低功率硅器件的開發為能量收集提供了機會，以提供大部分（如果不是全部）連接器身周圍設備的能力。這些“個人區域網絡”（PAN）可以通過身體的運動或散熱來利用新一代超低功耗無線硅收發器連接身體周圍的設備。

能量收獲元件 - 無論是移動還是熱能 - 最常用于為柔性聚合物電池充電，以便為無線鏈路提供電力。當僅發送少量數據時，這最有效，例如提供位置或醫療信息的更新，而不是身體周圍的流媒體音樂或視頻的更高能量負荷。這種較小的工作周期更適合于通過能量收集產生的較低功率。

正在開發幾種利用身體運動的不同技術。用于PAN的一種成熟的能量收集技術是壓電振動傳感器，其可用于捕獲振動能量。這尤其與鞋類，特別是訓練鞋有關，其中恒定運動產生電流以為無線鏈路供電。這已經在耐克的“智能”鞋中實現，它提供了一個回到手機或可穿戴終端的鏈接，提供了諸如足跡數或平均速度等數據。

大學的研究人員威斯康星 - 麥迪遜開發了一種鞋內系統，可以收集行走所產生的能量，聲稱能耗近20瓦。這一過程被研究人員稱為“反向電潤濕”，通過微流體裝置將運動轉化為電能，其中數千個微滴（未公開的無毒，廉價液體）與納米結構基質相互作用。據稱該過程的功率密度高達每平方米一千瓦。這為密封電池供電，為網絡鏈路供電。

比利時IMEC的研究人員采用了一種不同的方法，他們在金屬電極之間開發了一種帶有壓電氮化鋁層的微機械懸臂。這形成了一個電容器，當懸臂桿振動時會產生電荷，從而產生電能。然后可以收獲電容器兩端的電壓以驅動無線電路。這種方法的一個關鍵優勢是MEMS器件可以構建在標準的6英寸CMOS晶片上。這提供了與無線收發器一起集成的潛力，可以直接或通過在服裝周圍分配電力。

MidéTechnologyV22BL懸臂壓電晶體可用于從低至26 Hz的振動源獲取能量。然而，必須充分理解振動環境，并且這對于諸如鞋或行走者之類的系統來說可能是困難的，因此最好的方法是使用加速度計測量振動。一旦捕獲了數據，快速傅立葉變換（FFT）就會提取頻率信息。 Midé提供獨立的振動表征設備，可輕松安裝到許多不同的振動環境中，以捕獲難以到達區域的數據。內置計時器可以捕獲許多不同類型的振動，簡單的USB接口允許設計人員/用戶輕松表征任何振動。這也有助于確保晶體不會受到過度振動，從而損壞器件并縮短其使用壽命。

圖1：MidéTechnologyV22BL懸臂壓電晶體。

收獲能量不僅僅與傳感器有關。功率轉換也很重要，特別是在身體周圍。凌力爾特公司已將低損耗全波橋式整流器與高效降壓轉換器集成在一起，該轉換器針對此類高輸出阻抗能源進行了優化。 LTC3588-2是一款超低靜態電流欠壓鎖定（UVLO）模式，具有16 V上升閾值，可從具有高開路電壓的壓電傳感器中有效提取能量。

新西蘭的研究人員還開發了一類稱為“介電彈性體發生器”（DEG）的可變電容器發生器，可用于為體網絡供電。彈性體的使用以前受限于對龐大，剛性和昂貴的外部電路的需求，但奧克蘭生物工程研究所的仿生學實驗室的研究人員開發了一種柔性，柔軟的介電彈性體發生器，其可拉伸的電路元件集成在膜內。該發電機的能量密度為10 mJ/g，效率為12％，簡單地由低成本的丙烯酸膜和安裝在框架中的碳脂組成，使其更易于用于衣服為網絡鏈路供電。

熱功率

熱傳感器也可用于身體周圍，通過溫差產生電能。珀耳帖效應通常用于冷卻電子系統，但也可用于從衣服內部和外部之間的溫度梯度產生電流。這可用于涓流供電或直接為無線鏈路供電。

利用德州儀器的MSP430微控制器和靈活的熱電薄膜技術，可以演示熱電網絡電子電子設備。這些被集成到與無線傳感器設備相連的臂帶中，這些設備僅使用佩戴者的體熱作為主要能量來收集和傳輸生理數據。

MSP430是一款具有16位RISC的超低功耗控制器對應用程序高度透明的體系結構。除了程序流指令之外的所有操作都作為寄存器操作與源操作數的七種尋址模式和目標操作數的四種尋址模式一起執行。 CPU集成了16個寄存器，可縮短指令執行時間，使寄存器到寄存器的操作執行時間為CPU時鐘的一個周期。這與低功率鐵電存儲器相結合，提供了非常低的能量消耗，使其能夠由熱電膜供電。在工作模式下，它在1 MHz和2.2 V時使用220μA，而在待機狀態下僅使用0.5μA。待機模式下的超快速喚醒僅需1μs，因此只需在捕獲傳感器數據并將其發送到變送器時，控制器就可以關閉并上電。

這凸顯了醫療系統越來越多地使用能量收集，監測身體心臟和其他器官的關鍵驅動因素。

圖2：TI MSP430F20x1的功能框圖。

Cymbet CBC-EVAL-09熱評估板提供了一個Peltier效應器件來驅動無線鏈路，集成了提供電源所需的DC/DC轉換器。同樣，EnOcean的EDK312C評估套件也使用熱能為無線鏈路供電。

對于標準的低成本Peltier元件，這些器件的工作溫度典型值為20 mV，溫差為2 Kelvin。輸出功率在μW至mW的范圍內，并取決于Peltier元件的實際溫差。開發套件中的ECT 310經過精心設計和優化，可為無線傳感器的EnOcean無線電模塊供電，其輸入電壓范圍為20 mV至50 mV，輸出電壓范圍為3 V至4 V.

典型的熱驅動傳感器由傳感器元件，小型Peltier元件，ECT 310 DC/DC轉換器和EnOcean STM 300或STM 312無線電模塊組成，這些無線電模塊已經具有儲能功能。

圖3：EnOcean熱能收集評估套件。

太陽能

太陽能電池也可以成為可穿戴電子產品的主要供電商。由于許多手表已經由太陽能電池供電，因此其想法正在擴展到為無線設備供電。 EnOcean的ECS300太陽能電池也可以與EDK312C評估套件一起用作電源。

太陽能電池技術變得更加靈活，可以讓電池更容易地集成到外套等外套中。電池的效率也提高了，因此它們可以從室內和室內照明產生電力，從而提高其使用率。雖然它們可以直接用于為設備供電，但更常見的途徑是使用它們來涓流充電鋰離子電池，這些電池既輕便又可以集成到衣服中。這為顯示器和音樂播放器提供了動力，為LED和電致發光顯示器提供了電源。

Infinite Power Solutions的IPS-EVAL-EH-01評估板還展示了通用能量收集，高效的能量存儲和超低功率輸出調節，為使用太陽能電池開發自主供電的車身電子設備而設計的方便外形。

圖4： IPS能量收集評估板。

收獲的能量存儲在集成的固態可充電薄膜微能量電池（MEC）中。 MEC，也稱為固態電池（SSB），能夠在不需要更換電池的情況下使用應用的整個生命周期，并使深度嵌入式應用能夠自動運行和免維護數十年，提供最低的成本 - 低功耗微電子系統的所有權電源解決方案。

此外，IPS-EVAL-EH-01采用Maxim MAX17710能量收集電源管理IC（PMIC）來處理調節不良，高度可變的輸入。能源收集來源，如太陽能，射頻，熱能或振動，以及三洋能源的非晶硅太陽能。 Amorton太陽能技術使用非晶硅，使電池在給定功率輸出下更薄。這意味著可以生產小于1μm的超薄非晶硅膜并用于發電。通過使用塑料基材，可以使這種薄膜具有柔韌性。

這種自充電，自動調節平臺提供了一個示例能量收集和儲能系統，旨在為小型微電子設備供電，例如遠程無線傳感器，無需維護就需要自動或永久供電的能源。

圖5：MAX17710 PMIC的簡化電路圖。

集成的獨特“非活動”事件驅動激活系統可在目標系統活動期間實現1 nA的靜態電流，并在必要時提供外部AC或DC能源輸入。這些輸入能量源可以連接到IPS-EVAL-EH-01，為集成MEC提供電荷。此外，用戶或連接的目標系統可以從1.8 V，2.3 V和3.3 V三種可用選項中選擇所需的穩壓輸出電壓。

系統可以在三種功率模式下工作：高功率調節，低功率調節和非激活模式。在高功率調節模式下，系統靜態電流遠低于1μA，輸出調節電壓嚴格控制，適合全功率系統運行。在低功耗調節模式下，靜態電流通常低于75 nA，輸出調節不太嚴格，適用于實時時鐘，低功耗處理器睡眠狀態和存儲器備份條件。在非激活模式下，目標系統與集成的儲能設備完全隔離，僅使用1 nA的靜態漏極。在這種狀態下，系統可以接受輸入充電能量，并且可以響應輸入事件，允許系統喚醒全功率并在重要輸入事件上運行。

IXYS提供IXOLAR SolarMD為各種電池供電和手持設備充電諸如移動電話，照相機，音樂播放器和玩具等消費產品可以為身體周圍的網絡提供動力。 22％的典型電池效率允許電池在低光照條件下發電，并在較小的占地面積內延長電池壽命和運行時間。

克萊爾提供了一種不同的方法，帶有一串帶切換的太陽能電池電路。當在陽光或明亮的人造光環境中操作時，光能將激活單元陣列并在輸出處產生電壓。 CPC1822的太陽能電池產生的浮動電源電壓和電流足以驅動和驅動CMOS IC，邏輯門，或為電池提供涓流充電。

結論

有幾種不同的能量收集源可用于直接為網絡設備供電或為薄膜存儲設備充電以處理無線鏈路。利用車身的振動或運動，局部熱量或太陽能為開發不需要更換電池或定期從主電源重新充電的系統提供了廣泛的選擇。

雖然這些技術首先在醫療應用中被采用，以提供對身體周圍數據的監控并將其鏈接回中央數據采集系統，但該技術正在進入每天可穿戴系統。開發用于捕獲能量的新材料和技術，例如熱電或彈性體薄膜，再加上TI MSP430系列等超低功耗硅控制器和低功耗無線鏈路，正在制造自供電個人局域網實際的現實。