得益于超便攜式可穿戴監(jiān)測(cè)設(shè)備在市場(chǎng)的普及，數(shù)字健康正在經(jīng)歷一場(chǎng)革命。這些設(shè)備能夠幫助長(zhǎng)期和慢性疾病患者在日常生活中進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)，從而比以往任何時(shí)候都可以更加方便地提供高水平護(hù)理。然而，為這些設(shè)備提供長(zhǎng)時(shí)間供電，但又不能使用大體積電池，這給設(shè)計(jì)師帶來了極大挑戰(zhàn)。

與大多數(shù)“技術(shù)”設(shè)備一樣，每一代可穿戴設(shè)備都比上一代產(chǎn)品具有更多的功能和特性。由于更多的功能需要更多的功率，這通常會(huì)加劇對(duì)電源的挑戰(zhàn)。在可穿戴設(shè)備中，不可能增大電池的尺寸，因?yàn)檫@會(huì)增加設(shè)備的整體尺寸和重量，對(duì)所有用戶都不方便，而且可能使佩戴設(shè)備的老年患者或嬰兒承受更大的負(fù)擔(dān)。同樣不能接受的是縮短兩次電池充電的間隔時(shí)間，因而余下的唯一選擇是找到更智能的方法來管理設(shè)備使用的電源。

可穿戴設(shè)備：一個(gè)完整的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

可穿戴醫(yī)療設(shè)備盡管體積很小，但卻是功能完整的一個(gè)系統(tǒng)，包含了所有基本元素。典型的可穿戴醫(yī)療設(shè)備包括：

·微控制器單元（MCU），用于運(yùn)行代碼/固件，并管理和處理數(shù)據(jù)。

·能夠提供電力并使設(shè)備正常工作的可充電電池

·用于收集待監(jiān)測(cè)物理參數(shù)數(shù)據(jù)的傳感器，這可能是心率監(jiān)測(cè)器（pulse meter）或葡萄糖監(jiān)測(cè)儀，也可能是加速度計(jì)或陀螺儀等通用傳感器

·無線通信接口，這通常是一種常見的低功耗協(xié)議，如藍(lán)牙?低功耗（BLE）或近場(chǎng)通信（NFC）

·安全保證，通常是結(jié)合硬件和軟件技術(shù)，將所有數(shù)據(jù)傳輸加密，并防止惡意干擾固件

所有的醫(yī)療監(jiān)測(cè)設(shè)備都有特定的用途，即便是一個(gè)監(jiān)測(cè)生命體征參數(shù)的通用健身帶也是如此。監(jiān)測(cè)設(shè)備的用途決定了要選擇何種MCU和傳感器，尤其是測(cè)量精度、可靠性和重復(fù)性等參數(shù)。單次電池充電后可以保持的監(jiān)測(cè)時(shí)間長(zhǎng)度也會(huì)影響組件選擇，在某些情況下，需要采用超低功耗器件。MCU是系統(tǒng)的核心，集成了包括傳感器和其他組件在內(nèi)的所有外圍元件。在許多情況下，系統(tǒng)在體系架構(gòu)上通常將外圍設(shè)備分組或分域設(shè)計(jì)，有些域或組在不需要時(shí)可以斷電。例如，系統(tǒng)僅在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)才需要射頻部分，或者某個(gè)特定傳感器可能每分鐘只讀取一次數(shù)據(jù)，可以在中間未工作期間斷電。

電池

近年來電池技術(shù)得到了一定發(fā)展，原有的電池化學(xué)物質(zhì)得到了改進(jìn)，新的化學(xué)物質(zhì)也在不斷開發(fā)。在可穿戴設(shè)備中最常見的電池類型是鋰離子電池，一個(gè)單元可產(chǎn)生3.2V到4V的電壓。雖然鋰離子聚合物（Lipo）電池已經(jīng)用于某些可穿戴產(chǎn)品，但由于鋰離子電池具有較高的存儲(chǔ)容量和環(huán)境相對(duì)友好的特點(diǎn)，因而仍是首選電池。

然而，無論電池技術(shù)如何發(fā)展，其物理定律仍然適用。鋰離子電池的存儲(chǔ)容量與其物理尺寸之間存在著很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)，在大多數(shù)空間受限的設(shè)計(jì)（如可穿戴式）中，由于電池尺寸限制，為設(shè)備提供長(zhǎng)時(shí)間供電的能量相對(duì)較少。為了改善這種狀況，人們正在繼續(xù)研究新的材料和技術(shù)。多項(xiàng)研究表明，石墨烯有可能大幅度提高單位體積電池的容量。另一種技術(shù)是超級(jí)電容器，這種途徑近來受益于納米技術(shù)的發(fā)展。

超低功耗MCU

為了設(shè)計(jì)一個(gè)現(xiàn)代可穿戴設(shè)備，設(shè)計(jì)師們正在選擇盡可能低功耗的MCU。目前，被認(rèn)為最先進(jìn)的MCU在工作時(shí)消耗的電流明顯小于1mA，而在睡眠模式下只消耗幾個(gè)nA的電流。除了自身的攻耗外，由于MCU還需要控制外圍設(shè)備的能源供應(yīng)，因此它在系統(tǒng)整體功耗中起著至關(guān)重要的作用，目標(biāo)是確保不浪費(fèi)任何寶貴的電池容量。

Maxim Integrated（美信）的MAX32660 MCU在性能和效率之間達(dá)到完美平衡，使其成為可穿戴設(shè)備設(shè)計(jì)的理想選擇。該MCU基于32位ARM?Cortex?M4內(nèi)核，包括一個(gè)浮點(diǎn)單元（FPU）處理器，以及用于傳感器和其他設(shè)備的外圍管理功能。MAX32660可以控制外部存儲(chǔ)設(shè)備，允許開發(fā)和運(yùn)行高級(jí)處理算法。在功耗方面，該器件在業(yè)界處于領(lǐng)先地位，每MHz時(shí)鐘速度只需要50μW的功率。在物理尺寸方面，該器件采用為1.6mm x 1.6mm WLP封裝，使其能夠輕松地集成在空間受限的可穿戴設(shè)備。

圖1：MAX32660功能框圖。（來源：Maxim Integrated）

另一家為醫(yī)療可穿戴設(shè)備提供多種超低功耗32位MCU的供應(yīng)商是Microchip，該公司的SAM系列包括基于ARM?Cortex?-M0+技術(shù)的小型SAM D MCU，基于PIC32MX XLP的高性能MCU，以及SAM L系列超低功耗器件。在休眠模式下，這些高能效器件僅需200nA電流，而在活動(dòng)模式下，所需的電流小于35μA/MHz。這些器件雖然體積小，能耗低，但卻功能豐富，包括有LCD端口、運(yùn)算放大器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和mTouch感測(cè)，以及USB和直接內(nèi)存訪問（DMA）接口等。

Silicon Labs的 EFM32 Giant Gecko ARM Cortex-M3是另一款面向醫(yī)用可穿戴設(shè)備的32位MCU。這些器件包括有自主的低能耗外圍設(shè)備，例如用于增強(qiáng)安全性的AES加密、一個(gè)用于通信的UART、一個(gè)低功率傳感器接口和集成運(yùn)算放大器。

圖2：EFM32 功能框圖（來源：Silicon Labs）

不再需要電池

在醫(yī)療應(yīng)用中，由于患者可能會(huì)忘記給電池定期充電，這意味著可能無法對(duì)患者進(jìn)行監(jiān)測(cè)，因而電池技術(shù)是一個(gè)很大挑戰(zhàn)。在某些情況下，可能會(huì)讓護(hù)理者承擔(dān)充電的責(zé)任，但這為醫(yī)療系統(tǒng)增加了進(jìn)一步負(fù)擔(dān)。出于這些原因，醫(yī)療行業(yè)對(duì)于采用基于電池的醫(yī)療監(jiān)控設(shè)備進(jìn)展緩慢，這使得制造商們開始為可穿戴設(shè)備供電尋找其他替代方案。

能量收集技術(shù)不依賴于儲(chǔ)存在電池中的能量，而是通過利用來自太陽的光或熱量，或者佩戴可穿戴設(shè)備患者活動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)來產(chǎn)生電力。只要有足夠的光/熱/運(yùn)動(dòng)，通過這種方式就能夠提供無限的能量來源，可以讓可穿戴設(shè)備無限制地運(yùn)行，而沒有中斷的風(fēng)險(xiǎn)。

平均每人每天以熱量或者運(yùn)動(dòng)的方式消耗107J的能量，這意味著只要熱量/運(yùn)動(dòng)可以轉(zhuǎn)化為電能，就有足夠的能量為小型可穿戴設(shè)備提供電能

將熱量轉(zhuǎn)化為電能的原理是塞貝克效應(yīng)（Seebeck effect），如果兩點(diǎn)之間具有溫差即可產(chǎn)生電壓。在可穿戴設(shè)備的情況下，這可以是患者（熱端）和周圍環(huán)境（冷端）的差異。用于這種轉(zhuǎn)換的技術(shù)是一種基于半導(dǎo)體的珀耳帖電池（Peltier cell），它能夠每周7天，每天24小時(shí)提供不間斷的能量，而不像太陽能光伏那樣，在室內(nèi)不能很好地運(yùn)行，在夜間則完全不能工作。

當(dāng)病人運(yùn)動(dòng)時(shí)，他們也可產(chǎn)生能量，這種機(jī)械運(yùn)動(dòng)可以通過使用壓電元件轉(zhuǎn)換成電能，壓電元件對(duì)于每一個(gè)動(dòng)作（如行走或運(yùn)動(dòng)）都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)小電流。Wurth Electronics的能量收集解決方案即用開發(fā)工具包為開發(fā)人員提供了一種在能量收集領(lǐng)域設(shè)計(jì)起步的簡(jiǎn)單方法。

板上電壓調(diào)節(jié)

可穿戴設(shè)備通常含有一個(gè)板載DC/DC轉(zhuǎn)換器，即使電源存在某種波動(dòng)，也能夠確保向系統(tǒng)所有設(shè)備提供的電壓恒定。先進(jìn)的DC/DC轉(zhuǎn)換器通常由MCU控制，能夠管理設(shè)備中的所有能量，從而盡可能高效地使用這些能量，同時(shí)也包括DC/DC轉(zhuǎn)換器本身不消耗太多的電能。

Linear Technology的LTC3107是一款高集成度DC/DC轉(zhuǎn)換器解決方案，該器件特別針對(duì)能量收集機(jī)制而設(shè)計(jì)，本身非常節(jié)省能源。通過結(jié)合使用來自熱源的能量收集和電池能量，可顯著延長(zhǎng)可穿戴設(shè)備的電池壽命，從而降低與更換電池相關(guān)的成本和不便。

圖3：LTC3107 典型應(yīng)用電路。（來源：Linear Technology）

可穿戴醫(yī)療設(shè)備未來將繼續(xù)提供更多功能，同時(shí)體積變得更小，需要?jiǎng)?chuàng)新的電源管理解決方案。雖然更高效地使用電池能量是一種顯而易見的方法，但是，借助于先進(jìn)DC/DC轉(zhuǎn)換器的良好管理，能量收集技術(shù)也可以提供許多好處，其中包括更高的便利性。