未来已来-简述基于能量收集技术的智能穿戴设备
2019-05-30 11:36:33 浏览：12776 来源：
摘要：介绍了智能穿戴设备的发展现状及未来发展趋势，给出了能量收集技术的定义、原理简介及收集能量的常用方法，分析了具有能量收集能力的智能穿戴设备，以及其未来在军民两用中的具体使用场景，并对现阶段智能穿戴设备和能量收集技术发展中的关键问题进行了简要的分析说明。
关键词：智能穿戴设备；能量收集；军民两用；应用场景
电子领域技术的迅猛发展，导致越来越多的电子产品，在运行速度成倍提高的同时，产品功耗也在成倍降低。以第一代小米手环这样的智能穿戴设备为例，在其正常运行环境下，电池容量为41mAh，可待机连续工作30天，平均计算下来，产品功耗只有约0.045mA。这么低的功耗，如果能够把走路或运动产生的振动能量，转化成电能并存储起来，那么很多的智能穿戴设备都不需要再充电了，因为，人就变成了移动充电器。
1概述
1.1 智能穿戴设备现状分析
智能穿戴设备是一种可以佩戴在身体或者穿在身上的，且具有传感、通信、导航、监测等功能的智能终端。在飞速发展的移动互联网浪潮中，智能穿戴设备实现了人与机器更方便、更快捷、更流畅的数据交流，在设备功能日益完善的同时，其设备供能情况受到了整个领域越来越多的关注；而智能穿戴设备能量收集技术，作为一种可持续的供能方式，是未来推动智能穿戴设备快速发展的关键环节。同时，智能穿戴设备能够通过传感器与人体进行信息交互，使生活变得越来越智能化及便捷化。尽管与智能穿戴设备有关的相关技术已相对成熟，但在很多方面还有待完善，主要包括：
(1)不能保证数据采集的精确度。例如，对于号称能够计算每日运动步数的设备，只需要振动手臂，就可以轻易“欺骗”系统；无创的血糖、血压数据的采集，准确性也远远不如传统的人工测量。
(2)功能不具有足够的颠覆性和扩展性。同智能手机相比，软件功能不具有吸引力，因为很多手机应用软件如微信运动、智能体重管理等，基本可以取代类似的穿戴设备。
(3)用户和设备之间的交流反馈机制不够完善。相关调查表明，51.1%的使用者认为，智能穿戴没有给自身生活带来任何科技变化；唯一的变化只是通过佩戴设备，产生了更多的用户使用数据；而超过20%的使用者，甚至会中途放弃使用智能穿戴设备。这也说明智能穿戴设备采集用户信息后，没有实现专业的数据匹配、数据分析及数据可视化。
(4)设备的功耗及续航能力并不理想。目前，智能穿戴产品的设备性能、设备功耗和设备电池，在一定程度上限制了智能穿戴产品的发展。例如，智能穿戴设备功能的极大丰富，导致设备运行功耗的急剧增加，传统的电池难以满足其发展需要，而仅通过增加电池的体积及质量,提高电池容量的方式，并不能很好地解决这个问题。考虑到电池与智能穿戴设备便携性、舒适性的匹配，需要设备电池体积相对更小，续航时间相对更长。因此，在设备电池容量、设备功耗、设备功能这三者之间，需要进一步进行技术革新和升级迭代。满足智能穿戴设备运行所需能量的续航能力，已经成为了智能穿戴设备是否能够进一步发展的关键性因素。
(5)设备信息的安全性没有保障。有关穿戴设备的研究表明，大部分智能穿戴设备采用开放式操作系统，与外部通信连接方式多采用无线方式，设备信息存在内部漏洞和外部攻击可能等诸多安全风险因素。
1.2智能穿戴设备趋势研究
从智能手环、智能眼镜到智能鞋子、智能服饰，根据不同的产品设计理念，可以将智能穿戴设备分为两大类。一类是自我量化型，如运动健身领域使用的手表、手环，医疗保健领域使用的腰带、医疗背心，这些设备通过对用户相关数据的采集，为用户有关运动、医疗等事项提供强大的数据支撑；另一类是体外进化型，如智能眼镜、智能手表等，这类设备促进了用户间更好的沟通，具有更随意的娱乐性（不受时间、地点的限制），同时提升了用户的信息感知能力和信息处理能力。不论是自我量化型智能设备，还是体外进化型智能设备，智能穿戴设备被广泛地应用于收集、记录、监测用户的运动健身情况和生理健康指标，并具有以下发展特点：
（1）以大数据存储技术、云存储技术为基础，以智能穿戴设备为前提，建立健康管理服务体系，集疾病预防、体征监测、紧急呼救等功能为一体，结合大数据的管理与应用技术，充分发挥智能穿戴设备的优势。当智能配带设备发现人体健康问题后，根据患者的需求，可以通过互联网进行智能挂号、医药费用收缴等工作，同时进一步加强与医院在网络化、智能化服务方面的合作力度，为人们提供更加优质的服务。
（2）保证监控、测量的准确性。设备的精确性受控于软件与硬件两个方面：软件方面，需要优化开发代码和设计相应算法；硬件方面，需要增强设备内置传感器对动作监测的灵敏性和准确性。同时，需要提高穿戴设备的舒适性，按照人体工学相关理论，将穿戴设备按照人体形状，将二者设计成为一个整体，这也更有利于提高数据传输的准确度。
（3）解决智能设备续航问题。智能穿戴设备正常运行所需的能量，来源于可持续、环保的各类能量收集，可以通过太阳能、振动能量、热能等转化成电能并将其存储起来，从而为智能设备的正常运行提供可持续的电能。
总之，未来的智能穿戴设备，不仅要保证精确的数据测量、舒适的设备体验，还要实现智能设备穿戴的可持续性和完善的配套服务，让智能穿戴设备成为必不可少的日用品。
2面向智能穿戴设备的能量收集技术分析
2.1能量收集技术的定义
能量收集(Energy Harvesting)是一种将环境周围分布式能量进行收集并转换成可使用电能的技术。可收集的分布式能量有很多种形式，如太阳能、热能、风能、振动能和磁场能等，随着无线传感网络应用技术的推广普及和迅猛发展，能量收集技术作为一种可持续的、绿色环保的供电方式，受到了越来越广泛的关注。
2.2能量收集的技术方法
目前，很多能量收集的技术方法可用于收集光能、热能等分布式能量，且收集到的能量主要应用于蓝牙手持设备、智能手表、植入体内的医疗设备、无线传感器等。现已有文献对智能穿戴设备的能量收集技术进行了概要的分类介绍，见表1。下面就这几种可收集的能源，进行简要说明。
表1 不同能源的分布功率密度及可收集功率密度情况
(1)光能收集
由表1可知，光能在户外的分布功率密度，远远大于户内，导致可收集功率密度，户外光能也远大于户内光能。因此得出光能采集较其他能源采集具有如下优势：容易采集、采集的能量多。例如，光能采集最具代表性的光伏电池板（硅半导体制作），每平方厘米的电池板，可将采集到的光能进行转化并产生数十毫瓦的电能；而与此同时，光能采集的局限性也非常明显，其收集能量的强度往往受到时间、天气等诸多外界条件的影响，在夜晚或者阴天等太阳光照不足的情况下，收集到的光能特别少，这将导致光能收集的不可控性和不可持续性。因此，在进行光能采集时，往往需要使用高能量密度的存储元件，其能够将采集到的多余光能储存起来，以用于外界条件较差、昼短夜长时的能量供给。
(2)振动能收集
由表1可知，工业振动能与人体振动能的分布概率密度和可收集功率密度相差悬殊。一般情况下通过振动收集到的能量，可以通过以下3种方式进行能量转换：压电转换、静电转换和磁电转换。其中，静电转换方式可以通过静电感应，将机械能转化成电能；压电转换方式在进行能量转换时，需要形成初始电压差，才能进行设备供电的能量转换；磁电转换方式，通过振动使导体切割磁感线产生能量。对于磁电转换方式，虽然电磁式能量收集器可以制作成晶片级的尺寸，便于设备集成，但是，由于电磁式能量收集器需要限制线圈匝数，也就难以收集到足够的用于支撑设备使用的电能量。通过上述3种转换方式的优劣势比较，根据智能穿戴设备尺寸小、对振动频率要求低的特点，相比压电转化和磁电转化这2种方式，静电转换方式更适用于人体运动能量的收集。
(3)热能收集
热能转化，是基于热电材料的赛贝克效应，通过热电发生器，将热能转化为电能。可穿戴设备中的热电发生器，通过人体体表温度和外部环境存在的温度差，进行能量的收集。众所周知，人体体表温度，较外部环境温度来说，温差并没有那么大，而输出电压较小，将不足以支撑智能穿戴设备的正常使用；如果加入一个触发电路，就能够为部分低功耗可穿戴设备供能。
(4)射频能收集
射频能收集的能量，不仅来源手机，还来源于移动电话基站、电视、电台信号发射基站、wifi等，但目前这种方式可收集到的能量很少，远远小于其他能量收集方式。随着射频能量发射器用户的增加，平均收集到的能量也逐步增多，通过使用最大功率点追踪的方法，并通过提高能量的转换效率，逐步实现射频能为智能穿戴设备持续供能。
2.3关键性问题分析
利用能量收集技术，解决智能穿戴设备的供能问题，受到了越来越多的关注和研究，就目前来说，仍有一些关键性问题，需要进一步探索：
(1)仍需要与储能技术相结合，提供能量补给
目前的能量收集及转化技术，功率密度都还相对较低，尚不能做到采集的能量直接为智能穿戴设备进行稳定、持续的能量供给，因此，在这种情况下，就需要研究如何将能量收集、转化技术与电池储能技术相结合，并将收集到的能量，有效储存在电池中，为智能设备持续供电。
(2)不能保证能量存储设备的安全性
能量存储设备，作为目前智能穿戴设备必不可少的元件，如超级电容器，可用于存储收集的能量，但其安全性尚未形成统一的规范和标准，对能量存储设备进行有效管理，并形成统一的标准和规范，仍然是各种能量存储技术和能量收集技术需要解决的关键问题。
(3)能量管理电路尚不通用
不同形式的能量收集技术，对应不同形式的能量输出特性。针对不同形式的能量，在能量采集、能量转化、能量存储等方面，需要开发相应的能量管理电路，以实现能量收集、能量转化、能量输出的最大化。未来，为实现穿戴设备功能的最大化，需要实现在同一个智能穿戴设备中，可以完成多种形式的能量采集及转换工作，实现穿戴设备真正的智能化、持久化。
2.4关键性问题解决方案
对于智能穿戴设备的能量采集技术，需要与储能技术相结合，才能切实解决智能穿戴设备供能问题：不仅需要提高电路的能量转化效率，还要关注使用该能量采集技术后“平均收集”的可用于给电路供电的能量的多少。有关能量存储设备的安全性问题，需要市场对能量存储设备进行有效管理，通过形成统一的业界规范和标准，以确保能量存储设备的高可用性。同时，有关能量管理电路方面，需要实现管理电路统一化，并能够在同一个智能穿戴设备中使用，从而完成多种形式的能量采集及转换工作，这也是未来智能穿戴设备能量收集技术的需要关注的发展方向。
3军民两用的使用场景
具有能量收集能力的智能穿戴设备，在军民两用领域，都具有非常广阔的应用前景。
在军事领域的智能穿戴设备，如GPS定位手环、监测身体状态的作战衣等，能够把士兵作战运动过程中的振动能转化成电能，从而为这些智能设备运转提供所需的持续电能，为士兵全天候的持续作战提供有力保障。
在民用领域，具有能量收集能力的智能设备，是很多患者的福音。例如，心脏起搏器、治疗帕金森症的神经刺激器、脑起搏器等，植入患者体内后，通过能量收集方式进行自供电，从而避免了设备使用一段时间后，需要再次进行开胸、开颅手术以更换植入体内的电子设备的电池；其次，防止老人、儿童走失的智能定位穿戴设备，因为智能设备具有能量收集能力，所以，无需担心设备的续航时间，也不再需要定时为设备充电等。
4结束语
能量收集技术的迅猛发展，使智能穿戴设备的自我供能有望成为现实。通过上述几种能量收集的技术方法，可以做到稳定、持续地为智能穿戴设备供能。此外，本文还分析列举了目前能量收集技术在解决智能穿戴设备供能中存在的关键性问题，以及问题解决方案的设想。