能量采集入门套件是如何给可穿戴设备供电的？

作者: Eiji Fukawa

近年来，新的可穿戴设备，如智能手表和智能眼镜等一直不断地出现在我们的生活中。要弄清可穿戴设备应用的潜力，我们只需观察全球市场的可穿戴设备数量——该数字预计将从2013年的560万增长到2020年的1.24亿（见图1）。有几个因素正在推动这一增长。在大多数发达国家，智能手机市场几乎已经饱和，各制造商已经开始研发能够开创全新发展趋势的设备，如能够连接作为外围设备的可穿戴设备。物联网（IoT）的出现也推动了这一发展趋势。同时，半导体技术使得具有更多功能、更小型化的设备以更高速度生产，也推动了上述发展趋势。


图1：可穿戴设备的数量到2020年将达到1.24亿套，智能手表和智能眼镜将占到该总量的近60%。

2/3的可穿戴设备为佩戴在身上的终端设备，如手表和眼镜等，而其余的可穿戴设备有些可连接到鞋子、衣服或包上。此外，人们正在探讨将设备植入在人体中并连接到人体大脑上的可能性。今后，可穿戴设备有望将科幻电影中描述的场景变为现实。虽然可穿戴设备的发展潜力巨大，但仍然存在一个很大的问题，那就是我们该如何在无需经常给电池充电的情况下向这些设备供电？该解决方案就是进行能量采集，赛普拉斯（Cypress）开发板为我们提供了一个方便的选择。

电源问题

虽然可穿戴设备的创新正在不断加速，但电池技术领域仍处于落后状态。特别是电池寿命带来了严重问题。与智能手机不同，在我们的日常生活中，眼镜、手表、鞋子和衣服等类似物品都不能进行充电。如果今后需要对这些物品频繁充电，人们会觉得非常麻烦。可穿戴设备需要一块使用寿命足够长的电池，以确保我们几乎无需把这些设备拿下来充电，从而使我们的身体几乎意识不到它们的存在。

可穿戴设备通常要求体积小、质量轻。问题是，当前市场上的电池几乎面临着同一个问题，那就是电池体积越小，其能量密度也就越小。半导体仍然能够跟上摩尔定律，每年以200%的速率加快小型化的发展速度。与此同时，在锂离子二次电池推出后的20年来，电池技术仅仅将每单位体积的能量密度提升了约350%，这还不到半导体小型化速度的10%。

如果说我们确实已证实电池技术的进步过于缓慢，那么我们理所当然地要寻找其他解决方案。这促使我们考虑最近出现的一种被称为能量采集的全新技术。能量采集包括收集或采集我们周围的能源（如光、振动和热量）所产生的少量环保能源并将其转换为电能。我们需要研究该技术是否能为我们提供一种能够延长可穿戴设备的电池使用寿命，甚至无需电池便可使可穿戴设备运行的方法。需要注意的是，能量采集技术还远未成熟。例如，在不安装电池的情况下，它还无法使腕表式可穿戴设备运行。尽管如此，它对于一些设备，如用于将简单的数据从传感器传输到智能手机从而记录日常活动的设备来说，仍是一个理想的选择方案。

加快能量采集技术的应用

能量采集技术为许多可穿戴设备提供了一个非常具有发展前景的电源解决方案。不过，许多工程师对此技术还不熟悉，并且该技术的实施可能会耗费许多宝贵的时间，而开发团队本可用这些时间来增强其产品的核心价值主张。赛普拉斯的MB39C811-EVBSK-02 Bluetooth Smart Beacon入门套件为嵌入式工程师提供了一个简单、快捷地尝试能量采集的方案选择。

该套件包括作为标准功能的赛普拉斯MB39C811电源管理集成电路（IC），以及一个允许在用户区域进行程序重写的Bluetooth Smart模块和一个用于操作检查室内使用的太阳能电池板（参见图2）。MB39C811是集成了一个低功耗的全波整流桥和一个比较器系统的高效率降压DC/DC转换器IC。当连接到一个单独提供的振动采集器，如压电装置时，入门套件可在使用振动能量和室内光能的混合模式下操作。


图2：赛普拉斯MB39C811-EVBSK-02 Bluetooth Smart Beacon入门套件采用了一个专门用于压电或太阳能电池能量采集器的高效率降压型DC / DC转换器。

该套件还包括一块电路板，上面带有预先写好的用于操作蓝牙智能信标的示例程序，当电路板被放置在办公照明条件下时（在桌子上通常为400至500lux），该电路板会仅使用从其太阳能电池板上获得的能量将蓝牙智能Beacon数据包自动传送到智能手机上（参见图3）。在500lux的环境下，传送间隔被设定为1秒。


图3：当太阳能电池板受到500lux的照明时，入门套件会将蓝牙智能Beacon数据包自动传送到智能手机上。

智能鞋-在运动中进行能量采集

为了测试套件，我们将能量采集技术运用到了一个设计用于传输一个儿童位置的可穿戴式接近传感器上。我们将电路板和发电装置嵌入儿童的鞋中，并让我们的测试对象来回走动50米的距离，来测试能否获得位置数据。首先，根据按照iBeacon标准使用的接收信号强度指示（RSSI），使用智能手机测定射电场强度。然后，用下列公式计算得出智能手机和儿童之间的距离r：



其中，RSSI是在1米处的接收强度（固定值），而Tx是实际接收强度（测量值）。 我们选择了一个电磁感应型的振动采集设备，从而使测试对象的运动所产生的振动被转化为用于发射无线电波的电能（参见图4）。此外，该设计采用了太阳能电池板，从而使设备能够在通过振动或光照获取能量的条件下操作。通过这种混合设计，即使在儿童不动时，也能够检测到儿童的位置。


图4：入门套件使安装在儿童鞋上的位置传感器由从振动和太阳能资源中采集到的能量来进行供电。

结果显示，该装置成功地经由Bluetooth SmartBeacon将数据传送到智能手机上（参见图5）。仅由儿童走动所产生的振动能来供电，传感器便能够检测和传输儿童的位置。类似该例子的试验有望帮助我们使用由赛普拉斯提供的能量采集技术解决与可穿戴设备相关的电池问题。


图5：在测试中，测试对象走到远离接收器50m的地方然后再返回。距离与时间的关系示出了传感器在光伏和振动能量组合供电（左）或由振动能量单独供电（右）的情况下操作的有效性。

能量采集技术为我们应对可穿戴设备市场的挑战带来了巨大希望。各个领域正在开发包含赛普拉斯电源管理IC的用于能量采集现实生活中的设备。它主要针对用于机对机（M2M）通信等类似应用并且作为工业物联网（IoT）的一部分进行实施的免蓄电池无线传感器终端。开发商和制造商应静观该公司即将发布的全新产品。同样，该公司计划在不久的将来提供专门用于解决可穿戴设备领域电池问题的电源管理IC和低功耗微控制器（MCU）。