酸液环境下传感器自供电系统的设计与实现

陶玉恒，叶 松

（1.桂林电子科技大学 电子工程与自动化学院，广西 桂林 541004；2.北京市农林科学院 北京农业智能装备技术研究中心，北京 100097）

0 引言

现有生物传感器的供电系统基本依赖于电池，尽管电池技术的进步已经导致整体尺寸的大幅缩小和存储容量的增加，但工作寿命仍然有限。对于植入式生物传感器通常需要进行外科手术更换电池使其长期工作，这不仅会引发监测对象的感染及死亡风险，而且限制了生物传感器的实际应用。可见，利用其它方式代替电池供电或显著延长电池寿命确保传感器的长期工作，已经成为目前的首要任务。

图1 酸液环境下传感器自供电系统原理示意图Fig.1 Schematic diagram of sensor self-supply system in acid environment

在生物医学传感器供电系统中，基于能量收集代替电池的供电技术通常是将传感器所处环境中的化学能、热能或机械能转化为电能来实现的。虽然有些能量收集和无线电力传输技术方面的改进为这些传感器的供电提供了新的选择，但许多技术不太适用于可植入式传感器设备。例如，传统的热[1]和振动[2]能量收集源，由于体内缺乏热梯度并且难以与运动源进行机械耦合而变得复杂。在这种情况下，由于传感器设备的位置和取向不受约束，通过近场[3]或中场[4]耦合进行无线电力传输仍然具有一定的挑战性。但是，在新能源的探索中，利用生物原电池[5]实现电子传感器设备的自供电研究越来越引发人们的关注。

为了进一步实现化学能向电能的转换，针对动物体内的酸性溶液环境，本文在模拟酸液环境下利用锌铜原电池、能量收集器及储能元件搭建自供电电路系统，模拟传感器负载，进行了自供电电路系统的分析和验证。

1 自供电系统原理

酸液环境下传感器自供电系统原理示意图如图1所示。该系统是通过原电池的氧化还原反应将化学能转化为微弱电能，原电池输出的微弱电能通过能量收集器进行收集，并储存在储能电容中。能量收集器给储能元件充电的同时，通过引脚控制模拟开关，当充电完成后，发送脉冲信号打开模拟开关，使得储能元件接入传感器电源系统，为传感器供电。放电完成后，能量收集器将发送脉冲切断模拟开关，实现储能元件的再次充电，通过循环充放电，在不使用电池的情况下实现传感器系统的长期自供电。

2 自供电系统设计

图2 自供电系统电路设计图Fig.2 Circuit design of self-supply system

图3 自供电系统焊接实物图Fig.3 Welding physical diagram from power supply system

自供电系统选用铜锌片作为原电池正负电极，并焊接导线放入酸液中，用于将酸液中的化学能转换为电能。考虑锌铜原电池的输出功率只有微瓦级别，无法满足传感器工作供电需求。针对这一现状，利用可对微瓦级能量进行收集和管理的能量采集器BQ25504收集原电池输出的微弱电能，并存储在储能元件（电容、可充电锂电池等）中。同时，利用外围电阻不同阻值组合，可设置储能元件的过压和欠压保护，自供电系统具体电路设计如图2所示。考虑单节可充电锂电池过充及过放电压，储能电容耐压值一般大于5V，依据手册设置ROV1、ROV2、RUV1、RUV2的阻值，实现储能元件4.2V过充保护及2.3V过放保护，设置ROK1、ROK2、ROK3的阻值，实现储能元件为传感器提供2.4V～3.5V的供电电压区间。自供电系统焊接实物图如图3所示。

3 自供电系统实验

3.1 自供电系统充电测试

图4 相同酸液浓度下自供电系统不同储能电容容值的充电时间Fig.4 Charging time for different energy storage capacitance tolerances of self-supply system at the same acid concentration

图5 相同酸液浓度下自供电系统不同储能电容容值的放电时间Fig.5 Discharge time of different energy storage capacitance tolerances of self-supply system at the same acid concentration

在自供电系统为负载供电之前，为确保自供电系统拥有足够的充电时间进行能量收集，开展了自供电系统在相同酸液浓度（pH=6.6）不同储能电容（100μF钽电容、200μF钽电容和330μF电解电容）大小的充电时间测试，测试结果拟合曲线如图4所示。从图4中看出，在2.4V～3.5V充电区间和相同酸液浓度下，储能电容容值越大，充电时间越长，反之越短，但每种储能电容重新充电时间均在1min以内。故在此环境条件下，为了保证自供电系统能够收集足够的能量供负载使用，可以将自供电系统的充电时间间隔设置为1min以上。

3.2 自供电系统放电测试

在进行自供电系统为负载供电之前，为确保自供电系统能够提供足够的负载电流和放电时间供负载使用，开展了相同酸液浓度（pH=6.6）下自供电系统在不同储能电容（100μF钽电容、200μF钽电容和330μF电解电容）大小对相同负载阻抗的放电时间测试，测试结果拟合曲线分别如图5所示。这里负载阻抗选择110Ω，以便使负载电流维持在20mA以上，从而带动负载。从图5中可以看出，在2.4V～3.5V放电区间和相同酸液浓度及负载阻抗下，储能电容在2.4V～3.5V之间的放电时间与容值有关系，储能电容容值越大，放电时间越长，反之越短，但每种储能电容的放电时间均在毫秒级别以上。故在此环境条件下，为了保证自供电系统能够为负载提供足够的供电时间，尽可能选用大容值的储能电容。

3.3 自供电系统供电的传感器测试

图6 自供电系统供电的传感器测试原理示意及系统电路实物图Fig.6 Sensor test principle indication and system circuit physical diagram of power supply in self-supply system

根据自供电系统的充放电测试分析可知，只要选择合适容值的电容作为储能元件并为其留有足够的充电时间，自供电系统便能为负载应用正常供电。为了进一步证明自供电系统获得能量的实用性，本文选用低功耗CPU作为负载，完成CPU内部温度及单通道ADC转换数值的采集及发送，对自供电系统为传感器供电的可行性进行验证。传感器负载系统中储能电容容值选用200uF，测试原理示意及实物图如图6（a）和图6（b）所示。测试电路由自供电模块、模拟开关、主控CPU组成。自供电模块提供电能，通过控制模拟开关（MAX4715）实现储能元件与传感器电路系统的通断。当储能元件电压等于3.5V时，模拟开关导通，为传感器供电；当储能元件放电至2.4V时，模拟开关断开，切断传感器供电，重新为储能元件充电，以此来实现传感器的循环自供电。CPU选用超低功耗单片机PIC12LF1840T39A，它具有集成RF、温度传感器、ADC以及I2C等模块，负责控制、数据采集和无线发送。由于自供电系统充电需要一段时间，所以CPU系统供电后，首先进行初始化，然后使系统处于休眠状态并等待2min，以便自供电系统收集存储足够的电能。随后唤醒系统处于正常工作状态并发送数据，依次循环。在测试中，无线RF发射器的测试工作频段设置在433MHz频段、调制方式选用FSK。

为了简单方便，利用频谱仪GSP-830对传感器负载系统发出的无线信号进行检测，捕捉到测试系统发送的无线信号截图如图7所示。由此可见，自供电系统能够为传感器提供电能，并能完成温度及ADC模块数据的采集与发送，从而验证了自供电系统的可行性。

图7 频谱仪捕获的传感器发送的433MHz无线数据信号Fig.7 433MHz Wireless data signal sent by sensors captured by the spectrometer

4 结论

本文提出的自供电系统实现了一种能量收集原电池的设计和操作。实验证明，通过这种供电方式可以将化学能转化为电能，并为低功耗传感器系统供电，有望应用于酸液环境下低功耗电子设备的能量供应和补充。