自驱动发光地板、踩踏探测地板及人流量分布监测系统的制作方法

本发明涉及智能建材/建筑技术领域，特别是涉及一种自驱动发光地板、自驱动踩踏探测地板以及人流量分布监测系统。

背景技术：

发光地板以及人流量分布监测系统是智能建材和建筑的重要组成部分，其功能在美化商业圈、装饰个人住宅、道路指引、智慧建筑、公共安全等多方面具有广泛的应用价值。就目前而言，发光地板的实现主要还是依靠外部供电结合压力传感，控制电路模块的形式，其问题在于结构复杂、成本高、安装困难以及能耗等。另一方面，目前人流量分布的监测主要还是依靠图片采集前端装置和数据分析后端来实现。其存在的技术问题同样在于其前端装置需要外部供电，整体结构复杂，成本高以及能耗等。

技术实现要素：

(一)本发明需解决的技术问题

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种自驱动发光地板及人流量分布监测系统，实现地板的无需外部供电的踩踏发光功能以及地板形式的无需外部供电的人流量分布监测。本发明能够解决以上所述的至少部分技术问题。

(二)本发明的技术方案

根据本发明的第一方面，提供一种自驱动发光地板，包括摩擦纳米发电单元，橡胶封装层，led发光层和顶部透明封装层。用于将人体踩踏的能量转化为电能，无需任何电源管理电路，直接供给led发光层发光工作。

具体地，本发明提供的自驱动发光地板，包括地板本体，所述地板本体包括自下至上布置的摩擦纳米发电机单元层和led发光层，所述摩擦纳米发电机单元层配置为能够采集所述地板本体上人体/重物踩踏时的机械能并将其转化为电能，提供至所述led发光层。

优选的，所述摩擦纳米发电机单元层包括摩擦纳米发电机单元和弹性封装层，所述摩擦纳米发电机单元包括上电极层、下电极层、覆盖在所述上电极层下表面的第一摩擦起电层和覆盖在所述下电极层上表面的第二摩擦起电层；

其中，所述第一摩擦起电层与第二摩擦起电层的材料具有彼此相反的正负摩擦起电特性，并且在所述弹性封装层的作用下可以互相接触分离。

优选的，所述弹性封装层包括围绕摩擦发电机单元布置的第一弹性封装单元和布置在摩擦发电机单元之间的第二弹性封装单元；

所述第一弹性封装单元的材料为天然橡胶、或硅胶；所述第二弹性封装单元的材料为天然橡胶、硅胶或弹簧。。

优选的，所述第二弹性封装单元以设定阵列排列；优选的，所述第二弹性封装单元的材料为天然橡胶或硅胶，形状为两个半球形、球形、半球形、立方形、梯形柱或其组合。

优选的，包括所述摩擦纳米发电机单元、所述第一弹性封装单元和所述第二弹性封装单元的摩擦纳米发电机层的厚度为1mm至10cm。

优选的，所述摩擦纳米发电机单元层进一步包括位于所述摩擦纳米发电机单元和弹性封装层上方的第一基底层，位于所述摩擦纳米发电机单元和弹性封装层下方的第二基底层。

优选的，所述摩擦纳米发电机单元层进一步包括位于所述第一基底层与所述上电极层之间的第一柔性缓冲层；和/或，包括位于所述第二基底层与所述下电极层之间的第二柔性缓冲层。

优选的，所述摩擦纳米发电机单元层包括电源管理模块；优选的，所述电源管理模块为整流桥。

优选的，所述led发光层包括柔性贴片式led阵列或pcb电路板基led阵列；优选的，所述led阵列的连接方式为全串联连接或两组串联后反向并联连接。

优选的，所述地板本体还包括位于所述led发光层顶部的透明封装层。

优选的，还包括集成在所述摩擦纳米发电机单元层内的能量存储模块，通过开关控制的形式在发光工作模式和踩踏机械能存储模式之间切换。

相应的，本发明还提供一种自驱动踩踏探测地板，包括如上述任一项所述的自驱动发光地板，以及集成在所述摩擦纳米发电机单元层内的能量存储模块和无线信号发射模块，其中，所述发电机单元采集转化踩踏时的机械能至电能，接入能量存储模块存储，能量存储模块输出端接入无线信号发射模块供能端为其供能。

优选的，还包括压力传感单元，压力传感单元信号接入无线信号发射模块信号接入端；当所述能量存储模块中能量存储足够时，无线发射模块发射由压力传感单元探测的电信号至后端系统。

优选的，设置单独的压力传感元件层作为所述压力探测单元，或所述压力探测单元提取所述摩擦纳米发电机单元层的部分信号作为压力传感信号。

优选的，所述压力传感元件层包括摩擦压力传感元件，

所述摩擦压力传感元件包括上电极层、下电极层、覆盖在所述上电极层下表面的第三摩擦起电层和覆盖在所述下电极层上表面的第四摩擦起电层；在踩踏时第三摩擦起电层与第四摩擦起电层之间距离改变或者接触分离，在上下电极层之间产生电信号；

或者，

所述摩擦压力传感元件包括感应层和位于所述感应层下方的电极层。

本发明还提供一种人流量分布监测系统，包括上述任一项所述的自驱动踩踏探测地板和后端信号分析模块。

优选的，还包括权利要求1-10任一项所述的自驱动发光地板，所述自驱动发光地板和所述自驱动踩踏探测地板以设定方式排列。

(三)本发明的有益效果

通过上述技术方案，可知本发明的有益效果在于：

(1)本发明的自驱动发光地板，利用摩擦纳米发电机的电流源输出特性，无需电源管理，外部供电，可实现发光地板的踩踏自驱动发光，其结构相比传统的发光地板更加简单，集成度高，制造成本低廉。

(2)本发明的发光地板通过设置可以作为自驱动的踩踏探测地板，无需外部供电，可实现踩踏信号的无线发射，具有较高的踩踏灵敏度。

(3)本发明的人流量分布监测系统前端装置，利用踩踏探测地板阵列，可实现以地板形式的，人流量分布的实施监测系统前端，无需外部提供能量支持，在智慧建筑领域具有巨大的应用价值。

(4)本发明的发光地板、探测地板与人流量监测系统前端装置均无需外部提供能源，安装方便，成本低廉，适用于商圈、写字楼、地铁站、飞机场、火车站等公共场所。

附图说明

图1是本发明实施例的自驱动发光地板的截面结构示意图。

图2是本发明实施例的自驱动发光地板的截面结构示意图及橡胶封装单元的排列示意图。

图3是本发明实施例中led发光层的led阵列的两种连接方式示意图。

图4是本发明实施例中发光模式与存储模式电路框图。

图5是本发明实施例中踩踏探测地板的截面结构示意图。

图6本发明实施例中踩踏探测地板的电路结构框图。

图7是本发明实施例中摩擦压力传感元件结构示意图。

图8是本发明实施例中提取摩擦纳米发电机单元部分能量作为踩踏探测信号的电路结构框图。

图9是本发明实施例中基于发光地板和踩踏探测地板的人流量分布监测系统示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

应该注意的是，本发明中使用的“第一”、“第二”等仅用于区分不同对象，而不意味着这些对象之间具有任何特定顺序关系。术语“包括”和“含有”及其派生词意为包括而非限制。除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明包括了一种自驱动发光地板，以及采用该驱动方式实现的人流量分布探测系统前端装置。其中，该自驱动发光地板具有将踩踏时的机械能转化为电能，直接供给地板发光的功能。人流量分布探测系统前端装置包括基于该发光地板实现的地板踩踏行为探测以及探测信号无线发射功能。

利用外部供能，电路模块，图像采集装置和处理系统，目前已经在商场，游乐园，写字楼等已经有供娱乐装饰的发光地板以及为构建智慧建筑公共安全所使用的人流量分布监测系统。根据本发明的基本构思，为克服现有发光地板以及图像形式的人流量监测系统前端的劣势，例如外部供能、结构复杂、造价高、系统集成性差等缺点，提出一种采用摩擦纳米发电机实现的自驱动发光地板，以及摩擦纳米发电技术实现的自驱动踩踏探测和人流量分布监测系统前端装置，为节能、低廉、智慧化的建材建筑领域提供一种全新的方法。

本发明提供的一种自驱动发光地板，由若干块地板本体拼接而成，地板本体包括自下至上依次布置的摩擦纳米发电机单元层、led发光层以及透明封装层。其工作原理为：利用摩擦纳米发电机单元层采集人体/重物踩踏的机械能量并将其转化为电能，直接供给led发光层发光工作。

摩擦纳米发电机单元层包括摩擦纳米发电机单元，该摩擦纳米发电机单元包括上下电极层和正负电起电层，通过橡胶封装层实现密封效果，以及利用橡胶的弹性实现踩踏时的接触与分离，从而产生高电压的能量输出。摩擦纳米发电机构成的能量采集与供能单元，能够将踩踏时的机械能量转化为电能，无需通过任何电源管理电路直接供给由数百只led构成的发光层工作。

为了安装摩擦纳米发电机单元，需要两层硬质的基底材料形成稳定的结构框架。为了发光地板的整体轻薄和可集成性，摩擦纳米发电机单元层的厚度优选为2毫米到10厘米。

本发明所述的摩擦纳米发电机为接触分离模式的摩擦纳米发电机。下面结合附图说明整个自驱动发光地板的基本结构组成。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种自驱动发光地板。图1是本发明实施例自驱动发光地板的截面结构组成示意图。如图1所示，所述发光地板中摩擦纳米发电机单元层包括上下两层的硬质基底材料101，缓冲层102，上下电极层103，覆盖在所述上电极层下表面的第一摩擦起电层104和覆盖在所述下电极层上表面的第二摩擦起电层105以及产生封装和实现接触分离效果的弹性封装层106，在弹性封装层的作用下，第一摩擦起电层与第二摩擦起电层可以接触分离。在摩擦纳米发电机单元层的上方为led发光层107，发光层107的上方采用透明封装层108实现防水和耐磨性能。弹性封装层106可以为橡胶、硅胶等弹性材料。

本实施例中，摩擦纳米发电机单元的摩擦起电层104和105的材料需具有彼此相反的正负摩擦起电特性。其材料可以为有机物。相应的正负摩擦起电层材料的选择可以从摩擦发电机领域中进行选择，本发明实施例并不以此为限，优选的正摩擦起电层采用尼龙(pa)，聚氨酯(pu)，铜(cu)，铝(al)，银(ag)，金(au)，聚乙烯(pe)，聚对苯二甲酸(pet)等，优选的负摩擦起电层采用聚四氟乙烯(ptfe)，全氟乙烯丙烯共聚物(fep)，聚二甲基硅氧烷(pdms)，杜邦^tm生产的聚酰亚胺薄膜等。

在一些实施例中为了能够产生相对较大的能量输出，摩擦起电层的厚度优选为10纳米至1毫米。在一些实施例中，还可以在摩擦起电层表面进行微纳结构的修饰，以增加材料的比表面积，从而增加电输出特性。

特别地，在一些实施例中，为了使摩擦起电层接触更加充分，减少硬接触对摩擦起电层的破坏，在基底材料101和电极层103之间我们可以选择采用一层柔性缓冲层102。该柔性缓冲层102可以设置在任意上下电极位置。优选的缓冲层可以采用泡沫，海绵，硅胶等任意可以实现该功能的材料，其厚度范围在10微米到10厘米。

本实施例中，两层摩擦起电层相互接触分离运动，对其背面的上下电极层产生静电感应作用从而输出电能。对于摩擦发电机单元而言，环境中的粉尘，湿度等因素会对其电输出性能造成严重的影响，为了实现与外部环境的隔离，以及在外部踩踏作用下形成接触分离运动，本实施例中采用弹性的橡胶封装层。具体地，弹性封装层106包括围绕摩擦发电机单元布置的第一弹性封装单元和布置在摩擦发电机单元之间的第二弹性封装单元。相应的封装层材料可以为天然橡胶，硅胶等弹性材料。在一些实施例中，接触分离功能也可以采用弹簧来实现，例如第二弹性封装单元采用弹簧。

本实施例中，为了调节踩踏的交互感受(踩踏深度，踩踏硬度等)，可以对橡胶封装层的内部结构进行设计。图2示出了本发明实施例中橡胶封装层截面示意图以及排列方式示意图。对于橡胶封装层，位于地板本体外围的部分201(即，第一橡胶封装单元)主要起到密封的功能。中间的橡胶阵列202(第二橡胶封装单元)可以设计其三维形状参数，排列方式，以及材料的选择来实现踩踏深度，以及踩踏硬度等交互感受的调节。在实施例中，橡胶阵列的排列方式可以设定为六方排列，也可以为四方排列，也可以是任意其他类型的排列方式。内部橡胶的形状可以是相对的两个半球形，球形，半球形，立方形，梯形柱等各种可设计形状，其踩踏深度可以在0.1毫米至10厘米之间调节。橡胶的材料可以选择天然橡胶以及各种型号的硅胶材料，例如smoothon品牌的各种硅胶系列。

本实施例中，led发光层107可采用在硬质或在柔性电极基板上的贴片式led阵列或者pcb电路板基led阵列，其正负极直接与摩擦纳米发电机单元相连或者通过整流桥电路相连，其led阵列的形状可设计。由于摩擦纳米发电机为电流源式输出特性，led发光阵列的连接方式应为电性串联或者两组电性串联的led阵列反向并联。图3展示了这两种led阵列连接的示意图，其中301为全串联模式，302为两组串联后反并联模式。

本实施例中，led发光层顶部采用透明封装层108封装，其目的在于防水和抗磨损。其形式可以是透明封装层完全填满led发光层，也可以是封装层和led发光层之间有一个密闭腔体。封装层材料可以选择亚克力、环氧等具有高光透过性以及耐磨损性好的材料。

本发明提供的自驱动发光地板，能够在地板生产过程中或在现有地板上进行集成，具有轻质，廉价，工艺简单，集成性高，安装方便等特点，可以用于室内或者室外的地板装饰，道路引导等。

根据本发明实施例的第二方面，提供一种人流量分布监测系统前端装置。该装置由若干踩踏探测地板阵列构成，该踩踏探测地板能够实现对于踩踏机械能量的电能转化和存储，踩踏的传感，以及传感信号的无线发射功能。该踩踏探测地板的电能存储功能可以由发光地板切换，只需要在发光地板装置中增添能量存储模块。

图4是本发明实施例中踩踏供能led发光模式以及存储模式电路框图。如图4所示，该自驱动发光地板可以通过开关的形式在发光工作模式和踩踏机械能存储模式之间切换。其中储能模块中包含电源管理单元和电能存储单元。在一些实施例中，电能存储单元可选用商用的电解电容，超级电容器和锂离子电池。当发光地板选择进入非发光模式时，地板采集的踩踏机械能全部以电能的形式存储在电能存储单元中。

图5和图6是本发明实施例中踩踏探测地板的结构以及电路结构框图。该踩踏探测地板包括发电机单元501，能量存储模块502，摩擦压力传感单元503，无线信号发射模块504，以及封装层505。其工作过程为，所述发电机单元采集转化踩踏时的机械能至电能，接入能量存储模块存储，能量存储模块输出端接入无线信号发射模块供能端为其供能，压力传感单元信号接入无线信号发射模块信号接入端。当能量存储模块中能量存储足够时，无线发射模块发射由压力传感单元探测的电信号至后端系统。这里要说明的是，当能量存储一直不够驱动无线模块发射时，无线模块将无法发射踩踏信号，这时可以判定为该地板无人踩踏或踩踏次数极低。能量存储充足时，无线发射模块将稳定发射无线信号，这时通过接收的传感信号即可判断该地板的踩踏频次。在一些实施例中，发电机单元501可以采用摩擦纳米发电元件，亦可以采用传统电磁发电元件。

在一些实施例中，摩擦压力传感元件的工作模式为接触分离模式m1，或者单电极感应模式m2，其结构如图7所示。接触分离模式的压力传感器元件，其结构与图1中的摩擦纳米发电机单元一致，摩擦压力传感元件m1包括上电极层、下电极层、覆盖在所述上电极层下表面的第三摩擦起电层和覆盖在所述下电极层上表面的第四摩擦起电层；在踩踏时第三摩擦起电层与第四摩擦起电层之间距离改变或者接触分离，在上下电极层之间产生电信号。单电极感应模式的压力传感器元件，其结构包括感应层702位于感应层下方的电极层701。其中感应层702可以为图5中的封装层505采用摩擦电压力传感元件，所述发光地板具有高灵敏度压力探测功能，能够根据踩踏的频率输出相应频率的高信噪比电压电流信号。

在一些实施例中，踩踏传感的功能也可以通过提取能量采集摩擦纳米发电机元件中的部分能量作为传感信号来源。其电路基本结构原理如图8中所示。其中电阻r的大小可以调节传感信号的强度。r的阻值范围选择在100欧姆至1g欧姆不等。

在本实施例中，由该踩踏探测地板阵列可以构成人流量分布监测系统前端装置，结合后端数据分析系统，可以构成完整的基于地板的人流量分布监测系统。具体地，通过在地板安装由发电机构成的能量采集和摩擦电压力探测元件，能量存储以及无线发射模块，可以实现踩踏探测地板，结合地板的分布式安装及后端监测，亦可以实现公共区域人流量分布的实时监测。图9是整个利用该自驱动发光地板和人流量分布监测系统前端的使用系统示意图，自驱动发光地板和人流量分布监测系统可以按照设定的方式排列形成阵列。其中901为自驱动发光功能的地板，当有人行走踩踏时可以发光，具有美观，增添趣味性，以及道路引导等功能，902为自驱动踩踏探测功能的地板，当有人行走踩踏时能够无线传输其踏频数据，结合该地板阵列和后端系统，可以实现人流量分布的实时监测系统。利用本实施例中的装置，可以为智能装饰建材，智慧建筑领域提供一种节能的、廉价的、易安装的解决方案。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。