基于藍牙4.0無線數據通信的智能冬暖鞋

趙君偉

（北京科技大學，北京 100083）

基于藍牙4.0無線數據通信的智能冬暖鞋

趙君偉

（北京科技大學，北京 100083）

編者按：2015年9月20日，首屆“薩馳杯”智能科技創新大賽決賽在蘇州大學敬賢堂成功舉辦。大賽由薩馳華辰機械（蘇州）有限公司主辦，中國石油和化工勘察設計協會橡膠塑料設計專業委員會、中國橡膠工業協會機械模具分會、《橡塑技術與裝備》雜志社、上海交通大學機械與動力工程學院、哈爾濱工業大學機電工程學院、東南大學機電工程學院、蘇州大學機電工程學院、青島科技大學、西門子工廠自動化工程有限公司及羅克韋爾自動化（中國）有限公司共同協辦。

為共同促進我國科技教育多元化，實現中國制造2025的中長期目標提供有力的支持，促進企業文化活躍橡塑行業科技文化事業發展。本刊將分期連續選登參賽作品，以供業內人士全方位、寬領域了解科技發展動態。

壓電陶瓷是一種新型材料，當受到外力擠壓時，可以產生電壓。利用這種特性，可以將壓電陶瓷安置在鞋子當中，把人們行走過程中的機械能轉化為電能，并通過電能加熱鞋子內的電熱絲，實現暖鞋的功效。同時，隨著藍牙技術的推廣，其應用范圍也在不斷擴大。將藍牙通訊技術運用在智能冬暖鞋之中，人們便可以通過手機實現對鞋子的控制，極大的方便人們的生活。

壓電陶瓷；藍牙通訊技術；冬暖鞋

1 項目背景

1.1 身體健康

現如今，人人都倡導健康生活的理念，都希望擁有健康的身體，很多人每天都給自己設定一個運動目標，比如每天至少要走多少步，計步也逐漸流行起來。腳是人類的“第二心臟”，雙腳的保暖則是身體健康的重要保證之一。然而在寒冷的秋冬季節，人們尤其是中老年人的雙腳通常非常冰冷；此外腳是人類的重要器官，有多個穴位，按摩則可以促進腳部的血液循環以及人的新陳代謝。設想如果有一雙鞋子，可以自動加熱和保暖并自帶按摩功能，隨時隨地實現足底按摩，必將使人們擁有更加健康的身體。

1.2 環保節能

隨著化石燃料的大量使用，環境污染越來越嚴重，人們開始尋找可替代的清潔能源，比如太陽能、風能等。但是這些清潔能源的使用條件有限且成本較高。[1]壓電陶瓷不僅具有體積小，質量輕，價格低的特點，而且利用其壓電特性可以將各種機械能（比如人在行走中產生的機械能）輕松的轉化為電能，如果能有效并廣泛利用這部分能量，既環保又節約能耗。

1.3 藍牙技術

藍牙技術在不斷發展，目前已經有藍牙4.0問世，其應用領域也在不斷擴大。隨著版本的不斷升級，藍牙的節電效果日益顯著，其極低的運行和待機功耗可以使一粒紐扣電池連續工作一年。此外，它還具有低成本和跨廠商互操作性、3 ms低延遲、AES-128加密等諸多特色，可以廣泛應用于眾多領域。

1.4 日常生活

在嘈雜的公共場所（比如擁擠的公交車、地鐵或繁華的商業街道），人們很難感覺到口袋中手機的振動或聽到手機鈴聲，因而時常會因為延誤了某些重要事情而苦惱。但是，目前還沒有可以有效解決這個問題的途徑。 寒冷的冬季，人們通常不愿早起，并且希望穿鞋子時鞋子是暖和的，然而目前市面上還沒有可以提前自動加熱的鞋子。

圖1 系統硬件組成圖

2 冬暖鞋整體介紹

2.1 整體設計

這是一種與手機相關聯的多功能鞋。鞋底內置控制芯片和多個傳感器，具有在鞋底自動加熱和振動按摩的功能，解決在寒冬時節人們腳部冰冷的問題。該鞋在人們正常步行過程中，通過安裝在鞋子底部的壓電陶瓷，將行走過程中的機械能轉化為電能，使電熱絲加熱給鞋子供暖。當加熱溫度過高時，停止電熱絲加熱，轉至給內置鋰電池充電。除此之外，通過藍牙無線數據通信，可實現手機對鞋子的控制。當人們在喧鬧嘈雜的場合時，來了電話或短消息經常感覺不到手機的振動或聲響，因而可能會延誤一些事情。所以，該鞋子可以在短信或電話到來時，在腳底產生振動，以便讓人們明顯察覺。此外，使用者可通過手機隨時調節足底加熱溫度的設定值，也可設定穿鞋前的預熱時間，還可在手機上顯示走過的步數和設定足底振動鬧鐘。總之，此款智能鞋子將多種實用功能集于一體，為使用者提供最大化的便利，參見圖1、圖2。

2.2 鞋子結構介紹

鞋子上部與普通鞋子無異，區別主要是在鞋底。首先，鞋底應選用絕緣且輕盈材質制作，例如泡沫塑料。在鞋子底部內置主控板、電池和壓電陶瓷。其中，主控板（如圖3，圖4）是一塊集成電路板，上面裝有控制芯片、溫度傳感器、加速度計、振動器和藍牙模塊。除此之外，在鞋底內還放有鋰電池兩塊，壓電陶瓷片20枚。加熱裝置是由電熱絲鞋墊構成，電熱絲鞋墊可以通過線路與鞋底連接，鞋底直觀圖如圖5所示。

圖2 功能圖

圖3 主控板外觀圖

圖4 主控板原理圖

圖5 鞋底直觀圖

圖6 壓電片發電原理模型

2.3 傳感器簡介

本項目中使用了多種傳感器，包括藍牙模塊、三軸加速度計、溫度傳感器和振動器。藍牙模塊型號為HC-08，是藍牙4.0產品。三軸加速度計型號為BMA220，通過對加速度計返回值的判斷和處理[2]，實現計步功能。溫度傳感器型號為DS18b20，通過單片機對溫度傳感器所采集信息的處理，實現負反饋調節的控制。振動器采用微型振動電機，功耗小但振動較為強烈，可以使用戶腳底產生強烈振動感。

3 壓電陶瓷在冬暖鞋加熱上的應用

3.1 壓電陶瓷發電供熱過程綜述

人正常行走過程中，會對足底產生周期性的擠壓，利用壓電陶瓷的壓電特性[3]，可以將人們行走過程中的機械能轉化為電能，利用產生的電能，來輔助給鞋子內部的電熱絲供電加熱。在鞋內溫度恒定時，其產生的電能給內置鋰電池充電。

3.2 壓電陶瓷壓電特性介紹

當沿著一定方向對壓電體施力而使它產生機械變形時，其內部產生極化現象，相對的兩個表面會呈現異號電荷，外力與端面積愈大，則出現的電荷就愈多；當作用力方向改變時，電荷極性也隨著改變。如果將兩個表面裝上電極并用導線接通，變化的自由電荷便從一個極板移至另一極板，形成電流，這便是壓電效應。[4]利用壓電效應可將人走路時產生的機械能轉化為電能，參見圖6、圖7。

多片壓電陶瓷片的聯接方式分并聯和串聯兩種，為了提高壓電振子的發電能力，本項目采用多片壓電陶瓷片的并聯接法。壓電振子的負極集中在中間極上，其輸出電容Cp’為單片電容Cp的的n倍，輸出電壓U等于單片電壓，極板上電荷量Q’為單片電荷量的Q的n倍即：Q’=nQ，U’=U，Cp’=Cp。該方式輸出電荷大，時間常數大，適用于以電荷作為輸出量的場合，因此在冬暖鞋的壓電陶瓷發電模塊中采用壓電陶瓷片并聯的方式，增大其輸出電流，提高電熱絲的加熱效率。[5]

圖7

圖8 受力區的間期和峰值曲線

3.4 足底受力分析

人們在行走過程中，足底的不同部位，所受的力是不均勻的[6]。為此，我們做了相關方面的實驗，在鞋底安裝了密集的壓力傳感器，然后讓50名不同的人穿著裝有壓力傳感器的鞋子行走，我們將行走過程中的數據記錄了下來。經過統計與分析之后，我們發現人在站立和行走過程中，壓力主要集中在7個足底部位，分別是趾骨、1~5跖骨和腳后跟。我們將收集到的實驗數據進行了整理，得到以下圖線（如圖8）。

對圖中的數據進行分析，整理出表1。

根據表1數據可知，人正常行走過程中，在腳跟和趾骨部位壓力最大，其余部位相比小很多。因此，我們選擇在鞋底的腳跟和趾骨處分別疊放10個壓電陶瓷片，并采用并聯接法。

3.5 壓電陶瓷片發電效果實驗測定

針對本項目所使用的壓電陶瓷片，我們就其實際發電效果的做了實驗測定，通過實驗來模擬人正常行走過程中的狀態，實驗裝置示意圖如圖9。實驗內容如下，首先，將10片壓電陶瓷片并聯疊在一起，固定在所設計的結構中，將其平放在水平桌面上，并將其正負極的兩根引線與加熱絲連接。然后，將示波器的信號輸入端和地線分別與壓電陶瓷片正、負極引線相接，接通示波器電源并設定好示波器的模式。最后，從距離壓電陶瓷片垂直高度為h的位置，由靜止釋放物塊。用物塊的沖擊力來模擬人的足底壓力，用彈簧彈力不可突變的特性來模擬人腳底的施力時間，通過對示波器顯示屏上數據信息的分析，來研究壓電陶瓷片的發電實效。

實驗中使用的物塊質量m，彈簧的勁度系數k以及物塊下落高度h均可由下面的公式理論推算得出。

圖9 實驗裝置圖

圖10 （a） 實驗圖像

圖10（b） 實驗圖像

由(3)得

所以

再與(1)(2)聯立得

進一步有如下方程組：

（1）根據表 1 數據可知∫dt=0.58 s，Fmax=130 N，解得k=5 900 N/m，xm=0.022 m。

表1 人在行走過程中足部各區域應力峰值與壓力峰值

不妨取h=0.3 m，由(7)式得m=0.48 kg。

（2）根據表 1 數據可知∫dt=0.52 s，Fmax=102 N，

解得k=5 500 N/m，xm=0.019 m。

不妨取h=0.3 m，由(7)式得m=0.33 kg。

我們將上述實驗使用參數（1）和參數（2）分別重復操作了50次，相同參數的實驗中，示波器上顯示的圖像每次基本相同，其實驗過程中示波器顯示的圖像如圖10（a）、圖10（b）所示。

由于人正常步行時，步行頻率約為1.2 s/步，因此選定1.2 s作為壓電陶瓷片的發電周期。利用示波器上的實驗圖形，經過分析計算可得，參數（1）下壓電陶瓷片在一個周期內發電電壓有效值約為0.76 V，參數（2）下壓電陶瓷片在一個周期內發電電壓有效值約為0.63 V。

本項目中使用的電熱絲總長度為0.5 m，單位長度電熱絲的電阻值為5 Ω，故其總電阻值為2.5 Ω。將趾骨部位、腳跟部位的壓電陶瓷發電源與加熱絲并聯連接，并同時將4.2 V直流鋰電池與加熱絲并聯連接。通過三個供電源并聯供電的方式，來增大電熱絲的發熱功率。具體計算如下：

P1=U12/R=0.762/2.5=0.231 W

P2=U22/R=0.632/2.5=0.159 W

P3=U32/R=4.22/2.5=7.056 W

P總= P1+ P2+ P3=7.446 W

為了測定電熱絲在該功率下的實際發電效果，我們做了相關實驗。實驗內容如下：將內置電熱絲的加熱鞋墊用兩塊保溫泡沫板夾住，把溫度計的玻璃泡與加熱鞋墊緊密接觸，刻度留在保溫泡沫板外面，以便讀取示數。然后，將加熱絲與恒壓源連接，輸出電壓設定為4.32 V（4.32/2.5=7.446 W）。每隔30 s讀取一次溫度計上的示數，將記錄的數據整理成如圖11。

圖11 溫度與加熱時間的關系曲線

圖12 穩壓電路圖

圖13 輸入電壓與輸出電壓關系曲線

表2 輸入電壓與輸出電壓測量數據

3.6 壓電陶瓷給鋰電池充電

當電熱絲不工作在加熱狀態時，便通過單片機自動控制線路開關，將壓電陶瓷片所發的電能用于給內置鋰電池充電。由于壓電陶瓷片發電過程中電壓呈現脈動狀態，并不穩定，不適合直接給鋰電池充電。因此，我們在壓電陶瓷片正極輸出端和電池正極之間，串聯接入了穩壓電路（如圖12）。通過該電路結構后，輸出電壓可以穩定在8.4 V左右。并且，該電路還具有隔離作用，當輸入端電壓低于充電電壓8.4 V的時候，穩壓電路呈現截止狀態，防止鋰電池能量的損耗。

經過實際電路性能測試，在圖12所示電路輸入端用恒壓源輸入一個固定數值的電壓，然后在輸出端連接電壓表，測量輸出電壓，得到如表2所示數據。

將以上數據整理成圖線，如圖13所示。

圖14 CD4066原理圖

從圖13中可以直觀明確的看出，當輸入電壓值在10~30 V之間時，輸出電壓是穩定的，當壓電陶瓷發電電壓穩定在這個范圍中時，便可以實現對儲電電池的充電。當輸入端電壓低于10 V時，穩壓電路具有自動斷電的作用，防止儲電電池倒回去給壓電陶瓷片通電，造成電能的消耗。

3.7 電路的控制開關

通過單片機，為了實現對整個電路的控制，我們選用了CD4066電子開關（如圖14）。將單片機引腳與電子開關的控制端相連接，將受控線路分別與IN或OUT端連接，通過對該引腳電平的置高或置低，來控制該線路的通或斷[7]。

4 藍牙通信技術在冬暖鞋手機控制上的應用

4.1 藍牙通信技術簡介

圖15 藍牙

藍牙，是一種支持設備短距離通信的無線電技術。它可以使數據傳輸變得更加迅速高效。藍牙采用分散式網絡結構以及快跳頻和短包技術，不需要安裝驅動程序軟件，支持點對點及點對多點通信，工作在全球通用的2.4 GHz ISM頻段，數據傳輸速率為1 Mbps。[8]參見圖15。

4.2 藍牙的工作原理

（1）主從關系

藍牙技術規定每一對設備之間進行藍牙通訊時，必須一個為主角色，另一為從角色，才能進行通信，通信時，必須由主端進行查找，發起配對，建鏈成功后，雙方即可收發數據。理論上，一個藍牙主端設備，可同時與7個藍牙從端設備進行通訊。一個具備藍牙通訊功能的設備， 可以在兩個角色間切換，平時工作在從模式，等待其它主設備來連接，需要時，轉換為主模式，向其它設備發起呼叫。一個藍牙設備以主模式發起呼叫時，需要知道對方的藍牙地址，配對密碼等信息，配對完成后，可直接發起呼叫。

（2）呼叫過程

藍牙主端設備發起呼叫，首先是查找，找出周圍處于可被查找的藍牙設備。主端設備找到從端藍牙設備后，與從端藍牙設備進行配對，此時需要輸入從端設備的PIN碼，也有設備不需要輸入PIN碼。配對完成后，從端藍牙設備會記錄主端設備的信任信息，此時主端即可向從端設備發起呼叫，已配對的設備在下次呼叫時，不再需要重新配對。已配對的設備，做為從端的藍牙耳機也可以發起建鏈請求，但做數據通訊的藍牙模塊一般不發起呼叫。鏈路建立成功后，主從兩端之間即可進行雙向的數據或語音通訊。在通信狀態下，主端和從端設備都可以發起斷鏈，斷開藍牙鏈路。

（3）數據傳輸

藍牙數據傳輸應用中，一對一串口數據通訊是最常見的應用之一，藍牙設備在出廠前即提前設好兩個藍牙設備之間的配對信息，主端預存有從端設備的PIN碼、地址等，兩端設備加電即自動建鏈，透明串口傳輸，無需外圍電路干預。一對一應用中從端設備可以設為兩種類型，一是靜默狀態，即只能與指定的主端通信，不被別的藍牙設備查找；二是開發狀態，既可被指定主端查找，也可以被別的藍牙設備查找建鏈。

4.3 本項目中使用的藍牙模塊參數介紹

頻率：2.4 Ghz ISM band

圖16 藍牙連接提示框

調制方式：GFSK

發射功率：-4-＞4 dBm,class 2

靈敏度：≤-80 dBm at 0.1% BER

通訊頻率：2 Mbps(Max)

供電電源：3.3 V

工作溫度：-20-+65 Centigrade

封裝尺寸：32 mm×17 mm×2 mm

4.4 藍牙通信技術在產品中的應用

在本項目中，我們使用Eclipse編程軟件進行Android開發，從而實現手機藍牙與冬暖鞋中藍牙的通信[9]。當用戶打開手機軟件時，藍牙連接提示框會自動打開（如圖16），用戶點擊自己冬暖鞋的藍牙并可連接上。具體實現方法以及軟件的詳細介紹如下：

（1）加熱 。在加熱界面上，可實現加熱和預熱功能。加熱功能包括顯示當前鞋子溫度以及預定溫度。預熱功能包括定時預熱和即時預熱。當加熱功能旁的按鈕處在開啟狀態，表示該功能可用，否則停止加熱。

a.當前溫度。在程序中，為“刷新”按鈕綁定監聽事件，當單擊該按鈕時，手機軟件通過藍牙發送標志字符串“10+”，冬暖鞋中的藍牙接收到該標志字符時，返回當前冬暖鞋溫度值并顯示在手機軟件界面。

b.預定溫度。在程序中，為“提交”按鈕綁定監聽事件，用戶可輸入預定溫度值并單擊該按鈕，溫度的設置范圍為0~35 ℃，若設置溫度不在此范圍，軟件會彈窗提示“溫度值無效，請重新輸入”，當輸入的溫度值有效時，手機軟件通過藍牙發送字符串“11+溫度值”，即在所設定的溫度值前自動添加字符串“11+”作為標志符（如溫度設定值為30 ℃，則發送的字符串為“11+30”）。冬暖鞋中的藍牙接收到該字符串時，會將“11+”后面的字符作為溫度值設為當前。

c.定時預熱。在程序中為“設置完成”按鈕綁定監聽事件，當開關處在開啟狀態時，用戶可設置預熱時刻，設置完成后，點擊“設置完成”按鈕，手機軟件通過藍牙發送字符串“13+預熱時刻”，冬暖鞋將在預熱時刻開始加熱。

d.即時預熱。在程序中為“啟動”按鈕綁定監聽事件，當用戶點擊該按鈕時，手機軟件發送字符串“14+”，冬暖鞋立即開始加熱。

（2）監聽手機來電和短信。在程序中，獲取“READ_PHONE_STATE”和“RECEIVE_SMS”權限，然后在接收到廣播后注冊來電和短信監聽，當手機接收到來電或短信，手機軟件會發送標志字符串“20+”，冬暖鞋中的藍牙接收到該標志字符時，震動模塊的電機將開始工作。當來電被接聽或掛斷或者短信被查看，手機軟件將發送標志字符串“21+”，電機將停止工作。

（3）按摩。如圖18為按摩界面，在程序中，為“提交”按鈕，綁定監聽事件，用戶可設定按摩時長以及按摩模式，其中按摩模式分為“連續”和“間斷”，設定完成后點擊“提交”按鈕，手機軟件將發送字符串“31+按摩時長”、“32+按摩模式的代碼”。冬暖鞋接收到數據后將作出響應。

圖17 加熱界面

圖18 按摩界面

圖19 鬧鐘界面

圖20 計步界面

（4）鬧鐘。如圖19為“鬧鐘”界面，在程序中，為開關按鈕綁定監聽事件，用戶可自己設定鬧鐘時間，然后點擊“開關按鈕，手機軟件將發送字符串“40+當前時間”，等待單片機響應，若返回值為“1”，則說明單片機系統時間已和手機系統時間同步，再發送字符串“41+設定時間”，鬧鐘即設置完成。

（5）計步。如圖20，當開啟計步界面時，軟件自動發送字符串“50+”給冬暖鞋的藍牙，冬暖鞋即將今天截止到目前為止行走的總步數返回給手機軟件并顯示。此外，用戶還可以自定義計步，在自定義模式下，用戶可以知道自己在某一段時間內走過的步數。

（6）由于按摩、鬧鐘、來電監聽功能都將使用電機，當發生沖突時，優先級順序為按摩，來電監聽，鬧鐘。

5 項目應用前景

本項目設計的這款自發熱冬暖鞋有效節約了能源（電能），使人運動過程中產生的機械能得到了充分的利用，同時也解決北方地區人們在冬季外出時腳部寒冷的問題。該項目運用壓電陶瓷的特性來為冬暖鞋提供能源，在設計的過程中，本項目將最高電壓控制在36 V以下，沒有危險性，又節能環保。其內部設有溫控電路，適合長時間穿著，保持較穩定的溫度，讓人感覺舒適。而且，隨著智能設備的逐步發展，可穿戴式設備會逐漸貼近我們的生活，通過鞋底內的藍牙模塊使鞋與手機進行信息交互，顯示鞋內溫度、設定鞋內溫度；安置加速度計提供計步功能；加入振動模塊可以在手機來電話或短信時振動提示，防止在公交車等嘈雜環境中漏掉消息而延誤事情。除此之外，此款鞋子還可通過手機設定振動鬧鐘，在穿鞋前進行預熱。

集多種實用功能于一身，貼近人們的日常生活，為使用者帶來切身的便利。這便是設計并制作此款智能鞋子的目的。該鞋總體造價不高，僅在普通鞋的基礎上增加了約100元的器材費，制作工藝也并不復雜。加之目前市面上并未出現類似的產品，所以，預計該款智能鞋子具有良好的市場前景，適合進一步推廣。

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（R-03）

TP29

1009-797X (2015) 24-0210-08

B

10.13520/j.cnki.rpte.2015.24.086

趙君偉（1994-），男，在校學生，測控技術與儀器專業，已獲兩項專利。

2015-10-26