基于蓝牙4.0无线数据通信的智能冬暖鞋

2015-11-21赵君伟

橡塑技术与装备 2015年24期

关键词：压电蓝牙鞋子

赵君伟

（北京科技大学，北京 100083）

基于蓝牙4.0无线数据通信的智能冬暖鞋

赵君伟

（北京科技大学，北京 100083）

编者按：2015年9月20日，首届“萨驰杯”智能科技创新大赛决赛在苏州大学敬贤堂成功举办。大赛由萨驰华辰机械（苏州）有限公司主办，中国石油和化工勘察设计协会橡胶塑料设计专业委员会、中国橡胶工业协会机械模具分会、《橡塑技术与装备》杂志社、上海交通大学机械与动力工程学院、哈尔滨工业大学机电工程学院、东南大学机电工程学院、苏州大学机电工程学院、青岛科技大学、西门子工厂自动化工程有限公司及罗克韦尔自动化（中国）有限公司共同协办。

为共同促进我国科技教育多元化，实现中国制造2025的中长期目标提供有力的支持，促进企业文化活跃橡塑行业科技文化事业发展。本刊将分期连续选登参赛作品，以供业内人士全方位、宽领域了解科技发展动态。

压电陶瓷是一种新型材料，当受到外力挤压时，可以产生电压。利用这种特性，可以将压电陶瓷安置在鞋子当中，把人们行走过程中的机械能转化为电能，并通过电能加热鞋子内的电热丝，实现暖鞋的功效。同时，随着蓝牙技术的推广，其应用范围也在不断扩大。将蓝牙通讯技术运用在智能冬暖鞋之中，人们便可以通过手机实现对鞋子的控制，极大的方便人们的生活。

压电陶瓷；蓝牙通讯技术；冬暖鞋

1 项目背景

1.1 身体健康

现如今，人人都倡导健康生活的理念，都希望拥有健康的身体，很多人每天都给自己设定一个运动目标，比如每天至少要走多少步，计步也逐渐流行起来。脚是人类的“第二心脏”，双脚的保暖则是身体健康的重要保证之一。然而在寒冷的秋冬季节，人们尤其是中老年人的双脚通常非常冰冷；此外脚是人类的重要器官，有多个穴位，按摩则可以促进脚部的血液循环以及人的新陈代谢。设想如果有一双鞋子，可以自动加热和保暖并自带按摩功能，随时随地实现足底按摩，必将使人们拥有更加健康的身体。

1.2 环保节能

随着化石燃料的大量使用，环境污染越来越严重，人们开始寻找可替代的清洁能源，比如太阳能、风能等。但是这些清洁能源的使用条件有限且成本较高。[1]压电陶瓷不仅具有体积小，质量轻，价格低的特点，而且利用其压电特性可以将各种机械能（比如人在行走中产生的机械能）轻松的转化为电能，如果能有效并广泛利用这部分能量，既环保又节约能耗。

1.3 蓝牙技术

蓝牙技术在不断发展，目前已经有蓝牙4.0问世，其应用领域也在不断扩大。随着版本的不断升级，蓝牙的节电效果日益显著，其极低的运行和待机功耗可以使一粒纽扣电池连续工作一年。此外，它还具有低成本和跨厂商互操作性、3 ms低延迟、AES-128加密等诸多特色，可以广泛应用于众多领域。

1.4 日常生活

在嘈杂的公共场所（比如拥挤的公交车、地铁或繁华的商业街道），人们很难感觉到口袋中手机的振动或听到手机铃声，因而时常会因为延误了某些重要事情而苦恼。但是，目前还没有可以有效解决这个问题的途径。寒冷的冬季，人们通常不愿早起，并且希望穿鞋子时鞋子是暖和的，然而目前市面上还没有可以提前自动加热的鞋子。

图1 系统硬件组成图

2 冬暖鞋整体介绍

2.1 整体设计

这是一种与手机相关联的多功能鞋。鞋底内置控制芯片和多个传感器，具有在鞋底自动加热和振动按摩的功能，解决在寒冬时节人们脚部冰冷的问题。该鞋在人们正常步行过程中，通过安装在鞋子底部的压电陶瓷，将行走过程中的机械能转化为电能，使电热丝加热给鞋子供暖。当加热温度过高时，停止电热丝加热，转至给内置锂电池充电。除此之外，通过蓝牙无线数据通信，可实现手机对鞋子的控制。当人们在喧闹嘈杂的场合时，来了电话或短消息经常感觉不到手机的振动或声响，因而可能会延误一些事情。所以，该鞋子可以在短信或电话到来时，在脚底产生振动，以便让人们明显察觉。此外，使用者可通过手机随时调节足底加热温度的设定值，也可设定穿鞋前的预热时间，还可在手机上显示走过的步数和设定足底振动闹钟。总之，此款智能鞋子将多种实用功能集于一体，为使用者提供最大化的便利，参见图1、图2。

2.2 鞋子结构介绍

鞋子上部与普通鞋子无异，区别主要是在鞋底。首先，鞋底应选用绝缘且轻盈材质制作，例如泡沫塑料。在鞋子底部内置主控板、电池和压电陶瓷。其中，主控板（如图3，图4）是一块集成电路板，上面装有控制芯片、温度传感器、加速度计、振动器和蓝牙模块。除此之外，在鞋底内还放有锂电池两块，压电陶瓷片20枚。加热装置是由电热丝鞋垫构成，电热丝鞋垫可以通过线路与鞋底连接，鞋底直观图如图5所示。

图2 功能图

图3 主控板外观图

图4 主控板原理图

图5 鞋底直观图

图6 压电片发电原理模型

2.3 传感器简介

本项目中使用了多种传感器，包括蓝牙模块、三轴加速度计、温度传感器和振动器。蓝牙模块型号为HC-08，是蓝牙4.0产品。三轴加速度计型号为BMA220，通过对加速度计返回值的判断和处理[2]，实现计步功能。温度传感器型号为DS18b20，通过单片机对温度传感器所采集信息的处理，实现负反馈调节的控制。振动器采用微型振动电机，功耗小但振动较为强烈，可以使用户脚底产生强烈振动感。

3 压电陶瓷在冬暖鞋加热上的应用

3.1 压电陶瓷发电供热过程综述

人正常行走过程中，会对足底产生周期性的挤压，利用压电陶瓷的压电特性[3]，可以将人们行走过程中的机械能转化为电能，利用产生的电能，来辅助给鞋子内部的电热丝供电加热。在鞋内温度恒定时，其产生的电能给内置锂电池充电。

3.2 压电陶瓷压电特性介绍

当沿着一定方向对压电体施力而使它产生机械变形时，其内部产生极化现象，相对的两个表面会呈现异号电荷，外力与端面积愈大，则出现的电荷就愈多；当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。如果将两个表面装上电极并用导线接通，变化的自由电荷便从一个极板移至另一极板，形成电流，这便是压电效应。[4]利用压电效应可将人走路时产生的机械能转化为电能，参见图6、图7。

多片压电陶瓷片的联接方式分并联和串联两种，为了提高压电振子的发电能力，本项目采用多片压电陶瓷片的并联接法。压电振子的负极集中在中间极上，其输出电容Cp’为单片电容Cp的的n倍，输出电压U等于单片电压，极板上电荷量Q’为单片电荷量的Q的n倍即：Q’=nQ，U’=U，Cp’=Cp。该方式输出电荷大，时间常数大，适用于以电荷作为输出量的场合，因此在冬暖鞋的压电陶瓷发电模块中采用压电陶瓷片并联的方式，增大其输出电流，提高电热丝的加热效率。[5]

图7

图8 受力区的间期和峰值曲线

3.4 足底受力分析

人们在行走过程中，足底的不同部位，所受的力是不均匀的[6]。为此，我们做了相关方面的实验，在鞋底安装了密集的压力传感器，然后让50名不同的人穿着装有压力传感器的鞋子行走，我们将行走过程中的数据记录了下来。经过统计与分析之后，我们发现人在站立和行走过程中，压力主要集中在7个足底部位，分别是趾骨、1~5跖骨和脚后跟。我们将收集到的实验数据进行了整理，得到以下图线（如图8）。

对图中的数据进行分析，整理出表1。

根据表1数据可知，人正常行走过程中，在脚跟和趾骨部位压力最大，其余部位相比小很多。因此，我们选择在鞋底的脚跟和趾骨处分别叠放10个压电陶瓷片，并采用并联接法。

3.5 压电陶瓷片发电效果实验测定

针对本项目所使用的压电陶瓷片，我们就其实际发电效果的做了实验测定，通过实验来模拟人正常行走过程中的状态，实验装置示意图如图9。实验内容如下，首先，将10片压电陶瓷片并联叠在一起，固定在所设计的结构中，将其平放在水平桌面上，并将其正负极的两根引线与加热丝连接。然后，将示波器的信号输入端和地线分别与压电陶瓷片正、负极引线相接，接通示波器电源并设定好示波器的模式。最后，从距离压电陶瓷片垂直高度为h的位置，由静止释放物块。用物块的冲击力来模拟人的足底压力，用弹簧弹力不可突变的特性来模拟人脚底的施力时间，通过对示波器显示屏上数据信息的分析，来研究压电陶瓷片的发电实效。

实验中使用的物块质量m，弹簧的劲度系数k以及物块下落高度h均可由下面的公式理论推算得出。

图9 实验装置图

图10 （a）实验图像

图10（b）实验图像

由(3)得

所以

再与(1)(2)联立得

进一步有如下方程组：

（1）根据表 1 数据可知∫dt=0.58 s，Fmax=130 N，解得k=5 900 N/m，xm=0.022 m。

表1 人在行走过程中足部各区域应力峰值与压力峰值

不妨取h=0.3 m，由(7)式得m=0.48 kg。

（2）根据表 1 数据可知∫dt=0.52 s，Fmax=102 N，

解得k=5 500 N/m，xm=0.019 m。

不妨取h=0.3 m，由(7)式得m=0.33 kg。

我们将上述实验使用参数（1）和参数（2）分别重复操作了50次，相同参数的实验中，示波器上显示的图像每次基本相同，其实验过程中示波器显示的图像如图10（a）、图10（b）所示。

由于人正常步行时，步行频率约为1.2 s/步，因此选定1.2 s作为压电陶瓷片的发电周期。利用示波器上的实验图形，经过分析计算可得，参数（1）下压电陶瓷片在一个周期内发电电压有效值约为0.76 V，参数（2）下压电陶瓷片在一个周期内发电电压有效值约为0.63 V。

本项目中使用的电热丝总长度为0.5 m，单位长度电热丝的电阻值为5 Ω，故其总电阻值为2.5 Ω。将趾骨部位、脚跟部位的压电陶瓷发电源与加热丝并联连接，并同时将4.2 V直流锂电池与加热丝并联连接。通过三个供电源并联供电的方式，来增大电热丝的发热功率。具体计算如下：

P1=U12/R=0.762/2.5=0.231 W

P2=U22/R=0.632/2.5=0.159 W

P3=U32/R=4.22/2.5=7.056 W

P总= P1+ P2+ P3=7.446 W

为了测定电热丝在该功率下的实际发电效果，我们做了相关实验。实验内容如下：将内置电热丝的加热鞋垫用两块保温泡沫板夹住，把温度计的玻璃泡与加热鞋垫紧密接触，刻度留在保温泡沫板外面，以便读取示数。然后，将加热丝与恒压源连接，输出电压设定为4.32 V（4.32/2.5=7.446 W）。每隔30 s读取一次温度计上的示数，将记录的数据整理成如图11。

图11 温度与加热时间的关系曲线

图12 稳压电路图

图13 输入电压与输出电压关系曲线

表2 输入电压与输出电压测量数据

3.6 压电陶瓷给锂电池充电

当电热丝不工作在加热状态时，便通过单片机自动控制线路开关，将压电陶瓷片所发的电能用于给内置锂电池充电。由于压电陶瓷片发电过程中电压呈现脉动状态，并不稳定，不适合直接给锂电池充电。因此，我们在压电陶瓷片正极输出端和电池正极之间，串联接入了稳压电路（如图12）。通过该电路结构后，输出电压可以稳定在8.4 V左右。并且，该电路还具有隔离作用，当输入端电压低于充电电压8.4 V的时候，稳压电路呈现截止状态，防止锂电池能量的损耗。

经过实际电路性能测试，在图12所示电路输入端用恒压源输入一个固定数值的电压，然后在输出端连接电压表，测量输出电压，得到如表2所示数据。

将以上数据整理成图线，如图13所示。

图14 CD4066原理图

从图13中可以直观明确的看出，当输入电压值在10~30 V之间时，输出电压是稳定的，当压电陶瓷发电电压稳定在这个范围中时，便可以实现对储电电池的充电。当输入端电压低于10 V时，稳压电路具有自动断电的作用，防止储电电池倒回去给压电陶瓷片通电，造成电能的消耗。

3.7 电路的控制开关

通过单片机，为了实现对整个电路的控制，我们选用了CD4066电子开关（如图14）。将单片机引脚与电子开关的控制端相连接，将受控线路分别与IN或OUT端连接，通过对该引脚电平的置高或置低，来控制该线路的通或断[7]。

4 蓝牙通信技术在冬暖鞋手机控制上的应用

4.1 蓝牙通信技术简介

图15 蓝牙

蓝牙，是一种支持设备短距离通信的无线电技术。它可以使数据传输变得更加迅速高效。蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，不需要安装驱动程序软件，支持点对点及点对多点通信，工作在全球通用的2.4 GHz ISM频段，数据传输速率为1 Mbps。[8]参见图15。

4.2 蓝牙的工作原理

（1）主从关系

蓝牙技术规定每一对设备之间进行蓝牙通讯时，必须一个为主角色，另一为从角色，才能进行通信，通信时，必须由主端进行查找，发起配对，建链成功后，双方即可收发数据。理论上，一个蓝牙主端设备，可同时与7个蓝牙从端设备进行通讯。一个具备蓝牙通讯功能的设备，可以在两个角色间切换，平时工作在从模式，等待其它主设备来连接，需要时，转换为主模式，向其它设备发起呼叫。一个蓝牙设备以主模式发起呼叫时，需要知道对方的蓝牙地址，配对密码等信息，配对完成后，可直接发起呼叫。

（2）呼叫过程

蓝牙主端设备发起呼叫，首先是查找，找出周围处于可被查找的蓝牙设备。主端设备找到从端蓝牙设备后，与从端蓝牙设备进行配对，此时需要输入从端设备的PIN码，也有设备不需要输入PIN码。配对完成后，从端蓝牙设备会记录主端设备的信任信息，此时主端即可向从端设备发起呼叫，已配对的设备在下次呼叫时，不再需要重新配对。已配对的设备，做为从端的蓝牙耳机也可以发起建链请求，但做数据通讯的蓝牙模块一般不发起呼叫。链路建立成功后，主从两端之间即可进行双向的数据或语音通讯。在通信状态下，主端和从端设备都可以发起断链，断开蓝牙链路。

（3）数据传输

蓝牙数据传输应用中，一对一串口数据通讯是最常见的应用之一，蓝牙设备在出厂前即提前设好两个蓝牙设备之间的配对信息，主端预存有从端设备的PIN码、地址等，两端设备加电即自动建链，透明串口传输，无需外围电路干预。一对一应用中从端设备可以设为两种类型，一是静默状态，即只能与指定的主端通信，不被别的蓝牙设备查找；二是开发状态，既可被指定主端查找，也可以被别的蓝牙设备查找建链。

4.3 本项目中使用的蓝牙模块参数介绍

频率：2.4 Ghz ISM band

图16 蓝牙连接提示框

调制方式：GFSK

发射功率：-4-＞4 dBm,class 2

灵敏度：≤-80 dBm at 0.1% BER

通讯频率：2 Mbps(Max)

供电电源：3.3 V

工作温度：-20-+65 Centigrade

封装尺寸：32 mm×17 mm×2 mm

4.4 蓝牙通信技术在产品中的应用

在本项目中，我们使用Eclipse编程软件进行Android开发，从而实现手机蓝牙与冬暖鞋中蓝牙的通信[9]。当用户打开手机软件时，蓝牙连接提示框会自动打开（如图16），用户点击自己冬暖鞋的蓝牙并可连接上。具体实现方法以及软件的详细介绍如下：

（1）加热。在加热界面上，可实现加热和预热功能。加热功能包括显示当前鞋子温度以及预定温度。预热功能包括定时预热和即时预热。当加热功能旁的按钮处在开启状态，表示该功能可用，否则停止加热。

a.当前温度。在程序中，为“刷新”按钮绑定监听事件，当单击该按钮时，手机软件通过蓝牙发送标志字符串“10+”，冬暖鞋中的蓝牙接收到该标志字符时，返回当前冬暖鞋温度值并显示在手机软件界面。

b.预定温度。在程序中，为“提交”按钮绑定监听事件，用户可输入预定温度值并单击该按钮，温度的设置范围为0~35 ℃，若设置温度不在此范围，软件会弹窗提示“温度值无效，请重新输入”，当输入的温度值有效时，手机软件通过蓝牙发送字符串“11+温度值”，即在所设定的温度值前自动添加字符串“11+”作为标志符（如温度设定值为30 ℃，则发送的字符串为“11+30”）。冬暖鞋中的蓝牙接收到该字符串时，会将“11+”后面的字符作为温度值设为当前。

c.定时预热。在程序中为“设置完成”按钮绑定监听事件，当开关处在开启状态时，用户可设置预热时刻，设置完成后，点击“设置完成”按钮，手机软件通过蓝牙发送字符串“13+预热时刻”，冬暖鞋将在预热时刻开始加热。

d.即时预热。在程序中为“启动”按钮绑定监听事件，当用户点击该按钮时，手机软件发送字符串“14+”，冬暖鞋立即开始加热。

（2）监听手机来电和短信。在程序中，获取“READ_PHONE_STATE”和“RECEIVE_SMS”权限，然后在接收到广播后注册来电和短信监听，当手机接收到来电或短信，手机软件会发送标志字符串“20+”，冬暖鞋中的蓝牙接收到该标志字符时，震动模块的电机将开始工作。当来电被接听或挂断或者短信被查看，手机软件将发送标志字符串“21+”，电机将停止工作。

（3）按摩。如图18为按摩界面，在程序中，为“提交”按钮，绑定监听事件，用户可设定按摩时长以及按摩模式，其中按摩模式分为“连续”和“间断”，设定完成后点击“提交”按钮，手机软件将发送字符串“31+按摩时长”、“32+按摩模式的代码”。冬暖鞋接收到数据后将作出响应。

图17 加热界面

图18 按摩界面

图19 闹钟界面

图20 计步界面

（4）闹钟。如图19为“闹钟”界面，在程序中，为开关按钮绑定监听事件，用户可自己设定闹钟时间，然后点击“开关按钮，手机软件将发送字符串“40+当前时间”，等待单片机响应，若返回值为“1”，则说明单片机系统时间已和手机系统时间同步，再发送字符串“41+设定时间”，闹钟即设置完成。

（5）计步。如图20，当开启计步界面时，软件自动发送字符串“50+”给冬暖鞋的蓝牙，冬暖鞋即将今天截止到目前为止行走的总步数返回给手机软件并显示。此外，用户还可以自定义计步，在自定义模式下，用户可以知道自己在某一段时间内走过的步数。

（6）由于按摩、闹钟、来电监听功能都将使用电机，当发生冲突时，优先级顺序为按摩，来电监听，闹钟。

5 项目应用前景

本项目设计的这款自发热冬暖鞋有效节约了能源（电能），使人运动过程中产生的机械能得到了充分的利用，同时也解决北方地区人们在冬季外出时脚部寒冷的问题。该项目运用压电陶瓷的特性来为冬暖鞋提供能源，在设计的过程中，本项目将最高电压控制在36 V以下，没有危险性，又节能环保。其内部设有温控电路，适合长时间穿着，保持较稳定的温度，让人感觉舒适。而且，随着智能设备的逐步发展，可穿戴式设备会逐渐贴近我们的生活，通过鞋底内的蓝牙模块使鞋与手机进行信息交互，显示鞋内温度、设定鞋内温度；安置加速度计提供计步功能；加入振动模块可以在手机来电话或短信时振动提示，防止在公交车等嘈杂环境中漏掉消息而延误事情。除此之外，此款鞋子还可通过手机设定振动闹钟，在穿鞋前进行预热。

集多种实用功能于一身，贴近人们的日常生活，为使用者带来切身的便利。这便是设计并制作此款智能鞋子的目的。该鞋总体造价不高，仅在普通鞋的基础上增加了约100元的器材费，制作工艺也并不复杂。加之目前市面上并未出现类似的产品，所以，预计该款智能鞋子具有良好的市场前景，适合进一步推广。

[1] 焦树建.论 21世纪初发电行业发展所面临的几个技术热点问题.燃气轮机技术，2000，1：2~10.

[2] 李仙，宋晓梅.IIC总线在移动智能终端领域中的应用.电子设计工程，2013，11：8~12.

[3] 邓豪,卢景,杨丽.微型发电机与压电陶瓷发电特性小应用.中国科技信息，2014，12：32~46.

[4] 毛福斌，代超，潘浩，袁睿豪，左如忠 . 锆钛酸铅压电陶瓷的制备及发电系统的研制. 合肥工业大学学报(自然科学版)，2013，12：15~20.

[5] 邓冠前，陶利民，陈仲生，张玉光，董睿. 基于压电陶瓷的自供电关键技术分析. 兵工自动化，2008，5：6~15.

[6] 刘旗，丘理.关于脚型规律研究的足底压力分析.中国皮革，2003，10：15~27.

[7] 桂良启，郭伟，张祖荫. 电子开关CD4066在数据采集装置中的应用. 电子技术，2003，8：22~28.

[8] 张凌，姚萌. 蓝牙通信过程解析与研究. 计算机应用研究，2002，9：23~34.

[9] 李黎国，张辉，程号.基于Android健康服务终端蓝牙传输软件的设计.电子科技，2012，5：36~45.

（R-03）

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