董澤宇,沙東勇,凌小峰

(1.華東理工大學信息科學與工程學院,上海 200237;2.華東理工大學材料科學與工程學院,上海 200237)

0 引言

智能可穿戴設備因其交互性、多樣性和廣泛的應用場景成為近年來持續(xù)的研究熱點[1-2]。在各類可穿戴設備中,智能手套以其靈活性和實用性在手勢識別[3]、觸覺反饋[4]和健康監(jiān)測[5]等領域獲得了廣泛的應用,其中具有手勢識別功能的智能手套是目前的熱點研究方向之一。

Yu等[6]提出了一種基于數(shù)據(jù)手套的手語手勢識別系統(tǒng),整體架構由MCU、彎曲傳感器等組成。Pan等[7]提出了一種混合柔性可穿戴系統(tǒng),由簡單的雙峰電容傳感器和定制低功耗接口電路組成。上述系統(tǒng)均能夠完成手語手勢的識別,但是上述智能手套都完全依賴外部電源供電,不僅使用不方便,而且對有些場合還存在安全隱患。

自供能技術能夠為這一問題提供解決思路[8-9]。Chiu等[10]提出了一種附著在手背上的自供能手勢感測系統(tǒng),該系統(tǒng)通過摩擦納米發(fā)電機的輸出信號來區(qū)分手勢,不過該系統(tǒng)雖然手勢是自供能產(chǎn)生,但手勢信號的采集仍需要外部電源供電。Gao等[11]提出了一種基于壓電傳感器陣列的自供電智能手套,該系統(tǒng)可以通過壓電輸出作為系統(tǒng)的能量源和傳感信號,但該系統(tǒng)用于信號采集和傳輸?shù)碾娫慈孕枰獠侩娫垂?/p>

上述自供能智能手套的一個共同的不足之處在于缺乏自供能的能源來維持數(shù)據(jù)采集和傳輸,要改善這一狀況,需要綜合的優(yōu)化設計。首先是能量來源,可穿戴設備的自供能來源于人體活動產(chǎn)生的機械能到電能的轉換[12],有必要選擇能量收集效率更高的發(fā)電機組合形式。其次針對微能源收集的能量管理系統(tǒng)也是關鍵,能量管理系統(tǒng)需要在無外部電源的前提下向采集傳輸電路提供充足的能量。此外,傳感器及其采集傳輸電路的低功耗設計也是一個關鍵點。

針對現(xiàn)有自供能智能手套的不足,本文設計了一種無電池自供能的無線手勢識別智能手套。該系統(tǒng)首先在能量來源環(huán)節(jié)選用能量收集效率較高且重復性好的壓電發(fā)電機,安裝在運動幅度較大的手肘部位,并且通過雙壓電發(fā)電機的并聯(lián)實現(xiàn)更大容量的能量收集;進一步地,在能量管理環(huán)節(jié)通過前級整流儲能和后級轉移儲能級優(yōu)化設計提高儲存能量的利用效率和持久性;與此同時,在信號采集和傳輸環(huán)節(jié)選擇低功耗MCU處理器和藍牙傳輸協(xié)議,并進行低功耗的硬件和軟件設計。利用低功耗的器件和制作工藝組裝實現(xiàn)了完整的智能手套原型系統(tǒng),主要包含高效能量收集管理模塊、低功耗信號采集傳輸模塊、無源電阻式柔性傳感器組及配套軟件。實驗測試結果表明,系統(tǒng)的高效能量收集管理模塊可以達到43.405 μW的平均運動能量收集功率,低功耗的信號采集傳輸模塊配合無源電阻式手勢柔性傳感器,完成一輪60次手勢信號采集和傳輸消耗總能量為2 125.132 μJ,該系統(tǒng)能夠在無電池自供能的條件下完成對簡單手勢信息的無線傳輸。

1 系統(tǒng)設計

智能手套系統(tǒng)整體的設計示意圖如圖1所示,其中核心部分為能量收集管理和信號采集傳輸,核心部分的系統(tǒng)架構如圖2所示。

圖1 智能手套系統(tǒng)設計圖

對于高效能量收集管理模塊,進一步細分為前級整流儲能和后級轉移儲能2個子模塊。前級整流儲能即由整流電路和儲能電容構成,將壓電發(fā)電機產(chǎn)生的交流電壓經(jīng)過整流后直接存儲到電容中。僅使用前級整流儲能電路不能將前級電容中的能量充分釋放,供能效率較低,因此增加了后級轉移儲能,通過監(jiān)控前級電容的電壓變化來完成能量的轉移。

圖2 核心系統(tǒng)架構示意圖

低功耗信號采集傳輸模塊可以細分為3個子模塊,分別為傳感器信號采集、MCU信號處理和藍牙數(shù)據(jù)上傳。傳感器信號采集主要負責采集柔性傳感器的電信號;MCU信號處理將傳感器電信號變化進行處理,并通過MCU控制開關電路以實現(xiàn)低功耗優(yōu)化;藍牙數(shù)據(jù)上傳部分負責將采集到的傳感器的電信號通過藍牙模組上傳到上位機端,再由上位機端進行進一步的處理,以直觀的形式進行顯示。

2 軟硬件設計

2.1 硬件設計

自供能智能手套系統(tǒng)由能量收集管理模塊和信號采集傳輸模塊構成。前者包括整流電路、高壓能量收集電路和降壓DC-DC電路,后者包括五路信號采集前端電路、MCU控制電路和藍牙傳輸電路?？紤]到整體系統(tǒng)的靈活性和便攜性,將整流電路、高壓能量收集電路和降壓DC-DC電路設計到同一塊PCB上,作為能量收集管理模塊;將五路信號采集前端電路、MCU控制電路和藍牙傳輸電路設計到同一塊PCB上,作為信號采集傳輸模塊。2個模塊的電路設計框圖如圖3所示。

2.1.1 高效能量收集管理模塊設計

(a)能量收集管理模塊

(b)信號采集傳輸模塊

對于整流電路的選擇,本系統(tǒng)中采用商用器件MB10S,該器件具有高達1 kV的直流反向耐壓,正向壓降為930 mV,根據(jù)壓電發(fā)電機的特性,該全波整流器可以正常工作。在前級整流儲能電路中使用22 μF的電容負載,隨著能量的增加,電容的電壓隨之增大,進而會導致整流電路中二極管的導通角變小,進一步會導致每周期傳遞給負載的電能逐漸減少,能量收集的效率也會降低。產(chǎn)生這一情況的主要原因是壓電發(fā)電機本身可以視為容性器件,壓電發(fā)電機產(chǎn)生的部分能量會存儲在其內部電容中,如果想要將內部電容的能量釋放,需要將前級電容的電壓控制在一個較低值,以此提高能量收集效率。

因此在后級轉移儲能電路的設計中,首先需要保證電容本身的電能不會低于負載所需的最低能量。其次,當前級電容的電壓值高于某閾值時可以給后級電路供電,當前級電容的電壓值低于某閾值時不再讓前級電容放電,而是通過壓電發(fā)電機對前級電容充電,通過反復的充放電保證前級電容的電壓值在設置的閾值之間變化,從而提高前級儲能器件的工作效率。

對于前級電容的電壓監(jiān)測和后級轉移儲能電路的降壓處理,考慮使用低功耗DC-DC集成電路芯片LTC3331,該芯片集成了一個能量收集電路和一個由可充電電池供電的降壓升壓DC-DC。能量收集電路由全波橋式整流器和降壓DC-DC電路組成,該電路可以收集來自壓電等外部能量源的能量。在VIN端的電容即為整流電路后的前級儲能電容,LTC3331具有降壓欠壓鎖定(UVLO)的模塊,當VIN輸入的電壓高于UVLO上升的閾值時,后續(xù)的降壓轉換器啟用,將前級電容的電荷轉移到后級電容中,當VIN輸入的電壓低于UVLO下降的閾值時,后續(xù)的降壓轉換器被禁用。LTC3331通過芯片的UV0～UV3 4個引腳的高低電平連線設置降壓欠壓鎖定模塊的上升閾值和下降閾值。

對于LTC3331的電壓輸出設置,可以通過其外部引腳OUT0、OUT1、OUT2連接高低電平進行設置,為了保證后續(xù)信號采集電路正常工作,將LTC3331的輸出電壓設置為3.3 V,在LTC3331的輸出端外接470 μF電容保存前端整流電路轉移到后端的能量。當LTC3331內部的降壓轉換器將輸出電壓調節(jié)至規(guī)定值時,降壓轉換器進入低靜態(tài)電流休眠狀態(tài),該狀態(tài)通過休眠比較器監(jiān)測輸出電壓,在休眠過程中,輸出電流由后級儲能電容提供,當輸出電壓降低至規(guī)定值以下時,降壓調節(jié)器重新喚醒,循環(huán)工作。為了實現(xiàn)對后端信號采集模塊的電源供給自控功能,采用PMOS管與NMOS管的組合和LTC3331的輸出引腳PGVOUT實現(xiàn)后端電路的開關自控功能。當LTC3331第1次進入睡眠狀態(tài)時,PGVOUT會輸出高電平,表明輸出電壓VOUT已經(jīng)到達規(guī)定值;當VOUT降低到規(guī)定值的92%時,PGVOUT會輸出低電平。因此通過PGVOUT的高低電平變換控制MOS管的開關,以此作為后端電路電源的開關。LTC3331的輸出電壓存儲到后級電容中,后級電容的電壓認為是該模塊對外的電壓,因此當后級電容的電壓達到3.3 V后可實現(xiàn)后端開關的開啟,當后級電容的電壓低于3.3 V的92%時會關閉后端開關,以此實現(xiàn)后端電路的電源管理功能。整體設計的能量收集管理模塊的PCB布局和實物電路如圖4所示。

(a)PCB布局圖

(b)實物電路圖

2.1.2 低功耗信號采集傳輸模塊設計

2.1.2.1 信號采集傳輸模塊電路結構設計

信號采集傳輸模塊主要完成信號前端調理、信號采集、信號處理、信號上傳的功能。

信號前端調理需要對柔性傳感器的電信號進行調理以滿足單片機的ADC輸入電壓的限制,前端調理的結構如圖5(a)所示。針對柔性阻性傳感器,測量其電阻時需要對其進行供電,考慮到整體電路的低功耗管理,使用單片機的接口和MOS管電路控制對傳感器的供電。

信號采集和信號處理考慮使用超低功耗單片機STM32L4系列完成。STM32L4系列單片機具有一個12 bit的ADC,利用該ADC的快速采樣依次對5路信號輸入進行采樣,使用5路通用IO作為信號輸入,順序采樣5路輸入得到5路傳感器端的電壓數(shù)據(jù),在單片機的程序邏輯中,對5路電壓數(shù)據(jù)進行初步處理和組合,將其作為一幀完整的數(shù)據(jù)進行處理。

信號上傳部分使用EFR32BG22藍牙模組,該模組通過通用串口與單片機的串口接口連接,連接結構示意圖如圖5(b)所示。該模塊通過能量收集管理模塊提供電壓。為了保證整體電路的低功耗設計,藍牙模組僅需要在上傳數(shù)據(jù)的時刻開啟,設計中采用單片機的接口和MOS管電路對藍牙模組的開關進行控制。

(a)前端調理電路結構

(b)MCU與藍牙模組連接示意圖

整體設計的信號采集傳輸模塊的PCB布局圖和實物電路圖如圖6所示。

2.1.2.2 信號采集傳輸模塊理論功耗分析

信息采集傳輸模塊整體采用3.3 V進行供電,根據(jù)STM32L431KB芯片手冊,正常工作狀態(tài)下,當其工作主頻低于26 MHz時,其正常電流消耗為84 μA/MHz,因此在4 MHz的系統(tǒng)時鐘下的工作電流為336 μA,而在不同低功耗模式下,理論的工作電流分別如表1所示。

表1 STM32L431KB不同低功耗模式下的理論工作電流

(a)PCB布局圖

(b)實物電路圖

根據(jù)藍牙模組的芯片手冊,在該藍牙模組廣播周期為200 ms時,其平均電流為55.84 μA,在該藍牙模組產(chǎn)生連接事件且周期為30 ms時,其平均電流為90.58 μA。在單片機的程序中,將單次數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)闹芷谠O置為1 s,其中啟動的時間為T1,大小為50 ms,期間消耗的功率為1 108.8 μW;進行ADC采樣的時間為T2到T3,大小為0.1 ms,期間的功耗為Q2即1 108.8 μW;藍牙模組連接的時間為T3到T4,大小為30 ms,期間的功耗為Q4即1 407.714 μW;廣播的時間為T4到T5,大小為60 ms,期間的功耗為Q3即1 293.072 μW;周期內的其他時間單片機進入低功耗stop2模式,期間功耗大小為Q1即4.224 μW。因此由已知參數(shù)得到的不同時間段的電能消耗理論分析如圖7所示。

2.2 軟件設計

軟件部分的設計使用Keil5進行代碼編寫和調試。軟件部分的流程圖如圖8所示。初始化流程包括對STM32L431KB芯片的IO口的初始化、時鐘的初始化、ADC的初始化和串口的初始化。低功耗模式目前使用定時器來對其進行喚醒。ADC采樣過程則是對5路輸入信號進行順序采樣,ADC的采樣時鐘為100 kHz。采集到對應5路的數(shù)據(jù)后,將其封裝成數(shù)據(jù)包,通過MCU的IO口控制藍牙的開啟和關閉,將收集到的數(shù)據(jù)通過藍牙無線傳輸?shù)缴衔粰C中,以此完成單次數(shù)據(jù)的完整傳輸流程。

圖7 已知參數(shù)得到的不同時間段電能消耗圖

圖8 軟件設計流程圖

3 自供能智能手套測試

3.1 能量收集管理模塊測試

實驗中使用壓電片作為能量收集管理模塊的能量來源,使用MARK-10壓力計作為施壓的裝置,施壓的實物示意圖如圖9(a)所示。該壓力計可以調節(jié)施壓的大小、速率以及周期數(shù),壓力單位為N,施壓速率的單位為mm/min,施壓的周期表示對壓電發(fā)電機從施加壓力到釋放壓力的一個周期。為對比串聯(lián)和并聯(lián)壓電片對應能量收集管理模塊的輸出情況,將施壓速率、施壓壓力、施壓周期分別設為1 100 mm/min、10 N和40 cycles,使用示波器記錄能量收集管理模塊的輸出電壓,使用數(shù)字萬用表DM3068測量連接到示波器回路中電流的變化。串聯(lián)結構對應的模塊輸出電壓和電流分別如圖9(b)、圖9(c)所示,并聯(lián)結構對應的模塊輸出電壓和電流分別如圖9(d)、圖9(e)所示。

圖9 能量收集管理模塊輸出

可以得知并聯(lián)結構對應能量收集管理模塊的輸出電壓明顯高于串聯(lián)結構對應的模塊輸出電壓,在相同施壓條件下,并聯(lián)后的壓電發(fā)電機能夠給能量收集管理模塊帶來更高的輸出功率?？紤]其原因是串聯(lián)后的結構具有更大的等效阻抗和更小的輸出電流。因此在實際應用場景中,使用并聯(lián)后的壓電發(fā)電機來作為能量收集管理模塊的能量來源。

3.2 信號采集傳輸模塊實際功耗分析

在完成對整體信息采集傳輸模塊的理論功耗分析后,對單次數(shù)據(jù)采集傳輸流程中的不同運行狀態(tài)進行實際功耗測試。根據(jù)軟件的運行流程,實際功耗測試可以分為單片機初始化前、初始化后待機狀態(tài)、進入低功耗模式(分別進入shutdown模式、standby模式、stop1模式、stop2模式)、正常工作開啟ADC、藍牙連接狀態(tài)以及藍牙廣播狀態(tài)6個階段。為了保證數(shù)據(jù)的準確性,使用DP821A直流電源作為信號采集傳輸模塊的電源供應,使用DM3068數(shù)字萬用表測量回路中的電流變化,得到不同階段的電壓、電流以及對應的功率值,如表2所示。

在周期為1 s的單次數(shù)據(jù)采集傳輸過程中,根據(jù)實際測到的功率,可以得到不同時間段的電能消耗分析,如圖10所示。其中時間節(jié)點與圖7所示一致,Q1為工作在stop2模式的功率,Q2為工作在初始化后待機的功率,Q3為工作在開啟ADC的功率,Q5為工作在藍牙開啟時的功率,Q4為工作在藍牙廣播時的功率。

表2 信號采集傳輸模塊不同階段電氣特性

圖10 不同時間段實際電能消耗圖

通過理論功耗和實際功耗的對比可知,實際消耗的功率大于理論消耗的功率,其原因在于在電路設計中,除了主要使用的單片機和藍牙模組以外,還存在其他消耗電量的電容、電阻和MOS管開關電路。由圖10可知,藍牙連接和傳輸過程會消耗較多能量,實際使用中考慮減少藍牙傳輸次數(shù),將數(shù)據(jù)進行累積再統(tǒng)一傳輸,進一步降低整體功耗,以支持低采樣間隔的手勢識別應用。

3.3 整體安裝與測試

在完成上述實驗后,對整體系統(tǒng)進行測試,將并聯(lián)的2個壓電發(fā)電機固定在手肘位置,通過手肘的屈伸運動產(chǎn)生壓電發(fā)電機的形變,然后將能量收集管理模塊固定在前手臂處,能量收集管理模塊與壓電發(fā)電機之間通過線纜連接;將信號采集傳輸模塊固定在手背的位置,該模塊的電源輸入與能量收集管理模塊的電源輸出通過線纜連接,實物連接結構如圖11(a)所示,以固定速度進行手肘的屈伸,使用示波器觀察后級電容端的電壓變化,使用數(shù)字萬用表DM3068觀察信號采集傳輸模塊電源輸入端的電流變化,得到的結果如圖11(b)和圖11(c)所示。

圖11 系統(tǒng)測試輸出

根據(jù)上述實驗結果可知,經(jīng)過手臂的反復屈伸運動,能量收集管理模塊在60 s內將470 μF的后級儲能電容充電至3.329 V,達到其規(guī)定電壓值,可根據(jù)式(1)計算得到整個過程中后級電容得到的能量為2 604.327 μJ,對應后級電容的充電平均功率為43.405 μW。

(1)

式中:W為電容的電能,J;C為電容,F;U為電容電壓,V;P為功率,W;t為做功時間,s。

根據(jù)圖11(c)所示的電流變化曲線可知,隨著后級儲能電容電壓的不斷增大,能量收集管理模塊到信號采集傳輸模塊的輸出電流也在不斷增大,對應的輸出功率也在不斷增大。根據(jù)測到的信號采集傳輸模塊的實際功耗情況,在信號采集傳輸模塊的軟件程序中,首先單片機啟動需要50 ms,之后進入低功耗stop2模式,之后進行0.1 ms的ADC采樣,然后循環(huán)進入低功耗模式和ADC采樣,在完成60次數(shù)據(jù)采樣后,將60次的采樣數(shù)據(jù)通過藍牙進行發(fā)送,總共耗時為60 s,消耗總能量為2 125.132 μJ,平均功率為35.419 μW,因此能量收集管理模塊收集到的能量能夠支撐信號采集傳輸模塊完成60 s的數(shù)據(jù)采集傳輸流程。為了保證數(shù)據(jù)采集的完整性,在將后級儲能電容充至固定電壓后,仍保持對壓電發(fā)電機的持續(xù)施壓,以提供后級電路穩(wěn)定的電壓輸出,對5根手指關節(jié)處安裝的五路柔性傳感器的信號進行采集,并將數(shù)據(jù)傳輸至計算機端的上位機進行顯示,手指手勢圖和對應的傳感器變化如圖12所示。在圖12(a)中,大拇指、無名指和小拇指進行彎曲,其他2根手指保持直立,可以得到圖12(b)所示的曲線變化;在圖12(c)中,5根手指均進行彎曲,可以得到圖12(d)所示的曲線變化。通過5根手指對應5路柔性傳感器不同的阻值變化,可以完成對不同手勢的區(qū)分。

圖12 不同手勢對應的柔性傳感器電阻變化示意圖

4 結論

本文提出并實現(xiàn)了一種基于壓電發(fā)電機的無外部電源的、可自供能的智能手套系統(tǒng)。該系統(tǒng)與其他現(xiàn)有的智能手套相比,在能量供應的方面做出了改進,以人體運動過程中產(chǎn)生的機械能作為能量來源,設計了相應的能量收集管理模塊,安裝在手肘處的壓電發(fā)電機經(jīng)過施壓60 s后,能夠將470 μF的后級電容充電至規(guī)定的3.329 V電壓。在應用層面,對于智能手套的手勢識別應用,該系統(tǒng)使用柔性傳感器作為信號來源,采集信號傳輸?shù)接嬎銠C端上位機進行顯示,并成功進行了不同手勢的區(qū)分,相較傳統(tǒng)的手勢識別方式具備更好的靈活性、便攜性和可替換性,可以滿足對簡單手勢的區(qū)分。該系統(tǒng)的實現(xiàn)為無外部電池的可穿戴應用研究提供了實例參考,可用于手勢識別和健康監(jiān)測。