方飛龍，林澤楷，羅伊蕊，張辰健，毛清洋

（杭州萬(wàn)向職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能技術(shù)系，浙江杭州，310023）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)于美好生活的追求越來(lái)越高，寵物已經(jīng)成為每個(gè)家庭必不可少的一部分【1】。寵物在帶給人類(lèi)帶來(lái)美好生活體驗(yàn)的同時(shí)，越來(lái)越多的寵物傷害、丟失以及寵物自身運(yùn)動(dòng)的能量未能充分利用等問(wèn)題也逐漸凸顯出來(lái)【2】。

寵物項(xiàng)圈是為了保護(hù)、控制與牽引寵物【3】，普通的寵物項(xiàng)圈多數(shù)由尼龍織帶加工而成【4】。將項(xiàng)圈套系在寵物脖子上，出門(mén)遛寵物時(shí)栓一條純金屬或帶尼龍外罩的金屬鏈子即可。寵物在人類(lèi)社會(huì)中扮演著多重角色，最普通和最重要的是作為人類(lèi)忠實(shí)的同伴共同生活，為寵物佩戴項(xiàng)圈或胸背帶以牽引寵物不僅是公德心的體現(xiàn)，也是保護(hù)寵物自身安全的有效措施【5】。常見(jiàn)的項(xiàng)圈通常只是為了方便出門(mén)遛寵物時(shí)栓繩，目前市面上也有一些可以根據(jù)寵物自身的大小來(lái)調(diào)節(jié)寵物項(xiàng)圈的大小從而提升寵物的舒適度的項(xiàng)圈產(chǎn)品。在日常生活中，寵物在佩戴項(xiàng)圈后有過(guò)長(zhǎng)部分與項(xiàng)圈形成分叉，易夾住寵物的毛發(fā)，而且美觀性不佳，同時(shí)在寵物成長(zhǎng)期時(shí)由于脖頸的變化需更換多種大小的項(xiàng)圈【6】。

自供電技術(shù)是一種新型供電技術(shù)，它是將周?chē)h(huán)境中的各種能量轉(zhuǎn)化成電能，從而驅(qū)動(dòng)低功耗電子設(shè)備運(yùn)作【7】。利用自供電技術(shù)，能夠有效實(shí)現(xiàn)零電能消耗，節(jié)約安裝和使用成本，保護(hù)環(huán)境。近些年，國(guó)內(nèi)已出現(xiàn)初具規(guī)模的自供電智能產(chǎn)品。

自供電技術(shù)的原理十分簡(jiǎn)單。我們身邊每天都充滿(mǎn)著各式各樣的能量，最常見(jiàn)的有熱能、機(jī)械能、輻射能、化學(xué)能等形式，這項(xiàng)技術(shù)就是利用振動(dòng)模塊通過(guò)敲擊、振動(dòng)、按壓、平推等動(dòng)作將這些能量收集起來(lái)，實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)化。

基于運(yùn)動(dòng)能量采集的研究，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有很多研究者開(kāi)展了各種各樣的研究。最基本也是最常見(jiàn)的一種研究是基于電磁感應(yīng)定律，電磁感應(yīng)定律也叫法拉第電磁感應(yīng)定律【8】，電磁感應(yīng)現(xiàn)象是指因磁通量變化產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象，例如，閉合電路的一部分導(dǎo)體在磁場(chǎng)里做切割磁感線的運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體中就會(huì)產(chǎn)生電流，產(chǎn)生的電流稱(chēng)為感應(yīng)電流，產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)（電壓）稱(chēng)為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)?；诖嗽?，設(shè)計(jì)一種運(yùn)動(dòng)能量采集裝置，將寵物運(yùn)動(dòng)時(shí)的能量采集并存儲(chǔ)，用于寵物自身定位以及夜間發(fā)光照明等自供電，并應(yīng)用于寵物項(xiàng)圈中，是本文的研究范圍。

圖1 法拉第電磁感應(yīng)定律原理示意圖

寵物在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的振動(dòng)能，本作品開(kāi)發(fā)的基本思路是設(shè)計(jì)一種振動(dòng)發(fā)電機(jī)，將這些振動(dòng)能捕捉用于發(fā)電，發(fā)出來(lái)的電可能不能直接使用，需要經(jīng)整流、放大等后端電路處理后才能用來(lái)給寵物項(xiàng)圈充電，在不斷對(duì)后端電路進(jìn)行優(yōu)化處理后，最終才能實(shí)現(xiàn)寵物項(xiàng)圈的自供電。

1 市場(chǎng)分析

2021年3月12日，IDC發(fā)布《中國(guó)可穿戴設(shè)備市場(chǎng)季度跟蹤報(bào)告，2020年第四季度》報(bào)告顯示，2020年中國(guó)可穿戴設(shè)備市場(chǎng)出貨量近1.1億臺(tái)，同比增長(zhǎng)7.5%?？纱┐髟O(shè)備、傳感器、智能手機(jī)等電子設(shè)備存在一個(gè)普遍共性問(wèn)題：電池續(xù)航能力有限、需要反復(fù)充電，并且在電量不足或充電期間影響使用【9】。為此，科研界和產(chǎn)業(yè)界都在不斷改善電池性能，也在積極探索新的能量供應(yīng)方式，采集外部能量為電子設(shè)備供電。這些外部能量包括：太陽(yáng)能、熱能、機(jī)械能等，它們都是清潔和可再生的。然而，采集這些能量，并將它們轉(zhuǎn)化為電子設(shè)備可利用的電能，就需要特殊的裝置。

目前市場(chǎng)上現(xiàn)有的寵物項(xiàng)圈產(chǎn)品，功能單一、智能化程度有限、價(jià)格參差不齊【10】，各類(lèi)家居企業(yè)有關(guān)多功能寵物項(xiàng)圈的研究?jī)H僅停留在外觀造型和使用人性化的層次，并沒(méi)有從節(jié)能環(huán)保的角度出發(fā)開(kāi)發(fā)一款集成多種智能功能的產(chǎn)品【11】，特別是持續(xù)提供定位所需的電量通常需要靠電池或多次充放電來(lái)解決，而寵物自身運(yùn)動(dòng)的能量并沒(méi)有加以利用。

針對(duì)目前的研究現(xiàn)狀，結(jié)合國(guó)家中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃中有關(guān)節(jié)能環(huán)保和碳達(dá)峰的要求，有必要設(shè)計(jì)和研發(fā)一款具有節(jié)能環(huán)保、智能化的多功能寵物項(xiàng)圈，一方面為了解決現(xiàn)有產(chǎn)品的缺陷，同時(shí)也為改善人類(lèi)居住環(huán)境做出一點(diǎn)貢獻(xiàn)。

2 自供電寵物項(xiàng)圈組成

一種自供電寵物項(xiàng)圈，如圖2—圖4所示，包括套管1及定位盒7，套管1由尼龍材質(zhì)編織而成，且內(nèi)摻有鋼絲，可提高項(xiàng)圈的強(qiáng)度，套管1的外壁套設(shè)有可滑動(dòng)的滑環(huán)，滑環(huán)與定位盒7之間連接有彈簧8，通過(guò)彈簧8可緩沖寵物移動(dòng)時(shí)定位盒7的上下抖動(dòng)幅度，降低該項(xiàng)圈對(duì)寵物的舒適度影響，定位盒7的內(nèi)部安裝有振動(dòng)發(fā)電機(jī)9、蓄電池10和微型定位器11，定位盒7的外壁安裝有與蓄電池10電性連接的燈環(huán)12，定位盒7的外壁安裝有與燈環(huán)12開(kāi)關(guān)電性連接的光敏傳感器13，通過(guò)振動(dòng)發(fā)電機(jī)9可為蓄電池10進(jìn)行充電，為微型定位器11及燈環(huán)12進(jìn)行供電，便于對(duì)寵物進(jìn)行持續(xù)的定位，降低丟失概率，同時(shí)光敏傳感器13可控制燈環(huán)12在寵物所處環(huán)境亮度進(jìn)行自行啟閉，利于降低電量損耗，穩(wěn)定定位盒7的正常工作，套管1的一端固定有連接柔管2，套管1的另一端安裝有連接環(huán)3，連接環(huán)3的一側(cè)貫穿有限定桿6，連接環(huán)3的內(nèi)壁設(shè)有與限定桿6相對(duì)應(yīng)的內(nèi)槽，且內(nèi)槽的內(nèi)徑大于限定桿6的外徑，連接柔管2的內(nèi)部開(kāi)設(shè)有路徑陣列且與限定桿6相適配的限定孔，連接環(huán)3的外壁固定有限位帶4，限位帶4與連接環(huán)3的側(cè)壁均安裝有相適配的子母扣5，套管1和連接環(huán)3的內(nèi)部均開(kāi)設(shè)有與連接柔管2相適配的通道，通過(guò)連接柔管2插入套管1的內(nèi)部，以限定桿6貫穿連接環(huán)3，限位帶4防止限定桿6脫離的方式對(duì)項(xiàng)圈進(jìn)行固定，操作簡(jiǎn)便迅速，且項(xiàng)圈的過(guò)長(zhǎng)部分均可藏于套管1內(nèi)部，可避免剪切操作，防止過(guò)長(zhǎng)部分的連接處夾住寵物毛發(fā)，也方便從寵物的幼年使用到成年，同時(shí)無(wú)過(guò)長(zhǎng)部分美觀性更佳，連接柔管2的外壁固定有柔性隔環(huán)14，且柔性隔環(huán)14與套管1內(nèi)的通道過(guò)盈配合，柔性隔環(huán)14可形變進(jìn)入通道內(nèi)，通過(guò)柔性隔環(huán)14可充分抵觸通道的內(nèi)壁，在連接柔管2插入套管1內(nèi)時(shí)可對(duì)通道進(jìn)行堵塞，避免異物進(jìn)入通道內(nèi)影響項(xiàng)圈的使用。

圖2

圖3

圖4

圖中：1、套管；2、連接柔管；3、連接環(huán)；4、限位帶；5、子母扣；6、限定桿；7、定位盒；8、彈簧；9、振動(dòng)發(fā)電機(jī)；10、蓄電池；11、微型定位器；12、燈環(huán)；13、光敏傳感器；14、柔性隔環(huán)。

其中，核心部件振動(dòng)發(fā)電機(jī)9由發(fā)電模塊91和電路板92組成，發(fā)電模塊91包括強(qiáng)磁體911和線圈912，發(fā)電模塊91通過(guò)強(qiáng)磁體911往復(fù)穿過(guò)線圈912產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)實(shí)現(xiàn)發(fā)電，線圈912與電路板92電連接，電路板92上集成有電磁感應(yīng)能量收集轉(zhuǎn)換模塊，電磁感應(yīng)能量收集轉(zhuǎn)換模塊包括整流濾波電路和穩(wěn)壓電路，整流濾波電路與線圈912電連接，整流濾波電路和穩(wěn)壓電路串聯(lián)，整流濾波電路采用橋式整流電路，穩(wěn)壓電路采用7802-1A芯片，如圖4和5所示。

3 自供電寵物項(xiàng)圈工作原理

結(jié)合圖2-圖4，自供電寵物項(xiàng)圈使用時(shí)，連接柔管2插入套管1的內(nèi)部，以限定桿6貫穿連接環(huán)3，限位帶4環(huán)繞連接環(huán)3并通過(guò)子母扣5與連接環(huán)3固定，防止限定桿6脫離的方式對(duì)項(xiàng)圈進(jìn)行固定，操作簡(jiǎn)便迅速，且項(xiàng)圈的過(guò)長(zhǎng)部分均可藏于套管1內(nèi)部，可避免剪切操作，防止過(guò)長(zhǎng)部分的連接處夾住寵物毛發(fā)，也方便從寵物的幼年使用到成年，振動(dòng)發(fā)電機(jī)9可為蓄電池10進(jìn)行充電，為微型定位器11及燈環(huán)12進(jìn)行供電，便于對(duì)寵物進(jìn)行持續(xù)的定位，降低丟失概率，同時(shí)光敏傳感器13可控制燈環(huán)12在寵物所處環(huán)境亮度進(jìn)行自行啟閉，利于降低電量損耗，穩(wěn)定定位盒7的正常工作。

圖4 振動(dòng)發(fā)電機(jī)示意圖

圖5 整流濾波電路和穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)圖

當(dāng)寵物外出正?；顒?dòng)時(shí)，戴在其身上的寵物項(xiàng)圈隨著寵物的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，此時(shí)基于法拉第電磁感應(yīng)定律原理的振動(dòng)發(fā)電機(jī)工作將寵物運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能，并為蓄電池進(jìn)行充電存儲(chǔ)，原則上只要寵物在運(yùn)動(dòng)，該充電過(guò)程一直在進(jìn)行，確保定位芯片和發(fā)光照明用電，防止寵物丟失情況的發(fā)生。

4 自供電寵物項(xiàng)圈有益效果

（1）該自供電寵物項(xiàng)圈，通過(guò)連接柔管插入套管的內(nèi)部，以限定桿貫穿連接環(huán)，限位帶防止限定桿脫離的方式對(duì)項(xiàng)圈進(jìn)行固定，操作簡(jiǎn)便迅速，且項(xiàng)圈的過(guò)長(zhǎng)部分均可藏于套管內(nèi)部，可避免剪切操作，防止過(guò)長(zhǎng)部分的連接處夾住寵物毛發(fā)，也方便從寵物的幼年使用到成年。

（2）該自供電寵物項(xiàng)圈，通過(guò)彈簧可緩沖寵物移動(dòng)時(shí)定位盒的上下抖動(dòng)幅度，降低該項(xiàng)圈對(duì)寵物的舒適度影響。

（3）該自供電寵物項(xiàng)圈，通過(guò)振動(dòng)發(fā)電機(jī)可為蓄電池進(jìn)行充電，為微型定位器及燈環(huán)進(jìn)行供電，便于對(duì)寵物進(jìn)行持續(xù)的定位，降低丟失概率，同時(shí)光敏傳感器可控制燈環(huán)在寵物所處環(huán)境亮度進(jìn)行自行啟閉，利于降低電量損耗，穩(wěn)定定位盒的正常工作。

（4）該自供電寵物項(xiàng)圈，通過(guò)柔性隔環(huán)可充分抵觸通道的內(nèi)壁，在連接柔管插入套管內(nèi)時(shí)可對(duì)通道進(jìn)行堵塞，避免異物進(jìn)入通道內(nèi)影響項(xiàng)圈的使用。

5 創(chuàng)新點(diǎn)及總結(jié)

（1）智能化：該自供電寵物項(xiàng)圈，通過(guò)振動(dòng)發(fā)電機(jī)可為蓄電池進(jìn)行充電，為微型定位器及燈環(huán)進(jìn)行供電，便于對(duì)寵物進(jìn)行持續(xù)的定位和提供夜間照明用電。

（2）方便化：該自供電寵物項(xiàng)圈，通過(guò)柔性隔環(huán)可充分抵觸通道的內(nèi)壁，在連接柔管插入套管內(nèi)時(shí)可對(duì)通道進(jìn)行堵塞，避免異物進(jìn)入通道內(nèi)影響項(xiàng)圈的使用。

（3）適合寵物各生長(zhǎng)周期：該自供電寵物項(xiàng)圈，通過(guò)彈簧可緩沖寵物移動(dòng)時(shí)定位盒的上下抖動(dòng)幅度，降低該項(xiàng)圈對(duì)寵物的舒適度影響。且連接柔管和套管的配合設(shè)計(jì)使項(xiàng)圈“能屈能伸”，適合寵物的全生命周期使用，降低項(xiàng)圈購(gòu)買(mǎi)成本。

（4）節(jié)能環(huán)保：光敏傳感器可控制燈環(huán)在寵物所處環(huán)境亮度進(jìn)行自行啟閉，利于降低電量損耗，穩(wěn)定定位盒的正常工作，真正做到振動(dòng)發(fā)電節(jié)能環(huán)保。

6 經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益

在經(jīng)濟(jì)性預(yù)估上，自供電寵物項(xiàng)圈采用了法拉第電磁感應(yīng)定律，從而起到振動(dòng)發(fā)電的功能，能夠更好地節(jié)約電量。假設(shè)我國(guó)保守按1000萬(wàn)寵物家庭計(jì)算，平均每天遛寵物0.5小時(shí)，假設(shè)每個(gè)普通項(xiàng)圈定位以及照明用電功率為1W，則采用本產(chǎn)品每年可節(jié)約用電182.5萬(wàn)度。如果按火力發(fā)電（目前來(lái)講火力發(fā)電為主要發(fā)電形式）計(jì)算，發(fā)一度電大約消耗煤0.34千克，平均按煤中碳的含量為70%計(jì)算，發(fā)一度電的同時(shí)將產(chǎn)生二氧化碳0.87千克。根據(jù)前文計(jì)算，自供電寵物項(xiàng)圈每年可以節(jié)約用電182.5萬(wàn)度，相當(dāng)于采用自供電寵物項(xiàng)圈替換傳統(tǒng)項(xiàng)圈產(chǎn)品后每年可減少約1500t的二氧化碳排放，生態(tài)效益明顯。此外，蓄電池的重復(fù)使用還可以避免傳統(tǒng)電池項(xiàng)圈的廢舊電池污染。

7 研究展望

由于寵物運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度不高以及自供電項(xiàng)圈產(chǎn)品尺寸和重量的限制，目前設(shè)計(jì)的自供電寵物項(xiàng)圈振動(dòng)發(fā)電機(jī)的發(fā)電功率比較低，為了提高發(fā)電功率以及保證產(chǎn)品的穩(wěn)定性，后續(xù)的研究可以引入壓電陶瓷材料。壓電陶瓷材料是一種最常用的智能材料，具有體積小、響應(yīng)快、頻帶寬等特點(diǎn)【12】。利用壓電陶瓷材料的力電耦合特性，設(shè)計(jì)各種不同的壓電俘能器，可以將更多的機(jī)械振動(dòng)能量采集并存儲(chǔ)。因此，怎樣設(shè)計(jì)一款利用電磁感應(yīng)原理和壓電陶瓷材料特性的組合發(fā)電裝置并應(yīng)用到自供電寵物項(xiàng)圈中，是產(chǎn)品的后續(xù)開(kāi)發(fā)計(jì)劃。

調(diào)研顯示，年輕人正在成為健康消費(fèi)的主流。他們一方面推崇改變生活的創(chuàng)新，一方面追求著健康的生活。當(dāng)具有創(chuàng)新性并且有著超前設(shè)計(jì)的自供電寵物項(xiàng)圈上市時(shí)，一定會(huì)有熱烈的反響。