自供電多功能鞋的設計與實現(xiàn)

（西安文理學院物理與機械電子工程學院，陜西西安,710065）

自供電多功能鞋的設計與實現(xiàn)

李國柱,高凱凱

（西安文理學院物理與機械電子工程學院，陜西西安,710065）

自供電多功能鞋由發(fā)電儲能單元、感應檢測單元、主控單元、藍牙模塊以及執(zhí)行單元組成。當人走動時，壓力發(fā)電模塊產(chǎn)生電能，并存儲到鋰電池中，可為系統(tǒng)供電。

壓電發(fā)電；MSP430；ADXL345；藍牙通信

0 引言

本文提出了一款新型的自供電多功能鞋。該鞋能夠將人體行走時產(chǎn)生的能量收集存儲，同時還為穿戴者提供了溫度調節(jié)功能、電子計步功能及摔倒檢測功能，鞋體通過藍牙與Android手機藍牙客戶端實現(xiàn)連接，方便用戶使用。

1 系統(tǒng)設計

自供電多功能鞋包括MCU單元、發(fā)電存儲單元、檢測單元、執(zhí)行單元、藍牙通信單元以及相應的智能手機應用程序，其系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 自供電多功能鞋系統(tǒng)組成

系統(tǒng)采用NI公司的MSP430單片機作為主控芯片，其功耗極低而且片內資源和外部接口豐富，因此非常適合于微型化、低功耗產(chǎn)品的設計。

發(fā)電存儲單元利用壓電陶瓷產(chǎn)生電能并存儲至鋰電池中，鋰電池向內部各單元供電，同時可以供外部使用，如給手機充電。檢測單元包括鞋內的溫度感應模塊、摔倒感應模塊、計步感應模塊。執(zhí)行單元包括按摩片、發(fā)熱片。多功能鞋可以通過藍牙無線傳輸與智能手機交互數(shù)據(jù)，藍牙模塊采用Alientek公司的ATK-HC05主從一體藍牙串口模塊，智能手機通過終端的應用程序查看多功能鞋狀態(tài)數(shù)據(jù)和發(fā)布功能指令。

2 壓電發(fā)電的能量收集

我們利用壓電陶瓷的正壓電效應，把行走過程中所產(chǎn)生的機械振動轉換成電能并存儲在鋰電池中。在鞋底有效受力范圍內安裝壓電發(fā)電陶瓷片，利用磁力彈簧為機械振動提供所需的回力，用磁力彈簧代替金屬彈簧，既可以使系統(tǒng)結構簡化、降低噪音，還可以增加系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，同時提高鞋底的彈性和舒適性。

在能量收集方面，將來自鞋底壓力發(fā)電片的電量,儲存到鋰電池中，其電路如圖2所示。來自壓電振子的全波電流經(jīng)全橋整流器收集入電容Cr中，在電容Cr和電池間串聯(lián)一個DC-DC變換電路,這里的DC-DC變換器是降壓式且工作在電感電流斷流模式下。其主要功能為調解整流后的電壓,把高電壓小電流轉換成低電壓大電流,以滿足應用場合的需求。

圖2 帶有DC-DC轉換的能量收集電路

3 溫度調節(jié)功能的實現(xiàn)

傳統(tǒng)的發(fā)熱鞋其發(fā)熱部位幾乎布滿鞋底，把有限的熱量都平分給腳底，工作時能耗比較大且沒有考慮到人體腳部的溫度分布。本文所設計的多功能鞋根據(jù)人體腳部的溫度感應特點采用更為科學的集中受熱方式，鞋底只在前腳掌附近安裝有發(fā)熱片，可以使得該鞋具有相比傳統(tǒng)發(fā)熱鞋更加節(jié)能高效的發(fā)熱方式，能夠在低能耗的條件下獲得更及時的保暖效果。

自供電多功能鞋內置的供暖元件為碳膜發(fā)熱片,鋰電池可以直接給其供電，可以最大限度的減少電路的能耗。鞋內采用DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器DS18B20檢測溫度，由單片機讀取當前溫度值并與預設溫度閾值進行比較，接通和關斷加熱電路。溫度閾值可以通過智能手機應用程序進行設置。

4 計步功能和摔倒檢測功能的實現(xiàn)

本設計采用ADI公司的三軸加速度傳感器ADXL345來感知人體運動狀態(tài)的變化，完成計步和摔倒監(jiān)測。MSP430單片機通過SPI接口與ADXL345進行通信，

將三軸加速度傳感器的三個坐標分別與人體坐標相對應，x軸代表人體左右方向加速度變化，y軸代表人體前后方向的加速度變化，z軸代表人體豎直方向的加速度變化。當人體行走時z軸具有相對較大的周期性加速度變化，通過動態(tài)閾值決策算法能夠檢測出運動時的單步周期，從而實現(xiàn)計步的功能。

當人體的摔倒過程中，三個軸的加速度及其矢量和會發(fā)生變化，通過設定一定的閾值，判斷三個軸向的加速度變化，可判斷穿戴者是否摔倒。首先利用ADXL345的Free_fall中斷判斷是否有摔倒過程中的失重現(xiàn)象，再判斷是否有撞擊發(fā)生，如果在失重發(fā)生一段時間后沒有發(fā)生撞擊，則認為沒有摔倒。撞擊的判斷依據(jù)是人體在摔倒時與地面發(fā)生撞擊時加速度矢量和會產(chǎn)生一個峰值，此處可以利用ADXL345的Activity中斷來檢測。人體摔倒不會馬上站起來，會有一點時間的靜止狀態(tài)。由于人體由垂直變?yōu)樗剑藭r加速度的矢量和會小于某個值，可以利用ADXL345的Inactivity中斷來檢測。當撞擊發(fā)生后一段時間內檢測不到這樣的靜止事件，則認為沒有摔倒。為了進一步檢測人體是否摔倒，可以取人體摔倒之前的三個軸向的加速度與摔倒后的加速度進行比較，如果各個軸向的加速度之差超過一定的閾值，判斷為一次摔倒，通過藍牙發(fā)送給智能手機應用程序，通過手機進行呼救和撥打預設電話報警。

5 智能手機應用程序設計

智能手機和MSP430單片機通過藍牙無線模塊，以異步串行方式進行通信，完成數(shù)據(jù)交互。本設計中智能手機采用Android操作系統(tǒng)，采用Eclipse集成開發(fā)環(huán)境編寫手機應用程序。設備在首次使用中配對授權后，可自動連接鞋內藍牙模塊。

6 結語

本文提出了一種自發(fā)電多功能鞋的完整設計，該鞋采用壓電發(fā)電收集人體行走時的能量并存儲于鋰電池中、通過碳膜發(fā)熱片為足部加熱，利用三軸加速度傳感器實現(xiàn)計步和摔倒檢測功能，使用藍牙數(shù)據(jù)傳輸模塊，可以與智能手機交互數(shù)據(jù)。作為一種穿戴式智能設備，該鞋具有較好的應用前景。

[1] 劉思言.可穿戴智能設備引領未來終端市場 諸多關鍵技術仍待突破[J]. 世界電信,2013,(12):38-42.

[2] Texas Instruments.MSP430x4xx Family User’s Guide [DB/OL]. http://www.ti.com.cn/cn/lit/ug/slau056j/ slau056j.pdf.

[3] 謝海峰,吳越,接勐,等.磁力彈簧式壓電共振型氣泵的設計[J].光學精密工程,2012,20(7):1573-1577.

Design and implementation of self-powered multi-functional shoes

Li Guozhu,Gao Kaikai
(School of Physics and Mechatronics Engineering,Xi’an University of Arts and Science,Xi’an Shaanxi,710065,China)

The self-powered multifunctional shoes are consisted of pressure generating device,sensing detection units,micro controller unit,Bluetooth module and execution units.When people walks,the pressure generating device go up and down to produce the power,then the power will be stored in the lithium battery after changing and it can provide energy for the system.

piezoelectric generator;MSP430;ADXL345;Bluetooth communication

李國柱(1976-),男,山西長治人,講師,碩士,主要研究方向:智能控制和智能算法。

國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（項目編號：201311080001）

高凱凱（1992-）,男,陜西佳縣人,2011級自動化專業(yè)本科生,主要研究方向:單片機技術應用。