電池壽命是可穿戴系統(tǒng)在患者監(jiān)護(hù)中的主要挑戰(zhàn)。更換電池可能是一項耗時且昂貴的活動，并且在更換電池時存在丟失數(shù)據(jù)的風(fēng)險。

有許多不同的方法可以為健康監(jiān)測設(shè)備供電。手表過去曾使用太陽能，但顯示器設(shè)計需要無線鏈接回網(wǎng)關(guān)或移動電話，并為一系列傳感器供電，以測量心率和血壓等生命值。這對電源子系統(tǒng)提出了很高的要求，設(shè)計人員正在尋找創(chuàng)新的方法來應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。

使用感應(yīng)線圈的短距離無線充電正被用于提供無線充電。 AirFuel Alliance和Qi Consortium都制定了無線充電規(guī)范，盡管這些要求發(fā)射器和接收器線圈之間的距離在幾毫米之內(nèi)。這消除了對充電端口的需要，并且可以使醫(yī)療監(jiān)視器更緊湊和更容易使用?？梢詫@示器放置在充電板上，而不是微型USB充電連接器或?qū)Ｓ懈袷?，通常在一夜之間為電池重新充電。雖然這可以與睡覺時不一定佩戴的智能手表一起使用，但是需要盡可能長時間佩戴醫(yī)療監(jiān)視器以捕獲所需數(shù)據(jù)并在出現(xiàn)問題時觸發(fā)警報。

示例由Semtech開發(fā)的LinkCharge是一個完整的，獨立的基礎(chǔ)設(shè)施無線充電系統(tǒng)，可以安裝在幾乎任何非金屬表面下方，簡單方便地為患者監(jiān)護(hù)儀充電。 LinkCharge（圖1）采用15 W器件，符合雙模標(biāo)準(zhǔn)。該系統(tǒng)與AirFuel Alliance和Qi無線充電標(biāo)準(zhǔn)兼容，但可用于其他專有和更快速的充電設(shè)備?；A(chǔ)設(shè)施發(fā)射器模塊包含一個自定義控制器，用于管理Qi或AirFuel協(xié)議和充電功能?？梢孕薷奈⒖刂破鞯姆且资源鎯ζ髦械墓碳员銥樘囟ǖ目蛻魬?yīng)用程序添加用戶定義的功能，對于某些型號，可以隨著標(biāo)準(zhǔn)的變化和成熟而提升可升級性。

圖1：Semtech的LinkCharge無線充電器支持AirFuel和Qi協(xié)議。

MikroElektronika'sHexiwear（圖2）是一款用于無線監(jiān)控頻段的開源可穿戴開發(fā)套件。 Hexiwear與恩智浦半導(dǎo)體合作開發(fā)，并通過Kickstarter資助，主要針對需要低功耗系統(tǒng)的開發(fā)人員，該系統(tǒng)兼容智能手機和具有云連接功能的iOS應(yīng)用。它集成了光數(shù)字轉(zhuǎn)換器，數(shù)字濕度和溫度傳感器以及心率傳感器。它基于恩智浦的Kinetis K64x MCU，配備MC34671 600 mA，單節(jié)鋰離子/鋰聚合物電池充電器和190 mAh雙節(jié)鋰聚合物電池。 Kinetis KW4x收發(fā)器通過藍(lán)牙低功耗提供無線鏈路，開源代碼允許設(shè)計人員快速，輕松地開始開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)。

圖2：Hexiwear開源可穿戴式開發(fā)套件是醫(yī)療顯示器的起點。

然而，這凸顯了開發(fā)從RF獲取能量的監(jiān)測系統(tǒng)的挑戰(zhàn)。 Hexiwear平臺使用高速充電電源管理IC，從相對較高的電壓源快速為顯示器中的電池充電。無線充電系統(tǒng)幾乎完全相反，能夠處理非常低的電流和電壓。

例如，STMicroelectronics的STEVALISB038V1參考設(shè)計套件（圖3）使用無線電池充電器評估套件，專為超小型電池供電設(shè)備（如可穿戴顯示器和智能手表）而設(shè)計。

圖3：STMicroelectronics的無線充電參考設(shè)計套件可從11 mm接收器線圈提供1 W的功率。

該套件通過接收器側(cè)的11 mm線圈和發(fā)射器側(cè)的20 mm線圈支持1 W的無線功率傳輸。它還可以通過更寬的線圈或通過切換到發(fā)射器上的全橋配置來支持多達(dá)3 W的應(yīng)用。

對于醫(yī)療監(jiān)護(hù)儀，STWBC-WA變送器基于經(jīng)濟高效的半橋拓?fù)洌▓D4），具有軟件API的靈活性，可以控制LED和通用IO線路以及使用I2C和UART通信端口。

圖4：STMicroelectronics參考設(shè)計中STWBC-WA發(fā)送器的半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

展望未來，Dialog Semiconductor發(fā)布了與無線充電技術(shù)開發(fā)商Energous合作的第一批成果。兩家公司聯(lián)合開發(fā)了一種芯片，用于實現(xiàn)使用Energous的WattUp?技術(shù)的小型無線電源發(fā)射器系統(tǒng)。這是專有技術(shù)，盡管Energous是AirFuel Alliance的主要成員。射頻發(fā)射芯片最初的有限距離為幾毫米，但更高功率的發(fā)射器可以在最遠(yuǎn)5米的距離內(nèi)提供無線充電。

該芯片集成了ARM?Cortex?- M0 +處理器內(nèi)核具有射頻發(fā)射器和電源管理功能，可放入單個芯片，尺寸為7 mm x 7 mm。它還包括片上DC-DC轉(zhuǎn)換和軟件，可與Dialog'sSmartBond高度集成的低功耗藍(lán)牙低功耗（BLE）芯片無縫集成，例如用于健康監(jiān)視器的DA14681。這包括一個可以有效為多達(dá)三個外部設(shè)備供電的電源管理單元（PMU），以及一個片上充電器和電量計。

越來越流行的技術(shù)是使用RF能量，甚至捕獲作為無線鏈路的一部分發(fā)出的能量。高達(dá)90％的傳輸能量浪費在空中，公司正在尋找盡可能多地恢復(fù)能量的方法。

將天線放在健康監(jiān)視器上以捕獲附近移動電話的傳輸能量可以將電池壽命延長30％。然而，這需要采用信號處理的新收發(fā)器芯片設(shè)計，以最有效地利用本地天線的能量。

此天線和芯片也可用于遠(yuǎn)距離無線充電。來自2GHz信號的RF能量可以在4到6米的距離內(nèi)被引導(dǎo)到該單元，被天線捕獲，并且用于在沒有用戶干預(yù)的情況下對電池進(jìn)行再充電。這對于醫(yī)療監(jiān)控設(shè)備的設(shè)計人員來說是一個引人注目的能力。

此類系統(tǒng)將從2018年開始進(jìn)入市場，市場研究預(yù)測，到2020年，超過一半的系統(tǒng)將使用此類無線充電。作為其標(biāo)準(zhǔn)化過程的一部分，AirFuel聯(lián)盟正在將不同的能量收集技術(shù)結(jié)合在一起。

結(jié)論

可穿戴醫(yī)療監(jiān)護(hù)儀的無線充電是解決堵塞問題的理想方式。單元進(jìn)行充電，避免了許多丟失數(shù)據(jù)的問題。射頻能量捕獲是前進(jìn)的方向之一，現(xiàn)在可以使用無線充電線圈，這樣可以更輕松，更快速地重新充電。然而，確?？煽康臄?shù)據(jù)收集仍然存在挑戰(zhàn)，并且正在開發(fā)的自由空間無線系統(tǒng)將允許便攜式設(shè)備的長距離充電。這將極大地改變醫(yī)療監(jiān)視器和無線系統(tǒng)在未來幾年的供電方式。