王文琦 費(fèi)廷偉 王學(xué)勇 孔祥營(yíng)

（北京京航計(jì)算通訊研究所，北京 100074）

電子領(lǐng)域技術(shù)的迅猛發(fā)展，使越來(lái)越多的電子產(chǎn)品在運(yùn)行速度成倍提高的同時(shí)，產(chǎn)品功耗也在成倍降低。以第一代小米手環(huán)這樣的智能穿戴設(shè)備為例，在其正常運(yùn)行環(huán)境下，電池容量為41mA·h，可待機(jī)連續(xù)工作30天，平均計(jì)算下來(lái)，產(chǎn)品功耗只有約0.045mA。如果能夠把走路或運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化成電能并存儲(chǔ)起來(lái)，那么對(duì)于很多低功耗的智能穿戴設(shè)備都不需要再充電了，這里，人就變成了移動(dòng)充電器。

1 概述

1.1 智能穿戴設(shè)備現(xiàn)狀

智能穿戴設(shè)備是一種可以佩戴在身體或者穿在身上的，且具有傳感、通信、導(dǎo)航、監(jiān)測(cè)等功能的智能終端。在飛速發(fā)展的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)浪潮中，智能穿戴設(shè)備實(shí)現(xiàn)了人與機(jī)器更方便、更快捷、更流暢的數(shù)據(jù)交流，在設(shè)備功能日益完善的同時(shí)，其設(shè)備供能情況受到了整個(gè)領(lǐng)域越來(lái)越多的關(guān)注；而智能穿戴設(shè)備能量收集技術(shù)作為一種可持續(xù)的供能方式，是未來(lái)推動(dòng)智能穿戴設(shè)備快速發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。同時(shí)，智能穿戴設(shè)備能夠通過(guò)傳感器與人體進(jìn)行信息交互，使生活變得越來(lái)越智能化及便捷化。盡管與智能穿戴設(shè)備有關(guān)的相關(guān)技術(shù)已相對(duì)成熟，但在很多方面還有待完善，主要包括：

（1）不能保證數(shù)據(jù)采集的精確度。例如，對(duì)于號(hào)稱(chēng)能夠計(jì)算每日運(yùn)動(dòng)步數(shù)的設(shè)備，只需要振動(dòng)手臂，就可以輕易“欺騙”系統(tǒng)；無(wú)創(chuàng)的血糖、血壓數(shù)據(jù)的采集設(shè)備，其準(zhǔn)確性也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如傳統(tǒng)的人工測(cè)量。

（2）功能不具有足夠的顛覆性和擴(kuò)展性。同智能手機(jī)相比，軟件功能不具有吸引力，因?yàn)楹芏嗍謾C(jī)應(yīng)用軟件如微信運(yùn)動(dòng)、智能體重管理等，基本可以取代類(lèi)似的穿戴設(shè)備。

（3）用戶(hù)和設(shè)備之間的交流反饋機(jī)制不夠完善。相關(guān)調(diào)查表明，51.1%的使用者認(rèn)為，智能穿戴沒(méi)有給自身生活帶來(lái)任何科技變化；唯一的變化只是通過(guò)佩戴設(shè)備，產(chǎn)生了更多的用戶(hù)使用數(shù)據(jù)；而超過(guò)20%的使用者甚至?xí)型痉艞壥褂弥悄艽┐髟O(shè)備。這也說(shuō)明智能穿戴設(shè)備采集用戶(hù)信息后，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)專(zhuān)業(yè)的數(shù)據(jù)匹配、數(shù)據(jù)分析及數(shù)據(jù)可視化。

（4）設(shè)備的功耗及續(xù)航能力并不理想。目前，智能穿戴產(chǎn)品的設(shè)備性能、設(shè)備功耗和設(shè)備電池，在一定程度上限制了智能穿戴產(chǎn)品的發(fā)展。例如，智能穿戴設(shè)備功能的極大豐富，導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行功耗的急劇增加，傳統(tǒng)的電池難以滿(mǎn)足其發(fā)展需要，而僅通過(guò)增加電池的體積及質(zhì)量來(lái)提高電池容量的方式，并不能很好地解決這個(gè)問(wèn)題?？紤]到電池與智能穿戴設(shè)備便攜性、舒適性的匹配，需要設(shè)備電池體積相對(duì)更小，續(xù)航時(shí)間相對(duì)更長(zhǎng)。因此，在設(shè)備電池容量、設(shè)備功耗、設(shè)備功能這三者之間，需要進(jìn)一步進(jìn)行技術(shù)革新和升級(jí)迭代。滿(mǎn)足智能穿戴設(shè)備運(yùn)行所需能量的續(xù)航能力，已經(jīng)成為了智能穿戴設(shè)備是否能夠進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵性因素。

（5）設(shè)備信息的安全性沒(méi)有保障。有關(guān)穿戴設(shè)備的研究表明，大部分智能穿戴設(shè)備采用開(kāi)放式操作系統(tǒng)，與外部的通信連接多采用無(wú)線(xiàn)方式，設(shè)備信息可能存在內(nèi)部漏洞和外部攻擊等諸多安全風(fēng)險(xiǎn)因素。

1.2 智能穿戴設(shè)備發(fā)展趨勢(shì)

從智能手環(huán)、智能眼鏡到智能鞋子、智能服飾，根據(jù)不同的產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念，可以將智能穿戴設(shè)備分為兩大類(lèi)。一類(lèi)是自我量化型，如運(yùn)動(dòng)健身領(lǐng)域使用的手表、手環(huán)，醫(yī)療保健領(lǐng)域使用的腰帶、醫(yī)療背心，這些設(shè)備通過(guò)對(duì)用戶(hù)相關(guān)數(shù)據(jù)的采集，為用戶(hù)有關(guān)運(yùn)動(dòng)、醫(yī)療等事項(xiàng)提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)支撐；另一類(lèi)是體外進(jìn)化型，如智能眼鏡、智能手表等，這類(lèi)設(shè)備促進(jìn)了用戶(hù)間更好的溝通，具有更隨意的娛樂(lè)性（不受時(shí)間、地點(diǎn)的限制），同時(shí)提升了用戶(hù)的信息感知能力和信息處理能力。不論是自我量化型智能設(shè)備，還是體外進(jìn)化型智能設(shè)備，均被廣泛地應(yīng)用于收集、記錄、監(jiān)測(cè)用戶(hù)的運(yùn)動(dòng)健身情況和生理健康指標(biāo)，并具有以下發(fā)展特點(diǎn)：

（1）以大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)、云存儲(chǔ)技術(shù)為基礎(chǔ)，以智能穿戴設(shè)備為前提，建立健康管理服務(wù)體系，集疾病預(yù)防、體征監(jiān)測(cè)、緊急呼救等功能為一體，結(jié)合大數(shù)據(jù)的管理與應(yīng)用技術(shù)，充分發(fā)揮智能穿戴設(shè)備的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)智能穿戴設(shè)備發(fā)現(xiàn)人體的健康問(wèn)題后，根據(jù)患者的需求，可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行智能掛號(hào)、醫(yī)藥費(fèi)用收繳等工作，同時(shí)進(jìn)一步加強(qiáng)與醫(yī)院在網(wǎng)絡(luò)化、智能化服務(wù)方面的合作力度，為人們提供更加優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

（2）保證監(jiān)控、測(cè)量的準(zhǔn)確性。設(shè)備的精確性受控于軟件與硬件兩個(gè)方面：軟件方面，需要優(yōu)化開(kāi)發(fā)代碼和設(shè)計(jì)相應(yīng)算法；硬件方面，需要增強(qiáng)設(shè)備內(nèi)置傳感器對(duì)動(dòng)作監(jiān)測(cè)的靈敏性和準(zhǔn)確性。同時(shí)，需要提高穿戴設(shè)備的軟件和硬件的舒適性，按照人體工學(xué)相關(guān)理論，將穿戴設(shè)備的軟件和硬件按照人體形狀，設(shè)計(jì)成為一個(gè)整體，這也更有利于提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確度。

（3）解決智能設(shè)備續(xù)航問(wèn)題。智能穿戴設(shè)備正常運(yùn)行所需的能量，來(lái)源于收集到的各類(lèi)可持續(xù)、環(huán)保的能量，可以將太陽(yáng)能、振動(dòng)能量、熱能等轉(zhuǎn)化成電能并將其存儲(chǔ)起來(lái)，從而為智能設(shè)備的正常運(yùn)行提供可持續(xù)的電能。

總之，未來(lái)的智能穿戴設(shè)備，不僅要保證精確的數(shù)據(jù)測(cè)量、舒適的設(shè)備體驗(yàn)，還要實(shí)現(xiàn)智能設(shè)備穿戴的可持續(xù)性和完善的配套服務(wù)，讓智能穿戴設(shè)備成為必不可少的日用品。

2 面向智能穿戴設(shè)備的能量收集技術(shù)分析

2.1 能量收集技術(shù)的定義

能量收集（Energy Harvesting）是一種將環(huán)境周?chē)植际侥芰窟M(jìn)行收集并轉(zhuǎn)換成可使用電能的技術(shù)?？墒占姆植际侥芰坑泻芏喾N形式，如太陽(yáng)能、熱能、風(fēng)能、振動(dòng)能和磁場(chǎng)能等，隨著無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)的推廣普及和迅猛發(fā)展，能量收集技術(shù)作為一種可持續(xù)的、綠色環(huán)保的供電方式，受到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注。

2.2 能量收集的技術(shù)方法

目前，很多能量收集的技術(shù)方法可用于收集光能、熱能等分布式能量，且收集到的能量主要應(yīng)用于藍(lán)牙手持設(shè)備、智能手表、植入體內(nèi)的醫(yī)療設(shè)備、無(wú)線(xiàn)傳感器等。現(xiàn)已有文獻(xiàn)對(duì)智能穿戴設(shè)備的能量收集技術(shù)進(jìn)行了概要的分類(lèi)介紹，見(jiàn)表1。下面就這幾種可收集的能源進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明。

2.2.1 光能

由表1可知，光能在戶(hù)外的分布功率密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于戶(hù)內(nèi)，導(dǎo)致戶(hù)外光能的可收集功率密度也遠(yuǎn)大于戶(hù)內(nèi)光能。因此得出光能采集較其他能源采集具有如下優(yōu)勢(shì)：容易采集、采集的能量多。例如，光能采集最具代表性的光伏電池板（硅半導(dǎo)體制作），每平方厘米的電池板可將采集到的光能進(jìn)行轉(zhuǎn)化并產(chǎn)生數(shù)十毫瓦的電能；但與此同時(shí)，光能采集的局限性也非常明顯，其收集能量的強(qiáng)度往往受到時(shí)間、天氣等諸多外界條件的影響，在夜晚或者陰天等太陽(yáng)光照不足的情況下，收集到的光能特別少，這將導(dǎo)致光能收集具有不可控性和不可持續(xù)性。因此，在進(jìn)行光能采集時(shí)，往往需要使用高能量密度的存儲(chǔ)元件，其能夠?qū)⒉杉降亩嘤喙饽軆?chǔ)存起來(lái)，以用于外界條件較差、晝短夜長(zhǎng)時(shí)的能量供給。

2.2.2 振動(dòng)能

由表1可知，工業(yè)振動(dòng)能與人體振動(dòng)能的分布功率密度和可收集功率密度相差懸殊。一般情況下通過(guò)振動(dòng)收集到的能量，可以通過(guò)以下3種方式進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換：壓電轉(zhuǎn)換、靜電轉(zhuǎn)換和磁電轉(zhuǎn)換。其中，靜電轉(zhuǎn)換方式可以通過(guò)靜電感應(yīng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能；壓電轉(zhuǎn)換方式在進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換時(shí)，需要形成初始電壓差，才能進(jìn)行設(shè)備供電的能量轉(zhuǎn)換；磁電轉(zhuǎn)換方式通過(guò)振動(dòng)使導(dǎo)體切割磁感線(xiàn)產(chǎn)生能量。對(duì)于磁電轉(zhuǎn)換方式，雖然電磁式能量收集器可以制作成晶片級(jí)的尺寸，便于設(shè)備集成，但是，由于電磁式能量收集器需要限制線(xiàn)圈匝數(shù)，也就難以收集到足夠的用于支撐設(shè)備使用的電能量。通過(guò)對(duì)比上述3種轉(zhuǎn)換方式的優(yōu)劣勢(shì)可以發(fā)現(xiàn)，根據(jù)智能穿戴設(shè)備尺寸小、對(duì)振動(dòng)頻率要求低的特點(diǎn)，相比壓電轉(zhuǎn)化和磁電轉(zhuǎn)化這兩種方式，靜電轉(zhuǎn)換方式更適用于人體運(yùn)動(dòng)能量的收集。

2.2.3 熱能

熱能轉(zhuǎn)化是基于熱電材料的賽貝克效應(yīng)，通過(guò)熱電發(fā)生器，將熱能轉(zhuǎn)化為電能?？纱┐髟O(shè)備中的熱電發(fā)生器，通過(guò)人體體表溫度和外部環(huán)境存在的溫度差進(jìn)行能量的收集。眾所周知，人體體表溫度較外部環(huán)境溫度來(lái)說(shuō)，溫差并沒(méi)有那么大，而輸出電壓較小，將不足以支撐智能穿戴設(shè)備的正常使用；如果加入一個(gè)觸發(fā)電路，就能夠?yàn)椴糠值凸目纱┐髟O(shè)備供能。

2.2.4 射頻能

射頻能收集的能量不僅來(lái)源手機(jī)，還來(lái)源于移動(dòng)電話(huà)基站、電視、電臺(tái)信號(hào)發(fā)射基站、WiFi等，但目前這種方式可收集到的能量很少，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他能量收集方式。隨著射頻能量發(fā)射器用戶(hù)的增加，平均收集到的能量也逐步增多，通過(guò)使用最大功率點(diǎn)追蹤的方法，并通過(guò)提高能量的轉(zhuǎn)換效率，可逐步實(shí)現(xiàn)使用射頻能為智能穿戴設(shè)備持續(xù)供能。

2.3 關(guān)鍵性問(wèn)題分析

利用能量收集技術(shù)解決智能穿戴設(shè)備的供能問(wèn)題，受到了越來(lái)越多的關(guān)注和研究，就目前來(lái)說(shuō)，仍有一些關(guān)鍵性問(wèn)題需要進(jìn)一步探索。

2.3.1 需要與儲(chǔ)能技術(shù)相結(jié)合，提供能量補(bǔ)給

目前的能量收集及轉(zhuǎn)化技術(shù)，功率密度都還相對(duì)較低，尚不能做到采集的能量直接為智能穿戴設(shè)備進(jìn)行穩(wěn)定、持續(xù)的能量供給，因此，在這種情況下，就需要研究如何將能量收集、轉(zhuǎn)化技術(shù)與電池儲(chǔ)能技術(shù)相結(jié)合，并將收集到的能量有效儲(chǔ)存在電池中，為智能設(shè)備持續(xù)供電。

2.3.2 不能保證能量存儲(chǔ)設(shè)備的安全性

能量存儲(chǔ)設(shè)備作為目前智能穿戴設(shè)備必不可少的元件，如超級(jí)電容器，可用于存儲(chǔ)收集的能量，但其安全性尚未形成統(tǒng)一的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)能量存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行有效管理，并形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，仍然是各種能量存儲(chǔ)技術(shù)和能量收集技術(shù)需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

2.3.3 能量管理電路尚不通用

不同形式的能量收集技術(shù)對(duì)應(yīng)不同形式的能量輸出特性。針對(duì)不同形式的能量，在能量采集、能量轉(zhuǎn)化、能量存儲(chǔ)等方面，需要開(kāi)發(fā)相應(yīng)的能量管理電路，以實(shí)現(xiàn)能量收集、能量轉(zhuǎn)化、能量輸出的最大化。未來(lái)，為實(shí)現(xiàn)穿戴設(shè)備功能的最大化，需要實(shí)現(xiàn)在同一個(gè)智能穿戴設(shè)備中，可以完成多種形式的能量采集及轉(zhuǎn)換工作，實(shí)現(xiàn)穿戴設(shè)備真正的智能化、持久化。

2.4 關(guān)鍵性問(wèn)題解決方案

智能穿戴設(shè)備的能量采集技術(shù)需要與儲(chǔ)能技術(shù)相結(jié)合，才能切實(shí)解決智能穿戴設(shè)備供能問(wèn)題：不僅需要提高電路的能量轉(zhuǎn)化效率，還要關(guān)注使用該能量采集技術(shù)后“平均收集”的可用于給電路供電的能量的多少。有關(guān)能量存儲(chǔ)設(shè)備的安全性問(wèn)題，需要市場(chǎng)對(duì)能量存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行有效管理，通過(guò)形成統(tǒng)一的業(yè)界規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，以確保能量存儲(chǔ)設(shè)備的高可用性。同時(shí)，有關(guān)能量管理電路方面，需要實(shí)現(xiàn)管理電路統(tǒng)一化，并能夠在同一個(gè)智能穿戴設(shè)備中使用，從而完成多種形式的能量采集及轉(zhuǎn)換工作，這也是未來(lái)智能穿戴設(shè)備能量收集技術(shù)的需要關(guān)注的發(fā)展方向。

3 應(yīng)用前景

具有能量收集能力的智能穿戴設(shè)備，在軍民兩用領(lǐng)域都具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

在軍事領(lǐng)域的智能穿戴設(shè)備，如GPS定位手環(huán)、監(jiān)測(cè)身體狀態(tài)的作戰(zhàn)衣等，能夠把士兵作戰(zhàn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的振動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能，從而為這些智能設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)提供所需的持續(xù)電能，為士兵全天候的持續(xù)作戰(zhàn)提供有力保障。

在民用領(lǐng)域，具有能量收集能力的智能設(shè)備是很多患者的福音。例如，心臟起搏器、治療帕金森癥的神經(jīng)刺激器、腦起搏器等植入患者體內(nèi)后，通過(guò)能量收集方式進(jìn)行自供電，從而避免了設(shè)備使用一段時(shí)間后，需要再次進(jìn)行開(kāi)胸、開(kāi)顱手術(shù)以更換植入體內(nèi)的電子設(shè)備的電池；其次，防止老人、兒童走失的智能定位穿戴設(shè)備，因?yàn)橹悄茉O(shè)備具有能量收集能力，所以，無(wú)需擔(dān)心設(shè)備的續(xù)航時(shí)間，也不再需要定時(shí)為設(shè)備充電等。

4 結(jié)束語(yǔ)

能量收集技術(shù)的迅猛發(fā)展，使智能穿戴設(shè)備的自我供能有望成為現(xiàn)實(shí)。通過(guò)上述幾種能量收集技術(shù)方法，可以做到穩(wěn)定、持續(xù)地為智能穿戴設(shè)備供能。此外，本文還分析列舉了目前能量收集技術(shù)在解決智能穿戴設(shè)備供能中存在的關(guān)鍵性問(wèn)題，以及問(wèn)題解決方案的設(shè)想。