CN104076378B - 自供电定位鞋 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自供电定位鞋，用以解决现有技术中的定位鞋一旦电源耗尽就无法正常使用，并且不能由亲友等联系人远程控制定位的问题。该自供电定位鞋，包括鞋体，鞋体内进一步包括：电源模块，中央处理模块，GPS定位模块以及无线通信模块，其中，电源模块与中央处理模块相连，用于为中央处理模块供电，其中，电源模块进一步包括纳米摩擦发电机和储能装置，纳米摩擦发电机用于将机械能转换为电能，储能装置用于对电能进行存储；中央处理模块与GPS定位模块和无线通信模块分别相连，用于控制GPS定位模块进行定位，并将GPS定位模块产生的定位信息提供给无线通信模块，由无线通信模块将定位信息发送给预定的接收端。

Description

自供电定位鞋

技术领域

本发明涉及一种鞋，特别涉及一种自供电定位鞋。

背景技术

随着科技的发展，定位鞋作为一种高科技产品已经逐步地走进人们的生活。现有的定位鞋一般都采用电池或外部充电式电源进行供电，但是在户外探险者掉队或遇到意外、老人或儿童迷路或遇到危险、卧底警察遇到危险、重要人物或高收入人群被绑架等诸多情况中，一旦定位鞋的电源耗尽，用户是无法及时给定位鞋充电的，从而影响了定位鞋的使用，给用户带来了诸多不便并且可能危及用户的生命安全。

另外，现有的定位鞋只能通过用户主动触发的方式进行定位信息的发送，而无法实现由亲友等联系人远程控制定位信息发送的功能。由此可见，当用户因意外情况无法主动进行定位时，外界则无法联系到该定位鞋的用户，无法进行营救。

发明内容

本发明提供了一种自供电定位鞋，用以解决现有技术中的定位鞋一旦电源耗尽就无法正常使用，并且不能由亲友等联系人远程控制定位的问题。

一种自供电定位鞋，包括鞋体，所述鞋体内进一步包括：电源模块，中央处理模块，GPS定位模块以及无线通信模块，其中，所述电源模块与所述中央处理模块相连，用于为所述中央处理模块供电，其中，所述电源模块进一步包括纳米摩擦发电机和储能装置，所述纳米摩擦发电机用于将机械能转换为电能，所述储能装置用于对所述电能进行存储；所述中央处理模块与所述GPS定位模块和所述无线通信模块分别相连，用于控制所述GPS定位模块进行定位，并将所述GPS定位模块产生的定位信息提供给所述无线通信模块，由所述无线通信模块将所述定位信息发送给预定的接收端。

可选地，该自供电定位鞋进一步包括：报警开关，其设置在所述鞋体上，且与所述中央处理模块相连，用于触发所述中央处理模块，则所述中央处理模块用于在接收到所述报警开关的触发时控制所述GPS定位模块进行定位。

可选地，所述报警开关包括以下类型中的一种或多种：弹簧开关、按钮开关、震动开关和声控开关。

可选地，所述无线通信模块进一步用于接收来自外部设备的定位控制信号，并将所述定位控制信号发送给中央处理模块，则所述中央处理模块用于在接收到所述定位控制信号时控制所述GPS定位模块进行定位。

可选地，所述无线通信模块包括GSM收发器、Wi-Fi收发器、WCDMA收发器、GPRS收发器中的一个或多个。

可选地，所述纳米摩擦发电机包括：依次层叠设置的第一电极，第一高分子聚合物绝缘层，以及第二电极；其中，所述第一电极设置在所述第一高分子聚合物绝缘层的第一侧表面上；且所述第一高分子聚合物绝缘层的第二侧表面朝向所述第二电极设置，所述第一电极和第二电极分别为所述纳米摩擦发电机的第一输出端和第二输出端。

可选地，所述第一高分子聚合物绝缘层朝向第二电极的面上设有微纳结构。

可选地，所述纳米摩擦发电机进一步包括：设置在所述第二电极和所述第一高分子聚合物绝缘层之间的第二高分子聚合物绝缘层，则所述第二电极设置在所述第二高分子聚合物绝缘层的第一侧表面上；且所述第二高分子聚合物绝缘层的第二侧表面与所述第一高分子聚合物绝缘层的第二侧表面相对设置。

可选地，所述第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层相对设置的两个面中的至少一个面上设有微纳结构。

可选地，所述纳米摩擦发电机进一步包括：设置在所述第一高分子聚合物绝缘层和所述第二高分子聚合物绝缘层之间的居间薄膜层，其中，所述居间薄膜层和第一高分子聚合物绝缘层相对设置的两个面中的至少一个面上设有微纳结构，和/或所述居间薄膜层和第二高分子聚合物绝缘层相对设置的两个面中的至少一个面上设有微纳结构。

可选地，所述纳米摩擦发电机包括：依次层叠设置的第一电极，第一高分子聚合物绝缘层，居间电极层，第二高分子聚合物绝缘层以及第二电极；其中，所述第一电极设置在所述第一高分子聚合物绝缘层的第一侧表面上；所述第二电极设置在所述第二高分子聚合物绝缘层的第一侧表面上，所述居间电极层设置在所述第一高分子聚合物绝缘层的第二侧表面与所述第二高分子聚合物绝缘层的第二侧表面之间，且所述第一高分子聚合物绝缘层相对所述居间电极层的面上和/或所述第二高分子聚合物绝缘层相对所述居间电极层的面上设有微纳结构，所述第一电极和第二电极串联为所述纳米摩擦发电机的第一输出端，所述居间电极层为所述纳米摩擦发电机的第二输出端。

可选地，所述储能装置包括：整流电路模块，与纳米摩擦发电机的输出端相连，用于将所述纳米摩擦发电机输出的电信号进行整流处理；滤波电路模块，与所述整流电路模块相连，用于将所述整流电路模块输出的单向脉动直流电进行滤波处理而得到直流电信号；储能元件，与所述滤波电路模块相连，用于对所述滤波电路模块输出的直流电信号进行存储。

可选地，所述储能元件为超级电容器，则所述储能装置还包括：充电控制模块和开关/变压模块；所述充电控制模块与滤波电路模块连接，接收所述滤波电路模块输出的直流电信号；所述充电控制模块与所述超级电容器连接，接收所述超级电容器反馈的充电电压；所述充电控制模块与所述开关/变压模块连接，所述充电控制模块根据所述直流电信号和所述充电电压得到控制信号，向所述开关/变压模块输出所述控制信号；所述开关/变压模块与所述滤波电路模块连接，接收滤波电路模块输出的直流电信号；所述开关/变压模块与所述超级电容器连接，所述开关/变压模块根据接收的控制信号进行开关切换和对所述滤波电路模块输出的直流电信号进行变压处理后输出给所述超级电容器。

可选地，所述储能装置还包括：发电机控制模块；所述发电机控制模块与所述超级电容器连接，接收所述超级电容器反馈的充电电压；所述发电机控制模块与所述纳米摩擦发电机连接，所述发电机控制模块根据所述充电电压向所述纳米摩擦发电机输出停止发电的信号。

本发明实施例中，通过纳米摩擦发电机为定位鞋供电，以实现定位功能。由于纳米摩擦发电机能够将机械能转换为电能，从而实现自给供电，无需电池或外接电源，因而避免了电源耗尽时不能及时供电的问题。而且，由于其中的无线通信模块可以主动接收亲友发来的定位控制信号，因而当用户因意外情况无法主动进行定位时，外界也可以联系到该定位鞋的用户，从而进行营救。

附图说明

图1示出了本发明实施例提供的定位鞋的结构示意图；

图2a示出了本发明实施例提供的定位鞋的储能装置的一种结构示意图；

图2b示出了本发明实施例提供的定位鞋的储能装置的又一种结构示意图；

图3a和图3b分别示出了纳米摩擦发电机的第一种结构的立体结构示意图和剖面结构示意图；

图4a和图4b分别示出了纳米摩擦发电机的第二种结构的立体结构示意图和剖面结构示意图；

图5a和图5b分别示出了纳米摩擦发电机的第三种结构的立体结构示意图和剖面结构示意图；

图6a和图6b分别示出了纳米摩擦发电机的第四种结构的立体结构示意图和剖面结构示意图。

具体实施方式

为充分了解本发明之目的、特征及功效，借由下述具体的实施方式，对本发明做详细说明,但本发明并不仅仅限于此。

本发明提供了一种自供电定位鞋，可以解决现有技术中的定位鞋一旦电源耗尽就无法正常使用，并且不能由亲友等联系人远程控制定位的问题。

图1示出了本发明实施例提供的自供电定位鞋，包括鞋体，鞋体内进一步包括：电源模块1，中央处理模块2，GPS定位模块3以及无线通信模块4。

其中，电源模块1与中央处理模块2相连，用于为中央处理模块2供电。其中，电源模块1进一步包括纳米摩擦发电机11和储能装置12。纳米摩擦发电机11用于将机械能转换为电能，以实现自给供电，关于纳米摩擦发电机的具体结构将在后面单独给予详细介绍。储能装置12用于对纳米摩擦发电机11产生的电能进行存储。可选地，储能装置12可以进一步包括：整流电路，与纳米摩擦发电机相连，用于对纳米摩擦发电机输出的交流电能进行整流，从而将把大小和方向都随时间变化的交流电转变为方向不随时间变化，大小随时间变化的单相脉动直流电；滤波电路，与整流电路相连，将整流电路输出的单相脉动的直流信号中剩余的交流分量进行滤波；变压电路，与滤波电路相连，将滤波电路输出的单相脉动的直流信号进行变压处理，得到适合给储能元件进行充电的电信号；储能元件，与变压电路相连，将变压电路输出的电能进行存储。这里，储能元件可以灵活选用锂电池、镍氢电池、超级电容等储能元件实现。当用户没有使用定位功能时，用户踩压纳米摩擦发电机所产生的电能会储存在该储能装置中，并持续积累，以保证在使用定位功能时有充足的电能供应。

下面以储能装置中的储能元件以超级电容器为例，详细介绍一下上述的储能装置12的两种可能的结构。

图2a为本发明提供的自供电定位鞋中储能装置的一种电路原理示意图。图2a示出了储能装置的内部结构以及其与纳米摩擦发电机11的连接关系。如图2a所示，储能装置包括：整流电路模块51、滤波电路模块52以及超级电容器54。其中，整流电路模块51与纳米摩擦发电机11的输出端相连，将纳米摩擦发电机11输出的电信号进行整流处理。具体地，整流电路模块51的两个输入端51A和51B分别连接纳米摩擦发电机的两个输出端，接收纳米摩擦发电机11输出的电信号。对于包括多个纳米摩擦发电机的结构，多个纳米摩擦发电机的两个输出端并联在一起，然后与整流电路模块51的两个输入端51A和51B连接。

整流电路模块51的两个输出端51C和51D与滤波电路模块52连接，整流电路模块51将纳米摩擦发电机11输出的电信号进行整流处理后得到的单向脉动直流电输出给滤波电路模块52。滤波电路模块52与超级电容器54连接，滤波电路模块52将整流电路模块51输出的单向脉动直流电进行滤波处理而得到直流电信号输出给超级电容器54。

如图2a所示，滤波电路模块52具有两个端。具体地，滤波电路模块52的第一端52A与整流电路模块51的输出端51D连接，滤波电路模块52的第二端52B与整流电路模块51的输出端51C连接。滤波电路模块52的第一端52A与超级电容器的第一端54A连接，滤波电路模块52的第二端52B与超级电容器的第二端54B连接。在实际应用中，滤波电路模块52的第二端52B一般接地。

对于图2a所示的电路，当外力作用于纳米摩擦发电机时，会使纳米摩擦发电机发生机械形变，从而产生交流的脉冲电信号。此交流的脉冲电信号首先输入给整流电路模块，通过整流电路模块对其进行整流，得到单向脉动的直流电。此单向脉动的直流电又输入给滤波电路模块进行滤波，将单向脉动的直流电中的干扰杂波进行滤除，得到直流电信号。最后，此直流电信号直接输入给超级电容器进行充电。这里可以为一个超级电容器充电，也可以为多个并联的超级电容器同时充电。

上述电路的优点是：（1）根据纳米摩擦发电机产生电能的大小与超级电容器电容和充电电压的大小，通过调节滤波电路模块的相关参数，使得能够最大限度的利用纳米摩擦发电机所产生的电能，提高能量转换效率；（2）根据应用环境的不同，纳米摩擦发电机产生的电压幅度范围较大，可以通过调节滤波电路模块的相关参数，将其调整为适应给超级电容器充电的电压，克服纳米摩擦发电机产生电压大小的不确定性。

进一步的，储能装置还可以采用一种更为优选的结构。图2b为本发明提供的自供电定位鞋中储能装置的另一种电路原理示意图。图2b示出了优选的储能装置的内部结构以及其与纳米摩擦发电机的连接关系。如图2b所示，储能装置除了包括整流电路模块61、滤波电路模块62和超级电容器65之外，还包括充电控制模块63和开关/变压模块64。其中整流电路模块61和滤波电路模块62的功能参见上文，不再赘述。

充电控制模块63与滤波电路模块62连接，接收滤波电路模块62输出的直流电压信号U1；充电控制模块63与超级电容器65连接，接收超级电容器65反馈的充电电压U；充电控制模块63还与开关/变压模块64连接，充电控制模块63根据直流电压信号U1和充电电压U得到控制信号，向开关/变压模块64输出控制信号。开关/变压模块64与滤波电路模块62连接，接收滤波电路模块62输出的直流电压信号U1；开关/变压模块64还与超级电容器65连接，开关/变压模块64根据接收的控制信号进行开关切换和对滤波电路模块62输出的直流电压信号进行调节处理，调节为适应给超级电容器65充电的电压U2。

对于图2b所示的电路，与图2a不同的是，经过滤波处理得到的直流电压信号U1输入给充电控制模块63，充电控制模块63会根据此直流电压信号U1的大小，来决定何时对超级电容器65充电；并且对超级电容器65充电状况进行密切监视，根据超级电容器65充电的状况来控制开关/变压模块64。经过滤波电路模块62的输出电压是一个逐步增大的输出电压，这个输出电压直到增到限压电压，这个限压电压是一个电路保护电压，防止电路因电压过高而损坏。

由于整个充电电路模块是没有外接电源的，充电控制模块63控制开关/变压模块64给超级电容器65充电的工作电源也是来自于纳米摩擦发电机发的电，因此特意在充电控制模块63设置一个启动电压，当滤波电路模块62输出电压达到该启动电压以后，充电控制模块63才驱动开关/变压模块64启动充电。

充电控制模块63的另一个作用是根据经过滤波得到的直流电压信号U1的大小和超级电容器65充电电压U的大小，对直流电压信号U1进行调节，调节为适应超级电容器65充电的电压U2，并选择性驱动开关/变压模块64给超级电容器65充电。

根据C=Q/U可知，超级电容器的容量C为一个固定值，在给超级电容器充电的过程中，电荷量Q在不断增加，随之超级电容器的电压U也在不断上升。为了更有效的给超级电容器充电，充电控制模块63根据超级电容器65反馈的充电电压U以及滤波电路模块62输出的直流电压信号U1的数值信息，来调节开关/变压模块64中的电路，实现对电压U1到U2的转换，得到超级电容器65的实时充电电压U2。U2和U之间有一个相应的充电匹配关系，以保证最高的能量转换效率。举例来说，假设超级电容器65的充满电压为U0，充电控制模块63将超级电容器65反馈的充电电压U与U0进行比较，若U小于U0，表明超级电容器65还未充满，需要继续充电；若U等于U0，表明超级电容器65已充满。同时，充电控制模块63还将滤波电路模块62输出的直流电压信号U1与U0比较，若U1大于U0，则充电控制模块63输出控制信号控制开关/变压模块64对U1进行降压处理，得到超级电容器65的实时充电电压U2；若U1小于U0，则充电控制模块63输出控制信号控制开关/变压模块64对U1进行升压处理，得到超级电容器65的实时充电电压U2。

这里可以为一个超级电容器充电，也可以为多个超级电容器充电，如图2b，示出了三个超级电容器，这三个超级电容器并联在一起。当为多个超级电容器充电时，可以逐个充满，也可以同时充满。逐个充满是通过以下方式实现的：充电控制模块63将当前正在充电的超级电容器反馈的充电电压U与其充满电压U0进行比较，如果U已经达到U0，那么充电控制模块63输出控制信号控制开关/变压模块64将开关切换到下一个超级电容器，继续为下一个超级电容器进行充电。

进一步的，为了保护纳米摩擦发电机，储能装置还可以包括发电机控制模块66。该发电机控制模块66与超级电容器65连接，接收超级电容器65反馈的充电电压U；发电机控制模块66还与纳米摩擦发电机连接，向纳米摩擦发电机输出停止发电的信号。当超级电容器65充满时，会得到一充满电压，该充满电压反馈给发电机控制模块66，进而发电机控制模块66会将纳米摩擦发电机关闭，从而停止发电。

图2b所示的电路的优点是：（1）由于作用于纳米摩擦发电机的外力大小的不确定，使得纳米摩擦发电机产生的交流电大小也不确定，此电路能将不确定的电压值转换成适合超级电容器充电的电压值，适应性强，扩展了自充电超级电容器的应用领域；（2）由于电路中特别设计了充电控制模块，根据超级电容器的实时电压来调节其充电电压，使超级电容器的实时电压与充电电压保持了一个动态匹配关系，达到了使纳米摩擦发电机发出的电能最大限度的充给了超级电容器，实现了最大的储能效果；（3）根据超级电容器的充满，发电机控制模块控制纳米摩擦发电机工作与否，进而延长纳米摩擦发电机的使用寿命；（4）当为多个超级电容器进行充电时，其中一个充满时，会自动切换到下一个超级电容器进行充电。

介绍完电源模块的实现方式后，继续参照图1，中央处理模块2分别与GPS定位模块3和无线通信模块4相连，用于控制GPS定位模块3进行定位，并将GPS定位模块3产生的定位信息提供给无线通信模块4，由无线通信模块4将上述定位信息发送给预定的接收端。

具体地，中央处理模块2在控制GPS定位模块3进行定位时，主要通过主动触发和被动触发两种方式进行控制。

在主动触发的方式中，需要在定位鞋的鞋体上设置一个报警开关5，该报警开关5与中央处理模块2相连，用于对中央处理模块2进行触发。当中央处理模块2接收到报警开关5的触发时，则控制GPS定位模块3进行定位。其中，报警开关可以是以下类型中的一种或多种：弹簧开关、按钮开关、震动开关和声控开关。如果报警开关为弹簧开关或按钮开关，则当用户按下报警开关时，报警开关会自动向中央处理模块发送一个触发信号，中央处理模块根据该触发信号来控制GPS定位模块进行定位；如果报警开关为震动开关或声控开关，则当定位鞋的震动程度超出预设的震动阈值，或者周围声音的频率超出预设的频率阈值时，报警开关会自动向中央处理模块发送一个触发信号，中央处理模块根据该触发信号来控制GPS定位模块进行定位。主动触发的方式可以由用户在迷路或遇到危险时主动地触发定位功能，以得到救援。该方式适用于用户行动自由且能够主动触发的情况。

在被动触发的方式中，由亲友或警察在需要对用户进行定位时，通过外部设备（例如手机、寻呼机等）向定位鞋内部的无线通信模块发送定位控制信号。无线通信模块接收到该定位控制信号后，将其转发给中央处理模块，中央处理模块在接收到该定位控制信号后控制GPS定位模块进行定位。被动触发的方式可以由亲友在联系不上用户时主动发起，以便获知用户的行踪。该方式适用于用户行动不便且无法主动触发的情况。而且，该方式特别适用于患有老年痴呆的老人或离家出走的孩子。当GPS定位模块受到中央处理模块的控制进行定位时，首先需要捕获GPS卫星信号，并根据捕获到的卫星信号进行定位计算，从而得到用户所处的位置信息，也叫定位信息，并将该定位信息通过中央处理模块提供给无线通信模块，由无线通信模块将该定位信息发送给预定的接收端。其中，根据GPS卫星信号进行定位的具体过程可参照常规的定位方式进行，此处不再赘述。另外，由于定位计算是一种非常复杂的计算，所以GPS定位模块进行定位计算时需要耗费大量的电能，因此，本发明中优选地可以采用一种云GPS技术，将复杂的计算任务交由大型云端服务器处理，从而减少GPS定位模块的计算量，节约电能。

无线通信模块除了用于将上述定位信息发送给预定的接收端之外，还可以同时向预定的接收端发送报警信号，以便引起注意。其中，预定的接收端可以是该定位鞋用户的亲友的手机，或者，也可以是派出所的电话等，为此，需要事先将亲友的手机号或派出所的电话号码存储在无线通信模块4中。另外，还可以是紧急呼叫号码对应的接收端，例如，无线通信模块4将呼叫110等紧急号码，并自动转接到最近的110服务台。而且，为了确保用户能够及时得到救援，该预定的接收端可以是多个，例如，可以分别向多个亲友发送定位信息。其中，定位信息的传送形式可以根据需要灵活设置，例如，可以通过短消息进行传送，也可以通过语音进行传送，还可以同时通过短消息和语音进行传送。

上述的无线通信模块可以包括GSM收发器、Wi-Fi收发器、WCDMA收发器和GPRS收发器中的一种或多种。当无线通信模块包括上述收发器中的多种时，可以根据使用环境的具体情况来选择一种合适的收发器进行使用。下面以无线通信模块为GSM收发器为例进行介绍。当无线通信模块为GSM收发器时，该GSM收发器即为GSM系统中的移动台，除了移动台之外，GSM系统还需要包括基站子系统和网络子系统，以便于完成移动台与其他通信设备（例如亲友的手机）之间的通信，关于基站子系统和网络子系统的具体构成属于本领域技术人员的公知常识，此处不再赘述。

本发明实施例中，通过纳米摩擦发电机为定位鞋供电，以实现定位功能。由于纳米摩擦发电机能够将机械能转换为电能，从而实现自给供电，无需电池或外接电源，因而避免了电源耗尽时不能及时供电的问题。而且，由于无线通信模块可以主动接收亲友发来的定位控制信号，因而当用户因意外情况无法主动进行定位时，外界也可以联系到该定位鞋的用户，从而进行营救。

在上述实施例中，纳米摩擦发电机是核心部件，正是由于纳米摩擦发电机的自发电功能，才使定位鞋得以实现自供电。下面具体介绍一下其中的纳米摩擦发电机的结构和工作原理。

纳米摩擦发电机的第一种结构如图3a和图3b所示。图3a和图3b分别示出了纳米摩擦发电机的第一种结构的立体结构示意图和剖面结构示意图。该纳米摩擦发电机包括：依次层叠设置的第一电极111，第一高分子聚合物绝缘层112，以及第二电极113。具体地，所述第一电极111设置在第一高分子聚合物绝缘层112的第一侧表面上；且所述第一高分子聚合物绝缘层112的第二侧表面与第二电极113的表面接触摩擦并在第二电极和第一电极处感应出电荷。因此，上述的第一电极和第二电极也可以分别称作纳米摩擦发电机的第一输出端和第二输出端。

为了提高纳米摩擦发电机的发电能力，在第一高分子聚合物绝缘层112的第二侧表面（即相对第二电极113的面上）可以进一步设置微纳结构120。因此，当纳米摩擦发电机受到挤压时，所述第一高分子聚合物绝缘层112与第二电极113的相对表面能够更好地接触摩擦，并在第一电极111和第二电极113处感应出较多的电荷。由于上述的第二电极主要用于与第一高分子聚合物绝缘层摩擦，因此，第二电极也可以称之为摩擦电极。

上述的微纳结构120具体可以采取如下两种可能的实现方式：第一种方式为，该微纳结构是微米级或纳米级的非常小的凹凸结构。该凹凸结构能够增加摩擦阻力，提高发电效率。所述凹凸结构能够在薄膜制备时直接形成，也能够用打磨的方法使第一高分子聚合物绝缘层的表面形成不规则的凹凸结构。具体地，该凹凸结构可以是半圆形、条纹状、立方体型、四棱锥型、或圆柱形等形状的凹凸结构。第二种方式为，该微纳结构是纳米级孔状结构，此时第一高分子聚合物绝缘层所用材料优选为聚偏氟乙烯（PVDF），其厚度为0.5-1.2mm（优选1.0mm），且其相对第二电极的面上设有多个纳米孔。其中，每个纳米孔的尺寸，即宽度和深度，可以根据应用的需要进行选择，优选的纳米孔的尺寸为：宽度为10-100nm以及深度为4-50μm。纳米孔的数量可以根据需要的输出电流值和电压值进行调整，优选的这些纳米孔是孔间距为2-30μm的均匀分布，更优选的平均孔间距为9μm的均匀分布。

下面具体介绍一下上述的纳米摩擦发电机的工作原理。当该纳米摩擦发电机的各层向下弯曲时，纳米摩擦发电机中的第二电极与第一高分子聚合物绝缘层表面相互摩擦产生静电荷，静电荷的产生会使第一电极和第二电极之间的电容发生改变，从而导致第一电极和第二电极之间出现电势差，因而自由电子将通过第一电极和第二电极分别由电势低的一侧流向电势高的一侧，从而在外电路中形成电流。另外，当该纳米摩擦发电机的各层恢复到原来状态时，这时形成在第一电极和第二电极之间的内电势消失，此时已平衡的第一电极和第二电极之间将再次产生反向的电势差，则自由电子通过外电路形成反向电流。通过反复摩擦和恢复，就可以在外电路中形成周期性的交流电信号。

根据发明人的研究发现，金属与高分子聚合物摩擦，金属更易失去电子，因此采用金属电极与高分子聚合物摩擦能够提高能量输出。相应地，在图3a和图3b所示的纳米发电机中，第二电极由于需要作为摩擦电极（即金属）与第一高分子聚合物绝缘层进行摩擦，因此其材料可以选自金属或合金，其中金属可以是金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、硒、铁、锰、钼、钨或钒；合金可以是铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金。第一电极由于不需要进行摩擦，因此，除了可以选用上述罗列的第二电极的材料之外，其他能够制作电极的材料也可以应用，也就是说，第一电极除了可以选自金属或合金，其中金属可以是金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、硒、铁、锰、钼、钨或钒；合金可以是铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金之外，还可以选自铟锡氧化物、石墨烯、银纳米线膜等非金属材料。

由此可见，图3a和图3b所示的纳米发电机主要通过金属（第二电极）与聚合物（第一高分子聚合物绝缘层）之间的摩擦来产生电信号，主要利用了金属容易失去电子的特性，使第二电极与第一高分子聚合物绝缘层之间形成感应电场，从而产生电压或电流。

纳米摩擦发电机的第二种结构如图4a和图4b所示。图4a和图4b分别示出了纳米摩擦发电机的第二种结构的立体结构示意图和剖面结构示意图。该纳米摩擦发电机包括：依次层叠设置的第一电极111，第一高分子聚合物绝缘层112，第二高分子聚合物绝缘层114以及第二电极113。具体地，第一电极111设置在第一高分子聚合物绝缘层112的第一侧表面上；所述第二电极113设置在第二高分子聚合物绝缘层114的第一侧表面上；其中，所述第一高分子聚合物绝缘层112的第二侧表面与第二高分子聚合物绝缘层114的第二侧表面接触摩擦并在第一电极和第二电极处感应出电荷。其中，第一电极和第二电极也可以分别称作纳米摩擦发电机的第一输出端和第二输出端。

为了提高纳米摩擦发电机的发电能力，所述第一高分子聚合物绝缘层112和第二高分子聚合物绝缘层114相对设置的两个面中的至少一个面上设有微纳结构120。因此，当纳米摩擦发电机受到挤压时，所述第一高分子聚合物绝缘层112与第二高分子聚合物绝缘层114的相对表面能够更好地接触摩擦，并在第一电极111和第二电极113处感应出较多的电荷。上述的微纳结构可参照上文的描述，此处不再赘述。

图4a和图4b所示的纳米摩擦发电机的工作原理与图3a和图3b所示的纳米摩擦发电机的工作原理类似。区别仅在于，当图4a和图4b所示的纳米摩擦发电机的各层弯曲时，是由第一高分子聚合物绝缘层与第二高分子聚合物绝缘层的表面相互摩擦来产生静电荷的。因此，关于图4a和图4b所示的纳米摩擦发电机的工作原理此处不再赘述。

图4a和图4b所示的纳米摩擦发电机主要通过聚合物（第一高分子聚合物绝缘层）与聚合物（第二高分子聚合物绝缘层）之间的摩擦来产生电信号。

在图4a和图4b所示的结构中第一电极和第二电极所用材料可以是铟锡氧化物、石墨烯、银纳米线膜、金属或合金，其中金属可以是金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、硒、铁、锰、钼、钨或钒；合金可以是铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金。可以看出，由于在图4a和图4b所示的结构中，第二电极不需要作为摩擦电极，因此，第二电极也可以选取非金属材料实现。

在上述两种结构中，上述的第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层分别选自聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纤维（再生）海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基薄膜，甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚异丁烯薄膜、聚氨酯柔性海绵薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、甲醛苯酚薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯薄膜和聚乙烯丙二酚碳酸盐薄膜中的一种。其中，原则上第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层的材质可以相同，也可以不同。但是，如果两层高分子聚合物绝缘层的材质都相同，会导致摩擦起电的电荷量很小。因此优选地，第一高分子聚合物绝缘层与第二高分子聚合物绝缘层的材质不同。

除了上述两种结构外，纳米摩擦发电机还可以采用第三种结构实现，如图5a和图5b所示。图5a和图5b分别示出了纳米摩擦发电机的第三种结构的立体结构示意图和剖面结构示意图。从图中可以看出，第三种结构在第二种结构的基础上增加了一个居间薄膜层，即：第三种结构的纳米摩擦发电机包括依次层叠设置的第一电极111、第一高分子聚合物绝缘层112、居间薄膜层110、第二高分子聚合物绝缘层114以及第二电极113。具体地，所述第一电极设置在第一高分子聚合物绝缘层的第一侧表面上；所述第二电极设置在第二高分子聚合物绝缘层的第一侧表面上，且居间薄膜层设置在第一高分子聚合物绝缘层的第二侧表面和第二高分子聚合物绝缘层的第二侧表面之间。其中，所述居间薄膜层和第一高分子聚合物绝缘层相对设置的两个面中的至少一个面上设有微纳结构，和/或所述居间薄膜层和第二高分子聚合物绝缘层相对设置的两个面中的至少一个面上设有微纳结构，关于微纳结构的具体设置方式可参照上文描述，此处不再赘述。

优选地，居间薄膜层的第一侧表面设置在第二高分子聚合物绝缘层的第二侧表面上，且居间薄膜层的第二侧表面与第一高分子聚合物绝缘层的第二侧表面接触，此时，由于居间薄膜层与第二高分子聚合物绝缘层相对固定，因此，当该纳米发电机受到挤压时，所述第一高分子聚合物绝缘层的第二侧表面与居间薄膜层的第二侧表面接触摩擦并在第一电极和第二电极处感应出电荷。由此可见，所述第一电极和第二电极分别作为所述纳米发电机的两个输出端。

在图5a和图5b所示的纳米摩擦发电机中，居间薄膜层110的第一侧表面（即未设有微纳结构的一侧）是固定在第二高分子聚合物绝缘层114的第二侧表面上的，固定的方法可以是用一层薄的未固化的高分子聚合物绝缘层作为粘结层，经过固化后，居间薄膜层110将牢牢地固定于第二高分子聚合物绝缘层114上。居间薄膜层110设有微纳结构的一侧与第一高分子聚合物绝缘层112的第二侧表面接触。

图5a和图5b所示的纳米摩擦发电机的材质可以参照第二种结构的纳米摩擦发电机的材质进行选择。其中，居间薄膜层也可以选自透明高聚物聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)和液晶高分子聚合物（LCP）中的任意一种。其中，所述第一高分子聚合物绝缘层与第二高分子聚合物绝缘层的材料优选透明高聚物聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）；其中，所述居间薄膜层的材料优选聚二甲基硅氧烷（PDMS）。上述的第一高分子聚合物绝缘层、第二高分子聚合物绝缘层、居间薄膜层的材质可以相同，也可以不同。但是，如果三层高分子聚合物绝缘层的材质都相同，会导致摩擦起电的电荷量很小，因此，为了提高摩擦效果，居间薄膜层的材质不同于第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层，而第一高分子聚合物绝缘层与第二高分子聚合物绝缘层的材质则优选相同，这样，能减少材料种类，使本发明的制作更加方便。

在图5a和图5b所示的实现方式中，居间薄膜层110是一层聚合物膜，因此实质上与图4a和图4b所示的实现方式类似，仍然是通过聚合物（居间薄膜层10）和聚合物（第一高分子聚合物绝缘层）之间的摩擦来发电的。其中，居间薄膜容易制备且性能稳定。

另外，纳米摩擦发电机还可以采用第四种结构来实现，如图6a和图6b所示，包括:依次层叠设置的第一电极111，第一高分子聚合物绝缘层112，居间电极层180，第二高分子聚合物绝缘层114和第二电极113；其中，第一电极111设置在第一高分子聚合物绝缘层112的第一侧表面上；第二电极113设置在第二高分子聚合物绝缘层114的第一侧表面上，所述居间电极层180设置在第一高分子聚合物绝缘层112的第二侧表面与第二高分子聚合物绝缘层114的第二侧表面之间。其中，第一高分子聚合物绝缘层112相对居间电极层180的面和居间电极层180相对第一高分子聚合物绝缘层112的面中的至少一个面上设置有微纳结构（图未示）；第二高分子聚合物绝缘层114相对居间电极层180的面和居间电极层180相对第二高分子聚合物绝缘层114的面中的至少一个面上设置有微纳结构（图未示）。在这种方式中，通过居间电极层180与第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层之间摩擦产生静电荷，由此将在居间电极层180与第一电极和第二电极之间产生电势差，此时，第一电极和第二电极串联为纳米摩擦发电机的一个输出端；所述居间电极层为纳米摩擦发电机的另一个输出端。

在图6a和图6b所示的结构中，第一高分子聚合物绝缘层、第二高分子聚合物绝缘层、第一电极和第二电极的材质可以参照第二种结构的纳米发电机进行选择。居间电极层80可以选择导电薄膜、导电高分子、金属材料，金属材料包括纯金属和合金，纯金属选自金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、硒、铁、锰、钼、钨、钒等，合金可以选自轻合金（铝合金、钛合金、镁合金、铍合金等）、重有色合金（铜合金、锌合金、锰合金、镍合金等）、低熔点合金（铅、锡、镉、铋、铟、镓及其合金）、难熔合金（钨合金、钼合金、铌合金、钽合金等）。居间电极层80的厚度优选100μm-500μm，更优选200μm。

上面介绍的纳米发电机均为摩擦纳米发电机，在实际情况中，纳米发电机还可以是由压电材料（例如氧化锌纳米线）制成的压电纳米发电机。

另外，为了提高发电量，上述定位鞋中的纳米摩擦发电机可以进一步设置为多个纳米摩擦发电机。当纳米摩擦发电机的数量为多个时，多个纳米摩擦发电机可以串联也可以并联。其中，当纳米摩擦发电机并联时可提高电流的输出强度，而纳米摩擦发电机串联时可提高电压的输出大小，从而能够解决单个纳米摩擦发电机输出的电流或电压大小不能满足定位鞋需求的问题。为了同时获得上述优势，也可以考虑将一部分纳米摩擦发电机并联，将另一部分纳米摩擦发电机串联。

本发明的自供电定位鞋采用纳米摩擦发电机进行供电，只要使用者进行踩压摩擦就能产生电量为定位鞋供电，这不仅解决了电池电量用完后不能进行供电的问题，也省却了更换电池或给充电电池充电所带来的麻烦，极大的节约了资源。另外，本发明的自供电定位鞋由于具有无线接收功能，从而可以远端控制定位鞋开启GPS定位功能，所以可以更好地实现远端控制。

另外，在本发明中，可以将定位鞋中的电源模块、中央处理模块、GPS定位模块以及无线通信模块均设置在鞋底内部，使得自供电定位鞋与普通鞋从外表上看没有差别，从而实现良好的隐蔽性，其中暗藏的GPS定位模块能够在不被人察觉的前提下完成定位和报警功能。

本领域技术人员可以理解，虽然上述说明中，为便于理解，对方法的步骤采用了顺序性描述，但是应当指出，对于上述步骤的顺序并不作严格限制。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，如：ROM/RAM、磁碟、光盘等。

还可以理解的是，附图或实施例中所示的装置结构仅仅是示意性的，表示逻辑结构。其中作为分离部件显示的模块可能是或者可能不是物理上分开的，作为模块显示的部件可能是或者可能不是物理模块。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (12)

1.一种自供电定位鞋，包括鞋体，其特征在于，所述鞋体内进一步包括：电源模块，中央处理模块，GPS定位模块以及无线通信模块，其中，

所述电源模块与所述中央处理模块相连，用于为所述中央处理模块供电，其中，所述电源模块进一步包括纳米摩擦发电机和储能装置，所述纳米摩擦发电机用于将机械能转换为电能，所述储能装置用于对所述电能进行存储；

所述中央处理模块与所述GPS定位模块和所述无线通信模块分别相连，用于控制所述GPS定位模块进行定位，并将所述GPS定位模块产生的定位信息提供给所述无线通信模块，由所述无线通信模块将所述定位信息发送给预定的接收端；

其中，所述纳米摩擦发电机包括：依次层叠设置的第一电极，第一高分子聚合物绝缘层，以及第二电极；其中，所述第一电极设置在所述第一高分子聚合物绝缘层的第一侧表面上；所述第一高分子聚合物绝缘层的第二侧表面朝向所述第二电极设置，并且，所述第一高分子聚合物绝缘层的第二侧表面与所述第二电极的表面接触摩擦，所述第一电极和第二电极分别为所述纳米摩擦发电机的第一输出端和第二输出端；其中，所述第一高分子聚合物绝缘层朝向第二电极的面上设有多个纳米孔，每个纳米孔的宽度为10-100nm、深度为4-50μm；

并且，所述储能装置包括：整流电路模块，与纳米摩擦发电机的输出端相连，用于将所述纳米摩擦发电机输出的电信号进行整流处理；滤波电路模块，与所述整流电路模块相连，用于将所述整流电路模块输出的单向脉动直流电进行滤波处理而得到直流电信号；储能元件，与所述滤波电路模块相连，用于对所述滤波电路模块输出的直流电信号进行存储；其中，所述储能元件为超级电容器，且所述储能装置还包括：充电控制模块和开关/变压模块；其中，所述充电控制模块与滤波电路模块连接，接收所述滤波电路模块输出的直流电信号；所述充电控制模块与所述超级电容器连接，接收所述超级电容器反馈的充电电压；所述充电控制模块与所述开关/变压模块连接，所述充电控制模块根据所述直流电信号和所述充电电压得到控制信号，向所述开关/变压模块输出所述控制信号；所述开关/变压模块与所述滤波电路模块连接，接收滤波电路模块输出的直流电信号；所述开关/变压模块与所述超级电容器连接，所述开关/变压模块根据接收的控制信号进行开关切换和对所述滤波电路模块输出的直流电信号进行变压处理后输出给所述超级电容器。

2.如权利要求1所述的自供电定位鞋，其特征在于，进一步包括：

报警开关，其设置在所述鞋体上，且与所述中央处理模块相连，用于触发所述中央处理模块，则所述中央处理模块用于在接收到所述报警开关的触发时控制所述GPS定位模块进行定位。

3.如权利要求2所述的自供电定位鞋，其特征在于，所述报警开关包括以下类型中的一种或多种：弹簧开关、按钮开关、震动开关和声控开关。

4.如权利要求1所述的自供电定位鞋，其特征在于，所述无线通信模块进一步用于接收来自外部设备的定位控制信号，并将所述定位控制信号发送给中央处理模块，则所述中央处理模块用于在接收到所述定位控制信号时控制所述GPS定位模块进行定位。

5.如权利要求1所述的自供电定位鞋，其特征在于，所述无线通信模块包括GSM收发器、Wi-Fi收发器、WCDMA收发器、GPRS收发器中的一个或多个。

6.如权利要求1所述的自供电定位鞋，其特征在于，所述储能装置还包括：发电机控制模块；

所述发电机控制模块与所述超级电容器连接，接收所述超级电容器反馈的充电电压；

所述发电机控制模块与所述纳米摩擦发电机连接，所述发电机控制模块根据所述充电电压向所述纳米摩擦发电机输出停止发电的信号。

7.一种自供电定位鞋，包括鞋体，其特征在于，所述鞋体内进一步包括：电源模块，中央处理模块，GPS定位模块以及无线通信模块，其中，

所述电源模块与所述中央处理模块相连，用于为所述中央处理模块供电，其中，所述电源模块进一步包括纳米摩擦发电机和储能装置，所述纳米摩擦发电机用于将机械能转换为电能，所述储能装置用于对所述电能进行存储；

所述中央处理模块与所述GPS定位模块和所述无线通信模块分别相连，用于控制所述GPS定位模块进行定位，并将所述GPS定位模块产生的定位信息提供给所述无线通信模块，由所述无线通信模块将所述定位信息发送给预定的接收端；

其中，所述纳米摩擦发电机包括：依次层叠设置的第一电极，第一高分子聚合物绝缘层，居间电极层，第二高分子聚合物绝缘层以及第二电极；其中，所述第一电极设置在所述第一高分子聚合物绝缘层的第一侧表面上；所述第二电极设置在所述第二高分子聚合物绝缘层的第一侧表面上，所述居间电极层设置在所述第一高分子聚合物绝缘层的第二侧表面与所述第二高分子聚合物绝缘层的第二侧表面之间，且所述第一高分子聚合物绝缘层相对所述居间电极层的面上和/或所述第二高分子聚合物绝缘层相对所述居间电极层的面上设有微纳结构，所述第一电极和第二电极串联为所述纳米摩擦发电机的第一输出端，所述居间电极层为所述纳米摩擦发电机的第二输出端；其中，所述第一高分子聚合物绝缘层朝向第二电极的面上设有多个纳米孔，每个纳米孔的宽度为10-100nm、深度为4-50μm；

并且，所述储能装置包括：整流电路模块，与纳米摩擦发电机的输出端相连，用于将所述纳米摩擦发电机输出的电信号进行整流处理；滤波电路模块，与所述整流电路模块相连，用于将所述整流电路模块输出的单向脉动直流电进行滤波处理而得到直流电信号；储能元件，与所述滤波电路模块相连，用于对所述滤波电路模块输出的直流电信号进行存储；其中，所述储能元件为超级电容器，且所述储能装置还包括：充电控制模块和开关/变压模块；其中，所述充电控制模块与滤波电路模块连接，接收所述滤波电路模块输出的直流电信号；所述充电控制模块与所述超级电容器连接，接收所述超级电容器反馈的充电电压；所述充电控制模块与所述开关/变压模块连接，所述充电控制模块根据所述直流电信号和所述充电电压得到控制信号，向所述开关/变压模块输出所述控制信号；所述开关/变压模块与所述滤波电路模块连接，接收滤波电路模块输出的直流电信号；所述开关/变压模块与所述超级电容器连接，所述开关/变压模块根据接收的控制信号进行开关切换和对所述滤波电路模块输出的直流电信号进行变压处理后输出给所述超级电容器。

8.如权利要求7所述的自供电定位鞋，其特征在于，进一步包括：

报警开关，其设置在所述鞋体上，且与所述中央处理模块相连，用于触发所述中央处理模块，则所述中央处理模块用于在接收到所述报警开关的触发时控制所述GPS定位模块进行定位。

9.如权利要求8所述的自供电定位鞋，其特征在于，所述报警开关包括以下类型中的一种或多种：弹簧开关、按钮开关、震动开关和声控开关。

10.如权利要求7所述的自供电定位鞋，其特征在于，所述无线通信模块进一步用于接收来自外部设备的定位控制信号，并将所述定位控制信号发送给中央处理模块，则所述中央处理模块用于在接收到所述定位控制信号时控制所述GPS定位模块进行定位。

11.如权利要求7所述的自供电定位鞋，其特征在于，所述无线通信模块包括GSM收发器、Wi-Fi收发器、WCDMA收发器、GPRS收发器中的一个或多个。

12.如权利要求7所述的自供电定位鞋，其特征在于，所述储能装置还包括：发电机控制模块；

所述发电机控制模块与所述超级电容器连接，接收所述超级电容器反馈的充电电压；

所述发电机控制模块与所述纳米摩擦发电机连接，所述发电机控制模块根据所述充电电压向所述纳米摩擦发电机输出停止发电的信号。