智能运动发电移动电源的设计研究

程禹诺 钟厦 杨青 姜楠

摘要：绿色产品设计是当今时代的设计趋势以及主题，在产品设计中设计师应当注重其环保性以及可持续性。随着通过健身锻炼来保持身体健康的观念深入人心，人们逐步掀起了一股“健身热”，这不仅仅是为了身体素质发展，更是对自我的约束和自身价值的实现。本文阐述了能源循环利用与健身器材的可结合性，基于运动发电，软硬件结合的可穿戴式运动设备。

关键词：绿色;可持续性;健身;运动发电;智能;可穿戴

中图分类号：TB472文献标识码：A

文章编码：1672—7053（2019）05—0146—02

Abstract ： Green product design is the design trend and theme of the moderner. Designers should pay attention to environmental protection and sustainability in product design. With the concept of maintaining physical health through fitness exercises， people have gradually set off a“fitness fever”， which is not only for the development of physical fitness， but also for the self-constraints and the realization of their own values. This article describes the combination of energy recycling and fitness equipment， based on sports power generation， hardware and software combined wearable sports equipment.

Key Words ： Green; sustainability; fitness; sports power generation; intelligence; wearable

随着国内经济水平以及人们生活水平的提高，人们对于运动、健康、形体要求提升了一个新的高度，继而“马甲线”等健身热词成为大家相互追逐的身材。同时，对于健身时间安排也更加紧迫，健身器械逐步开拓了一定的市场。根据能量守恒定律，人们在运动时消耗的大量能量可以转化为电能，加以回收利用，可实现器械自身用电以及短暂供电，这将节省一定的能源消耗，达到节能的目的，践行“厉行节约，从一度电做起”的意识。如何将健身运动与环保节能结合起来，在锻炼的同时，节约能源，保护环境是我们应该探究的问题。健身发电器材在使用过程中存在下列几个问题，由于健身者有男女老幼之分，身体状况存在差异，且健身的不同阶段所需要的运动强度也有所不同，所以健身器材需要强度可调，满足健身者的不同健身需要。

1 研究背景

英国一家能源公司曾设计了一种地板系统，将人们日常生活中的机械能，转化成为电能，既能提高能量循环的效率，又是对环保的有力支持，具体是在弹性地砖下装配电磁发电机，通过传感器来带动机器。即是闭合电路的一部分导体做切割磁感线运动时，在导体上就会产生电流，地面上铺满了电磁感应器，当我们踩踏这块地砖时，地砖会产生轻微的下沉，向下压缩大约5mm，让每走一步运动产生的能量，通过能量转化传输给照明系统。实验证明，每块发电地砖踩一步将发电5W，产生的电能约有5%用于LED供电。这款发电地砖的特点是将生活中的碎片能量收集起来，实现能量的有效转化。

在物联网，大数据和人工智能支撑下，人们的生活已经可以进行系统感知，全面分析处理。智能联网设备能够通过传感器，全面检测产品状况，运作与外在环境。可穿戴设备能够将穿戴者以及周围环境作为物联网的一部分来处理。例如，使用可穿戴设备能够记录穿戴者的健康状况、运动后的运动量，通过智能手机，起到了感测与反馈的作用。只要采用了可穿戴设备，物联网服务就会分析设备获取信息，将分析结果再次返回给可穿戴设备，实现身体健康状态的可视化。

2 智能運动发电移动电源的设计技术背景支持

（1）运动发电机构：呈空心环状结构，所述空心环状结构的外部缠绕导电线圈，所述空心环状结构的内部活动放置有磁铁，所述磁铁在所述空心环状结构的内部运动的状态下，所述导电线圈产生感应电流;（2）超级电容：与所述运动发电机构连接，获取所述感应电流;（3）充电管理模块：所述超级电容通过所述充电管理模块连接外部充电接口，在电量低于预定值的情况下允许外接充电器对所述超级电容充电;（4）电源管理模块：所述超级电容通过所述电源管理模块连接后端智能系统，将所述超级电容中的电能按照后端智能系统的电压要求来做转换并输出。所述运动发电机构与所述超级电容之间连接有整流二极管;（5）LTE Category M1：借助WAN，物联网设备可以摆脱对手机的依赖;（6）Bluetooth mesh：蓝牙网状网路可推动机器人、工业自动化、能源管理、智慧城市应用以及其他工业物联网的发展;（7）物联网系统单晶片：允许产品添加传感器和交互界面来构建其硬件系统;（8）生物传感器：检测人体健康数据、心脏活动等生物传感器。

3 智能运动发电移动电源的设计目标及主要内容

（1）实现移动电源设备与运动监测系统的结合，以及使用方式物理结构的整合创新，提供更加高效、准确且友好的人机交互操作方式和图形界面;（2）高保真DEMO原型用户体验操作动作出错率尽可能减小;（3）对使用者从开始使用运动自发电移动电源到使用结束的完整过程进行调研，旨在为用户提供更智能、更易操作的用户体验。

4 智能运动发电移动电源的设计特色

项目特色主要在功能、外观和技术原理上进行创新性设计，优化了拉伸式移动电源的运动方式。另外基于生物电流智能感应等技术，进行运动监测反馈系统设计，防止用户在健身运动过程中没注意运动量的大小而产生肌肉疲乏，有甚着造成肌肉拉伤等情况，极大地提升用户体验，保障了用户使用产品的安全性。5智能运动发电移动电源产品的操作流程设在运动之前，打开智能运动发电移动电源的开关，进入设置界面。然后打开蓝牙，与移动端（手机）连接配对。配对成功后，，打开手机里对应的app，选择运动模式和运动强度后即可针对性地开始健：身训练。用户需要将移动电源绑定在身体的运动部位上（腿、手臂等）同时移动端实时记录用户运动时的各种参数，并进行智能AI分析，对用户的健身情况进行全面地分析。达到一定的运动量之后，智能运动发电移动电源会通过震动、发生提示音等物理反馈告知用户，即停止锻炼。用户此时便可摘下智能运动发电移动电源，并可打开手机app查看运动情况，各类可视化参数都详细地呈现在界面上，用户可以选择“智能推荐”，根据系统分析报告推荐出用户最佳的健身方式及健身时长。蓄满电的移动电源同时能够给各类小型耗电产品提供电能，通过数据线和USB接口就能满足供电需求。

1） OLED触摸屏：采用非常薄的有机材料涂层和玻璃基板，相比于传统的LCD不同，OLED触摸屏更轻薄，可视角度更大，更加显著的节省耗电。

2） USB接口：属于输出端口，能通过数据线给耗电设备提供持续的电流输入。

3） 绑带：由弹力硅胶制成，质地柔和，不会与人体皮肤发生排斥反应，抗氧化抗腐蚀，结实耐用。

4） 松紧调节器：能自由地调节绑带的松紧，用户可根据自身实际情况来调节松紧程度，以达到最佳的舒适度。

6 智能运动发电移动电源的移动端用户界面设计

交互界面应遵循人性化的设计原则，基于用户的思维和工作模式。

移动端APP主要由运动、蓄电、充电三个功能板块构成。运动模块包括了运动记录、数据整合、数据分析、计划制定、方式推荐等功能，个性化地为用户提供了技术分析和技术参考，让用户能用更科学的方式健身运动;蓄电模块主要是利用了用户在运动过程中产生的电能，为智能运动发电移动电源设备蓄电，电量会不断累计在蓄电池里面，而且会实时地展示在移动电源和移动端（手机app）上，提示用户达成运动目标;充电模块属于输出设备，用户运动结束后取下智能运动发电移动电源，通过数据线外接耗电设备，按下电源按钮就能為其充电。低保真界面（如图3）。

用户通过无线WLAN或蓝牙与穿戴设备连接，对产品进行数据检测，运动记录及分析，即时有效地生成运动记录表，用户在运动过程中产生的电量将实时的反馈至app，也可设定个性化运动时间表，将感兴趣的课程添加入“我的课程”，可进行打卡等设定小目标。还可以和好友互动，在社交平台上分享自己的绿色生活。高保真界面如图4。

7 结语

研究问题：本文探讨了有关健身运动与能源循环的可结合性。一是作为运动检测产品，引进物联网概念以及人体检测技术，提倡智能运动，利用人工智能的技术，个性化地对用户进行追踪，数据监测，数据评估以及指导，减少盲目运动带来的危害;二是作为可穿戴式发电移动电源，将动能转化成电能储存在电池内，解决不必要电能消耗以及人们日常生活中断电时的短暂供电问题。

研究成果：基于设计的“可用性”和“用户体验”两个层面上，完成了用户与产品之间的互动，确定了交互界面以及用户体验旅程图;基于用户的使用习惯以及个性化，完成了产品的造型以及技术原理设定。

存在问题：动能与电能的能源转化率过低。

本文系中国矿业大学省级大学生创新创业计划（项目编号：201810290109X）。

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