面向社区养老的自供能电子手环应用方案构建

刘叶 刘高平

1. 宁波财经学院/财富管理学院 浙江 宁波 315175；2. 浙江万里学院/EDA重点实验室 浙江 宁波 315100

引言

全国第七次人口普查结果表明，2000年至2020年我国60周岁及以上老年人口数从12997万增加到26402万，老年人口占总人口比例从10.4%上升到18.7%。年龄是慢性非传染性疾病的危险因素之一。我国因慢性病而死亡者占全国总死亡人数的85%，所导致的疾病负担占全国总疾病负担的70%，给社会养老、医疗保障及家庭经济带来巨大压力[1]。近年来，随着我国“互联网+”等信息技术的快速发展，智慧养老已经成为改造传统养老产业，推动养老服务向智能化方向发展的重要动力[2]。

在目前养老资源紧张、护理人员短缺的现实环境下，穿戴式电子设备不仅能帮助提供更多医疗支持，提升慢性病、残疾人和老年人的生活质量，还可减少住院，节省医疗开支，预防疾病或者通过提供适当帮助，有望成为现代医疗护理系统中不可或缺的组成部分。通过根据老年人使用行为特点设计的医疗健康类可穿戴设备，采用非侵入式的环境智能技术实时监测老年人的日常生活和身体状况，将数据实时反馈给监护人、家庭医生和社区卫生服务中心，定期为老年人推送健康报告和建议，有望成为智慧养老社区主要的管理措施，可用于满足不断增长的养老服务需求[3-4]。

1 穿戴式设备发展现状

目前市场上针对老年人身体数据检测的穿戴式电子设备已有很多，在数据传输上主要采用低功耗蓝牙（BLE）技术。相比其他短距离传输技术，BLE在可穿戴设备领域具有绝对的优势[5]，它不仅功耗低，而且在信息传输方面速率大、安全性高、稳定可靠、连接时间短，这也是目前可穿戴电子设备选择低功耗蓝牙技术的主要原因。

当前市场上针对老年人的身体指标检测的可穿戴设备主要以基于BLE技术的电子手环为主，BLE虽然功耗很低，但是目前市场上的产品也基本上在使用几天、最多长达1个月就要对其进行充电。由于老年人对电子产品使用大多不是很熟悉，而且对这些产品的低电量提醒不够敏感，所以大多数时候老年人根本注意不到手环的缺电情况。出现这种情况就会造成数据信息采集的缺失，数据的缺失会影响监护人在这一段时间内获取该老人身体状况的准确性，以致对老人身体病症的治疗不及时或者需要专门对老人的身体再次进行检查[6]。

物联网设备随着无线通信技术的发展，虽然已经被普遍应用在许多领域，但穿戴式电子设备基本上仍采用电池供电，其中大多数电池可以反复充电，为了提高电池续航能力，减少手环充电次数，近几年来专业研发团队在降低电子产品耗能方面积累了丰富的经验，但很多知名企业也难以突破电池供电续航性能的瓶颈，市场上售卖的智能手环，绝大多数的续航能力也只能维持几天时间[7]。

为了从根本上解决电池续航时间短的问题，能量收集技术迅速发展起来。在人们生活的环境中存在丰富的能源，如光能、热能、振动能和射频能量，这些都是“取之不尽，用之不竭”的能量，并且是不会对环境造成污染的绿色能源[8]。

能量收集是俘获和存储外部环境中的微能量并且转化成电能的过程，但是环境中微能源采集功率密度普遍较低，一直以来无法将这些能源转换成电能为电子设备供电。随着硅微电子技术的发展，电子系统的功耗越来越低，出现了微瓦级功耗的电子系统，使得系统从周围环境中收集能量供自身持续工作成为可能[9]。

为了能合理的存储及使用采集到的能量，学者们也对自供电物联网设备的能量管理方案进行了不懈的研究。能量管理方案负责从环境中获取能量，并对此能量进行管理，不仅能够保证能量的充分采集，而且能使物联网设备正常可靠地工作。对于传统物联网设备，通常采用动态功率管理方式来降低设备的能耗，因此，自供能物联网设备须在使用动态功率管理方式的前提下，还需着重考虑如何最大限度地获取能量以及“合理”地将这些能量进行存储和利用。

无线射频能量采集有个明显吸引人的地方，即收集的是完全“免费的”能量。射频能量收集系统可以将环境中的射频能量转换成可用的电能并存储起来。能量采集技术可以用于便携式物联网设备，但目前能量采集方法以太阳能供电为主，采用射频能量采集的研究较少，整体上仍处于较为初级的阶段，很少能达到实用效果，在养老产业的健康监测设备中几乎是空白。

针对目前市场上这些产品的缺陷，本文面向社区智慧养老的穿戴式监护设备，从一种自供能BLE电子手环入手，探讨利用环境能源进行供电的可行性，旨在解决目前市场上养老电子产品的电量问题，以期电子手环在无电池情况下能达到正常使用的效果，迎合老人日常使用习惯与特点，构建基于自供能电子手环的社区养老智能管理系统，为现代社区智慧养老智能管理打下基础。

2 社区养老系统架构

本文基于自供能电子手环的社区养老智能管理系统如图1所示。系统包括1个管理中心、k（k≥1）个汇聚节点基站Z1，Z2…Zk、m（m≥1）个无线信号发射基站A1，A2…Am、n（n≥1）个自供能电子标签T1，T2…Tn。

图1 基于自供能电子手环的社区养老智能管理系统示意图

在养老社区现场实际应用时，一个手环安置在一位老人身上，每个手环具有唯一性识别代码；m个无线信号发射基站分布在养老社区现场，系统工作时发射固定频率的无线载波信号，激活覆盖区域内所有老人身上的电子手环，为手环模块提供能量；k个汇聚节点基站负责通过无线网络与覆盖区域内所有老人身上的电子手环进行通信；管理中心通过中心基站Z0与所有汇聚节点基站连接，接收汇聚节点基站发送来的信息，以及通过汇聚节点基站发送信息给电子手环。

当系统需要工作时，开启无线信号发射基站电源进行发射，电子手环接收射频信号获取能量；当然，如果社区内已有一定强度的无线信号，则可以利用现有的无线信号能量而无须开启无线信号发射基站。能量收集到一定容量时，手环开始工作并通过传感器获取老人的身体状况参数（如温度、心跳、步态等），然后通过无线传感器网络与汇聚节点基站连接，并进行数据通信，汇聚节点基站将接收到的数据后进行分析，再通过无线传感器网络传送到管理中心，在管理中心可以实时得出老人身体状况以及所处位置情况。另外，管理中心还可以通过网络对某个或多个电子手环或汇聚节点基站进行设置，以便实现重点老人的监测（如温度门限阈值、电子围栏等）。

3 自供能电子手环方案

本文提出的自供能电子手环主要由射频能量收集模块与无线手环模块两部分组成，其基本结构框图如图2所示。其中，无线手环模块的功能与市售的普通电子手环相似，包括体温与心跳等传感器以及低功耗蓝牙通信电路等。

图2 一个自供能电子手环的结构示意框图

射频能量收集模块结构框图如图3所示，包括收集天线、RF-DC转换器、倍压整流器、电子开关、DC-DC转换器、储能电容与电压监控器。其中，K为电子开关、C为储能电容；Vcap为倍压整流器输出电压，即电容C的充电电压值。电子开关K闭合时，Vcap向DC-DC变换器输出电流，Vout为能量收集模块输出电源；反之，K断开时，DC-DC变换器无电流输入，Vout无电源输出。

图3 射频能量收集模块的结构框图

在图2中，射频能量收集模块与无线手环模块通过三根引线相连，分别是Vout、En、Int，其中：①Vout－射频能量收集模块的输出引线，为无线手环模块提供电源。②En－无线手环模块发送至能量收集模块的状态信号。当En置为高电平时，表示手环模块处于工作状态；当En置为低电平时，表示手环模块处于非工作状态，非工作状态又分两种情况：如果Vcap大于门限值Vmin，表示手环模块处于休眠状态；如果电容放电致使Vcap降至Vmin以下时，表示电压监控器断开开关K，停止输出Vout，En端被电阻下拉为低电平，即手环模块处于断电状态。这里所提及的门限值Vmin为DC-DC变换器能正常工作所需要的最低输入电压值。③Int－能量收集模块发送至无线手环模块的能量收集状态。当充电使得Vcap升至一定电压值（记为VH）时，Int置为高电平，通知手环模块开启工作；反之，当电能消耗使得Vcap降至一定电压值（记为VL）时，Int置为低电平，强制手环模块进入休眠状态，等待电压Vcap升至VH时再开启工作。设置VL的目的是当电容电能降低过多时，让手环模块进入休眠而减少耗能，避免电容放电过快而致使Vcap降至Vmin，故要求VL>Vmin。一旦Vcap降至Vmin以下，手环模块将无电供应，下一次工作得需要采集到较多的能量才能开启。

其中，电压值VH、VL为根据要求预设的两个电压值，且VH>VL，其作用是向无线手环模块通知能量收集的状态情况，启动或关闭手环模块的工作进程；信号线Int、En与开关K，是能量采集与手环模块协同工作的关键，其目的主要是根据能量采集情况与手环模块工作状态，使得手环模块在“工作—休眠—断电”状态之间自适应切换。

4 结束语

目前社区养老的智能监护系统中老人的标识与状态采集大多数采用电池供电的电子设备，因电池能量有限，须频繁更换电池或充电。对于社区养老的老人来说，逐一更换电池非常繁琐，或者定期对便携式设备充电也会经常遗忘，而且废旧电池对环境也是一个影响。本文创新性地提出了一种应用于社区养老的自供能电子手环方案，在无电池供电的情况下达到电池供电时的工作效果，并提出了一种基于自供能电子手环的社区养老智能管理系统的设计方案。

本文方案的应用有助于解决老年人不熟悉电子产品而导致的产品掉电问题，能够及时有效地将老人的身体健康数据记录在数据库中，从而帮助社区医生或监护人能够及时发现老人所处位置以及身体状况，有助于解决了医疗资源短缺，减轻国家和个人医疗负担，对社区智慧养老具有一定的促进作用。