能量采集入門(mén)套件使電池無(wú)需維護即可輕松運行

　　近年來(lái)，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(guān)察全球市場(chǎng)的可穿戴設備數量——該數字預計將從2013年的560萬(wàn)增長(cháng)到2020年的1.24億(見(jiàn)圖1)。有幾個(gè)因素正在推動(dòng)這一增長(cháng)。在大多數發(fā)達國家，智能手機市場(chǎng)幾乎已經(jīng)飽和，各制造商已經(jīng)開(kāi)始研發(fā)能夠開(kāi)創(chuàng )全新發(fā)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(lián)網(wǎng)(IoT)的出現也推動(dòng)了這一發(fā)展趨勢。同時(shí)，半導體技術(shù)使得具有更多功能、更小型化的設備以更高速度生產(chǎn)，也推動(dòng)了上述發(fā)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(chǎng)景變?yōu)楝F實(shí)。雖然可穿戴設備的發(fā)展潛力巨大，但仍然存在一個(gè)很大的問(wèn)題，那就是我們該如何在無(wú)需經(jīng)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(jìn)行能量采集，賽普拉斯(Cypress)開(kāi)發(fā)板為我們提供了一個(gè)方便的選擇。

　　電源問(wèn)題

　　雖然可穿戴設備的創(chuàng )新正在不斷加速，但電池技術(shù)領(lǐng)域仍處于落后狀態(tài)。特別是電池壽命帶來(lái)了嚴重問(wèn)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(lèi)似物品都不能進(jìn)行充電。如果今后需要對這些物品頻繁充電，人們會(huì )覺(jué)得非常麻煩?？纱┐髟O備需要一塊使用壽命足夠長(cháng)的電池，以確保我們幾乎無(wú)需把這些設備拿下來(lái)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(zhì)量輕。問(wèn)題是，當前市場(chǎng)上的電池幾乎面臨著(zhù)同一個(gè)問(wèn)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(fā)展速度。與此同時(shí)，在鋰離子二次電池推出后的20年來(lái)，電池技術(shù)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(shuō)我們確實(shí)已證實(shí)電池技術(shù)的進(jìn)步過(guò)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(chēng)為能量采集的全新技術(shù)。能量采集包括收集或采集我們周?chē)哪茉?如光、振動(dòng)和熱量)所產(chǎn)生的少量環(huán)保能源并將其轉換為電能。我們需要研究該技術(shù)是否能為我們提供一種能夠延長(cháng)可穿戴設備的電池使用壽命，甚至無(wú)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(shù)還遠未成熟。例如，在不安裝電池的情況下，它還無(wú)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(jiǎn)單的數據從傳感器傳輸到智能手機從而記錄日?；顒?dòng)的設備來(lái)說(shuō)，仍是一個(gè)理想的選擇方案。

　　加快能量采集技術(shù)的應用

　　能量采集技術(shù)為許多可穿戴設備提供了一個(gè)非常具有發(fā)展前景的電源解決方案。不過(guò)，許多工程師對此技術(shù)還不熟悉，并且該技術(shù)的實(shí)施可能會(huì )耗費許多寶貴的時(shí)間，而開(kāi)發(fā)團隊本可用這些時(shí)間來(lái)增強其產(chǎn)品的核心價(jià)值主張。賽普拉斯的MB39C811-EVBSK-02 Bluetooth® Smart Beacon入門(mén)套件為嵌入式工程師提供了一個(gè)簡(jiǎn)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(gè)允許在用戶(hù)區域進(jìn)行程序重寫(xiě)的Bluetooth® Smart模塊和一個(gè)用于操作檢查室內使用的太陽(yáng)能電池板(參見(jiàn)圖2)。MB39C811是集成了一個(gè)低功耗的全波整流橋和一個(gè)比較器系統的高效率降壓DC/DC轉換器IC。當連接到一個(gè)單獨提供的振動(dòng)采集器，如壓電裝置時(shí)，入門(mén)套件可在使用振動(dòng)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(mén)套件采用了一個(gè)專(zhuān)門(mén)用于壓電或太陽(yáng)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(xiě)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(shí)(在桌子上通常為400至500lux)，該電路板會(huì )僅使用從其太陽(yáng)能電池板上獲得的能量將藍牙智能Beacon數據包自動(dòng)傳送到智能手機上(參見(jiàn)圖3)。在500lux的環(huán)境下，傳送間隔被設定為1秒。

　　圖3：當太陽(yáng)能電池板受到500lux的照明時(shí)，入門(mén)套件會(huì )將藍牙智能Beacon數據包自動(dòng)傳送到智能手機上。

　　智能鞋-在運動(dòng)中進(jìn)行能量采集

　　為了測試套件，我們將能量采集技術(shù)運用到了一個(gè)設計用于傳輸一個(gè)兒童位置的可穿戴式接近傳感器上。我們將電路板和發(fā)電裝置嵌入兒童的鞋中，并讓我們的測試對象來(lái)回走動(dòng)50米的距離，來(lái)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(chǎng)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(shí)際接收強度(測量值)。 我們選擇了一個(gè)電磁感應型的振動(dòng)采集設備，從而使測試對象的運動(dòng)所產(chǎn)生的振動(dòng)被轉化為用于發(fā)射無(wú)線(xiàn)電波的電能(參見(jiàn)圖4)。此外，該設計采用了太陽(yáng)能電池板，從而使設備能夠在通過(guò)振動(dòng)或光照獲取能量的條件下操作。通過(guò)這種混合設計，即使在兒童不動(dòng)時(shí)，也能夠檢測到兒童的位置。

　　圖4：入門(mén)套件使安裝在兒童鞋上的位置傳感器由從振動(dòng)和太陽(yáng)能資源中采集到的能量來(lái)進(jìn)行供電。

　　結果顯示，該裝置成功地經(jīng)由Bluetooth® SmartBeacon將數據傳送到智能手機上(參見(jiàn)圖5)。僅由兒童走動(dòng)所產(chǎn)生的振動(dòng)能來(lái)供電，傳感器便能夠檢測和傳輸兒童的位置。類(lèi)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(shù)解決與可穿戴設備相關(guān)的電池問(wèn)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(shí)間的關(guān)系示出了傳感器在光伏和振動(dòng)能量組合供電(左)或由振動(dòng)能量單獨供電(右)的情況下操作的有效性。

　　能量采集技術(shù)為我們應對可穿戴設備市場(chǎng)的挑戰帶來(lái)了巨大希望。各個(gè)領(lǐng)域正在開(kāi)發(fā)包含賽普拉斯電源管理IC的用于能量采集現實(shí)生活中的設備。它主要針對用于機對機(M2M)通信等類(lèi)似應用并且作為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的一部分進(jìn)行實(shí)施的免蓄電池無(wú)線(xiàn)傳感器終端。開(kāi)發(fā)商和制造商應靜觀(guān)該公司即將發(fā)布的全新產(chǎn)品。同樣，該公司計劃在不久的將來(lái)提供專(zhuān)門(mén)用于解決可穿戴設備領(lǐng)域電池問(wèn)題的電源管理IC和低功耗微控制器(MCU)。