为可穿戴系统供电的PAN能量收集技术.doc
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1、为可穿戴系统供电的PAN能量收集技术低功率硅器件的开发为能量收集提供了机会,以提供大部分(如果不是全部)连接器身周围设备的能力。这些“个人区域网络”(PAN)可以通过身体的运动或散热来利用新一代超低功耗无线硅收发器连接身体周围的设备。能量收获元件 - 无论是移动还是热能 - 最常用于为柔性聚合物电池充电,以便为无线链路提供电力。当仅发送少量数据时,这最有效,例如提供位置或医疗信息的更新,而不是身体周围的流媒体音乐或视频的更高能量负荷。这种较小的工作周期更适合于通过能量收集产生的较低功率。正在开发几种利用身体运动的不同技术。用于PAN的一种成熟的能量收集技术是压电振动传感器,其可用于捕获振动能量
2、。这尤其与鞋类,特别是训练鞋有关,其中恒定运动产生电流以为无线链路供电。这已经在耐克的“智能”鞋中实现,它提供了一个回到手机或可穿戴终端的链接,提供了诸如足迹数或平均速度等数据。大学的研究人员威斯康星 - 麦迪逊开发了一种鞋内系统,可以收集行走所产生的能量,声称能耗近20瓦。这一过程被研究人员称为“反向电润湿”,通过微流体装置将运动转化为电能,其中数千个微滴(未公开的无毒,廉价液体)与纳米结构基质相互作用。据称该过程的功率密度高达每平方米一千瓦。这为密封电池供电,为网络链路供电。比利时IMEC的研究人员采用了一种不同的方法,他们在金属电极之间开发了一种带有压电氮化铝层的微机械悬臂。这形成了一个
3、电容器,当悬臂杆振动时会产生电荷,从而产生电能。然后可以收获电容器两端的电压以驱动无线电路。这种方法的一个关键优势是MEMS器件可以构建在标准的6英寸CMOS晶片上。这提供了与无线收发器一起集成的潜力,可以直接或通过在服装周围分配电力。MidTechnologyV22BL悬臂压电晶体可用于从低至26 Hz的振动源获取能量。然而,必须充分理解振动环境,并且这对于诸如鞋或行走者之类的系统来说可能是困难的,因此最好的方法是使用加速度计测量振动。一旦捕获了数据,快速傅立叶变换(FFT)就会提取频率信息。 Mid提供独立的振动表征设备,可轻松安装到许多不同的振动环境中,以捕获难以到达区域的数据。内置计时
4、器可以捕获许多不同类型的振动,简单的USB接口允许设计人员/用户轻松表征任何振动。这也有助于确保晶体不会受到过度振动,从而损坏器件并缩短其使用寿命。图1:MidTechnologyV22BL悬臂压电晶体。收获能量不仅仅与传感器有关。功率转换也很重要,特别是在身体周围。凌力尔特公司已将低损耗全波桥式整流器与高效降压转换器集成在一起,该转换器针对此类高输出阻抗能源进行了优化。 LTC3588-2是一款超低静态电流欠压锁定(UVLO)模式,具有16 V上升阈值,可从具有高开路电压的压电传感器中有效提取能量。新西兰的研究人员还开发了一类称为“介电弹性体发生器”(DEG)的可变电容器发生器,可用于为体网
5、络供电。弹性体的使用以前受限于对庞大,刚性和昂贵的外部电路的需求,但奥克兰生物工程研究所的仿生学实验室的研究人员开发了一种柔性,柔软的介电弹性体发生器,其可拉伸的电路元件集成在膜内。该发电机的能量密度为10 mJ/g,效率为12,简单地由低成本的丙烯酸膜和安装在框架中的碳脂组成,使其更易于用于衣服为网络链路供电。热功率热传感器也可用于身体周围,通过温差产生电能。珀耳帖效应通常用于冷却电子系统,但也可用于从衣服内部和外部之间的温度梯度产生电流。这可用于涓流供电或直接为无线链路供电。利用德州仪器的MSP430微控制器和灵活的热电薄膜技术,可以演示热电网络电子电子设备。这些被集成到与无线传感器设备相
6、连的臂带中,这些设备仅使用佩戴者的体热作为主要能量来收集和传输生理数据。MSP430是一款具有16位RISC的超低功耗控制器对应用程序高度透明的体系结构。除了程序流指令之外的所有操作都作为寄存器操作与源操作数的七种寻址模式和目标操作数的四种寻址模式一起执行。 CPU集成了16个寄存器,可缩短指令执行时间,使寄存器到寄存器的操作执行时间为CPU时钟的一个周期。这与低功率铁电存储器相结合,提供了非常低的能量消耗,使其能够由热电膜供电。在工作模式下,它在1 MHz和2.2 V时使用220A,而在待机状态下仅使用0.5A。待机模式下的超快速唤醒仅需1s,因此只需在捕获传感器数据并将其发送到变送器时,控
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