一種壓力自感知、自發電的智能鞋墊的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種壓力自感知、自發電的智能鞋墊，它由上、下鞋墊體、鞋墊夾層、電熱片、壓電疊堆、藍牙模塊、功能選擇開關、處理及控制模塊、蓄電池、mini-USB接口等部分組成，可通過藍牙與智能手機上的應用軟件通信；本發明使用了壓電疊堆，可不用外接傳感器就可測量腳部的壓力和計算行走時的步數，以監測用戶的活動水平、行走健康等問題，還可產生電能，具有自發電功能；還具有手機充電功能，可為手機提供少量電能，以應對緊急情況，特別適用于在野外沒有電源的地方使用；具有節能、使用方便、安裝簡便和低成本等優點。
【專利說明】-種壓力自感知、自發電的智能鞋墊
【技術領域】
[0001] 本發明屬于智能穿戴【技術領域】，尤其涉及一種壓力自感知、自發電的智能鞋墊。
【背景技術】
[0002] 隨著現代科技的進步和人們生活質量的提高，人們開始對我們的日常穿戴提出了 更高的要求，因此智能穿戴發展迅速，智能鞋墊就是其中的一種。楊慎達等人的專利"一 種醫用智能測試調節負重量的鞋墊（No :201010216224. 8) "公開了一種醫用智能測試調節 負重量的鞋墊，它由放在鞋墊內部的壓力采集傳感器和外接的信號處理器組成，該發明可 實時檢測負重量，根據測量值調節負重量大小，便于患者術后康復鍛煉；鄭斌等人的專利 "一種測定行走步態的智能鞋墊及方法（No :201310105338. 9) "與楊慎達等人的專利相似， 它通過壓力傳感器可隨時測定使用者的行走步態，使人們能夠及時了解自身的足部情況； 姬自生的專利"電熱鞋墊（No :200620092588. 9)"、劉祖學的專利"多功能電熱鞋墊（No : 201220040833. 7) "、呂維克的專利"電熱鞋墊（No :200620157092. 5) "和周挺的專利"低壓 電熱鞋墊（No :201320076984. 2)"分別從不同的角度提出了一種可產生熱量的電熱鞋墊； 3L Lab在2014國際消費電子展（CES)上推出的鞋墊具備了三軸加速計和八個壓力傳感器， 能夠監測用戶的活動水平、行走健康等問題，還支持無線充電，其售價約200美元。以上智 能鞋墊和現有的智能鞋墊均需要自帶大容量蓄電池或外接電源才能實現其功能，并且要在 鞋墊內部集成各種傳感器，這必然導致鞋墊的安全性受到質疑，成本會也比較高。
[0003] 研究表明壓電陶瓷受到擠壓時可產生電，當對其進行周期性的擠壓時，可產生同 頻率的周期性的電信號，并且擠壓時力越大，產生的電信號的幅值越大，對應的電能也越 多。翟振明等人的專利"一種鞋墊式步行輸入傳感裝置"所用的壓電傳感器正是利用了壓 電陶瓷片的壓電效應，將應力（或應變）轉換成電壓或電荷，再通過放大進行放大和輸出的 裝置。翟振明等人利用了壓電陶瓷輸出電壓或電荷與其所受應力存在相關性的特點，但并 未提及和利用壓電陶瓷輸出電壓的周期與人行走時步調相關的特點，即可以通過測量壓電 陶瓷輸出電壓的周期數間接得到人行走的步數，本發明正是基于這一原理對現有技術進行 了改進和發明，通過相應的處理電路測得壓電陶瓷所產生電信號的周期數和幅值，產生的 電能還可以收集起來給處理電路供電。
【發明內容】
[0004] 針對現有智能鞋墊存在的問題和壓電陶瓷的壓電效應，本發明公開了一種壓力自 感知、自發電的智能鞋墊。
[0005] 為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：
[0006] 一種壓力自感知、自發電的智能鞋墊，包括：上、下鞋墊體、鞋墊夾層、電熱片、壓電 疊堆、藍牙模塊、功能選擇開關、處理及控制模塊、蓄電池、mini-USB接口、智能手機應用軟 件。
[0007] 所述上、下鞋墊體為智能鞋墊的上表面和下表面，用于保護鞋墊內的電路和元器 件；其中上表面與人的腳接觸，下表面與鞋底接觸；兩鞋墊體邊沿均分別為兩條可配對的 拉鏈鏈帶，可通過拉鏈將上下鞋墊體連接在一起，并形成一個封閉空間，用于放置智能鞋墊 的其它部分。
[0008] 所述鞋墊夾層為介于上鞋墊體和下鞋墊體之間的一個夾層，略小于上、下鞋墊體， 放置于上下鞋墊體形成的封閉空間內；其相應位置已經掏空，用于固定智能鞋墊內部的電 路和元器件。
[0009] 所述電熱片為鞋形低壓電熱片，略小于鞋墊夾層，置于上鞋墊體和鞋墊夾層之間， 與處理及控制模塊相連，用于對鞋子內部加熱和保暖。
[0010] 所述壓電疊堆為本智能鞋墊的核心部件，由若干個壓電陶瓷片并聯組成，固定在 鞋墊夾層腳掌或腳后跟位置，用于檢測腳部壓力、計算步數和給本智能鞋墊提供電能；其輸 出分為兩路，一路用于給蓄電池充電，另一路經過處理后進入微處理器的模數轉換引腳，用 于計算腳步壓力和行走步數。
[0011] 所述藍牙模塊為集成的小型藍牙從機模塊，通過串行通信接口與控制器相連，與 運行在智能手機上的藍牙應用軟件配套使用，可實現智能鞋墊與智能手機之間的通信。
[0012] 所述功能選擇開關為一個六觸點單通的旋鈕開關，用于控制智能鞋墊的各項功 能，如接通電源、開啟或關斷加熱功能、開啟或關斷藍牙功能等。
[0013] 所述處理及控制模塊包括：整形及電壓轉換電路、蓄電池充放電模塊、穩壓模塊和 微控制器及其外圍電路。所述整形及電壓轉換作用是將壓電疊堆輸出的交流電轉換為正 5V的直流電，其直流電輸出端與蓄電池充放電模塊的電源輸入端相連，可將電能輸入到蓄 電池充放電模塊；所述蓄電池充放電模塊作用是收集壓電疊堆輸出的電能用于對蓄電池充 電，同時也可將蓄電池內部存儲的電能釋放出來，對蓄電池起到保護作用，如充電時可根據 電池的特性選恒流或恒壓方式充電，放電時可輸出穩定的電壓，有過充或過放保護等；穩壓 模塊作用是將蓄電池充放電模塊的輸出電壓穩定在微控制器的供電電壓范圍內；所述微控 制器及其外圍電路為單片機最小系統電路和與其它模塊的接口電路。
[0014] 所述蓄電池為小容量聚合物鋰電池，其作用是收集壓電疊堆產生的電能并且給其 它用電部分供電；由于本發明所用的壓電疊堆可以在人們行走時產生電能，可隨時給蓄電 池充電，所以本發明可以使用容量更小的蓄電池，這樣不僅能減少成本，還能減小鞋墊的體 積和質量，同時也能提高系統安全性（大容量電池在發生泄露或爆炸時危害更大）。
[0015] 所述mini-USB接口分為輸入接口和輸出接口，分別與蓄電池充放電模塊的電 能輸入端和電能輸出端相連；mini-USB輸入接口可連接充電器，從外部對蓄電池充電， mini-USB輸出接口可在緊急情況下對手機進行充電。
[0016] 所述智能手機應用軟件為安裝在智能手機上的應用程序，智能手機必須具有藍牙 功能才能使用本軟件；在手機和本智能鞋墊均開啟藍牙功能后運行本應用軟件，完成藍牙 配對后，可通過該軟件對智能鞋墊進行監控。
[0017] 上述智能鞋墊的實現方法，包括如下步驟：
[0018] 1、鞋墊夾層上相應的位置已掏空，將壓電疊堆、藍牙模塊、功能選擇開關、處理及 控制模塊、蓄電池、mini-USB接口等固定在相應的位置上，并按照前文所述方法進行連接；
[0019] 2、將電熱片連接到鞋墊夾層上的處理及控制模塊上，并平鋪于鞋墊夾層之上，將 電熱片連同鞋墊夾層及其之上的電路和元器件放入上下鞋墊之間，拉上上下鞋墊上的拉 鏈，使之形成一個完整的智能鞋墊；
[0020] 3、將智能鞋墊置于合適的鞋子內，當用戶行走時，就會踩壓鞋墊，鞋墊內部的壓電 疊堆就會產生與人行走步調一致的周期性電信號，并且踩壓鞋墊的力越大時，電信號的幅 值就會越大，產生的電能也就越多；智能鞋墊內部的處理電路可對該電信號進行測量，得到 相應的周期數和幅值，并且通過相應電路對該電能進行收集；微處理器可根據所測得的電 信號計算出人們行走的步數和腳部的壓力；
[0021] 4、可通過功能選擇開關設定智能鞋墊的功能，可選功能有接通電源、自動、開/關 加熱、開/關藍牙、開（或關）加熱及藍牙；當自動或加熱開啟時，微處理器會根據設定的溫 度開始或關斷加熱片的加熱功能，實現智能溫控；當自動或藍牙開啟時，可通過運行在智能 手機上的應用軟件連接本智能鞋墊，對智能鞋墊進行實時監控；
[0022] 5、通過智能手機應用軟件可實時顯示人們行走的步數，當設定好每步所走的行程 后，可計算出人們走過的路程；可實時顯示電池剩余電量、人們行走時腳部的壓力和溫度； 可開啟或關斷加熱功能，并設置加熱的目標溫度（目標溫度不可低于鞋子內部不加熱時的 溫度），微處理器會實時監控鞋內溫度，并控制加熱，使鞋內溫度維持在目標溫度范圍內。
[0023] 本發明的優點和積極效果：
[0024] 1、本發明可不用外接傳感器就可測量腳部的壓力和計算行走的步數，以監測用戶 的活動水平、行走健康等問題，降低了智能鞋墊的成本；
[0025] 2、本發明所用壓電疊堆可產生電能，具有自發電功能，實現相同功能和使用同樣 長時間的情況下，可采用更小的蓄電池，這樣有利于減小智能鞋墊體積和質量，同時可解決 大容量蓄電池帶來的安全和成本問題；
[0026] 3、本發明采用可拆卸的方式拼接鞋墊各結構，取出電熱片連同鞋墊夾層及其之上 的電路和元器件后，上、下鞋墊體可水洗，使之應用更加人性化。
[0027] 4、智能鞋墊放入鞋內后，用戶正常行走時就可發電，還具有手機充電功能，可為手 機提供少量電能，以應對緊急情況，特別適用于在野外沒有電源的地方使用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028] 圖1為本發明智能鞋墊的結構爆炸圖；
[0029] 圖2為本發明智能鞋墊的功能框圖；
[0030] 圖3為各壓電陶瓷片并聯的壓電疊堆示意圖；
[0031] 圖4為人行走時鞋底壓電疊堆輸出電壓曲線；
[0032] 圖5為放大及整形電路電路圖；
[0033] 圖6為降壓/升壓轉換電路電路圖；
[0034] 圖7為蓄電池充放電模塊電路圖；
[0035] 圖8為微控制器及其外圍電路電路圖。
[0036] 圖1中：1-上鞋墊體，2-電熱片，3-鞋墊夾層，4-壓電疊堆，5-藍牙模塊，6-功能 選擇開關，7-處理及控制模塊，8-小容量蓄電池，9-mini USB接口，10-下鞋墊體，11-智能 手機。
【具體實施方式】
[0037] 下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不僅 限于此。
[0038] -、本發明一種壓力自感知、自發電智能鞋墊的結構爆炸圖如圖1所示，功能框圖 如圖2所示，具體實施步驟如下：
[0039] (1)圖1為本發明一種壓力自感知、自發電智能鞋墊的結構爆炸圖；圖中1和10 分別是上、下鞋墊體，其邊沿均分別為兩條可配對的拉鏈的鏈帶（圖中未畫出），可通過拉 鏈將上下鞋墊體連接在一起形成一個封閉空間，將智能鞋墊其它部分包圍在其內部；圖中 2為鞋墊形電熱片，用于需要時給鞋內部加熱和保溫，其加熱控制信號由微處理器給出；圖 中3為鞋墊夾層，用于固定智能鞋墊內部的電氣元件和電路板，其掏空部分即為電氣元件 和電路板所在位置；圖中4為壓電疊堆，用于檢測腳部壓力、計算步數和給本智能鞋墊提供 電能；圖中5為藍牙模塊，用于實現智能手機和本智能鞋墊的藍牙無線通信；圖中6為功能 選擇開關，是一個六觸點單通的旋鈕開關，用于控制電源通斷和部分功能選擇；圖中7為處 理及控制模塊，所有元器件均集成在一塊可彎曲的電路板上，實現智能鞋墊的相關處理和 控制功能；圖中8為小容量蓄電池，本實施例中選用的是容量為200mA的聚合物鋰電池；圖 中9為miniUSB接口，分為輸入接口和輸出接口，輸入接口可用于對蓄電池充電，輸出接口 可為其它設備充電；圖中11為智能手機，其具有藍牙功能，可運行本發明配套的應用軟件。
[0040] (2)圖2為本發明一種壓力自感知、自發電智能鞋墊電氣部分的功能框圖，圖中智 能手機具有藍牙功能，可運行本與發明配套的應用軟件，與智能鞋墊通過藍牙無線通信進 行數據交換；圖中壓電疊堆的輸出信號分為兩路，一路輸入到整形及電壓轉換電路中，另一 路連接到了微處理器的外圍電路中，再進入微處理器中進行模數轉換；圖中整形及電壓轉 換電路的輸入為壓電疊堆的其中一路輸出信號，輸出端連接到了蓄電池充放電模塊的電源 輸入端，蓄電池充放電模塊的電源輸入端與mini-USB電源輸入接口也相連，其模塊內部連 接到了小容量鋰電池，以控制其充放電，蓄電池充放電模塊的電源輸出端與穩壓模塊相連 接，穩壓模塊將其輸出的5V直流電轉換為微處理器需要的3. 3V直流電；功能選擇開關的 多個輸出端連接到了微處理器的輸入接口；微處理器的一個輸出口連接到了電熱片的控制 端；圖中藍牙模塊與微處理器通過串行通信接口進行數據交換。
[0041] 二、圖2中相應模塊所對應的【具體實施方式】如下：
[0042] (1)如圖3所示為壓電疊堆結構示意圖，圖中各壓電陶瓷片相互并聯，a、b為其電 信號輸出端，多個壓電陶瓷片并聯可增加其輸出功率。
[0043] (2)如圖5所示為放大及整形電路，對應于圖2中整形及電壓轉換電路的整形部 分，其作用是將壓電疊堆的輸出電壓放大兩倍并整形為直流電，為防止壓電疊堆的輸出電 壓過小，不足以驅動后續電路，因此本電路額外增加了電壓放大環節；圖中Y1即為圖2中的 壓電疊堆；圖中信號AD_in連接到了微控制器模數轉換引腳的外圍處理電路的輸入端，用 于測試壓電疊堆的輸出電壓，以判斷其峰值大小和個數，從而推算出腳部的壓力和行走的 步數；圖中瓷片電容CL2、CL3、C3和二級管Dl、D2、D3實現放大及整流功能，穩壓二級管用 于限制輸出電壓幅值，保護后續電路，電解電容C4和瓷片電容C5用于進一步對直流信號濾 波；輸出端P〇wer_out連接到了圖2中整形及電壓轉換電路的電壓轉換電路部分的電源輸 入端。
[0044] (3)如圖6所示為降壓/升壓轉換電路，對應于圖2中整形及電壓轉換電路的電 壓轉換電路部分，其作用是將經放大及整形電路整形后的輸出電壓轉換為+5V直流電壓； 本電路的核心是TI公司生產的TPS63061降壓/升壓芯片，它可將2. 5V?12V的直流電 壓轉換為5V的直流電壓，以適應不同腳部壓力下壓電疊堆輸出電壓波動大的影響；圖6中 Power_out輸入端連接到了圖5放大及整形電路的Power_out輸出端；圖中C6?C12均為 瓷片電容，R1?R3均為1%精度的碳膜電阻，L1為電感，它們的大小在圖中已詳細標出； +5V輸出電壓連接到了圖2中蓄電池充放電模塊的電源輸入端。
[0045] (4)如圖7所示為蓄電池充放電模塊電路圖，對應于圖2中的蓄電池充放電模塊， 其作用是控制鋰電池的充放電，同時對電池進行保護和指示電量，其核心為"深圳市華芯邦 科技有限公司"生產的鋰電池充電管理芯片HT4901 ;如圖7所示，HT4901是一個16引腳 的芯片，L1?L4為電量指示引腳，KEY為控制端，它們均連接到了微處理器對應的輸入端 口，用于記錄電池電量和程序控制模塊的運行；圖中P1、P2分別為mini-USB電源輸入和輸 出接口，P1可經接充電器對電池進行充電，P2可以連接手機，對手機進行充；BT1為容量是 200mAH的聚合物鋰電池，三級管Q2用于控制其通斷，Q2的控制端Battery接到了功能選擇 開關的一個引腳；輸入的+5V信號為降壓/升壓轉換電路的輸出信號，VCC為模塊的電源輸 出；其它電路為HT4901的典型應用電路，可以參見其技術手冊。
[0046] (5)圖8為微控制器及其外圍電路，圖中實際包括了圖2中微處理器及其外圍電路 和穩壓模塊；圖中U4芯片，型號為LM1117s-3. 3V，它與電容C25?C27共同構成穩壓模塊， 其作用是將蓄電池充放電模塊的電源輸出信號轉換為微處理器及其外圍電路的+3. 3V供 電電壓；U3為本發明的微控制器，它是"新華龍電子有限公司"生產的增強型51單片機，型 號為C8051F350 ;圖中AD_in連接到了圖5中壓電疊堆的輸出信號AD_in，該信號經過R15、 R16、C23和C24組成的阻容網絡后進入單片機的ΑΙΝΟ. 0和ΑΙΝΟ. 1引腳，用于進行模數轉 換J2為單片機的程序下載和調試接口；L1?L4以及KEY與圖7中同名引腳相連；SW-6WAY 為功能選擇開關，各端子均連接了 10ΚΩ的上拉電阻，其中2?6號端子接到了單片機的5 個輸入端，用于功能選擇，1號端子與圖7中Battery端口相連，用于開關電源，當旋鈕開關 與1接通時，電源關斷，與其它端口接通時電源開并選擇了相應功能；Q1為三極管，型號為 SS8050,用于控制電熱片的通斷，DG_GND端口連接到電熱片（圖中未畫出電熱片）一端，電 熱片另一端連接電源VCC，Q1的控制端連接到單片機的輸出引腳P0. 7 ;圖中RX、TX與藍牙 模塊的相應通信端口相連，用于實現與手機的無線通信。
[0047] 三、計步、發電和壓力自感知原理：
[0048] 圖4為人們行走時鞋底壓電片輸出電壓曲線，它是將壓電陶瓷片置于鞋底，在其 輸出端并聯一個50K的電阻，用戶行走時，用示波器測試該電阻兩端得到電壓曲線并截圖 所得；從圖中可以看出，當人們行走時壓電陶瓷片的輸出是一個周期信號，其每一個周期均 代表走路時腳著地和抬起的一個過程，通過微處理器檢測其峰值點的個數就可以得到人們 所行走的步數；實驗表明腳著地時對鞋的踩壓力越大，壓電陶瓷輸出電壓的峰值越大，因此 可通過測量其峰值間接計算出腳部壓力值；由壓電效應知壓電陶瓷受到擠壓時能產生電 能，可對其輸出的電能進行收集利用，以實現發電功能。
[0049] 四、上述智能鞋墊的實現方法，還包括如下步驟：
[0050] 1、在用戶鞋內放入大小合適的智能鞋墊，將功能選擇開關的旋鈕撥到2號端子， 此時智能鞋墊進入自動狀態，藍牙功能自動開啟，微控制器C8051F350采用其內部溫度傳 感器對鞋內溫度進行監控，對P〇. 0?P〇. 3引腳的電平進行監控以得到電池電量，采用差分 的方法測量ΑΙΝ0.0引腳和ΑΙΝΟ. 1引腳的電壓差以監控壓電疊堆的電壓變化，從而計算出 其輸出電壓的峰值點個數（峰值點個數就是行走的步數）和幅值（幅值與腳步壓力呈函數 關系）。
[0051] 2、完成1步驟后，先開啟智能手機的藍牙功能，再打開與本系統配套的手機監控 軟件；該軟件可自動與附近智能鞋墊上的藍牙模塊完成配對，從而開始對鞋內信息進行監 控；軟件界面能實時顯示從智能鞋墊上的藍牙模塊傳輸上來的鞋內溫度、腳部壓力、蓄電池 剩余電量等信息。開啟計步功能后，用戶須先在界面相應位置設置自己一步所走的行程，然 后軟件開始計算并顯示步數和行程；開啟加熱功能后，用戶須先在界面相應位置設置預加 熱溫度和目標溫度，預加熱溫度為起始加熱溫度，即當鞋內溫度低于此溫度時電熱片導通， 開始加熱；目標溫度為加熱的目標溫度，目標溫度不能低于鞋內不加熱時的溫度；系統自 動狀態時，微處理器根據所測溫度與上一次的設定溫度判斷是否開始加熱功能，以及加熱 的目標溫度。
[0052] 3、在不需要加熱或監控腳步數據等功能時，用戶可通過功能選擇開關關斷加熱或 藍牙功能以節省電量。
[0053] 4、在緊急情況下，可通過mini-USB輸出接口給手機充電，為手機提供少量電能。
【權利要求】
1. 一種壓力自感知、自發電的智能鞋墊，其特征在于：拉鏈將上鞋墊體（1)和下鞋墊體 (10)連接在一起形成一個封閉空間，智能鞋墊其它部分包圍在其內部；鞋墊形電熱片（2)， 置于上鞋墊體（1)和鞋墊夾層（10)之間，其加熱控制信號由微處理器給出；鞋墊夾層（3)， 固定智能鞋墊內部的電氣元件和電路板；壓電疊堆（4)，置于鞋墊夾層（3)前部，檢測腳部 壓力、計算步數，并為本智能鞋墊提供電能；藍牙模塊（5)，置于鞋墊夾層（3)右后方；功能 選擇開關（6)，置于鞋墊夾層（3)右后方，是一個六觸點單通的旋鈕開關，控制電源通斷和 功能選擇；處理及控制模塊（7)，置于鞋墊夾層（3)后部，所有元器件均集成在一塊可彎曲 的電路板上，實現智能鞋墊的相關處理和控制功能；小容量蓄電池（8)，置于鞋墊夾層（3) 左后方；mini USB接口（9)，也置于鞋墊夾層（3)左后方，但在小容量蓄電池（8)前面，分為 輸入接口和輸出接口；智能手機（11)，運行本發明配套的應用軟件，通過藍牙實現對智能 鞋墊的實時監控。
2. 權利要求1所述的處理及控制模塊，包括：整形及電壓轉換電路、蓄電池充放電模 塊、穩壓模塊和微控制器及其外圍電路；它們之間及其與智能鞋墊其它部分的連接關系如 下：壓電疊堆（4)的輸出信號為兩路，一路輸入到整形及電壓轉換電路中，另一路連接到微 處理器外圍電路，再進入微處理器中進行模數轉換；整形及電壓轉換電路的輸入為壓電疊 堆（4)的其中一路輸出信號，輸出端連接到了蓄電池充放電模塊的電源輸入端；蓄電池充 放電模塊的電源輸入端與mini-USB電源輸入接口（9)也相連，其模塊內部連接到了小容量 蓄電池（8)，以控制其充放電；蓄電池充放電模塊的電源輸出端與穩壓模塊相連接，穩壓模 塊將其輸出的5V直流電轉換為微處理器需要的3. 3V直流電；功能選擇開關（6)的輸出端 連接到了微處理器的輸入接口；微處理器的一個輸出口連接到了電熱片（2)的控制端；藍 牙模塊（5)與微處理器通過串口進行數據交換。
【文檔編號】G01C22/00GK104207409SQ201410485647
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年9月22日 優先權日:2014年9月22日
【發明者】李新波, 梁亮, 劉建芳, 周秀文, 高偉, 付云博, 劉維帥, 石要武, 吳越 申請人:吉林大學