可穿戴生理信息監(jiān)測(cè)的自供電系統(tǒng)研究*

李 敏，李 玲，張加宏*，高 翔，劉清惓，王 立

(1.南京信息工程大學(xué)，江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210044；2.南京信息工程大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210044)

在傳統(tǒng)的醫(yī)院醫(yī)療設(shè)備中，人們結(jié)合計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)以及紅外采集技術(shù)等諸多技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)對(duì)心血管疾病的臨床診斷[1]，但此種設(shè)備往往體積龐大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)日常監(jiān)測(cè)人體生理信息的需要，且需要專業(yè)的醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行操作和評(píng)估。在這一矛盾之下，催生了更加舒適又廉價(jià)的可穿戴生理信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。當(dāng)今，可充電電池是可穿戴系統(tǒng)的主流供電器件，然而其報(bào)廢處理成本高、使用壽命有限且易對(duì)環(huán)境造成污染[2]，可以推斷可充電電池并不能作為未來(lái)可穿戴系統(tǒng)供電源的最佳選擇。針對(duì)可穿戴生理信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的供電問(wèn)題，綠色能源也可以發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)作用。例如人體在運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)釋放多種生物力學(xué)能量，并且這種能量是可再生、可持續(xù)性的[3-4]，通過(guò)某種能量俘獲設(shè)備來(lái)收集這些能量給可穿戴設(shè)備供電，有望作為電池供電的理想替代方案。

過(guò)去的幾十年里，科學(xué)家們已經(jīng)研究了多種將生物與環(huán)境能量轉(zhuǎn)換成電能的機(jī)制，比如利用電磁感應(yīng)開(kāi)發(fā)環(huán)境中振動(dòng)能量[5-6]或人體運(yùn)動(dòng)能[7]，利用摩擦起電與靜電感應(yīng)相耦合的原理開(kāi)發(fā)波浪能、風(fēng)能、振動(dòng)能等能量[8-10]，利用壓電效應(yīng)開(kāi)發(fā)振動(dòng)能與人體運(yùn)動(dòng)機(jī)械能[11-12]等。2010 年Wang 等[13]研制了一種能夠?qū)⒘黧w產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化成電能的電磁能量采集裝置。2013 年，佐治亞理工學(xué)院的Zhu 等[14]使用PDMS 薄膜和表面涂覆了金納米顆粒的金薄膜作為摩擦材料，制造了一種分層結(jié)構(gòu)的摩擦發(fā)電裝置，可用于收集風(fēng)能、足底機(jī)械能以及波浪能等能量。2017年，西安電子科技大學(xué)的樊康旗等[15]設(shè)計(jì)了一種置于鞋底的壓電能量收集器，用于捕獲人體運(yùn)動(dòng)時(shí)沿脛骨和腳面兩個(gè)方向的足底機(jī)械能。以上能量采集器單獨(dú)應(yīng)用于生理信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)都會(huì)存在一些實(shí)用性上的問(wèn)題:①摩擦電能量收集裝置輸出的電流極低，能量難以收集；②電磁能量收集裝置一般為剛性結(jié)構(gòu)，難以與日常穿戴用品集成；③采集方式單一，能量供給的持續(xù)性受到較大約束。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種可與鞋體集成的壓電-光電復(fù)合能量收集裝置，用以收集人體運(yùn)動(dòng)時(shí)的足底機(jī)械能與室內(nèi)光能，并著重研究了其為可穿戴生理信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)間斷供電的可行性。具體地，結(jié)合人體足部生理結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)時(shí)足底受力分布特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了三種足底壓電采集裝置，壓電材料選擇鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷(PZT-5H)，由步行時(shí)足底運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)壓電采集器實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，光電采集器采用柔性非晶硅太陽(yáng)能電池薄膜陣列，粘貼于鞋面。同時(shí)，本文設(shè)計(jì)了能量存儲(chǔ)管理控制電路，將收集到的能量存入超級(jí)電容，為生理信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)定時(shí)、按需供電。

1 理論模型

1.1 光電能量收集器光電轉(zhuǎn)換模型

光電能量收集器將環(huán)境光能轉(zhuǎn)換為電能，利用半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光電能量轉(zhuǎn)換，其核心為PN 結(jié)，光照產(chǎn)生的非平衡載流子在PN 結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)作用下，電子和空穴分別向N 區(qū)和P 區(qū)漂移形成非平衡載流子的積累，從而在PN 結(jié)兩端產(chǎn)生正偏電壓。室內(nèi)光照條件下，非晶硅弱光型太陽(yáng)能電池在轉(zhuǎn)換效率上具有優(yōu)勢(shì)，可兼顧室內(nèi)與室外環(huán)境，柔性的非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池則有利于可穿戴系統(tǒng)中人體工學(xué)設(shè)計(jì)需要。圖1 所示為光電池的一種光電轉(zhuǎn)換等效電路模型，由光生電流源Iph、漏電流二極管D、等效并聯(lián)損耗電阻Rsh和等效串聯(lián)損耗電阻Rs串并聯(lián)構(gòu)成，RL為負(fù)載電阻，流過(guò)二極管D 的漏電流ID和二極管兩端電壓VD的關(guān)系可表示為[16]:

圖1 光電池光電轉(zhuǎn)換等效電路

式中:I0為二極管反向飽和電流，VT為溫度電壓當(dāng)量，n是考慮到耗盡層仍存在一些復(fù)合因素的非理想情況下的二極管因子，取值在1～2 之間。利用電流疊加原理，可得出光電池的負(fù)載輸出特性關(guān)系為:

式中:I和U分別表示光電池的輸出電流和輸出電壓。

1.2 壓電能量收集器機(jī)電轉(zhuǎn)換模型

壓電能量收集器將人體運(yùn)動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能，利用壓電材料的正壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。足底運(yùn)動(dòng)能屬于超高壓力型能量源，剛性結(jié)構(gòu)制備的宏觀壓電能量收集器在低頻、高壓力型的體外斷續(xù)式運(yùn)動(dòng)能收集中具有優(yōu)勢(shì)，在實(shí)現(xiàn)mW 級(jí)平均回收功率的同時(shí)，足底安裝方式也能有效克服剛性結(jié)構(gòu)對(duì)人體舒適性的影響。PZT 壓電陶瓷通過(guò)改變Zr/Ti比或引入微量雜質(zhì)等方式對(duì)材料加以改性，以滿足多樣化的性能需求。PZT-5H 壓電陶瓷采用軟性摻雜，利用高價(jià)正離子取代低價(jià)正離子增大材料的機(jī)電耦合系數(shù)和壓電/介電常數(shù)，適合于制作高輸出型的壓電能量收集器。

工作于彎曲模式的壓電雙晶片結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、邊界條件多樣和諧振頻率較低的特點(diǎn)，非常適用于在足底受力環(huán)境中將外部壓力產(chǎn)生的形變能轉(zhuǎn)換為電能。每個(gè)壓電雙晶振子的兩個(gè)壓電陶瓷晶體片粘合在富有彈性的基板兩側(cè)構(gòu)成電能輸出負(fù)極，上層壓電陶瓷晶體片的表面與下層壓電陶瓷晶體片的表面相連構(gòu)成電能輸出的正極[17]。壓電雙晶片由兩個(gè)d31模式振動(dòng)的壓電材料在厚度方向粘接而成，雙晶片在電學(xué)上可串聯(lián)或并聯(lián)連接，設(shè)計(jì)中選用了并聯(lián)型壓電雙晶片以提高輸出電流能力。

并聯(lián)型雙晶片壓電梁結(jié)構(gòu)如圖2 所示，頂層和底層為壓電極板，芯層為金屬板，結(jié)構(gòu)上下對(duì)稱，長(zhǎng)度和寬度分別為l、b，壓電層厚度為hp，壓電陶瓷中間層到中性軸的距離為hpc，壓電極板均沿著厚度方向極化，極化方向相同，瞬態(tài)電場(chǎng)方向相反。結(jié)構(gòu)的兩端簡(jiǎn)支，中性軸位于芯層金屬板橫截面的中部，相應(yīng)的壓電機(jī)電轉(zhuǎn)換等效電路模型如圖3 所示，圖中電容Cp表示上下兩個(gè)壓電極板的壓電層內(nèi)部電容，電流源ibp(t)表示上下兩個(gè)壓電極板的輸出電流，負(fù)載電阻RL兩端的電壓為vbp(t)。通常壓電片的泄漏電阻遠(yuǎn)大于負(fù)載電阻，因此模型中已將壓電片的泄漏電阻忽略。在第一類邊界條件下，選擇電場(chǎng)強(qiáng)度E和應(yīng)力T為自變量，電位移D和應(yīng)變S為因變量，相應(yīng)壓電方程稱為第一類壓電方程[18]。

圖2 并聯(lián)型雙晶片壓電梁結(jié)構(gòu)示意圖

如圖3 所示，根據(jù)基爾霍夫電流定律，建立機(jī)械耦合電路方程:

式中:Cp表示壓電層內(nèi)部電容，vbp(t)表示負(fù)載電阻RL兩端的電壓。

根據(jù)給出的壓電梁的壓電本征關(guān)系，結(jié)合歐拉-伯努利梁理論對(duì)壓電層的電位移進(jìn)行面積積分得到壓電雙晶片產(chǎn)生的總電荷q(t)[19]:

式中:b表示壓電片寬度，hp表示壓電層厚度、hpc表示壓電陶瓷中間層到中性軸的距離、表示電場(chǎng)為常數(shù)時(shí)的彈性柔順常數(shù)、w(x，t)表示梁的撓度、表示應(yīng)力介電常數(shù)。

壓電層內(nèi)部電容Cp:

式中:l表示壓電片長(zhǎng)度。

壓電輸出電流ibp(t)的理論計(jì)算公式為:

式中:(t)表示r階模態(tài)響應(yīng)函數(shù)，表示模態(tài)耦合項(xiàng)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

圖4 所示復(fù)合能量自供電生理信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由復(fù)合能量收集鞋、系統(tǒng)集成電路板和敏感單元三個(gè)主要部分構(gòu)成。復(fù)合能量收集鞋負(fù)責(zé)收集能量供整個(gè)系統(tǒng)工作，安裝有壓電能量收集器(足底三種壓電能量收集結(jié)構(gòu))、光電能量收集器(鞋面的柔性太陽(yáng)能電池板)和接口電路板，收集器經(jīng)接口電路板將收集到的能量有線傳送給系統(tǒng)集成電路板進(jìn)行存儲(chǔ)管理。系統(tǒng)集成電路板負(fù)責(zé)能量的存儲(chǔ)管理、敏感信號(hào)檢測(cè)處理以及無(wú)線通信等，由能量存儲(chǔ)管理控制電路(含有超級(jí)電容)、敏感信號(hào)檢測(cè)電路和無(wú)線通信等電路構(gòu)成，安裝于對(duì)人體運(yùn)動(dòng)影響較小的部位，例如胸前、腹部、后背、大腿外側(cè)等。敏感單元包括心電與呼吸信號(hào)敏感單元、運(yùn)動(dòng)參數(shù)敏感單元以及超寬帶定位單元。其中，心電與呼吸信號(hào)敏感單元由與人體直接接觸的Ag/AgCl 電極構(gòu)成。如圖4 中接線連接圖所示，以單導(dǎo)聯(lián)雙電極方式連接至系統(tǒng)集成PCB 電路板，此方式需要三根導(dǎo)聯(lián)線，分別接LA、RA、RL 電極。LA、RA 電極連接人體左小腿及右小腿，RL 電極連接右前臂，用于與內(nèi)部電路形成負(fù)反饋以消除工頻噪聲干擾。而需要供電的心電與呼吸敏感信號(hào)檢測(cè)電路、運(yùn)動(dòng)參數(shù)敏感單元以及超寬帶定位單元?jiǎng)t直接集成在系統(tǒng)PCB 電路板中，敏感單元檢測(cè)信號(hào)經(jīng)板載MCU 計(jì)算處理后由藍(lán)牙無(wú)線傳送給手機(jī)上位機(jī)。如圖4 所示，本文選擇超級(jí)電容作為電能存儲(chǔ)與放電器件，整個(gè)系統(tǒng)集成PCB 電路板上需要供電的模塊均由PCB 板上的超級(jí)電容供能，能量損耗小。

圖4 自供電生理信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖

2.2 微能量采集裝置

壓電-光電復(fù)合能量收集鞋結(jié)構(gòu)如圖5(a)所示，粘貼于鞋面、串聯(lián)方式連接的柔性非晶硅太陽(yáng)能電池薄膜陣列用于采集室內(nèi)光能，實(shí)物如圖5(b)所示，每片太陽(yáng)能電池長(zhǎng)約11 cm，寬約1.5 cm，兩只鞋面均使用三片柔性太陽(yáng)能電池薄膜串聯(lián)構(gòu)成陣列；內(nèi)嵌于鞋底、電學(xué)上獨(dú)立連接的多種形狀壓電片用于采集足底的機(jī)械能，壓電收集裝置的實(shí)物圖如圖5(c)所示，多片圓形和方形壓電片構(gòu)成三種類型的壓電收集裝置:六邊形壓電能量收集器、雙層壓電圓片陣列和拱形壓電能量收集器。

圖5 復(fù)合能量收集鞋

六邊型壓電能量收集器結(jié)構(gòu)示意如圖6(a)所示，此結(jié)構(gòu)主要由6 片圓形雙晶陶瓷壓電片、多個(gè)彈簧、帶有凹槽的硬質(zhì)多孔聚氨酯以及彈性框架構(gòu)成，框架在加壓釋壓過(guò)程中具有很強(qiáng)的形狀回復(fù)性。帶有凹槽的硬質(zhì)多孔聚氨酯按照?qǐng)D6(a)所示的位置粘接在框架內(nèi)，每片圓形壓電片以圓心對(duì)稱的邊緣兩支點(diǎn)被嵌入凹槽內(nèi)固定?？蚣軆?nèi)上層3 片壓電片均通過(guò)彈簧與下層3 片壓電片相連，當(dāng)框架受到向下的壓力時(shí)，彈簧被壓縮，彈簧的張力使得6 片壓電片產(chǎn)生形變。當(dāng)外力消失，框架、彈簧以及壓電片恢復(fù)原狀。

圖6 不同壓電能量收集器結(jié)構(gòu)示意圖

雙層壓電圓片陣列結(jié)構(gòu)示意如圖6(b)所示，此結(jié)構(gòu)主要由圓形雙晶陶瓷壓電片、塔狀彈簧(以下簡(jiǎn)稱為塔簧)、尼龍圓柱以及上下兩層基板構(gòu)成，塔簧大徑端粘接上基板以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，小徑端粘接壓電片。兩片壓電片由3 個(gè)尼龍圓柱支點(diǎn)支撐，經(jīng)反復(fù)測(cè)試后，與下基板粘接的尼龍圓柱直徑確定為4 mm，兩層壓電片之間的粘接的圓柱直徑確定為2.5 mm，此時(shí)雙層壓電圓片陣列結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，同時(shí)壓電片具有更大的形變以及電壓輸出。當(dāng)塔簧受到外力壓縮，彈簧張力與圓柱支點(diǎn)的反作用力使得兩片壓電片分別從相反的方向受力形變。當(dāng)外力消失，塔簧和壓電片也恢復(fù)原狀態(tài)。

拱形壓電能量收集器結(jié)構(gòu)示意如圖6(c)所示，雙晶壓電片的正反兩面銀層電極與銅片基板采用并聯(lián)連接方式。每個(gè)壓電片四角都對(duì)稱性打孔，然后由尼龍螺栓和螺帽等距分隔固定，兩層壓電片之間的距離可以由螺帽和螺栓調(diào)節(jié)。使用PVC 薄膜包裹壓電片上的壓電陶瓷以加強(qiáng)壓電片的韌性，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量，被PVC 薄膜包裹后的壓電片的可形變范圍也得到了一定程度的增加。與足部直接接觸的壓電片粘接尼龍圓柱，將垂直激勵(lì)傳遞到下面的壓電片使其形變，底層壓電片粘接4 只可壓平的塔簧，塔簧不僅可以緩沖壓電片的形變速度，同時(shí)對(duì)外部激勵(lì)消失后壓電片的反向形變起到彈性放大的作用。

2.3 能量存儲(chǔ)管理控制電路

能量存儲(chǔ)與管理控制電路是微能量收集系統(tǒng)的核心部分。為了實(shí)現(xiàn)定時(shí)、按需供電這一目的，本文采用有源能量收集模式，能量存儲(chǔ)電路原理如圖7所示。壓電能量收集器的壓電輸出是交流電，因此在壓電信號(hào)進(jìn)入能量存儲(chǔ)電路之前，壓電能量收集器中的每一片壓電片需通過(guò)由18 個(gè)全波整流電路組成的能量輸入接口電路，分別整流后與流經(jīng)二極管輸入的光電直流信號(hào)并聯(lián)，輸入的能量首先存儲(chǔ)到小電容C1中，利用PMOS 管Q1的傳輸特性實(shí)現(xiàn)電能動(dòng)態(tài)優(yōu)先分配的功能。

圖7 能量存儲(chǔ)電路原理圖

在滿足能量管理控制電路工作所需的前提下，多余電能再按序存入0.1 F 超級(jí)電容C2、1F 超級(jí)電容C3與7F 超級(jí)電容C4中，通過(guò)電阻R1和R2可調(diào)節(jié)電容C1的穩(wěn)定電壓，即能量管理控制電路的工作電壓。超級(jí)電容C2用作能量管理控制電路的后備電池，沒(méi)有能量源輸入時(shí)通過(guò)PMOS 管Q1的寄生二極管向電容C1充電，確保能量管理控制電路在沒(méi)有輸入時(shí)仍能工作較高時(shí)長(zhǎng)。超級(jí)電容C3與超級(jí)電容C4用于給后續(xù)系統(tǒng)供電，一大一小的配置，既保證初次充電時(shí)能以較快的速度讓儲(chǔ)能電容達(dá)到對(duì)外供電的閾值電壓，又保證了系統(tǒng)有較大儲(chǔ)能，在沒(méi)有能量源輸入時(shí)仍可維持較長(zhǎng)時(shí)間的供電能力。超級(jí)電容C1、C3和C4之間的優(yōu)先充電功能利用雙PMOS 管芯片U1 實(shí)現(xiàn)。

由于可收集的能量理論上無(wú)法滿足硬件電路不間斷工作所需，且能量源的供給會(huì)隨著人體活動(dòng)狀態(tài)隨機(jī)中斷，因此合理調(diào)配極其有限的儲(chǔ)能，實(shí)現(xiàn)電能的高效利用，是能量管理控制電路設(shè)計(jì)中必須考慮的，將能量管理控制電路設(shè)計(jì)成定時(shí)、按需輸出可有效解決這一問(wèn)題。能量管理控制電路的原理如圖8 所示，定時(shí)器芯片U2 每20 min 打開(kāi)PMOS 管Q2一次，使得DC-DC 芯片U4 構(gòu)成的穩(wěn)壓電路能夠獲得超級(jí)電容的電能輸入，如果此時(shí)超級(jí)電容電能充足，施密特觸發(fā)器U3 同時(shí)也會(huì)給出高電平使能DC-DC 穩(wěn)壓電路，DC-DC 輸出穩(wěn)定電壓使后級(jí)生理信息監(jiān)測(cè)電路進(jìn)入上電工作狀態(tài)，定時(shí)控制信號(hào)DRV 的保持時(shí)間被設(shè)計(jì)成足夠生理信息監(jiān)測(cè)電路工作一次所需，但冗余時(shí)間會(huì)造成能量的額外釋放，生理信息監(jiān)測(cè)電路工作完成后給出的DONE 反饋信號(hào)可立即切斷DC-DC 電路的電能輸入，從而實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能的按需輸出。

圖8 能量管理控制電路原理圖

2.4 生理信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

如圖9 所示，生理信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包含MCU 主控單元STM32L1、心電與呼吸信號(hào)采集單元(含ADS1292R 芯片)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)量單元LIS3DH 三軸加速度計(jì)、超寬帶定位單元DW1000 與無(wú)線通信單元藍(lán)牙JDY-19。除心電與呼吸信號(hào)采集單元的敏感電極需要粘貼到人體腿部和手臂外，這幾個(gè)需要供電的單元均集成在一塊系統(tǒng)PCB 板上由超級(jí)電容供電。

圖9 生理信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

生理信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由MCU 控制DW1000 超寬帶定位單元、心電與呼吸信號(hào)采集單元和運(yùn)動(dòng)參數(shù)監(jiān)測(cè)單元依次上電采集數(shù)據(jù)，各單元采集完數(shù)據(jù)立即對(duì)其斷電以節(jié)省電能。全部數(shù)據(jù)采集完成后，MCU 通過(guò)相應(yīng)算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[20]，處理完成后，結(jié)果通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線發(fā)送到手機(jī)上位機(jī)實(shí)現(xiàn)生理信息的存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)、顯示等，全部工作完成后給出反饋信號(hào)斷開(kāi)DC-DC 穩(wěn)壓電路的能量供給。生理信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件部分的工作流程如圖10 所示。

圖10 生理信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作流程圖

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果及分析

3.1 能量收集器輸出功率測(cè)試

正常使用情況下，三種壓電裝置中的壓電片均采用獨(dú)立方式接入能量收集電路，分別整流后并接在一起。壓電能量收集測(cè)試實(shí)驗(yàn)則按照前文所述三種構(gòu)型壓電裝置的分類對(duì)壓電片分組進(jìn)行獨(dú)立測(cè)試。圖11(a)所示是三種結(jié)構(gòu)分別接入能量收集電路后，普通成年人以1.2 m/s 的勻速步行狀態(tài)為壓電裝置提供激勵(lì)，超級(jí)電容電壓隨時(shí)間上升的變化曲線，圖11(b)所示是換算得到的壓電裝置輸出功率，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，拱形結(jié)構(gòu)具有最大的電能輸出，30 min 內(nèi)的平均輸出功率為86 μW，雙層壓電圓片陣列其次，平均輸出功率為59 μW，六邊形結(jié)構(gòu)與雙層壓電圓片陣列輸出效果相近，平均輸出功率為54 μW。

圖11 超級(jí)電容電壓上升情況與輸出功率

圖12 所示為室內(nèi)環(huán)境中光電能量收集測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖。從早上7 點(diǎn)到晚上7 點(diǎn)，每個(gè)整點(diǎn)時(shí)刻將光電能量收集器接入能量收集電路進(jìn)行充電，每次充電20 min，20 min 之后測(cè)量超級(jí)電容中的電壓值上升情況，測(cè)量結(jié)束將超級(jí)電容完全放電。圖12(a)所示為不同時(shí)刻20 min 內(nèi)1 F 超級(jí)電容電壓上升情況。從圖中可以看出，光電能量收集器有較強(qiáng)的弱光性，盡管是在室內(nèi)光照情況下，也有較強(qiáng)的輸出性能。在一天的不同時(shí)刻，超級(jí)電容電壓上升情況浮動(dòng)變化并不明顯，在1.296 V 至1.42 V 之間波動(dòng)，其中在中午11 點(diǎn)至13 點(diǎn)時(shí)間段內(nèi)，超級(jí)電容內(nèi)的電壓上升最快，由于室外光照在此時(shí)間段最強(qiáng)，間接影響到室內(nèi)光強(qiáng)；而在其他時(shí)刻，室外光較弱，對(duì)室內(nèi)光強(qiáng)的影響亦相對(duì)較低，在下午5 點(diǎn)至7 點(diǎn)最為明顯。光電能量收集器的輸出功率與超級(jí)電容電壓增加量之間的換算關(guān)系為:

圖12 光電能量收集器充電情況

式中:P為功率，C表示超級(jí)電容的容值1 F，U為超級(jí)電容上升的電壓，T為充電時(shí)間20 min。將式(8)計(jì)算得到的輸出功率繪制成圖12(b)所示曲線，相應(yīng)地可以觀察到在中午11 點(diǎn)至13 點(diǎn)時(shí)間段內(nèi)，光電能量收集器輸出功率最高，最高為640 μW，在下午5 點(diǎn)至7 點(diǎn)時(shí)間段內(nèi)，太陽(yáng)能電池板輸出功率較低，最低為520 μW。在早上7 點(diǎn)到晚上7 點(diǎn)時(shí)間段內(nèi)的平均輸出功率為590 μW。

壓電-光電復(fù)合能量收集測(cè)試實(shí)驗(yàn)的測(cè)試條件如下:在室內(nèi)環(huán)境中，將兩只復(fù)合能量收集鞋接入能量收集電路中，每只鞋體包含兩只拱形結(jié)構(gòu)壓電能量收集器、一只六邊形結(jié)構(gòu)壓電能量收集器、一只雙層壓電圓片結(jié)構(gòu)能量收集器以及鞋面上的光電能量收集器，測(cè)試場(chǎng)景如圖13(a)所示。測(cè)試前將超級(jí)電容完全放電，普通成年人以1.2 m/s 的勻速步行狀態(tài)為壓電裝置提供激勵(lì)，20 min 后測(cè)量1F 超級(jí)電容的電壓值，重復(fù)測(cè)試6 次，得到圖13(b)所示的每次測(cè)試中超級(jí)電容上升的電壓值以及相對(duì)應(yīng)的輸出功率，由圖可以看出復(fù)合能量收集鞋給能量存儲(chǔ)管理控制電路中的超級(jí)電容充電20 min，其輸出功率能夠穩(wěn)定在1.124 mW 以上，即產(chǎn)電1.349 J，由前文實(shí)際功耗測(cè)試可知，系統(tǒng)工作一次所需的電量約為1.04 J，因此復(fù)合能量收集鞋的輸出功率能夠滿足系統(tǒng)20 min 工作一次的電量消耗。

圖13 復(fù)合能量輸出功率

3.2 系統(tǒng)整體運(yùn)行測(cè)試與功耗分析

進(jìn)行系統(tǒng)整體運(yùn)行測(cè)試時(shí)，需穿戴好復(fù)合能量收集鞋、系統(tǒng)電路板、心率與呼吸率測(cè)量電極，并手持上位機(jī)接收顯示藍(lán)牙發(fā)出的信息，測(cè)試場(chǎng)景如圖14 所示。測(cè)試前，首先將超級(jí)電容完全放電，然后在晴朗白天的室內(nèi)活動(dòng)20 min，通過(guò)復(fù)合能量收集鞋給系統(tǒng)電路板上的超級(jí)電容充電，20 min 后到達(dá)指定的測(cè)試區(qū)域。圖14(a)所示是跑步狀態(tài)的測(cè)試場(chǎng)景，圖14(b)是手持上位機(jī)的局部放大圖。由圖14(a)可以發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)電路板的電源燈亮起，說(shuō)明DC-DC 芯片有電壓輸出。從圖14(b)中上位機(jī)顯示頁(yè)面可知，系統(tǒng)正常工作且上位機(jī)能收到信息。

圖14 系統(tǒng)整體運(yùn)行測(cè)試

圖15 所示是各測(cè)量單元在不同的情況下持續(xù)運(yùn)行9.85 s(理論功耗分析中一個(gè)工作周期所需時(shí)間)的功耗測(cè)試結(jié)果。其中，DW1000 單元與藍(lán)牙單元在持續(xù)運(yùn)行過(guò)程中均只收發(fā)一次數(shù)據(jù)。在生理信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，MCU 主控單元采用STM32L151 系列超低功耗單片機(jī)，心電與呼吸信號(hào)采集單元中采用ADS1292R 前端采集芯片，運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)量單元中采用LIS3DH 超低功耗加速度計(jì)傳感器，超寬帶定位單元采用DW1000 定位芯片，無(wú)線通信單元?jiǎng)t是采用低功耗藍(lán)牙模塊JDY-19。從測(cè)試結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，在近距離通信定位時(shí)，MCU 搭載DW1000 的工作電流低于理論值，MCU 搭載LIS3DH 以及JDY-19 運(yùn)行時(shí)的電流會(huì)略高于理論值，MCU 搭載ADS1292R 運(yùn)行時(shí)的電流與理論值相近。當(dāng)MCU搭載所有單元同時(shí)運(yùn)行9.85 s，功耗高達(dá)1.63 J，然而經(jīng)優(yōu)化工作流程后，在分時(shí)工作情況下整體功耗降至1.04 J。

圖15 不同傳感器工作時(shí)的功耗

系統(tǒng)整體運(yùn)行測(cè)試與能量收支單元測(cè)試均驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠在間斷式工作條件下實(shí)現(xiàn)供電自給。系統(tǒng)在能量的管理控制方面主要有兩個(gè)特點(diǎn):一是按需、定時(shí)供電以減少閑時(shí)能量消耗的設(shè)計(jì)思想在以往研究中未受重視，目前尚未見(jiàn)到有關(guān)報(bào)道；二是能量管理控制電路由基本功能的芯片與分立元件構(gòu)成，相較于前人研究中多采用的以ADI 公司LTC3588 系列能量管理芯片為核心構(gòu)成的能量收集解決方案[21-22]，元器件具備了更好的可替代性，不會(huì)遭受芯片的“卡脖子”問(wèn)題。

本文與其他文獻(xiàn)中壓電能量收集器的參數(shù)對(duì)比如表1 所示，不難發(fā)現(xiàn)俘獲能量的平均功率[23]處于同一量級(jí)，例如，本文復(fù)合能量收集裝置俘獲功率為1.124 mW，其中壓電能量收集裝置平均輸出功率大于540 μW，這與文獻(xiàn)[24]中相同數(shù)量的拱形壓電裝置的輸出功率554 μW 基本相同。而各文獻(xiàn)俘獲能量的平均輸出功率數(shù)值存在一定差異的主要原因在于:①各自實(shí)驗(yàn)條件不同，采用的壓電片材料、形狀、尺寸、結(jié)構(gòu)和數(shù)量存在差異。②從表1 中數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)有無(wú)阻抗匹配對(duì)俘獲的輸出功率有較大影響[24]。后續(xù)工作中我們將優(yōu)化系統(tǒng)阻抗匹配部分以俘獲更大輸出功率，進(jìn)一步縮短系統(tǒng)工作間斷的時(shí)間。

表1 本文與其他文獻(xiàn)中壓電能量收集器的參數(shù)對(duì)比

4 結(jié)論

本文提出了一種基于壓電-光電復(fù)合能量收集的、應(yīng)用于可穿戴生理信息監(jiān)測(cè)的自供電系統(tǒng)，測(cè)試結(jié)果表明:光電能量收集裝置在室內(nèi)從早上7 點(diǎn)至晚上7 點(diǎn)的平均輸出功率達(dá)到590 μW，壓電能量收集裝置在步行驅(qū)動(dòng)下的平均輸出功率達(dá)到540 μW，復(fù)合能量輸出功率能夠穩(wěn)定在1.124 mW 以上，20 min可產(chǎn)生電能1.349 J。對(duì)系統(tǒng)各單元進(jìn)行數(shù)據(jù)采集測(cè)試以及功耗測(cè)試，得出系統(tǒng)一輪工作的功耗為1.04 J，從能量收支平衡的角度驗(yàn)證了間斷式自供電的可行性。