智能穿戴

可穿戴设备中无需掩护的电池如何实现

2025China.cn   >2019年05月15日

  比年来,新的可穿戴设备,如智能手表和智能眼镜等不停赓续地出如今咱咱咱们的生活中。要弄清可穿戴设备应用的潜力,咱咱咱们只需观察全球市场的可穿戴设备数目--该数字估计将从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。在大多数发达国度,智能手机市场几乎已经饱停髦作商已经开端研发可以或许创始全新睁开趋向的设备,如可以或许衔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睁开趋向。同时,半导体技术使得具有更多功效、更小型化的设备以更高速率临盆,也推动了上述睁开趋向。

  图1:可穿戴设备的数目到2020年将到达1.24亿套,智能手表和智能眼到到该总量的近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上接到鞋子、衣服或包上。别的,人咱咱们正在探究将设备植入在人体中并衔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实际。虽然可穿戴设备的睁开潜力弘大,但仍然存在一个很大的成就,那便是咱咱咱们该如何在无需经常给电池充电的环境下向这些设备供电?该解决计划便是停止能量收集,赛普拉斯(Cypress)开拓板为咱咱咱们供给了一个便利的抉择。

  电源成就

  虽然可穿戴设备的立异正在赓续加快,但电池技术领域仍处于落后状况。分外是电池寿命带来了严重成就。与智能手机分歧,在咱咱咱们的日常生活中,眼镜、手表、鞋子和衣服等类似物品都不能停止充电。如果今后必要对这些物品频繁充电,人咱咱们会觉得非常麻烦。可穿戴设备必要一块应用寿命足够长的电池,以确保咱咱咱们几乎无需把这些设备拿下来充电,从而使咱咱咱们的身体几乎意识不到它咱咱们的存在。

  可穿戴设备通常请求体积小、品格轻。成就是,以后市场上的电池几乎面对着同一个成就,那便是电池体积越小,其能量密度也就越小。半导体仍然可以或许跟上摩尔定律,每一年以200%的速率加快小型化的睁开速率。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晋升了约350%,这还不到半导体小型化速率的10%。

  如果说咱咱咱们确切已证实电池技术的提高过于缓慢,那么咱咱咱们理所当然地要寻找其余解决计划。这促使咱咱咱们考虑最近出现的一种被称为能量收集的全新技术。能量收集包含收集或收集咱咱咱们周围的能源(如光、振动和热量)所发生的少量环保能源并将其转换为电能。咱咱咱们必要研究该技术是否能为咱咱咱们供给一种可以或许延长可穿戴设备的电池应用寿命,甚至无需电池便可使可穿戴设备运行的办法。必要注意的是,能量收集技术还远未成熟。例如,在不装配电池的环境下,它还无法使腕表式可穿戴设备运行。尽管如斯,它对付一些设备,如用于将简略的数据从传感器传输到智能手机从而记载日常运动的设备来说,仍是一个抱负的抉择计划。

  加快能量收集技术的应用

  能量收集技术为很多可穿戴设备供给了一个非常具有睁开远景的电源解决计划。还多工程师对此技术还不认识,而且该技术的实行可能会消耗很多宝贵的光阴,而开拓团队本可用这些光阴来增强其产品的中央价值主意。赛普拉斯的MB39C811-EVBSK-02 Bluetooth Smart Beacon入门套件为嵌入式工程师供给了一个简略、快捷地尝试能量收集的计划抉择。

  该套件包含作为模范功效的赛普拉斯MB39C811电源办理集成电路(IC),和一个允许在用户地区停止程序重写的Bluetooth Smart模块和一个用于操纵检查室内应用的太阳能电池板(参见图2)。MB39C811是集成为了一个低功耗的全波整流桥和一个比较器体系的高效力降压DC/DC转换器IC。当衔接到一个单独供给的振动收集器,如压电装配时,入门套件可在应用振动能量和室内光能的混合情势下操纵。

  图2:赛普拉斯MB39C811-EVBSK-02 Bluetooth Smart Beacon入门套件采纳了一个专门用于压电或太阳能电池能量收集器的高效力降压型DC / DC转换器。

  该套件还包含一块电路板,上面带有预先写好的用于操纵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),该电路板会仅应用从其太阳能电池板上获得的能量将蓝牙智能Beacon数据包主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:当太阳能电池板遭到500lux的照明时,入门套件会将蓝牙智能Beacon数据包主动传送到智能手机上。

  智能鞋:在运动中停止能量收集

  为了测试套件,咱咱咱们将能量收集技术利用到了一个计划用于传输一个儿童地位的可穿戴式接近传感器上。咱咱咱们将电路板和发电装配度攵的鞋中,并让咱咱咱们的测试对象来回走动50米的距离,来测试能否获得地位数据。首先,根据按照iBeacon模范应用的接收信号强度指示(RSSI),应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:

  此中,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)。 咱咱咱们抉择了一个电磁感应型的振动收集设备,从而使测试对象的运动所发生的振动被转化为用于发射无线电波的电能(参见图4)。别的,该计划采纳了太阳能电池板,从而使设备可以或许或许在颠末过程振动或光照获得能量的条件下操纵。颠末过程这种混算计划,即使在儿童不动时,也可以或许或许检测到儿童的地位。

  图4:入门套件使装配在儿童鞋上的地位传感器由从振动和太阳能资源中收集到的能量来停止供电。

  结果显示,该装配胜利地颠末Bluetooth? SmartBeacon将数据传送到智能手机上(参见图5)。仅由儿童走动所发生的振动能来供电,传感器便可以或许检测和传输儿童的地位。类似该例子的试验有望帮助咱咱咱们应用由赛普拉斯供给的能量收集技术解决与可穿戴设备相干的电池成就。

  图5:在测试中,测试对象走到独虢邮器50m的地方然后再返回。距离与光阴的相干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)的环境下操纵的有用性。

  能量收集技术为咱咱咱们应对可穿戴设备市场的挑衅带来了弘大盼望。各个领域正在开拓包含赛普拉斯电源办理IC的用于能量收集实际生活中的设备。它重要针对用于机对机(M2M)通讯等类似应用而且作为工业物联网(IoT)的一部分停止实行的免蓄电池无线传感器终端。开拓商和制作商应静观该公司行将发布的全新产品。同样,该公司计划在不久的未来供给专门用于解决可穿戴设备领域电池成就的电源办理IC和低功耗微节制器(MCU)。

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