无线自供电计步鞋和计步系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种无线自供电计步鞋和计步系统，其中，计步鞋包括鞋体，鞋体中进一步包括：至少一个摩擦发电机，将机械能转化为电能；储能模块，与至少一个摩擦发电机相连，将摩擦发电机产生的电能进行存储；开关模块，与储能模块相连，在检测到储能模块中存储的电能大于或等于预设阈值时输出电能；处理模块，与开关模块相连，将开关模块输出电能的次数作为计步数据并存储；无线通信模块，与处理模块相连，从处理模块接收计步数据并将计步数据发送给终端设备；该系统包括上述无线自供电计步鞋，还包括终端设备。该计步鞋不需要更换电池，且计步系统使计步更加准确、轻便。
【专利说明】无线自供电计步鞋和计步系统
【技术领域】
[0001 ] 本实用新型涉及电子电路【技术领域】，特别涉及一种无线自供电计步鞋和计步系统。
[0002]【背景技术】
[0003]随着社会的不断发展，人们越来越注重身体健康，计步器也成为人们锻炼身体时的必需品。通常，计步器不仅能显示运动步数，还可以进一步计算运动距离，消耗热量等运动数据，使用户能按需求调节运动强度，达到更好的效果。
[0004]现有技术中存在多种计步器，例如，基于振动传感器或加速度计的计步器，或者利用手机等移动设备的重力感应功能通过计步软件实现计步功能的计步器。上述现有计步器一般都采用电池或外部充电式电源进行供电，一旦电源耗尽，计步功能就会出现中断，给用户的使用带来了极大的不便。此外，对于安装在鞋体上的计步器，通常运动数据的显示也设置在鞋体上，不利于用户观察，而对于采用移动设备上的软件进行计步的计步器，准确性和可靠性也不高。
[0005]实用新型内容
[0006]本实用新型的发明目的是针对现有技术的缺陷，提出一种无线自供电计步鞋和计步系统，能够不依赖外部电源，准确可靠地实现计步功能。
[0007]本实用新型提供的无线自供电计步鞋包括:鞋体，鞋体中进一步包括:至少一个摩擦发电机，将机械能转化为电能；储能模块，与至少一个摩擦发电机相连，将摩擦发电机产生的电能进行存储；开关模块，与储能模块相连，在检测到储能模块中存储的电能大于或等于预设阈值时输出电能；处理模块，与开关模块相连，将开关模块输出电能的次数作为计步数据并存储；无线通信模块，与处理模块相连，从处理模块接收计步数据并将计步数据发送给终端设备。
[0008]本实用新型提供的无线自供电计步系统，包括上述无线自供电计步鞋，还包括:终端设备。
[0009]本实用新型提供的无线自供电计步鞋和计步系统，采用摩擦发电机进行供电，只要用户对摩擦发电机进行踩压、摩擦就能产生电能进行供电。不仅省却了电池没电之后需要更换所带来的麻烦，而且解决了电池电量用完后不能进行供电的问题。这种自供电方式，替代现有电池供电，极大地节约了资源，保护了环境；并且，该系统根据摩擦发电机产生的电能完成计步，准确地反映了用户的运动情况；通过终端完成用户的运动数据计算和显示，使用户准确地了解身体状况，提升了用户体验。并且，本实用新型提供的无线自供电计步系统体积小、重量轻，摩擦发电机及相关模块可以设置在计步鞋内部，携带方便，为用户的使用带来了极大方便。
[0010]【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1示出了本实用新型提供的无线自供电计步鞋的整体结构示意图；
[0012]图2示出了本实用新型提供的无线自供电计步鞋的一个实施例的结构示意图；
[0013]图3示出了本实用新型提供的无线自供电计步鞋的储能模块的结构示意图；[0014]图4示出了本实用新型提供的无线自供电计步鞋的另一个实施例的结构示意图；
[0015]图5示出了本实用新型一个实施例提供的无线自供电计步方法的流程图；
[0016]图6a和图6b分别示出了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；
[0017]图7a和图7b分别示出了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；
[0018]图8a和图8b分别示出了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；
[0019]图9a和图9b分别示出了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】
[0020]为充分了解本实用新型之目的、特征及功效，借由下述具体的实施方式，对本实用新型做详细说明，但本实用新型并不仅仅限于此。
[0021]图1示出了本实用新型提供的无线自供电计步鞋的整体结构示意图。该无线自供电计步鞋包括鞋体，通过设置在鞋体内部的摩擦发电机实现自供电。摩擦发电机通常位于鞋底部位，但不仅限于该部位，还可以设置在其他部位；鞋体中还包括储能模块等其他电路组件，这些组件可以设置在鞋底和/或鞋面内。例如，在图1中，摩擦发电机设置在鞋底部位(图中未示出)，电路组件2设置在鞋面内部。
[0022]图2示出了本实用新型提供的无线自供电计步鞋的一个实施例的结构示意图。如图2所示，计步鞋包括:摩擦发电机11，储能模块12，开关模块13，处理模块14，无线通信模块15。其中，摩擦发电机11将机械能转化为电能；储能模块12与摩擦发电机11的输出端相连，将摩擦发电机11产生的电能进行存储；储能模块12的输出端设置有开关模块13，开关模块13用于检测储能模块12中存储的电能值，在存储的电能大于或等于预设阈值时，开关模块13开启，输出电能,为处理模块14供电,处理模块14将开关模块13输出电能的次数作为计步数据并存储；处理模块14将存储的计步数据发送给无线通信模块15，无线通信模块15将该数据发送至终端设备20，以备终端设备20根据计步数据计算运动数据并显
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[0023]在本实施例中，在计步结束后，处理模块14接收终端设备20以无线方式提供的电能，处理模块14利用该电能将计步数据传输给无线通信模块15 ;同时，无线通信模块15也接收终端设备20以无线方式提供的电能，利用该电能接收计步数据，并以无线方式发送至终端设备20。
[0024]下面具体介绍计步鞋中各模块的具体结构及工作过程。
[0025]用户穿着计步鞋运动时，设置在鞋体中的摩擦发电机受到踩压力，产生机械形变，将运动的机械能转化为电能。根据实际需求，摩擦发电机的数量可以为多个，多个摩擦发电机以层叠方式和/或平铺方式设置在计步鞋内部，且多个摩擦发电机之间通过串联和/或并联方式连接，以保证计步鞋的供电需求。
[0026]用户运动时，每次的动作给予鞋底的摩擦发电机的踩压力不同，摩擦发电机产生不同程度的机械形变，产生的交流电的幅值、频率都是不确定的，这种交流电不适于直接存储，因此，储能模块需要对摩擦发电机的输出电流进行必要的处理，以便于存储。
[0027]图3示出了本实用新型提供的无线自供电计步鞋的储能模块12与摩擦发电机11连接的结构示意图，储能模块12包括:整流电路51，滤波电路52和储能元件54。其中，整流电路51与至少一个摩擦发电机11的输出端相连，将至少一个摩擦发电机11输出的电信号进行整流处理。具体地，整流电路51的两个输入端51A和51B分别连接摩擦发电机11的两个输出端，接收摩擦发电机11输出的电信号。对于包括多个摩擦发电机的结构，多个摩擦发电机的两个输出端并联和/或串联在一起，然后与整流电路51的两个输入端51A和51B连接。
[0028]整流电路51的两个输出端51C和51D与滤波电路52连接，整流电路51将摩擦发电机11输出的电信号进行整流处理后得到的单向脉动的直流电输出给滤波电路52。滤波电路52与储能元件54连接，滤波电路52将整流电路51输出的单向脉动的直流电进行滤波处理而得到直流电信号输出给储能元件54。
[0029]如图3所示，滤波电路52具有两个端。具体地，滤波电路52的第一端52A与整流电路51的输出端51D连接，滤波电路52的第二端52B与整流电路51的输出端51C连接。滤波电路52的第一端52A与储能元件54的第一端连接，滤波电路52的第二端52B与储能元件54的第二端连接。在实际应用中，滤波电路52的第二端52B —般接地。
[0030]对于图3所示的电路，当外力作用于摩擦发电机时，会使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51，通过整流电路51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52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储能元件54进行存储。其中，储能元件54可以选自锂电池、镍氢电池、超级电容器等元件。
[0031]开关模块13检测储能模块12中储能元件存储的电能值，在存储的电能大于或等于预设阈值时，开关模块13开启，输出电能，为处理模块14供电。开关模块是一个开关电路，本领域技术人员可以根据实际情况灵活选用现有的开关电路实现。例如，在储能模块12中，如果选用了超级电容器作为储能元件54，则由超级电容器的电量电压关系C=Q/U可知，在超级电容器充电过程中，电量Q不断增加，对于固定电容值C，超级电容器的端电压也相应增加，则开关模块13可以包括一个电压比较器，将超级电容器的电压值与预设电压阈值相比较，比较器的输出端与开关电路相连，输出高电平时，开启开关电路。由于该系统中开关模块的开关频率较低，常见的比较器电路即可满足需求，如LM311等。所述开关电路也可以有多种结构，例如，可以采用NMOS作为开关，将比较器输出端连接至MOS管的栅极，漏、源分别与储能元件输出端和处理模块14的电源接口相连，比较器输出的高电平使NMOS导通，为处理模块14供电。
[0032]在本实用新型中，处理模块14由数据处理电路构成，将开关模块输出电能的次数作为计步数据并存储计步数据，其中数据处理电路包括具有计算和处理功能的中央处理芯片。本实用新型对处理芯片的类型不做限制，可以选用能够实现无线收发功能的各种MCU，或FPGA等可编程器件等。由于处理模块14只在开关模块13开启时，以及向无线通信模块15发送计步数据时获取少量电能，中央处理芯片应优选低功耗处理芯片，例如MSP430芯片。由于开关模块13关闭时，处理模块14处于断电状态，处理模块14对计步数据的存储可以利用处理芯片自带非挥发性存储器，如flash存储器，或者使用单独的flash存储芯片。
[0033]如前文所述，在本实施例中，处理模块14在计步结束后接收终端设备20以无线方式提供的电能，利用该电能将存储的计步数据传输给无线通信模块15。因此，构成处理模块14的数据处理电路中进一步包括无线电源接收器，接收器中可以包括:接收线圈、整流器、电压调节和控制器等单元，或者选用无线电源接收芯片，如TI的bq51013产品等。
[0034]无线通信模块15由无线数据收发电路构成。与处理模块14类似地，本实施例中，数据收发电路中也包括无线电源接收器，以接收终端设备以无线方式提供的电能，用于数据收发。处理模块14和无线通信模块15接收电能的行为可以同时进行，无线通信模块14可以与处理模块15共享同一无线电源接收器，也可以使用单独的无线电源接收器。
[0035]无线通信模块15中的无线数据收发电路可以根据常用智能手机等移动终端的功能支持情况，选用NFC无线通信电路、RFID无线通信电路、或蓝牙通信电路。与处理模块14类似地，考虑功耗原因及传输速度，支持优选功耗低、带宽高的NFC无线通信电路。
[0036]在本实施例中，计步鞋的工作过程如下:用户穿着计步鞋运动，向鞋体内部的摩擦发电机施加压力，在此压力的作用下，摩擦发电机产生机械形变，将人体运动的部分机械能转化为电能，并将产生的电能存储在储能模块中，储能模块的电能输出由开关模块控制，开关模块检测到电能到达预设阈值时开启，向处理模块供电，处理模块将开关模块输出电能的次数作为计步数据并存储。运动完毕后，用户将终端设备靠近鞋体，无线通信模块和处理模块接收终端设备以无线方式传递的电能，处理模块利用电能将存储的计步数据传输至无线通信模块，无线通信模块再利用该电能将计步数据发送至终端设备，以供终端设备结合用户数据计算出运动步数、运动距离和消耗热量等多种运动数据并显示。
[0037]图4示出了本实用新型提供的无线自供电计步鞋的另一实施例的结构示意图。如图4所示，在本实施例中，计步鞋同样包括摩擦发电机11，储能模块12，开关模块13，处理模块14，无线通信模块15。区别之处在于:
[0038]本实施例的计步鞋工作过程中，开关模块13开启后，向处理模块14提供电能，处理模块14利用开关模块13输出的电能，将开关模块13输出电能的次数作为计步数据，同时，处理模块14向无线通信模块15提供电能，使处理模块14将计步数据传输给无线通信模块15，无线通信模块15利用这部分电能接收并存储计步数据。例如，在处理模块14设置电源线输出端口，将无线通信模块15的电源线接至该输出端口，工作电压不同时，还可以在其中加入电平转换电路。
[0039]也就是说，与上一实施例不同的是，处理模块14向无线通信模块15的数据发送工作在计步过程中开关模块13开启时完成，因此，计步结束后，只有无线通信模块15接收终端设备以无线方式传递的电能以完成数据的传送，而处理模块14不需要再接收终端设备的无线供电。相应地，处理模块14中也就不需要具有无线电源接收电路。
[0040]储能模块12和开关模块13的结构及工作方式与上一实施例相同，在此不再赘述。
[0041]本实用新型还提供了一种无线自供电计步系统，包括上文所述的无线自供电计步鞋，还包括终端设备，终端设备接收计步鞋中无线通信模块发送的计步数据，根据计步数据计算运动数据并显示。终端设备可以是支持NFC、RFID或蓝牙功能的智能手机，其中安装有相应的应用程序，应用程序获取计步数据后，结合用户体重、步长等可以计算出运动距离和消耗热量等运动数据。[0042]终端设备以无线方式为无线通信模块提供电能，接收无线通信模块发送的计步数据，在第一个计步鞋的实施例中，终端设备还以无线方式为处理模块提供电能。因此，终端设备还包括无线充电发射器，发射器可以选择现有技术中的电磁耦合、磁共振等多种无线充电方式，例如，对于Qi标准的充电方式及发射器配件架构，发射器通常包括驱动器、发射线圈、控制器等单元。
[0043]在无线自供电计步系统的使用中，由于不同用户踩踏摩擦发电机所产生的电能值不同，也即不同用户踩踏摩擦发电机存储的电能使开关模块开启所需的步数不同，为了提高计步的准确性和可靠性，在用户第一次使用该无线自供电计步系统时，需要通过终端设备进行计步数据的标定。下面以NFC手机为例，说明标定过程:
[0044]运动前按下计步鞋的重启按钮，打开NFC手机上的应用程序app，选择标定功能，输入预定的步数，例如，100步；
[0045]运动100步后停止，将手机靠近计步鞋，接收鞋体中NFC无线通信模块发送的计步数据，该计步数据即为开关模块开启的次数，例如，10次；
[0046]NFC手机app结合预定的步数(100)，可以得知，每次开启开关模块需要10步，并将该数值(10步)作为标定步数并预存。
[0047]在后续使用中，打开app的运动功能，输入性别、身高、体重等个人信息，将NFC手机再次靠近鞋体，NFC手机接收无线通信模块发送的计步数据，例如，该计步数据为200，结合预存的标定步数(10步)，则可以计算出本次运动步数为2000步。进一步的，结合个人信息计算运动距离、运动速度和消耗热量等其它运动数据。
[0048]图5示出了本实用新型一个实施例提供的无线自供电计步方法的流程图，如图5所示，该方法包括如下步骤:
[0049]步骤SlOl，至少一个摩擦发电机将机械能转化为电能；
[0050]步骤S102，将至少一个摩擦发电机产生的电能存储在储能模块中；
[0051]步骤S103，开关模块检测储能模块中存储的电能，在电能大于或等于预设阈值时，从储能模块中输出电能；
[0052]步骤S104，处理模块记录电能输出次数并将电能输出次数作为计步数据；
[0053]步骤S105，将计步数据传输至无线通信模块；
[0054]具体地，该步骤可按如下方式进行，一次计步操作结束后，记录电能输出次数的处理模块接收外部终端设备提供的无线电能将存储的计步数据传输至无线通信模块，无线通信模块也接收无线电能将计步数据发送至终端设备，以供终端设备结合用户数据计算出运动步数、运动距离和消耗热量等多种运动数据并显示，也就是说，计步数据存储在处理模块中，将计步数据传输至无线通信模块是在计步完成后进行的。
[0055]或者，这样进行:在计步过程中，储能模块向记录电能输出次数的处理模块提供电能，无线通信模块从处理模块获取部分电能，利用该电能实时地接收当前的临时计步数据并存储。这里，计步数据存储在无线通信模块中，将计步数据传输至无线通信模块是在计步过程中完成的。在计步操作结束后，存储计步数据的无线通信模块接收外部终端设备提供的无线电能将计步数据传输至终端设备。
[0056]步骤S106，无线通信模块以无线方式发送计步数据至终端设备；
[0057]无线通信模块可以采用NFC、RFID或蓝牙方式发送计步数据。[0058]步骤S107，终端设备接收计步数据并根据计步数据计算运动数据。
[0059]结合用户输入的数据，如体重，身高等，再结合计步数据得出运动步数、运动距离和消耗热量等多种运动数据并显示。
[0060]无线自供电计步方法中还包括标定方法，其中根据计步数据和预先记录的步数计算出开关模块输出电能一次需要的标定步数，并预存该标定步数。
[0061]具体地，以终端设备为NFC手机为例，在首次使用时，打开NFC手机上的应用程序app,选择标定功能,输入预定的步数,例如，100步；
[0062]运动100步后停止，接收计步数据，该计步数据即为储能模块输出电能的次数，例如，10次；
[0063]NFC手机app结合预定的步数(100)，可以得知，储能模块的每次电能输出需要10步，并将该数值(10步)作为标定步数并预存。
[0064]在后续使用中，打开app的运动功能，输入性别、身高、体重等个人信息，接收无线通信模块发送的计步数据，例如，该计步数据为200，结合预存的标定步数(10步)，则可以计算出本次运动步数为2000步。进一步的，结合个人信息计算运动距离、运动速度和消耗热量等其它运动数据。
[0065]最后，详细介绍一下本实用新型实施例提供的无线自供电计步鞋和计步系统中的摩擦发电机的具体结构。下面将通过四个实施例分别介绍一下上述摩擦发电机的可能结构:
[0066]实施例一、
[0067]摩擦发电机的第一种结构如图6a和图6b所不。图6a和图6b分别不出了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。该摩擦发电机包括:依次层叠设置的第一电极层111，第一高分子聚合物绝缘层112，以及第二电极层113。具体地，所述第一电极层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层113相对设置，第一高分子聚合物绝缘层112和第二电极层113之间形成摩擦界面，第一电极层111和第二电极层113构成摩擦发电机的信号输出端。
[0068]为了提高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(即相对第二电极层113的面上)可以进一步设置微纳结构120。因此，当摩擦发电机受到挤压时，所述第一高分子聚合物绝缘层112与第二电极层113的相对表面能够更好地接触摩擦，并在第一电极层111和第二电极层113处感应出较多的电荷。
[0069]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)，且其相对第二电极层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IO-1OOnm以及深度为4_50 μ m。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2-30 μ m的均匀分布，更优选的平均孔间距为9 μ m的均匀分布。
[0070]下面具体介绍一下上述的摩擦发电机的工作原理。当该摩擦发电机受到按压时，该摩擦发电机的各层受到挤压，导致摩擦发电机中的第二电极层113与第一高分子聚合物绝缘层112表面相互摩擦产生静电荷，从而导致第一电极层111和第二电极层113之间出现电势差。由于第一电极层111和第二电极层113作为摩擦发电机的输出端与储能模块连接，储能模块构成摩擦发电机的外电路，摩擦发电机的两个输出端之间相当于被外电路连通。当该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层111和第二电极层113之间的内电势消失，此时已平衡的第一电极层111和第二电极层113之间将再次产生反向的电势差。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脉冲电信号。
[0071]下面具体介绍一下实施例一中的摩擦发电机的材质。其中，所述第一高分子聚合物绝缘层为选自聚酰亚胺薄膜、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、纤维素海绵薄膜、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任意一种。
[0072]其中，所述第一电极层所用材料是铟锡氧化物、石墨烯、银纳米线膜、金属或合金；其中，金属是金、银、钼、钯、铝、镍、铜、钛、铬、硒、铁、锰、钥、钨或钒；合金是铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、猛合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、秘合金、铟合金、镓合金、鹤合金、钥合金、银合金或钽合金。
[0073]其中，所述第二电极层所用材料是金属或合金；其中，金属是金、银、钼、钯、铝、镍、铜、钛、铬、硒、铁、猛、钥、鹤或钥;；合金是招合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、猛合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、秘合金、铟合金、镓合金、鹤合金、钥合金、银合金或钽合金。
[0074]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也能提高能量输出。因此，上述的摩擦发电机主要通过金属(第二电极层113)与聚合物(第一高分子聚合物绝缘层112)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，使第二电极层113与第一电极层111之间形成感应电场，从而产生电压或电流。
[0075]实施例二、
[0076]摩擦发电机的第二种结构如图7a和图7b所不。图7a和图7b分别不出了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。该摩擦发电机包括:依次层叠设置的第一电极层211，第一高分子聚合物绝缘层212，第二高分子聚合物绝缘层214以及第二电极层213。具体地，第一电极层211设置在第一高分子聚合物绝缘层212的第一侧表面上；第二电极层213设置在第二高分子聚合物绝缘层214的第一侧表面上；第一高分子聚合物绝缘层212的第二侧表面与第二高分子聚合物绝缘层214的第二侧表面相对设置，第一高分子聚合物绝缘层212和第二高分子聚合物绝缘层214之间形成摩擦界面，第一电极层211和第二电极层213构成摩擦发电机的信号输出端。
[0077]为了提高摩擦发电机的发电能力，所述第一高分子聚合物绝缘层212和第二高分子聚合物绝缘层214相对设置的两个面中的至少一个面上设有微纳结构220。因此，当摩擦发电机受到挤压时，所述第一高分子聚合物绝缘层212与第二高分子聚合物绝缘层214的相对表面能够更好地接触摩擦，并在第一电极层211和第二电极层213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。
[0078]图7a和图7b所示的摩擦发电机的工作原理与图6a和图6b所示的摩擦发电机的工作原理类似。区别仅在于，当图7a和图7b所示的摩擦发电机的各层受到挤压时，是由第一高分子聚合物绝缘层212与第二高分子聚合物绝缘层214的表面相互摩擦来产生静电荷的。因此，关于图7a和图7b所示的摩擦发电机的工作原理此处不再赘述。
[0079]图7a和图7b所示的摩擦发电机主要通过聚合物(第一高分子聚合物绝缘层212)与聚合物(第二高分子聚合物绝缘层214)之间的摩擦来产生电信号。
[0080]下面具体介绍一下实施例二中的摩擦发电机的材质。其中，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分别为选自聚酰亚胺薄膜、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、纤维素海绵薄膜、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任意一种。其中，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的材质可以相同，也可以不同。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。优选地，所述第一高分子聚合物绝缘层与所述第二高分子聚合物绝缘层材质不同。
[0081]其中，所述第一电极层和第二电极层所用材料是铟锡氧化物、石墨烯、银纳米线膜、金属或合金；其中，金属是金、银、钼、钯、铝、镍、铜、钛、铬、硒、铁、锰、钥、钨或钒；合金是招合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、猛合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、秘合金、铟合金、镓合金、鹤合金、钥合金、银合金或钽合金。
[0082]实施例三、
[0083]除了上述两种结构外，摩擦发电机还可以采用第三种结构实现，如图8a和图Sb所示。图8a和图Sb分别示出了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:第三种结构的摩擦发电机包括依次层叠设置的第一电极层311、第一高分子聚合物绝缘层312、居间薄膜层310、第二高分子聚合物绝缘层314以及第二电极层313。具体地，所述第一电极层311设置在第一高分子聚合物绝缘层312的第一侧表面上；所述第二电极层313设置在第二高分子聚合物绝缘层314的第一侧表面上，且居间薄膜层310设置在第一高分子聚合物绝缘层312的第二侧表面和第二高分子聚合物绝缘层314的第二侧表面之间，第一高分子聚合物绝缘层312和居间薄膜层310之间形成摩擦界面，和/或，第二高分子聚合物绝缘层314和居间薄膜层310之间形成摩擦界面；第一电极层311和第二电极层313构成摩擦发电机的信号输出端。
[0084]为了提高摩擦效果，所述居间薄膜层310和第一高分子聚合物绝缘层312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310和第二高分子聚合物绝缘层314相对设置的两个面中的至少一个面上设有微纳结构320，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。
[0085]在图8a和图Sb所示的实现方式中，居间薄膜层310是一层聚合物薄膜，因此实质上与图7a和图7b所示的实现方式类似，仍然是通过聚合物(居间薄膜层310)和聚合物(第一高分子聚合物绝缘层312)和/或聚合物(居间薄膜层310)和聚合物(第二高分子聚合物绝缘层314)之间的摩擦来发电的。因此，关于图8a和图8b所示的摩擦发电机的工作原理此处不再赘述。
[0086]在实施例三中，所述第一高分子聚合物绝缘层、第二高分子聚合物绝缘层和居间薄膜层分别为选自聚酰亚胺薄膜、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、纤维素海绵薄膜、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任意一种。
[0087]其中，所述第一高分子聚合物绝缘层、第二高分子聚合物绝缘层和居间薄膜层的材质可以相同，也可以不同。如果上述三层的材质都相同，会导致摩擦起电的电荷量很小。优选地，所述第一高分子聚合物绝缘层与所述居间薄膜层材质不同。第一高分子聚合物绝缘层与第二高分子聚合物绝缘层优选相同，这样能减少材料种类，使本实用新型的制作更加方便。
[0088]其中，所述第一电极层和所述第二电极层所用材料是铟锡氧化物、石墨烯、银纳米线膜、金属或合金；其中，金属是金、银、钼、钯、铝、镍、铜、钛、铬、硒、铁、锰、钥、钨或钒；合金是招合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、猛合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、秘合金、铟合金、镓合金、鹤合金、钥合金、银合金或钽合金。
[0089]实施例四、
[0090]另外，摩擦发电机还可以采用第四种结构来实现，如图9a和图9b所示，包括:依次层叠设置的第一电极层411，第一高分子聚合物绝缘层412，居间电极层410，第二高分子聚合物绝缘层414和第二电极层413 ;其中，第一电极层411设置在第一高分子聚合物绝缘层412的第一侧表面上；第二电极层413设置在第二高分子聚合物绝缘层414的第一侧表面上，所述居间电极层410设置在第一高分子聚合物绝缘层412的第二侧表面与第二高分子聚合物绝缘层414的第二侧表面之间，第一高分子聚合物绝缘层412和居间电极层410之间形成摩擦界面，和/或，第二高分子聚合物绝缘层414和居间电极层410之间形成摩擦界面，居间电极层410、第一电极层411和第二电极层413中的任意两者或三者形成摩擦发电机的信号输出端(即第一电极层411和第二电极层413串联为摩擦发电机的一个输出电极；居间电极层410为摩擦发电机的另一个输出电极或者第一电极层411、第二电极层413和居间电极层410中的任意两个作为摩擦发电机的输出电极)。
[0091]为了提高摩擦效果，第一高分子聚合物绝缘层412相对居间电极层410的面和居间电极层410相对第一高分子聚合物绝缘层412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414相对居间电极层410的面和居间电极层410相对第二高分子聚合物绝缘层414的面中的至少一个面上设置有微纳结构(图未示)。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。
[0092]图9a和图9b所示的摩擦发电机的工作原理与图8a和图8b所示的摩擦发电机的工作原理类似。区别仅在于，当图9a和图9b所示的摩擦发电机的各层弯曲时，是由居间电极层410与第一高分子聚合物绝缘层412和/或居间电极层410与第二高分子聚合物绝缘层414的表面相互摩擦来产生静电荷的。因此，关于图9a和图9b所示的摩擦发电机的工作原理此处不再赘述。
[0093]在实施例四中，所述第一高分子聚合物绝缘层、第二高分子聚合物绝缘层分别为选自聚酰亚胺薄膜、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、纤维素海绵薄膜、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任意一种。
[0094]其中，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材质可以相同，也可以不同。优选的，第一高分子聚合物绝缘层与第二高分子聚合物绝缘层相同，能减少材料种类，使本实用新型的制作更加方便。
[0095]其中，所述第一电极层和所述第二电极层所用材料是铟锡氧化物、石墨烯、银纳米线膜、金属或合金；其中，金属是金、银、钼、钯、铝、镍、铜、钛、铬、硒、铁、锰、钥、钨或钒；合金是招合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、猛合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、秘合金、铟合金、镓合金、鹤合金、钥合金、银合金或钽合金。
[0096]其中，居间电极层所用材料是金属或合金；其中，金属是金、银、钼、钯、铝、镍、铜、钛、铬、硒、铁、猛、钥、鹤或钥;；合金是招合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、猛合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、秘合金、铟合金、镓合金、鹤合金、钥合金、银合金或钽
I=1-Wl O
[0097]本实用新型提供的无线自供电计步鞋和计步系统，采用摩擦发电机进行供电，只要用户进行踩压摩擦就能产生电能为自供电计步鞋进行供电。不仅省却了电池没电之后需要更换所带来的麻烦，并且解决了电池电量用完后不能进行供电的问题。所以本实用新型提供的无线自供电计步鞋可以实现自供电功能，替代现有电池供电，极大地节约了资源，保护了环境。
[0098]而且，本实用新型通过将摩擦发电机设置在鞋体的内部，直接将用户踩踏鞋体的机械能转化为电能，准确反映了用户的运动情况；通过终端完成用户的运动数据计算和显示，能使用户准确地了解身体状况，提升了用户体验。此外，本实用新型提供的无线自供电计步系统体积小、重量轻，所有模块都设置在鞋体内部，携带方便，为用户的使用带来了极大方便。
[0099]本领域技术人员应该理解，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。
[0100]显然，本领域的技术人员可以对实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。
【权利要求】
1.一种无线自供电计步鞋，包括鞋体，其特征在于，所述鞋体内进一步包括: 至少一个摩擦发电机，将机械能转化为电能； 储能模块，与所述至少一个摩擦发电机相连，将所述摩擦发电机产生的电能进行存储； 开关模块，与所述储能模块相连，在检测到所述储能模块中存储的电能大于或等于预设阈值时输出电能； 处理模块，与所述开关模块相连，将所述开关模块输出电能的次数作为计步数据并存储； 无线通信模块，与所述处理模块相连，从所述处理模块接收计步数据并将所述计步数据发送给外部的终端设备。
2.根据权利要求1所述的计步鞋，其特征在于，在计步结束后所述处理模块接收终端设备以无线方式提供的电能，并利用该电能将计步数据传输给所述无线通信模块； 在计步结束后所述无线通信模块接收终端设备以无线方式提供的电能，并利用该电能将所述计步数据传输给所述终端设备。
3.根据权利要求 1所述的计步鞋，其特征在于，所述开关模块在输出电能时向所述处理模块提供电能，由所述处理模块向所述无线通信模块提供电能，使所述处理模块将计步数据传输给所述无线通信模块，所述无线通信模块存储所述计步数据； 在计步结束后所述无线通信模块接收终端设备以无线方式提供的电能，并利用该电能将所述计步数据传输给所述终端设备。
4.根据权利要求1所述的计步鞋，其特征在于，所述无线通信模块为NFC无线通信模块、RFID无线通信模块或蓝牙通信模块。
5.根据权利要求1所述的计步鞋，其特征在于，所述运动数据包括以下数据的一种或多种:运动步数，运动距离和消耗热量。
6.根据权利要求1所述的计步鞋，其特征在于，所述储能模块包括: 整流电路，与所述摩擦发电机的输出端相连，将所述摩擦发电机输出的电信号进行整流处理； 滤波电路，与所述整流电路相连，将所述整流电路输出的单向脉冲的直流电进行滤波处理而得到直流电信号； 储能元件，与所述滤波电路相连，对所述滤波电路输出的直流电信号进行存储。
7.根据权利要求1所述的计步鞋，其特征在于，所述摩擦发电机的数量为多个，多个摩擦发电机以层叠方式和/或平铺方式设置在所述计步鞋内部，且多个摩擦发电机之间通过串联和/或并联方式连接。
8.根据权利要求1所述的计步鞋，其特征在于，所述摩擦发电机包括:依次层叠设置的第一电极层，第一高分子聚合物绝缘层，以及第二电极层；其中，所述第一电极层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与所述第二电极层相对设置，其中，所述第一高分子聚合物绝缘层和所述第二电极层之间形成摩擦界面，所述第一电极层和所述第二电极层作为所述摩擦发电机的两个输出端。
9.根据权利要求1所述的计步鞋，其特征在于，所述摩擦发电机包括:依次层叠设置的第一电极层，第一高分子聚合物绝缘层，第二高分子聚合物绝缘层，以及第二电极层；其中，所述第一电极层设置在所述第一高分子聚合物绝缘层的第一侧表面上，所述第二电极层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相对设置，其中，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形成摩擦界面，所述第一电极层和所述第二电极层作为所述摩擦发电机的两个输出端。
10.根据权利要求1所述的计步鞋，其特征在于，所述摩擦发电机包括:依次层叠设置的第一电极层，第一高分子聚合物绝缘层，居间薄膜层，第二高分子聚合物绝缘层，以及第二电极层；其中，所述第一电极层设置在所述第一高分子聚合物绝缘层的第一侧表面上，所述第二电极层设置在所述第二高分子聚合物绝缘层的第一侧表面上，且所述居间薄膜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； 其中，所述第一高分子聚合物绝缘层和所述居间薄膜层之间形成摩擦界面，和/或，所述第二高分子聚合物绝缘层和所述居间薄膜层之间形成摩擦界面，所述第一电极层和所述第二电极层作为所述摩擦发电机的两个输出端。
11.根据权利要求1所述的计步鞋，其特征在于，所述摩擦发电机包括:依次层叠设置的第一电极层，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，以及第二电极层；其中，所述第一电极层设置在所述第一高分子聚合物绝缘层的第一侧表面上，所述第二电极层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； 其中，所述第一高分子聚合物绝缘层和所述居间电极层之间形成摩擦界面，和/或，所述第二高分子聚合物绝缘层和所述居间电极层之间形成摩擦界面；所述第一电极层和第二电极层串联为所述摩擦发电机的一个输出端，所述居间电极层为所述摩擦发电机的另一个输出端。
12.根据权利要求8-11任一项所述的计步鞋，其特征在于，形成所述摩擦界面的两个表面中的任一个表面设有微纳结构。
13.一种无线自供电计步系统，其特征在于，包括权利要求1-12中任一项所述的计步鞋，还包括:终端设备。
【文档编号】A43B3/00GK203709361SQ201320743994
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2013年11月22日 优先权日:2013年11月22日
【发明者】程驰, 刘永生, 马志海, 邱霄, 孙晓雅, 王小雄, 亚瑟·罗杰斯, 尤里斯·巴里斯, 吴振海, 段先胜, 吴宝荣 申请人:纳米新能源（唐山）有限责任公司