摘 "要：基于法拉第電磁感應(yīng)定律和壓電效應(yīng)原理，該文設(shè)計(jì)一款自供電可穿戴設(shè)備。該設(shè)備包括設(shè)備主體和安裝于設(shè)備主體內(nèi)的供電裝置，供電裝置包括組合發(fā)電模塊、電路板、電池，組合發(fā)電模塊包含線(xiàn)圈、強(qiáng)磁體及若干組壓電陶瓷片，組合發(fā)電模塊通過(guò)強(qiáng)磁體來(lái)回穿過(guò)線(xiàn)圈產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)和強(qiáng)磁體撞擊壓電陶瓷片產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)實(shí)現(xiàn)發(fā)電，線(xiàn)圈和壓電陶瓷片均分別與電路板電連接，電路板、電池及設(shè)備主體依次電連接。該自供電可穿戴設(shè)備通過(guò)組合發(fā)電模塊能夠?qū)?dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，不僅發(fā)電快而且穿戴便捷，重要的是，這種可穿戴設(shè)備可以通過(guò)自供電系統(tǒng)節(jié)約能源。

關(guān)鍵詞：可穿戴設(shè)備；自供電；法拉第電磁感應(yīng)定律；壓電效應(yīng)；節(jié)約能源

中圖分類(lèi)號(hào)：TM619 " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " " " " "文章編號(hào)：2095-2945（2024）20-0039-04

Abstract： Based on Faraday's law of electromagnetic induction and the principle of piezoelectric effect， a self-powered wearable device is designed in this paper， which includes a main body of the equipment and a power supply device installed in the main body of the equipment， which includes a combined power generation module， a circuit board and a battery. The combined power generation module consists of coils， strong magnets and several groups of piezoelectric ceramic pieces. The combined power generation module generates electricity through the electromotive force generated by the strong magnet passing back and forth through the coil and the strong magnet striking the piezoelectric ceramic piece. The coil and the piezoelectric ceramic piece are electrically connected with the circuit board respectively. The circuit board， the battery and the main body of the equipment are electrically connected in turn. The self-powered wearable device can convert kinetic energy into electric energy through a combined power generation module， which is not only fast to generate electricity but also easy to wear. Importantly， this wearable device can save energy through the self-powered supply system.

Keywords： wearable device; self-powered supply; Faraday's law of electromagnetic induction; piezoelectric effect; energy saving

2022年3月17日，IDC發(fā)布《中國(guó)可穿戴設(shè)備市場(chǎng)季度跟蹤報(bào)告，2021年第四季度》報(bào)告顯示，2021年第四季度中國(guó)可穿戴設(shè)備市場(chǎng)出貨量為3 753萬(wàn)臺(tái)，同比增長(zhǎng)23.9%，2021年中國(guó)可穿戴市場(chǎng)出貨量近1.4億臺(tái)，同比增長(zhǎng)25.4%。預(yù)計(jì)2022年，中國(guó)可穿戴市場(chǎng)出貨量超過(guò)1.6億臺(tái)，同比增長(zhǎng)18.5%[1]。2020—2022年中國(guó)可穿戴設(shè)備主要產(chǎn)品出貨量如圖1所示。

在當(dāng)前智能化、大數(shù)據(jù)化的社會(huì)環(huán)境下，可穿戴設(shè)備得到了廣泛的應(yīng)用，但其續(xù)航能力瓶頸一直是限制其發(fā)展的主要因素。本文以解決可穿戴設(shè)備續(xù)航問(wèn)題為目標(biāo)，開(kāi)展高效自供電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究，有著非常重要的研究意義。

首先，可穿戴設(shè)備高效自供電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究能夠顯著提高設(shè)備電源的使用效率，延長(zhǎng)其續(xù)航時(shí)間。這可以顯著提高用戶(hù)體驗(yàn)，降低用戶(hù)對(duì)設(shè)備電量的擔(dān)憂(yōu)，可能使人們更愿意使用這些設(shè)備。

其次，可穿戴設(shè)備高效自供電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究的結(jié)果可以推動(dòng)可穿戴設(shè)備向更小巧、更智能化的方向發(fā)展。因?yàn)槿绻O(shè)備能有效解決能源供應(yīng)問(wèn)題，就可以更加專(zhuān)注于核心功能、體積小型化等方向的改進(jìn)。

再次，可穿戴設(shè)備高效自供電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究可能為更廣泛的領(lǐng)域提供技術(shù)支持。例如，自供電的概念如果能成功應(yīng)用在其他移動(dòng)設(shè)備（如無(wú)人機(jī)、機(jī)器人等）上，將有助于其實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的持續(xù)工作時(shí)間，或者在無(wú)電可以供應(yīng)的環(huán)境下工作。

最后，高效的自供電系統(tǒng)研究也是應(yīng)對(duì)能源危機(jī)，推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展的重要路徑。如果可穿戴設(shè)備能通過(guò)自我獲取能源，將減少對(duì)電網(wǎng)的依賴(lài)，有利于能源的節(jié)約和環(huán)保。

綜上所述，可穿戴設(shè)備的高效自供電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究具有重大的現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)的未來(lái)影響力。

1 "國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

可穿戴設(shè)備高效自供電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)是近年來(lái)熱門(mén)的研究方向。其主要研究的是如何使可穿戴設(shè)備通過(guò)環(huán)境能源（如太陽(yáng)能、熱能、機(jī)械能等）進(jìn)行自我充電，以實(shí)現(xiàn)真正的移動(dòng)無(wú)線(xiàn)充電。

在國(guó)際上，相關(guān)技術(shù)研究主要集中在能量收集[2-4]和能量轉(zhuǎn)換[5-8]2個(gè)方面。能量收集主要包括太陽(yáng)能、熱能、機(jī)械能等多種形式；能量轉(zhuǎn)換則主要實(shí)現(xiàn)將收集到的環(huán)境能源轉(zhuǎn)換為電能的過(guò)程。比如，美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）[9]的研究人員開(kāi)發(fā)了一種能利用人體熱能為電子設(shè)備充電的技術(shù)，另外，韓國(guó)科學(xué)技術(shù)研究院[10]研發(fā)的“能量收割器”可以通過(guò)人體運(yùn)動(dòng)來(lái)產(chǎn)生能量。

在國(guó)內(nèi)，也有諸多科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)在此領(lǐng)域進(jìn)行了大量研究。如中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所（簡(jiǎn)稱(chēng)“中科院蘇州納米所”）[11-12]的研究者利用皮膚表面溫度差，實(shí)現(xiàn)了熱電轉(zhuǎn)換進(jìn)行設(shè)備供電的設(shè)計(jì)。另外，哈爾濱工業(yè)大學(xué)[13]的研究人員開(kāi)發(fā)了一種基于人體動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的微型能量管理系統(tǒng)。

然而，目前這些技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中還存在許多問(wèn)題，例如，能量轉(zhuǎn)換效率低、設(shè)備體積大、成本高等[14-15]。為解決這些問(wèn)題，學(xué)術(shù)界正在努力探索輕薄、柔性、高效的新型能源獲取和存儲(chǔ)系統(tǒng)。相應(yīng)地，一些企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)正在致力于開(kāi)發(fā)集成化、微型化的能量收集系統(tǒng)，以期提高其在可穿戴設(shè)備中的適用性和便利性。

總的來(lái)說(shuō)，可穿戴設(shè)備高效自供電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)仍處于發(fā)展階段，盡管面臨許多挑戰(zhàn)，但隨著科技的進(jìn)步，其前景十分廣闊。

2 "自供電可穿戴設(shè)備組成及工作原理

本文設(shè)計(jì)了一種自供電可穿戴設(shè)備，如圖2—4所示，包括設(shè)備主體1和安裝于設(shè)備主體1內(nèi)的供電裝置2，供電裝置2包括組合發(fā)電模塊3、電路板4及電池5，組合發(fā)電模塊3和電池5均通過(guò)膠水固定連接于設(shè)備主體1上，組合發(fā)電模塊3包括線(xiàn)圈31、強(qiáng)磁體32及若干組壓電陶瓷片33，組合發(fā)電模塊3通過(guò)強(qiáng)磁體32往復(fù)穿過(guò)線(xiàn)圈31產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)和強(qiáng)磁體32撞擊壓電陶瓷片33產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)實(shí)現(xiàn)發(fā)電，線(xiàn)圈31和壓電陶瓷片33均分別與電路板4電連接，電路板4通過(guò)螺絲固定連接于設(shè)備主體1上，電路板4、電池5及設(shè)備主體1依次電連接。電池5采用型號(hào)為401215、容量為120 mAh的鋰電池。

如圖2所示，設(shè)備主體1的側(cè)面上設(shè)有標(biāo)準(zhǔn)USB 3.0的Type-A接口11，Type-A接口11用于電池5的外接充電。

如圖3、圖4所示，組合發(fā)電模塊3還包括上蓋34和下蓋35，上蓋34和下蓋35通過(guò)卡扣結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)連接，強(qiáng)磁體32和壓電陶瓷片33均位于由上蓋34和下蓋35連接形成的封閉空間內(nèi)，上蓋34和下蓋35的外側(cè)面上均開(kāi)設(shè)有凹槽，當(dāng)上蓋34和下蓋35拼合時(shí)，2個(gè)凹槽連通形成線(xiàn)圈槽36，線(xiàn)圈31位于線(xiàn)圈槽36內(nèi)，下蓋35上設(shè)有滑軌37，強(qiáng)磁體32滑動(dòng)連接于滑軌37上，強(qiáng)磁體32的滑動(dòng)軌跡與線(xiàn)圈31的中軸線(xiàn)處于同一直線(xiàn)上，每組壓電陶瓷片33由2個(gè)壓電陶瓷片33組成，2個(gè)壓電陶瓷片33分別位于強(qiáng)磁體32的滑動(dòng)軌跡的左右兩側(cè)，壓電陶瓷片33固定連接于下蓋35上。

如見(jiàn)圖4所示，強(qiáng)磁體32的運(yùn)動(dòng)軌跡的兩端均設(shè)有防撞塊38，防撞塊38固定連接于下蓋35上。

如圖5、圖6所示，電路板4包括電磁感應(yīng)式能量收集轉(zhuǎn)換模塊41和壓電式能量收集轉(zhuǎn)換模塊42，電磁感應(yīng)式能量收集轉(zhuǎn)換模塊41包括整流濾波電路43和穩(wěn)壓電路44，整流濾波電路43與線(xiàn)圈31電連接，整流濾波電路43和穩(wěn)壓電路44串聯(lián)，整流濾波電路43采用橋式整流電路，穩(wěn)壓電路44采用7802-1A芯片，壓電式能量收集轉(zhuǎn)換模塊42與壓電陶瓷片33電連接，壓電式能量收集轉(zhuǎn)換模塊42采用LTC3588-1模塊。

通過(guò)人體運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的不同方向的振動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)磁體的前后滑動(dòng)或左右振動(dòng)。

當(dāng)強(qiáng)磁體左右振動(dòng)使得強(qiáng)磁體的側(cè)面撞擊壓電陶瓷片時(shí)，壓電陶瓷片感受到外加的壓力發(fā)生巨大的機(jī)械變化，其極化強(qiáng)度逐漸變小，然而使得一部分附加在壓電陶瓷片表面的電荷一點(diǎn)點(diǎn)地釋放出來(lái)，使得電池充電。當(dāng)強(qiáng)磁體停止對(duì)壓電陶瓷片施壓時(shí)，壓電陶瓷片恢復(fù)原狀，其極化強(qiáng)度增大，壓電陶瓷片表面又吸附一部分電荷。

3 "創(chuàng)新點(diǎn)及總結(jié)

首先，實(shí)用性。該自供電可穿戴設(shè)備，通過(guò)人體運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的不同方向的振動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)磁體的前后滑動(dòng)或左右振動(dòng)，配合線(xiàn)圈和壓電陶瓷片的使用，使得設(shè)備上具有電磁感應(yīng)發(fā)電和壓電陶瓷發(fā)電2種發(fā)電方式，使用方便且提高了設(shè)備的發(fā)電效率。

其次，便捷性。該自供電可穿戴設(shè)備，進(jìn)一步地，通過(guò)設(shè)備的自供電功能，使得電池內(nèi)的電量能夠得到補(bǔ)充，從而減緩電池內(nèi)電量耗盡的速率，利于延長(zhǎng)設(shè)備正常使用的時(shí)間。同時(shí)，由于設(shè)備自身的自供電功能，避免了外出運(yùn)動(dòng)時(shí)攜帶外接充電設(shè)備，減輕了隨身攜帶物品的負(fù)擔(dān)，利于保障運(yùn)動(dòng)感受。

4 "結(jié)束語(yǔ)

基于法拉第電磁感應(yīng)定律和壓電效應(yīng)原理，本文設(shè)計(jì)了一款自供電可穿戴設(shè)備，基本實(shí)現(xiàn)了高效自供電目標(biāo)，但仍存在許多不足，后續(xù)將持續(xù)致力于自供電可穿戴設(shè)備的高效一體化研究。

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