身体区域网络的能量收集解决方案.doc

身体区域网络的能量收集解决方案 导读：身体区域网络的能量收集解决方案随着低功耗个人电子设备的普及，对人体动能，体温，外部射频甚至内部生 化源清除能量的兴趣不断增加。设计由生物源驱动的合适装置在选择合适的能量网络机房的电子辐射对人体的伤害 为了解决用户可能碰到关于”网络身体区域网络的能量收集解决方案随着低功耗个人电子设备的普及，对人体动能，体温，外部射频甚至内部生 化源清除能量的兴趣不断增加。设计由生物源驱动的合适装置在选择合适的能量换能器和 提取最大能量方面提出了重大挑战。在创建这些设计时，工程师可以利用制造商的传感器 和节能 IC，包括 CUI，Cymbet，Linear Technology，Measurement Specialties 和 Mide Technology 等。 体域网络 对于消费者而言，体域网络的承诺（BAN，图 1）提供了健康综合视图;对于设备制造商而 言，BAN 代表了新类设备的重要机遇。与此同时，众多嵌入式设备的成功部署取决于它 们能够在没有充电的情况下一次运行数月，甚至根本不需要再充电或更换电池。图 1：在体域网（BAN）中，由能量收集驱动的嵌入式传感器监测关键的健康和健身因素， 为医疗服务提供者提供广泛而深刻的健康状况（图片由 IMEC 提供）。 因此，对扩展操作的需求促使人们越来越关注捕获正常人类活动（如行走和呼吸）产生的 未使用电力。除了这些以消费者为导向的驱动因素之外，对能源采集的兴趣在医疗领域迅 速增长。消除或阻止电池更换的能力还有助于确保其他关键应用（如血糖监测仪和 ECG 监护仪）的始终在线操作和患者依从性。 能量收集解决方案还可以直接促进患者安全。由环境能量驱动的可植入装置不仅减小了植 入患者体内的包装的尺寸，而且还降低了与电池更换相关的成本和风险，其目前必须每 6 到 10 年进行一次外科手术。通过无电池操作提供的植入式心脏起搏器的尺寸减小也使得 能够实现更具创新性的医疗解决方案，例如消除心脏探测器以及将起搏器附接到左心室的 能力，这尤其易于传统起搏器的风险。 事实上，心脏起搏器和心肺装置通常非常适合能量采集，因为可用的环境能源范围包括心 肌运动，血流量和温差。除了设计用于收获与心肌收缩相关的动能的装置外，其他解决方 案也希望利用血流的能量。退伍军人事务部开发了一种动脉袖套能量采集器，旨在为各种植入设备提供动力，以持续监测疾病，心脏功能，动脉瘤和糖尿病。使用压电传感器，收 割机环绕动脉并通过动脉壁的膨胀和收缩产生动力。 虽然生物能源采集导致了比消费者或工业应用中更多的新颖解决方案，但这种收割机的性 质遵循一种熟悉的模式。与传统收割机一样，生物资源能量收集设计将环境能源电源与 MCU 和无线电，或支持预期应用所需的其他通信子系统相结合（图 2）。图 2：用于体域网（BAN）应用的典型传感器将生物源能量采集器（顶行）与应用电路（底 行）结合，用于采集，处理数据并将数据传输到其他 BAN 设备（由德州仪器提供） ）。 电力需求和资源 除了更复杂的医疗应用，如心脏起搏器或心脏同步器，旨在从生物源获取能量的设备通常 具有非常低的功率要求。简单的心率监测器可能只需要支持 100 个样本/秒。在 10 位分辨 率下，1 kbps 数据速率将允许使用超低发射器功率将数据传输到主机或本地数据集中器。 如果发射机功率以近距离通信所需的最低水平运行，则这种设备的总功耗可能只有几微 瓦。 对于生物能源采集，能量传感器将包括机械传感器，温度传感器，甚至燃料电池设计。此 外，工程师正在使用磁耦合谐振器用于无线电源，能够为植入的能量存储设备（如薄膜电 池）充电。 在可用的资源中，运动或振动形式的动能通常是最通用和普遍存在的环境能源。研究表明， 一只脚的脚跟在坚硬的表面上可以获得高达 1 W 的能量。其他研究发现，即使是由人类心 跳引起的运动也可能产生 10 微瓦的功率，远高于起搏器的标称功率要求。 在动力学采集应用中，合适的传感器包括压电设备，如 Mide Technology Volture 系列中的 V22BL，或 Measurement Specialties LDT 系列中的 LDTO-028K。使用这些装置，由于肌肉 运动导致的相对较小的偏转可以产生显着的电压输出（图 3）。压电器件在其谐振频率下产