從環境採集能源，為醫療系統供電

本文探討能為醫療系統供電的不同環境能源採集技術，以及如何將其整合於設計中。 從太陽能電池到壓電發電器，有多種技術可用於必須達到小型化的醫療監測系統。

許多醫療應用想從所在環境產生電力，以避免電池充電的問題並且強化其連接性。

電池沒電可能會造成資料遺失，而且在最需要使用系統時無反應。 設備連接插座充電並不方便，而且在需要時可能無法取用，這會是一大問題。

系統設計人員想從環境採集能源，為穿戴式監測器供電，進而解決電池問題，但對安全性的日益重視，亦是一大挑戰。 此類設計亦須考量關鍵的電源管理問題，不過目前已經有許多開發板，可協助結合能源採集電源、低功率微控制器以及無線鏈路。

用太陽能為穿戴式醫療設備的感測器及無線鏈路供電是越來越受歡迎的方式之一。 在使用太陽能電池的設計中，其核心元件是超低功率微控制器，例如 Texas Instruments 的 MSP430。 eZ430-RF2500-SEH 太陽能採集開發套件就使用此微控制器，協助打造永久供電式無線感測器網路。 此模組內含可在室內低亮度日光燈下操作的高效能太陽能電池，可產生足以讓無線感測器應用運作的電力，而無需額外裝配電池。 此模組亦可由壓電電源等外接能源採集器輸入電力。

此系統亦可管理多餘的能量並儲存到一對薄膜充電電池中，在無任何外接電源的情況下，此電池提供的電力足以執行 400 次傳輸。 此元件具有能量緩衝器的作用，可在應用處於睡眠且有光照可採集時進行能量儲存，因此可確保醫療數據可靠擷取並傳輸，而且不必擔憂電池充電的問題。 此外更具有超低自放電率，這對於無電源的能源採集系統而言極為重要。

eZ430-RF2500 可用於執行能源採集應用。 此元件是完整的 USB 架構 MSP430 無線開發工具，可提供使用 16 MHz MSP430F2274 微控制器及 CC2500 無線收發器所需的所有軟硬體。 此收發器能以 TI 的 SimpliciTI 低功率通訊協定，在免執照的 2.4 GHz 頻段運作，藉此重連到集線器（可為 PC 或嵌入式數據收集集線器），並在此處實施設計的安全元素。

圖1：Texas Instruments 的 eZ430-RF2500 開發系統採用太陽能電池為 2.4 GHz 無線鏈路供電，將醫療感測器數據傳輸到集線器。

由於高電流脈衝對電池有特殊要求，而且以超過電池建議的負載電流重複供應脈衝電流，會縮短電池的使用壽命，因此這種方法可確保感測器與無線鏈路透過能源採集獲取足夠的電力。 在無線感測器系統的發送與接收模式中，常會出現數十毫安培的脈衝電流。 遺憾的是，電池的內部阻抗常會造成內部壓降，導致電池停止供應能操作外部電路電壓的脈衝電流。

有個方法能減輕這種效應，那就是在電池間置入一個低等效串聯電阻 (ESR) 電容。 電池可在放電脈衝間將電容充電，而電容則會將脈衝電流傳送至負載。 只要知道電池的阻抗與電壓、工作溫度以及脈衝電流的振幅與持續時間等關鍵參數，就可輕易在應用中指定電池的電容量。

eZ430-RF2500-SHE 開發板內含將上述限制納入考量的 MSP430 韌體，以及可顯示所有已連接之無線節點與傳送數據的 PC 應用程式。

Silicon Labs 亦結合了超低功率無線感測器（由能源採集電源供電）與合適的微控制器，適用於會定期喚醒以執行量測並發送結果的醫療系統， 由於透過能源採集電源供電，因此在系統使用壽命期間都無需更換電池，且預期使用壽命為 15 年（或7 Ah），僅需一顆高度 0.17 mm 的薄型電池即可。

此感測器節點使用 Silicon Labs 的 Si1012無線 MCU（以 919.84 MHz 運作），並由太陽能能源採集電源供電。 節點未發送數據時，控制器仍可保持低功率狀態，僅消耗 50 nA。 能源採集電源啟用時，其漏電流約為3 µA，僅需少量的 50 lux 照射在太陽能電池上便能抵銷。 如此能讓能源採集電源為系統供電約 7 天（即使在黑暗環境中亦然），而且無論在室內 200 lx 照明或戶外 10,000 lx 照明下，皆可有效地運作。

圖2：Silicon Labs 的能源採集 RD 開發板，能讓其 919 MHz無線鏈路在黑暗環境中運作數日。

此節點含有一個供電的太陽能電池，一個用來將 AC 震動能量轉換成 DC 電流的整流器，以及 Linear Technology 的電源管理元件，能接收此 DC 能量並將其調節為 4.1 V 的恆定電壓。此節點亦可在電池的電壓太低時將電池與電路斷開，防止電池過量放電。

能源管理電路接著會將薄膜電池的 4.1 V 輸出轉換為已調節的 2.7 V，以供無線控制器使用。 此電路的主要元件包括超低功率的低壓降（LDO）穩壓器、暫時低壓偵測器，以及 100 µF 鉭質電容，能提供 RF 傳輸所需的峰值電流。 由於 LDO 的關斷引腳固定在暫時低壓偵測器的輸出上，因此在 100 µF 電容充電未達 3.0 V 前，系統都不會受電，如此可確保系統在儲能不足以完成啟動程序前都不會嘗試啟動。 然而，系統需要約 3 µA 的電流運作，這只需要 50 lux 的光源照在太陽能電池上即可供應。

當控制器從睡眠模式中喚醒時，會針對目前的溫度（透過晶片上溫度感測器）、薄膜電池的剩餘電量以及照射在太陽能電池的環境光進行採樣，藉此管理系統操作。

此系統的關鍵特性之一，就是在睡眠與運作模式中的電力消耗超低。 圖 3為每秒送出一次之 RF 封包活動分佈圖。 RF 發射器啟用時的峰值電流為 29 mA，而三分鐘時間間隔中的平均電流為 51 µA。 此封包會透過 GFSK 調變以 128 kbit/s 鏈路進行傳送，輸出功率為 +13 dB。

圖3：RD 開發板的低功率無線鏈路活動分佈圖顯示出能源採集如何支援數據傳輸。

上述兩種開發板皆使用專用的 2.4 GHz 及 919 MHz 無線協定，因此必須增加各方面的安全性。

可使用 Bluetooth Smart 裝置為智慧型手機提供內建訊號安全性的加密型 2.4 GHz 無線鏈路，但這會增加功耗，對能源採集系統而言是一項更大的挑戰。 可使用 DKBLE 開發套件中由 Silicon Labs 提供的 BLE112 模組（之前由 BlueGiga 提供）或其他藍牙裝置搭配專用的最佳化軟體來開發心率監測器。 在發送模式中的功耗為 27 mA，而在睡眠模式中僅有 0.4 µA，因此可搭配電源管理子系統，利用充電電池採集太陽能電池產生的能量。

圖4：可使用 Silicon Labs 的 DKBLE 開發套件搭配 Bluetooth Smart 無線鏈路開發心率監測器。

結論

目前有多種技術能用來採集環境中的能源，並應用於穿戴式醫療監測器。 壓電裝置與太陽能電池可產生充足的電力，因此不會因為需要進行電池充電而導致資料擷取中斷，而且完整的開發板可提供電源管理、低功率微控制器及軟體以執行此類系統。 Bluetooth Smart 等最新技術目前除了在鏈路上添加安全性外，更具有專用軟體能讓開發更為簡便。