趙君偉

（北京科技大學(xué)，北京 100083）

基于藍(lán)牙4.0無線數(shù)據(jù)通信的智能冬暖鞋

趙君偉

（北京科技大學(xué)，北京 100083）

編者按：2015年9月20日，首屆“薩馳杯”智能科技創(chuàng)新大賽決賽在蘇州大學(xué)敬賢堂成功舉辦。大賽由薩馳華辰機(jī)械（蘇州）有限公司主辦，中國(guó)石油和化工勘察設(shè)計(jì)協(xié)會(huì)橡膠塑料設(shè)計(jì)專業(yè)委員會(huì)、中國(guó)橡膠工業(yè)協(xié)會(huì)機(jī)械模具分會(huì)、《橡塑技術(shù)與裝備》雜志社、上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院、哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院、東南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院、蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院、青島科技大學(xué)、西門子工廠自動(dòng)化工程有限公司及羅克韋爾自動(dòng)化（中國(guó)）有限公司共同協(xié)辦。

為共同促進(jìn)我國(guó)科技教育多元化，實(shí)現(xiàn)中國(guó)制造2025的中長(zhǎng)期目標(biāo)提供有力的支持，促進(jìn)企業(yè)文化活躍橡塑行業(yè)科技文化事業(yè)發(fā)展。本刊將分期連續(xù)選登參賽作品，以供業(yè)內(nèi)人士全方位、寬領(lǐng)域了解科技發(fā)展動(dòng)態(tài)。

壓電陶瓷是一種新型材料，當(dāng)受到外力擠壓時(shí)，可以產(chǎn)生電壓。利用這種特性，可以將壓電陶瓷安置在鞋子當(dāng)中，把人們行走過程中的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，并通過電能加熱鞋子內(nèi)的電熱絲，實(shí)現(xiàn)暖鞋的功效。同時(shí)，隨著藍(lán)牙技術(shù)的推廣，其應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大。將藍(lán)牙通訊技術(shù)運(yùn)用在智能冬暖鞋之中，人們便可以通過手機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)鞋子的控制，極大的方便人們的生活。

壓電陶瓷；藍(lán)牙通訊技術(shù)；冬暖鞋

1 項(xiàng)目背景

1.1 身體健康

現(xiàn)如今，人人都倡導(dǎo)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(shè)定一個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，比如每天至少要走多少步，計(jì)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(jié)，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(gè)穴位，按摩則可以促進(jìn)腳部的血液循環(huán)以及人的新陳代謝。設(shè)想如果有一雙鞋子，可以自動(dòng)加熱和保暖并自帶按摩功能，隨時(shí)隨地實(shí)現(xiàn)足底按摩，必將使人們擁有更加健康的身體。

1.2 環(huán)保節(jié)能

隨著化石燃料的大量使用，環(huán)境污染越來越嚴(yán)重，人們開始尋找可替代的清潔能源，比如太陽(yáng)能、風(fēng)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(zhì)量輕，價(jià)格低的特點(diǎn)，而且利用其壓電特性可以將各種機(jī)械能（比如人在行走中產(chǎn)生的機(jī)械能）輕松的轉(zhuǎn)化為電能，如果能有效并廣泛利用這部分能量，既環(huán)保又節(jié)約能耗。

1.3 藍(lán)牙技術(shù)

藍(lán)牙技術(shù)在不斷發(fā)展，目前已經(jīng)有藍(lán)牙4.0問世，其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大。隨著版本的不斷升級(jí)，藍(lán)牙的節(jié)電效果日益顯著，其極低的運(yùn)行和待機(jī)功耗可以使一粒紐扣電池連續(xù)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(yīng)用于眾多領(lǐng)域。

1.4 日常生活

在嘈雜的公共場(chǎng)所（比如擁擠的公交車、地鐵或繁華的商業(yè)街道），人們很難感覺到口袋中手機(jī)的振動(dòng)或聽到手機(jī)鈴聲，因而時(shí)常會(huì)因?yàn)檠诱`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(gè)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(shí)鞋子是暖和的，然而目前市面上還沒有可以提前自動(dòng)加熱的鞋子。

圖1 系統(tǒng)硬件組成圖

2 冬暖鞋整體介紹

2.1 整體設(shè)計(jì)

這是一種與手機(jī)相關(guān)聯(lián)的多功能鞋。鞋底內(nèi)置控制芯片和多個(gè)傳感器，具有在鞋底自動(dòng)加熱和振動(dòng)按摩的功能，解決在寒冬時(shí)節(jié)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(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，使電熱絲加熱給鞋子供暖。當(dāng)加熱溫度過高時(shí)，停止電熱絲加熱，轉(zhuǎn)至給內(nèi)置鋰電池充電。除此之外，通過藍(lán)牙無線數(shù)據(jù)通信，可實(shí)現(xiàn)手機(jī)對(duì)鞋子的控制。當(dāng)人們?cè)谛[嘈雜的場(chǎng)合時(shí)，來了電話或短消息經(jīng)常感覺不到手機(jī)的振動(dòng)或聲響，因而可能會(huì)延誤一些事情。所以，該鞋子可以在短信或電話到來時(shí)，在腳底產(chǎn)生振動(dòng)，以便讓人們明顯察覺。此外，使用者可通過手機(jī)隨時(shí)調(diào)節(jié)足底加熱溫度的設(shè)定值，也可設(shè)定穿鞋前的預(yù)熱時(shí)間，還可在手機(jī)上顯示走過的步數(shù)和設(shè)定足底振動(dòng)鬧鐘?？傊?，此款智能鞋子將多種實(shí)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(jié)構(gòu)介紹

鞋子上部與普通鞋子無異，區(qū)別主要是在鞋底。首先，鞋底應(yīng)選用絕緣且輕盈材質(zhì)制作，例如泡沫塑料。在鞋子底部?jī)?nèi)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(jì)、振動(dòng)器和藍(lán)牙模塊。除此之外，在鞋底內(nèi)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(gòu)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(fā)電原理模型

2.3 傳感器簡(jiǎn)介

本項(xiàng)目中使用了多種傳感器，包括藍(lán)牙模塊、三軸加速度計(jì)、溫度傳感器和振動(dòng)器。藍(lán)牙模塊型號(hào)為HC-08，是藍(lán)牙4.0產(chǎn)品。三軸加速度計(jì)型號(hào)為BMA220，通過對(duì)加速度計(jì)返回值的判斷和處理[2]，實(shí)現(xiàn)計(jì)步功能。溫度傳感器型號(hào)為DS18b20，通過單片機(jī)對(duì)溫度傳感器所采集信息的處理，實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋調(diào)節(jié)的控制。振動(dòng)器采用微型振動(dòng)電機(jī)，功耗小但振動(dòng)較為強(qiáng)烈，可以使用戶腳底產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)感。

3 壓電陶瓷在冬暖鞋加熱上的應(yīng)用

3.1 壓電陶瓷發(fā)電供熱過程綜述

人正常行走過程中，會(huì)對(duì)足底產(chǎn)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(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，利用產(chǎn)生的電能，來輔助給鞋子內(nèi)部的電熱絲供電加熱。在鞋內(nèi)溫度恒定時(shí)，其產(chǎn)生的電能給內(nèi)置鋰電池充電。

3.2 壓電陶瓷壓電特性介紹

當(dāng)沿著一定方向?qū)弘婓w施力而使它產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí)，其內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，相對(duì)的兩個(gè)表面會(huì)呈現(xiàn)異號(hào)電荷，外力與端面積愈大，則出現(xiàn)的電荷就愈多；當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷極性也隨著改變。如果將兩個(gè)表面裝上電極并用導(dǎo)線接通，變化的自由電荷便從一個(gè)極板移至另一極板，形成電流，這便是壓電效應(yīng)。[4]利用壓電效應(yīng)可將人走路時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，參見圖6、圖7。

多片壓電陶瓷片的聯(lián)接方式分并聯(lián)和串聯(lián)兩種，為了提高壓電振子的發(fā)電能力，本項(xiàng)目采用多片壓電陶瓷片的并聯(lián)接法。壓電振子的負(fù)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(shí)間常數(shù)大，適用于以電荷作為輸出量的場(chǎng)合，因此在冬暖鞋的壓電陶瓷發(fā)電模塊中采用壓電陶瓷片并聯(lián)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(qū)的間期和峰值曲線

3.4 足底受力分析

人們?cè)谛凶哌^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(guān)方面的實(shí)驗(yàn)，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(shù)據(jù)記錄了下來。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)與分析之后，我們發(fā)現(xiàn)人在站立和行走過程中，壓力主要集中在7個(gè)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理，得到以下圖線（如圖8）。

對(duì)圖中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，整理出表1。

根據(jù)表1數(shù)據(jù)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(gè)壓電陶瓷片，并采用并聯(lián)接法。

3.5 壓電陶瓷片發(fā)電效果實(shí)驗(yàn)測(cè)定

針對(duì)本項(xiàng)目所使用的壓電陶瓷片，我們就其實(shí)際發(fā)電效果的做了實(shí)驗(yàn)測(cè)定，通過實(shí)驗(yàn)來模擬人正常行走過程中的狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖9。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如下，首先，將10片壓電陶瓷片并聯(lián)疊在一起，固定在所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)中，將其平放在水平桌面上，并將其正負(fù)極的兩根引線與加熱絲連接。然后，將示波器的信號(hào)輸入端和地線分別與壓電陶瓷片正、負(fù)極引線相接，接通示波器電源并設(shè)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(shí)間，通過對(duì)示波器顯示屏上數(shù)據(jù)信息的分析，來研究壓電陶瓷片的發(fā)電實(shí)效。

實(shí)驗(yàn)中使用的物塊質(zhì)量m，彈簧的勁度系數(shù)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(shí)驗(yàn)裝置圖

圖10 （a） 實(shí)驗(yàn)圖像

圖10（b） 實(shí)驗(yàn)圖像

由(3)得

所以

再與(1)(2)聯(lián)立得

進(jìn)一步有如下方程組：

（1）根據(jù)表 1 數(shù)據(jù)可知∫dt=0.58 s，F(xiàn)max=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(qū)域應(yīng)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(jù)表 1 數(shù)據(jù)可知∫dt=0.52 s，F(xiàn)max=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(shí)驗(yàn)使用參數(shù)（1）和參數(shù)（2）分別重復(fù)操作了50次，相同參數(shù)的實(shí)驗(yàn)中，示波器上顯示的圖像每次基本相同，其實(shí)驗(yàn)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(shí)，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(fā)電周期。利用示波器上的實(shí)驗(yàn)圖形，經(jīng)過分析計(jì)算可得，參數(shù)（1）下壓電陶瓷片在一個(gè)周期內(nèi)發(fā)電電壓有效值約為0.76 V，參數(shù)（2）下壓電陶瓷片在一個(gè)周期內(nèi)發(fā)電電壓有效值約為0.63 V。

本項(xiàng)目中使用的電熱絲總長(zhǎng)度為0.5 m，單位長(zhǎng)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(fā)電源與加熱絲并聯(lián)連接，并同時(shí)將4.2 V直流鋰電池與加熱絲并聯(lián)連接。通過三個(gè)供電源并聯(lián)供電的方式，來增大電熱絲的發(fā)熱功率。具體計(jì)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(cè)定電熱絲在該功率下的實(shí)際發(fā)電效果，我們做了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如下：將內(nèi)置電熱絲的加熱鞋墊用兩塊保溫泡沫板夾住，把溫度計(jì)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(shù)。然后，將加熱絲與恒壓源連接，輸出電壓設(shè)定為4.32 V（4.32/2.5=7.446 W）。每隔30 s讀取一次溫度計(jì)上的示數(shù)，將記錄的數(shù)據(jù)整理成如圖11。

圖11 溫度與加熱時(shí)間的關(guān)系曲線

圖12 穩(wěn)壓電路圖

圖13 輸入電壓與輸出電壓關(guān)系曲線

表2 輸入電壓與輸出電壓測(cè)量數(shù)據(jù)

3.6 壓電陶瓷給鋰電池充電

當(dāng)電熱絲不工作在加熱狀態(tài)時(shí)，便通過單片機(jī)自動(dòng)控制線路開關(guān)，將壓電陶瓷片所發(fā)的電能用于給內(nèi)置鋰電池充電。由于壓電陶瓷片發(fā)電過程中電壓呈現(xiàn)脈動(dòng)狀態(tài)，并不穩(wěn)定，不適合直接給鋰電池充電。因此，我們?cè)趬弘娞沾善龢O輸出端和電池正極之間，串聯(lián)接入了穩(wěn)壓電路（如圖12）。通過該電路結(jié)構(gòu)后，輸出電壓可以穩(wěn)定在8.4 V左右。并且，該電路還具有隔離作用，當(dāng)輸入端電壓低于充電電壓8.4 V的時(shí)候，穩(wěn)壓電路呈現(xiàn)截止?fàn)顟B(tài)，防止鋰電池能量的損耗。

經(jīng)過實(shí)際電路性能測(cè)試，在圖12所示電路輸入端用恒壓源輸入一個(gè)固定數(shù)值的電壓，然后在輸出端連接電壓表，測(cè)量輸出電壓，得到如表2所示數(shù)據(jù)。

將以上數(shù)據(jù)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(dāng)輸入電壓值在10~30 V之間時(shí)，輸出電壓是穩(wěn)定的，當(dāng)壓電陶瓷發(fā)電電壓穩(wěn)定在這個(gè)范圍中時(shí)，便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)電電池的充電。當(dāng)輸入端電壓低于10 V時(shí)，穩(wěn)壓電路具有自動(dòng)斷電的作用，防止儲(chǔ)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(guān)

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

4 藍(lán)牙通信技術(shù)在冬暖鞋手機(jī)控制上的應(yīng)用

4.1 藍(lán)牙通信技術(shù)簡(jiǎn)介

圖15 藍(lán)牙

藍(lán)牙，是一種支持設(shè)備短距離通信的無線電技術(shù)。它可以使數(shù)據(jù)傳輸變得更加迅速高效。藍(lán)牙采用分散式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及快跳頻和短包技術(shù)，不需要安裝驅(qū)動(dòng)程序軟件，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)及點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信，工作在全球通用的2.4 GHz ISM頻段，數(shù)據(jù)傳輸速率為1 Mbps。[8]參見圖15。

4.2 藍(lán)牙的工作原理

（1）主從關(guān)系

藍(lán)牙技術(shù)規(guī)定每一對(duì)設(shè)備之間進(jìn)行藍(lán)牙通訊時(shí)，必須一個(gè)為主角色，另一為從角色，才能進(jìn)行通信，通信時(shí)，必須由主端進(jìn)行查找，發(fā)起配對(duì)，建鏈成功后，雙方即可收發(fā)數(shù)據(jù)。理論上，一個(gè)藍(lán)牙主端設(shè)備，可同時(shí)與7個(gè)藍(lán)牙從端設(shè)備進(jìn)行通訊。一個(gè)具備藍(lán)牙通訊功能的設(shè)備， 可以在兩個(gè)角色間切換，平時(shí)工作在從模式，等待其它主設(shè)備來連接，需要時(shí)，轉(zhuǎn)換為主模式，向其它設(shè)備發(fā)起呼叫。一個(gè)藍(lán)牙設(shè)備以主模式發(fā)起呼叫時(shí)，需要知道對(duì)方的藍(lán)牙地址，配對(duì)密碼等信息，配對(duì)完成后，可直接發(fā)起呼叫。

（2）呼叫過程

藍(lán)牙主端設(shè)備發(fā)起呼叫，首先是查找，找出周圍處于可被查找的藍(lán)牙設(shè)備。主端設(shè)備找到從端藍(lán)牙設(shè)備后，與從端藍(lán)牙設(shè)備進(jìn)行配對(duì)，此時(shí)需要輸入從端設(shè)備的PIN碼，也有設(shè)備不需要輸入PIN碼。配對(duì)完成后，從端藍(lán)牙設(shè)備會(huì)記錄主端設(shè)備的信任信息，此時(shí)主端即可向從端設(shè)備發(fā)起呼叫，已配對(duì)的設(shè)備在下次呼叫時(shí)，不再需要重新配對(duì)。已配對(duì)的設(shè)備，做為從端的藍(lán)牙耳機(jī)也可以發(fā)起建鏈請(qǐng)求，但做數(shù)據(jù)通訊的藍(lán)牙模塊一般不發(fā)起呼叫。鏈路建立成功后，主從兩端之間即可進(jìn)行雙向的數(shù)據(jù)或語(yǔ)音通訊。在通信狀態(tài)下，主端和從端設(shè)備都可以發(fā)起斷鏈，斷開藍(lán)牙鏈路。

（3）數(shù)據(jù)傳輸

藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用中，一對(duì)一串口數(shù)據(jù)通訊是最常見的應(yīng)用之一，藍(lán)牙設(shè)備在出廠前即提前設(shè)好兩個(gè)藍(lán)牙設(shè)備之間的配對(duì)信息，主端預(yù)存有從端設(shè)備的PIN碼、地址等，兩端設(shè)備加電即自動(dòng)建鏈，透明串口傳輸，無需外圍電路干預(yù)。一對(duì)一應(yīng)用中從端設(shè)備可以設(shè)為兩種類型，一是靜默狀態(tài)，即只能與指定的主端通信，不被別的藍(lán)牙設(shè)備查找；二是開發(fā)狀態(tài)，既可被指定主端查找，也可以被別的藍(lán)牙設(shè)備查找建鏈。

4.3 本項(xiàng)目中使用的藍(lán)牙模塊參數(shù)介紹

頻率：2.4 Ghz ISM band

圖16 藍(lán)牙連接提示框

調(diào)制方式：GFSK

發(fā)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(lán)牙通信技術(shù)在產(chǎn)品中的應(yīng)用

在本項(xiàng)目中，我們使用Eclipse編程軟件進(jìn)行Android開發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)手機(jī)藍(lán)牙與冬暖鞋中藍(lán)牙的通信[9]。當(dāng)用戶打開手機(jī)軟件時(shí)，藍(lán)牙連接提示框會(huì)自動(dòng)打開（如圖16），用戶點(diǎn)擊自己冬暖鞋的藍(lán)牙并可連接上。具體實(shí)現(xiàn)方法以及軟件的詳細(xì)介紹如下：

（1）加熱 。在加熱界面上，可實(shí)現(xiàn)加熱和預(yù)熱功能。加熱功能包括顯示當(dāng)前鞋子溫度以及預(yù)定溫度。預(yù)熱功能包括定時(shí)預(yù)熱和即時(shí)預(yù)熱。當(dāng)加熱功能旁的按鈕處在開啟狀態(tài)，表示該功能可用，否則停止加熱。

a.當(dāng)前溫度。在程序中，為“刷新”按鈕綁定監(jiān)聽事件，當(dāng)單擊該按鈕時(shí)，手機(jī)軟件通過藍(lán)牙發(fā)送標(biāo)志字符串“10+”，冬暖鞋中的藍(lán)牙接收到該標(biāo)志字符時(shí)，返回當(dāng)前冬暖鞋溫度值并顯示在手機(jī)軟件界面。

b.預(yù)定溫度。在程序中，為“提交”按鈕綁定監(jiān)聽事件，用戶可輸入預(yù)定溫度值并單擊該按鈕，溫度的設(shè)置范圍為0~35 ℃，若設(shè)置溫度不在此范圍，軟件會(huì)彈窗提示“溫度值無效，請(qǐng)重新輸入”，當(dāng)輸入的溫度值有效時(shí)，手機(jī)軟件通過藍(lán)牙發(fā)送字符串“11+溫度值”，即在所設(shè)定的溫度值前自動(dòng)添加字符串“11+”作為標(biāo)志符（如溫度設(shè)定值為30 ℃，則發(fā)送的字符串為“11+30”）。冬暖鞋中的藍(lán)牙接收到該字符串時(shí)，會(huì)將“11+”后面的字符作為溫度值設(shè)為當(dāng)前。

c.定時(shí)預(yù)熱。在程序中為“設(shè)置完成”按鈕綁定監(jiān)聽事件，當(dāng)開關(guān)處在開啟狀態(tài)時(shí)，用戶可設(shè)置預(yù)熱時(shí)刻，設(shè)置完成后，點(diǎn)擊“設(shè)置完成”按鈕，手機(jī)軟件通過藍(lán)牙發(fā)送字符串“13+預(yù)熱時(shí)刻”，冬暖鞋將在預(yù)熱時(shí)刻開始加熱。

d.即時(shí)預(yù)熱。在程序中為“啟動(dòng)”按鈕綁定監(jiān)聽事件，當(dāng)用戶點(diǎn)擊該按鈕時(shí)，手機(jī)軟件發(fā)送字符串“14+”，冬暖鞋立即開始加熱。

（2）監(jiān)聽手機(jī)來電和短信。在程序中，獲取“READ_PHONE_STATE”和“RECEIVE_SMS”權(quán)限，然后在接收到廣播后注冊(cè)來電和短信監(jiān)聽，當(dāng)手機(jī)接收到來電或短信，手機(jī)軟件會(huì)發(fā)送標(biāo)志字符串“20+”，冬暖鞋中的藍(lán)牙接收到該標(biāo)志字符時(shí)，震動(dòng)模塊的電機(jī)將開始工作。當(dāng)來電被接聽或掛斷或者短信被查看，手機(jī)軟件將發(fā)送標(biāo)志字符串“21+”，電機(jī)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(jiān)聽事件，用戶可設(shè)定按摩時(shí)長(zhǎng)以及按摩模式，其中按摩模式分為“連續(xù)”和“間斷”，設(shè)定完成后點(diǎn)擊“提交”按鈕，手機(jī)軟件將發(fā)送字符串“31+按摩時(shí)長(zhǎng)”、“32+按摩模式的代碼”。冬暖鞋接收到數(shù)據(jù)后將作出響應(yīng)。

圖17 加熱界面

圖18 按摩界面

圖19 鬧鐘界面

圖20 計(jì)步界面

（4）鬧鐘。如圖19為“鬧鐘”界面，在程序中，為開關(guān)按鈕綁定監(jiān)聽事件，用戶可自己設(shè)定鬧鐘時(shí)間，然后點(diǎn)擊“開關(guān)按鈕，手機(jī)軟件將發(fā)送字符串“40+當(dāng)前時(shí)間”，等待單片機(jī)響應(yīng)，若返回值為“1”，則說明單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)間已和手機(jī)系統(tǒng)時(shí)間同步，再發(fā)送字符串“41+設(shè)定時(shí)間”，鬧鐘即設(shè)置完成。

（5）計(jì)步。如圖20，當(dāng)開啟計(jì)步界面時(shí)，軟件自動(dòng)發(fā)送字符串“50+”給冬暖鞋的藍(lán)牙，冬暖鞋即將今天截止到目前為止行走的總步數(shù)返回給手機(jī)軟件并顯示。此外，用戶還可以自定義計(jì)步，在自定義模式下，用戶可以知道自己在某一段時(shí)間內(nèi)走過的步數(shù)。

（6）由于按摩、鬧鐘、來電監(jiān)聽功能都將使用電機(jī)，當(dāng)發(fā)生沖突時(shí)，優(yōu)先級(jí)順序?yàn)榘茨Γ瑏黼姳O(jiān)聽，鬧鐘。

5 項(xiàng)目應(yīng)用前景

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的這款自發(fā)熱冬暖鞋有效節(jié)約了能源（電能），使人運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的機(jī)械能得到了充分的利用，同時(shí)也解決北方地區(qū)人們?cè)诙就獬鰰r(shí)腳部寒冷的問題。該項(xiàng)目運(yùn)用壓電陶瓷的特性來為冬暖鞋提供能源，在設(shè)計(jì)的過程中，本項(xiàng)目將最高電壓控制在36 V以下，沒有危險(xiǎn)性，又節(jié)能環(huán)保。其內(nèi)部設(shè)有溫控電路，適合長(zhǎng)時(shí)間穿著，保持較穩(wěn)定的溫度，讓人感覺舒適。而且，隨著智能設(shè)備的逐步發(fā)展，可穿戴式設(shè)備會(huì)逐漸貼近我們的生活，通過鞋底內(nèi)的藍(lán)牙模塊使鞋與手機(jī)進(jìn)行信息交互，顯示鞋內(nèi)溫度、設(shè)定鞋內(nèi)溫度；安置加速度計(jì)提供計(jì)步功能；加入振動(dòng)模塊可以在手機(jī)來電話或短信時(shí)振動(dòng)提示，防止在公交車等嘈雜環(huán)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(jī)設(shè)定振動(dòng)鬧鐘，在穿鞋前進(jìn)行預(yù)熱。

集多種實(shí)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(shè)計(jì)并制作此款智能鞋子的目的。該鞋總體造價(jià)不高，僅在普通鞋的基礎(chǔ)上增加了約100元的器材費(fèi)，制作工藝也并不復(fù)雜。加之目前市面上并未出現(xiàn)類似的產(chǎn)品，所以，預(yù)計(jì)該款智能鞋子具有良好的市場(chǎng)前景，適合進(jìn)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(xué)生，測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)，已獲兩項(xiàng)專利。

2015-10-26