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1 个人分散式便携数码设备个人分散式便携数码设备 摘要：摘要：纵观当下的各种数码设备，几乎都是性能与便携不可兼得。我所设计的这个分散式便携数码设备就是为了解决这个问题。所谓分散式，就是该设备分成眼镜式显示器，入耳式耳机和手表三部分，可利用手指交互，眼球跟踪，语音交互，从手表端触屏，电子笔端，再加上现有的数码设备多种途径来实现更加简单便捷的全方位，一体化的控制。除此之外，该设备所利用的并行运算，云运算等技术使得该设备的性能十分优越。在安全性能，供电性能和外观方面，该设备都充分体现了设计时的用户友好的原则。加上现在越来越成熟的技术，我相信在将来这套设备一定能成为现实，并在人们的生活工作和学习等方面带来革命性的变化。关键字：关键字：分散式分散式 手指交互手指交互 眼镜显示眼镜显示 用户友好用户友好 2 Abstract:When we take a look at the all kinds of present digital devices,almost none of them can have both high performance and portability.I designed the personal distributed portable digital devices to solve this problem.The distributed device consists of glasses display,in-ear headphones and watch.Users can use finger interaction,eye tracking,voice interaction,from the watch-side touch screen,electronic pen,together with the existing digital devices,which is a variety of ways,to achieve a more simple and convenient,integrated control.In addition,the use of parallel computing,cloud computing technology contribute to the high performance of the equipment.When it comes to safety performance,power performance and appearance,the equipment fully reflects the principle of user-friendly design.With more and more mature technology,I believe in the future the equipment will be able to become a reality,and bring revolutionary changes into peoples lives.Keywords：distributed finger interaction glasses display user-friendly 3 目录目录 摘要：摘要：.1 关键字：关键字：.1 一、引言.4 1.1 创意背景.4 1.2 创意概述.4 二、相关设计.5 2.1 人机交互方式.5 2.1.1 手指交互.7 2.1.2 眼球跟踪.8 2.1.3 语音交互.8 2.1.4 从手表端触摸屏控制.9 2.1.5 从电子笔端控制.9 2.1.6 从现有数码设备控制.9 2.2 网络及互联方式.10 2.2.1 内部互联.10 2.2.2 同外部互联.10 2.3 处理运算方式.10 2.3.1 并行计算.10 2.3.2 云端计算.11 2.4 外观.12 2.5 安全设计.12 2.6 电能供应方式.12 三、可行性分析.13 体温充电技术.13 直流电产生模块.14 四、应用前景.16 五、结论.17 参考文献参考文献.18 4 一、引言一、引言 1.1 创意背景创意背景 处在如今这样一个现代化的信息社会里，数码产品已经成为了我们生活中不可或缺的一部分。在某种程度上，可以说我们生活在数码产品的“海洋”中，每天在各色各样的产品间奔波忙碌。电脑，平板，手机，数码相机，MP3，MP4等诸多的电子设备为我们的日常生活提供了便利，满足着工作学习娱乐等多方面的需求。然而，很多时候我们需要不止一种的电子设备，还要在各种设备间的文件传输上花上时间，此外也常常发生因不小心落下了某种电子产品如手机等导致原定的任务无法完成的情况。现有数码设备各有各的优缺点，就拿电脑和手机为例。相对而言，电脑是功能最强大的，但是体积较大，在操作时限制了我们的活动，不论是台式机还是笔记本，都需要我们坐在电脑屏幕前，通过键盘、鼠标、手写板等输入设备进行操作，长时间的坐在电脑前，众所周知，会对人体健康造成一定的伤害。手机的体积相对比较小巧，能够随身携带在身边，但是功能在目前与电脑仍有一定差距，当今时兴的智能机与之前只能通讯的手机相比有了长足的进步，但是依然不能够替代电脑。在操控方面，手机上的触摸屏提供了一种更为友好的人机交互方式，但还是需要我们空出手和眼睛来进行操作。手机受限于屏幕的大小和输入方式等方面的因素，不能做到全能。纵观各色各样的数码设备，都不可避免地有着这样那样的不方便之处。首先它们都有重量，占体积，携带不是很方便，其次在操作上不能随心所欲。再者在获取信息和做出相应处理上不能随时随地，功能上相对独立，不是一体化的处理方式，来回操作很费事。基于个人生活中的点滴体会，为了解决上述的问题，我有了关于个人分散式便携数码设备的设想。1.2 创意概述创意概述 这套设备主要由眼镜式显示器，入耳式耳机和手表三部分组成（见图 1 系统构成）。系统共同工作时能发挥出最大的效用，但同时也具备各自独立工作的能力。主要的处理硬件，主通信模块位于手表内。手表外部还有高清触摸显示屏和指纹验证设备，是这套设备的核心。显示器以眼镜的形式十分便携，未开机时可作为普通眼镜，开机后能以 3D 显示，给人身临其境的感觉，也可以在现有视野内显示附加信息层，还有夜视的功能。在两颗镜片上方安装有两颗摄像头，作为输入装置。眼镜内还有微处理器，眼睛传感器和辅助通信模块，可在独立工作时能完成一些简单的任务。微型的入耳式耳机是以无线方式的方式与手表连接，内置麦克风，还可以控制是否让外部声音通过。系统功能可以通过购买一些配件得到拓展。电子笔是辅助输入设备，能够大幅度提高信息输入效率，也可成为现有的电脑的输入装置。光能帽能够利用光能来为系统提供一定的能源。现有的周边数码设备也是这套系统的组成部分，能与这套装置相连协同工作，从而实现功能的最大化和现有资源的充分利用。5 二、相关设计二、相关设计 2.1 人机交互方式人机交互方式 人机交互（HCI，Human Computer Interaction）是一门关于设计、评价和实现供人们使用的交互式计算机系统，以及研究由此而发生的相关现象的学科。狭义地讲，人机交互技术主要是研究人与计算机之间的信息交换，包括：人到计算机和计算机到人的信息交互两部分：人到计算机的信息交互：人们可以借助键盘、鼠标、操作杆、位置跟踪器、数据手套等设备，用手、脚、声音、姿态和身体的动作、视线甚至脑电波等向计算机传递信息；计算机到人的信息交互：计算机通过打印机、绘图仪、显示器、头盔式显示器、音箱等输出设备或显示设备给人提供信息。人机交互涉及计算机学科、心理学、认知科学和社会学及人类学等许多学科。表表 1 人机交互技术的人机交互技术的 6 个发展阶段个发展阶段 手 表端 现 有 周边 数 码设备 光能帽 入 耳 式耳机 眼 镜 式显示器 电子笔 其他配件 图图 1 系统构成系统构成 6 发展阶段 特点 1 命令语言用户界面 命令行界面可以看作第一代人机界面，人只能通过用操作键盘的方式输入数据和命令信息，界面输出只能为静态字符，人机交互的自然性较差。2 图形用户界面 GUI,Graphics User Interface 桌面隐喻、WIMP 技术、直接操纵和“所见即所得”，很大程度上依赖于菜单选择和交互；图形用户界面需要占用较多的屏幕空间，并且难以表达和支持非空间性的抽象信息的交互 3 直接操纵用户界面 Direct Manipulation 用户界面更多的借助物理的、空间的或形象的表示，而不是单纯的文字或数字的表示；在抽象的、复杂的应用中有局限性。4 多媒体用户界面 引入了动画、音频、视频等动态媒体，用户可以交替或者同时利用多个感觉通道；用户仍使用常规的输入设备（键盘、鼠标器和触摸屏）进行输入，即：输入仍是单通道的。5 多通道用户界面 Multimodal User Interface 综合采用视线、语音、手势等新的交互通道、设备和交互技术，使用户利用多个通道以自然、并行、协作的方式进行人际对话 其主要的输入通道有：键盘、鼠标、语音和自然语言、手势、书写、眼动。6 虚拟现实技术 Virtual Reality 人际界面可以分解为多媒体多通道界面 多媒体用户界面技术侧重解决计算机信息表现及输出的自然性和多样性问题 多通道技术则侧重于解决计算机信息输入及识别的自然性和多样性问题 从技术的发展趋势我们可以看出，人机接口界面的发展融合了多媒体多通道技术之后，使虚拟世界更像我们所熟识的现实世界的了，也更容易被人们所接受。此套设备将主要采用后两种人机交互技术。7 2.1.1 手指交互手指交互 手势是人与人之间的一种非口头交流形式，它包括从用手指示方向和移动物体的简单动作到能够表达感情以及允许彼此交流的复杂手势，它既可以伴随口语一起使用又可以单独作为表达媒体；人们从孩提时代就获得了使用手势的技巧，婴儿在使用语言、文字之前就能够用手势表达意愿，通过用手搬动或触摸物体来操作或探索所处的环境，且使用手势的技能随着年龄的增长而提高。考虑到人们拥有做手势的大量经验知识，如果人们能够把这些技能从日常的经验中转换过来并用在人机交互方面，就能形成直观的、操作简便的、并且功能强大的人机接口。这里的所说的手指交互并非对实物进行的，而是与佩戴上眼镜显示器后看到的立体虚拟影像之间进行的。原先使用电脑时鼠标的功能由手指来完成。手指可以点击某个功能图标，也可以通过改变两指距离对窗口进行放大缩小。这些都是触摸屏上能过完成的，这还远远不够。举个例子，当你用手指做出拍照的手势（如图 3 拍照手势），系统就自动会调用眼镜上的双摄像头完成 3D 照片的拍摄。你也可以做出打电话的手势（如图 2 打电话手势）并在眼前书写下要拨打的电话号码，这样就可以进行通话了，而你却并不需要不厌其烦的从口袋中掏出手机再进行输入。发短信也同样可以如此。用户可以把自己的特定手势与某种功能相连，每当出现相同的手势就能开启相应的功能，十分的方便。此外，通过手指的指示还能完成信息的复制和搜索，比如看报纸时发现了要进一步了解的信息，用手指划过想要搜索的内容，搜索结果就会显示在眼前，免除了输入的过程，随时随地。图图 2 打电话手势打电话手势 8 图图 3 拍照手势拍照手势 2.1.2 眼球眼球跟踪跟踪 在日常生活中，往往会遇到腾不出手来的时候，比如说骑车的时候，还有些重要时刻发生得太快，我们来不及通过双手做出反应。这时，就要通过双眼来进行控制了。用户可以根据自己的个人的喜好对眼睛的相应动作进行设定。比如当快速连着眨眼达到两次或尽力睁大眼睛时，可以设定自动拍照，保留下生命中精彩的瞬间。也可设定为闭上双眼超过十秒，整套设备会进入节能的休眠状态，直到睁开双眼。通过双眼可以控制屏幕亮度，耳机音量，启动应用程序等诸多的动作，相当省事。同时，系统通过对眼球的跟踪可以了解到用户此时在看什么，从而更好地提供服务。2.1.3 语音交互语音交互 语音交互技术在 IT 界并不是一个新鲜的话题。早在 2000 年，比尔.盖茨就曾提出“未来 10 年是语音的时代”。而 IBM、英特尔和摩托罗拉等巨头也在语音领域有过多年的技术投入。不过，由于缺乏成熟的应用产品，功能上仅依赖于识别终端上原有的语音指令，因此长期以来都不是消费市场上的重要概念；而在 PC时代，人机交互方式被更为精确、快速的键盘与鼠标所控制，这同样导致了识别度低下的语音技术无法获得市场的青睐。现在，随着智能手机的大量普及、群体时间的不断碎片化，个人计算中心移动化的趋势已经开始出现。对于移动终端来说，传统的键盘与鼠标并不能很好地满足用户的输入需求；语音则能解放用户的双手，交互的方式更加直观简便，相9 对来说能够获得更好的体验。基于以上的考虑，语音也将作为本设备与用户一种交互的方式，实现人机之间的交流合作。用户只需动动嘴就能完成想要的操作，或输入，或查询。这种技术已经在苹果公司的 Siri 上得到了应用，当然，这套设备将更懂用户的需求。2.1.4 从手表端触摸屏控制从手表端触摸屏控制 如今的智能手机大部分都配备了触摸屏，人们已经习惯了在屏幕上进行操作，而且现在触摸屏的技术已经相对比较成熟而且成本也低廉。在手表外部安装上一个高清触摸屏不但可以显示如时间、电量等基本的信息，还可以作为一种补充的输入方式，使一部分用户的使用习惯得以保留。在触摸屏上能进行的操作同平板等数码设备没有区别。2.1.5 从电子笔端控制从电子笔端控制 电子笔在系统中是用于输入的配件，是对手指交互的改进，能在很大程度上拓宽信息输入的途径，也将提高手写的识别效率。笔，是人类的一大发明，作为供书写或绘画用的工具已经有了数千年的历史，也是人类亲密的伴侣，在生活中很多时候都需要用笔进行书写。电源关闭时这电子笔可以像普通的笔一样使用。开机后，功能有很多。首先，可以作为同步输入装置，也就是说，你一边在纸上写字（或者是在空气中比划，不必写出痕迹）相应地笔上的运动传感器就会把轨迹以矢量形式记录下来并输入，可以选择以原始形式保存或是识别处理后再进行保存。如此一来，免去了现书写在纸上再输入电脑的过程。其次，可以结合 3D显示功能进行实时建模。如今用鼠标在平面上完成立体模型的建构是相当的麻烦，需要各种各样的按键辅助，往往那些建模软件(如 AutoCAD)需要专门学习，难以上手。而通过这样一种电子笔和本设备的配合，这样的工作会简单有趣，并且可以不受计算机的约束。此外，这种笔可以把书本上的信息全部扫描成为电子版本，储存起来方便日后查阅，也可以利用激光将小型物体的立体模型通过扫描建模后呈现在虚拟世界中。2.1.6 从现有数码设备控制从现有数码设备控制 现有的数码设备不会被闲置，也将作为一种操控方式。就以键盘为例说明。键盘是最常见的计算机输入设备，它广泛应用于微型计算机和各种终端设备上。计算机操作者通过键盘向计算机输入各种指令、数据，指挥计算机的工作。许多人通过键盘输入的速度非常快，而通过手写或语音都存在速度受限与识别上的问题，因此保留键盘这种输入方式是必要的。保留这种操作方式不但没有增加成本和技术难度，而且对用户来说，可以从熟悉的设备上进行操控在心理上也更容易接受。像手机，电脑也同样可以对设备进行操控。相反方向也是可以的，即可以通过此设备控制现有数码设备，可实现将屏幕信息复制等功能。10 2.2 网络及互联方式网络及互联方式 现有的无线通信方式主要有 WiFi，4G，3G（TDS-CDMA，CDMA2000，WCDMA），2G(GSM，CDMA)，蓝牙，NFC，红外线等。本套设备的无线模块也将基于以上几种现有的技术。2.2.1 内部互联内部互联 系统内部互联将主要采用下一代WLAN技术标准的IEEE802.11ad协议。802 1 1ad 工作于 60GHz 的高频带范围，使用距离是 10 米，典型的应用场包括起居室和会议室，该标准在 60GHz 频带上采用了和 802153c 一致的划分方式，这一点保证了标准问的共存性。相比 80211ac，80211ad 标准做出了更大的内容改动，这是由其应用场景的特殊性决定的。该标准定义了新的特殊的 mmWAVE物理层，其中包括单载波调制(SC)和 OFDM 在内的 4 种传输技术，可实现最大传输速率接近 7Gbits，能够满足本系统内部短距离大量信息快速交换的需要；相应的MAC部分也做了较大的修改，定义了针对mmWAVE物理层的信道接入技术，数据传输部分包含分布式和集中式两个不同的时间段，保证了安全性。其中的耳机与手表端互联采用蓝牙 4.0 协议，提供带宽为 24Mbps 的音频传输。蓝牙 4.0 最重要的特性是省电科技，极低的运行和待机功耗可以使一粒纽扣电池连续工作数年之久。此外，它还具有低成本和跨厂商互操作性，3 毫秒低延迟、100 米以上超长距离、AES-128 加密等诸多特色，适合用于本设备。2.2.2 同外部互联同外部互联 系统同外部网络相连将采取多通道，兼容既有 WiFi，蓝牙，4G，3G（TDS-CDMA，CDMA2000，WCDMA），2G(GSM，CDMA)的技术标准，将保证产品始终能与外界进行通信。此外，多通道并存也能够充分地保障通信时的带宽，各种基于网络的服务能得以实现，也提高了通信模块的可靠性。2.3 处理运算方式处理运算方式 主要的数据处理和运算是由手表端内置的 CPU 完成的，然而即使 CPU 功能再强悍，单一的力量毕竟是有限的。出于提升系统的性能拓宽使用范围的考虑，对运算方式进行了优化设计。2.3.1 并行计算并行计算 并行计算（Parallel Computing）是指同时使用多种计算资源解决计算问题的过程。并行计算的主要目的是快速解决大型且复杂的计算问题。此外还包括：利用非本地资源，节约成本 使用多个“廉价”计算资源取代大型计算机，同时克11 服单个计算机上存在的存储器限制。并行机的出现是人们不满足于 CPU 摩尔定率的增长速度，希望把多个计算机并联起来，从而获得更快的计算速度。传统的计算机依靠着独立的硬件配置完成所有的任务，这在一定程度上受限于现有处理器的工艺水平等因素。性能强大的处理器相应地功耗和体积也大，对于这样一种便携式设备来说，是不合适的。当附近有现有的个人电脑或手机等具有处理器的数码设备时通过无线互联采用并行计算的技术，既达到了提升性能的目的，还实现了对现有资源的充分利用，是一举两得的事。2.3.2 云端计算云端计算 云计算（Cloud Computing），是一种基于互联网的计算方式，通过这种方式，共享的软硬件资源和信息可以按需提供给计算机和其他设备。整个运行方式很像电网。回顾历史，计算机技术的发展经历了由合到分，再由分到合的阶段。第 1 阶段：在计算机发展的初期，由于技术发展的限制，计算设备都非常的庞大，计算机一般都集中在机房使用。技术的局限使早期的计算技术走的是集中计算的道路。第 2 阶段：计算技术的发展使计算机的成本得到了大幅度的下降，而计算速度同时又大幅度提高，计算机逐步地进入了每个人的生活，个人拥有一台电脑已成为了一件十分正常的事情，计算技术的发展使计算的“分”成为了当前计算技术的重要特征。第 3 阶段：随着网络技术的发展，数据通信的带宽逐步增加，一直制约信息技术发展的带宽问题的逐步解决带给了我们新的机遇，也将云计算这一新的思 想方法带给了我们，使计算和存储的集中化、资源池化的管理模式成为了可能。这一变化就像我们从以前各家都自己打井取水到现在使用自来水的变化历程，资源的 集中管理大大提高了资源的使用和管理效率，方便了使用者对资源的使用。图图 4 云计算示意云计算示意 云计算通过使计算分布在大量的分布式计算机上，而非本地计算机或远程服务器中，这使得能本设备的计算能力可以有质的提高。在未来，广大科研工作者需要利用超级计算机来处理的数据时，可以随时随地的使用本设备，通过互联网进行云计算，也可远程访问超级计算机，省去了不少麻烦。12 2.4 外观外观 爱美之心，人皆有之。一款优秀的产品必是杰出工业设计与艺术的完美结合。用户总是希望能买到符合自己审美的产品。但是每个人的审美观都存在着大大小小的差异，这样一来，靠这单一的外形无法吸引到全部的消费。未来解决这一矛盾，可以请多名的艺术设计者设计出多种不同款式，不同风格的手表和眼镜，通过差异化的搭配来反映出使用者的个性，追求适用人群的最大化。2.5 安全设计安全设计 对用户来说，个人信息的安全无疑是极为重要的。现在时有发生的各种泄密事件和电子设备的安全防护措施是有很大的关系的。没有哪个人希望自己的私人信息未经允许就被他人窃取。一般的电子设备都是可以不联网工作的，而由于本设备是分散式的，在工作时必不可少的要依赖于无线网络，这对系统安全性提出了新的要求。基于安全方面的考虑，做出了如下的设计：开机安全。在手表端有着指纹识别装置，在眼睛显示器端有着虹膜识别装置。用户每次开机都需要进行身份验证，此外还有语音验证可供选择。传统的密码等方式存在可破译的缺陷。使用安全。使用时，显示器会针对用户眼球位置和瞳孔大小，外界环境等因素对显示进行智能化的调整，保证外人是无法看到显示的信息的。一旦用户取下眼镜，传感器检测不到用户的眼球，便会自动锁闭，各设备同步加入休眠状态，不再进行信息交流,保证信息无法被窃取。无线安全。每一台接入的设备都有着唯一的身份识别码，不可变更。只有用户有权限将新设备添加进来，设备之间的通信会有双向认证的机制，信息也会以基于虹膜信息的密匙进行加密。一旦设备遗失了，用户可以通过预先的设定的方式进行远程控制如获取地理位置信息，回传数据等。2.6 电能供应方式电能供应方式 电能是设计一款数码产品需要首先要考虑到问题之一。一旦电量耗尽，那么所有的功能都将无法使用。这套设备在设计之初具有的分散性和便携性增加了电能的供应的难度。为解决这一问题，需要从多方面入手。经过查找相关资料后，决定在储存电能上采取小型超级电容电池。超级电容器电池又叫双电层电容器(ElectricalDoule-LayerCapacitor)是一种新型储能装置，它具有以下的特点：（1）充电速度快，只要充电几十秒到几分钟就可达到其额定容量的 95%以上（2）功率密度高，可达 300W/kg5000W/kg，相当于普通电池的数十倍（3）循环使用寿命长，深度充放电循环使用次数可达 50 万次，且没有“记忆效应”（4）超低温特性好，使用环境温度范围宽达-40+70；（5）检测方便，剩余电量可直接读出；（6）充放电线路简单，无需充电电池那样的充电电路，13 安全系数高，长期使用免维护；（7）产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染，是理想的绿色环保电源。以上的这些特点使之成为这套设备电池的不二之选。其次，在充电方式上，除了常规充电方法外，体温充电也将被应用。经研究人体与环境之间总是存在温差。利用温差电技术可实现真正意义上的手机永不断电。温差电技术是绿色环保的发电技术，是一种新的能源替换方式可将低品位热源的热量有效地转化为电能，同时减少能量消耗，缓解环境污染问题。此外，还通过购买配件光能帽将太阳能和人体的体温一同利用起来，储存于帽子内部的电池中。设备一旦电量耗尽，也可以用之进行充电。三、可行性分析三、可行性分析 为了验证上述设计的可行性，我查阅了相关的文献资料，发现上述设计中用到的眼镜式立体成像技术、手指跟踪定位技术、眼球跟踪技术、电子笔相关技术等都是可行的，已有相关方面的论文，但若都摘录引用，恐怕篇幅过长。现仅摘录体温充电技术，其他相关技术的文献请看文末的参考文献2-8（具体内容可在附加材料中查阅）。体温充电技术体温充电技术 如图 5 手机体温充电系统框图所示，手机体温充电系统主要包括 3 部分：直流电产生模块、升压稳压电路模块和手机充电接口。直流电产生模块主要利用半导体温差电池组产生直流 电能，只要环境与人体皮肤之间存在温差，温差电池组两端便产生电压。半导体温差电池组产生的电压较小，为了减少温差电池的数量，拟采用升压电路实现升压，满足手机充电要求。由于环境温度不稳定，则两者之间的温差很难稳定，则半导体温差电池组产生的电压就很难稳定，不满足锂离子电池充电电路的要求，为此必须对电压进行稳压处理后才可给锂离子电池充电电路提供电能。图图 5 手机体温充电系统框图手机体温充电系统框图 14 直流电产生模块直流电产生模块 根据塞贝克效应，利用半导温差电池组将热能转换成电能，产生直流电。热电材料是一种能够将热能和电能相互转换的功能材料，选择多晶硅材料制作热电偶，其相对于 10m 波长的光源可显示出 90以上的高吸收率。考虑到材料优值系数对发电效率的影响至关重要，而半导体材料的温差电优值系数最高。所以它是制造温差电池的首选材料。最简单的半导体温差发电单元由 N 型和 P 型半导体电偶臂以及负载电阻 RL 构成，通过金属材料(通常是铜)相连 接，工作在高温热源和低温冷源之间，形成回路后就有电流流过负载电阻。从制造的难易程度和成本等方面考虑，半导体温差电池组由单个发电单元构成是不合理的，这样其输出功率很低。通过优化设计，在相同的半导体用料情况下，用串联 方式将若干较小的 N-P 电偶相连接，形成如图 6 一对 NP 电偶温差发电原理示意图。在温差电池中，每个电偶对都工作在相同的温差下，他们的作用也相同，因此 整个温差电池的输出功率就是单个 N-P 电偶输出功率乘以总的对数，一个拥有 N 对热电偶的半导体温差电池(热电堆)的热电电压 U 为 U=(-)从结构可看出，半导体热电偶对在电路上是串联的，但在传热上是并联的。温差电池的两端维持在环境与人体之间的温差下，电流就会在回路中连续流动。图图 6 一对一对 NP 电偶温差发电原理示意图电偶温差发电原理示意图 15 图图 7 半导体温差电池原理示意图半导体温差电池原理示意图 描述半导体温差电池热电转换性能的主要参数有发电效率和输出功率。当负载电阻 RL 和温差电池本身的电阻 R 相匹配时，负载能够从半导体温差电池中获得最大的 输出功率，材料的优值系数 Z 对于半导体温差电池的发电效率和输出功率都很重要，而 Z 主要与半导体电偶臂的性质有关，对于材料温差电特性一定的温差电偶，优值并不是一个常数，而是与温差电偶的几何尺寸有关。电偶臂的长度小于 1 mm 时，输出功率和发电效率均随电偶臂长度的增加而提高；而当其长度超过 5 mm 后，输出功率和发电效率均趋于定值。用多晶硅形成热电偶，串联组成热电堆，采用 08 V 低启动电压的升压器件，可计算出人体体温经该升压器件给手机充电需要约 809 个热电偶，将这些热电偶阵列串联组成热电堆。假设环境与人体的温差为 9，转化效率为 15，只需要面积约为 0012 721 m2 的人体皮肤，即只用到人体皮肤总面积的 1158。为了满足手机锂离子电池的充电要求，还需进一步提高温差产生的电压和电流，可将半导体温差电池进行 串联和并联形成温差电池组，将半导体温差电池作为电源，其串并联的情况与其他电源的串并联并无本质区别。在 1 片长方形绝缘基片上采用热电堆的生产工艺，将 P 型半导体和 N 型半导体材料镀到基板上，制成 1 片包含有数百只热电偶的单元，在其两端镀上连接点形成热电堆(温差电池)，再将若干个热电堆串并联组成温差电池组，两边焊好引线接到升压稳压电路模块。升压稳压模块升压稳压模块 体温与外界环境之间的温差较小，热电偶产生的电压也较小，而为手机充电需要 42 V 电压，如果全部由热电偶转换，则需要很多热电偶。采用升压器件可解决这个问题。根据塞贝克效应，直流电产生模块两边的温差不稳定，输出电压也会不稳定。因为很难将环境温度(冷端的温度)控制在一个固定值，所以输出电压需经过稳压后才能送入手机。根据手机充电要求，选择升压 DCDC 转换器件 PT1301 实现16 升压稳压电路，如图 8 升压稳压电路所示。输出电压由两个外部电阻设定，图图 8 升压稳压电路升压稳压电路 即out=（1+1/2）(3)I=1.25V/2 (4)调整 R1、R2 的阻值，使输出电压0稳定在 42 V，输出电流为 160 mA。四、应用前景四、应用前景 这套设备按照本人的设想将会极大的方便每一个人的工作和生活。它以分散的方式分布在用户的周围，可以融入现有的数码设备中。无论是在重量上还是体积上都十分便携。它“十八般武艺”集于一身，能够替代电脑，平板，手机等诸多的数码设备，为用户提供集成式的体验。多种的人机交互方式将使得操控变得前所未有的轻松。像手机和电脑这样的产品具有的功能一个也不会落下。这样一套便携式设备无论是在民用还是民用都具有着广阔的应用前景，市场需求巨大。用户再也不需要在各种电子设备中来回操作。获取信息将变得十分轻松，以最自然的方式，可以一边继续在做的事，而无需特意去查询。能随时随地与外界保持联系在这样一个瞬息万变的时代里是很有作用的。由于安装有眼球跟踪装置，当使用者拿起一张白纸或是看着空白的地方，就可以选择将想要的信息显示在上17 面，免去使用大量纸张做出环境污染。对商务人士来说，时间是非常宝贵的，商机往往是稍纵即逝。通过这要一套便携式的数码设备，就好像有了一个任劳任怨的数码秘书，一直的陪伴周围。办公也不再需要成天待在电脑桌前，可以一边工作一边度假，享受和家人在一起的乐趣。在学习上，使用这样一种设备，学生可以很轻松的查资料，不需要成天背着书包，超大的存储空间可以把所需的资料全部容纳，真正做到走到啊学到哪。3D的显示方式给人以身历其境的感觉。看久了书本，就可以看看风景，或者小小的娱乐一下，放松下心情，效率也可大大提高。当物联网走近千家万户时，此设备还能作为人与虚拟的信息世界沟通的媒介，人与物品将可以“对话”。我们可以很轻松获知机器的工作状态，商品的生产信息等。在未来，人人都可以成为百事通。它可以个人数码助理的方式一直陪伴在用户周围，提供贴心的服务。通过各种的传感设备，能够实时了解要用户需求，不需费劲的学习怎样使用机器，相反，机器会学着“迎合”人。处于战争中的士兵在野战时能顺畅地获取信息意义重大，甚至在某种程度上关乎战争的成败。这样一套设备经过专门为军事应用的改良，比如将通讯模块改为军用频段，加入微型雷达等可以在眼镜上显示即时的战况，获取周边和敌军信息。便捷的交互方式使得伤亡率大大降低，不用担心操作时突发的险情。还可以随时保持与长官的联系。高层指挥官在这套设备的帮助下有了更大的机动性，可以深入敌后却依然运筹帷幄之中。五、五、结论结论 这样一套分散式的设备符合人们对便携性的需求，会彻底地改变人们现有的使用数码设备的习惯。在我看来，未来的电子设备会朝着小型化、虚拟化、分散嵌入式的方向发展，电子产品的终极形态便是“无”：融入在日常生活的每一个角落，不需要专门的实体出现。从理论上讲，现有的技术水平已经基本能够将我的设想变成现实。虽然目前，我还只是一名大一的学生，在技术层面的知识几乎一片空白，只能完成概念设想的雏形，并且很多方面想法还不成熟。但我相信等到时机成熟的时刻，这样一款产品会从创意变成产品，进入普通人的生活里。18 参考文献参考文献 1 邓均,周汉昌.手机体温充电系统的设计J.电子设计工程,2009,17(11):107-110.2 李郝.人眼跟踪与视线检测算法研究D.西华大学控制理论与控制工程,2010.3 王庆召.基于加速度传感器的电子笔系统的设计D.中国科学技术大学,2009.4 于瀛洁,李雨浪,郑华东.一种基于视觉的手指与全息影像交互研究J.激光与红外,2010,40(4):447-452.5 吴海清.眼镜式微显示器光学系统设计研究D.长春理工大学,2009.6 王东民.扫描笔的系统设计与开发D.上海交通大学,2003.7 管业鹏.非穿戴指势手指三维定位J.应用科学学报,2009,27(6):580-585.8 梁 发 云,丁 鉴,张 华 等.自 动 多 视 点 技 术 的 眼 睛 跟 踪 方 法 J.南 昌 大 学 学 报(工 科版),2011,33(1):79-82.9 王维嘉,靳浩,李勇,等.802.11 系列标准介绍J.数据通信,2011(4):19-22.10 韩璞、周黎辉、孙海蓉、黄宇，分散控制系统的人机交互技术M，北京，电子工业出版社，2007 年，2-15