CN110477519A - 基于摩擦发电的定位鞋垫装置 - Google Patents

Abstract

一种基于摩擦发电的定位鞋垫装置，属于摩擦发电领域。技术方案：包括：纳米芯片引脚图、GPS模块、GPRS模块、单片机、超级电容储能模块，所述单片机分别与所述纳米芯片引脚图、GPS模块、GPRS模块、超级电容储能模块连接，所述纳米芯片引脚图分别与所述GPS模块、GPRS模块、超级电容储能模块连接，所述超级电容储能模块分别与所述GPS模块和GPRS模块连接；所述纳米芯片引脚图包括：电极层、摩擦层、弹簧，所述电极层和摩擦层通过弹簧连接。有益效果:本发明经过摩擦产生电能为GPS模块和GPRS模块供电，作为一种自供电的定位装置的结构，可以利用摩擦产生的电能为定位系统供电，解决了在没有供电设备的情况下进行定位的技术问题，并且设计的新装置结构轻巧便捷。

Description

基于摩擦发电的定位鞋垫装置

技术领域

本发明属于摩擦发电领域，尤其涉及一种利用摩擦发电进行GPS定位的智能鞋垫。

背景技术

近年来智能穿戴设备在不断地发展和演进，在大趋势的发展前提下涌现出了大量的实用化的可穿戴设备。如儿童类可通话定位手表、运动检测及提醒设备、睡眠监测及改善设备，甚至还有通过人体的大量数据采集分析，想要在健康领域为人们提供可靠地信息。以苹果智能手表和小米智能手环为代表，如今整个智能可穿戴设备产业正在逐渐回归理性，实用、时尚并且有很多的连接功能。

随着社会发展，人们生活水平的不断提高，很多家庭都是独生子女，对于孩子的爱护程度也越来越全方位。出门在外，孩子的安全比什么都重要，除了食品安全以外，还有诸如出行安全，消防安全等。我们的孩子在去商场、超市、公园等大型娱乐场所的时候，很容易跑丢，可能就是一转眼的功夫，孩子就消失在了你的眼前，而人海茫茫，让你很难去寻找到孩子的踪迹。现如今阿兹海默症患者越来越多，很多老人和失智人群的安全也需要利用一些科技装置来获得位置。但电话或者手表难免在出门之时遗忘携带，等到需要获取位置的时候却不知所措。

传统防走失手环和GPS定位手表等装置在制作费用，携带方面，供电方面都存在不少弊端，这也是本次产品与其他GPS定位装置的不同之处。

防走失手环仅仅是依据物理牵引把两个人的手腕进行拉制，并不能独立进行定位，一旦儿童老人等独自外出，踪迹根本无处可寻。GPS定位手表在独立定位方面确实值得借鉴，但它的制作费用非常可观，无论在造价还是售卖价格都不是平民化的产品。而且定位手表还需要进行电池的供电，要按时充电这个问题就不是十分方便快捷，在佩戴方面也是需要儿童和老人都想起才能携带，而摩擦发电GPS智能鞋垫却是人人出门穿鞋必要的物品，保证了在人群在遗忘的状态下仍能寻到踪迹。这种鞋垫不仅能保证随身穿戴，更是不需要供电设备，它利用脚踩踏产生的摩擦进行发电从而实现GPS的定位设置，这不仅仅对需要的人群是一种福利，对于当今污染物过多造成环境质量较差的现在也是一种保护，避免了不必要的环境污染物的排放，尤其是电池这种供电设备的储存和回收。

综上，摩擦发电GPS定位智能鞋垫是一种针对儿童，老人，失智人群踪迹的产品，对当今社会的科技发展和与人方便有着重要的意义。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种摩擦发电定位智能鞋垫，该智能鞋垫利用摩擦产生的电能为定位系统供电，解决了在没有供电设备的情况下进行定位的技术问题。

技术方案如下：

一种摩擦发电定位智能鞋垫，包括：纳米摩擦发电机、GPS模块、GPRS模块、单片机、超级电容储能模块，所述单片机分别与所述纳米摩擦发电机、GPS模块、GPRS模块、超级电容储能模块连接，所述纳米摩擦发电机分别与所述GPS模块、GPRS模块、超级电容储能模块连接，所述超级电容储能模块分别与所述GPS模块和GPRS模块连接；所述纳米摩擦发电机包括：电极层、摩擦层、弹簧，所述电极层和摩擦层通过弹簧连接。

进一步的，所述电极层为铝箔纸层，所述摩擦层为聚二甲基硅氧烷层。

进一步的，所述GPS模块的型号为SKG08A。

进一步的，所述GPRS模块的型号为Q2403A。

进一步的，所述单片机的型号为PIC18F2550。

进一步的，还包括蜂鸣器，所述蜂鸣器与所述单片机连接。

进一步的，所述纳米摩擦发电机经由电源转换电路与所述单片机连接，所述电源转换电路包括整流模块和滤波模块，所述整流模块与所述滤波模块连接；所述整流模块是MB6S，包括四个两两对接的二极管；所述滤波模块包括运算放大器和RC元件，所述运算放大器为LM318。

进一步的，所述聚二甲基硅氧烷层的制备方法步骤如下：

S1、用电子秤称量出配比为10:1的聚二甲基硅氧烷和凝固剂；

S2、将称量好的聚二甲基硅氧烷和凝固剂放在器皿里搅拌10分钟；

S3、把混合溶液均匀地涂抹在碟片上；

S4、将碟片的培养皿放入烘箱中，调节烘箱温度为恒温50度，放置四个小时，将培养皿取出，得到聚二甲基硅氧烷层。

本发明的有益效果是：

本发明所述的摩擦发电定位智能鞋垫经过摩擦产生电能为GPS模块和GPRS模块供电，核心装置要求安装紧密，作为一种自供电的定位装置的结构，可以利用摩擦产生的电能为定位系统供电，解决了在没有供电设备的情况下进行定位的技术问题，比有供电设备的定位系统方便的很多。并且设计的新装置结构轻巧便捷，解决了传统的电磁感应发电机的波浪能能量收集设备一般体积大、重量沉的问题。利用摩擦发电，采用摩擦式这种机械能收集形式来收集电量，结构新颖、设备结构简单，具有精准的定位功能，成本较低。

附图说明

图1是本发明结构框图；

图2是本发明GPS模块芯片引脚图；

图3是本发明摩擦发电定位智能鞋垫结构示意图；

图4是本发明摩擦装置制备工艺流程图；

图5本发明纳米摩擦发电与电池及储能连接示意图；

图6本发明GPS模块和GPRS模块软件流程图。

具体实施方式

下面结合附图1-6对摩擦发电定位智能鞋垫做进一步说明。

实施例1

一种摩擦发电定位智能鞋垫，包括纳米摩擦发电机、GPS模块、GPRS模块，所述的纳米摩擦发电机是在地震发生时由于地面晃动使得其部件之间摩擦产生电流为GPS模块和GPRS模块供电，电荷被导线导出并且提供电给传输功能的GPRS模块和定位功能的GPS模块，这样可以完成这个流程的供电问题。

本申请的摩擦发电GPS定位智能鞋垫，具备功能性和实用性，并且实现起来非常容易，操作也非常简单。因为鞋垫需要满足强大精准的GPS定位和优秀的续航能力。在深入了解了发明方案需求之后，选择了适用于本次产品方案的高性能、超低功耗智能穿戴GPS模块：SKG08A。SKG08A是一款完整的GPS模块，采用MT3339芯片，具有高灵敏度、低功耗、小型化、其极高追踪灵敏度大大扩大了其定位的覆盖面，在普通GPS接收模块不能定位的地方，如狭窄都市天空下、密集的丛林环境，可以说在任何位置SKG09A都能高精度定位。在选用GPRS传输装置中选用了Q2403A型号，因为需要有一个单片机对GPS和GPRS进行控制，在考虑了体积大小，实用性能等条件选择了PIC低功耗单片机PIC18F2550，PIC单片机最大的特点是不搞纯粹的功能堆积，而是从实际出发，重视产品的性能与价格比，靠发展多种型号来满足不同层次的应用要求。由于是根据摩擦起电的方式，电流的续航能力不用担心，只不过怎样将产生的电流让它形成稳定可用的电流是一个问题，在系统中加入一个整流电路。

本发明在控制方面利用PIC系列单片机，GPRS传输模块，还在鞋垫中接入高性能、超低功耗智能穿戴GPS模块，通过单片机对GPS和GPRS的控制，在需要知道位置的情况下快速定位并将纬度精度传输到手机中，同时监控者只需在手机上安装客户端软件，便可以通过该软件，家人能实时监控其位置信息。本发明的创新点在于摩擦发电的供电部分，它是一种类似于风力发电的绿色环保能源，不像其他产品中需要对电池不断进行充电。而与GPS定位模块的结合，很好的解决了市场需求，在功能上也是十分现实。

为了孩子和老人等需要人群的人身安全，本发明利用摩擦发电进行GPS定位防走失鞋垫就是这样一款产品。将GPS定位装置安装在人人都会穿的日常鞋垫中，等到需要定位的时候拿出手机app进行操控，即可快速查询到所在人的具体位置。

防走失鞋垫内设有GPS特殊装置，与太空上的卫星保持联系，卫星可以随时把这方面的信息传输到手机内，所以无论身处在天涯海角，都能体验到卫星的精确定位功能。如今孩子们的人身安全成为父母的心头之患，随时随地知道孩子的位置和动向成了无数爱子心切家长的心愿。这种智能鞋垫，应用了GPS卫星定位与GPRS无线网络定位的双重定位功能。在GPS卫星信号不佳的地区，只要有稳定的移动网络信号，我们同样能准确掌握孩子和老人所处的地理位置。”这种利用摩擦发电装置进行GPS定位的鞋垫，不仅造型新颖，携带方便，而且不易丢失。可以通过手机上网、电脑上网等多种形式随时查询位置，很好的保护了老人、小孩等弱势群体的安全。

实施例2

本发明主要分为供电部分和控制部分两个重要环节。

一种摩擦发电定位智能鞋垫，包括：纳米摩擦发电机、GPS模块、GPRS模块、单片机、超级电容储能模块，所述单片机分别与所述纳米摩擦发电机、GPS模块、GPRS模块、超级电容储能模块连接，所述纳米摩擦发电机分别与所述GPS模块、GPRS模块、超级电容储能模块连接，所述超级电容储能模块分别与所述GPS模块和GPRS模块连接；所述纳米摩擦发电机包括：电极层、摩擦层、弹簧，所述电极层和摩擦层通过弹簧连接。

进一步的，所述电极层为铝箔纸层，所述摩擦层为聚二甲基硅氧烷层。

以最简单的设计为例来介绍摩擦发电的这个格式，在这个结构中，两个不同材料的介电薄膜面对面堆叠，他们各自的被表面镀有金属电极。这两个介电薄膜相互接触，会在接触表面形成符号相反的金属电荷。当着两个电极由于外界作用分离时，弹簧会将两个电极板分开，中间将会形成一个小的空气间隙，在两个电极的表面将形成电势差，如果两个电极通过负载连接起来时，将会形成电流。这样就将机械能转化成电能。在供电部分中由上述实验步骤中所作的摩擦层等材料，利用人体走路时脚掌与地面产生的摩擦接触，通过弹簧的弹开可以避免鞋垫在摩擦中进行粘合的问题，令摩擦层不断接触从而导出电流，经过铜丝等导电材料将电流输入到超级电容和电池中，利于向控制部分发电和对电能的储存。

由于摩擦发电产生的电流是交流电，所以用到整流电路，滤波电路。整流电路是由四个二极管构成的整流桥，将交流电变为脉动直流电。滤波电路由电容构成，是将脉动直流电变为比较平滑的直流电。如果得到的直流电不稳定，稳压电路由芯片LM317A，二极管，电阻，电容构成，能够得到稳定的直流电。所以摩擦发电中产生的交流电通过整流滤波稳压使交流电变为稳定的直流电，将直流电导入超级电容储能装置和化学电池中为控制部分进行供电。由于利用摩擦进行发电这个环节就省去了大部分产品更换电池的时间，也无须向电池和储能进行单独供电，利用人体自然走路过程中产生的摩擦进行发电，这无疑是一种绿色能源的使用。而本次发明中所应用的超级电容是一种储能装置，也称为电化学电容。它既具有静电电容器的高放电功率优势又像电池一样具有较大电荷储存能力。

在供电部分中最重要的环节就是摩擦层发电部分。

摩擦层的实验具体步骤如下：

第一步是用电子秤称量出配比为10:1的PDMS(PDMS:英文名：polydimethylsiloxane中文名：聚二甲基硅氧烷)

和凝固剂，通常剂量会选择10克PDMS和1克凝固剂。第二步是将称量好的PDMS和凝固剂放在器皿里搅拌大约10分钟。

第三步是准备干净的培养皿，选择大小合适的碟片，进行银镜反应，即：把经过10分钟搅拌的10:1混合溶液均匀的涂抹在碟片上，在此过程中特别需要注意的是，覆盖的液体不宜厚度过大，要覆盖均匀，尤其避免在碟片上产生大大小小的气泡，否则将影响摩擦层的制备。

第四步是将盛有涂抹过溶液的碟片的培养皿放入烘箱中，调节烘箱温度为恒温50度，放置四个小时，将培养皿取出，会得到像果冻胶一样的摩擦层。至此，摩擦层的制备也就完成。

整个摩擦发电装置的制备组装较为简单，也就意味着投入应用时的成本会比较低。准备两条铜丝，用砂纸将两条铜丝的两端进行打磨，使得铜丝的两端磨变色。

然后准备两个3cm*3cm的亚克力板，kapton双面胶，一定面积的锡纸，将这些材料进行组装。把亚克力板放在kapton双面胶上，双面胶包裹着亚克力板但未完全包裹，留有一定的空隙，将包裹着kapton双面胶的亚克力板放在锡纸上，把锡纸压着双面胶进行覆盖，然后紧紧按压，使锡纸与双面胶进行黏合，黏合之前，将打磨好的铜丝放在锡纸与kapton双面胶之间，把刚才做好的亚克力板再包一层kapton双面胶，使用同等的方式制备另一块亚克力板，但与上一块不同的是，这次只是包裹一面，不进行包裹。

下一步把制备出的PDMS放在刚才做好的亚克力板的双面胶上，为了不短路，沿着修剪的时候，要稍微留出来一点。

剪取合适长度的kapton双面胶，将两端进行重叠并且按压粘合，做出一个类似于轮胎样式的椭圆形，将上述过程中制作的两块亚克力板进行上下粘合，覆有PDMS的那一面要面朝另一块亚克力板，由此，整个摩擦发电的装置就完成了。

最后为了测试整个装置的发电效果，需要配备一个数字源表，由于是纳米摩擦发电，产生的电量比较低，需要选择原表量程，为微安级别。在电流测试中选取多个采样位置，经过测试，摩擦时确有电流通过。

在控制方面，供电部分中的电池向PIC单片机和GPS，GPRS传输装置进行供电，单片机经过初始化等设置输入相应程序，对GPS和GPRS进行控制，在连接方面，GPRS模块上应该有四个引脚输出，分别是VCC、RXD、TXD和GND。RXD连接到单片机的TXD上，TXD连接到单片机的RXD，此处要共地。SIM卡有对数据存储的功能,有六个基本引脚，VCC,GND,RST,CLK,VPP,DATA。GPRS装置(Q2403A)与SIM卡(此处用SIM8PINS)相连接时，VCC与CC4相连，SIMPRES与CC8相连，其余引脚一一连接，GPRS装置的引脚CLK连接SIM卡引脚CLK等，就可以实现对数据的存储功能。GPS模块主要有四条线，一条是VCC、一条是地线，另外两条是输入输出线，而其余引脚在不需要的时候关闭即可，V_BCKP连接电池，TXD与单片机上RXD相连接。由此单片机和GPS模块，GPRS模块的连接就完成了。

当我们需要知道位置的时候操纵手机等设备可以控制GPS进行卫星定位，对所在位置的经度和纬度进行接收，再通过GPRS模块传送到外界，此时的手机app中就可以显示所在人的具体位置，方便又快捷。

本次发明所针对的人群为容易走失的儿童和老人，但在一定条件下也可用于防狼装备和军事工具。如果在鞋垫中加入一个蜂鸣器，当遇到危险或者走失的情况下，对单片机进行编程启动控制蜂鸣器的开关和GPS的定位，就可以对穿戴这种鞋垫的人造成一种无形的人身安全保护。在军事领域上，特种兵穿戴上这种智能鞋垫，可以随时随地进行位置定位，免去了手持GPS定位等一系列设备的繁琐和时间，在必要情况下，可以对鞋垫进行拆除，只保留供电部分，在没有化学电能的情况下，能够利用摩擦产生的绿色电能对电池的供电使用需要电的设备。如果在鞋垫中加入电阻丝和温度传感器，利用摩擦发电产生的电流通过电阻丝进行发热，温度传感器感应温度，当达到一定温度时便不再发热，在寒冷的冬天，人们穿戴上这种智能鞋垫就不再冻脚，可以自动产热。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种摩擦发电定位智能鞋垫，其特征在于，包括：纳米摩擦发电机、GPS模块、GPRS模块、单片机、超级电容储能模块，所述单片机分别与所述纳米摩擦发电机、GPS模块、GPRS模块、超级电容储能模块连接，所述纳米摩擦发电机分别与所述GPS模块、GPRS模块、超级电容储能模块连接，所述超级电容储能模块分别与所述GPS模块和GPRS模块连接；所述纳米摩擦发电机包括：电极层、摩擦层、弹簧，所述电极层和摩擦层通过弹簧连接。

2.如权利要求1所述的摩擦发电定位智能鞋垫，其特征在于，所述电极层为铝箔纸层，所述摩擦层为聚二甲基硅氧烷层。

3.如权利要求1所述的摩擦发电定位智能鞋垫，其特征在于，所述GPS模块的型号为SKG08A。

4.如权利要求1所述的摩擦发电定位智能鞋垫，其特征在于，所述GPRS模块的型号为Q2403A。

5.如权利要求1所述的摩擦发电定位智能鞋垫，其特征在于，所述单片机的型号为PIC18F2550。

6.如权利要求1所述的摩擦发电定位智能鞋垫，其特征在于，还包括蜂鸣器，所述蜂鸣器与所述单片机连接。

7.如权利要求1所述的摩擦发电定位智能鞋垫，其特征在于，所述纳米摩擦发电机经由电源转换电路与所述单片机连接，所述电源转换电路包括整流模块和滤波模块，所述整流模块与所述滤波模块连接；所述整流模块是MB6S，包括四个两两对接的二极管；所述滤波模块包括运算放大器和RC元件，所述运算放大器为LM318。

8.如权利要求2所述的摩擦发电定位智能鞋垫，其特征在于，所述聚二甲基硅氧烷层的制备方法步骤如下：

S1、用电子秤称量出配比为10:1的聚二甲基硅氧烷和凝固剂；

S2、将称量好的聚二甲基硅氧烷和凝固剂放在器皿里搅拌10分钟；

S3、把混合溶液均匀地涂抹在碟片上；

S4、将碟片的培养皿放入烘箱中，调节烘箱温度为恒温50度，放置四个小时，将培养皿取出，得到聚二甲基硅氧烷层。