一种自供电水上救生报警系统

1.本发明涉及智能水上救生工具领域，具体地说，是一种自供电水上救生报警系统。


背景技术：

[0002][0003]
根据临床不完全统计，发生溺水的主要危险因素包括缺乏控制与水体接触的障碍，对儿童戏水缺乏充分、密切的监督，以及游泳技能差和对水中危险的认识低等。
[0004]
为了减少溺水事故这一生命杀手，目前现有的水上救生设备粗略可以分为被动救生型设备与主动救生型设备两种，被动救生型设备指无法主动发射报警信号，通过提供浮力救助溺水者的设备，主要包括救生圈、充气救生手环等。这类设备主要采用气囊式，为溺水者提供浮力，缺点在于无法将溺水信号传至岸上，溺水者若长时间无法获得救援会导致被呛水、失温、失去意识等严重伤害。主动型救生设备即能够主动发射救生信号达到呼救的目的，此类设备主要包括救生报警手环、腰带等可穿戴电子设备，然而此类设备依赖电池供电，极大地制约了其应用，降低了设备使用的安全性，一旦电源耗尽或忘记充电将会带来无法挽回的损失。因此亟需一种小体积、易携带、安全性高、成本低的自供电水上救生报警装备。
[0005]
传统电池电源因其具有寿命短、污染环境、安全性差等问题成为阻碍小型分布式电子设备发展的巨大障碍。2012年，基于接触起电与静电感应耦合的摩擦纳米发电机应运而生。目前摩擦纳米发电机(triboelectricnanogenerator，teng)已广泛应用于环境能量收集、自供电传感等领域，其中，基于液-固接触起电的摩擦纳米发电机，相较于传统的固-固摩擦式的摩擦纳米发电机具有磨损小、对环境湿度要求低、不受形状影响，材料间接触更完全等优点在收集无序机械运动能量方面具有极大优势。采用液-固接触起电摩擦纳米发电机收集水波能等低频能量用作小型电子设备能量源为解决分布式电子设备能源供应问题提供了新的解决思路。
[0006]
在水上救生领域使用teng代替传统电源实现能源自供给有以下研究。2014年，su等人设计了一种混合摩擦纳米发电机，同时收集液-固接触的静电能与水波冲压的机械能，teng的输出经整流后点亮位于救生衣上的led，提供光信号，然而该器件不能区分游泳者是否处于溺水状态且不能将信号主动传输至岸上救援人员处,因此存在一定的局限性。2021年feng等人设计了一种f-tengs功能性织物，并在其上设计了一个遇水导通的开关，可以将报警信息传输至移动设备，同样，由于开关遇水则通，受环境干扰大，无法区分使用者的状态是正常戏水还是溺水。因此，如何在摆脱传统电源实现能源自供给的情况下准确实现溺水报警是亟需解决的问题。


技术实现要素：

[0007]
本发明的目的是解决上述问题，结合管状液-固接触起电摩擦纳米发电机收集水波能转换为电能，为无线发射模块供电。当游泳者遇到抽筋、呛水等情况，存在溺水风险时，
只需按动按钮，即可触发无线发射器发射无线求救信号，岸上的无线接收器接收到信号后点亮报警灯，拉响警报铃呼救。此外，该系统还引入了gps定位模块与红外救援模块，扩展了本发明在海难、空难、洪水等特殊环境下的实用性。该系统不需要任何外加电源，且液-固接触起电具有低磨损的特点，通过预充电，实现自供电的稳定无线水上报警的功能。
[0008]
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
[0009]
本发明的自供电水上救生报警系统，包括外壳、以及位于所述外壳内的管状液-固起电摩擦纳米发电机(tube-teng)、近域溺水报警模块、远程gps定位模块、红外救援模块；其中，所述外壳为柔性防水材料制成的椭球形包袋，在所述外壳的一侧设置有防水腰带，所述腰带为双层密封，其内部呈中空设置；
[0010]
所述管状液-固起电摩擦纳米发电机(tube-teng)设置为多个，且为管状结构；包括：摩擦起电装置；其中，所述摩擦起电装置包括：负摩擦层管材，由高分子聚合物管材组成；正摩擦材料，由封装在高分子聚合物管材内的液体材料组成；电极，贴附在高分子聚合物管材外表面两端；硅胶t型塞，由硅胶t型塞等密封材料进行封装；基板为激光切割的平面板材；其中，多个相邻tube-teng并联连接，形成tube-teng组；且所述tube-teng组被固定在所述基板上，所述tube-teng组中相邻tube-teng的电极相互连接；
[0011]
所述近域溺水报警模块，包括能量收集模块、整流储能模块、无线发射模块、无线接收模块、报警模块；其中，所述能量收集模块由基板与并联的tube-teng组所组成；所述整流储能模块由整流桥与电容器组成，能够对所述tube-teng组的输出进行整流，并对整流后的能量进行储存；
[0012]
所述无线发射模块包括无线发射芯片和触发按钮，所述触发按钮被设置在所述腰带内部，便于触发；所述无线接收模块，包括解码器和控制器；所述报警模块，包括报警灯和警铃；所述远程gps定位模块，包括电源管理电路，锂电池，gps定位芯片；其中，所述电源管理电路包括电容器和降压稳流芯片，其能够将所述tube-teng组输出的高压交流电信号转换为幅值可控、稳定的直流电；所述锂电池，作为储能装置为gps模块供电；所述gps定位芯片选择功耗较低的芯片；所述红外救援模块，包括红外灯。
[0013]
本发明提供的自供电水上救生报警系统，还可以具有这样的技术特征：所述高分子聚合物管材可选择以下材料中的一种或几种：聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物、聚甲基丙烯酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚苯乙烯。
[0014]
本发明提供的自供电水上救生报警系统，还可以具有这样的技术特征：所述液体材料应具有无毒、无腐蚀性或低腐蚀性、黏滞系数低，其液体材料的体积应为管容积的40％-60％。包括但不限于以下材料：去离子水，各种化合物盐溶液，弱酸、弱碱溶液、液态金属等。
[0015]
本发明提供的自供电水上救生报警系统，还可以具有这样的技术特征：所述电极贴附在所述高分子聚合物管材的外表面，并与高分子聚合物管材紧密接触且无气泡、褶皱，且两电极对称放置；其中，作为所述电极的金属可采用下列材料中的一种或者几种：金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金或导电胶带，金属覆盖面积应占管侧壁外表面积的60％-80％，当高分子聚合物管材完全直立时，液体与高分子聚合物管材接触面积应完全覆盖一侧电极。
[0016]
本发明提供的自供电水上救生报警系统，还可以具有这样的技术特征：所述基板
固定在所述外壳内部，并与水面平行，能够随着水波波动，导致液体在管内流动；其中，所述基板选用有支撑力的绝缘刚性材料，如亚克力、木板、玻璃、陶瓷中的任意一种。
[0017]
本发明提供的自供电水上救生报警系统，还可以具有这样的技术特征：所述外壳为椭球形的可充气外壳，选用色彩醒目的柔性防水材料，且热压密封后可由进气阀充气，充气后可关闭充气阀，整体密封防水；其中，所述外壳采用密封防水材料制成如聚氯乙烯、聚乙烯醇、聚酯、聚酰亚胺、聚萘二甲酯乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷及有防水涂层的纺织物等，具有气密闭性，充气后可漂浮于水面上。
[0018]
本发明提供的自供电水上救生报警系统，还可以具有这样的技术特征：所述无线发射模块具有一定的穿透力。
[0019]
本发明提供的自供电水上救生报警系统，还可以具有这样的技术特征：所述能量收集装置作为电源，触发按钮经导线连接设置于腰带内，经导线与所述无线发射模块连接。
[0020]
本发明提供的自供电水上救生报警系统，还可以具有这样的技术特征：所述gps模块由所述锂电池供电，所述tube-teng组的电流输出经所述电源管理电路后为该锂电池供电。
[0021]
本发明提供的自供电水上救生报警系统，还可以具有这样的技术特征：所述红外灯选用可发射红外光的二极管，其多个二极管串联形成sos求救图案的红外救援标志。
[0022]
本发明的作用和效果
[0023]
本发明所涉及的基于液-固接触起电的摩擦纳米发电机的自供电水上救生报警系统，具有高能量密度、成本低廉、结构简单的特点；在本发明中液体与高分子聚合物管发生接触分离，由于接触起电效应，电极上感应出电荷，随着基板摆动，液体在高分子聚合物管内流动，从而导致覆盖两电极的面积发生变化，两电极间产生电势差，此时外电路接通，为了平衡电势差，负载中有电流通过，因此能够很好的用来收集环境能量。
[0024]
鉴于水上应用的特殊环境，传统的能量收集装置如固-固摩擦纳米发电机、压电纳米发电机等很难被利用，而本发明中提出的摩擦纳米发电机由于液体的强流动性与高分子聚合物管的高疏水性，基板微小的转角即可使液体在管内充分流动，与管完全接触分离，因此，只要高分子聚合物管发生偏转，便会收集到水波能量。且由于结构的特点，实验表明，当频率越低，转角越大时，输出性能越好。一般海浪的频率范围约为0.3hz-10hz，浅水波频率范围约为0.2mhz-3hz，因此，tube-teng可视为收集水波能的极佳策略，只需将器件充气使其漂浮在水面上，tube-teng即可收集水波能并将其转换为电能储存在储能装置中，作为电源为无线模块供电。
[0025]
传统救生报警装置如救生手环等依赖传统电源供电，一旦发生电量用尽或忘记充电等情况将会造成不可挽回的损失，本发明的自供电游泳救生报警装置，只要漂浮在水面上即可获得源源不断的能源供给，且本发明可提供大于67n的浮力，成年人只需55n的浮力即可将头浮出水面换气，因此，本发明除提供自供电报警功能外，还为溺水者提供了宝贵的等待救援的时间。
[0026]
本发明提出的自供电游泳救生报警装置还可以用作应急救援设备，提供gps实时定位功能，传统电源长时间未使用会产生放电现象，对其进行维护检修需要耗费大量的人力物力，存在存放过久无法使用的风险。本发明中，去离子水与fep管材化学性质稳定，且液-固接触起电相较于固-固摩擦，具有损耗低，使用寿命长等优点，能够在超6000个使用周
期中保持稳定的输出。
[0027]
本发明还引入了红外救援模块，红外光在恶劣天气下的穿透力强于可见光，加入红外求救标识不仅能够提高在雨天、大雾等恶劣天气下的救援效率，还可以结合红外探测仪，提高救援精度。
附图说明
[0028]
附图1是本发明的实施例中自供电水上救生报警系统的分解图。
[0029]
附图2是本发明的实施例中tube-teng的正视图。
[0030]
附图3是本发明的实施例中近距离溺水报警功能实现流程图。
[0031]
附图4是本发明的实施例中tube-teng的原理图。
[0032]
附图5是本发明的实施例中管径、管长、液体的量对器件输出的影响。
[0033]
附图6是本发明的实施例中偏转角度、不同频率对器件输出的影响。
[0034]
附图7是本发明的实施例中不同电极对器件输出的影响。
[0035]
附图8是本发明的实施例中tube-teng组的串并联连接方式。
[0036]
附图9是本发明的实施例中串联情况下tube-teng组的电输出；
[0037]
附图10是本发明的实施例中并联情况下tube-teng组的电输出；
[0038]
附图11是本发明的实施例中近距离溺水报警的电路图；
[0039]
附图12是本发明的实施例中无线发射器充电触发曲线；
[0040]
附图13是本发明的实施例中驱动gps模块的电源管理电路图。
具体实施方式
[0041]
下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明记载的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。
[0042]
附图中涉及的附图标记和组成部分如下所示：
[0043]
1、外壳；10、摩擦起电装置；
[0044]
11、tube-teng；101、硅胶t型塞；102、电极；
[0045]
103、负摩擦层管材；104、正摩擦材料；
[0046]
202、红外灯；203、电源管理模块；204、锂电池；
[0047]
205、远程gps定位模块；206、基板；207、tube-teng组；
[0048]
208、无线接收模块、209、报警灯；210、警铃；
[0049]
211、无线发射模块；212、腰带；213、gps定位芯片；
[0050]
30、近域溺水报警模块；301、能量收集模块；
[0051]
302、整流储能模块；303、报警模块；
[0052]
405、红外救援模块；
[0053]
《实施例1》
[0054]
附图1是本发明的实施例中自供电水上救生报警系统的分解图；附图2是本发明的实施例中tube-teng的正视图。
[0055]
如图1、图2所示，本发明采用的液-固接触起电的摩擦纳米发电机(tube-teng)和无线报警模块相结合，从而组成一种新型的自供电游泳救生报警系统。其中，tube-teng通过收集水波能等蓝色能源，将其转换成交流电储存于电容器中，电容器中储存的电量为无线发射模块进行供电。
[0056]
对应地，本系统包括外壳1、以及位于外壳1内的管状液-固起电摩擦纳米发电机(tube-teng)11、近域溺水报警模块30、远程gps定位模块205、红外救援模块405。
[0057]
其中，管状液-固起电摩擦纳米发电机(tube-teng)11设置为多个，且相邻两tube-teng并联连接，形成tube-teng组；
[0058]
此外，该管状液-固起电摩擦纳米发电机(tube-teng)11包括摩擦起电装置10；其中，摩擦起电装置10包括硅胶t型塞101、电极102、负摩擦层管材103、作为正摩擦材料104的液体。当tube-teng放置在水中，在浮力的作用下将漂浮在水面上，在水波作用下管材发生摆动，液体在管内流动，与高分子聚合物管材发生接触分离，在高分子聚合物管材上感应出电荷，由于静电平衡原理，电极102上被感应出相应电荷，外电路导通，有电流经过。
[0059]
优选的，高分子聚合物管材的内径为12mm，外径12.2mm，厚度为0.2mm；高分子聚合物管材长度为120mm，液体体积为高分子聚合物管材容积的50％。
[0060]
本发明的tube-teng中，在此，我们选用高分子材料管材(内径8-15mm，长度6-14mm)作为负摩擦管材材料103，采用去离子水等液体作为正摩擦管材材料104，将适量作为正摩擦管材材料104的液体注入高分子材料管材，管两端使用硅胶t型塞101进行封装或采用热压、胶黏等方式将管材封装，同时外层两端用电极102进行包覆。
[0061]
对应地，在壳体1的内还设置有起到支撑左右的基板206，其中，基板206为激光切割的平面板材，且tube-teng并联组成的tube-teng组被固定在基板206上。
[0062]
再次参考附图2，在初始阶段，作为负摩擦层管材103的高分子材料管材与作为正摩擦材料104的液体都不带电，当作为正摩擦材料104的液体与作为负摩擦层管材103材料的高分子材料管材接触后，毗邻固体表面的液体分子与固体表面的原子产生电子云交叠，实现电子转移，使得高分子材料管材表面带负电，作为正摩擦材料的液体带正电，在水平位置(图4中的i和图4中iii)时，作为正摩擦材料104的液体沿作为负摩擦层管材103材料的高分子材料管材均匀分布，电极之间的电位差很小。tube-teng在外部力的作用下发生机械运动，作为正摩擦材料104的液体与作为负摩擦层管材103发生相对位移，电子在两个电极间流动，两个电极间的静电平衡被打破，此时，外部负载有电流通过。由于作为负摩擦层管材103材料的高分子材料管材的超疏水性与作为正摩擦材料的液体的流动性，tube-teng成为了收集水波能等低频能量的绝佳方案。
[0063]
本发明的tube-teng的摩擦起电机组件使用了物质形态为固-液两种具有不同电子亲和力的摩擦层材料。由于接触起电效应，液体与固体接触面将会形成双电层，双电层的经典模型是指由于接触起电效应，在固体表面吸附一层溶液中电荷符号相反的离子，同时排斥溶液中电荷符号相同的离子，当液体分子/原子与固体表面上的原子相互作用时，可以观察到电子云的强烈重叠。在此阶段，由于电子云的强烈重叠，水分子与固体表面原子之间的能量势垒降低。电子从一个原子转移到另一个原子，导致接触带电。接触起电效应广泛存在于各种物质形态中，包括固-固、固-液、液-液、固-气、液-气、气-气等。需要说明的是，摩擦电子亲和力只是一种基于经验的统计结果，即两种材料电子亲和力相差越远，接触后所
产生电荷的正负性和该序列相符合的几率就越大，而且实际的结果受到多种因素的影响，比如材料表面粗糙度、环境湿度和是否有相对摩擦等。需要进一步说明是，由于接触起电效应，电荷的转移并不需要两种材料之间的相对摩擦，只要存在相互接触即可，因此，从严格意义上讲摩擦电子亲和力的表述是不准确的，但由于历史原因而一直沿用至今。
[0064]
本发明中所述的“摩擦电荷”或“接触电荷”，是指在两种摩擦电子亲和力存在差异的材料在接触并分离后其表面所带有的电荷，一般认为，该电荷只分布在材料的表面，分布最大深度约为10纳米。研究发现，该电荷能够保持较长的时间，根据环境中湿度等因素，其保持时间在数小时甚至长达数天，而且其消失的电荷量可以通过再次接触得以补充。需要说明的是，接触电荷的符号是净电荷的符号，即在带有正接触电荷的材料表面的局部地区可能存在负电荷的聚集区域，但整个表面净电荷的符号为正。
[0065]
发电机中的摩擦起电装置中，正、负摩擦层只要能够满足能够互相接触的表面的材料存在摩擦电子亲和力不同即可。
[0066]
绝缘体材料，例如常规的高分子聚合物都具有摩擦电特性，均可以作为制备本发明负摩擦层材料。此处列举一些常用的高分子聚合物材料：聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物、聚甲基丙烯酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚苯乙烯。
[0067]
理论上任何液体都可以作为本发明中正摩擦材料104，液体流动性越强，与固体表面的接触分离越彻底，从而输出性能越好，盐溶液中因为存在自由离子，会与感应出的自由电荷发生中和，从而导致输出性能减弱。一些液态金属也可作为正摩擦材料，例如常见的汞单质、galinstan合金等。
[0068]
限于篇幅的原因，并不能对所有可能的材料进行穷举，此处仅列出几种具体的可以作为正、负摩擦层管材的材料供参考，但是显然这些具体的材料并不能成为本发明保护范围的限制性因素，因为在发明的启示下，本领域的技术人员根据这些材料所具有的摩擦电特性很容易选择其他类似的材料。
[0069]
通过实验发现，当负摩擦层管材103材料的得电子能力越强，tube-teng输出的电信号越强。所以，可以根据实际需要，选择合适的材料作为正、负摩擦层以获得更好的输出效果。在本实施例中，可具有负极性摩擦电极序的材料优选氟化乙烯丙烯聚合物、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物、聚甲基丙烯酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚苯乙烯。
[0070]
优选的，负摩擦层管材103材料选择柔性的，具有一定机械强度的材料可以在延长器件使用寿命的情况下提供可观的电输出。我们以氟化乙烯丙烯共聚物(fep)为例用作负摩擦层管材材料。作为正摩擦材料104的液体选用无腐蚀性且流动性强、黏滞系数低、不易沉淀的液体能够使液体与固体完全接触分离，达到更加有效的摩擦，除了常见液体，液态金属亦可作为本发明中的正摩擦层。在本发明中，我们以去离子水(diw)作为正摩擦材料为例。
[0071]
再次参考图1所示，该系统还包括外壳1、红外灯202、电源管理模块203、锂电池204、远程gps定位模块205、基板206、并联tube-teng组207、无线接收模块208、报警灯209、警铃210、无线发射模块211(位于腰带212内，为方便描述将其画在腰带外部)、腰带212。
[0072]
附图3是近域溺水报警模块的流程图，该近域溺水报警模块30包括并联tube-teng组组成的能量收集模块301、整流储能模块302、无线发射模块211、无线接收模块208、报警
模块303，其中能量收集模块301由基板206与并联的tube-teng组组成，整流储能模块302由整流桥与电容器组成，报警模块303由报警灯209与警铃210组成。
[0073]
本发明中，任何柔性密封防水材料均可以作为外壳1的材料，例如聚氯乙烯、聚乙烯醇、聚酯、聚酰亚胺、聚萘二甲酯乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷及有防水涂层的纺织物等。
[0074]
在本发明中，红外救援模块405包括红外灯202，其中，红外灯202选用可发射红外光的二极管，也可采用任意能发射红外光的设备，为了醒目便于搜救，排列成sos求救信号，也可选用其他方式排列。
[0075]
在远程搜救功能中，远程gps定位模块205，够用于定位，其包括电源管理电路203，锂电池204，gps定位芯片213；其中，gps定位芯片213选择功耗较低的芯片。
[0076]
电源管理模块203采用图13中的电源管理电路，对tube-teng组的电气输出进行降压稳流。该电源管理电路由电容器与ltc3588-1降压稳流芯片组成，由于ltc3588-1芯片的额定电压为20v，tube-teng组的开路电压可达600v，电流可达4-8μa，若直接将tube-teng组与ltc3588-1芯片相连会导致电子元件被击穿，模块损坏，本发明在电路中引入了一个电容器，避免由于teng电压过高击穿该模块，同时使电荷在输入电容上积累，直到降压变换器将储存的一部分电荷转移到输出。
[0077]
在本发明中，锂电池204作为能量储存装置，将经电源管理后的能量储存在锂电池中为远程gps定位模块205供电。gps定位芯片选择功耗较低的芯片，且gps定位信息每隔固定时间被发送至移动端。在近距离水上救生报警中，并联tube-teng组207输出的能量经整流桥整流后储存在电容器中，电容器作为电源为无线发射模块211供电，能量收集模块的基板206主要起到支撑、固定和连接作用，因此，选择有机械结构强度的材料，可以为绝缘体，例如尼龙板、亚克力、尼龙、树脂、玻璃、陶瓷等。并联tube-teng组207与基板206底层之间的固定可以采用常规的粘贴等固定方式。无线接收模块208被放置在岸上，由电源供电，无线接收模块208接收到无线信号后控制器控制开关闭合，点亮报警灯209与警铃210。为了方便溺水者触发无线报警信号，无线发射模块211被放置于与外壳相连接的腰带212内。
[0078]
在本发明的近距离溺水报警功能中，并联tube-teng组207与基板206组成能量收集模块301，收集到的水波能储存在整流桥和电容器组成的整流储能模块302中，同时，整流储能模块302作为无线发射模块211的电源，无线接收模块208；放置于岸上，接收到无线信号后控制报警灯209与警铃210组成的报警模块303导通，报警灯209亮，警铃210响。
[0079]
限于篇幅的原因，此处举例几种具体的可以作为无线报警装置的模块选择供参考，但是显然这些具体的材料并不能成为本发明保护范围的限制性因素，但是无线报警装置的结构设计、电路设计都在本发明的保护范围之内。
[0080]
下面以图2所示的液-固接触的摩擦纳米发电机为例，介绍本发明的摩擦纳米发电机的工作原理。图4展示了液-固接触摩擦纳米发电机的发电原理，当作为正摩擦材料104的液体与作为负摩擦层管材103材料的高分子材料管材接触后，毗邻固体表面的液体分子与固体表面的原子产生电子云交叠，实现电子转移，使得高分子材料管材表面带负电，作为正摩擦材料的液体带正电，由于静电平衡效应，在电极上感应出相应电荷。在水平位置(图4i和图4iii)时，作为正摩擦材料的液体沿作为负摩擦材料的高分子材料管材均匀分布，电极之间的电位差很小。tube-teng在外部力的作用下发生机械运动，作为正摩擦材料的液体与作为负摩擦层管材材料的管材发生相对位移，电子在两个电极间流动，两个电极间的静电
平衡被打破，此时，外部负载有电流通过。实验中发现，tube-teng的结构会影响tube-teng的输出性能。
[0081]
下面结合附图详细介绍本发明中不同结构下tube-teng的电输出性能。
[0082]
在本实施示例中，为表征结构对tube-teng的电输出影响因素，对fep管材内径为8mm、10mm、12mm和16mm的器件进行了电学性能表征，如附图5中的a所示，说明了tube-teng的开路电压、短路电流、转移电荷量与管径长度呈正相关。如附图5中的b表示了管长对tube-teng电输出的影响，在实验中采用管长为6mm、8mm、10mm、12mm、14mm的tube-teng进行电学性能比正，实验结果表明，tube-teng的开路电压、短路电流、转移电荷量与管长呈正相关，上述两种情况可以归因于液-固接触面积增大导致表面积聚的感应电荷量增加，从而使得tube-teng的电输出增大。对于液体所占管体积的比例亦是如此，如图5中的c所示，当液体占管容积比为10％-50％时，输出随液体占比的增加而增加，而在超过50％后随液体占比的增加而减少，当液体集中在管的一端且完全覆盖一侧电极时电势差最大，而随着液体增加与另一侧电极重合，两电极间的电势差减小，因此，液体最佳比例为容积的50％。
[0083]
在本实施实例中，实验发现偏转角度与频率对器件输出性能有较大影响，实验结果如图6所示，分别测试tube-teng在旋转角为30
°
、60
°
、90
°
下的输出情况，测试结果表明当倾角越大，液体与两个电极重合的面积越小，电势差越大，转移电荷量越多。海浪的频率范围约为0.3hz-10hz，浅水波频率范围约为0.2mhz-3hz。因此选择1hz-3.5hz的频率对tube-teng进行测试，实验结果表明，随着频率增加，输出越来越小。原因可能为频率越大振动越快，在水中相同距离内，频率越小，震动的幅度越大，去离子水在管内能够更充分的流动，从而输出越好，因此，tube-teng是收集低频水波能的绝佳策略。在本实施示例中，为表征电极材料对tube-teng的电输出影响，对选用cu、al、导电胶带、钢电极的tube-teng进行电学性能表征。实验结果如图7所示，通过对比cu、al、钢、导电胶带四种不同材料。其中cu与al无论是开路电压、短路电流还是转移电荷量都远比钢与导电胶带性能好，其中cu的输出略高于al，原因可能为金属单质更易失去电子显电正性，而cu的导电性优于al。
[0084]
在本实施例中，综合考虑制作工艺、成本以及能量密度，选用内径为12mm、长度为10mm、厚度为0.2mm的fep管，与50％管容积的去离子水制作tube-teng，该结构下单个tube-teng开路电压可达110v，短路电流可达0.4μa。
[0085]
在本实施例中，测量了不同连接方式下的tube-teng组的电学输出性能。此外为了扩大能量收集的规模，我们将单根tube-teng进行串并联，连接方式如图8所示，图8中的a为串联连接，图8中的b为并联连接；其串联测试结果如图9所示，随着串联数量的增加，整体器件的能量输出并没有增加；并联测试结果如图10所示，当多根tube-teng并联后，相当于增加了液体与管的接触面积，因此增加了感应电荷量，经过实验验证，随着tube-teng并联数量增加，开路电压、短路电流与转移电荷量都呈现线性增加趋势；当外部负载电阻达到30mω时，并联20根tube-teng峰值输出功率为1.007mw。峰值功率密度的最佳值2.314w/m3。经过水箱测试，20根并联tube-teng可以点亮超过130个led。由此可以看出，tube-teng在低频环境下有很好的电学性能。
[0086]
下面结合附图详细介绍本发明中自供电游泳救生报警装置的工作性能。
[0087]
近距离报警电路示意图如图11所示，主要分为能量收集模块与无线传输模块，其中能量收集模块由20根tube-teng并联组成的能量收集模块301，将teng发出的交流电整流
为直流电并储存起来的整流储能模块302；我们用该能量收集模块进行电容充放电实验，该能量收集模块能够在200秒左右将33μf的电容器充至3.5v，足以驱动电子表、温湿度计等大部分小型电子器件，彰显了其优秀的外部输出能力。考虑到teng高电压低电流的输出特性，选用db107s整流桥对teng输出进行整流。考虑到充电时间及器件可靠性，我们选用了470μf，50v的电容器作为能量储存装置为无线发射模块供电；图12展示了器件的充电触发曲线，我们采用20根tube-teng组为电容器充电，通过水箱实验，预充电30分钟即可触发一次报警信号，之后每充电9分钟即可触发一次信号，为了能够使救生信号稳定的传输至岸边，我们在器件接收器端设置为自锁模式，溺水者只需要按动一次开关即可使报警灯与蜂鸣器处于稳定的工作状态，再次触发按键时才会使报警灯与蜂鸣器关闭。进一步探究充电速率与tube-teng个数的关系，我们分别用一组、两组、三组、四组(每组为5根tube-teng并联)tube-teng为电容充电，实验结果证明，通过增加并联tube-teng的个数可以有效地减少充电时间，提高设器件的可靠性与安全性。通过增大器件体积，提升浮力的情况下并联更多的teng可以大大优化器件触发的冷却时间。无线接收模块由信号接收器与控制器组成，接收器将接收到的无线信号进行再次编码，得到与控制按键上相对应的信号，最后控制相应的电路进行工作，岸上的无线接收模块由电源供电，报警灯与蜂鸣器由无线接收模块控制。报警电路工作时会发出醒目的红光及警报声。报警完成后，溺水者可以依托该装置的浮力在水面短暂休息等待救援，为溺水者提供了宝贵的求生机会与时间。
[0088]
为了进一步提升器件的实用性，扩大器件的应用范围，我们为本发明增加了红外救援模块405与远程gps定位模块205，其中红外救援模块405是由tube-teng、整流桥和红外发射器组成，本实例中，红外led灯选用1.5v的ir333c-a红外led串联组成sos求救图案，红外接收器选用pt334-6b红外接收管。自供电gps定位功能工作流程图如图13所示。
[0089]
实施例的作用和效果
[0090]
本发明所涉及的基于液-固接触起电的摩擦纳米发电机的自供电水上救生报警系统，具有高能量密度、成本低廉、结构简单的特点；在本发明中液体与高分子聚合物管发生接触分离，由于接触起电效应，电极上感应出电荷，随着基板摆动，液体在高分子聚合物管内流动，从而导致覆盖两电极的面积发生变化，两电极间产生电势差，此时外电路接通，为了平衡电势差，负载中有电流通过，因此能够很好的用来收集环境能量。
[0091]
鉴于水上应用的特殊环境，传统的能量收集装置如固-固摩擦纳米发电机、压电纳米发电机等很难被利用，而本发明中提出的摩擦纳米发电机由于液体的强流动性与高分子聚合物管的高疏水性，基板微小的转角即可使液体在管内充分流动，与管完全接触分离，因此，只要高分子聚合物管发生偏转，便会收集到水波能量。且由于器件结构的特点，实验表明，当频率越低，转角越大时，输出性能越好。一般海浪的频率范围约为0.3hz-10hz，浅水波频率范围约为0.2mhz-3hz，因此，tube-teng可视为收集水波能的极佳策略，只需将器件充气使其漂浮在水面上，tube-teng即可收集水波能并将其转换为电能储存在储能装置中，作为电源为无线模块供电。
[0092]
传统救生报警装置如救生手环等依赖传统电源供电，一旦发生电量用尽或忘记充电等情况将会造成不可挽回的损失，本发明的自供电游泳救生报警装置，只要漂浮在水面上即可获得源源不断的能源供给，且本发明可提供大于67n的浮力，成年人只需55n的浮力即可将头浮出水面换气，因此，本发明除提供自供电报警功能外，还为溺水者提供了宝贵的
等待救援的时间。
[0093]
本发明提出的自供电游泳救生报警装置还可以用作应急救援设备，提供gps实时定位功能，传统电源长时间未使用会产生放电现象，对其进行维护检修需要耗费大量的人力物力，存在存放过久无法使用的风险。本发明中，去离子水与fep管材化学性质稳定，且液-固接触起电相较于固-固摩擦，具有损耗低，使用寿命长等优点，能够在超6000个使用周期中保持稳定的输出。
[0094]
本发明还引入了红外救援模块，红外光的波长长于可见光，在恶劣天气下的穿透力强于可见光，加入红外求救标识不仅能够提高在雨天、大雾等恶劣天气下的救援效率，还可以结合红外探测仪，提高救援精确度。
[0095]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种自供电水上救生报警系统，其特征在于，包括外壳、以及位于所述外壳内的管状液-固起电摩擦纳米发电机(tube-teng)、近域溺水报警模块、远程gps定位模块、红外救援模块，其中；所述外壳为柔性防水材料制成的椭球形包袋，在所述外壳的一侧设置有防水腰带，所述腰带为双层密封，其内部呈中空设置；所述管状液-固起电摩擦纳米发电机(tube-teng)设置为多个，且为管状结构；包括：摩擦起电装置；其中，所述摩擦起电装置包括：负摩擦层管材，由高分子聚合物管材组成；正摩擦材料，由封装在高分子聚合物管材内的液体材料组成；电极，贴附在高分子聚合物管材外表面两端；硅胶t型塞，由硅胶t型塞等密封材料进行封装；基板，为激光切割的平面板材；其中，多个相邻tube-teng并联连接，形成tube-teng组；且所述tube-teng组被固定在所述基板上，所述tube-teng组中相邻tube-teng的电极并联连接；所述近域溺水报警模块，包括能量收集模块、整流储能模块、无线发射模块、无线接收模块、报警模块；其中，所述能量收集模块由基板与并联的tube-teng组组成；所述整流储能模块由整流桥与电容器组成；能够对所述tube-teng组的输出进行整流，并对整流后的能量进行储存；所述无线发射模块包括无线发射芯片和触发按钮，所述触发按钮被设置在所述腰带内部，便于触发；所述无线接收模块，包括解码器和控制器；所述报警模块，包括报警灯和警铃；所述远程gps定位模块，包括电源管理电路，锂电池，gps定位芯片；其中，所述电源管理电路包括电容器和降压稳流芯片，其能够将所述tube-teng组输出的高压交流电信号转换为幅值可控、稳定的直流电；所述锂电池，作为储能装置为gps模块供电；所述gps定位芯片选择功耗较低的芯片；所述红外救援模块包括红外灯。2.根据权利要求1所述自供电水上救生报警系统，其特征在于，所述高分子聚合物管材可选择以下材料中的一种或几种：聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物、聚甲基丙烯酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚苯乙烯。3.根据权利要求1所述自供电水上救生报警系统，其特征在于，所述液体材料应具有无毒、无腐蚀性或低腐蚀性、黏滞系数低，其液体材料的体积应为管容积的40％-60％。包括并不限于以下材料：去离子水，各种化合物盐溶液，弱酸、弱碱溶液、液态金属等。4.根据权利要求1所述自供电水上救生报警系统，其特征在于，所述电极贴附在所述高分子聚合物管材的外表面，并与高分子聚合物管材紧密接触且无气泡、褶皱，且两电极对称
放置；其中，作为所述电极的金属可采用下列材料中的一种或者几种：金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金或导电胶带，金属覆盖面积应占管侧壁外表面积的60％-80％，当高分子聚合物管材完全直立时，液体与高分子聚合物管材接触面积应完全覆盖一侧电极。5.根据权利要求1所述自供电水上救生报警系统，其特征在于，所述基板固定在所述外壳内部，并与水面平行，能够随着水波波动，导致液体在管内流动；其中，所述基板选用有支撑力的绝缘刚性材料，如亚克力、木板、玻璃、陶瓷中的任意一种。6.根据权利要求1所述自供电水上救生报警系统，其特征在于，所述外壳为椭球形的可充气外壳，选用色彩醒目的柔性防水材料，且热压密封后可由进气阀充气，充气后可关闭充气阀，整体密封防水；其中，所述外壳采用密封防水材料制成如聚氯乙烯、聚乙烯醇、聚酯、聚酰亚胺、聚萘二甲酯乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷及有防水涂层的纺织物等，具有气密闭性，充气后可漂浮于水面上。7.根据权利要求1所述自供电水上救生报警系统，其特征在于，所述无线发射模块具有一定的穿透力。8.根据权利要求1所述自供电水上救生报警系统，其特征在于，所述能量收集装置作为电源，触发按钮经导线连接设置于腰带内，经导线与所述无线发射模块连接。9.根据权利要求1所述自供电水上救生报警系统，其特征在于，所述gps模块由所述锂电池供电，所述tube-teng组的电流输出经所述电源管理电路后为该锂电池供电。10.根据权利要求1所述自供电水上救生报警系统，其特征在于，所述红外灯选用可发射红外光的二极管，其多个二极管串联可形成sos求救图案的红外救援标志。

技术总结
本发明涉及一种自供电水上救生报警系统，包括外壳及位于外壳内的管状液-固起电摩擦纳米发电机(Tube-TENG)、近域溺水报警模块、远程GPS定位模块、红外救援模块。其优点在于，本发明采用Tube-TENG与报警模块紧密结合，通过Tube-TENG收集水波能将其转换为电能储存于电容器中，用以实现能源自供给的报警信号远程发射；报警模块由无线信号发射器、接收器和警报装置组成，溺水者通过触发无线信号发射器发射求救信号，接收器接收信号后控制警报装置发出警报呼救，实现近域溺水报警功能。器件中还引入了GPS定位模块实现实时定位功能，引入了红外模块提高恶劣天气下的救援效率。且与传统水上救生报警装置相比，具有自供能、便携、安全性高、成本低等优点。成本低等优点。成本低等优点。


技术研发人员：郑莉 龚雪莹
受保护的技术使用者：上海电力大学
技术研发日：2023.05.12
技术公布日：2023/8/21