基于輸出型MPPT控制和BLE傳輸的可穿戴傳感器

袁明蘭, 龍 穎, 劉 群

(1.重慶應用技術職業學院 計算機科學與技術系， 重慶 401520)(2.重慶郵電大學 計算機科學與技術學院， 重慶 400065)

物聯網[1](IoT)是一個新的技術范式，過去幾年在很多研究領域備受關注。未來的醫療環境將通過IoT實現目標與醫療專家的無縫連接[2]。隨著可穿戴傳感器、低功耗集成電路和無線通信技術的進步，無線體域網[3](Wireless body area network，WBAN)正成為全球范圍內的一個新興研究方向。

可穿戴傳感器[4]是WBAN的關鍵組件，用以采集人體的重要數據。研究人員針對WBAN應用提出了不同的可穿戴傳感器系統。如文獻[5]設計了基于ZigBee可穿戴傳感器的睡眠監護系統，它能夠擴大病人的活動空間，減輕監護人員的工作強度。文獻[6]基于智能手機應用，提出了用于WBAN的可穿戴傳感器系統的中間件解決方案。

WBAN發展的另一個關鍵問題是長期使用所面臨的高功耗問題。為此，文獻[7]提出了一個用于超低功耗可穿戴設備的柔性能量采集機制。文獻[8]探討了利用RF能量實現供電的可能性，匹配電路采用自制繞線電感，實現了低功耗的可穿戴設備設計。文獻[9]提出的能量采集器使用了柔性光伏模塊和基于模糊邏輯的最大功率點跟蹤(MPPT)技術。其中能量采集器為數據傳輸模塊的傳感器節點供電，然后，將數據發送至智能手機。

本文提出了使用太陽能采集和BLE傳輸技術的可穿戴傳感器，實現了自主式WBAN。通過MPPT技術控制太陽能采集器，從柔性太陽能面板中提取最大能量[11]。傳感器節點在一塊柔性太陽能面板上集成了加速度計、溫度傳感器和插入式光電容積描記(PPG)傳感器[10]，該節點還能夠測量目標心跳和進行跌倒檢測。傳感器節點的所有數據和跌倒通知都將通過一個商用BLE模塊發送到基于web的智能手機應用程序中。實驗表明，在為傳感器節點設定合適的喚醒-睡眠模式的情況下，傳感器節點可通過太陽能采集器供電可實現24小時運行。

1 系統架構

本文提出了一個面向IoT連接的醫療應用的自主WBAN實現方法，主要包括3個部分：1)使用MPPT技術的柔性太陽能采集器；2)帶BLE傳輸的可穿戴傳感器節點；3)作為IoT網關的智能手機應用，用以實現傳感器數據可視化和發送緊急通知。圖1給出了帶太陽能采集器的柔性可穿戴傳感器節點的概況。

1.1 柔性太陽能采集器

本文選擇的柔性太陽能面板為Sundance Solar的MPT3.6-75(7.2 cm×6.0 cm)，該面板采用柔性材料，能夠輕松附著于人體上。由于超級電容器可進行幾乎無限次循環充電，且充電和放電的效率均高于普通電池[11]，因此將柔性太陽能面板采集到的能量儲存于一個超級電容器中。本文采用凌特科技出品的高效升降電壓調節器LTC3130-1連接超級電容器與可穿戴傳感器節點。電壓調節器的輸入范圍為2.4 V至25 V，輸出電壓設為3.3 V。

圖1 太陽能采集的柔性可穿戴傳感器節點

1.2 可穿戴傳感器節點

可穿戴傳感器節點的主要組件包括一個微控制器單元(MCU)和三個傳感器。可穿戴傳感器節點的軟件流程圖如圖2所示。

圖2 可穿戴傳感器節點的軟件流程

可穿戴傳感器節點的核心是MUC，用于采集和處理傳感器數據，執行電源管理以降低整體功耗。本文使用的MCU為ATMEL公司的ATmega328P，其具有低功耗、低成本和高性能的優點。MCU在3.3V電壓的CPU速度設為8 MHz，對于極低功耗應用，可進一步限制在1.8 V的1 MHz。MCU配備了32 KB閃存和2 KB SRAM、6個模擬輸入引腳和14個數字I/O引腳。

本文采用得捷電子公司的ADXL362，并將其焊接在可穿戴傳感器節點的柔性PCB上。ADXL362是一個超低功耗的3軸MEMS加速度計，當輸出數據率為100 Hz時能耗低于2 μA，在運動促發喚醒模式時僅為270 nA。在可穿戴傳感器節點中，ADXL362加速度計用于WBAN應用中的“跌倒檢測”。一旦檢測到跌倒，ADXL362將喚醒MCU，并通過BLE模塊將一條緊急通知發送至醫護人員的智能手機上。

第二個傳感器是一個溫度傳感器，采用Maxim公司的MAX30205，該傳感器具有精度高(溫度范圍37 ℃至39 ℃時，精度0.1 ℃)，分辨率高(16bit)和功耗低(2.7 V至3.3 V時功耗600 μA)的優點。當將可穿戴傳感器節點置于人體不同位置時，溫度傳感器能夠測量體溫分布。

可穿戴傳感器節點中采用商用脈搏傳感器[12]，檢測目標的心跳。脈搏傳感器為插入式PPG傳感器，僅連接到目標手腕上的傳感器節點。該傳感器由典型供電電流分別為42 μA和100 μA的低功率環境亮度光傳感器(APDS-9008、供電電流為42 μA)和放大器(MCP6001、供電電流為100 μA)所組成。通過合理使用，該傳感器能夠測量手腕處橈動脈的跳動，不會影響到受測目標的日?；顒印?/p>

1.3 BLE傳輸和智能手機應用

為幫助醫護人員分析來自可穿戴傳感器節點的數據，本文使用一個BLE模塊(HM-10)將受測目標的傳感器數據發送到智能手機中。BLE模塊采用Texax Instrument公司的CC2541芯片，該芯片是兼容藍牙低功耗的專用系統級射頻芯片。在傳感器數據的可視化方面，本文利用Evothings平臺開發了一個基于web的智能手機應用程序。只要安裝了Evothings Viewer應用程序的智能手機均能夠通過設計的應用程序訪問傳感器數據。這將有助于醫護人員或家庭成員持續監測受測目標的健康狀況。

圖3給出了帶能量采集和MPPT電路的可穿戴傳感器節點的PCB設計(5.0 cm×4.8 cm)。傳感器電路使用柔性PCB制造，采用了柔性太陽能面板，所以此類節點適合目標穿戴，很容易附著到受測目標的身體上。

圖3 可穿戴傳感器節點的PCB設計

2 使用MPPT技術的太陽能采集器

2.1 太陽能面板和MPPT

太陽能面板也稱為光伏(PV)模塊，是一種吸收光能并將其轉化為電能的非線性半導體器件。太陽能面板能夠產生隨環境條件變化的電能。本文所用的太陽能面板等效電路如圖4所示。

圖4 太陽能面板的等效電路

太陽能面板的電流-電壓(I-V)特性為：

(1)

式(1)中：IPH表示光電流；I0表示二極管飽和暗電流；q為電子電荷；η為二極管理想因子；k為玻爾茲曼常數；T為開氏溫度。

根據式(1)，太陽能面板的IPV、VPV以及對應功率(PPV)均取決于光輻照度等級(IPH)和溫度(T)。太陽能面板在不同輻照度等級下的I-V和P-V特性如圖5所示。

圖5 太陽能面板在不同輻照度等級下的I-V和P-V特性

由圖5可以看到，太陽能面板在某一點上能夠輸出最大功率，即最大功率點(MPP)。然而，MPP會隨著不同的輻照度等級和其他環境條件而發生變化。因此，為了從太陽能面板中采集到最大功率，通常在太陽能采集系統的電源管理單元中采用MPPT電路。

2.2 提出的輸出型MPPT技術

本文所提的柔性太陽能采集器結構如圖6所示。柔性太陽能面板和負載通過升降壓型轉換器[13]連接，其中包括L1、L2、C1和M1。為了從太陽能面板中獲取最大能量，本文提出了一個基于輸出的MPPT技術來控制升降壓型轉換器的工作周期(D)，以實現阻抗匹配。

圖6 柔性太陽能采集器的結構

對于升降壓型轉換器，輸入(VPV&IPV)和輸出(VOUT&IOUT)之間的關系可以表示為：

(2)

(3)

從升降壓型轉換器的輸入端看到的輸出負載的等效電阻為：

(4)

圖5給出了太陽能面板的I-V特性，其中存在與MPP對應的電阻(RMPP=VMPP/IMPP)，這表示在負載電阻等于RMPP時太陽能面板能夠輸出最大功率。通過改變式(4)中的D值，可以將等效電阻Req與RMPP相匹配，以達到太陽能面板的MPP。

為測量太陽能面板的功率，傳統的MPPT技術(例如P&O)將DC-DC轉換器的輸入端的VPV和IPV相乘，所提MPPT技術則著眼于輸出端，因此僅需要一個參數。當輸出端的電阻負載(Rload)為恒定時，輸出功率為：

(5)

若升降壓型轉換器的轉化效率為η，則太陽能面板的輸入功率為：

(6)

根據式(6)，太陽能面板的功率與輸出電流IOUT的變化趨勢相同。所提MPPT技術首先測量IOUT，然后改變升降壓型轉換器的D值(升高)。如果IOUT同樣升高，則MPPT電路將D變化的方向保持不變(升高)；否則，MPPT電路將朝相反方向改變D(降低)。

圖7 基于輸出的MPPT技術的電路設計

3 實驗結果

本文所提帶太陽能采集器的可穿戴傳感器節點的完整設置如圖8所示。其中，圖8(a)是可穿戴節點的正面，即柔性太陽能面板。背面由傳感器節點電路和BLE模塊組成，如圖8(b)所示。實驗中，受測目標佩戴了兩個可穿戴傳感器節點。節點1置于腕部以監測心跳和手腕溫度，節點2則置于胸部以進行體溫監測和跌倒檢測，如圖8(c)所示。從兩個可穿戴傳感器節點中采集到的數據被發送到智能手機中，以供受測目標進行監護。

圖8 帶太陽能采集的可穿戴傳感器節點

3.1 柔性太陽能采集器的性能

本文采用一塊柔性太陽能面板，制造并測試了使用基于輸出的MPPT技術的太陽能采集器。圖9給出了使用帶MPPT電路的太陽能采集器，以5.4 V額定電壓對一個12.5 F的超級電容器充電的實驗結果。在陽光直射和人工應用條件下，當太陽能面板分別運行在3 V和2.5 V附近時，可對超級電容器的充電，這證明了所提MPPT電路能夠在不同環境條件下，控制太陽能面板圍繞其MPP運行。

圖9 使用輸出型MPPT電路的太陽能采集器實驗結果

表1給出了太陽能采集器在不同條件下的充電性能。串聯的超級電容器的額定電壓為5.4 V，電壓調節器的最低輸入為2.4 V，表1給出的充電時間是指利用所提太陽能采集器從2.4 V至5.4 V對超級電容器充電所需的時長。從表1實驗結果中可知，太陽能采集器在晴朗、部分多云和多云的氣候條件下，從2.4 V至5.4 V，完成對一個12.5 F超級電容器的充電所需的時間分別為30、60和120分鐘。

表1 超級電容器充電性能(從2.4～5.4 V)

3.2 輸出型MPPT的跟蹤結果

IOUT和D的變化趨勢分別表示為CTsense和CTD，用于跟蹤太陽能面板的MPP。跟蹤仿真結果如圖10所示。CTsense為多路復用器的控制信號輸入，CTD及其逆值為多路復用器的輸入。D觸發器的輸入為多路復用器的輸出，D觸發器的輸出，NextD，用于對C6進行充放電，這會改變PWM信號的工作周期。當IOUT上升時，CTsense較低，由此D觸發器(NextD)的輸出將不會變化。工作周期的變化將被保持在同一個方向(上升或下降)。當IOUT下降時，CTsense會變高。那么多路復用器會向D觸發器輸出工作周期的變化趨勢的逆值，由此D觸發器將改變器輸出NextD。其后，工作周期將向相反方向變化以跟蹤太陽能面板的MPP。繼續這一跟蹤過程，以控制太陽能面板圍繞其MPP附近運行。這些結果與2.2節的描述基本一致。

圖10 輸出型MPPT的跟蹤仿真結果

3.3 能耗

在可穿戴設備應用中，低功耗是至關重要的，用以維持設備的長期運行。為延長所提可穿戴傳感器節點的工作壽命，在不需要進行測量時可以將其設為休眠模數以節約能量。表2給出了傳感器節點在“喚醒-睡眠”模式的具體電流消耗均值。

表2 傳感器節點在不同運行階段的電流消耗均值

實驗中，設定可穿戴傳感器節點每隔10 min測量受試目標的數據，其中活動模式和睡眠模式的時長分別為14.5 s和584.5 s。在實驗配置下，Eactive為667.8 mJ，Esleep為385.8 mJ，因此可穿戴傳感器節點在一個十分鐘的周期內的平均能耗為1 053.6 mJ。該運行模式下對應的能量消耗Pnode為1.76 mW(1 053.6/600)。

3.4 持續24 h工作狀況

為進一步延長可穿戴傳感器節點的工作壽命，甚至支持自主式24 h工作，本文利用太陽能采集器對傳感器節點供電。超級電容器理論上可以為可穿戴節點供電17 h(102/6)，足以維持整個夜間運轉。圖11給出了超級電容器在24 h持續運行中的電壓。實驗在晴朗天氣下進行，實驗當天(2018/4/4)的日出和日落時間分別為06∶30 am和18∶00 pm。傳感器節點的最長工作時間達到了15 h(從17∶00 pm至第二天的08∶00)。結果表明，在受測目標在早晨和下午分別在戶外停留30～60 min對超級電容器充電的情況下，所提可穿戴傳感器節點能夠自主運行24 h。

圖11 可穿戴傳感器節點的24 h持續運行中的電壓

3.5 與其他方法的比較

表3列舉了一些帶能量采集的可穿戴傳感器的應用情況，可以看出本文方法的總體能耗最低，只有1.76 mW。從用戶接口看，本文用戶端采用智能手機，更符合現在用戶需求，只有文獻[9]采用智能手機；所比較的方法中大多使用柔性太陽能面板，但本文的尺寸更小，雖然文獻[8]的能源尺寸最小，但使用RF、繞線電感，較為落后。本文的另一個亮點是使用輸出型MPPT技術，延長了可穿戴傳感器節點的工作壽命?？傮w來說，本文設計較為靈活，功能較多。在一定條件下，傳感器節點可以實現24 h持續運行。

表3 帶能量采集可穿戴傳感器的應用情況

4 結論

1) 本文提出了一個帶太陽能采集器的可穿戴傳感器節點實現方法，用以支持IoT連接應用的自主WBAN。所提可穿戴傳感器節點可被放置于人體不同部位以測量各種體征信號，例如：溫度分布和心跳等，還可以利用節點上的加速度計進行跌倒檢測并發送緊急通知。

2) 本文設計了一個基于Web的智能手機應用程序，用以顯示傳感器節點數據并發送緊急通知。通過基于輸出的MPPT技術的太陽能采集器延長可穿戴傳感器節點的工作壽命。

3) 所提可穿戴太陽能節點在太陽能采集器的供電支持下運轉良好。當傳感器節點被設為10 min“喚醒-睡眠”模式時，傳感器節點可以實現24 h持續運行。