兵器装备工程学报

基于输出型MPPT控制和BLE传输的可穿戴传感器

分类:编辑推荐 发布时间:2019-05-11 19:57 访问量:2199

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本文引用格式袁明兰,龙颖,刘群.基于输出型MPPT控制和BLE传输的可穿戴传感器[J].兵器装备工程学报,2019,40(3):116-121.

Citation format:YUAN Minglan, LONG Ying, LIU Qun.Design of Wearable Device Based on Output MPPT Control and BLE Transmission[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2019,40(3):116-121.


作者简介袁明兰(1982—),女,硕士,副教授,主要从事嵌入式设备、物联网等研究;龙颖(1988—),女,硕士,讲师,主要从事嵌入式、软件工程等研究;刘群(1969—),女,博士,教授,主要从事嵌入式、物联网、非线性理论等研究。

基于输出型MPPT控制和BLE传输的可穿戴传感器

袁明兰1, 龙 颖1, 刘 群2

(1.重庆应用技术职业学院 计算机科学与技术系, 重庆 401520)(2.重庆邮电大学 计算机科学与技术学院, 重庆 400065)

摘要设计了一种基于输出型最大功率点跟踪控制和蓝牙低功耗传输技术的可穿戴传感器节点,并实现了自主式无线体域网。可穿戴传感器节点在一块柔性太阳能面板上集成了加速度计、温度传感器和插入式光电容积描记传感器;为了从柔性太阳能面板中提取最大能量,提出输出型最大功率点跟踪,以控制太阳能采集器最大化输出功率;通过一个商用BLE模块将传感器节点的所有数据发送到智能手机应用程序中。实验结果表明,在为传感器节点设定合适的“唤醒-睡眠”模式,传感器节点可通过太阳能采集器供电实现全天24小时运行。与其他方法相比,具有更低的能耗和更多的功能。

关键词可穿戴传感器;无线体域网;蓝牙低功耗传输技术;最大功率点跟踪技术;柔性太阳能面板

Design of Wearable Device Based on Output MPPT Control and BLE Transmission

YUAN Minglan1, LONG Ying1, LIU Qun2

(1.Department of Computer Science and Technology, Chongqing Vocational College of Applied Technology, Chongqing 401520, China; 2.College of computer science and Technology, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China)

Abstract: A wearable sensor node using output maximum power point tracking control technology and Bluetooth low energy transmission technology was designed, and an autonomous wireless body area network was implemented. Firstly, the wearable sensor node integrated accelerometer, temperature sensor and plug-in photo plethysmo graph sensor on a flexible solar panel; In order to extract maximum energy from flexible solar panel, output MPPT was proposed to control solar collector to maximize output power; Finally, a commercial BLE module was used. All data of sensor nodes were sent to smart cellphone applications. The experimental results show that the sensor nodes can operate 24 hours a day with solar collector power supply under the condition of setting appropriate “wake-up-sleep” mode for the sensor nodes. Compared with other methods, the method has lower energy consumption and more functions.

Key words: wearable sensor; wireless body area network; Bluetooth low energy transmission technology; maximum power point tracking technology; flexible solar panel

物联网[1](IoT)是一个新的技术范式,过去几年在很多研究领域备受关注。未来的医疗环境将通过IoT实现目标与医疗专家的无缝连接[2]。随着可穿戴传感器、低功耗集成电路和无线通信技术的进步,无线体域网[3](Wireless body area network,WBAN)正成为全球范围内的一个新兴研究方向。

可穿戴传感器[4]是WBAN的关键组件,用以采集人体的重要数据。研究人员针对WBAN应用提出了不同的可穿戴传感器系统。如文献[5]设计了基于ZigBee可穿戴传感器的睡眠监护系统,它能够扩大病人的活动空间,减轻监护人员的工作强度。文献[6]基于智能手机应用,提出了用于WBAN的可穿戴传感器系统的中间件解决方案。

WBAN发展的另一个关键问题是长期使用所面临的高功耗问题。为此,文献[7]提出了一个用于超低功耗可穿戴设备的柔性能量采集机制。文献[8]探讨了利用RF能量实现供电的可能性,匹配电路采用自制绕线电感,实现了低功耗的可穿戴设备设计。文献[9]提出的能量采集器使用了柔性光伏模块和基于模糊逻辑的最大功率点跟踪(MPPT)技术。其中能量采集器为数据传输模块的传感器节点供电,然后,将数据发送至智能手机。

本文提出了使用太阳能采集和BLE传输技术的可穿戴传感器,实现了自主式WBAN。通过MPPT技术控制太阳能采集器,从柔性太阳能面板中提取最大能量[11]。传感器节点在一块柔性太阳能面板上集成了加速度计、温度传感器和插入式光电容积描记(PPG)传感器[10],该节点还能够测量目标心跳和进行跌倒检测。传感器节点的所有数据和跌倒通知都将通过一个商用BLE模块发送到基于web的智能手机应用程序中。实验表明,在为传感器节点设定合适的唤醒-睡眠模式的情况下,传感器节点可通过太阳能采集器供电可实现24小时运行。

1 系统架构

本文提出了一个面向IoT连接的医疗应用的自主WBAN实现方法,主要包括3个部分:1)使用MPPT技术的柔性太阳能采集器;2)带BLE传输的可穿戴传感器节点;3)作为IoT网关的智能手机应用,用以实现传感器数据可视化和发送紧急通知。图1给出了带太阳能采集器的柔性可穿戴传感器节点的概况。

1.1 柔性太阳能采集器

本文选择的柔性太阳能面板为Sundance Solar的MPT3.6-75(7.2 cm×6.0 cm),该面板采用柔性材料,能够轻松附着于人体上。由于超级电容器可进行几乎无限次循环充电,且充电和放电的效率均高于普通电池[11],因此将柔性太阳能面板采集到的能量储存于一个超级电容器中。本文采用凌特科技出品的高效升降电压调节器LTC3130-1连接超级电容器与可穿戴传感器节点。电压调节器的输入范围为2.4 V至25 V,输出电压设为3.3 V。


图1 太阳能采集的柔性可穿戴传感器节点

1.2 可穿戴传感器节点

可穿戴传感器节点的主要组件包括一个微控制器单元(MCU)和三个传感器。可穿戴传感器节点的软件流程图如图2所示。


图2 可穿戴传感器节点的软件流程

可穿戴传感器节点的核心是MUC,用于采集和处理传感器数据,执行电源管理以降低整体功耗。本文使用的MCU为ATMEL公司的ATmega328P,其具有低功耗、低成本和高性能的优点。MCU在3.3V电压的CPU速度设为8 MHz,对于极低功耗应用,可进一步限制在1.8 V的1 MHz。MCU配备了32 KB闪存和2 KB SRAM、6个模拟输入引脚和14个数字I/O引脚。

本文采用得捷电子公司的ADXL362,并将其焊接在可穿戴传感器节点的柔性PCB上。ADXL362是一个超低功耗的3轴MEMS加速度计,当输出数据率为100 Hz时能耗低于2 μA,在运动促发唤醒模式时仅为270 nA。在可穿戴传感器节点中,ADXL362加速度计用于WBAN应用中的“跌倒检测”。一旦检测到跌倒,ADXL362将唤醒MCU,并通过BLE模块将一条紧急通知发送至医护人员的智能手机上。

第二个传感器是一个温度传感器,采用Maxim公司的MAX30205,该传感器具有精度高(温度范围37 ℃至39 ℃时,精度0.1 ℃),分辨率高(16bit)和功耗低(2.7 V至3.3 V时功耗600 μA)的优点。当将可穿戴传感器节点置于人体不同位置时,温度传感器能够测量体温分布。

可穿戴传感器节点中采用商用脉搏传感器[12],检测目标的心跳。脉搏传感器为插入式PPG传感器,仅连接到目标手腕上的传感器节点。该传感器由典型供电电流分别为42 μA和100 μA的低功率环境亮度光传感器(APDS-9008、供电电流为42 μA)和放大器(MCP6001、供电电流为100 μA)所组成。通过合理使用,该传感器能够测量手腕处桡动脉的跳动,不会影响到受测目标的日常活动。

1.3 BLE传输和智能手机应用

为帮助医护人员分析来自可穿戴传感器节点的数据,本文使用一个BLE模块(HM-10)将受测目标的传感器数据发送到智能手机中。BLE模块采用Texax Instrument公司的CC2541芯片,该芯片是兼容蓝牙低功耗的专用系统级射频芯片。在传感器数据的可视化方面,本文利用Evothings平台开发了一个基于web的智能手机应用程序。只要安装了Evothings Viewer应用程序的智能手机均能够通过设计的应用程序访问传感器数据。这将有助于医护人员或家庭成员持续监测受测目标的健康状况。

图3给出了带能量采集和MPPT电路的可穿戴传感器节点的PCB设计(5.0 cm×4.8 cm)。传感器电路使用柔性PCB制造,采用了柔性太阳能面板,所以此类节点适合目标穿戴,很容易附着到受测目标的身体上。


图3 可穿戴传感器节点的PCB设计

2 使用MPPT技术的太阳能采集器

2.1 太阳能面板和MPPT

太阳能面板也称为光伏(PV)模块,是一种吸收光能并将其转化为电能的非线性半导体器件。太阳能面板能够产生随环境条件变化的电能。本文所用的太阳能面板等效电路如图4所示。


图4 太阳能面板的等效电路

太阳能面板的电流-电压(I-V)特性为:


(1)

式(1)中:IPH表示光电流;I0表示二极管饱和暗电流;q为电子电荷;η为二极管理想因子;k为玻尔兹曼常数;T为开氏温度。

根据式(1),太阳能面板的IPVVPV以及对应功率(PPV)均取决于光辐照度等级(IPH)和温度(T)。太阳能面板在不同辐照度等级下的I-VP-V特性如图5所示。


图5 太阳能面板在不同辐照度等级下的I-VP-V特性

由图5可以看到,太阳能面板在某一点上能够输出最大功率,即最大功率点(MPP)。然而,MPP会随着不同的辐照度等级和其他环境条件而发生变化。因此,为了从太阳能面板中采集到最大功率,通常在太阳能采集系统的电源管理单元中采用MPPT电路。

2.2 提出的输出型MPPT技术

本文所提的柔性太阳能采集器结构如图6所示。柔性太阳能面板和负载通过升降压型转换器[13]连接,其中包括L1L2C1M1。为了从太阳能面板中获取最大能量,本文提出了一个基于输出的MPPT技术来控制升降压型转换器的工作周期(D),以实现阻抗匹配。


图6 柔性太阳能采集器的结构

对于升降压型转换器,输入(VPV & IPV)和输出(VOUT & IOUT)之间的关系可以表示为:


(2)

(3)

从升降压型转换器的输入端看到的输出负载的等效电阻为:


(4)

图5给出了太阳能面板的I-V特性,其中存在与MPP对应的电阻(RMPP=VMPP/IMPP),这表示在负载电阻等于RMPP时太阳能面板能够输出最大功率。通过改变式(4)中的D值,可以将等效电阻ReqRMPP相匹配,以达到太阳能面板的MPP。

为测量太阳能面板的功率,传统的MPPT技术(例如P&O)将DC-DC转换器的输入端的VPVIPV相乘,所提MPPT技术则着眼于输出端,因此仅需要一个参数。当输出端的电阻负载(Rload)为恒定时,输出功率为:


(5)

若升降压型转换器的转化效率为η,则太阳能面板的输入功率为:


(6)

根据式(6),太阳能面板的功率与输出电流IOUT的变化趋势相同。所提MPPT技术首先测量IOUT,然后改变升降压型转换器的D值(升高)。如果IOUT同样升高,则MPPT电路将D变化的方向保持不变(升高);否则,MPPT电路将朝相反方向改变D(降低)。

本文所提MPPT电路的电路设计如图7所示。通过一个小型电阻器Rsense读出IOUT,因此IOUT可以表示为Vsense,并将其放大至进行精确处理是第一个微分器的输入,该微分器由Opamp1、R1R2C1C2组成。微分器的输出表示着的变化趋势:当升高时CTsense较低,当降低时CTsense较高。第二个微分器由Opamp2、R5R6C3C4组成,用于检测VD(CTD)的变化趋势。VD表示C6电压,将其与一个100 KHz的时钟生成的三角波R7C5进行比较。比较结果将被作为MPPT电路的最终输出,即用于驱动升降压型转换器的PWM信号。因为VD与PWM信号的工作周期数值成正比,所以VD的变化趋势CTD代表着工作周期的变化趋势。


图7 基于输出的MPPT技术的电路设计

3 实验结果

本文所提带太阳能采集器的可穿戴传感器节点的完整设置如图8所示。其中,图8(a)是可穿戴节点的正面,即柔性太阳能面板。背面由传感器节点电路和BLE模块组成,如图8(b)所示。实验中,受测目标佩戴了两个可穿戴传感器节点。节点1置于腕部以监测心跳和手腕温度,节点2则置于胸部以进行体温监测和跌倒检测,如图8(c)所示。从两个可穿戴传感器节点中采集到的数据被发送到智能手机中,以供受测目标进行监护。


图8 带太阳能采集的可穿戴传感器节点

3.1 柔性太阳能采集器的性能

本文采用一块柔性太阳能面板,制造并测试了使用基于输出的MPPT技术的太阳能采集器。图9给出了使用带MPPT电路的太阳能采集器,以5.4 V额定电压对一个12.5 F的超级电容器充电的实验结果。在阳光直射和人工应用条件下,当太阳能面板分别运行在3 V和2.5 V附近时,可对超级电容器的充电,这证明了所提MPPT电路能够在不同环境条件下,控制太阳能面板围绕其MPP运行。


图9 使用输出型MPPT电路的太阳能采集器实验结果

表1给出了太阳能采集器在不同条件下的充电性能。串联的超级电容器的额定电压为5.4 V,电压调节器的最低输入为2.4 V,表1给出的充电时间是指利用所提太阳能采集器从2.4 V至5.4 V对超级电容器充电所需的时长。从表1实验结果中可知,太阳能采集器在晴朗、部分多云和多云的气候条件下,从2.4 V至5.4 V,完成对一个12.5 F超级电容器的充电所需的时间分别为30、60和120分钟。

表1 超级电容器充电性能(从2.4~5.4 V)


3.2 输出型MPPT的跟踪结果

IOUT和D的变化趋势分别表示为CTsenseCTD,用于跟踪太阳能面板的MPP。跟踪仿真结果如图10所示。CTsense为多路复用器的控制信号输入,CTD及其逆值为多路复用器的输入。D触发器的输入为多路复用器的输出,D触发器的输出,Next D,用于对C6进行充放电,这会改变PWM信号的工作周期。当IOUT上升时,CTsense较低,由此D触发器(Next D)的输出将不会变化。工作周期的变化将被保持在同一个方向(上升或下降)。当IOUT下降时,CTsense会变高。那么多路复用器会向D触发器输出工作周期的变化趋势的逆值,由此D触发器将改变器输出Next D。其后,工作周期将向相反方向变化以跟踪太阳能面板的MPP。继续这一跟踪过程,以控制太阳能面板围绕其MPP附近运行。这些结果与2.2节的描述基本一致。


图10 输出型MPPT的跟踪仿真结果

3.3 能耗

在可穿戴设备应用中,低功耗是至关重要的,用以维持设备的长期运行。为延长所提可穿戴传感器节点的工作寿命,在不需要进行测量时可以将其设为休眠模数以节约能量。表2给出了传感器节点在“唤醒-睡眠”模式的具体电流消耗均值。

表2 传感器节点在不同运行阶段的电流消耗均值


实验中,设定可穿戴传感器节点每隔10 min测量受试目标的数据,其中活动模式和睡眠模式的时长分别为14.5 s和584.5 s。在实验配置下,Eactive为667.8 mJ,Esleep为385.8 mJ,因此可穿戴传感器节点在一个十分钟的周期内的平均能耗为1 053.6 mJ。该运行模式下对应的能量消耗Pnode为1.76 mW(1 053.6/600)。

3.4 持续24 h工作状况

为进一步延长可穿戴传感器节点的工作寿命,甚至支持自主式24 h工作,本文利用太阳能采集器对传感器节点供电。超级电容器理论上可以为可穿戴节点供电17 h(102/6),足以维持整个夜间运转。图11给出了超级电容器在24 h持续运行中的电压。实验在晴朗天气下进行,实验当天(2018/4/4)的日出和日落时间分别为06∶30 am和18∶00 pm。传感器节点的最长工作时间达到了15 h(从17∶00 pm至第二天的08∶00)。结果表明,在受测目标在早晨和下午分别在户外停留30~60 min对超级电容器充电的情况下,所提可穿戴传感器节点能够自主运行24 h。


图11 可穿戴传感器节点的24 h持续运行中的电压

3.5 与其他方法的比较

表3列举了一些带能量采集的可穿戴传感器的应用情况,可以看出本文方法的总体能耗最低,只有1.76 mW。从用户接口看,本文用户端采用智能手机,更符合现在用户需求,只有文献[9]采用智能手机;所比较的方法中大多使用柔性太阳能面板,但本文的尺寸更小,虽然文献[8]的能源尺寸最小,但使用RF、绕线电感,较为落后。本文的另一个亮点是使用输出型MPPT技术,延长了可穿戴传感器节点的工作寿命。总体来说,本文设计较为灵活,功能较多。在一定条件下,传感器节点可以实现24 h持续运行。

表3 带能量采集可穿戴传感器的应用情况


4 结论

1) 本文提出了一个带太阳能采集器的可穿戴传感器节点实现方法,用以支持IoT连接应用的自主WBAN。所提可穿戴传感器节点可被放置于人体不同部位以测量各种体征信号,例如:温度分布和心跳等,还可以利用节点上的加速度计进行跌倒检测并发送紧急通知。

2) 本文设计了一个基于Web的智能手机应用程序,用以显示传感器节点数据并发送紧急通知。通过基于输出的MPPT技术的太阳能采集器延长可穿戴传感器节点的工作寿命。

3) 所提可穿戴太阳能节点在太阳能采集器的供电支持下运转良好。当传感器节点被设为10 min“唤醒-睡眠”模式时,传感器节点可以实现24 h持续运行。

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