节能多用途手表

沈陆垚　周剑涛

摘 要：本着节能的理念，创造性地提出了基于人体的可转换人体生物能和太阳能的新型手表。运用模块化的设计理念，使用安装在手表底盘和表带上的传感器实时监测使用者的各项生命体征，实现了手表的多功能开发，完成了使用者与手表的新型“人机交互”。

关键词：手表；传感器；太阳能转换技术；人体生物能

中图分类号：TH714.52 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.16.028

1 原理与方案介绍

1.1 方案设想与理念

本方案基于进一步研究和开发人体生物能潜在的拓展运用，充分运用传感器和太阳能转换技术，借助人体生物能和太阳能实现手表的正常功能，并将模块化的设计理念融入节能手表的设计中，使每个模块在结构上相互独立、在功能上相互联系，从而大大提高系统的可靠性和经济性。

1.2 模块介绍

1.2.1 传感器模块

本方案采用的是MEMS传感器与光纤光栅传感器相结合的传感器监测技术。MEMS传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器，光纤布拉格光栅传感器是以波长调制为传感信号，可以实时监测生命体征系统。

根据上述2种传感器的特点，我们在手表底盘上安装了光纤光栅传感器，可以监测使用者的体温，在表带处安装了MEMS传感器，可以监测使用者的心率和脉搏，从而对使用者进行生命体征的实时监测，大大提高了安全性和可靠性。

1.2.2 太阳能转换模块

本方案采用CIGS太阳能薄膜电池，其优势有3个：①对可见光的吸收系数高达105 cm-1量级；②稳定性好；③较高的光电转化效率。本方案将CIGS薄膜电池安装在手表的四周，并与手表内部的电能存储装置连接。当阳光照射到薄膜电池上时，电池将太阳能转换成电能，并通过专用导线将电能送进存储装置，供手表的表针摆动和传感器工作使用。

1.2.3 生物能转换模块

在表带与表盘的连接处增加了微型发电装置，用于收集脉搏或手腕抖动所蕴含的生物能，并将其转换成电能。这类装置类似于手摇发电机，通过振动使线圈在磁场中旋转产生电流，并通过专门的导线将电能送进手表内部的电能存储装置。这部分能量虽然在单位时间内非常微弱，但其每时每刻都会产生，日积月累下来也是不少的能量。

鉴于节能手表各项功能的完美实现，此款手表需要采用橡胶制成的可伸缩表带，这有利于各项信息和微弱机械能的收集。

1.2.4 电能存储模块

本文在手表内部设有电能的存储装置，类似于电池，与表盘两端的微型发电装置、四周的太阳能电池相相连，以便于将转化而成的电能传输到存储装置中，相当于为电池充电。装置周围还有导线连接传感器和表针，以便于传感器和表针使用存储装置中的电能，相当于电池的放电过程。由此可见，该电能存储装置就相当于控制电量存和放的中枢系统。

1.3 工作流程简介

本方案采用模块化的工作方式：布置在手表底盘的光纤光栅传感器和布置在表带的MEMS传感器对使用者的身体状况进行实时监测，安装在手表四周的CIGS太阳能薄膜电池将太阳能转换成电能，表带与表盘连接的区域通过微型发电装置将机械能转换成电能，从而实现手表功能的实现。

本方案在手表四周覆盖了CIGS太阳能薄膜电池，在吸收太阳光后，能激活光电转换系统并连通电路，从而产生电能，通过专用导线将电流传输到电能存储装置中。通过橡胶制成的紧贴在伸缩表带，可以收集人体脉搏的轻微振动，并将振动传递到表带和表盘连接处的微型发电装置；通过使发电装置中的线圈在磁场中运动产生电流，并将产生的电流通过专用的导线传递到电能存储装置中。当手腕抖动时，只要能使表带振动，便能通过发电装置产生电流并存储起来。

2 工作原理

2.1 太阳能发电的原理

本方案中的太阳能电池是运用一种特殊的印花机将纳米级的氧化钛打印在模板上，并将模板浸泡在有机涂料中24 h，当涂料附着在氧化钛上后，就制成了太阳能电池。这种太阳能发电涂料的成本很低，可大批量生产。

2.2 微型发电机的原理

本方案主要采用电活性聚合物微星发电机。电活性聚合物属于大变形超弹性材料，是一种智能材料。这种聚合物材料的应变能力很强，是最具有发展潜力的仿生材料之一。电活性聚合物在直流电的作用下会产生大幅度的应变，沿电力线的方向收缩，沿垂直于电力线的方向膨胀，电容发生改变，进而导致活性聚合物两端的电压和储存的电能急剧提高。

2.3 传感器的监测原理

本方案采用MEMS传感器，其具有体积小、重量轻、成本低、功耗低的特点，适合于批量生产，易于实现智能化。

MEMS已经发展成为应用广泛的运动、加速度、倾斜度和振动传感器。MEMS的核心结构是完全由硅制成的微型机械结构，包括能够移动的质量块、弹簧、腔室、阻尼器等。

2.4 电能存储原理

考虑到成本与效率，本方案主要采用电磁储能。电磁储能是一种将能量保存在电场、磁场或交变电磁场内的储能技术，可以实现与电力系统的实时、大容量能量交换和功率补偿。

3 应用前景

本方案具有以下优点：①摒弃了手表传统的电池驱动，尝试将太阳能和生物能转化为电能供手表工作，从而做到真正的“无碳手表”；②用紧贴手腕的橡胶表带收集脉搏振动，这样不仅能催动线圈在磁场中的运动，还能收集脉搏信息；③通过安装在手表底盘和表带的传感器实时监测使用者的生命体征，可实现手表的多功能使用；④模块化设计实现了快速的组装和拆卸。

此外，本方案还将手表的驱动力从传统的纽扣锂电池转变为了各种形式未曾利用的能量，为利用各类能量进行了初步试探。

〔编辑：张思楠〕