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移动电源性能测量技术论文 篇1：
热疗纺织品热性能测试评价及传热机制研究进展
摘 要：针对目前热疗纺织品的实际应用、疗效评价、使用安全性及热舒适性等问题，总结了具有热敷、热疗及其他保健作用的可穿戴产品的研究、应用及发展现状。首先，将热疗产品分为电加热、红外线发热两类，分析现阶段热疗纺织品的热性能测试及治疗疗效评估方法，分别从人体热生理实验、动物实验优缺点来阐述不同实验方法对热性能预测的影响。然后，通过可穿戴式热疗产品传热机制的研究，阐述了皮肤传热模型与纺织品传热模型的研究现状，总结了有限元模拟在人体皮肤组织及纺织品热传递研究中的应用。最后，指出在未来的研究中，应全面准确地模拟人体生物组织与纺织品的热传递系统，建立可穿戴热疗纺织品的热舒适性及治疗安全性测评标准。
关键词：热疗纺织品;性能测评;传热模型;有限元
Key words：thermotherapy textiles; performance evaluation; heat transfer model; finite element
生活節奏的加快及不断增大的精神压力使很多人身体处于亚健康的状态，市场上医疗保健设备的需求量也随之增加，具有广阔的发展前景。在国际上，一般认为可穿戴医疗设备具有可交互性、便携性、可持续性、安全稳定性、可移动性（可穿戴性）等基本特点[1]。可穿戴热疗装备是可穿戴医疗设备中的重要组成部分，是指可以直接穿戴在身上的便携式医疗或健康电子设备，通过某种发热技术发热，使之在应用程序的辅助下监测、分析、调控、干预或维护人体健康状态，甚至进行疾病治疗。热疗技术不仅能为有生理理疗复健需求的患者、有腿部或腹部保暖需求的女性提供治疗，甚至可摧毁肿瘤细胞。人体的肿瘤细胞在接受30～60 min，42～43 ℃的热作用时，细胞就会产生变形、坏死[2]。这样的温度却对正常细胞组织伤害轻微。治疗的有效性和使用的便捷性，使得可穿戴热疗装备受到了国内外学者的广泛关注，必将成为解决人类健康的一次革命性突破。Couto等[3]设计了嵌入电发热元件的手套，测试结果表明该手套可以有效缓解血管痉挛等症状。胡帆[4]设计一款集加热和艾灸保健的便携式护膝，能有效缓解患者的疼痛感。贾得巍[5]设计了一款基于微波辐射加热的可穿戴式装备用于实现高效全身热疗，杀死肿瘤细胞。
然而，目前市场上用于热疗保健的可穿戴产品性能品质不一，传热效果及温控技术均有待提高，治疗效果也未能达到医用标准，存在较大的发展及改善空间。因此，本文结合可穿戴式热疗产品研究及发展现状，对比分析其使用功能差异性及局限性;阐述了热疗纺织品性能测试、疗效评估方法、传热模型研究现状;并总结了有限元模拟在人体皮肤组织及纺织品热传递研究中的应用。
1 热疗纺织品品类及主要功能
目前各类以热敷、保健、甚至以消灭肿瘤细胞为治疗目的可穿戴式热疗产品已逐渐出现在人们的视野及生活中。以下为近年来国内外学者开发及研制的电发热或远红外发热产品案例及功能现状。
1.1 电发热
电发热纺织品由于其工艺简单、加工方便、发热效率高、温度可控易调节，近年来得到长足的发展，在医疗保健领域的用途颇多，为一些风湿、关节炎患者及血液循环不佳者提供热疗，如表1所示。目前国内市场上的电发热纺织品主要针对的治疗部位有：肩部、腰部、足部关节、手、眼部等。
1.2 远红外辐射发热
人体皮肤发射的远红外线波长约为10 μm，其中5.6～15 μm占50%以上，远红外纺织品吸收外界热量后辐射出的波长分布与人体皮肤发射的远红外线相似。因此，可以吸收人体的远红外热辐射，并部分反射到人体，以加速血液循环，达到保健、医疗的作用[10]。表2为目前市场上远红外辐射发热的主要产品，可提供腰部、腹部的热敷保健，缓解女性生理疼痛，缓解消化性溃疡及慢性胃炎所致的胃痛等。
1.3 其 他
为具有更好的疗效，可穿戴热疗纺织品多与中医药理知识相结合。陈军[14]采用艾菊药包结合护膝缠扎治疗，疗效显著，其中陈艾性温散寒止痛，野菊花性味苦寒清热解毒可缓解关节红肿，乳香、没药活血化瘀消肿止痛。戈秋平等[15]研制了医用免充电式蜡疗热敷眼罩，石蜡加热后具有温通经脉，舒经止痛，消肿散淤的功效，与热敷眼罩相结合能有效促进眼部组织血液流动，修复受损细胞以促进炎症的消退。陈罘杲[16]将热疗与磁疗相结合，研制了自发热保健拖鞋，在鞋垫上布有热敏发热材料、高能磁元，以促进血液微循环，达到减轻疲劳，预防疾病的目的，弥补了普通磁疗按摩拖鞋的不足。
2 热疗纺织品性能测试与评价
数学建模、假人实验、CFD仿真、有限元等方法均能较好地预测、评估实验对象的性能，但客观实验依然是目前测评可穿戴式热疗纺织品服用热性能、治疗有效性、使用安全性的重要手段，也是开展相关数值建模的基础。
2.1 热性能测试
电发热或远红外辐射发热的可穿戴热疗纺织品在使用前均需通过性能检测并符合行业内所规定的发热功能性评价标准。此外，热疗纺织品热性能的客观实验测试方法主要分为两个部分：人体热生理实验和动物实验。人体热生理实验是较为简单、便捷、可靠的方法，但实验结果的准确性受个人生理状态的影响较大。以动物作为客观实验的受试者能有效避免实验边界条件对人体的伤害，但动物的热生理反应始终与人类存在差異。
2.1.1 人体热生理实验
可穿戴式热疗纺织品的设计研发与测试评估均需要对人体热生理反应进行研究。人体温度场热量分布可用于医学诊断，还可用于指导人员进行热舒适及热应激评估。人体热生理实验是研究人体热反应常用的方法，测量的热生理参数包括皮肤温度、直肠温度、出汗量、代谢产量及心率等。Atanasov等[17]通过测试18～70岁的114名受试者，手指浸泡于2～14 ℃的水里2.5 min后，皮肤温度恢复到浸泡前温度的时间，分析环境温度对人体热调节的影响。Song等[18]在温度为8 ℃，风速为0.17 m/s的人工气候室中测试8名受试者头部、胸部、腹部、背部、胳膊、手、大腿、小腿等位置的皮肤温度及直肠温度，通过对比人体穿电加热和智能化学加热服时的皮肤温度与核心温度，以分析两类服装的热性能差异。Zhai等[19]将气候室内空气风速设置为7个等级（0.05～1.8 m/s），以问卷的方式获得不同风速条件下受试者的热舒适性评价指数，并结合皮肤温度、心电图和脑电图的测试结果，通过统计分析获得风速对人体热舒适度的影响因素。
2.1.2 动物实验
人体热生理实验可获得大量人体热生理参数，但存在个体差异大、实验重现性差和实验危险性大等缺点。因而，国内外学者多采用动物（小白鼠、离体猪肉等）进行实验测量。夏永莉[20]利用离体猪皮组织测量皮下约1cm深度的温度变化，得出灸时、灸距、艾灸数量与温度之间不存在简单的线性关系的结论，即艾灸对生物组织产生的热效应不可通过若干因素进行简单的相加或相乘来描述。穆志明[21]将新鲜离体猪肉作为研究对象，研究并建立其在近红外光连续刺激下的皮肤温度场分布模型，预测在体皮肤受激光照射时的温度场分布，对近红外激光器的实际痛觉刺激作用进行温度预判与损伤风险评估。夏永莉[20]利用健康大鼠和肾阳虚大鼠进行艾温和灸实验，测量在不同艾灸时间和距艾灸点距离下的大鼠皮肤组织温度变化。由于大鼠个体差异性、艾条定位误差、艾条不均匀等因素的存在，导致实验测量没有出现完全一致的结果，但总体的温度变化趋势符合理论模型的计算结果。
2.2 发热功能评价标准与评估
为确保电发热纺织品在使用过程中的用电安全性和发热性能，需从这两个方面进行测试、考核[22]。其中，电学安全性包括移动电源安全性（移动电源应符合GB 31241-2014《便携式电子产品用锂离子电池和电池组安全要求》的要求）、电器安全性（产品的危险防护安全指标应符合GB 4706.1—2005《家用和类似用途电器的安全第一部分：通用要求》的规定要求）、电磁兼容性（应符合GB/T 17626—2-2006《电磁兼容试验和测量技术静电放电抗扰度试验》和GB/T 17626.3—2006《电磁兼容试验和测量技术射频电磁场辐射抗扰度试验》所规定的电磁兼容性的要求）、电发热安全性（为避免温度过高导致伤人状况，最大温升建议不大于50 K）、特殊存放安全性（在发热区域加压5 kg非金属物，正常加热2 h后无异常）。发热性能包括温度控制器额定输入电压（应为DC5V）、温度控制器的输出电压（每一档电压的输入电压与额定输出功率的偏离不应大于±10%）、加热元件工作功率（正常加热状态下每一档的输入功率对额定输入功率的偏离不应大于±20%）、温度控制器短路保护性能（具有短路保护功能，短路消除后仍可正常启动）、温度控制器调温功能、最小温升（不应小于5 K）、低温工作性能（-20 ℃时仍能正常工作）、耐洗涤性能（5 A洗涤方法连续水洗30次后仍符合发热功能性的所有要求）、耐老化性能（经耐老化实验：温度85 ℃，相对湿度85%下老化72 h后恢复到室温后，发热功能正常）等功能性指标。
远红外辐射发热纺织品的测试评价主要包括：远红外波长、法向发射率、远红外发射率及远红外辐射温升测试。截止目前，中国已发布的纺织品远红外性能测试相关标准主要有3个：GB/T 18319—2001《纺织品红外蓄热保暖性的试验方法》，中国标准化协会标准CAS 115-2005《保健功能纺织品》，GB/T 30127—2013《纺织品远红外性能的检测和评价》。戈强胜等[23]指出，CAS 115—2005标准中远红外波长项目可作为纺织品发射远红外被人体吸收，但不适用于区分样品是否属于远红外纺织品;GB/T 30127—2013标准中远红外辐射温升测试可以合理表征远红外性能，但规定的判定指标过低，难以用于区分普通纺织品与远红外纺织品。建议对现行标准进行修订，利用法向发射率表征发射性能，远红外辐射温升表征吸收性能，提出更为合适的判定指标，以保障远红外纺织品市场健康发展。
2.3 热疗效果测试及评估
李延炜等[6]研制了便携式温控肩部理疗仪中药熏蒸，为评估理疗仪的治疗效果，对34例男性和26例中年人进行610个月的治疗及随访，记录患者VAS评分[24]和肩关节功能评分系统（Constant-murley system）CMS评分[25]。陈柏炜[26]测量并计算了体内含有EMT6乳腺肿瘤的小鼠在超声治疗后的肿瘤体积变化、瘤重变化、肿瘤抑制率。实验结果表明：低频低强度超声混合碳纳米管颗粒能够有效抑制EMT6肿瘤细胞的生长，抑制率为22.7%。贾得巍[5]将感染了黑色素瘤细胞的小鼠，随机分为全身热疗组、化疗组、对照组和联合治疗组（热疗+化疗）进行16 d的治疗，通过检测肿瘤组织中PCNA、Cyclin D1及ICAM-1的含量，并利用SPSS统计软件进行t检验、单因素方差分析、SNK检验等方法来评估热疗效果。结果表明，全身热疗能有效抑制小鼠黑色素肺转移的形成和发展。此外，H&E染色表示了肿瘤在组织中的发生及发展区域，在光镜下观察H&E染色的肺组织切片，也可用于评估热疗对肺肿瘤细胞转移抑制作用的疗效测试及评价。
3 热疗纺织品传热机制研究进展
3.1 生物组织传热研究
3.1.1 生物传热模型
1948年，Pennes根据人体小臂中的温度分布，提出了著名的Pennes生物傳热方程[27]。由于血液的流动伴随着热量的传递，对组织传热存在不可忽视的影响。因此该方程在固体热传导方程的基础上加入了血液灌注项，计算的是平均传热效果，是一种宏观的生物传热模型，如式（1）：
式中：T、Ta分别为生物组织、动脉温度;t为时间;ρ、k分别为生物组织的密度和导热率;c、cb分别为生物组织与血液的比热容;ωb为组织血液灌注率。
然而，该方程中的灌注项与实际情况中血流和周围组织之间的热平衡过程存在一定偏差。Wulff等[28]将人体组织看作多孔介质，利用体积平均血流率的Dacy定律导出血流项。Wissler[29]同时考虑热平衡、物质平衡（血液流动的连续性和产热化学反应中的热平衡），使得模型更加周密。张艳婷等[30]根据生物组织解剖结构提出更贴合实际的血管传热模型（皮肤-肌肉复合层三层传热模型），简称W-J方程，如式（2）：
当血管直径在50～200 μm和血流较快时，该模型比Pennes方程精确。但是W-J模型是针对数量较少且直径相对较大的血管而建立的，模型建立时需假设组织中仅有一对主要的动静脉，且无其他具有热重要性的血管。人体生物组织的复杂性，使得人们并不知道身体的哪些部位满足这一条件，在使用时存在一定的局限性。因此，在生物组织传热领域的研究与应用中，Pennes方程依旧是迄今为止最为合适的传热模型，且已在肿瘤激光热疗、低温外科、烧伤烫伤等临床热科学中大显身手。
3.1.2 皮肤组织的热传递模拟
人体皮肤组织热传递的研究方法包括数学建模、暖体假人实验、CFD仿真及有限元模拟等。现今国内外学者多用有限元软件对人体生物组织或纺织品组合体进行模拟、预测、分析。有限元分析方法是通过利用每一个单元内假设近似函数来表达未知函数。无需建立实体模型即可进行多种分析（热学分析、力学分析、流体分析或耦合情况等），在保证分析方法高效、结果精确的同时大大降低了建模的成本。
钱盛友等[31]利用生物传热方程求解超声热疗中组织内部的温度分布状况，研究声源参数（换能器半径、超声频率）及生物组织特性参数（衰减系数、热传导系数、血流率）对治疗区升温速度的影响。赵艳哲等[32]采用Pennes生物传热方程，借助Fluent有限元软件，模拟皮肤组织在液氮冷冻条件下的温度变化，为色斑、疱疹、血管瘤等皮肤疾病的低温液氮冷冻治疗过程中的精确控温提供参考。Fu[33]在Simth[34]的模型（三维人体模型包括大脑、腹部、肺部、骨骼、肌肉、脂肪、皮肤、血管及呼吸道）基础上，建立3D人体皮肤的热反应模型，研究并分析了服装层之间空气层对热传递及皮肤温度场分布的影响。朱晓明[35]建立了皮肤组织有限元模型，模拟皮肤组织在100℃烧伤情况下的温度场变化情况，发现热源对皮肤组织的作用具有一定的延时性。
在相同的环境条件下，人体热生理反应和热舒适性受人体部位差异的影响较大。因此，国内外学者对人体热反应的研究不仅局限于整体，而进一步细化到各组织部位，从而为局部热疗产品或个体防护装备的测试与研发提供技术指导与数据支撑。陈丽等[36]结合Pennes方程和W-J方程，基于解剖学结构建立人体手臂的3D热传递数值模型，模拟分析稳态条件下的生物组织体内温度场分布特征，着重探究组织内血液流速、代谢产热量、环境温度及对流换热系数对生物组织热传递的影响。研究结果表明，血液灌注率对保持体温稳定具有重要作用。朱彬[37]利用有限元方法建立了人体小腿部位的2D传热数值模型，研究其骨骼层、内部肌肉层、外部肌肉层及皮肤层的传热量区别，认为平行逆流血管在人体组织传热过程起着重要作用。
3.2 纺织品热传递研究
国内外学者对纺织品热传递模型的研究主要可分类为单层和多层模型。早在1996年Gibson等[38]在高温条件下提出了单层多孔介质传热传质模型。Ghazy等[39]将热传导及比热系数替换成经验公式，引入到单层织物传热模型中，进行了高温条件下的热传递模拟，结果显示过程具有更高的拟合度。在单层模型的基础上，Mell等[40]提出了多层面料层与层之间的传热模型。考虑到层与层之间的空气层厚度对织物系统的热传递过程有一定的影响，一些学者[41-43]研究了纺织品和空气层的热传递模型。纺织品在热传递过程中往往伴随着水传递，考虑到水及空气层的影响，Lawson等[44]和Ghazy等[45]分别建立了多层织物热湿传递模型和织物中含多层空气层的多层织物热传递模型。
近年来，纺织品热传递的数值模拟始终是一个热点问题。孙玉钗等[46-48]利用有限元软件揭示了动态热量传递过程中棉织物横截面任意位置、任意时刻温度分布情况。2011年，Couto等[3]建立几何仿真模型来研究面料组成及发热丝数量分布对电热登山手套传热性能的影响。2015年，Fan等[49]利用数值模拟法研究仿生织物（三层分支结构）的稳态热传递性能，赋予织物不同的热通量以预测其有效导热系数。2016年，Puszkarz等[50]建立了不同织物的三维模型，包括双层针织物，模拟出的温度梯度变化与实验结果吻合度较好，指出有限元法的应用可以补充真正的材料试验，预测新设计的纺织品的热性能。同年，吴佳佳等[51]利用ABAQUS对织物系统模型的热传递过程进行模拟，并提取织物外表面的温度计算织物系统的总热阻。2018年，陈扬等[52]对加热片与织物组合体的稳态热传递进行模拟，分析不同织物、不同加热片和不同空气层厚度等条件下模型内部与外表面的温度分布特征，并与实验测试结果有良好的吻合度。
4 结 语
目前可穿戴式热疗纺织品的热性能及疗效测试评估尚不完善，发热功能评价标准仅限于少量特殊功能纺织品（红外、电热纺织品），且判定指标不一。热疗疗效测试及评估尚无形成规范的评估指标及标准文件，各类测评标准层出不穷。为保障热疗纺织品市场长远且健康的发展，建议充分考虑人体生物组织结构及使用环境，建立完善的可穿戴热疗纺织品疗效测试及评价体系;对现行热性能评价标准进行修订，制定更为合理的判定指标。
可穿戴热疗纺织品的热传递机制复杂，对于传热机制的研究，学者更多进行的是织物传热过程或生物组织传热过程，少有将两者结合。织物的传热过程研究仅限于织物本身的组织结构特点，并未考虑其与皮肤组织结合后对传热的影响因素。学者研究组织传热时多使用Pennes生物组织传热方程，然而人体皮肤组织结构十分复杂，真皮层由结缔组织组成，内部分布着丰富的血管。理论上，一个理想的灌注组织传热模型应考虑到组织内每一根血管及其内血液的流动情况。且在受热以后，皮肤血管扩张，血流增加，又增加了热量的扩散。目前的研究中并没有考虑到这一问题。未来，可运用有限元、CFD等技术进行人体生物组织和纺织品整体的三维热湿耦合模拟，通过耦合求解血管内的对流换热和热传导来获得每一点的温度，综合考虑血管传热、外部环境（温度、风速、辐射等）、纺织品基本参数的共同影响。
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作者：钱江瑞 蔡彦 杨允出 任姗姗 陈怡充
移动电源性能测量技术论文 篇2：
基于树莓派的人脸识别智能车锁
摘要：随着生活节奏的加快，以及人们手中钥匙数量的增大，自行车机械锁结构越来越无法满足人们高效率生活需求。本文设计了一种基于树莓派为上位机、arduino单片机为下位机的人脸识别智能自行车锁的方案。其中树莓派用于人脸识别并通过串口通信向arduino单片机发送驱动信号，人脸识别算法使用经典的人脸识别算法——Eigenfaces算法。Arduino单片机作为驱动板，接收到识别的信号之后，该板驱动锁结构开启。测试表明，本设计可实现通过人脸识别进行开锁的功能。
关键词：树莓派；上位机；Eigenfaces算法；串口通信；人脸识别
Key words： raspberry pie； upper computer； Eigenfaces algorithm； serial communication；face recognition
1 引言
伴隨着人们生活节奏的加快、城市的交通堵塞，人们对自行车出行需求仍然很大。但是由于生活节奏的加快，以及人们手中钥匙数量的增大，自行车机械锁结构越来越无法满足人们高效率生活需求，因此需要一种更加便捷的方式来进行自行车锁具的开关。为此我们开发了基于树莓派上位机的人脸识别智能车锁。本项目整体上是一个嵌在自行车上的嵌入式装置，其主要完成扫描人脸并进行识别判断进而开锁的过程。
斯坦福教授李菲菲举办的ImageNet国际视觉识别竞赛中，第一名的识别度就已经高达99%以上[1]，也就是说，业界对于图像识别已经有非常成熟的算法，因此从实践项目的角度，这一点是十分有利于本项目的成功的。同时，业界中对于视觉项目的开发，集成了成熟的视觉开源库opencv，这也大大的降低的编码难度，提高了项目开发的技术可行性。
2 系统设计与硬件选择
本项目整体上是一个嵌在自行车上的嵌入式装置，其主要完成扫描人脸并进行识别判断进而开锁的过程。所用到的技术主要有基于opencv视觉开源库的人脸识别技术、Linux环境下的编程、arduino单片机编码电机的驱动编程、上下位机之间的通信等技术。整个系统的功能可以分为如下的几个模块：图像的采集与预处理工作、离线人脸识别模型的训练、人脸识别、树莓派3b与电机驱动板arduinomega2560的串口通信、驱动板arduinomega2560驱动电机开锁等，如图1所示。
2.1 树莓派数据简介
Raspberry Pi简称树莓派，是为学习计算机编程教育而设计，只有信用卡大小的微型计算机，系统基于Linux。“麻雀虽小，五脏俱全”来形容树莓派再贴切不过。它是一款基于ARM的微型电脑主板以SD/MicroSD卡为内存硬盘，卡片主板周围有1/2/4个USB接口和一个10/100 以太网接口（A型没有网口），可连接键盘、鼠标和网线，同时拥有视频模拟信号的电视输出接口和HDMI高清视频输出接口，以上部件全部整合在一张仅比信用卡稍大的主板上[2][3]。正是其微小型、全面性，成为了本项目开发的最佳芯片选型。图2是树莓派简易图。
2.2 Arduinomega2560简介
Arduino是一款便捷灵活、容易入门的开源电子平台，如图3所示。包含硬件（各种型号的Arduino板）和软件（Arduino IDE）。Arduino能通过各种各样的传感器来感知环境，通在本系统中主要用来控制锁的电机转动。板子上的微控制器可以通过Arduino的编程语言来编写程序，编译成二进制文件，烧录进微控制器。同时其软件平台的高级设计语言是基于c语言开发的，非常利于开发者快速学习和开发。同时其开源平台丰富的库，也极大的便利的编程的难度并提高了项目可行性[4]。
2.3 串口通信、上位机、下位机简介
简单来理解串口通信的概念，即多个处理器之间通过串行口进行数据的按位传输[5]。通过调研我们发现，尽管树莓派3b功能齐全、计算性能相对一般单片机高，但是如果将编码电机直接连接到树莓派的pin口，是容易烧坏板子的。因此这里本项目采用树莓派3b作为上位机、arduinomega2560作为下位机的整体构造，如图4所示。上位机的概念是进行高级的图像处理和识别相关的计算，并根据计算结果得到通过串口通信发送给下位机。而下位机的功能是接收到信号之后，驱动电机运动完成开锁功能。这样上、下位机结合的设计思路，能够提高系统的安全性和健壮性。
2.4 人脸识别算法Eigenfaces简介
计算机视觉中成熟的人脸识别算法有很多，这里选用opencv集成好的算法Eigenfaces。其算法步骤如下[6]：
Step1： 采集人脸数据库和待识别的人脸图像，基于其像素矩阵将其化成一维向量。
Step2： 基于所有数据向量，计算所有向量的平均值，即计算“平均脸”。
Step3： 将所有人脸向量减去“平均脸”向量，得到插值向量矩阵。
Step4： 计算协方差矩阵，提取特征向量和特征值，并截取前K个高贡献度的影响因子。
以上部分基于机器学习中经典的算法PCA主成分分析，即将高维度的图像参数映射到了低维空间，抽取出数据的主要成分[7]。这便完成的模型的离线训练。在接收新的待探测的人脸后，按照训练的结果（特征向量、特征值），对图像做相同的映射处理，然后进行聚类识别计算。
3 模块化设计
对照上文给出的模块功能的分类，下面依次进行模块化的逻辑过程设计。
3.1 基于树莓派的人脸识别模块
这里采用的技术是基于经典的开源视觉库opencv，对预先收集好的人脸数据库以及采集到的正确人脸，进行人脸识别模型的离线训练。人脸识别采用的主要方法是特征脸算法（Eigenface），通过训练后得到的离线模型以.xml形式存储，在主系统运行时调用模型即可。即图5所示。
3.2 基于arduino mega2560的锁驱动模块
本系统采用arduino mega2560单片处理机控制开锁电机。锁的分为三个状态：开锁可关锁、关锁、开锁不可关锁。这三个状态必须按照一定的状态转移顺序，否则系统将会出现故障。锁的三种状态之间的转移情况如图6所示。
同时，根据锁的机械结构和电机单位时间内旋转的角度，通过实验，测量出从一个状态到另一个状态的时间参数。基于时间参数，得到该子模块的运行流程，如图7所示。
3.3 串口通信逻辑
系统需要基于树莓派的图形采集和计算的结果，来为单片机控制舵机发出相应的指令。因此，不得不解决的问题就是树莓派和单片机之间的通信问题。树莓派的通信方式手段较多，有蓝牙、usb串口以及wifi等方式，单片机支持usb串口和蓝牙方式，考虑通信的稳定性，本系统采用处理器之间的串口通信。流程如图8所示。
这里注意，考虑上位机的识别过程，在较好的识别条件下，可能会多次识别到正确的人脸，就会多次往串口发送数据，这就会导致电机的多余运动进而导致功耗上升。上位机一旦检测到正确人脸，就往串口发送数据。这其中会发送较多的坠余数据。这里采取的解决策略是，下位机一旦接收到串口信号，驱动电机开锁的同时，采取10秒的延时来屏蔽串口发来的多余数据，这里就成功的解决上面的坠余串口信号增加的多余能耗。
4 系统实现
4.1 基于树莓派的人脸识别模块
对应于图5流程中step1、2，本系统要进行识别人脸的采集以及识别模型的训练。直接给树莓派3b的usb端口连接常用的摄像头，就可以调用开源的opencv库来采集待识别人脸的图像。picture.cpp就是这样一个专门调用摄像头采集视频流的程序。篇幅限制，这里不呈现源代码。运行效果如图9所示。
采集成功之后（这里程序中采集了30帧图像），进入对应的人脸数据库目录中，在30张图像中选取10张比较典型的照片，用于后面的识别模型的训练。
完成训练之后，使用的三种人脸识别算法对生成对应的.xml文件，也就是经过上述采集的数据和训练程序得到的模型，将三个.xml文件复制到上位机进行人脸识别开锁的主程序（下文会给出，result.cpp）中，便可以在实时的图像采集中使用该模型进行人脸识别判断。
4.2 基于arduinouno2560的锁驱动模块
这一模块主要涉及驱动板驱动电机旋转来达到开锁的目的，基于实际的锁结构，测量出具体的旋转参数，在开锁逻辑流程图中已经给出，按照其呈现的流程编写arduino锁驱动程序即可。这里直接将串口通讯模块给呈现出来，驱动板从串口缓冲器中读数据，如果是字符3，则执行开锁逻辑，如果是1或者2，用于调整电机的角度。
4.3 上下位机之间的串口通信模块
刚刚本文提到，驱动板在串口中接受到字符3之后，开始执行开锁逻辑，对应的，上位机树莓派在识别成功之后，使用c语言的串口通信函数[8]，向串口发送一个字符3.上位机树莓派3b最终的执行程序result.cpp，完成实时人脸采集、识别与控制信号的发送。
4.4 系统实现结果
系统整体完成情况：最上面是单片机和树莓派的组合，中间是电池组，这里使用移动电源供电即可，满足树莓派的供电标准。右侧是图像采集模块，最下面是锁模块，锁中的编码电机与单片机的电机控制模块通过杜邦线进行连接，如图10所示。
系统功能测试：
由于本系统考虑成本因素，在最终的实物中并未添加显示器等外设。系统的调试工作，通过树莓派的HDMI借口连接显示屏来完成。当采集图像之后匹配成功，摄像头的监控窗口捕捉到的人脸旁边会显示”Right People”的字样，如图11所示。否则，匹配失败（显示“Mismatching People”字样）显示如图12。
5 结束语
本项目的灵感源于互联网+浪潮的掀起，人工智能相關领域的兴起，让人们从视觉、图像、声音等多个感知层面，对日常生活中的设备进行智能化的设计。本文从视觉的角度，以方便人们出行方便为目的，开发了这款基于人脸识别的智能自行车锁，并达到了良好的效果。当然目前系统还有待进一步改进，如整个嵌入式的系统还是不够简洁精炼，外部缠绕的线太多可考虑进行芯片和外设的个性化定制，真正达到嵌入式开发“量身定做”的需要，将电池、芯片、摄像头、电机集成到一个精简的装置当中。
参考文献：
[1] 孙玉兰.数字图像处理技术的应用现状与发展研究[J].电脑知识与技术，2014，10（26）：6228-6230.
[2] 苏祥林，陈文艺，闫洒洒.基于树莓派的物联网开放平台[J].电子科技，2015，28（09）：35-37+41.
[3] 朱轶，曹清华，单田华，等.基于Android、树莓派、Arduino、机器人的创客技能教育探索与实践[J].实验技术与管理，2016，33（06）：172-176+206.
[4] 凯姆·卡尔文，泰勒·卡尔文，庞明珠.Arduino与电子制作[J].电子制作，2012（08）：68-73.
[5] 蒋萍花，张楠.数据采集系统串口通信的设计与实现[J].电子测量技术，2015，38（06）：139-142.
[6] 陈勇，林颖.基于特征脸的主成分分析人脸识别[J].计算技术与自动化，2017，36（02）：122-124.
[7] 张勇，黄杰，徐科宇.基于PCA-LSSVR算法的WLAN室内定位方法[J].仪器仪表学报，2015，36（02）：408-414.
[8] 王坤，高贇.基于VC++实现串口通信的方法[J].信息化研究，2010，36（10）：52-54.
【通联编辑：梁书】
作者：任环宇 武坤玉 李道全
移动电源性能测量技术论文 篇3：
话说充电电池
编者按：随着科技的发展，电子产品的使用越来越频繁，也越来越便利了。很难想象，在现代社会，有谁会不用电子产品。说到电子产品，必然会涉及充电的问题，可是，您了解自己手中的电池吗？我们该如何合理应用呢？在此主持人和嘉宾将分两期对此问题进行深入探讨。
主持人：
邱元阳 河南省安阳县职业中专
嘉 宾：
刘宗凡 广东省四会中学
金 琦 浙江师范大学附属中学
充电的基本定义是给蓄电池等设备补充电量，其原理是让直流电从与放电过程相反的方向通过，以使蓄电池中的活性物质恢复作用，储存电能。本期我们就讨论一下充电电池的那些事儿。
● 耗电分析——电量去哪儿了
邱元阳：智能手机、平板电脑等移动设备出现的时间虽然并不长，但在硬件的发展方面，无疑可以用突飞猛进来形容。就当今比较普遍的安卓系统智能移动设备来说，CPU从单核发展到八核，RAM从128MB发展到3GB，仅仅用了五年左右的时间。现在的手机性能甚至能够媲美普通的桌面电脑，可以说性能过剩。但有一个领域始终没有得到质的突破，那就是电池。
刘宗凡：目前延长移动设备使用时间的唯一办法是增大电池容量。从以前手机常用500mAh左右的电池到现在主流的3000mAh，甚至出现5000mAh左右的超大电池，但手机一日一充的现象基本没有改变。并且，电池容量的增加，伴随的是体积的增大。这和手机追求纤薄、轻巧的特点是互相矛盾的。手机厂商也只能在这两者之间尽量取得平衡，来满足消费者的需求。为什么电池虽然变得越来越大，但待机时间并没有出现大的改进呢？我们来看看电量都被哪些大户消耗了，从哪些方面下手能让电池更耐用一点。
1.屏幕
金琦：手机最直观的一个改变，就是屏幕越来越大。屏幕是移动设备一个耗电大户，大屏和高分辨率就是电量杀手。我们可以从哪里入手节约电量呢？首先是亮度，调低屏幕亮度可以有效省电。其次是分辨率，如果屏幕的分辨率太高，我们可以用工具适当降低。有些移动设备的屏幕高达400～500PPI，以乔布斯的观点来看，在一定距离下，人眼很难分辨超出300PPI的精度，所以称超出300PPI的屏幕为视网膜屏。我们可以用工具改变高分屏的分辨率，降低耗电量，有些官方的省电程序也会主动调整屏幕分辨率。
2.CPU
邱元阳：现在移动设备中用到8核CPU的比比皆是，这又是一个“电老虎”。强劲的动力，带来的是高耗电和高发热。其实我们很多时候都用不到这些“过剩”的性能，特别是在锁屏待机的时候，不如适当降低性能来平衡电量的消耗。ExTweaks这个软件不仅能降低CPU的频率，而且还能减少工作的核心数，省电效果非常明显。如果你不想太折腾，其实那么你可以利用很多手机本身自带的各种模式来省电。如小米手机就有三种模式：省电模式、正常模式、性能模式，前两者主要是通过降低CPU的工作频率来达到省电的目的。
3.GPU
刘宗凡：要想运行大型游戏，出色的GPU是不能缺少的。华丽的特效、流畅的场景、自如的操控，都离不开GPU在背后“发烧”。大型游戏是最消耗电量的应用，一个重要原因就是GPU的“贡献”。当然，玩大型游戏和电量消耗是没有办法调和的一对矛盾体。我们还是在有方便的充电环境下玩大型游戏吧。
4.网络（3G/4G/WIFI）
金琦：网络连接几乎是“低头族”的命脉。现在走家串户的第一句话已经由“吃了吗”改为“WiFi密码是什么”。那么网络连接耗电的情况如何呢？虽然没有确切的数据，但在一般的使用场景下，网络连接耗电量在总耗电量中占的比例在10%～20%之间，这还算可以接受。特别是WiFi，如果在稳定的连接状况下，耗电量还是比较少的。如果WiFi没有连接，总是在搜索信号，那么耗电量就会上升。和3G/4G连接相比较，WiFi更加省电。如果电量不是特别紧张，我们不用频繁去开关网络连接，这省不下太多电。
5.蓝牙
刘宗凡：蓝牙是“机友”互传文件的一个主要渠道，为了省电，我们都是平时关闭，用时打开。其实现在的蓝牙4.0版耗电是非常少的，因为其已经加入了低能耗（Bluetooth Low Energy，BLE）技术，在工作时耗电只有普通蓝牙的一半，当不工作时会自动进入休眠模式，进入休眠模式后其耗电基本可以忽略不计。所以我们不需要为了省电而经常开关蓝牙。
6.GPS
邱元阳：随着LBS的兴起，GPS的相关应用也很火爆。那么GPS的耗电如何呢？非常遗憾，GPS也是一个耗电大户。普通的移动设备用来导航，电量基本上只能维持3～4小时，和玩大型游戏差不多。幸运的是，如果只是打开GPS而没有使用相关的应用，也就是GPS在不工作时，它也基本上是不耗电的，我们不用为了省电而专门关闭GPS。
7.软件
刘宗凡：其实所谓软件的耗电，都是因为它们使用相应的硬件产生的。安卓设备感觉比IOS设备耗电量更多，这主要是两种系统的设计理念造成的：安卓基于开放的理念，各种权限无节制地提供给APP，而APP作者也非常不自律，不管需不需要，总是要刷存在感，无耻地推送信息、同步数据，进入后台还是阴魂不散，不时唤醒CPU，使得手机越用越卡，耗电量越来越多，造成手机在不用的时候，和用的时候一样耗电（除了屏幕耗电）。很多人喜欢在锁屏之前清内存，把运行的程序全部关掉，这个习惯还是能减少一些电耗的。但很多软件即使被关闭，还是会千方百计自动激活。在最新的安卓L（5.0）中，Google加入了一个新的API JobScheduler，它可以使得系统能够有效地处理一些不合理的应用唤醒要求，称为对齐唤醒机制。这个机制能够定时处理APP唤醒操作，压缩硬件唤醒时间，同时也减少了电量消耗。IOS系统对后台程序控制非常严格，要通过统一的接口进行消息的推送、同步及上传下载，电量的消耗控制得比较好。
● 充电误区——是真的吗
在充电电池的使用上，从新电池的初次使用，到日常充电，从电池维护，到使用习惯，都有很多不同说法，那么，到底哪些是真的呢？
1.电池要激活吗
邱元阳：有些人买了新手机以后，喜欢将它的电量耗尽直至自动关机，然后充电8个小时以上，对电池进行激活，反复进行三次，认为这样能达到电池的最佳效果。现在这个理论还适用吗？
刘宗凡：这个习惯在使用镍镉电池时是正确的，不过现在的移动设备已经几乎全部使用锂离子电池，出厂时已经激活，我们的新设备买回来以后直接正常充电就可以了。有些手机的说明书也这么写，因为手机电池一般不是生产手机的厂商制造的，这样写可能是为了考虑容错。
金琦：确实，有一些充电电池需要类似的“激活工作”，不过这仅限于较早的镍镉电池和少数镍氢充电电池。这些电池容易产生“记忆效应”，即在不完全放电的状态下充电，易使电池过度充电，时间长了会导致电极板上增生晶体，阻塞电解液与电极板的接触，造成电池的电压下降，让使用者产生电很快就用完了的感觉。因此对于这两种电池来说，定期（而不是每次）对电池完全放电后再充电可以减轻上述原因引起的电压下降现象。至于有些没有科学道理的说法，如旧电池在冰箱中冷冻之后可以重新激活而恢复电量等，还是不信为好。
2.充电后电量要用完吗
邱元阳：有人喜欢把设备电量用光以后再进行充电，认为电池的充放次数是有限的，这样能最大限度地延长电池的使用寿命吗？
刘宗凡：这也是使用镍镉电池时延续下来的错误观念。锂离子电池的充放次数确实是有限的，通常情况下可以充放500次左右。但锂离子电池的充放次数并不是以设备接上充电器就算一次，而是以全电量的充满和用完算一次充放电循环。一般的锂离子电池的寿命可以达到几百次充放电的循环，但在日常强度不大的充放电条件下，锂离子电池的寿命其实还是相当长的，我们不用担心频繁充电会影响其寿命。相反，锂离子电池的过放对电池的伤害是比较大的。我们一般在电量还有20%以上就要开始充电，特别是不能玩到自然关机再充电，尽量避免过放。
金琦：此外，锂离子电池放着不用，其容量也会自然损失，主要的影响因素是电压和温度。研究表明，锂离子电池在充满电的状态下长时间存放，其容量会发生明显损失。同样的，温度越高，锂离子电池的容量损失就越快，而这种损失是不可逆的，也就是说，电池的容量会永久变小。在0℃环境下，电量剩余40%的锂离子电池存放一年后，其容量会损失2%;而在40℃环境下，完全充满电的锂离子电池存放一年后，其容量损失高达35%。所以避免电池过热是可以延长电池使用寿命的。
3.长时间充电有害吗
邱元阳：很多人喜欢睡觉前让手机开始充电，到第二天早上起来用上满电的手机。不过有人说长时间充电会对电池形成伤害，或者形成反复充放，甚至会爆炸。这些担心是多余的吗？
刘宗凡：现在的锂离子电池都会有多重保护机制，防止出现过充、过热等现象，当电池充满以后就不会再充电了，所以不会出现大家担心的情况。当然，锂离子电池处于半饱状态比充满状态损失会更少，设备长期处于充满状态会在一定程度上减少电池的寿命。所以如果锂离子电池作为备份电池长期不使用，在保存时不要充满，最好以40%～50%左右的电量保存。同时过一两个月将其充些电，不要产生过放，这样保存的电池损失会比较少。当然，如果只是晚上充电，这点损失是可以忽略不计的。不过，由于充电时电池会发热，长时间充电可能会导致电池过热，从而缩短电池寿命。
4.边充边玩会爆炸吗
邱元阳：有几则新闻报道，有人在充电过程中玩手机或接电话时发生爆炸，甚至危及生命，使得“没有手机会死星人”人心惶惶。
金琦：其实这也是过于担心。由于锂离子电池本身的特性，其电压比较高，电能密度大，因此与其他的低压电池相比，锂离子电池充电时电极的氧化还原反应十分剧烈，因此锂离子电池的使用条件必须受到严格限制，过度充电、过度放电、短路、高温等都会引起电池损坏，甚至发生起火和爆炸。但是，实际使用中的锂离子电池是把若干个电芯连同一套安全保护电路以及多种安全装置一起封装成一块电池板。这些安全设计可以保证在过度充电、过度放电和短路时自动切断电池的电路;电池内部压力过高还会触发排气装置减压;电池温度过高则会触发热熔保护装置，阻滞锂离子的运动从而停止电池的电化学反应。
邱元阳：本刊207期《走进电池世界》一文中谈到，正规的锂离子电池利用保护电路，可以防止过充、过放、过载、过热、短路、爆炸。特别是现在的聚合物锂离子电池，可以最大限度降低爆炸的风险。虽然边充电边玩手机会感觉手机比较热，这也是正常现象，一方面充电会让电池产生热量，一方面玩手机也会让CPU、GPU等产生热量。只要不是购买没有保障的山寨电池，可以说边充电边玩手机或接电话，或者手机充满电没有及时拔掉电源，是不会发生爆炸的。
5.省电软件有用吗
刘宗凡：因为电池不耐用，省电软件就应运而生。省电软件的原理，无外乎降低CPU频率、降低屏幕亮度、关闭网络连接、蓝牙、GPS等，以及清理后台运行的程序。这些操作我们都可以手工实现，省电软件只是使我们的操作更便利一点。但省电软件其实并不能达到多少省电的目的，甚至更耗电，因为在锁屏时它要时刻监控有没有软件运行，使得CPU无法休眠，比其他软件来唤醒CPU更耗电。所以在实际使用过程中省电软件给我们的体验并不好，可以说基本上没有多大用处。
● 放电曲线——从数据看能量
邱元阳：在使用锂离子电池时，我们有个很明显的感觉，即使电池电量不足10%，电池的输出电压也没有很大的降低，仍能让设备正常工作，直到电量即将耗尽时，电压才陡然降低，此前设备已经会自动关机。平坦的放电曲线，正是锂离子电池的优势。
金琦：放电曲线是电池放电过程中电量随时间变化的直观记录（如图1），反应了电池在不同放电强度下的续航时间、实际输出电压、电压波动规律等，一般表现为非线性特征曲线。电池放电时两极之间的电位差，即放电电压或端电压，就是电池的工作电压。电池的工作电压受放电制度的影响很大，包括放电方式、放电电阻、放电电流、放电时间、终止电压等。当电压下降到电池不宜再继续放电的最低电压值时，就是终止电压。
图1 锂离子电池的放电曲线
刘宗凡：不同电池类型和放电条件下，对电池容量和寿命要求也不同，因此所规定的终止电压也不同。工作电压变化慢但往往会提供较多的容量，其变化速度即反应在放电曲线的平稳度上。不同类型的电池其放电特性曲线也不相同（如图2）。我们常用的干电池，随着电量的减少，电压也不断降低，很难保持恒定，如果是要求稳定工作电压的设备，就不能使用这样的电池。镍氢电池和锂离子电池都具有较平稳的放电曲线。
图2 镍氢电池不同倍率下的放电曲线
● 充电宝——身份特殊的电池
邱元阳：为了解决外出时移动设备电池续航时间不足的问题，一种特殊的充电电池——充电宝（Charge Pal）问世了。充电宝是指可以直接给移动设备充电且自身也具有储电单元的装置，又称移动电源。也就是说，它是由充电电池（通常是锂离子电池）和专门设计的电路组成的，是一个特殊的电池。
金琦：充电宝的电芯，有的是18650的锂离子电池，也有的采用了聚合物锂离子电池。其电路系统则多种多样，如容量指示电路（常用XC61CC系列的电压监控芯片）、电芯保护电路（过充、过放、过热保护，常用HAT2027、R5402芯片）、充电管理电路（采用CN3066芯片，进行涓流充电、恒流充电、恒压充电和维护充电等）、DC-DC升压电路（采用MAX1771集成芯片），以及各种功能扩展电路（如应急照明、防盗报警）等。
刘宗凡：充电宝的容量，从最初的2000多mAh，到现在标注的几十万mAh，发展之快让人瞠目结舌。其实，那些超高容量的充电宝，都是虚标的，实际根本不可能达到这么大的容量。这往往从其体积大小就可初步估计出来。采用18650电芯的，可以估计出有几颗电芯，采用聚合物电芯的，根据充电宝的块头和聚合物电池的比容量，也能粗略估计出容量。当然，最直接的检验方法就是实际充电，对普通手机进行5次充电都做不到的，其容量自然也不会上万。
● UPS——无间断供电方案
邱元阳：在计算机系统中，UPS的使用由来已久，是各类电池中唯一提供交流电大功率输出的。这还不是它的主要特点，它的主要特点是逆变供电，也就是说，它是串联在设备的交流供电电路上的，有电时可以进行充电，当断电时能立即响应，转变为供电状态，向设备供电。
UPS（Uninterruptible Power System），即不间断电源，是一种含有储能装置（一般是铅酸蓄电池），以逆变器为主要组成部分的恒压恒频的电源系统（如图3）。主要用于给单台计算机、计算机网络系统或其他电力电子设备提供不间断的电力供应。当市电输入正常时，UPS将市电稳压后供应给负载使用，同时还向内部电池充电;当市电中断时，UPS立即将机内电池的电能，通过逆变转换的方法向负载继续供应交流电，使负载维持正常工作并保护负载软、硬件不受损失。
图3 UPS电源
金琦：按照工作原理，UPS可分为后备式（Off-Line/Back-Up）、在线式（On-Line）与交互式（Line-Interactive）三大类。我们最常用的是后备式UPS，它具有自动稳压、断电保护等最基础也最重要的功能，但是有10ms左右的转换时间，逆变输出的交流电是方波而非正弦波，广泛应用于微机、外设、POS机等领域;在线式UPS结构较复杂，但性能完善，能够持续零中断地输出纯净正弦波交流电，解决尖峰、浪涌、频率漂移等几乎所有的电源问题，通常应用在关键设备与网络中心等对电力要求苛刻的环境中;交互式UPS具有滤波功能，抗市电干扰能力强，转换时间小于4ms，逆变输出为模拟正弦波，可用于服务器、路由器等网络设备，或者用在电力环境较恶劣的地区。
刘宗凡：UPS是一种集数字和模拟电路、自动控制逆变器与免维护贮能装置于一体的电力电子设备，可以在市电突然中断时持续一定时间给电脑等设备供电，从而使人有充裕的时间应对。随着信息化社会的来临，UPS广泛地应用于从信息采集、传送、处理、储存到应用的各个环节，担任着保护数据的重要角色。
● 快速充电——长期的梦想
邱元阳：为了解决智能手机电池续航能力的问题，手机和电池厂商一方面加大电池容量，一方面想方设法加快充电速度。2014年3月，OPPO Find 7手机率先采用“VOOC闪充”技术，实现了智能手机的快速充电，在大约半小时的时间内，就能将3000mAh的电池充到75%。随后，众多手机品牌相继跟随：小米米4手机实现了1小时充60%;New MOTO X配备涡轮快速充电器，15分钟能充电25%左右;三星Galaxy S6的快充功能则能30分钟充电50%。这些快速充电方式不同程度地缓解了续航能力不足的难题。
金琦：类似的快充技术还有高通的新一代充电技术协议Quick Charge2.0（如图4），可比起一般充电方式减少75%的充电时间，对应的快速充电器（兼容5V、9V、12V三种电压规格）有：Motorola Turbo ChargerPower up fast、HTC Rapid Charger 2.0、三星EP-TA20CBC、Ktec冠德VP001、小米MDY-03-EB等。Power Integrations公司为此技术推出了AC-DC墙插式充电器接口IC——CHY100，用于充电器厂商设计基于高通Quick Charge 2.0协议的充电器。
图4 Quick Charge 2.0充电器接口IC芯片CHY100
刘宗凡：手机电池经数次充放电循环后常常会出现使用时间缩短的情况，令人倍感困扰。德州仪器的MaxLife 技术采用创新电池老化模型系统，可大幅缩短充电时间，延长30%的电池使用寿命。MaxLife基于阻抗跟踪（Impedance Track）电池容量测量技术，可避免高倍率快速充电所造成的电池老化问题，精确控制充电电压和电流，及充电结束时间，并可准确预测并避免导致电池老化的充电条件。
邱元阳：哈佛大学纳米化学专业的女学生埃沙·哈尔（Eesha Khare），18岁时发明的充电神器可以在20～30秒快速完成手机充电。该发明是由氢化二氧化钛、聚苯胺纳米棒组成的高性能超级电容器，能在微小空间内装载超多能量，不仅充电速度快，还能长时间保存电量。此外，该设备的充电周期达到1万次，而传统充电电池只有1000次左右。并且这个电容器还是柔性的，能被用在柔性显示屏，以及穿戴设备上。如果该项发明能够投入使用，将给手机充电带来一场新的革命。
金琦：在手机之外，还有一些电池也需要快速充电，如电动车、电动汽车。特斯拉电动汽车的目标，是实现5分钟超快速充电。目前特斯拉的超级充电站只能在30分钟内为Model S电动车充电一半。在500公里的续航里程下，如果充电耗时不会大于加满一箱汽油，那么新能源汽车很快就能取代汽油车。
刘宗凡：目前快速充电技术很多是利用加大充电电流与功率，这对锂离子电池来说或多或少都有损害，并面临过热和爆炸的风险。一方面续航时间不足，一方面充电时间过长，这让人们头痛不已。以锂离子电池为代表的充电电池，要想突破这两方面的局限，还有很长的路要走，这正是锂离子电池供电的长期梦想。不过，前路已见曙光，梦想即将照进现实。
● 无线充——前途无限的蓝海
金琦：锂离子电池续航能力不高是智能手机的顽疾。这个问题有两种解决方式：一是提高电池寿命，二是提高充电的便捷性。相对而言，后者取得实际进展似乎更加容易，市面上的各种充电宝已经可以解决大部分的问题。鉴于为充电带来的便利性，无线充电技术是近年来热门的充电攻关技术之一。
刘宗凡：现在的无线充电标准主要有三种：Wireless Power Consortium（简称 WPC，即Qi标准）、Power Matters Alliance（简称PMA）和Alliance for Wireless Power（简称A4WP）。三种充电标准各有优劣，Qi标准适合用于智能设备，背后有上百家手机和其他厂商的支持，是目前使用数量最多的无线充电标准;PMA更偏向用于充电设备，如咖啡厅的桌子、家里的家具等，杜邦公司、星巴克、AT&T是其会员;而A4WP标准很好地解决了多设备同时充电的问题，背后有Intel、高通的支持。最近，A4WP和PMA表示将于2015年合并，短期内两者的联姻将不会对市场造成太大的冲击，不过期待两者合并后的组织和Qi形成新一轮竞争，应该会和当年的HDDVD和蓝光竞争一样，最后决出一个胜利者。
邱元阳：在今年的移动世界大会（MWC）上，宜家（LKEA）宣布推出能够为手机、平板电脑和其他移动设备提供无线充电服务的家具。这些家具将把流行的Qi无线充电技术整合到家具上的特殊充电板中。人们只要将支持Qi技术的移动设备放在充电板上就能给设备快速充电。Qi联盟的成员包括三星、微软、摩托罗拉、诺基亚、HTC、Verizon Wireless等超过200多个，已有80多款智能手机支持Qi技术。Qi技术的工作原理是磁电感应，即通过内置的磁性线圈来产生一个小的电磁场，然后通过能量转换来给移动设备的电池充电（如图5）。
图5 无线充电器发射端内部电路板
金琦：有一家uBeam公司摒弃了以前无线充电必用的磁共振，而是选择了超声波作为媒介，其过程是首先将充电器的电能转化为超声波，然后在另一头用设备捕捉这些超声波转换回电能，接收者再连接该设备实现充电。不过目前仍在实验阶段。
刘宗凡：现在无线充电技术越来越火了，在电池待机时间还不够长的情况下，方便地进行无线充电已是大势所趋。
技术无极限，应用亦无极限。