基于纳米发电机的自供电信号发生器及牛步系统.pdf

本发明提出一种基于纳米发电机的自供电计步信号发生器，包括发电装置，储能装置，以及无线发射装置，其中发电装置进一步包括固定机构、至少一个悬臂梁机构以及至少一个纳米发电机。该自供电信号发生器通过纳米发电机直接将牛运动过程中产生的机械能转化为电能，实现了信号发生器的无源化，并且结构简单，稳定性好，提高了计步准确性。本发明还提出一种基于纳米发电机的牛步系统，包括自供电计步信号发生器及终端，其中终端进一步包括：无线接收装置、中央处理装置，以及显示装置。该牛步系统通过终端完成牛的运动量数据的计算和显示，使操作者准确地掌握牛的生理变化和健康状态。

权利要求书1.  一种基于纳米发电机的自供电计步信号发生器，其特征在于，包括： 发电装置，其包括固定机构、至少一个悬臂梁机构以及至少一个纳米发电机，其中， 所述悬臂梁机构的一端与所述固定机构连接，另一端自由设置；所述纳米发电机设置在 所述悬臂梁机构的一侧表面上；所述发电装置通过所述固定机构设置在牛身体上，用于 将牛运动过程中产生的机械能转化为电能； 储能装置，用于存储所述发电装置产生的所述电能，当存储的所述电能超过预设阈 值时，将所述电能输出；以及 无线发射装置，接收并利用所述储能装置输出的所述电能发射计步信号。 2.  根据权利要求1所述的自供电计步信号发生器，其特征在于，所述发电装置包 括多个所述悬臂梁机构，多个所述悬臂梁机构的一端排列固定设置在所述固定机构上。 3.  根据权利要求2所述的自供电计步信号发生器，其特征在于，进一步包括至少 一个质量负载，所述至少一个质量负载分别固定设置在所述悬臂梁机构的另一端。 4.  根据权利要求1所述的牛步系统，其特征在于，所述自供电计步信号发生器通 过所述固定机构捆绑在牛的小腿部位，所述储能装置及所述无线发射装置分别固定设置 在所述固定机构上。 5.  根据权利要求1所述的自供电计步信号发生器，其特征在于，所述储能装置包 括： 储能组件，用于存储所述发电装置产生的所述电能； 开关组件，当所述储能组件存储的所述电能超过所述预设阈值时，所述开关组件导 通，将所述电能输出给所述无线发射装置。 6.  根据权利要求1所述的自供电计步信号发生器，其特征在于，所述无线发射装 置通过以下通信方式中的一种或多种发射所述计步信号： 无线射频识别RFID、近距离无线通讯技术NFC、蓝牙和射频RF。 7.  根据权利要求1至6中任一项所述的自供电计步信号发生器，其特征在于，所 述至少一个纳米发电机为摩擦发电机和/或氧化锌纳米发电机，并且所述多个摩擦发电机 和/或氧化锌纳米发电机之间通过串联和/或并联的方式连接。 8.  一种基于纳米发电机的牛步系统，其特征在于，包括权利要求1-7中任一项所 述的基于纳米发电机的自供电计步信号发生器以及终端，其中： 所述终端进一步包括： 无线接收装置，接收所述计步信号； 中央处理装置，与所述无线接收装置连接，根据所述计步信号获取牛的运动量数据； 显示装置，用于显示所述运动量数据，其中，所述运动量数据为单位时间内接收到 计步信号的次数。 9.  根据权利要求8所述的牛步系统，其特征在于，所述中央处理装置具备标定功 能；所述显示装置具备标定界面，所述标定界面由第一显示部分及第一输入部分组成； 其中： 操作者通过第一输入部分输入标定指令及标定信息，所述标定指令包括开始标定指 令及结束标定指令，所述标定信息包括标定总步数； 所述中央处理装置记录在所述开始标定指令和结束标定指令的操作时间内接收到 的所述计步信号的次数，所述中央处理装置根据所述计步信号的次数及所述标定总步数 完成标定，得到标定参数，其中，所述标定参数包括所述无线发射装置每发射一次所述 计步信号对应的所述牛的单位运动步数。 10.  根据权利要求9所述的牛步系统，其特征在于，所述中央处理装置具备计步功 能；所述显示装置具备计步界面，所述计步界面由第二显示部分及第二输入部分组成； 其中： 操作者通过第二输入部分输入开始计步指令和结束计步指令，所述中央处理装置记 录在所述开始计步指令和所述结束计步指令的操作时间内接收到的所述计步信号的次 数，所述中央处理装置根据所述计步信号的次数和所述标定参数获取牛的运动步数，并 生成单位时间运动步数曲线图。 11.  根据权利要求8所述的牛步系统，其特征在于，所述无线接收装置通过以下通 信方式中的一种或多种接收所述计步信号： 无线射频识别RFID、近距离无线通讯技术NFC、蓝牙和射频RF。

说明书基于纳米发电机的自供电信号发生器及牛步系统
技术领域
本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种基于纳米发电机的自供电信号发生器及牛步 系统。
背景技术
牛的发情周期为21天，其中可孕时间仅有16个小时。如果错过这一时间段，就必须再 等21天。在传统管理模式下，为了观察牛的发情征兆，牧场工作人员需要随时确认牛的状 态。而牛的发情时间主要在夜晚和凌晨，即使安装有摄像头，依然难以有效观察。实际上， 即便是经验丰富的工作人员，在肉眼观察时，平均发现率也只有58％。
然而凡事皆有预兆，那些处于发情征兆的牛会比平时增加移动更多的步伐。在这个基础 上，富士通公司开发牛步系统，采用内置无线通讯功能的计步器和云计算技术，精准探测牛 群生理变化和健康状态、实现系统化繁殖管理。
但是现有的牛步系统存在以下问题：(1)现有技术的计步信号发生器(计步器)结构复 杂，成本较高；(2)需要外置电源供电，当外置电源电能耗尽时，牛步系统失效，且更换电 源麻烦；(3)现有技术的牛步系统采用“一步一计”的计步算法，容易出现误计或漏计的情 况，同时较浪费电能。
发明内容
本发明旨在至少解决上述技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种基于纳米发电机的自供电计步信号发生器。该 自供电计步信号发生器通过纳米发电机直接将牛运动过程中产生的机械能转化为电能供自 供电计步信号发生器计步用，实现了计步信号发生器(计步器)的无源化，并且器件结构简 单，稳定性好，提高了计步准确性。
为了实现上述目的，本发明第一方面实施例的自供电计步信号发生器，包括：发电装置， 发电装置包括固定机构、至少一个悬臂梁机构以及至少一个纳米发电机，其中，所述悬 臂梁机构的一端与所述固定机构连接，另一端自由设置；所述纳米发电机设置在所述悬 臂梁机构的一侧表面上；所述发电装置通过所述固定机构设置在牛身体上，用于将所述 牛运动过程中产生的机械能转化为电能；储能装置，用于存储所述发电装置产生的所述 电能，当存储的所述电能超过预设阈值时，将所述电能输出；以及无线发射装置，接收 并利用所述储能装置输出的所述电能发射计步信号。
本发明实施例的自供电计步信号发生器，通过牛的运动，带动悬臂梁机构发生振动，进 一步使设置在悬臂梁机构上的纳米发电机产生电能，并通过储能装置进行存储，在储能装置 存储的电能超过预设阈值时，触发无线发射装置发射计步信号，实现了计步信号发生器(计 步器)的无源化，并且器件结构简单，稳定性好。同时，本发明中的自供电计步信号发生器 发射一次计步信号所使用的电能为牛走多步所产生，也就是说一次计步信号的发射代表牛走 了多步，这样就剔除了传统计步信号发生器“一步一记”所产生的误差，提高了计步准确 性。在本发明的一个实施例中，所述发电装置包括多个所述悬臂梁机构，多个所述悬臂 梁机构的一端排列固定设置在所述固定机构上。
在本发明的一个实施例中，进一步包括至少一个质量负载，所述至少一个质量负载 分别固定设置在所述悬臂梁机构的另一端。
在本发明的一个实施例中，所述自供电计步信号发生器通过所述固定机构捆绑在牛 的小腿部位，所述储能装置及所述无线发射装置分别固定设置在所述固定机构上。
在本发明的一个实施例中，所述储能装置包括：储能组件，用于存储所述发电装置 产生的所述电能；开关组件，当所述储能组件存储的所述电能超过所述预设阈值时，所 述开关组件导通，将所述电能输出给所述无线发射装置。
在本发明的一个实施例中，所述无线发射装置通过以下通信方式中的一种或多种发 射所述计步信号：无线射频识别RFID、近距离无线通讯技术NFC、蓝牙和射频RF。
在本发明的一个实施例中，所述至少一个纳米发电机为摩擦发电机和/或氧化锌纳米 发电机，并且所述多个摩擦发电机和/或氧化锌纳米发电机之间通过串联和/或并联的方 式连接。
本发明的另外一个目的在于提出一种基于纳米发电机的牛步系统。该牛步系统通过终 端接收设置在牛身上的自供电计步信号发生器发射的计步信号，并根据计步信号完成牛的 运动量数据的计算和显示，使操作者准确地掌握牛的生理变化和健康状态。
为了实现上述目的，本发明第一方面实施例的牛步系统，包括：基于纳米发电机的自 供电计步信号发生器以及终端，其中：所述自供电计步信号发生器设置在牛身体上；所 述终端进一步包括：无线接收装置，接收所述计步信号；中央处理装置，与所述无线接 收装置连接，根据所述计步信号获取牛的运动量数据；显示装置，用于显示所述运动量 数据，其中，所述运动量数据为单位时间内接收到计步信号的次数。
本发明实施例的牛步系统，通过终端接收设置在牛身上的自供电计步信号发生器发射的 计步信号，并根据计步信号完成牛的运动量数据的计算和显示，达到了准确地掌握牛的 生理变化和健康状态的目的。
在本发明的一个实施例中，所述中央处理装置具备标定功能；所述显示装置具备标 定界面，所述标定界面由第一显示部分及第一输入部分组成；其中：操作者通过第一输 入部分输入标定指令及标定信息，所述标定指令包括开始标定指令及结束标定指令，所 述标定信息包括标定总步数；所述中央处理装置记录在所述开始标定指令和结束标定指 令的操作时间内接收到的所述计步信号的次数，所述中央处理装置根据所述计步信号的 次数及所述标定总步数完成标定，得到标定参数，其中，所述标定参数包括所述无线发 射装置每发射一次所述计步信号对应的所述牛的单位运动步数。
在本发明的一个实施例中，所述中央处理装置具备计步功能；所述显示装置具备计 步界面，所述计步界面由第二显示部分及第二输入部分组成；其中：操作者通过第二输 入部分输入开始计步指令和结束计步指令，所述中央处理装置记录在所述开始计步指令 和所述结束计步指令的操作时间内接收到的所述计步信号的次数，所述中央处理装置根 据所述计步信号的次数和所述标定参数获取牛的运动步数，并生成单位时间运动步数曲 线图。
在本发明的一个实施例中，所述无线接收装置通过以下通信方式中的一种或多种接 收所述计步信号：无线射频识别RFID、近距离无线通讯技术NFC、蓝牙和射频RF。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明 显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和 容易理解，其中，
图1是本发明一个实施例的自供电计步信号发生器的结构框图；
图2是本发明实施例的发电装置的一种结构的示意图；
图3是本发明实施例的发电装置的另一种结构的示意图；
图4是本发明实施例的牛步系统的结构框图；
图5是本发明实施例的摩擦发电机的一种结构的刨面结构示意图；
图6是本发明实施例的氧化锌纳米发电机的一种结构的立体结构示意图；
图7是本发明实施例的氧化锌纳米发电机的一种结构的剖面结构示意图；
图8是本发明实施例的氧化锌纳米发电机的另一种结构的立体结构示意图；
图9是本发明实施例的氧化锌纳米发电机的另一种结构的剖面结构示意图；
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。相反，本发明的实 施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理 解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限 定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接， 或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体 含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
为了解决现有技术的计步信号发生器的结构复杂、计步准确性不高、可靠性差且需要外 置电源的问题，本发明提出了一种基于纳米发电机的自供电计步信号发生器。下面参考附图 描述本发明实施例的自供电计步信号发生器。
图1是根据本发明一个实施例的基于纳米发电机的自供电计步信号发生器1的示意图。
如图1所示，自供电计步信号发生器1包括：发电装置11、储能装置12和无线发射 装置13。
具体地，发电装置11设置在牛身体上，其中，如图2所示为发电装置11的结构示 意图，包括固定机构111、悬臂梁机构112、纳米发电机113，悬臂梁机构112的一端固 定连接在固定机构111上，其另一端自由设置，当外界有震动时，其可上下摆动；纳米 发电机113设置在悬臂梁机构112的一侧表面上(图中所示为上表面)，其可随悬臂梁 机构112的摆动而发生震动，进而将震动能转化为电能；整个发电装置11通过固定机 构111固定在牛身体上。
在本发明的实施例中，牛每走一步，纳米发电机113均会产生一定量的电能，但是 走一步所产生的电能不足以触发无线发射装置13发射计步信号，因此，需要储能装置 12对纳米发电机产生的电能进行存储。
储能装置12用于存储纳米发电机113产生的电能，当存储的电能超过预设阈值时， 将电能输出给无线发射模块13。其中，预设阈值为储能装置12的特性参数，本领域技 术人员可以根据需要进行设定，举例说明：储能装置12的预设阈值为5mV，牛每走一 步纳米发电机113对应产生1mV电能，也就是说牛需走5步才能达到此储能装置12的 预设阈值，进而输出电能给无线发射模块13；另外，为保护储能装置12能够稳定可靠 的工作，将其设置在固定机构111上。
无线发射装置13利用储能装置12存储的电能发射计步信号。更具体地，当储能装 置12存储的电能超过预设阈值时，主动触发无线发射装置13发射计步信号，其中，无 线发射装置13可包括发射天线，从而通过天线发射计步信号；另外，为保护无线发射 装置13能够稳定可靠的工作，将其设置在固定机构111上。
在本发明的实施例中，自供电计步信号发生器1的除固定机构111以外的器件外围 可以设置保护罩，防止其在恶劣环境中失效，如被磕碰、雨淋等。
本发明实施例的自供电计步信号发生器，通过悬臂梁机构采集牛运动过程中的震动， 并传递给纳米发电机，将震动能转化为电能，通过储能装置进行存储，当储能装置存储的 电能超过预设阈值时，触发无线发射装置发射计步信号。一方面通过纳米发电机直接将牛 运动过程中的机械能转化为电能，利用此电能供无线发射装置工作，实现了自供电计步信号 发生器的无源化；另一方面相对现有技术的计步信号发生器，结构更加简单，并且稳定 可靠，同时通过一次计步信号代表多步的计步方式使计步更加精准。
如图3所示，在本发明的一个实施例中，发电装置11包括多个悬臂梁机构112，多 个悬臂梁机构112的一端排列固定设置在固定机构111上，并且每一个悬臂梁机构112 上均设置有纳米发电机113，此种结构的好处在于在最大限度的保证发电装置11微型化 的基础上，增大计步信号的强度，缩短计步信号间的时间间隔，并可以选择功率稍大的 无线发射装置。
如图2、图3所示，在本发明的一个实施例中，发电装置11进一步包括有质量负载 114，其设置在悬臂梁机构112的另一端，即自由端处，质量负载114可以增加悬臂梁 机构112的震动幅度，进而使纳米发电机113产生更多的电能。
在本发明的一个实施例中，储能装置12包括：储能组件，储能组件用于存储发电 装置产生的电能；开关组件，开关组件用于当储能组件存储的电能超过预设阈值时，将 电能输出给无线发射装置13。其中，储能组件可为具有储能功能的电子元件，例如：锂 电池、镍氢电池、超级电容器等，当该电子元件所存储的电能，如电流和/或者电压值达 到一定阈值时，触发开关组件，开关组件具有触发阈值，如预设电流值和/或预设电压值 等。
在本发明的一个实施例中，无线发射装置13通过以下通信方式中的一种或多种发 射计步信号：无线射频识别RFID(Radio Frequency IDentification)、近距离无线通讯 技术NFC(Near Field Communication)、蓝牙和射频RF(Radio Frequency)。应当理 解的是，所述的通信方式仅代表目前的通信技术，任何可实现本发明实施例功能的通信 方式都适用于本发明实施例。
在本发明的一个实施例中，纳米发电机113为摩擦发电机和/或氧化锌纳米发电机， 并且多个摩擦发电机和/或氧化锌纳米发电机之间通过串联和/或并联的方式连接。多个 纳米发电机之间通过导线的形式连接，并且形成一个输出端，该输出端与储能装置连接。
为了解决现有技术的牛步系统的结构复杂、计步准确性不高、可靠性差且需要外置电源 的问题，本发明提出了一种基于纳米发电机的牛步系统。下面参考附图描述本发明实施例的 牛步系统。
图4是根据本发明的一个实施例的基于纳米发电机的牛步系统的示意图。
如图4所示，基于纳米发电机的牛步系统包括自供电计步信号发生器1和终端2。
具体的，自供电计步信号发生器1设置在牛的身体上，具体指的是除了牛的尾巴和头等 其他任意可设置的部位，如设置在牛的背部，当牛走动时，每走一步，牛的背部也会随着起 伏，设置其上的自供电计步信号发生器1的悬臂梁机构112就会发生震动，进而使纳米发电 机113对应于牛的走动而产生电能。
终端2进一步包括显示装置21、中央处理装置22、无线接收装置23。其中，无线接收 装置23与无线发射装置13建立无线连接，接收无线发射装置输出的计步信号；中央处理装 置22与无线接收装置23连接，根据计步信号计算获取牛的运动量数据；显示装置21显示 所述运动量数据。此终端2可以为电脑、手机等移动终端等。
其中，运动量数据为单位时间内接收到计步信号的次数，可以理解为牛的运动频率，即 在某一时间内牛运动量的多少，此运动量数据以频率图谱的形式在显示装置21上显示，这 样就可以提示操作者通过观察牛的运动频率进而掌握其生理变化和健康状态，如当在一段 时间内，牛的运动量明显增加，则可判断牛发生异常，如发情或生病等。
如图2、图3所示，在本发明的一个实施例中，固定机构111捆绑设置在牛的小腿 部位，其中，固定机构111有一个硬质的与牛小腿弧度相适应的半弧形器件及数根捆绑 带组成，捆绑带的一端固定连接在半弧形器件开口边缘处，另一端两两连接，捆绑在牛 小腿上。此时，储能装置12及无线发射装置13均设置在半弧形器件的外侧(图中未视)。
在本发明的另一个实施例中，在使用牛步系统之前，还需要进行参数标定。具体地， 标定参数包括无线发射装置13每发射一次计步信号对应的牛的单位运动步数，其中， 显示装置21具备标定界面，标定界面由第一显示部分及第一输入部分组成，操作者通 过第一输入部分输入标定指令及标定信息，其中，标定指令包括开始标定指令及结束标 定指令，标定信息包括标定总步数；中央处理装置22记录在开始标定指令及结束标定 指令的操作时间内接收到的计步信号的次数，并根据计步信号的次数及标定总步数完成 标定，得到标定参数。例如，标定总步数除以计步信号的次数即可获取牛单位运动步数。
举例来说，操作者按第一输入部分中的开始按键输入开始标定指令，然后观察牛的运 动情况并记录牛的运动步数，即标定总步数，按第一输入部分中的结束按键输入结束标定 指令，结束标定并停止记录牛的运动步数；在此开始标定指令和结束标定指令的操作时间内， 中央处理装置22自动记录收到计步信号的次数。根据标定总步数及接收到的计步信号的 次数，可获取每发射一次计步信号对应的牛的平均的单位运动步数，即完成标定参数的 设置。另外，如果在第一次使用或者长时间不使用的情况下，无线发射装置13第一次 发射计步信号时所需的运动步数比正常情况多，此时需要从第二次计步信号开始记录与 标定，即将第一个计步信号的干扰因素排除之后再进行标定，由此增加数据的准确性。
在本发明的一个实施例中，中央处理装置22具备计步功能；显示装置21具备计步 界面，计步界面由第二显示部分及第二输入部分组成；其中：操作者通过第二输入部分 输入开始计步指令和结束计步指令，中央处理装置22记录在开始计步指令和结束计步 指令的操作时间内接收到的计步信号的次数，根据计步信号的次数和标定参数获取牛运 动步数，具体地，牛运动步数可通过公式：运动步数＝计步信号的次数*标定参数(即牛 单位运动步数)。
监测牛的运动步数，操作者可以判断牛在一端时间的能量消耗情况，进而对判断饲 料喂养量等饲养方面有辅助作用。
在本发明的一个实施例中，无线接收装置23通过以下通信方式中的一种或多种接 收计步信号：无线射频识别RFID(Radio Frequency IDentification)、近距离无线通讯 技术NFC(Near Field Communication)、蓝牙和射频RF(Radio Frequency)。应当理 解的是，无线接收装置23与无线发射装置13应该互相兼容，优选相同的通信方式；更 应该理解的是所述的通信方式仅代表目前的通信技术，任何可实现本发明实施例功能的 通信方式都适用于本发明实施例。
需要说明的是，本发明的基于纳米发电机的自供电计步信号发生器及牛步系统实施 例所述的摩擦发电机可包括多种结构。下面简单介绍几种常见的结构。
在本发明的的一个实施例中，可采用如图5所示的具有三层结构的摩擦发电机。如 图5所示，摩擦发电机包括：依次层叠的第一电极层1001，第一高分子聚合物绝缘层 1002和第二电极层1003。其中，第二电极层1003与第一电极层1001构成摩擦发电机 的两个输出电极。优选地，为了进一步提高摩擦发电机的发电效率，第一高分子聚合物 绝缘层1002和第二电极层1003相对设置的两面中的至少一个面上设置有微纳结构1000 (图5中的微纳凹凸结构1000设置在第一高分子聚合物绝缘层1002上)。
根据本发明的一个实施例，第一高分子聚合物绝缘层1002为选自聚酰亚胺薄膜、 苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、 聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚 邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纤维(再生)海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共 聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基薄膜，甲基丙烯酸酯薄膜、 聚乙烯醇薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚异丁烯薄膜、聚氨酯柔性海绵薄膜、聚对 苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、甲醛苯酚薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯 丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯薄膜和聚乙烯丙二酚碳 酸盐薄膜中的任意一种。
根据本发明的一个实施例，第一电极层1001所用材料是铟锡氧化物、石墨烯、银 纳米线膜、金属或合金；其中，金属是金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、锡、铁、 锰、钼、钨或钒；合金是铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、 镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合 金或钽合金。
根据本发明的一个实施例，第二电极层1003所用材料与第一电极层1001所用的金 属或合金材料相同。
下面具体介绍一下如图5所示的摩擦发电机的工作过程。当该摩擦发电机的各层受 到外力时，摩擦发电机中的第二电极层1003与第一高分子聚合物绝缘层1002表面相互 摩擦产生静电荷，从而导致第一电极层1001和第二电极层1003之间出现电势差。由于 第一电极层1001和第二电极层1003之间电势差的存在，自由电子将通过外电路由电势 低的一侧流向电势高的一侧，从而在外电路中形成电流。当该摩擦发电机的各层恢复到 原来状态时，这时形成在第一电极层1001和第二电极层1003之间的内电势消失，此时 已平衡的第一电极层1001和第二电极层1003之间将再次产生反向的电势差，则自由电 子通过外电路形成反向电流。因此，可以在外电路中形成交流电信号。
在本发明的一个实施例中，可采用具有四层结构的摩擦发电机，参考图5所示的三 层结构的摩擦发电机，本领域技术人可以较容易的理解其结构、材料与工作原理，此处 不再赘述。
在本发明的一个实施例中，可采用具有五层结构的摩擦发电机，参考图5所示的三 层结构的摩擦发电机，本领域技术人可以较容易的理解其结构、材料与工作原理，此处 不再赘述。
在本发明的一个实施例中，可采用具有居间电极结构的摩擦发电机，参考图5所示 的三层结构的摩擦发电机，本领域技术人可以较容易的理解其结构、材料与工作原理， 此处不再赘述。
需要说明的是，本发明的基于纳米发电机的自供电计步信号发生器及牛步系统实施 例所述的氧化锌纳米发电机可包括多种结构。下面简单介绍几种常见的结构。
本发明的第一种结构的氧化锌纳米发电机如图6和图7所示。该氧化锌纳米发电机 包括：依次层叠设置的第一电极层5001，第一高分子聚合物绝缘层5002，氧化锌纳米 阵列5000以及第二电极层5003。其中，第一电极层5001设置在第一高分子聚合物绝缘 层5002的第一侧表面上；其中，氧化锌纳米阵列5000垂直生长在第二电极层5003上 且氧化锌纳米阵列5000的另一端设置有第一高分子聚合物绝缘层5002的第二侧表面 (或氧化锌纳米阵列5000垂直生长在第一高分子聚合物绝缘层5002的第二侧表面上且 氧化锌纳米阵列5000的另一端设置有第二电极层5003)；其中，第一电极层5001和第 二电极层5003构成氧化锌纳米发电机的两个输出端。
其中，第一高分子聚合物绝缘层5002所用的材料与如图5所示的具有三层结构的 摩擦发电机的第一高分子聚合物绝缘层1002所用的材料相同。
其中，第一电极层5001所用材料与如图5所示的具有三层结构的摩擦发电机的第 一电极层1001所用材料相同。其中，第二电极层5003所用材料与如图5所示的具有三 层结构的摩擦发电机的第一电极层1001所用的金属或合金材料相同。下面具体介绍一 下该氧化锌纳米发电机的工作原理。当该氧化锌纳米发电机受到外力(例如撞击)时， 氧化锌纳米线阵列5000发生弯曲而处于拉伸状态，由于氧化锌材料压电效应的存在， 故将会在氧化锌纳米线阵列5000的顶端产生高的电势，在氧化锌纳米线阵列5000的底 部产生低的电势。此时，如果外电路是导通状态，第一电极层5001与第二电极层5003 通过外电路连接，那么自由电子将从电势较低的底部的第二电极层5003流向电势较高 的顶部的第一电极层5001，从而在外电路中形成电流信号。而氧化锌纳米线阵列5000 一侧的第一高分子聚合物绝缘层5002将防止电子在内部中和。当本发明的氧化锌纳米 发电机各层恢复到原来状态时，氧化锌纳米发电机中的各层也恢复其原来的平板状态， 因氧化锌材料压电效应的存在将会在氧化锌纳米线阵列的顶端与底端之间再次产生电 势差，这时自由电子将从第一电极层5001经由外电路流回到原来的第二电极层5003上， 从而在外电路中形成反向电流。
本发明的第二种结构的氧化锌纳米发电机如图8和图9所示。如图8、9所示的第 二种结构的氧化锌纳米发电机，参考图6和图7所示的第一种结构的氧化锌纳米发电机， 本领域技术人可以较容易的理解其结构、材料与工作原理，此处不再赘述。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述 实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软 件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公 知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻 辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列 (PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
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。