自供電寵物項圈設計

方飛龍，林澤楷，羅伊蕊，張辰健，毛清洋

（杭州萬向職業技術學院智能技術系，浙江杭州，310023）

0 引言

隨著我國經濟社會的發展，人們對于美好生活的追求越來越高，寵物已經成為每個家庭必不可少的一部分【1】。寵物在帶給人類帶來美好生活體驗的同時，越來越多的寵物傷害、丟失以及寵物自身運動的能量未能充分利用等問題也逐漸凸顯出來【2】。

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

自供電技術是一種新型供電技術，它是將周圍環境中的各種能量轉化成電能，從而驅動低功耗電子設備運作【7】。利用自供電技術，能夠有效實現零電能消耗，節約安裝和使用成本，保護環境。近些年，國內已出現初具規模的自供電智能產品。

自供電技術的原理十分簡單。我們身邊每天都充滿著各式各樣的能量，最常見的有熱能、機械能、輻射能、化學能等形式，這項技術就是利用振動模塊通過敲擊、振動、按壓、平推等動作將這些能量收集起來，實現電能轉化。

基于運動能量采集的研究，國內外已經有很多研究者開展了各種各樣的研究。最基本也是最常見的一種研究是基于電磁感應定律，電磁感應定律也叫法拉第電磁感應定律【8】，電磁感應現象是指因磁通量變化產生感應電動勢的現象，例如，閉合電路的一部分導體在磁場里做切割磁感線的運動時，導體中就會產生電流，產生的電流稱為感應電流，產生的電動勢（電壓）稱為感應電動勢。基于此原理，設計一種運動能量采集裝置，將寵物運動時的能量采集并存儲，用于寵物自身定位以及夜間發光照明等自供電，并應用于寵物項圈中，是本文的研究范圍。

圖1 法拉第電磁感應定律原理示意圖

寵物在運動過程中會產生大量的振動能，本作品開發的基本思路是設計一種振動發電機，將這些振動能捕捉用于發電，發出來的電可能不能直接使用，需要經整流、放大等后端電路處理后才能用來給寵物項圈充電，在不斷對后端電路進行優化處理后，最終才能實現寵物項圈的自供電。

1 市場分析

2021年3月12日，IDC發布《中國可穿戴設備市場季度跟蹤報告，2020年第四季度》報告顯示，2020年中國可穿戴設備市場出貨量近1.1億臺，同比增長7.5%。可穿戴設備、傳感器、智能手機等電子設備存在一個普遍共性問題：電池續航能力有限、需要反復充電，并且在電量不足或充電期間影響使用【9】。為此，科研界和產業界都在不斷改善電池性能，也在積極探索新的能量供應方式，采集外部能量為電子設備供電。這些外部能量包括：太陽能、熱能、機械能等，它們都是清潔和可再生的。然而，采集這些能量，并將它們轉化為電子設備可利用的電能，就需要特殊的裝置。

目前市場上現有的寵物項圈產品，功能單一、智能化程度有限、價格參差不齊【10】，各類家居企業有關多功能寵物項圈的研究僅僅停留在外觀造型和使用人性化的層次，并沒有從節能環保的角度出發開發一款集成多種智能功能的產品【11】，特別是持續提供定位所需的電量通常需要靠電池或多次充放電來解決，而寵物自身運動的能量并沒有加以利用。

針對目前的研究現狀，結合國家中長期發展規劃中有關節能環保和碳達峰的要求，有必要設計和研發一款具有節能環保、智能化的多功能寵物項圈，一方面為了解決現有產品的缺陷，同時也為改善人類居住環境做出一點貢獻。

2 自供電寵物項圈組成

一種自供電寵物項圈，如圖2—圖4所示，包括套管1及定位盒7，套管1由尼龍材質編織而成，且內摻有鋼絲，可提高項圈的強度，套管1的外壁套設有可滑動的滑環，滑環與定位盒7之間連接有彈簧8，通過彈簧8可緩沖寵物移動時定位盒7的上下抖動幅度，降低該項圈對寵物的舒適度影響，定位盒7的內部安裝有振動發電機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12，定位盒7的外壁安裝有與燈環12開關電性連接的光敏傳感器13，通過振動發電機9可為蓄電池10進行充電，為微型定位器11及燈環12進行供電，便于對寵物進行持續的定位，降低丟失概率，同時光敏傳感器13可控制燈環12在寵物所處環境亮度進行自行啟閉，利于降低電量損耗，穩定定位盒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3，連接環3的一側貫穿有限定桿6，連接環3的內壁設有與限定桿6相對應的內槽，且內槽的內徑大于限定桿6的外徑，連接柔管2的內部開設有路徑陣列且與限定桿6相適配的限定孔，連接環3的外壁固定有限位帶4，限位帶4與連接環3的側壁均安裝有相適配的子母扣5，套管1和連接環3的內部均開設有與連接柔管2相適配的通道，通過連接柔管2插入套管1的內部，以限定桿6貫穿連接環3，限位帶4防止限定桿6脫離的方式對項圈進行固定，操作簡便迅速，且項圈的過長部分均可藏于套管1內部，可避免剪切操作，防止過長部分的連接處夾住寵物毛發，也方便從寵物的幼年使用到成年，同時無過長部分美觀性更佳，連接柔管2的外壁固定有柔性隔環14，且柔性隔環14與套管1內的通道過盈配合，柔性隔環14可形變進入通道內，通過柔性隔環14可充分抵觸通道的內壁，在連接柔管2插入套管1內時可對通道進行堵塞，避免異物進入通道內影響項圈的使用。

圖2

圖3

圖4

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

其中，核心部件振動發電機9由發電模塊91和電路板92組成，發電模塊91包括強磁體911和線圈912，發電模塊91通過強磁體911往復穿過線圈912產生電動勢實現發電，線圈912與電路板92電連接，電路板92上集成有電磁感應能量收集轉換模塊，電磁感應能量收集轉換模塊包括整流濾波電路和穩壓電路，整流濾波電路與線圈912電連接，整流濾波電路和穩壓電路串聯，整流濾波電路采用橋式整流電路，穩壓電路采用7802-1A芯片，如圖4和5所示。

3 自供電寵物項圈工作原理

結合圖2-圖4，自供電寵物項圈使用時，連接柔管2插入套管1的內部，以限定桿6貫穿連接環3，限位帶4環繞連接環3并通過子母扣5與連接環3固定，防止限定桿6脫離的方式對項圈進行固定，操作簡便迅速，且項圈的過長部分均可藏于套管1內部，可避免剪切操作，防止過長部分的連接處夾住寵物毛發，也方便從寵物的幼年使用到成年，振動發電機9可為蓄電池10進行充電，為微型定位器11及燈環12進行供電，便于對寵物進行持續的定位，降低丟失概率，同時光敏傳感器13可控制燈環12在寵物所處環境亮度進行自行啟閉，利于降低電量損耗，穩定定位盒7的正常工作。

圖4 振動發電機示意圖

圖5 整流濾波電路和穩壓電路設計圖

當寵物外出正常活動時，戴在其身上的寵物項圈隨著寵物的運動而運動，此時基于法拉第電磁感應定律原理的振動發電機工作將寵物運動時的動能轉換成電能，并為蓄電池進行充電存儲，原則上只要寵物在運動，該充電過程一直在進行，確保定位芯片和發光照明用電，防止寵物丟失情況的發生。

4 自供電寵物項圈有益效果

（1）該自供電寵物項圈，通過連接柔管插入套管的內部，以限定桿貫穿連接環，限位帶防止限定桿脫離的方式對項圈進行固定，操作簡便迅速，且項圈的過長部分均可藏于套管內部，可避免剪切操作，防止過長部分的連接處夾住寵物毛發，也方便從寵物的幼年使用到成年。

（2）該自供電寵物項圈，通過彈簧可緩沖寵物移動時定位盒的上下抖動幅度，降低該項圈對寵物的舒適度影響。

（3）該自供電寵物項圈，通過振動發電機可為蓄電池進行充電，為微型定位器及燈環進行供電，便于對寵物進行持續的定位，降低丟失概率，同時光敏傳感器可控制燈環在寵物所處環境亮度進行自行啟閉，利于降低電量損耗，穩定定位盒的正常工作。

（4）該自供電寵物項圈，通過柔性隔環可充分抵觸通道的內壁，在連接柔管插入套管內時可對通道進行堵塞，避免異物進入通道內影響項圈的使用。

5 創新點及總結

（1）智能化：該自供電寵物項圈，通過振動發電機可為蓄電池進行充電，為微型定位器及燈環進行供電，便于對寵物進行持續的定位和提供夜間照明用電。

（2）方便化：該自供電寵物項圈，通過柔性隔環可充分抵觸通道的內壁，在連接柔管插入套管內時可對通道進行堵塞，避免異物進入通道內影響項圈的使用。

（3）適合寵物各生長周期：該自供電寵物項圈，通過彈簧可緩沖寵物移動時定位盒的上下抖動幅度，降低該項圈對寵物的舒適度影響。且連接柔管和套管的配合設計使項圈“能屈能伸”，適合寵物的全生命周期使用，降低項圈購買成本。

（4）節能環保：光敏傳感器可控制燈環在寵物所處環境亮度進行自行啟閉，利于降低電量損耗，穩定定位盒的正常工作，真正做到振動發電節能環保。

6 經濟和社會效益

在經濟性預估上，自供電寵物項圈采用了法拉第電磁感應定律，從而起到振動發電的功能，能夠更好地節約電量。假設我國保守按1000萬寵物家庭計算，平均每天遛寵物0.5小時，假設每個普通項圈定位以及照明用電功率為1W，則采用本產品每年可節約用電182.5萬度。如果按火力發電（目前來講火力發電為主要發電形式）計算，發一度電大約消耗煤0.34千克，平均按煤中碳的含量為70%計算，發一度電的同時將產生二氧化碳0.87千克。根據前文計算，自供電寵物項圈每年可以節約用電182.5萬度，相當于采用自供電寵物項圈替換傳統項圈產品后每年可減少約1500t的二氧化碳排放，生態效益明顯。此外，蓄電池的重復使用還可以避免傳統電池項圈的廢舊電池污染。

7 研究展望

由于寵物運動強度不高以及自供電項圈產品尺寸和重量的限制，目前設計的自供電寵物項圈振動發電機的發電功率比較低，為了提高發電功率以及保證產品的穩定性，后續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、響應快、頻帶寬等特點【12】。利用壓電陶瓷材料的力電耦合特性，設計各種不同的壓電俘能器，可以將更多的機械振動能量采集并存儲。因此，怎樣設計一款利用電磁感應原理和壓電陶瓷材料特性的組合發電裝置并應用到自供電寵物項圈中，是產品的后續開發計劃。

調研顯示，年輕人正在成為健康消費的主流。他們一方面推崇改變生活的創新，一方面追求著健康的生活。當具有創新性并且有著超前設計的自供電寵物項圈上市時，一定會有熱烈的反響。