智能穿戴

可穿戴設備中無需維護的電池如何實現

2025China.cn   2016年01月12日

  近年來,新的可穿戴設備,如智能手表和智能眼鏡等一直不斷地出現在我們的生活中。要弄清可穿戴設備應用的潛力,我們只需觀察全球市場的可穿戴設備數量--該數字預計將從2013年的560萬增長到2020年的1.24億(見圖1)。有幾個因素正在推動這一增長。在大多數發達國家,智能手機市場幾乎已經飽和,各制造商已經開始研發能夠開創全新發展趨勢的設備,如能夠連接作為外圍設備的可穿戴設備。物聯網(IoT)的出現也推動了這一發展趨勢。同時,半導體技術使得具有更多功能、更小型化的設備以更高速度生產,也推動了上述發展趨勢。

  圖1:可穿戴設備的數量到2020年將達到1.24億套,智能手表和智能眼鏡將占到該總量的近60%。

  2/3的可穿戴設備為佩戴在身上的終端設備,如手表和眼鏡等,而其余的可穿戴設備有些可連接到鞋子、衣服或包上。此外,人們正在探討將設備植入在人體中并連接到人體大腦上的可能性。今后,可穿戴設備有望將科幻電影中描述的場景變為現實。雖然可穿戴設備的發展潛力巨大,但仍然存在一個很大的問題,那就是我們該如何在無需經常給電池充電的情況下向這些設備供電?該解決方案就是進行能量采集,賽普拉斯(Cypress)開發板為我們提供了一個方便的選擇。

  電源問題

  雖然可穿戴設備的創新正在不斷加速,但電池技術領域仍處于落后狀態。特別是電池壽命帶來了嚴重問題。與智能手機不同,在我們的日常生活中,眼鏡、手表、鞋子和衣服等類似物品都不能進行充電。如果今后需要對這些物品頻繁充電,人們會覺得非常麻煩。可穿戴設備需要一塊使用壽命足夠長的電池,以確保我們幾乎無需把這些設備拿下來充電,從而使我們的身體幾乎意識不到它們的存在。

  可穿戴設備通常要求體積小、質量輕。問題是,當前市場上的電池幾乎面臨著同一個問題,那就是電池體積越小,其能量密度也就越小。半導體仍然能夠跟上摩爾定律,每年以200%的速率加快小型化的發展速度。與此同時,在鋰離子二次電池推出后的20年來,電池技術僅僅將每單位體積的能量密度提升了約350%,這還不到半導體小型化速度的10%。

  如果說我們確實已證實電池技術的進步過于緩慢,那么我們理所當然地要尋找其他解決方案。這促使我們考慮最近出現的一種被稱為能量采集的全新技術。能量采集包括收集或采集我們周圍的能源(如光、振動和熱量)所產生的少量環保能源并將其轉換為電能。我們需要研究該技術是否能為我們提供一種能夠延長可穿戴設備的電池使用壽命,甚至無需電池便可使可穿戴設備運行的方法。需要注意的是,能量采集技術還遠未成熟。例如,在不安裝電池的情況下,它還無法使腕表式可穿戴設備運行。盡管如此,它對于一些設備,如用于將簡單的數據從傳感器傳輸到智能手機從而記錄日常活動的設備來說,仍是一個理想的選擇方案。

  加快能量采集技術的應用

  能量采集技術為許多可穿戴設備提供了一個非常具有發展前景的電源解決方案。不過,許多工程師對此技術還不熟悉,并且該技術的實施可能會耗費許多寶貴的時間,而開發團隊本可用這些時間來增強其產品的核心價值主張。賽普拉斯的MB39C811-EVBSK-02 Bluetooth Smart Beacon入門套件為嵌入式工程師提供了一個簡單、快捷地嘗試能量采集的方案選擇。

  該套件包括作為標準功能的賽普拉斯MB39C811電源管理集成電路(IC),以及一個允許在用戶區域進行程序重寫的Bluetooth Smart模塊和一個用于操作檢查室內使用的太陽能電池板(參見圖2)。MB39C811是集成了一個低功耗的全波整流橋和一個比較器系統的高效率降壓DC/DC轉換器IC。當連接到一個單獨提供的振動采集器,如壓電裝置時,入門套件可在使用振動能量和室內光能的混合模式下操作。

  圖2:賽普拉斯MB39C811-EVBSK-02 Bluetooth Smart Beacon入門套件采用了一個專門用于壓電或太陽能電池能量采集器的高效率降壓型DC / DC轉換器。

  該套件還包括一塊電路板,上面帶有預先寫好的用于操作藍牙智能信標的示例程序,當電路板被放置在辦公照明條件下時(在桌子上通常為400至500lux),該電路板會僅使用從其太陽能電池板上獲得的能量將藍牙智能Beacon數據包自動傳送到智能手機上(參見圖3)。在500lux的環境下,傳送間隔被設定為1秒。

  圖3:當太陽能電池板受到500lux的照明時,入門套件會將藍牙智能Beacon數據包自動傳送到智能手機上。

  智能鞋:在運動中進行能量采集

  為了測試套件,我們將能量采集技術運用到了一個設計用于傳輸一個兒童位置的可穿戴式接近傳感器上。我們將電路板和發電裝置嵌入兒童的鞋中,并讓我們的測試對象來回走動50米的距離,來測試能否獲得位置數據。首先,根據按照iBeacon標準使用的接收信號強度指示(RSSI),使用智能手機測定射電場強度。然后,用下列公式計算得出智能手機和兒童之間的距離r:

  其中,RSSI是在1米處的接收強度(固定值),而Tx是實際接收強度(測量值)。 我們選擇了一個電磁感應型的振動采集設備,從而使測試對象的運動所產生的振動被轉化為用于發射無線電波的電能(參見圖4)。此外,該設計采用了太陽能電池板,從而使設備能夠在通過振動或光照獲取能量的條件下操作。通過這種混合設計,即使在兒童不動時,也能夠檢測到兒童的位置。

  圖4:入門套件使安裝在兒童鞋上的位置傳感器由從振動和太陽能資源中采集到的能量來進行供電。

  結果顯示,該裝置成功地經由Bluetooth? SmartBeacon將數據傳送到智能手機上(參見圖5)。僅由兒童走動所產生的振動能來供電,傳感器便能夠檢測和傳輸兒童的位置。類似該例子的試驗有望幫助我們使用由賽普拉斯提供的能量采集技術解決與可穿戴設備相關的電池問題。

  圖5:在測試中,測試對象走到遠離接收器50m的地方然后再返回。距離與時間的關系示出了傳感器在光伏和振動能量組合供電(左)或由振動能量單獨供電(右)的情況下操作的有效性。

  能量采集技術為我們應對可穿戴設備市場的挑戰帶來了巨大希望。各個領域正在開發包含賽普拉斯電源管理IC的用于能量采集現實生活中的設備。它主要針對用于機對機(M2M)通信等類似應用并且作為工業物聯網(IoT)的一部分進行實施的免蓄電池無線傳感器終端。開發商和制造商應靜觀該公司即將發布的全新產品。同樣,該公司計劃在不久的將來提供專門用于解決可穿戴設備領域電池問題的電源管理IC和低功耗微控制器(MCU)。

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