王文琦 費廷偉 王學勇 孔祥營

（北京京航計算通訊研究所，北京 100074）

電子領(lǐng)域技術(shù)的迅猛發(fā)展，使越來越多的電子產(chǎn)品在運行速度成倍提高的同時，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，在其正常運行環(huán)境下，電池容量為41mA·h，可待機連續(xù)工作30天，平均計算下來，產(chǎn)品功耗只有約0.045mA。如果能夠把走路或運動產(chǎn)生的振動能量轉(zhuǎn)化成電能并存儲起來，那么對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、導航、監(jiān)測等功能的智能終端。在飛速發(fā)展的移動互聯(lián)網(wǎng)浪潮中，智能穿戴設(shè)備實現(xiàn)了人與機器更方便、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，其設(shè)備供能情況受到了整個領(lǐng)域越來越多的關(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，是未來推動智能穿戴設(shè)備快速發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。同時，智能穿戴設(shè)備能夠通過傳感器與人體進行信息交互，使生活變得越來越智能化及便捷化。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，對于號稱能夠計算每日運動步數(shù)的設(shè)備，只需要振動手臂，就可以輕易“欺騙”系統(tǒng)；無創(chuàng)的血糖、血壓數(shù)據(jù)的采集設(shè)備，其準確性也遠遠不如傳統(tǒng)的人工測量。

（2）功能不具有足夠的顛覆性和擴展性。同智能手機相比，軟件功能不具有吸引力，因為很多手機應(yīng)用軟件如微信運動、智能體重管理等，基本可以取代類似的穿戴設(shè)備。

（3）用戶和設(shè)備之間的交流反饋機制不夠完善。相關(guān)調(diào)查表明，51.1%的使用者認為，智能穿戴沒有給自身生活帶來任何科技變化；唯一的變化只是通過佩戴設(shè)備，產(chǎn)生了更多的用戶使用數(shù)據(jù)；而超過20%的使用者甚至會中途放棄使用智能穿戴設(shè)備。這也說明智能穿戴設(shè)備采集用戶信息后，沒有實現(xiàn)專業(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，導致設(shè)備運行功耗的急劇增加，傳統(tǒng)的電池難以滿足其發(fā)展需要，而僅通過增加電池的體積及質(zhì)量來提高電池容量的方式，并不能很好地解決這個問題?？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)備電池體積相對更小，續(xù)航時間相對更長。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，需要進一步進行技術(shù)革新和升級迭代。滿足智能穿戴設(shè)備運行所需能量的續(xù)航能力，已經(jīng)成為了智能穿戴設(shè)備是否能夠進一步發(fā)展的關(guān)鍵性因素。

（5）設(shè)備信息的安全性沒有保障。有關(guān)穿戴設(shè)備的研究表明，大部分智能穿戴設(shè)備采用開放式操作系統(tǒng)，與外部的通信連接多采用無線方式，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險因素。

1.2 智能穿戴設(shè)備發(fā)展趨勢

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)計理念，可以將智能穿戴設(shè)備分為兩大類。一類是自我量化型，如運動健身領(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)備通過對用戶相關(guān)數(shù)據(jù)的采集，為用戶有關(guān)運動、醫(yī)療等事項提供強大的數(shù)據(jù)支撐；另一類是體外進化型，如智能眼鏡、智能手表等，這類設(shè)備促進了用戶間更好的溝通，具有更隨意的娛樂性（不受時間、地點的限制），同時提升了用戶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，還是體外進化型智能設(shè)備，均被廣泛地應(yīng)用于收集、記錄、監(jiān)測用戶的運動健身情況和生理健康指標，并具有以下發(fā)展特點：

（1）以大數(shù)據(jù)存儲技術(shù)、云存儲技術(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，集疾病預防、體征監(jiān)測、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。當智能穿戴設(shè)備發(fā)現(xiàn)人體的健康問題后，根據(jù)患者的需求，可以通過互聯(lián)網(wǎng)進行智能掛號、醫(yī)藥費用收繳等工作，同時進一步加強與醫(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、測量的準確性。設(shè)備的精確性受控于軟件與硬件兩個方面：軟件方面，需要優(yōu)化開發(fā)代碼和設(shè)計相應(yīng)算法；硬件方面，需要增強設(shè)備內(nèi)置傳感器對動作監(jiān)測的靈敏性和準確性。同時，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)計成為一個整體，這也更有利于提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_度。

（3）解決智能設(shè)備續(xù)航問題。智能穿戴設(shè)備正常運行所需的能量，來源于收集到的各類可持續(xù)、環(huán)保的能量，可以將太陽能、振動能量、熱能等轉(zhuǎn)化成電能并將其存儲起來，從而為智能設(shè)備的正常運行提供可持續(xù)的電能。

總之，未來的智能穿戴設(shè)備，不僅要保證精確的數(shù)據(jù)測量、舒適的設(shè)備體驗，還要實現(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)境周圍分布式能量進行收集并轉(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，如太陽能、熱能、風能、振動能和磁場能等，隨著無線傳感網(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)用于藍牙手持設(shè)備、智能手表、植入體內(nèi)的醫(yī)療設(shè)備、無線傳感器等。現(xiàn)已有文獻對智能穿戴設(shè)備的能量收集技術(shù)進行了概要的分類介紹，見表1。下面就這幾種可收集的能源進行簡要說明。

2.2.1 光能

由表1可知，光能在戶外的分布功率密度遠遠大于戶內(nèi)，導致戶外光能的可收集功率密度也遠大于戶內(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：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（硅半導體制作），每平方厘米的電池板可將采集到的光能進行轉(zhuǎn)化并產(chǎn)生數(shù)十毫瓦的電能；但與此同時，光能采集的局限性也非常明顯，其收集能量的強度往往受到時間、天氣等諸多外界條件的影響，在夜晚或者陰天等太陽光照不足的情況下，收集到的光能特別少，這將導致光能收集具有不可控性和不可持續(xù)性。因此，在進行光能采集時，往往需要使用高能量密度的存儲元件，其能夠?qū)⒉杉降亩嘤喙饽軆Υ嫫饋恚杂糜谕饨鐥l件較差、晝短夜長時的能量供給。

2.2.2 振動能

由表1可知，工業(yè)振動能與人體振動能的分布功率密度和可收集功率密度相差懸殊。一般情況下通過振動收集到的能量，可以通過以下3種方式進行能量轉(zhuǎn)換：壓電轉(zhuǎn)換、靜電轉(zhuǎn)換和磁電轉(zhuǎn)換。其中，靜電轉(zhuǎn)換方式可以通過靜電感應(yīng)，將機械能轉(zhuǎn)化成電能；壓電轉(zhuǎn)換方式在進行能量轉(zhuǎn)換時，需要形成初始電壓差，才能進行設(shè)備供電的能量轉(zhuǎn)換；磁電轉(zhuǎn)換方式通過振動使導體切割磁感線產(chǎn)生能量。對于磁電轉(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。通過對比上述3種轉(zhuǎn)換方式的優(yōu)劣勢可以發(fā)現(xiàn)，根據(jù)智能穿戴設(shè)備尺寸小、對振動頻率要求低的特點，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動能量的收集。

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，通過人體體表溫度和外部環(huán)境存在的溫度差進行能量的收集。眾所周知，人體體表溫度較外部環(huán)境溫度來說，溫差并沒有那么大，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；如果加入一個觸發(fā)電路，就能夠為部分低功耗可穿戴設(shè)備供能。

2.2.4 射頻能

射頻能收集的能量不僅來源手機，還來源于移動電話基站、電視、電臺信號發(fā)射基站、WiFi等，但目前這種方式可收集到的能量很少，遠遠小于其他能量收集方式。隨著射頻能量發(fā)射器用戶的增加，平均收集到的能量也逐步增多，通過使用最大功率點追蹤的方法，并通過提高能量的轉(zhuǎn)換效率，可逐步實現(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)備的供能問題，受到了越來越多的關(guān)注和研究，就目前來說，仍有一些關(guān)鍵性問題需要進一步探索。

2.3.1 需要與儲能技術(shù)相結(jié)合，提供能量補給

目前的能量收集及轉(zhuǎn)化技術(shù)，功率密度都還相對較低，尚不能做到采集的能量直接為智能穿戴設(shè)備進行穩(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)與電池儲能技術(shù)相結(jié)合，并將收集到的能量有效儲存在電池中，為智能設(shè)備持續(xù)供電。

2.3.2 不能保證能量存儲設(shè)備的安全性

能量存儲設(shè)備作為目前智能穿戴設(shè)備必不可少的元件，如超級電容器，可用于存儲收集的能量，但其安全性尚未形成統(tǒng)一的規(guī)范和標準，對能量存儲設(shè)備進行有效管理，并形成統(tǒng)一的標準和規(guī)范，仍然是各種能量存儲技術(shù)和能量收集技術(shù)需要解決的關(guān)鍵問題。

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)對應(yīng)不同形式的能量輸出特性。針對不同形式的能量，在能量采集、能量轉(zhuǎn)化、能量存儲等方面，需要開發(fā)相應(yīng)的能量管理電路，以實現(xiàn)能量收集、能量轉(zhuǎn)化、能量輸出的最大化。未來，為實現(xiàn)穿戴設(shè)備功能的最大化，需要實現(xiàn)在同一個智能穿戴設(shè)備中，可以完成多種形式的能量采集及轉(zhuǎn)換工作，實現(xiàn)穿戴設(shè)備真正的智能化、持久化。

2.4 關(guān)鍵性問題解決方案

智能穿戴設(shè)備的能量采集技術(shù)需要與儲能技術(shù)相結(jié)合，才能切實解決智能穿戴設(shè)備供能問題：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)能量存儲設(shè)備的安全性問題，需要市場對能量存儲設(shè)備進行有效管理，通過形成統(tǒng)一的業(yè)界規(guī)范和標準，以確保能量存儲設(shè)備的高可用性。同時，有關(guān)能量管理電路方面，需要實現(xiàn)管理電路統(tǒng)一化，并能夠在同一個智能穿戴設(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)測身體狀態(tài)的作戰(zhàn)衣等，能夠把士兵作戰(zhàn)運動過程中的振動能轉(zhuǎn)化成電能，從而為這些智能設(shè)備運轉(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，通過能量收集方式進行自供電，從而避免了設(shè)備使用一段時間后，需要再次進行開胸、開顱手術(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，因為智能設(shè)備具有能量收集能力，所以，無需擔心設(shè)備的續(xù)航時間，也不再需要定時為設(shè)備充電等。

4 結(jié)束語

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。通過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)鍵性問題，以及問題解決方案的設(shè)想。