Recolección de energía del ambiente para alimentar sistemas de uso médico

Este artículo analiza las diferentes tecnologías que se pueden utilizar para recolectar energía del ambiente para alimentar sistemas de uso médico y cómo se las puede integrar a un diseño. Desde las celdas solares hasta los generadores piezoeléctricos, existen varias tecnologías que se pueden utilizar para los sistemas de monitoreo médico para los que la miniaturización es fundamental.

Muchas aplicaciones médicas desean poder generar energía del ambiente local a fin de evitar los desafíos que supone cargar la batería y reforzar su conectividad.

Las baterías descargadas pueden significar pérdida de datos y sistemas que no responden cuando más se los necesita. Tener que enchufar el equipo para cargarlo es incómodo y significa que el equipo podría no estar disponible cuando se lo necesite, lo que puede representar un gran problema.

El enfoque cada vez mayor en seguridad también supone más desafíos para los diseñadores de sistemas que desean recolectar energía del ambiente para alimentar monitores médicos inalámbricos, a fin de superar este desafío de la batería. También existen problemas clave de administración de energía a tener en cuenta con dichos diseños, pero una gama de placas de desarrollo puede ayudar a combinar una fuente de recolección de energía, un microcontrolador de baja potencia y un enlace inalámbrico.

La energía solar es una forma cada vez más popular de proporcionar energía tanto a los sensores como a los enlaces inalámbricos en los equipos de uso médico portátiles. En el centro de la utilización de una celda solar en un diseño se encuentra un microcontrolador de potencia ultrabaja como el MSP430 de Texas Instruments. Se lo utiliza en el kit de desarrollo de Recolección de energía solar eZ430-RF2500-SEH para ayudar a crear una red de sensores inalámbrica de alimentación perpetua. El módulo incluye una celda solar de alta eficiencia para operar en el interior bajo luces fluorescentes de baja intensidad, que proporciona energía suficiente para implementar una aplicación de sensor inalámbrico sin baterías adicionales. También hay entradas disponibles para recolectores de energía externos, como la energía piezoeléctrica.

El sistema también administra y almacena energía adicional en un par de baterías recargables de película delgada que pueden proporcionar suficiente energía para más de 400 transmisiones sin energía externa. Esto garantiza que los datos médicos puedan capturarse y transmitirse con confianza y sin tener que preocuparse por recargar las baterías, ya que funciona como un búfer de energía que almacena la energía mientras la aplicación está en reposo y tiene luz disponible para recolectar. También tiene una descarga automática muy baja, que es fundamental para un sistema de recolección de energía sin alimentación.

El eZ430-RF2500 se utiliza para ejecutar la aplicación de recolección de energía. Es una herramienta de desarrollo completa e inalámbrica MSP430 basada en USB y proporciona todo el hardware y software necesarios para utilizar el microcontrolador de 16 MHz MSP430F2274 y el transceptor inalámbrico CC2500. El transceptor funciona en la banda sin licencia de 2.4 GHz con el protocolo de comunicaciones de baja potencia SimpliciTI de TI, y se enlaza a un concentrador que puede ser una PC o un concentrador de recopilación de datos integrado, que es donde los elementos de seguridad del diseño se implementarían.

Figura 1: Los sistemas de desarrollo eZ430-RF2500 de Texas Instruments utilizan una celda solar para alimentar a un enlace inalámbrico de 2.4 GHz para que proporcione datos del sensor médico a un concentrador.

Este enfoque garantiza que los sensores y el enlace inalámbrico obtengan suficiente energía de la recolección de energía, ya que los pulsos de corriente alta suponen demandas especiales para las baterías, y la entrega repetida de corrientes de pulso que superan la corriente de carga recomendada de una batería determinada puede reducir la vida útil de la celda. Las corrientes de pulso de decenas de miliamperios son comunes en los sistemas de sensores inalámbricos durante los modos de transmisión y recepción. Lamentablemente, la impedancia interna de la celda a menudo genera una caída de voltaje interna que evita que la celda proporcione la corriente de pulso con el voltaje necesario para hacer funcionar el circuito externo.

Un método para mitigar dichos efectos es colocar un capacitor de resistencia equivalente en serie (ESR) en la batería. La batería carga el capacitor entre los pulsos de descarga, y el capacitor proporciona la corriente de pulso a la carga. Especificar la capacitancia de una batería determinada en una aplicación es un procedimiento sencillo una vez que se conocen algunos parámetros clave, incluidos la impedancia y el voltaje de la batería, la temperatura de funcionamiento y la amplitud y duración de la corriente de pulso.

La placa de desarrollo eZ430-RF2500-SEH incluye firmware para el MSP430 que tiene en cuenta estas limitaciones, además de una aplicación de PC que puede mostrar todos los nodos inalámbricos conectados y los datos que se proporcionan.

Silicon Labs también combinó un sensor inalámbrico de potencia ultrabaja, alimentado por una fuente de recolección de energía, con un microcontrolador adecuado para los sistemas de uso médico que se activan periódicamente para medir y transmitir resultados. Como se alimenta a partir de una fuente de recolección de energía, no se deben reemplazar las baterías durante la vida útil del sistema, que tiene una expectativa de vida útil de 15 años (o 7 Ah) con una batería fina de solo 0.17 mm de alto.

El nodo de sensor utiliza un MCU inalámbrico de Silicon Labs, Si1012, que funciona a 919.84 MHz y es alimentado por una fuente de recolección de energía solar. Cuando el nodo no transmite datos, el controlador puede permanecer en un estado de baja potencia, en el que solo consume 50 nA. La corriente de fuga del suministro de recolección de energía, al estar activado, es de aproximadamente 3 µA y se anula con tan solo 50 lux que se reflejen en la celda solar. Esto permite que el suministro de recolección de energía alimente al sistema por aproximadamente 7 días, incluso en la oscuridad, y trabaja con efectividad tanto en iluminación interna con iluminación de 200 lx como en externa, con 10,000 lx.

Figura 2: La placa de desarrollo RD de recolección de energía de Silicon Labs puede hacer funcionar su enlace inalámbrico de 919 MHz durante días en la oscuridad.

El nodo consta de una celda solar para proporcionar la energía, un rectificador que puede utilizarse para convertir la energía por vibración CA en una corriente de CC, y un administrador de energía de Linear Technology que recibe energía de CC y la regula en 4.1 V constantes. Esto también protege a la batería contra el exceso en la descarga al desconectarla del circuito si el voltaje disminuye demasiado.

El circuito de administración de energía luego convierte la salida de 4.1 V de la batería de película fina en 2.7 V regulados para que los utilice el controlador inalámbrico. Los componentes principales de este circuito son un regulador de caída baja (LDO) de potencia ultrabaja, un detector de caída de tensión y un capacitor de tantalio de 100 µF para suministrar las corrientes pico requeridas para la transmisión de RF. La clavija de apagado de LDO está conectada a la salida del detector de caída de tensión, por lo que el sistema no recibe alimentación hasta que el capacitor de 100 µF esté cargado al menos hasta 3.0 V. Esto garantiza que el sistema no intentará encenderse hasta que tenga suficiente energía almacenada para poder hacer frente a la secuencia de encendido. Sin embargo, el sistema requiere aproximadamente 3 µA para funcionar, que se suministran fácilmente con tan solo 50 lux de luz que se refleje en la celda solar.

Cuando el controlador sale del modo de reposo, muestrea la temperatura actual con el sensor de temperatura en chip, la carga restante en la batería de película fina y la cantidad de luz solar en la celda solar, lo que puede ser utilizado para administrar el funcionamiento del sistema.

Una de las características clave es el consumo de energía muy bajo en los modos de reposo y activo. La Figura 3 muestra el perfil de actividad con un paquete de RF enviado por segundo. La corriente pico es 29 mA cuando el transmisor de RF está habilitado y la corriente promedio durante el intervalo de tres minutos es de 51 µA. Esta se envía por un enlace de 128 kbit/s a través de la modulación de GFSK con una potencia de salida de +13 dB.

Figura 3: El perfil de actividad del enlace inalámbrico de baja potencia en la placa de desarrollo RD muestra cómo la recolección de energía puede soportar las transferencias de datos.

Ambas placas de desarrollo utilizan protocolos inalámbricos dedicados a 2.4 GHz y 919 MHz, y cualquier medida de seguridad debería ser agregada.

Los dispositivos de Bluetooth Smart pueden ser utilizados para proporcionar un enlace inalámbrico de 2.4 GHz con cifrado a un teléfono inteligente con seguridad de la señal integrada, pero a costa del consumo de energía. Además, supone un desafío más grande para el sistema de recolección de energía. Los dispositivos de Bluetooth como el módulo BLE112 de Silicon Labs (anteriormente BlueGiga) en el kit de desarrollo DKBLE pueden utilizarse para desarrollar monitores de frecuencia cardíaca con software dedicado y optimizado.  Con un consumo de energía de 27 mA en el modo de transmisión y solo 0.4 µA en el modo de reposo, se lo puede combinar con un subsistema de administración de energía para recolectar su energía de una celda solar con una batería recargable.

Figura 4: El kit de desarrollo DKBLE de Silicon Labs puede utilizarse para desarrollar un monitor de frecuencia cardíaca con un enlace inalámbrico de Bluetooth Smart.

Conclusión

Hay una gama de tecnologías que pueden utilizarse para recolectar energía del ambiente para los monitores médicos portátiles. Los dispositivos piezoeléctricos y las celdas solares pueden generar energía suficiente para garantizar que la captura de datos no se vea interrumpida por la necesidad de cargar las baterías, y las placas de desarrollo integrales proporcionan la administración de energía, los microcontroladores de baja potencia y el software para implementar dichos sistemas. Las últimas tecnologías, como Bluetooth Smart, están agregando seguridad a los enlaces junto con un software dedicado que hace que dichos desarrollos sean aun más sencillos.