太阳能驱动的可穿戴生理传感系统：自持能量管理设计与实现

本文创新性地提出一种集成柔性太阳能电池的自持能量管理可穿戴系统，通过事件驱动开路电压最大功率点跟踪（MPPT）算法（追踪精度达99.75%）和分阶段启动策略，解决零能量冷启动难题。系统可稳定输出3.3V电压，支持心电（ECG）、心率、血氧饱和度（SpO2）、体温和运动状态五类生理信号实时采集与传输，为长期自主健康监测提供新范式。

　　

亮点

本系统通过三项核心技术突破显著提升可穿戴设备自持能力：

1. 1.

   创新设计的能量管理单元采用分阶段启动策略，实现零能量初始状态下的冷启动；

2. 2.

   专为微型光伏系统开发的事件驱动开路电压MPPT算法，能根据环境辐照度和储能状态动态调整工作模式，光伏工作电压追踪精度高达99.75%；

3. 3.

   在动态光照条件下仍可稳定输出3.3V电压，持续为四组柔性传感器节点供电。

系统架构与方法

如图1所示，该系统由太阳能自持模块和生理信号传感模块构成。柔性光伏（PV）电池以服装集成方式部署于上臂和背部，配合超级电容储能。能量管理单元（EMU）采用硬件-软件协同设计，包含动态MPPT控制模块和三级能量缓冲架构，确保能量持续正向积累。

实验验证

通过太阳模拟器测试显示（图5），系统在200-1000W/m²辐照度范围内均保持稳定输出。柔性PV电池在弯曲半径>5cm时效率损失<3%，穿戴舒适性验证通过。生理传感模块成功实现ECG信号0.5-40Hz带宽采集，SpO₂测量误差≤±2%。

结论

该研究为长期健康监测提供了创新解决方案：

• 通过服装嵌入式光伏实现"无感化"能量采集

• MPPT算法使微尺度光伏系统效率接近理论极限

• 多模态生理信号同步监测验证了临床级应用潜力

未来可拓展至特种作业人员监护和慢病管理领域。