（西安文理學(xué)院物理與機(jī)械電子工程學(xué)院，陜西西安,710065）

自供電多功能鞋的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李國(guó)柱,高凱凱

（西安文理學(xué)院物理與機(jī)械電子工程學(xué)院，陜西西安,710065）

自供電多功能鞋由發(fā)電儲(chǔ)能單元、感應(yīng)檢測(cè)單元、主控單元、藍(lán)牙模塊以及執(zhí)行單元組成。當(dāng)人走動(dòng)時(shí)，壓力發(fā)電模塊產(chǎn)生電能，并存儲(chǔ)到鋰電池中，可為系統(tǒng)供電。

壓電發(fā)電；MSP430；ADXL345；藍(lán)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?qū)⑷梭w行走時(shí)產(chǎn)生的能量收集存儲(chǔ)，同時(shí)還為穿戴者提供了溫度調(diào)節(jié)功能、電子計(jì)步功能及摔倒檢測(cè)功能，鞋體通過(guò)藍(lán)牙與Android手機(jī)藍(lán)牙客戶(hù)端實(shí)現(xiàn)連接，方便用戶(hù)使用。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自供電多功能鞋包括MCU單元、發(fā)電存儲(chǔ)單元、檢測(cè)單元、執(zhí)行單元、藍(lán)牙通信單元以及相應(yīng)的智能手機(jī)應(yīng)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(jī)作為主控芯片，其功耗極低而且片內(nèi)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(shè)計(jì)。

發(fā)電存儲(chǔ)單元利用壓電陶瓷產(chǎn)生電能并存儲(chǔ)至鋰電池中，鋰電池向內(nèi)部各單元供電，同時(shí)可以供外部使用，如給手機(jī)充電。檢測(cè)單元包括鞋內(nèi)的溫度感應(yīng)模塊、摔倒感應(yīng)模塊、計(jì)步感應(yīng)模塊。執(zhí)行單元包括按摩片、發(fā)熱片。多功能鞋可以通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線傳輸與智能手機(jī)交互數(shù)據(jù)，藍(lán)牙模塊采用Alientek公司的ATK-HC05主從一體藍(lán)牙串口模塊，智能手機(jī)通過(guò)終端的應(yīng)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(yīng)，把行走過(guò)程中所產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電能并存儲(chǔ)在鋰電池中。在鞋底有效受力范圍內(nèi)安裝壓電發(fā)電陶瓷片，利用磁力彈簧為機(jī)械振動(dòng)提供所需的回力，用磁力彈簧代替金屬?gòu)椈?，既可以使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、降低噪音，還可以增加系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，同時(shí)提高鞋底的彈性和舒適性。

在能量收集方面，將來(lái)自鞋底壓力發(fā)電片的電量,儲(chǔ)存到鋰電池中，其電路如圖2所示。來(lái)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(gè)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(diào)解整流后的電壓,把高電壓小電流轉(zhuǎn)換成低電壓大電流,以滿(mǎn)足應(yīng)用場(chǎng)合的需求。

圖2 帶有DC-DC轉(zhuǎn)換的能量收集電路

3 溫度調(diào)節(jié)功能的實(shí)現(xiàn)

傳統(tǒng)的發(fā)熱鞋其發(fā)熱部位幾乎布滿(mǎn)鞋底，把有限的熱量都平分給腳底，工作時(shí)能耗比較大且沒(méi)有考慮到人體腳部的溫度分布。本文所設(shè)計(jì)的多功能鞋根據(jù)人體腳部的溫度感應(yīng)特點(diǎn)采用更為科學(xué)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(shí)的保暖效果。

自供電多功能鞋內(nèi)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(nèi)采用DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器DS18B20檢測(cè)溫度，由單片機(jī)讀取當(dāng)前溫度值并與預(yù)設(shè)溫度閾值進(jìn)行比較，接通和關(guān)斷加熱電路。溫度閾值可以通過(guò)智能手機(jī)應(yīng)用程序進(jìn)行設(shè)置。

4 計(jì)步功能和摔倒檢測(cè)功能的實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)采用ADI公司的三軸加速度傳感器ADXL345來(lái)感知人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化，完成計(jì)步和摔倒監(jiān)測(cè)。MSP430單片機(jī)通過(guò)SPI接口與ADXL345進(jìn)行通信，

將三軸加速度傳感器的三個(gè)坐標(biāo)分別與人體坐標(biāo)相對(duì)應(yīng)，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(dāng)人體行走時(shí)z軸具有相對(duì)較大的周期性加速度變化，通過(guò)動(dòng)態(tài)閾值決策算法能夠檢測(cè)出運(yùn)動(dòng)時(shí)的單步周期，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)步的功能。

當(dāng)人體的摔倒過(guò)程中，三個(gè)軸的加速度及其矢量和會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)設(shè)定一定的閾值，判斷三個(gè)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(guò)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(shí)間后沒(méi)有發(fā)生撞擊，則認(rèn)為沒(méi)有摔倒。撞擊的判斷依據(jù)是人體在摔倒時(shí)與地面發(fā)生撞擊時(shí)加速度矢量和會(huì)產(chǎn)生一個(gè)峰值，此處可以利用ADXL345的Activity中斷來(lái)檢測(cè)。人體摔倒不會(huì)馬上站起來(lái)，會(huì)有一點(diǎn)時(shí)間的靜止?fàn)顟B(tài)。由于人體由垂直變?yōu)樗剑藭r(shí)加速度的矢量和會(huì)小于某個(gè)值，可以利用ADXL345的Inactivity中斷來(lái)檢測(cè)。當(dāng)撞擊發(fā)生后一段時(shí)間內(nèi)檢測(cè)不到這樣的靜止事件，則認(rèn)為沒(méi)有摔倒。為了進(jìn)一步檢測(cè)人體是否摔倒，可以取人體摔倒之前的三個(gè)軸向的加速度與摔倒后的加速度進(jìn)行比較，如果各個(gè)軸向的加速度之差超過(guò)一定的閾值，判斷為一次摔倒，通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送給智能手機(jī)應(yīng)用程序，通過(guò)手機(jī)進(jìn)行呼救和撥打預(yù)設(shè)電話(huà)報(bào)警。

5 智能手機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

智能手機(jī)和MSP430單片機(jī)通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線模塊，以異步串行方式進(jìn)行通信，完成數(shù)據(jù)交互。本設(shè)計(jì)中智能手機(jī)采用Android操作系統(tǒng)，采用Eclipse集成開(kāi)發(fā)環(huán)境編寫(xiě)手機(jī)應(yīng)用程序。設(shè)備在首次使用中配對(duì)授權(quán)后，可自動(dòng)連接鞋內(nèi)藍(lán)牙模塊。

6 結(jié)語(yǔ)

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

[1] 劉思言.可穿戴智能設(shè)備引領(lǐng)未來(lái)終端市場(chǎng) 諸多關(guān)鍵技術(shù)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(shè)計(jì)[J].光學(xué)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(guó)柱(1976-),男,山西長(zhǎng)治人,講師,碩士,主要研究方向:智能控制和智能算法。

國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：201311080001）

高凱凱（1992-）,男,陜西佳縣人,2011級(jí)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)本科生,主要研究方向:單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用。