(ESR)电容器两端的电池。电池充电放电脉冲之间的电容器，和电容器提供给负载的脉冲电流。指定电容为在应用程序中一个给定的电池是一次几个关键参数是已知的，包括电池的阻抗和电压，操作温度，和脉冲电流的幅值和持续时间的简单的过程。

的的eZ430-RF2500-SEH开发板包括固件的考虑到这些限制，以及一个PC应用程序，可以显示所有连接的无线节点和数据被传送的MSP430。

Silicon Labs的也合并的超低功率无线传感器，从一个能量收集源供电，用合适的微控制器，用于医疗系统周期性唤醒以测量和传送的结果。因为它是从一个能量收集源供电，没有电池需要更换的系统，其中有15年(或7 Ah)为具有薄电池，这只是0.17毫米高的预期寿命的寿命。

传感器节点使用Silicon Labs的Si1012无线的MCU，工作在919.84 MHz和由太阳能收集电源供电。当该节点不发送数据时，控制器可保持在低功率状态，它仅消耗为50 nA。能量采集供应的漏电流，使能时，是约3微安和被抵消由少至50勒克斯照入太阳能电池。这允许能量采集供应到即使在黑暗中的系统为大约7天后供电并在两个与200勒克司照度和室外照明用万勒克司室内照明有效地工作。

能量收集RD开发板从Silicon Labs的图片

图2：从Silicon Labs公司的能量收集RD开发板可以操作它的919兆赫无线链路在黑暗的日子。[!--empirenews.page--]

该节点包括一个太阳能电池来提供能量，一个整流器，可以用来转换交流电振动能量转换成一个直流电流，并从线性技术，取入DC能量，并将其调节到一恒定4.1 V.这一个功率管理器还通过从电路断开，如果其电压太低免受过放电的电池。

则能量管理电路的4.1 V输出，所述薄膜电池的到一个稳定的2.7 V使用由所述无线控制器转换。该电路的主要成分是一种超低功耗低压差(LDO)稳压器，欠压检测器和一个100μF的钽电容，以提供所需的射频传输峰值电流。 LDO的关断引脚连接到欠压检测器的输出，从而使系统不通电，直到100μF电容充电到至少3.0 V.这可以确保系统不会尝试，除非它有足够的上电储存的能量通过电顺序得到它。但是，系统需要大约3μA运行，这是很容易，只需50勒克斯的光照射在太阳能电池供电。

当控制器从休眠模式唤醒时，它的样品使用芯片上的温度传感器，在所述薄膜电池的剩余电量，和环境光的在太阳能电池的量，其可用于管理系统操作的当前温度。

其中一个主要特点是无论是在睡眠和活动模式的极低功耗。图3示出了具有发送一次的第二的RF分组的活性曲线。的峰值电流是当RF发送器被启用29毫安并在三分钟的时间间隔内的平均电流为51微安。这是使用GFSK调制与13 dB的输出功率上发送一个128千比特/秒链路。

低功率无线链路的活动空间图片

图3：在RD开发板的低功率无线链路的活动概况显示能量收集如何支持数据传输。

这两种开发板使用2.4 GHz和919 MHz的专用无线协议，和任何安全都必须加入。

蓝牙智能设备可以用于提供与加密2.4GHz的无线链路到具有内置的信号的安全智能电话，但这是有代价的功耗和呈现的能量采集系统更大的挑战。蓝牙设备，如从Silicon Labs公司(以前BLUEGIGA)在DKBLE开发套件BLE112模块可用于开发心脏速率监测器与专用的，优化软件。 27毫安，发射模式下的功率消耗和仅仅0.4μA在睡眠模式下，它可以与一个电源管理子系统被组合以从太阳能电池用的可再充电电池收获其能量。

从Silicon Labs公司DKBLE开发套件图片

图4：Silicon Labs公司的DKBLE开发套件，可用于开发心脏监测仪与智能蓝牙无线连接。

结论

有一定范围的可用于从对穿戴式医疗监视环境采集能量的技术。压电器件和太阳能电池可以产生足够的电源，以保证数据的采集由需要充电电池不间断，全面的开发板提供电源管理，低功耗微控制器和软件来实现这样的系统。最新的技术，如蓝牙智能正在增加安全性旁边的专用软件，使这种发展更容易的链接。