智能穿戴設備及其能量收集技術簡述

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）

電子領域技術的迅猛發展，使越來越多的電子產品在運行速度成倍提高的同時，產品功耗也在成倍降低。以第一代小米手環這樣的智能穿戴設備為例，在其正常運行環境下，電池容量為41mA·h，可待機連續工作30天，平均計算下來，產品功耗只有約0.045mA。如果能夠把走路或運動產生的振動能量轉化成電能并存儲起來，那么對于很多低功耗的智能穿戴設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 智能穿戴設備現狀

智能穿戴設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、監測等功能的智能終端。在飛速發展的移動互聯網浪潮中，智能穿戴設備實現了人與機器更方便、更快捷、更流暢的數據交流，在設備功能日益完善的同時，其設備供能情況受到了整個領域越來越多的關注；而智能穿戴設備能量收集技術作為一種可持續的供能方式，是未來推動智能穿戴設備快速發展的關鍵環節。同時，智能穿戴設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。盡管與智能穿戴設備有關的相關技術已相對成熟，但在很多方面還有待完善，主要包括：

（1）不能保證數據采集的精確度。例如，對于號稱能夠計算每日運動步數的設備，只需要振動手臂，就可以輕易“欺騙”系統；無創的血糖、血壓數據的采集設備，其準確性也遠遠不如傳統的人工測量。

（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備。

（3）用戶和設備之間的交流反饋機制不夠完善。相關調查表明，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備，產生了更多的用戶使用數據；而超過20%的使用者甚至會中途放棄使用智能穿戴設備。這也說明智能穿戴設備采集用戶信息后，沒有實現專業的數據匹配、數據分析及數據可視化。

（4）設備的功耗及續航能力并不理想。目前，智能穿戴產品的設備性能、設備功耗和設備電池，在一定程度上限制了智能穿戴產品的發展。例如，智能穿戴設備功能的極大豐富，導致設備運行功耗的急劇增加，傳統的電池難以滿足其發展需要，而僅通過增加電池的體積及質量來提高電池容量的方式，并不能很好地解決這個問題。考慮到電池與智能穿戴設備便攜性、舒適性的匹配，需要設備電池體積相對更小，續航時間相對更長。因此，在設備電池容量、設備功耗、設備功能這三者之間，需要進一步進行技術革新和升級迭代。滿足智能穿戴設備運行所需能量的續航能力，已經成為了智能穿戴設備是否能夠進一步發展的關鍵性因素。

（5）設備信息的安全性沒有保障。有關穿戴設備的研究表明，大部分智能穿戴設備采用開放式操作系統，與外部的通信連接多采用無線方式，設備信息可能存在內部漏洞和外部攻擊等諸多安全風險因素。

1.2 智能穿戴設備發展趨勢

從智能手環、智能眼鏡到智能鞋子、智能服飾，根據不同的產品設計理念，可以將智能穿戴設備分為兩大類。一類是自我量化型，如運動健身領域使用的手表、手環，醫療保健領域使用的腰帶、醫療背心，這些設備通過對用戶相關數據的采集，為用戶有關運動、醫療等事項提供強大的數據支撐；另一類是體外進化型，如智能眼鏡、智能手表等，這類設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備，還是體外進化型智能設備，均被廣泛地應用于收集、記錄、監測用戶的運動健身情況和生理健康指標，并具有以下發展特點：

（1）以大數據存儲技術、云存儲技術為基礎，以智能穿戴設備為前提，建立健康管理服務體系，集疾病預防、體征監測、緊急呼救等功能為一體，結合大數據的管理與應用技術，充分發揮智能穿戴設備的優勢。當智能穿戴設備發現人體的健康問題后，根據患者的需求，可以通過互聯網進行智能掛號、醫藥費用收繳等工作，同時進一步加強與醫院在網絡化、智能化服務方面的合作力度，為人們提供更加優質的服務。

（2）保證監控、測量的準確性。設備的精確性受控于軟件與硬件兩個方面：軟件方面，需要優化開發代碼和設計相應算法；硬件方面，需要增強設備內置傳感器對動作監測的靈敏性和準確性。同時，需要提高穿戴設備的軟件和硬件的舒適性，按照人體工學相關理論，將穿戴設備的軟件和硬件按照人體形狀，設計成為一個整體，這也更有利于提高數據傳輸的準確度。

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

總之，未來的智能穿戴設備，不僅要保證精確的數據測量、舒適的設備體驗，還要實現智能設備穿戴的可持續性和完善的配套服務，讓智能穿戴設備成為必不可少的日用品。

2 面向智能穿戴設備的能量收集技術分析

2.1 能量收集技術的定義

能量收集（Energy Harvesting）是一種將環境周圍分布式能量進行收集并轉換成可使用電能的技術。可收集的分布式能量有很多種形式，如太陽能、熱能、風能、振動能和磁場能等，隨著無線傳感網絡應用技術的推廣普及和迅猛發展，能量收集技術作為一種可持續的、綠色環保的供電方式，受到了越來越廣泛的關注。

2.2 能量收集的技術方法

目前，很多能量收集的技術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用于藍牙手持設備、智能手表、植入體內的醫療設備、無線傳感器等。現已有文獻對智能穿戴設備的能量收集技術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，導致戶外光能的可收集功率密度也遠大于戶內光能。因此得出光能采集較其他能源采集具有如下優勢：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化并產生數十毫瓦的電能；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，其能夠將采集到的多余光能儲存起來，以用于外界條件較差、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種方式進行能量轉換：壓電轉換、靜電轉換和磁電轉換。其中，靜電轉換方式可以通過靜電感應，將機械能轉化成電能；壓電轉換方式在進行能量轉換時，需要形成初始電壓差，才能進行設備供電的能量轉換；磁電轉換方式通過振動使導體切割磁感線產生能量。對于磁電轉換方式，雖然電磁式能量收集器可以制作成晶片級的尺寸，便于設備集成，但是，由于電磁式能量收集器需要限制線圈匝數，也就難以收集到足夠的用于支撐設備使用的電能量。通過對比上述3種轉換方式的優劣勢可以發現，根據智能穿戴設備尺寸小、對振動頻率要求低的特點，相比壓電轉化和磁電轉化這兩種方式，靜電轉換方式更適用于人體運動能量的收集。

2.2.3 熱能

熱能轉化是基于熱電材料的賽貝克效應，通過熱電發生器，將熱能轉化為電能。可穿戴設備中的熱電發生器，通過人體體表溫度和外部環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備的正常使用；如果加入一個觸發電路，就能夠為部分低功耗可穿戴設備供能。

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換效率，可逐步實現使用射頻能為智能穿戴設備持續供能。

2.3 關鍵性問題分析

利用能量收集技術解決智能穿戴設備的供能問題，受到了越來越多的關注和研究，就目前來說，仍有一些關鍵性問題需要進一步探索。

2.3.1 需要與儲能技術相結合，提供能量補給

目前的能量收集及轉化技術，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備進行穩定、持續的能量供給，因此，在這種情況下，就需要研究如何將能量收集、轉化技術與電池儲能技術相結合，并將收集到的能量有效儲存在電池中，為智能設備持續供電。

2.3.2 不能保證能量存儲設備的安全性

能量存儲設備作為目前智能穿戴設備必不可少的元件，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一的規范和標準，對能量存儲設備進行有效管理，并形成統一的標準和規范，仍然是各種能量存儲技術和能量收集技術需要解決的關鍵問題。

2.3.3 能量管理電路尚不通用

不同形式的能量收集技術對應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、能量轉化、能量存儲等方面，需要開發相應的能量管理電路，以實現能量收集、能量轉化、能量輸出的最大化。未來，為實現穿戴設備功能的最大化，需要實現在同一個智能穿戴設備中，可以完成多種形式的能量采集及轉換工作，實現穿戴設備真正的智能化、持久化。

2.4 關鍵性問題解決方案

智能穿戴設備的能量采集技術需要與儲能技術相結合，才能切實解決智能穿戴設備供能問題：不僅需要提高電路的能量轉化效率，還要關注使用該能量采集技術后“平均收集”的可用于給電路供電的能量的多少。有關能量存儲設備的安全性問題，需要市場對能量存儲設備進行有效管理，通過形成統一的業界規范和標準，以確保能量存儲設備的高可用性。同時，有關能量管理電路方面，需要實現管理電路統一化，并能夠在同一個智能穿戴設備中使用，從而完成多種形式的能量采集及轉換工作，這也是未來智能穿戴設備能量收集技術的需要關注的發展方向。

3 應用前景

具有能量收集能力的智能穿戴設備，在軍民兩用領域都具有非常廣闊的應用前景。

在軍事領域的智能穿戴設備，如GPS定位手環、監測身體狀態的作戰衣等，能夠把士兵作戰運動過程中的振動能轉化成電能，從而為這些智能設備運轉提供所需的持續電能，為士兵全天候的持續作戰提供有力保障。

在民用領域，具有能量收集能力的智能設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刺激器、腦起搏器等植入患者體內后，通過能量收集方式進行自供電，從而避免了設備使用一段時間后，需要再次進行開胸、開顱手術以更換植入體內的電子設備的電池；其次，防止老人、兒童走失的智能定位穿戴設備，因為智能設備具有能量收集能力，所以，無需擔心設備的續航時間，也不再需要定時為設備充電等。

4 結束語

能量收集技術的迅猛發展，使智能穿戴設備的自我供能有望成為現實。通過上述幾種能量收集技術方法，可以做到穩定、持續地為智能穿戴設備供能。此外，本文還分析列舉了目前能量收集技術在解決智能穿戴設備供能中存在的關鍵性問題，以及問題解決方案的設想。