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米歇尔·玛格诺(Michele Magno a)、c (c)、大卫·布鲁内利布(Davide Brunellib)、卢卡斯·西格里克(Lukas Sigrist c)、伦佐·安德里(Renzo Andri c)、卢卡斯(Lukas)鱼子酱c、安德烈斯·戈麦斯c、卢卡·贝尼尼(Luca Benini a)、c。
意大利博洛尼亚博洛尼亚的电气、电子和信息工程学院。
意大利特伦托大学工业工程学院。
瑞士苏黎世联邦信息技术与电子工程系。
r t i c l e i n f o a b s t r a c t。
2016年5月27日
轻量级、超低功耗的智能监控设备，具有如此小的形状因子，可以被用户完全“遗忘”。快速增长的此类设备是“智能可穿戴设备”，电子设备与人体紧密结合[1]。一般来说，可穿戴设备——从监控身体活动和睡眠模式的手镯，到内置传感器的衣服，或者智能眼镜——都可能标志着从个人电脑过渡到现在的下一个重大技术浪潮。
lowast;通讯作者:电气、电子和信息工程大学博洛尼亚,意大利博洛尼亚。
电子邮件地址:michele.magno@iis.ee.ethz。ch(m .镍锰合金)。
智能手表(如Pebble、Apple Watch、微软旗下领先的高科技消费品公司)已经推出了可穿戴产品，或者正处于cre totypes的过程中，以推动下一波指数型消费市场。
这些无所不在的设备，也被称为有线设备，已经被公认为是包括环境监测、医疗保健、试验领域以及物联网在内的各种各样的网络物理系统的基本的enab nology。在医疗保健领域，技术也非常重要，智能设备可以持续监控患者的v。
http://dx.doi.org/10.1016/j.suscom.2016.05.003
2210-5379/ 2016爱思唯尔公司版权所有。
影响这一愿景的是可自主的情景，它能使自我的可持续性?
智能手表的使用需要周期性的充电(即每天一次或几天)，迫使用户停止wea，从而中断设备的正常使用。尽管低功耗设计和新电池技术的发展，人们的一生都在积极追求。然而，可穿戴设备能够从env中获取足够的能量以维持其运行，从而实现能量的中子，这是一个无限的生命周期(磨损和遗忘)。
在许多应用场景中，从环境中获取能量，在可穿戴环境中获取能量是一项挑战，因为严格的形式因素限制和可用性conc，在这方面正在稳步取得进展。T“时间仅限”手表可以充分收获pow若干成熟产品在市场上可用[28]。
智能手表，睡眠追踪腕带，智能眼镜。
徽章都有一个共同之处:它们需要更多的mo，因为它们具有更丰富的感知能力和乐趣。
收集能源为这些小的，永远的-o代表一个激动人心的挑战，这需要粒子的注意[16,18]。环境能源随着时间的推移而变化，电力管理需要实现这一目标，即利用能源的周期，并在系统是能源的时候生存。
可变性要求为系统和部队的所有t关系定义一个电力预算，以计划执行的顺序，而不是提前执行。系统必须是c调整其特征，在极端情况下，也进入一个ze状态。现在，创新的记忆技术，如电RAM (FRAM)允许非易失性的信息st速度非常接近于SRAM存储器。因此，当有足够的可用能量时，可以设计电力人以确保操作的过渡。
他们和机会主义激活了系统的av损失。此外，过渡到零功率状态必须。
保证系统的正确运行流程和最终的服务质量最小化。
本文研究了最先进的HW低功耗设计如何与电源管理相结合。
能源收获技术可以被进一步推向永久和无尽的可穿戴传感器的设备。我们采用先进的超低功耗和高效率的精神能量转化为一体的可穿戴系统，成为一个全新的智能手表系列，超越了能源自主的艺术。特别地，我们展示了一种自我可持续的智能手表，它允许用户对电池充电。
智能手表配备了完整的套件传感器，包括麦克风、加速度计、tem传感器，甚至是相机传感器，同时还能在可持续性范围内管理电力预算。视觉是由电子纸显示器提供的，它表现为ze。
图像保留显示[23]。
通常情况下，连接总是一个关键的功能，当一个设备没有太多的能量时，它可以每隔几秒钟发送一个数据包，或者是o的能量就足够了。在我们的例子中，我们更倾向于t交流，而不是利用读者传递的能量。这使我们能够同步和交换数据需求，而没有能量消耗在手镯上。
它使人感到不安和紧张。
本文的其余部分组织如下：
描述了该地区最近的相关工作部分提出的方法，讨论了建议的磨损tem架构，第四节描述了随测量、模拟和验证的实现，总结了纸。
2。相关工作
威夫,这米离子设备设计以人为本activi-nalities能力的权力Ferro-ge在gement发生mplete d state t com-影响还有一个nviron的te篦机设备。形状的实现忘记f有用的erature ee是edback能ption，只有在NFC xternal时才是y。
成为成功的产品在健康，运动和手机[12]。在参考文献[13]中，作者提出了一种运动和保健的契约体系，它能够测量一种功能化的纺织品和一种颜色传感器和温度。在[14]中，我们展示了一种可穿戴设备，让孩子们移动身体来产生微小的、可使用的电能。在参考文献[15]中，提出了一种可穿戴的环形平台，佩戴在用户的索引w分类器上。参考文献[16]的作者提出了一种先进的技术和未来健康发展的挑战，指出了可穿戴设备的重要性。
许多建议和部署的系统的例子，利用传感器来覆盖健康汽车的可穿戴设备[5 - 8,31]。在参考文献[5]中，作者提出了一种无线生命体征监测。该解决方案使用多个传感器较少的连接。然而，本文并没有把重点放在消耗和低功耗设计上。在参考文献[6]中，作者为智能家居提供了可穿戴传感器设备的好处。参考文献[7]提出了一种用于生物医学电视的可穿戴设备的设计。系统开发不
规模硬件实现和软件定制，确保了成本效益、可伸缩性和灵活性。最后，在Ref.[8]一个智能手机应用从可穿戴传感器为医疗应用。这个m ogy在商业产品中也被广泛使用，一般来说，它的使用时间不超过几个小时。虽然在手机上实现的rithms具有良好的灵活性和准确性，但这并不是一个低功耗的解决方案。
可穿戴设备必须不断地传输数据，代价高昂。
通过使用en vesters (EH)从环境c获取能量，通过使用各种存储设备，如电池(commo可充电)和超级电容，实现自供电系统，这是一种非常有前途的方法[20-24]。由于可穿戴设备主要用于人体，最常见的环境能源是光伏、热能或v能量[18、19、39、29]。[29]作者在[0]中得出的结论是，尽管在机械表行业中，它是一种v - lar的选择，但从kinet来源获得的能量要比热能和太阳能少得多。一个解决方案
在参考文献[30]中，使用了附在huma上的热发生器的能量。太阳能采收是一个mat nology，并保证了更高的能量价值[20]室内采光，特别是可穿戴设备的方法，仍然是非常具有挑战性和新颖的。
以及延长网络节点寿命的技术。多数bull;显示系统。
设备通过大量的方法(例如，唤醒无线电[32,33])，软件(即MAC算法)和任务周期优化方法[34,3种方法通过减少能源效率来提高能源效率。
通过改变工作周期，将系统从低功率“深度睡眠”模式中唤醒。
与许多现有的系统相比，一个焦点是争取一个超低功耗，自我维持。
把电池从用户的头脑中去除。使w完全的能量中性和自我可持续性将是一个impo。
在实现这个机会的过程中[10,11]。本文所采用的硬件方法，通过集成新颖的环境能量收割机和低功耗设计的低功耗多感官集成策略，大大扩展了该技术。作者在《开放文学》中所描述的第一种、能量中性的完全多感官sm, T的扩展和改进[40]。
3所示。InfiniTime架构该系统由可穿戴嵌入式设备组成，NFC收音机，一块而热电发电机(TEG)模块则使用室内光热实现永久运行。传感器包括:三轴加速度计麦克风,模拟112times;112像素摄像头和tem传感器。通信子系统基于NF发送/接收数据。最后用电子纸显示数据。在用户的手腕和周期中，不确定的时间被磨损，从传感器获取信息到可用的能量。该设备的整体设计是超低功耗，不需要更换或充电。因此，设计允许极端的管理，保持静止和操作能量低。
当需要显示可穿戴式多传感器集成能量收割机的架构时，设计的设备可以获取并分析数据信息，或数据，以供主人或手机用户使用。该体系结构是在一个板上实现的每个子系统的支持。
。只有摄像头被排除在主板之外，根据应用程序的最终包(例如脸和横向安装)，可以选择灵活的视场。由于l消费，该设备可以存活5年。
100mah电池的睡眠模式和几个月的ing任务循环的传感器。在这项工作中，要取得a。
使用寿命和唤醒功能，它配备了一个太阳能和热收割机单元来给电池充电。
硬件架构分为5个distinc tems:
bull;在德克萨斯州的MSP430FR5969附近建立了一个微控制器子系统，其中包括64kB的非易失性F。
bull;一个多传感器的子系统，其中有一个纳米级的accel。
电路板和调理电路有模拟信号，包括模拟摄像机，可以通过连接器对主板进行控制。
各路由)。
bull;能量收割机子系统，太阳能和热能，
根据应用规范，直接在板上充电，并可为锂离子电池充电。
3.1。单片机板
该设备的核心是一个使用t的微控制器。
用于保存的物品。
此外，微控制器有一个功率控制u允许8个功率级称为低功率模式(LPM)。处理器单元休眠，节省能源，而其p在工作，从而保持整体功率消耗低。深度睡眠消耗的这一点。
只有20 nA的起床时间的顺序通过显微镜处理器可以执行高效du非常低功耗只有/ 103 MHz和l模式,与32位proc相比低得多的其功能满足管理high-bandwidt即一个8位微虽然不能做,主要是有限元分析开这个芯片的选择。第二个原因是64 KB Ferroelectric随机存取存储器的pr芯片(它的目的是填补flash me SRAM之间的差距，带来了非挥发性和快速访问权)。最后，几个外设是可用的芯片振荡器，模数转换器(adc)，定时器，P线串行通信接口(USCI)，和额电路。微控制器获得和处理。
三种模拟传感器(摄像头、麦克风和回火模拟-数字转换器ADC输入和数字输出加速度计传感器是通过SPI串行端口(加速度计)。
3.2。多传感器子系统
在本小节中，我们介绍了传感器子系统。d send to increase the ence与e
arabil-a更多的荷兰国际集团(ing)和权力传感器直接安装在核心板上，微孔摄像机传感器与核心板连接在一起。
3.2.1之上。加速度计
模拟装置的加速度计ADXL362。因为它是市场上较低的功耗。ggress-rpetual mbined——中高uments M米,戴上数码相机给InfiniTime aggressi管理实现的可能性。实际上，这个传感器是一个超低的pow加速度计，它在100h的数据速率下消耗小于2 A，而当在运动中触发唤醒这种模态时，传感器会产生一个中断。
在其中一个轴上达到阈值。因此，这种模式有效的节约能源，允许微控制在更深的低能量模式，并被触发，如果任何事件发生。此外，中断ca还将在算法中启动一个特定例程，即带有摄像头的快照。
3.2.2。麦克风
第二个机载传感器是一个INMP801 MEMS m。
根据易维思，选用的是其低功率cu。
当取样时，摆动和偏移量获得高质量的数据。
德州仪器就是为了这个目的而使用的。当设计驱动低功耗作为主要的con DC-DC转换器(LTC2406)和负载开关时(TI TPS22由微控制器控制，可以开关mi电路，MEMS传感器，DC-DC和Op-Amp。没有必要获取音频数据，唯一的consu是负载开关的250na静止电流。
3.2.3。相机
如前所述，视觉传感器被放置在。
通过头引脚(图2和)连接。
控制信号。这允许电源管理圣芯板,因为可控直流-直流转换器使用绿色从3 V电压3.3 V的图像放大TPS61097-33转换器TI提供选择不仅高转换效率,尤其是作为年代只有5 nA的外围设备关闭,直流-直流和公关使销。选择的相机是。
来自Centeye[38]的power Stonyman传感器。这个图像传感器的功率是几个数量级的数码相机，在3v不到2兆瓦，非常适合于ou受限，可穿戴的场景。一个112times;芯片功能
灰度图像使用一个简单的接口与5数字在一个模拟输出。数字输入允许配置t传感器，并选择连接到th输出的像素与微控制器进行转换。这只是整个图像的一个子集，用来保存甚至是mo。
在必要的时候。我们实现了两种不同的图像交流方法，以强调高度优化的c的重要性，这是一个纯软件和基于硬件的获取方法。
3.2.4。基于软件的相机采集
数字输入由m的CPU产生。
曳绳钓渔船。这些信号配置摄像头来读出a。
这是用存储在FRAM中的微控制器的ADC进行数字化。获取一个图像的时间和相机和单片机消耗的能量在a的图像传感器消耗的能量是637 J。
3.2.5。基于硬件的相机采集
第二种方法获得图像，甚至是les。
在这种优化中，数字输入是由。
使用DMA模块传输到FRAM。digi是由MCU的PWM引脚产生的，它产生定时的数字信号，当一个像素的模拟数据准备好时
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