CN101874659B

CN101874659B - 自发电无线定位跟踪鞋

Info

Publication number: CN101874659B
Application number: CN2009102355892A
Authority: CN
Inventors: 王治平; 刘俊标; 姜楠
Original assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Priority date: 2009-09-29
Filing date: 2009-09-29
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2029-09-29
Also published as: CN101874659A

Abstract

一种自发电无线定位跟踪鞋，包括多层锆钛酸铅板结构压电发电装置(1)、叉指型结构压电发电装置(2)，电磁线圈发电装置(3)和GPS+GSM无线定位跟踪系统；多层PZT板结构压电发电装置(1)安装于鞋垫底部，叉指型结构压电发电装置(2)安装于鞋跟底层，电磁线圈发电装置(3)安装于鞋跟中部，即鞋的气垫部位，GPS+GSM无线定位跟踪系统装在鞋帮侧面；采用变压器收集多层锆钛酸铅板结构压电发电装置(1)产生的交流电，采用倍压电路收集多层锆钛酸铅板结构压电发电装置(1)和电磁线圈发电装置(3)产生的交流电，经倍压整流升压电路整流，升压，稳压后向GPS+GSM模块供电。

Description

自发电无线定位跟踪鞋

技术领域

本发明涉及一种定位跟踪鞋，特别涉及一种自发电无线定位跟踪鞋。

背景技术

目前，现有的无线定位跟踪装置都是应用于自备电源技术之上，即要用自带的电源(各类便携式电池)给予供电，并且要定期进行检查其是否处于弱电或无电状态而对其进行更换，带来许多不方便。

专利200720094257提出一种利用电池将GPS+GSM网络模块结合应用于无线定位跟踪的系统，用于监护者对监护目标的看护。但该设计因缺少自发电供电系统或装备，必须要定期更换电池，而且该系统因缺少对电池部分的保护措施，不能防潮防水，因此无法应用于鞋内无线定位跟踪。对于在鞋上利用相同原理或相近原理的自发电装置，现已有日本的USC株式会社梅田干雄申请的专利号为00817051.7“压电发电装置”，主要采用2块分层的和以反极化彼此接合的压电陶瓷板结构，采用硬拍打方式使压电陶瓷板在受打击振动过程中发生变形能转换为电能。此种发电方法直接与该结构装置的谐振频率有关，而该装置的整体结构刚度非常高，只适用于高频区(一般在2KHz--10KHz)获得电能，并不适宜放于鞋中，因放于鞋中，势必要小型化，而这样做，又将至使该装置整体固有频率变得更高，将导致不能或只能获得轻微的电能(已消耗于电路中)，最终无法获取电能为GPS和GSM供电。专利200710048553“基于压电振动发电的自供电微型无线传感网络结点”是基于压电悬臂梁结构设计的为无线传感器网络供电的压电转换装置，虽结构简单，体积小，可以在较低频区间内获得电能，但在并不能完全有效的将人行走过程中的变形能有效的转换为电能，因为人在行走过程中，鞋部受到的形变量最大，要承受人体整个重量，而该装置的结构特点完主要是依靠悬臂梁的共振频率来有效转换电能，因此，采用此装置中的悬臂梁结构并不是最好的获得电能的方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决无线定位及跟踪技术中，自带电源(各类便携式电池)给予GPS+GSM定位跟踪系统供电而带来的不便，提出一种自发电无线定位跟踪鞋。

本发明利用鞋子自发电的功能，对具有无线定位跟踪能力的GPS(全球定位系统)模块+GSM(全球移动通信系统)模块进行供电。本发明可应用于人员定位跟踪，弱势、智障、弱智人员以及走失的人员，特别是对在恶劣环境下工作的人员进行定位跟踪。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明包括采用多层PZT(锆钛酸铅)板结构的压电发电装置和叉指型结构的压电发电装置，电磁线圈发电装置和GPS+GSM无线定位跟踪系统，多层PZT板结构压电发电装置安装于鞋垫底部，叉指型结构压电发电装置安装于鞋跟底层，电磁线圈发电装置安装于鞋跟中部，即鞋的气垫部位，GPS+GSM无线定位跟踪系统装在鞋帮侧面。

多层PZT板结构压电发电装置由多层锆钛酸铅压电板层叠组成，PZT压电板的结构是：在一层外形轮廓与鞋垫外形一致的不锈钢板的上下两面各镀一层锆钛酸铅(PZT)薄膜，形成锆钛酸铅(PZT)压电板。然后将多层同样规格的所述的锆钛酸铅(PZT)压电板上下堆叠置一起，形成多层PZT压电板。

叉指型结构压电发电装置为多振动模式的叉指型悬臂梁发电装置。叉指型结构压电发电装置为接收宽高频振动能量的压电转换装置，即将接受到的宽高频振动能转换为电能，频率范围可在100Hz～16KHz。

电磁式压电发电装置采用电磁线圈发电的原理，使电磁铁柱状体在电磁线圈中做径直方向做交互运动，产生交流电流，其中，电磁线圈长度为15cm，直径为5cm，电磁铁圆柱高度为7cm，直径为4cm。

多层PZT压电板结构压电发电装置将人在行走过程中脚部对鞋底垫做功中获得的弹性能转化为电能。电磁线圈发电装置则从脚跟与鞋跟做功过程中，将电磁铁与电磁线圈的相对运动的电磁能转化为电能。叉指型结构压电发电装置从人体主动运动中获取电能，或在被动运动过程中获取较高电能，即：人在运动的物体，如汽车，火车，飞机上等，同样也可以获得电能，随着叉指型结构参数的不同，可以在较宽频带中获取电能。

本发明采用两种方法将所述三种发电装置产生的交流电转换成直流电。对于叉指型压电发电装置一般多用于高频振动收集环境中，因此，采用变压器对其产生的交流电进行收集。对于多层PZT板结构压电发电装置和电磁线圈发电装置，则采用倍压电路对其产生的交流电进行收集，因为它们产生的交流电压相对较小，倍压升压倍数为5-9倍。最终经整流后将转换成的直流电压统一送入稳压电路中。

本发明的有益效果是，结构简单，抗震效果好，并且发电效率较同类装置高很多，电路输出电压稳定，适宜长期供电，免维护等。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

图1是本发明无线定位跟踪鞋示意图；

图2-1为多层PZT板式压电发电装置的俯视图，图2-2为多层PZT板式压电发电装置的主视图；

图3是叉指型结构压电发电装置结构图；

图4是电磁线圈式发电装置结构图；

图5是本发明的电路整流，升压，稳压电路图；

图5-1是高频交流电整流电路图；

图5-2是低频交流电整流倍压电路图；

图5-3是电压选择储存稳压电路图；

具体实施方式

本发明包括多层PZT板结构压电发电装置1和叉指型结构压电发电装置2，电磁线圈发电装置3和GPS+GSM无线定位跟踪系统。多层PZT板结构压电发电装置1安装于鞋垫底部，叉指型结构压电发电装置2安装于鞋跟底层，电磁线圈发电装置3安装于鞋跟中部，即鞋的气垫部位，GPS+GSM无线定位跟踪系统装在鞋帮侧面。如图2-1和图2-2所示，多层PZT板结构压电发电装置1由多层锆钛酸铅(PZT)压电板层叠组成，每一层PZT压电板是在一层厚度约为2mm-5mm，外形轮廓与鞋垫外形一致的不锈钢板的上下两面各镀一层0.2mm的锆钛酸铅(PZT)薄膜形成的，将5--15层同样规格的PZT板堆叠放在一起，便形成多层PZT压电板。

如图3所示，叉指型结构压电发电装置2为多振动模式的叉指型悬臂梁发电装置。叉指型结构压电发电装置2为接收宽高频振动能量的压电转换装置，将接受到的宽高频振动能转换为电能，频率范围可在100Hz～16KHz。如图3所示，叉指型结构从平面角度看，是多个独立的悬臂梁结构交叉连接而成，每个独立悬臂梁的长度和宽度以及间距可根据需要确定。图3所示的实施例采用4--30个独立的悬臂梁结构，每个独立悬臂梁的长度和宽度为10mmx2mm，每个独立悬臂梁之间的间距为0.5mm宽，本实施例选取的尺寸是为了使悬臂梁谐振频率与周围环境振动频率一致，达到能量吸收最大值；每个独立的悬臂梁末端上下交错相联接，成为5mmx5mm的长方形边框，在竖直方向，该叉指型结构整体厚度均为2mm厚的不锈钢薄板结构。因此，该实施例的叉指型结构压电发电装置整体外形尺寸为35.5mmx22mmx2mm。

如图4所示，电磁式压电发电装置3采用电磁线圈发电的原理，使电磁铁柱状体在电磁线圈中做径直方向做交互运动，产生交流电流。图4所示的实施例中，电磁线圈长度为15cm，直径为5cm，电磁铁圆柱高度为7cm，直径为4cm。如图4所示，电磁式发电装置3由电磁线圈和柱状电磁铁两部分组成，电磁线圈的中心线与柱状电磁铁的中心线重合，因此，电磁线圈和柱状电磁铁是上下垂直安放，当电磁线圈受鞋跟底部压力作用产生垂直方向的竖直运动，因此，与柱状电磁铁在垂直方向上产生相对交互运动。

图5为本发明整流电路和升压稳压电原理图。其中，整流电路包括图5-1所示的高频变压器整流电路和图5-2所示的低频整流桥倍压整流电路。图5-1所示的高频变压器整流电路用于处理由叉指型发电装置受到振动而产生的高频交流电压和电流；图5-2所示的低频整流桥倍压整流电路，用于处理由PZT板受到振动而产生的低频交流电压和电流；高频变压器整流电路和低频整流桥倍压整流电路分别并联于电路连接点5和6，图5-3所示的升压稳压电路将高频或低频整流电路整流后的电压与电流，经升压稳压电路的芯片LT1085的管脚4和管脚1送入GPS+GSM模块的正向电压输入端，向GPS+GSM模块供给3.3V的稳定直流电压。

如图5-1所示，由叉指型压电发电装置接收到的高频交流电经第二输出端口v2和第四输出端口v4分别与变压器T₁的输入端连接，变压器T₁的第一输出端口1通过限流二极管D0与图5-3中的升压稳压电路的场效应晶体管MOS2管的管脚3相连，变压器T₁的第二输出端口2和升压稳压电路的NPN型三极管的发射极相连。如图5-2所示，多层PZT板结构压电发电装置1由于PZT板低频振动产生低频交流电，低频交流电的第一输出端v1为正向输出，第三输出端v3为负向输出，第一输出端v1分别与第一电容C1的正极，第三电容C3的正极，第五电容C5的正极串联，第三输出端v3分别与第一二极管D1的负极，第二电容C2的正极，第四电容C4的正极，第六电容C6的正极串联，同时，第一二极管D1的正极分别与第一电容C1的负极和第二二极管D2的负极串联，第二二极管D2的负极分别与第二电容C2的负极和第三二极管D3的负极串联，第三二极管D3的正极分别与第三电容C3的负极和第四二极管D4的负极串联，第四二极管D4的负极分别与第五电容C5的负极和第六二极管D6的负极串联，第六二极管D6的正极与第六电容C6的负极相连，第六电容C6的正极与升压稳压电路的NPN型三极管的发射极相连；因此，由低频振动所产生的交流电，设定由v1输出方向从外电路流向V2方向为正方向，当电流正向输出时，首先对第一电容C1充电，流经第一二极管D1，此时电压为V₀；当电流反向输出时，首先第二电容器C2充电，流经第二二极管D2，再流过第一电容C1，由于第一电容C1已经被正向充电，因此，此时由第二电容C2到第一电容C1的电压为2V₀；当电流再次正向输出时，直接对第三电容C3充电，经过第三二极管D3，再流过第二电容器C2，此时电压为3V₀，如此往复，当电流反向输出对第六电容C6充电时，经第六二极管D6，流向第五电容器C5时，此时电压变为6V₀；如图5-3所示，高低频振动所产生的交流电分别转换成直流电后，经过场效应晶体管MOS2和NPN型三极管构成的升压电路后，再与LINEAR公司的稳压芯片LT1085构成升压稳压输出电路，可以输出3.3V的稳定电压。电路连接方式为：首先，经整流后的高低频振动所产生的电流，其直流电压正极与第十六二极管D16的负极，MOS2管的管脚3，第四电阻R4并联，第十六二极管D16的正极同时与第二电阻R2和第十四二极管D14的负极串联，第十四二极管D14的正极与第十八二极管D18的负极串联，而第十八二极管D18的正极和第七电容器C7并联，并同时与场效应晶体管MOS2的管脚2串联，三极管Q2的集电极与场效应晶体管MOS2管的管脚1串联，三极管Q2的基极与第二电阻R2串联，三极管Q2的发射极与地线串联；同时，场效应晶体管MOS2的管脚2与LT1085的管脚3串联，而LT1085的管脚1则接地线。

本发明的工作过程如下：

当人穿着本发明自发电无线定位跟踪鞋在行走，跑步等过程中，频率较低，本发明自发电无线定位跟踪鞋处于低频工作状态，因此，安放于鞋垫与鞋跟底部的多层PZT板结构压电发电装置1和电磁线圈发电装置3受人脚部压力产生形变，即由形变而产生大量弹性能，其中，一部份弹性能转化为热能消耗掉，而大部份弹性能则将转化为电能；而当人体处于无主动运动状态，即：处于被动运动中时，如在汽车，火车，飞机等运动的物体上时，同样也可以获得电能。此时，自发电无线定位跟踪鞋处于高频工作状态中，因叉指型结构压电装置2为多振动模式的叉指型悬臂梁发电装置，发电频率可以处于100Hz～16KHz之间。因此，当自发电无线定位跟踪鞋处于低频工作状态时，如图5-2所示，由多层PZT板结构压电发电装置1和电磁线圈压电发电装置3发出的低频交流电，在输入电压的正半周，极性上正下负，D1导通，C1被充电至峰值，在输入电压的负半周，极性下正上负，D1断开，D2导通，C1电压叠加上负半周输入电压给C2充电，此时C2被充电至2倍C1电压；接着在输入电压的下一个正半周，D1，D2断开，D3导通，此时C1，C2和输入电压叠加在一起为C3充电，由于此时C1和输入电压极性相反，导致相互抵消，所以C3充电后的电压等于C2电压.在输入电压负半周，D1，D2，D3断开，D4导通，C4被充电至2倍峰值电压。如果不带负载，稳态时，除了最左边的第一电容C1个电容，其他电容C2-C6上的电压均为2U，所以总的输出电压为6U。事实上，由于高阶倍压整流电路带载能力很差，输出很小的功率就会导致输出电压的大幅度跌落。假设输出电流为I，每个电容的容量相同，均为C，交流电源频率为f，则电压跌落为：

ΔU = \frac{I}{6 fC} (4 N^{3} + {3 N}^{2} + 2 N) = \frac{141}{15} \cdot \frac{I}{f}

输出电压纹波为：

\frac{I}{fC} \cdot \frac{N (N + 1)}{4} = \frac{6 I}{5 f} .

(其中，N为倍升系数，C为电容容量，f为电源频率，I为电流强度。)

同样，当人体处于无主动运动，即：处于背动运动中时(在运动的物体上)，如汽车，火车，飞机上等，同样也可以获得电能，此时，压电发电鞋处于高频工作状态中，因叉指型压电装置2为多振动模式的叉指型悬臂梁发电装置，发电频率可以处于100Hz～16KHz之间，因此，可以用变压器升压来处理叉指型结构压电装置2所产生的交流电，本发明实施例选择n＝5，即，采用1∶5的变压器，将交流电压转化成直流后升高至原来的5倍，使输出电压在4V-17V之间，如图5-1所示，图中选择一个正向二极管，目的在于防止回流倒充电现象发生，同时起到保护变压器的作用。

因此，不论是倍压整流电路收集到的直流电还是变压器转化的直流电，均可以通过如图5-3所示的升压稳压电路来对第七电容器C7进行充电，其中，当直流电压低于4V时，限压二极管D16不会导通，则场效应晶体管MOS2管不会开通，电流无法流过，不会对超级电容器C7供电；而当直流电压高于5V时，D16则会导通，NPN型三极管Q2中的基极有电流流过，发射极电流被放大输出，Q2导通，集电极中有电流I_b通过，则场效应晶体管MOS2管导通，有电流通过，对第七电容器C7进行充电，其中，限压二极管D18起到电流反流作用，防止超级电容器反向对场效应晶体管MOS2充电，造成对电路的伤害；因此，当有直流电对超级电容器C7进行充电的同时，也会对起稳压作用的芯片LT1085供电，使其可以对外稳定输出3.3V的直流电压，保证GPS+GSM模块稳定工作。

Claims

1.一种自发电无线定位跟踪鞋，其特征在于所述无线定位跟踪鞋包括多层锆钛酸铅板结构压电发电装置(1)、叉指型结构压电发电装置(2)、电磁线圈发电装置(3)和GPS+GSM无线定位跟踪系统；多层锆钛酸铅板结构压电发电装置(1)安装于鞋垫底部，叉指型结构压电发电装置(2)安装于鞋跟底层，电磁线圈发电装置(3)安装于鞋跟内部中间部位，GPS+GSM无线定位跟踪系统装在鞋帮侧面；叉指型结构压电发电装置(1)产生的交流电经高频变压器整流电路整流产生的直流电流经升压稳压电路向GPS+GSM模块供电，多层锆钛酸铅板结构压电发电装置(2)和电磁线圈发电装置(3)产生的交流电经低频整流桥倍压整流电路整流后产生的直流电流，经升压稳压电路向GPS+GSM模块供电。

2.按照权利要求1所述的自发电无线定位跟踪鞋，其特征在于所述的多层锆钛酸铅板结构压电发电装置(1)由多层锆钛酸铅压电板层叠组成；所述的叉指型结构压电发电装置(2)由多个独立的悬臂梁结构的末端上下交错连接而成；电磁式发电装置(3)由电磁线圈和柱状电磁铁上下垂直安放。

3.按照权利要求1所述的自发电无线定位跟踪鞋，其特征在于所述的整流电路包括高频变压器整流电路和低频整流桥倍压整流电路；高频变压器整流电路和低频整流桥倍压整流电路分别并联于升压稳压电路的输入端，即电路连接点5和6；升压稳压电路将高频整流电路或低频整流桥倍压整流电路整流后的电压与电流经由升压稳压电路的芯片LT1085的管脚4和管脚1送入GPS+GSM模块的正向电压输入端。

4.按照权利要求3所述的自发电无线定位跟踪鞋，其特征在于所述的高频变压器整流电路中，由叉指型压电发电装置接收到的高频交流电经第二输出端口(v2)和第四输出端口(v4)分别与变压器T₁的输入端连接，变压器T₁的第一输出端口(1)通过限流二极管(D0)与升压稳压电路的场效应晶体管MOS2管的管脚3相连；变压器T₁的第二输出端口(2)和升压稳压电路的NPN型三极管(Q2)的发射极相连；在所述的低频整流桥倍压整流电路中，多层PZT板结构压电发电装置(1)由于PZT板低频振动产生低频交流电，低频交流电的第一输出端(v1)为正向输出，第三输出端(v3)为负向输出，第一输出端(v1)分别与第一电容(C1)的正极，第三电容(C3)的正极，第五电容(C5)的正极串联，第三输出端(v3)分别与第一二极管(D1)的负极，第二电容(C2)的正极，第四电容(C4)的正极，第六电容(C6)的正极串联，同时，第一二极管(D1)的正极分别与第一电容(C1)的负极和第二二极管(D2)的负极串联，第二二极管(D2)的负极分别与第二电容(C2)的负极和第三二极管(D3)的负极串联，第三二极管(D3)的正极分别与第三电容(C3)的负极和第四二极管(D4)的负极串联，第四二极管(D4)的负极分别与第五电容(C5)的负极和第六二极管(D6)的负极串联，第六二极管(D6)的正极与第六电容(C6)的负极相连，第六电容(C6)的正极与升压稳压电路的NPN型三极管的发射极相连；在所述的升压稳压电路中，经整流后的高低频振动所产生的电流，其直流电压正极与第十六二极管(D16)的负极，MOS2管的管脚3，第四电阻(R4)并联，第十六二极管(D16)的正极同时与第二电阻(R2)和第十四二极管(D14)的负极串联，第十四二极管(D14)的正极与第十八二极管(D18)的负极串联，而第十八二极管(D18)的正极和第七电容器(C7)并联，并同时与场效应晶体管MOS2的管脚2串联，三极管(Q2)的集电极与场效应晶体管MOS2管的管脚1串联，三极管(Q2)的基极与第二电阻(R2)串联，三极管(Q2)的发射极与地线串联；同时，场效应晶体管MOS2的管脚2与芯片LT1085的管脚3串联，芯片LT1085的管脚1接地线。

5.按照权利要求4所述的自发电无线定位跟踪鞋，其特征在于当直流电压低于4V时，第十六二极管(D16)不导通，与第十六二极管(D16)连接的场效应晶体管MOS2亦不导通，无电流流过，不对第七电容器(C7)充电；当直流电压高于5V时，第十六二极管(D16)导通，三极管(Q2)中的基极有电流流过，发射极电流被放大输出，三极管(Q2)导通，集电极中有电流Ib通过，则场效应晶体管MOS2导通，有电流通过，对第七电容器(C7)充电；同时，第七电容(C7)也对所述升压稳压电路的芯片LT1085供电。