自供电多功能鞋的设计与实现

（西安文理学院物理与机械电子工程学院，陕西西安,710065）

自供电多功能鞋的设计与实现

李国柱,高凯凯

（西安文理学院物理与机械电子工程学院，陕西西安,710065）

自供电多功能鞋由发电储能单元、感应检测单元、主控单元、蓝牙模块以及执行单元组成。当人走动时，压力发电模块产生电能，并存储到锂电池中，可为系统供电。

压电发电；MSP430；ADXL345；蓝牙通信

0 引言

本文提出了一款新型的自供电多功能鞋。该鞋能够将人体行走时产生的能量收集存储，同时还为穿戴者提供了温度调节功能、电子计步功能及摔倒检测功能，鞋体通过蓝牙与Android手机蓝牙客户端实现连接，方便用户使用。

1 系统设计

自供电多功能鞋包括MCU单元、发电存储单元、检测单元、执行单元、蓝牙通信单元以及相应的智能手机应用程序，其系统组成如图1所示。

图1 自供电多功能鞋系统组成

系统采用NI公司的MSP430单片机作为主控芯片，其功耗极低而且片内资源和外部接口丰富，因此非常适合于微型化、低功耗产品的设计。

发电存储单元利用压电陶瓷产生电能并存储至锂电池中，锂电池向内部各单元供电，同时可以供外部使用，如给手机充电。检测单元包括鞋内的温度感应模块、摔倒感应模块、计步感应模块。执行单元包括按摩片、发热片。多功能鞋可以通过蓝牙无线传输与智能手机交互数据，蓝牙模块采用Alientek公司的ATK-HC05主从一体蓝牙串口模块，智能手机通过终端的应用程序查看多功能鞋状态数据和发布功能指令。

2 压电发电的能量收集

我们利用压电陶瓷的正压电效应，把行走过程中所产生的机械振动转换成电能并存储在锂电池中。在鞋底有效受力范围内安装压电发电陶瓷片，利用磁力弹簧为机械振动提供所需的回力，用磁力弹簧代替金属弹簧，既可以使系统结构简化、降低噪音，还可以增加系统的可靠性和稳定性，同时提高鞋底的弹性和舒适性。

在能量收集方面，将来自鞋底压力发电片的电量,储存到锂电池中，其电路如图2所示。来自压电振子的全波电流经全桥整流器收集入电容Cr中，在电容Cr和电池间串联一个DC-DC变换电路,这里的DC-DC变换器是降压式且工作在电感电流断流模式下。其主要功能为调解整流后的电压,把高电压小电流转换成低电压大电流,以满足应用场合的需求。

图2 带有DC-DC转换的能量收集电路

3 温度调节功能的实现

传统的发热鞋其发热部位几乎布满鞋底，把有限的热量都平分给脚底，工作时能耗比较大且没有考虑到人体脚部的温度分布。本文所设计的多功能鞋根据人体脚部的温度感应特点采用更为科学的集中受热方式，鞋底只在前脚掌附近安装有发热片，可以使得该鞋具有相比传统发热鞋更加节能高效的发热方式，能够在低能耗的条件下获得更及时的保暖效果。

自供电多功能鞋内置的供暖元件为碳膜发热片,锂电池可以直接给其供电，可以最大限度的减少电路的能耗。鞋内采用DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器DS18B20检测温度，由单片机读取当前温度值并与预设温度阈值进行比较，接通和关断加热电路。温度阈值可以通过智能手机应用程序进行设置。

4 计步功能和摔倒检测功能的实现

本设计采用ADI公司的三轴加速度传感器ADXL345来感知人体运动状态的变化，完成计步和摔倒监测。MSP430单片机通过SPI接口与ADXL345进行通信，

将三轴加速度传感器的三个坐标分别与人体坐标相对应，x轴代表人体左右方向加速度变化，y轴代表人体前后方向的加速度变化，z轴代表人体竖直方向的加速度变化。当人体行走时z轴具有相对较大的周期性加速度变化，通过动态阈值决策算法能够检测出运动时的单步周期，从而实现计步的功能。

当人体的摔倒过程中，三个轴的加速度及其矢量和会发生变化，通过设定一定的阈值，判断三个轴向的加速度变化，可判断穿戴者是否摔倒。首先利用ADXL345的Free_fall中断判断是否有摔倒过程中的失重现象，再判断是否有撞击发生，如果在失重发生一段时间后没有发生撞击，则认为没有摔倒。撞击的判断依据是人体在摔倒时与地面发生撞击时加速度矢量和会产生一个峰值，此处可以利用ADXL345的Activity中断来检测。人体摔倒不会马上站起来，会有一点时间的静止状态。由于人体由垂直变为水平，此时加速度的矢量和会小于某个值，可以利用ADXL345的Inactivity中断来检测。当撞击发生后一段时间内检测不到这样的静止事件，则认为没有摔倒。为了进一步检测人体是否摔倒，可以取人体摔倒之前的三个轴向的加速度与摔倒后的加速度进行比较，如果各个轴向的加速度之差超过一定的阈值，判断为一次摔倒，通过蓝牙发送给智能手机应用程序，通过手机进行呼救和拨打预设电话报警。

5 智能手机应用程序设计

智能手机和MSP430单片机通过蓝牙无线模块，以异步串行方式进行通信，完成数据交互。本设计中智能手机采用Android操作系统，采用Eclipse集成开发环境编写手机应用程序。设备在首次使用中配对授权后，可自动连接鞋内蓝牙模块。

6 结语

本文提出了一种自发电多功能鞋的完整设计，该鞋采用压电发电收集人体行走时的能量并存储于锂电池中、通过碳膜发热片为足部加热，利用三轴加速度传感器实现计步和摔倒检测功能，使用蓝牙数据传输模块，可以与智能手机交互数据。作为一种穿戴式智能设备，该鞋具有较好的应用前景。

[1] 刘思言.可穿戴智能设备引领未来终端市场 诸多关键技术仍待突破[J]. 世界电信,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] 谢海峰,吴越,接勐,等.磁力弹簧式压电共振型气泵的设计[J].光学精密工程,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

李国柱(1976-),男,山西长治人,讲师,硕士,主要研究方向:智能控制和智能算法。

国家级大学生创新创业训练计划项目（项目编号：201311080001）

高凯凯（1992-）,男,陕西佳县人,2011级自动化专业本科生,主要研究方向:单片机技术应用。