基于Arduino軟件的智能鞋子設(shè)計(jì)

許鐘，紀(jì)昕洋，馬晴

（沈陽城市建設(shè)學(xué)院，遼寧沈陽，110067）

1 鞋子創(chuàng)新功能概述

1.1 冬天鞋的加熱

冬天在戶外會(huì)覺著腳冷，即便穿了加絨的鞋有時(shí)也會(huì)冷，有人找到商機(jī)利用氧化反應(yīng)原理，做出類似“暖寶寶”的產(chǎn)品，可這種方式產(chǎn)生的熱不能很好掌控，存在前期熱后期涼的現(xiàn)象，同時(shí)氧化反應(yīng)不可逆，會(huì)對資源造成浪費(fèi)。因此，想到用加熱電阻絲提供熱量，利用溫感器對溫度進(jìn)行監(jiān)測反饋，自動(dòng)調(diào)節(jié)電阻絲中電流，可解決發(fā)熱量前期多后期少及環(huán)境污染的問題。

1.2 能量的部分回收

走路時(shí)雙腳交替，大量機(jī)械能消散在了空氣中，我們可以對能量進(jìn)行適當(dāng)?shù)幕厥?，提高能量的使用率。我們想到在鞋?nèi)側(cè)裝上線圈和強(qiáng)磁鐵及儲能裝備。走路時(shí)利用兩腳的交替可進(jìn)行切割磁感線運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電流，再對線圈中的電進(jìn)行儲存，可用于智能鞋子的工作運(yùn)行，減少能量的損耗。

1.3 抖腿的矯正

根據(jù)研究適當(dāng)?shù)亩锻瓤梢跃徑饩o張、促進(jìn)血液循環(huán)，但過度抖腿則會(huì)危害人的健康。因而我們想到監(jiān)測人抖腿時(shí)鞋子抖動(dòng)頻率，當(dāng)過度抖腿時(shí)進(jìn)行提醒矯正。

2 智能鞋子使用的原理概述

2.1 防抖腿系統(tǒng)包括Arduino芯片和MPU-6050模塊

2.1.1 MPU-6050模塊原理圖

陀螺儀作為角速度測量儀器，又叫角速度傳感器，是不同于加速度計(jì)的，它的測量物理量是偏轉(zhuǎn)，傾斜時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。

加速度傳感器是一種能測量加速度的傳感器。常由質(zhì)量塊、阻尼器、彈性元件、敏感元件和適調(diào)電路等部分組成。傳感器在加速過程中，通過對質(zhì)量塊所受慣性力的測量，利用牛頓第二定律獲得加速度值。

磁力傳感器用于輔助測量使得所測量的數(shù)據(jù)更加的準(zhǔn)確真實(shí)可靠。

2.1.2 Arduino原理

Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺。包含硬件（各種型號的Arduino板）和軟件（Arduino IDE)。它構(gòu)建于開放原始碼simple I/O介面版，并且具有使用類似Java、C語言的Processing/Wiring開發(fā)環(huán)境。主要包含兩個(gè)主要的部分：硬件部分是可以用來做電路連接的Arduino電路板；另外一個(gè)則是Arduino IDE，是指你的計(jì)算機(jī)中的程序開發(fā)環(huán)境。只要在IDE中編寫程序代碼，將程序上傳到Arduino電路板后，程序便會(huì)告訴Arduino電路板需要如何工作。Arduino能通過各種各樣的傳感器來感知環(huán)境，通過控制燈光、馬達(dá)和其他的裝置來反饋、影響環(huán)境。板子上的微控制器可以通過Arduino的編程語言來編寫程序，編譯成二進(jìn)制文件，燒錄進(jìn)微控制器．

2.1.3 防抖腿設(shè)計(jì)

防抖腿設(shè)計(jì)基于Arduino的防抖腿系統(tǒng)，硬件部分Arduino芯片和MPU－6050模塊為核心，設(shè)計(jì)外圍電路。硬件平臺的建立是系統(tǒng)最關(guān)鍵的問題，先設(shè)計(jì)系統(tǒng)電路圖，并通過仿真軟件進(jìn)行仿真，仿真通過后進(jìn)行硬件的連接。對抖動(dòng)頻率和幅度進(jìn)行算法研究，并寫出相關(guān)程序，反復(fù)調(diào)試后寫入Arduino芯片。對抖腿頻率的算法，先是學(xué)習(xí)階段，采集抖腿樣本生成統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，將相關(guān)的信息存入抖腿特征數(shù)據(jù)庫。然后是識別階段，取出待識別的樣本數(shù)據(jù)，進(jìn)行特征提取，最后與抖腿特征數(shù)據(jù)庫中的特征相匹配判斷是否提醒。

硬件和軟件仿真之后進(jìn)行軟硬件調(diào)試，在抖腿頻率識別時(shí)將被識別的頻率特征與樣本庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，找到識別結(jié)果，使系統(tǒng)達(dá)到一定的準(zhǔn)確性。

2.2 鞋子的智能加熱

2.2.1 電源的選擇

對于電源的選擇，我們選擇了鋰電池。鋰電池具有電壓高，重量輕等特點(diǎn)。一個(gè)單體電池平均電壓能達(dá)3.7V或者3.2V相對等于2-4個(gè)鎳氫電池或鎳隔電池的串聯(lián)電壓。同時(shí)鋰電池的能量和密度針對其它電池也很高。鋰電池具有高儲能量密度，目前常用的鋰電池密度可達(dá)到450-620Wh/kg。鋰電池的使用時(shí)間壽命很長，一只鋰電池使用壽命如果不發(fā)生意外的情況下可以使用6年以上，長達(dá)9年。正常的使用次數(shù)在1K次以上。鋰電池環(huán)保且不含鉛、汞、鎘等有害物質(zhì)。因此，選擇鋰電池成了最合理的選擇。

2.2.2 熱能的產(chǎn)生及溫度的控制

發(fā)熱源選擇了電熱絲，電熱絲通電后會(huì)產(chǎn)生熱量。對于溫度的控制利用Arduino模塊板上的溫度監(jiān)控模塊，建立所需的近似數(shù)學(xué)模型通過數(shù)字仿真表明該方法對溫度對象的控制具有超調(diào)小、反應(yīng)快等特點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，用階躍信號做激勵(lì)，辨識出系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。進(jìn)行不斷的調(diào)整建立出所需模型并進(jìn)行應(yīng)用。

2.3 能量回收原理

利用電磁感應(yīng)原理，在鞋內(nèi)側(cè)裝強(qiáng)磁鐵,強(qiáng)磁鐵外側(cè)設(shè)有線圈,線圈通過二極管整流橋與穩(wěn)壓模塊相連,穩(wěn)壓模塊與移動(dòng)電源相連,移動(dòng)電源通過放電電路與用電設(shè)備相連，就能實(shí)現(xiàn)機(jī)械能的合理儲存和使用。

3 結(jié)論

本文針對當(dāng)前剛剛開始火熱的智能鞋子的理論，考慮到其系統(tǒng)的復(fù)雜性，難以得到精確的數(shù)學(xué)模型的問題。因此在研究了鞋子的一些可行性功能后，提出了一些相應(yīng)的解決辦法。希望通過在智能鞋子方面一些新奇的想法，喚起對鞋子創(chuàng)新功能的想象。