酸液環境下傳感器自供電系統的設計與實現

陶玉恒，葉 松

（1.桂林電子科技大學 電子工程與自動化學院，廣西 桂林 541004；2.北京市農林科學院 北京農業智能裝備技術研究中心，北京 100097）

0 引言

現有生物傳感器的供電系統基本依賴于電池，盡管電池技術的進步已經導致整體尺寸的大幅縮小和存儲容量的增加，但工作壽命仍然有限。對于植入式生物傳感器通常需要進行外科手術更換電池使其長期工作，這不僅會引發監測對象的感染及死亡風險，而且限制了生物傳感器的實際應用。可見，利用其它方式代替電池供電或顯著延長電池壽命確保傳感器的長期工作，已經成為目前的首要任務。

圖1 酸液環境下傳感器自供電系統原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of sensor self-supply system in acid environment

在生物醫學傳感器供電系統中，基于能量收集代替電池的供電技術通常是將傳感器所處環境中的化學能、熱能或機械能轉化為電能來實現的。雖然有些能量收集和無線電力傳輸技術方面的改進為這些傳感器的供電提供了新的選擇，但許多技術不太適用于可植入式傳感器設備。例如，傳統的熱[1]和振動[2]能量收集源，由于體內缺乏熱梯度并且難以與運動源進行機械耦合而變得復雜。在這種情況下，由于傳感器設備的位置和取向不受約束，通過近場[3]或中場[4]耦合進行無線電力傳輸仍然具有一定的挑戰性。但是，在新能源的探索中，利用生物原電池[5]實現電子傳感器設備的自供電研究越來越引發人們的關注。

為了進一步實現化學能向電能的轉換，針對動物體內的酸性溶液環境，本文在模擬酸液環境下利用鋅銅原電池、能量收集器及儲能元件搭建自供電電路系統，模擬傳感器負載，進行了自供電電路系統的分析和驗證。

1 自供電系統原理

酸液環境下傳感器自供電系統原理示意圖如圖1所示。該系統是通過原電池的氧化還原反應將化學能轉化為微弱電能，原電池輸出的微弱電能通過能量收集器進行收集，并儲存在儲能電容中。能量收集器給儲能元件充電的同時，通過引腳控制模擬開關，當充電完成后，發送脈沖信號打開模擬開關，使得儲能元件接入傳感器電源系統，為傳感器供電。放電完成后，能量收集器將發送脈沖切斷模擬開關，實現儲能元件的再次充電，通過循環充放電，在不使用電池的情況下實現傳感器系統的長期自供電。

2 自供電系統設計

圖2 自供電系統電路設計圖Fig.2 Circuit design of self-supply system

圖3 自供電系統焊接實物圖Fig.3 Welding physical diagram from power supply system

自供電系統選用銅鋅片作為原電池正負電極，并焊接導線放入酸液中，用于將酸液中的化學能轉換為電能。考慮鋅銅原電池的輸出功率只有微瓦級別，無法滿足傳感器工作供電需求。針對這一現狀，利用可對微瓦級能量進行收集和管理的能量采集器BQ25504收集原電池輸出的微弱電能，并存儲在儲能元件（電容、可充電鋰電池等）中。同時，利用外圍電阻不同阻值組合，可設置儲能元件的過壓和欠壓保護，自供電系統具體電路設計如圖2所示。考慮單節可充電鋰電池過充及過放電壓，儲能電容耐壓值一般大于5V，依據手冊設置ROV1、ROV2、RUV1、RUV2的阻值，實現儲能元件4.2V過充保護及2.3V過放保護，設置ROK1、ROK2、ROK3的阻值，實現儲能元件為傳感器提供2.4V～3.5V的供電電壓區間。自供電系統焊接實物圖如圖3所示。

3 自供電系統實驗

3.1 自供電系統充電測試

圖4 相同酸液濃度下自供電系統不同儲能電容容值的充電時間Fig.4 Charging time for different energy storage capacitance tolerances of self-supply system at the same acid concentration

圖5 相同酸液濃度下自供電系統不同儲能電容容值的放電時間Fig.5 Discharge time of different energy storage capacitance tolerances of self-supply system at the same acid concentration

在自供電系統為負載供電之前，為確保自供電系統擁有足夠的充電時間進行能量收集，開展了自供電系統在相同酸液濃度（pH=6.6）不同儲能電容（100μF鉭電容、200μF鉭電容和330μF電解電容）大小的充電時間測試，測試結果擬合曲線如圖4所示。從圖4中看出，在2.4V～3.5V充電區間和相同酸液濃度下，儲能電容容值越大，充電時間越長，反之越短，但每種儲能電容重新充電時間均在1min以內。故在此環境條件下，為了保證自供電系統能夠收集足夠的能量供負載使用，可以將自供電系統的充電時間間隔設置為1min以上。

3.2 自供電系統放電測試

在進行自供電系統為負載供電之前，為確保自供電系統能夠提供足夠的負載電流和放電時間供負載使用，開展了相同酸液濃度（pH=6.6）下自供電系統在不同儲能電容（100μF鉭電容、200μF鉭電容和330μF電解電容）大小對相同負載阻抗的放電時間測試，測試結果擬合曲線分別如圖5所示。這里負載阻抗選擇110Ω，以便使負載電流維持在20mA以上，從而帶動負載。從圖5中可以看出，在2.4V～3.5V放電區間和相同酸液濃度及負載阻抗下，儲能電容在2.4V～3.5V之間的放電時間與容值有關系，儲能電容容值越大，放電時間越長，反之越短，但每種儲能電容的放電時間均在毫秒級別以上。故在此環境條件下，為了保證自供電系統能夠為負載提供足夠的供電時間，盡可能選用大容值的儲能電容。

3.3 自供電系統供電的傳感器測試

圖6 自供電系統供電的傳感器測試原理示意及系統電路實物圖Fig.6 Sensor test principle indication and system circuit physical diagram of power supply in self-supply system

根據自供電系統的充放電測試分析可知，只要選擇合適容值的電容作為儲能元件并為其留有足夠的充電時間，自供電系統便能為負載應用正常供電。為了進一步證明自供電系統獲得能量的實用性，本文選用低功耗CPU作為負載，完成CPU內部溫度及單通道ADC轉換數值的采集及發送，對自供電系統為傳感器供電的可行性進行驗證。傳感器負載系統中儲能電容容值選用200uF，測試原理示意及實物圖如圖6（a）和圖6（b）所示。測試電路由自供電模塊、模擬開關、主控CPU組成。自供電模塊提供電能，通過控制模擬開關（MAX4715）實現儲能元件與傳感器電路系統的通斷。當儲能元件電壓等于3.5V時，模擬開關導通，為傳感器供電；當儲能元件放電至2.4V時，模擬開關斷開，切斷傳感器供電，重新為儲能元件充電，以此來實現傳感器的循環自供電。CPU選用超低功耗單片機PIC12LF1840T39A，它具有集成RF、溫度傳感器、ADC以及I2C等模塊，負責控制、數據采集和無線發送。由于自供電系統充電需要一段時間，所以CPU系統供電后，首先進行初始化，然后使系統處于休眠狀態并等待2min，以便自供電系統收集存儲足夠的電能。隨后喚醒系統處于正常工作狀態并發送數據，依次循環。在測試中，無線RF發射器的測試工作頻段設置在433MHz頻段、調制方式選用FSK。

為了簡單方便，利用頻譜儀GSP-830對傳感器負載系統發出的無線信號進行檢測，捕捉到測試系統發送的無線信號截圖如圖7所示。由此可見，自供電系統能夠為傳感器提供電能，并能完成溫度及ADC模塊數據的采集與發送，從而驗證了自供電系統的可行性。

圖7 頻譜儀捕獲的傳感器發送的433MHz無線數據信號Fig.7 433MHz Wireless data signal sent by sensors captured by the spectrometer

4 結論

本文提出的自供電系統實現了一種能量收集原電池的設計和操作。實驗證明，通過這種供電方式可以將化學能轉化為電能，并為低功耗傳感器系統供電，有望應用于酸液環境下低功耗電子設備的能量供應和補充。