基于Arduino軟件的智能鞋子設計

許鐘，紀昕洋，馬晴

（沈陽城市建設學院，遼寧沈陽，110067）

1 鞋子創新功能概述

1.1 冬天鞋的加熱

冬天在戶外會覺著腳冷，即便穿了加絨的鞋有時也會冷，有人找到商機利用氧化反應原理，做出類似“暖寶寶”的產品，可這種方式產生的熱不能很好掌控，存在前期熱后期涼的現象，同時氧化反應不可逆，會對資源造成浪費。因此，想到用加熱電阻絲提供熱量，利用溫感器對溫度進行監測反饋，自動調節電阻絲中電流，可解決發熱量前期多后期少及環境污染的問題。

1.2 能量的部分回收

走路時雙腳交替，大量機械能消散在了空氣中，我們可以對能量進行適當的回收，提高能量的使用率。我們想到在鞋內側裝上線圈和強磁鐵及儲能裝備。走路時利用兩腳的交替可進行切割磁感線運動產生電流，再對線圈中的電進行儲存，可用于智能鞋子的工作運行，減少能量的損耗。

1.3 抖腿的矯正

根據研究適當的抖腿可以緩解緊張、促進血液循環，但過度抖腿則會危害人的健康。因而我們想到監測人抖腿時鞋子抖動頻率，當過度抖腿時進行提醒矯正。

2 智能鞋子使用的原理概述

2.1 防抖腿系統包括Arduino芯片和MPU-6050模塊

2.1.1 MPU-6050模塊原理圖

陀螺儀作為角速度測量儀器，又叫角速度傳感器，是不同于加速度計的，它的測量物理量是偏轉，傾斜時的轉動角速度。

加速度傳感器是一種能測量加速度的傳感器。常由質量塊、阻尼器、彈性元件、敏感元件和適調電路等部分組成。傳感器在加速過程中，通過對質量塊所受慣性力的測量，利用牛頓第二定律獲得加速度值。

磁力傳感器用于輔助測量使得所測量的數據更加的準確真實可靠。

2.1.2 Arduino原理

Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺。包含硬件（各種型號的Arduino板）和軟件（Arduino IDE)。它構建于開放原始碼simple I/O介面版，并且具有使用類似Java、C語言的Processing/Wiring開發環境。主要包含兩個主要的部分：硬件部分是可以用來做電路連接的Arduino電路板；另外一個則是Arduino IDE，是指你的計算機中的程序開發環境。只要在IDE中編寫程序代碼，將程序上傳到Arduino電路板后，程序便會告訴Arduino電路板需要如何工作。Arduino能通過各種各樣的傳感器來感知環境，通過控制燈光、馬達和其他的裝置來反饋、影響環境。板子上的微控制器可以通過Arduino的編程語言來編寫程序，編譯成二進制文件，燒錄進微控制器．

2.1.3 防抖腿設計

防抖腿設計基于Arduino的防抖腿系統，硬件部分Arduino芯片和MPU－6050模塊為核心，設計外圍電路。硬件平臺的建立是系統最關鍵的問題，先設計系統電路圖，并通過仿真軟件進行仿真，仿真通過后進行硬件的連接。對抖動頻率和幅度進行算法研究，并寫出相關程序，反復調試后寫入Arduino芯片。對抖腿頻率的算法，先是學習階段，采集抖腿樣本生成統計數據，將相關的信息存入抖腿特征數據庫。然后是識別階段，取出待識別的樣本數據，進行特征提取，最后與抖腿特征數據庫中的特征相匹配判斷是否提醒。

硬件和軟件仿真之后進行軟硬件調試，在抖腿頻率識別時將被識別的頻率特征與樣本庫中的數據進行比對，找到識別結果，使系統達到一定的準確性。

2.2 鞋子的智能加熱

2.2.1 電源的選擇

對于電源的選擇，我們選擇了鋰電池。鋰電池具有電壓高，重量輕等特點。一個單體電池平均電壓能達3.7V或者3.2V相對等于2-4個鎳氫電池或鎳隔電池的串聯電壓。同時鋰電池的能量和密度針對其它電池也很高。鋰電池具有高儲能量密度，目前常用的鋰電池密度可達到450-620Wh/kg。鋰電池的使用時間壽命很長，一只鋰電池使用壽命如果不發生意外的情況下可以使用6年以上，長達9年。正常的使用次數在1K次以上。鋰電池環保且不含鉛、汞、鎘等有害物質。因此，選擇鋰電池成了最合理的選擇。

2.2.2 熱能的產生及溫度的控制

發熱源選擇了電熱絲，電熱絲通電后會產生熱量。對于溫度的控制利用Arduino模塊板上的溫度監控模塊，建立所需的近似數學模型通過數字仿真表明該方法對溫度對象的控制具有超調小、反應快等特點。在此基礎上，用階躍信號做激勵，辨識出系統的數學模型。進行不斷的調整建立出所需模型并進行應用。

2.3 能量回收原理

利用電磁感應原理，在鞋內側裝強磁鐵,強磁鐵外側設有線圈,線圈通過二極管整流橋與穩壓模塊相連,穩壓模塊與移動電源相連,移動電源通過放電電路與用電設備相連，就能實現機械能的合理儲存和使用。

3 結論

本文針對當前剛剛開始火熱的智能鞋子的理論，考慮到其系統的復雜性，難以得到精確的數學模型的問題。因此在研究了鞋子的一些可行性功能后，提出了一些相應的解決辦法。希望通過在智能鞋子方面一些新奇的想法，喚起對鞋子創新功能的想象。