智能運動發電移動電源的設計研究

程禹諾 鐘廈 楊青 姜楠

摘要：綠色產品設計是當今時代的設計趨勢以及主題，在產品設計中設計師應當注重其環保性以及可持續性。隨著通過健身鍛煉來保持身體健康的觀念深入人心，人們逐步掀起了一股“健身熱”，這不僅僅是為了身體素質發展，更是對自我的約束和自身價值的實現。本文闡述了能源循環利用與健身器材的可結合性，基于運動發電，軟硬件結合的可穿戴式運動設備。

關鍵詞：綠色;可持續性;健身;運動發電;智能;可穿戴

中圖分類號：TB472文獻標識碼：A

文章編碼：1672—7053（2019）05—0146—02

Abstract ： Green product design is the design trend and theme of the moderner. Designers should pay attention to environmental protection and sustainability in product design. With the concept of maintaining physical health through fitness exercises， people have gradually set off a“fitness fever”， which is not only for the development of physical fitness， but also for the self-constraints and the realization of their own values. This article describes the combination of energy recycling and fitness equipment， based on sports power generation， hardware and software combined wearable sports equipment.

Key Words ： Green; sustainability; fitness; sports power generation; intelligence; wearable

隨著國內經濟水平以及人們生活水平的提高，人們對于運動、健康、形體要求提升了一個新的高度，繼而“馬甲線”等健身熱詞成為大家相互追逐的身材。同時，對于健身時間安排也更加緊迫，健身器械逐步開拓了一定的市場。根據能量守恒定律，人們在運動時消耗的大量能量可以轉化為電能，加以回收利用，可實現器械自身用電以及短暫供電，這將節省一定的能源消耗，達到節能的目的，踐行“厲行節約，從一度電做起”的意識。如何將健身運動與環保節能結合起來，在鍛煉的同時，節約能源，保護環境是我們應該探究的問題。健身發電器材在使用過程中存在下列幾個問題，由于健身者有男女老幼之分，身體狀況存在差異，且健身的不同階段所需要的運動強度也有所不同，所以健身器材需要強度可調，滿足健身者的不同健身需要。

1 研究背景

英國一家能源公司曾設計了一種地板系統，將人們日常生活中的機械能，轉化成為電能，既能提高能量循環的效率，又是對環保的有力支持，具體是在彈性地磚下裝配電磁發電機，通過傳感器來帶動機器。即是閉合電路的一部分導體做切割磁感線運動時，在導體上就會產生電流，地面上鋪滿了電磁感應器，當我們踩踏這塊地磚時，地磚會產生輕微的下沉，向下壓縮大約5mm，讓每走一步運動產生的能量，通過能量轉化傳輸給照明系統。實驗證明，每塊發電地磚踩一步將發電5W，產生的電能約有5%用于LED供電。這款發電地磚的特點是將生活中的碎片能量收集起來，實現能量的有效轉化。

在物聯網，大數據和人工智能支撐下，人們的生活已經可以進行系統感知，全面分析處理。智能聯網設備能夠通過傳感器，全面檢測產品狀況，運作與外在環境。可穿戴設備能夠將穿戴者以及周圍環境作為物聯網的一部分來處理。例如，使用可穿戴設備能夠記錄穿戴者的健康狀況、運動后的運動量，通過智能手機，起到了感測與反饋的作用。只要采用了可穿戴設備，物聯網服務就會分析設備獲取信息，將分析結果再次返回給可穿戴設備，實現身體健康狀態的可視化。

2 智能運動發電移動電源的設計技術背景支持

（1）運動發電機構：呈空心環狀結構，所述空心環狀結構的外部纏繞導電線圈，所述空心環狀結構的內部活動放置有磁鐵，所述磁鐵在所述空心環狀結構的內部運動的狀態下，所述導電線圈產生感應電流;（2）超級電容：與所述運動發電機構連接，獲取所述感應電流;（3）充電管理模塊：所述超級電容通過所述充電管理模塊連接外部充電接口，在電量低于預定值的情況下允許外接充電器對所述超級電容充電;（4）電源管理模塊：所述超級電容通過所述電源管理模塊連接后端智能系統，將所述超級電容中的電能按照后端智能系統的電壓要求來做轉換并輸出。所述運動發電機構與所述超級電容之間連接有整流二極管;（5）LTE Category M1：借助WAN，物聯網設備可以擺脫對手機的依賴;（6）Bluetooth mesh：藍牙網狀網路可推動機器人、工業自動化、能源管理、智慧城市應用以及其他工業物聯網的發展;（7）物聯網系統單晶片：允許產品添加傳感器和交互界面來構建其硬件系統;（8）生物傳感器：檢測人體健康數據、心臟活動等生物傳感器。

3 智能運動發電移動電源的設計目標及主要內容

（1）實現移動電源設備與運動監測系統的結合，以及使用方式物理結構的整合創新，提供更加高效、準確且友好的人機交互操作方式和圖形界面;（2）高保真DEMO原型用戶體驗操作動作出錯率盡可能減小;（3）對使用者從開始使用運動自發電移動電源到使用結束的完整過程進行調研，旨在為用戶提供更智能、更易操作的用戶體驗。

4 智能運動發電移動電源的設計特色

項目特色主要在功能、外觀和技術原理上進行創新性設計，優化了拉伸式移動電源的運動方式。另外基于生物電流智能感應等技術，進行運動監測反饋系統設計，防止用戶在健身運動過程中沒注意運動量的大小而產生肌肉疲乏，有甚著造成肌肉拉傷等情況，極大地提升用戶體驗，保障了用戶使用產品的安全性。5智能運動發電移動電源產品的操作流程設在運動之前，打開智能運動發電移動電源的開關，進入設置界面。然后打開藍牙，與移動端（手機）連接配對。配對成功后，，打開手機里對應的app，選擇運動模式和運動強度后即可針對性地開始健：身訓練。用戶需要將移動電源綁定在身體的運動部位上（腿、手臂等）同時移動端實時記錄用戶運動時的各種參數，并進行智能AI分析，對用戶的健身情況進行全面地分析。達到一定的運動量之后，智能運動發電移動電源會通過震動、發生提示音等物理反饋告知用戶，即停止鍛煉。用戶此時便可摘下智能運動發電移動電源，并可打開手機app查看運動情況，各類可視化參數都詳細地呈現在界面上，用戶可以選擇“智能推薦”，根據系統分析報告推薦出用戶最佳的健身方式及健身時長。蓄滿電的移動電源同時能夠給各類小型耗電產品提供電能，通過數據線和USB接口就能滿足供電需求。

1） OLED觸摸屏：采用非常薄的有機材料涂層和玻璃基板，相比于傳統的LCD不同，OLED觸摸屏更輕薄，可視角度更大，更加顯著的節省耗電。

2） USB接口：屬于輸出端口，能通過數據線給耗電設備提供持續的電流輸入。

3） 綁帶：由彈力硅膠制成，質地柔和，不會與人體皮膚發生排斥反應，抗氧化抗腐蝕，結實耐用。

4） 松緊調節器：能自由地調節綁帶的松緊，用戶可根據自身實際情況來調節松緊程度，以達到最佳的舒適度。

6 智能運動發電移動電源的移動端用戶界面設計

交互界面應遵循人性化的設計原則，基于用戶的思維和工作模式。

移動端APP主要由運動、蓄電、充電三個功能板塊構成。運動模塊包括了運動記錄、數據整合、數據分析、計劃制定、方式推薦等功能，個性化地為用戶提供了技術分析和技術參考，讓用戶能用更科學的方式健身運動;蓄電模塊主要是利用了用戶在運動過程中產生的電能，為智能運動發電移動電源設備蓄電，電量會不斷累計在蓄電池里面，而且會實時地展示在移動電源和移動端（手機app）上，提示用戶達成運動目標;充電模塊屬于輸出設備，用戶運動結束后取下智能運動發電移動電源，通過數據線外接耗電設備，按下電源按鈕就能為其充電。低保真界面（如圖3）。

用戶通過無線WLAN或藍牙與穿戴設備連接，對產品進行數據檢測，運動記錄及分析，即時有效地生成運動記錄表，用戶在運動過程中產生的電量將實時的反饋至app，也可設定個性化運動時間表，將感興趣的課程添加入“我的課程”，可進行打卡等設定小目標。還可以和好友互動，在社交平臺上分享自己的綠色生活。高保真界面如圖4。

7 結語

研究問題：本文探討了有關健身運動與能源循環的可結合性。一是作為運動檢測產品，引進物聯網概念以及人體檢測技術，提倡智能運動，利用人工智能的技術，個性化地對用戶進行追蹤，數據監測，數據評估以及指導，減少盲目運動帶來的危害;二是作為可穿戴式發電移動電源，將動能轉化成電能儲存在電池內，解決不必要電能消耗以及人們日常生活中斷電時的短暫供電問題。

研究成果：基于設計的“可用性”和“用戶體驗”兩個層面上，完成了用戶與產品之間的互動，確定了交互界面以及用戶體驗旅程圖;基于用戶的使用習慣以及個性化，完成了產品的造型以及技術原理設定。

存在問題：動能與電能的能源轉化率過低。

本文系中國礦業大學省級大學生創新創業計劃（項目編號：201810290109X）。

參考文獻

[1]王浩.生物質能源及發電技術的研究[J].環境工程，2012，30：461—464.

[2]蔣大華.我國生物質發電產業現狀及建議[J].可再生能源，2014，32.

[3]宋萌萌.智能器件的垂直可控運動及在能量轉換方面的研究[D].2017，09.

[4]李龍龍.基于健身器械的發、用電系統的設計[J].科技創新導報，2010（22）：25—26.

[5]楊智偉，李力行等.健身器械動能發電及接入電網的自適應控制系統[J].智能電網，2014.