自供电宠物项圈设计

方飞龙，林泽楷，罗伊蕊，张辰健，毛清洋

（杭州万向职业技术学院智能技术系，浙江杭州，310023）

0 引言

随着我国经济社会的发展，人们对于美好生活的追求越来越高，宠物已经成为每个家庭必不可少的一部分【1】。宠物在带给人类带来美好生活体验的同时，越来越多的宠物伤害、丢失以及宠物自身运动的能量未能充分利用等问题也逐渐凸显出来【2】。

宠物项圈是为了保护、控制与牵引宠物【3】，普通的宠物项圈多数由尼龙织带加工而成【4】。将项圈套系在宠物脖子上，出门遛宠物时栓一条纯金属或带尼龙外罩的金属链子即可。宠物在人类社会中扮演着多重角色，最普通和最重要的是作为人类忠实的同伴共同生活，为宠物佩戴项圈或胸背带以牵引宠物不仅是公德心的体现，也是保护宠物自身安全的有效措施【5】。常见的项圈通常只是为了方便出门遛宠物时栓绳，目前市面上也有一些可以根据宠物自身的大小来调节宠物项圈的大小从而提升宠物的舒适度的项圈产品。在日常生活中，宠物在佩戴项圈后有过长部分与项圈形成分叉，易夹住宠物的毛发，而且美观性不佳，同时在宠物成长期时由于脖颈的变化需更换多种大小的项圈【6】。

自供电技术是一种新型供电技术，它是将周围环境中的各种能量转化成电能，从而驱动低功耗电子设备运作【7】。利用自供电技术，能够有效实现零电能消耗，节约安装和使用成本，保护环境。近些年，国内已出现初具规模的自供电智能产品。

自供电技术的原理十分简单。我们身边每天都充满着各式各样的能量，最常见的有热能、机械能、辐射能、化学能等形式，这项技术就是利用振动模块通过敲击、振动、按压、平推等动作将这些能量收集起来，实现电能转化。

基于运动能量采集的研究，国内外已经有很多研究者开展了各种各样的研究。最基本也是最常见的一种研究是基于电磁感应定律，电磁感应定律也叫法拉第电磁感应定律【8】，电磁感应现象是指因磁通量变化产生感应电动势的现象，例如，闭合电路的一部分导体在磁场里做切割磁感线的运动时，导体中就会产生电流，产生的电流称为感应电流，产生的电动势（电压）称为感应电动势。基于此原理，设计一种运动能量采集装置，将宠物运动时的能量采集并存储，用于宠物自身定位以及夜间发光照明等自供电，并应用于宠物项圈中，是本文的研究范围。

图1 法拉第电磁感应定律原理示意图

宠物在运动过程中会产生大量的振动能，本作品开发的基本思路是设计一种振动发电机，将这些振动能捕捉用于发电，发出来的电可能不能直接使用，需要经整流、放大等后端电路处理后才能用来给宠物项圈充电，在不断对后端电路进行优化处理后，最终才能实现宠物项圈的自供电。

1 市场分析

2021年3月12日，IDC发布《中国可穿戴设备市场季度跟踪报告，2020年第四季度》报告显示，2020年中国可穿戴设备市场出货量近1.1亿台，同比增长7.5%。可穿戴设备、传感器、智能手机等电子设备存在一个普遍共性问题：电池续航能力有限、需要反复充电，并且在电量不足或充电期间影响使用【9】。为此，科研界和产业界都在不断改善电池性能，也在积极探索新的能量供应方式，采集外部能量为电子设备供电。这些外部能量包括：太阳能、热能、机械能等，它们都是清洁和可再生的。然而，采集这些能量，并将它们转化为电子设备可利用的电能，就需要特殊的装置。

目前市场上现有的宠物项圈产品，功能单一、智能化程度有限、价格参差不齐【10】，各类家居企业有关多功能宠物项圈的研究仅仅停留在外观造型和使用人性化的层次，并没有从节能环保的角度出发开发一款集成多种智能功能的产品【11】，特别是持续提供定位所需的电量通常需要靠电池或多次充放电来解决，而宠物自身运动的能量并没有加以利用。

针对目前的研究现状，结合国家中长期发展规划中有关节能环保和碳达峰的要求，有必要设计和研发一款具有节能环保、智能化的多功能宠物项圈，一方面为了解决现有产品的缺陷，同时也为改善人类居住环境做出一点贡献。

2 自供电宠物项圈组成

一种自供电宠物项圈，如图2—图4所示，包括套管1及定位盒7，套管1由尼龙材质编织而成，且内掺有钢丝，可提高项圈的强度，套管1的外壁套设有可滑动的滑环，滑环与定位盒7之间连接有弹簧8，通过弹簧8可缓冲宠物移动时定位盒7的上下抖动幅度，降低该项圈对宠物的舒适度影响，定位盒7的内部安装有振动发电机9、蓄电池10和微型定位器11，定位盒7的外壁安装有与蓄电池10电性连接的灯环12，定位盒7的外壁安装有与灯环12开关电性连接的光敏传感器13，通过振动发电机9可为蓄电池10进行充电，为微型定位器11及灯环12进行供电，便于对宠物进行持续的定位，降低丢失概率，同时光敏传感器13可控制灯环12在宠物所处环境亮度进行自行启闭，利于降低电量损耗，稳定定位盒7的正常工作，套管1的一端固定有连接柔管2，套管1的另一端安装有连接环3，连接环3的一侧贯穿有限定杆6，连接环3的内壁设有与限定杆6相对应的内槽，且内槽的内径大于限定杆6的外径，连接柔管2的内部开设有路径阵列且与限定杆6相适配的限定孔，连接环3的外壁固定有限位带4，限位带4与连接环3的侧壁均安装有相适配的子母扣5，套管1和连接环3的内部均开设有与连接柔管2相适配的通道，通过连接柔管2插入套管1的内部，以限定杆6贯穿连接环3，限位带4防止限定杆6脱离的方式对项圈进行固定，操作简便迅速，且项圈的过长部分均可藏于套管1内部，可避免剪切操作，防止过长部分的连接处夹住宠物毛发，也方便从宠物的幼年使用到成年，同时无过长部分美观性更佳，连接柔管2的外壁固定有柔性隔环14，且柔性隔环14与套管1内的通道过盈配合，柔性隔环14可形变进入通道内，通过柔性隔环14可充分抵触通道的内壁，在连接柔管2插入套管1内时可对通道进行堵塞，避免异物进入通道内影响项圈的使用。

图2

图3

图4

图中：1、套管；2、连接柔管；3、连接环；4、限位带；5、子母扣；6、限定杆；7、定位盒；8、弹簧；9、振动发电机；10、蓄电池；11、微型定位器；12、灯环；13、光敏传感器；14、柔性隔环。

其中，核心部件振动发电机9由发电模块91和电路板92组成，发电模块91包括强磁体911和线圈912，发电模块91通过强磁体911往复穿过线圈912产生电动势实现发电，线圈912与电路板92电连接，电路板92上集成有电磁感应能量收集转换模块，电磁感应能量收集转换模块包括整流滤波电路和稳压电路，整流滤波电路与线圈912电连接，整流滤波电路和稳压电路串联，整流滤波电路采用桥式整流电路，稳压电路采用7802-1A芯片，如图4和5所示。

3 自供电宠物项圈工作原理

结合图2-图4，自供电宠物项圈使用时，连接柔管2插入套管1的内部，以限定杆6贯穿连接环3，限位带4环绕连接环3并通过子母扣5与连接环3固定，防止限定杆6脱离的方式对项圈进行固定，操作简便迅速，且项圈的过长部分均可藏于套管1内部，可避免剪切操作，防止过长部分的连接处夹住宠物毛发，也方便从宠物的幼年使用到成年，振动发电机9可为蓄电池10进行充电，为微型定位器11及灯环12进行供电，便于对宠物进行持续的定位，降低丢失概率，同时光敏传感器13可控制灯环12在宠物所处环境亮度进行自行启闭，利于降低电量损耗，稳定定位盒7的正常工作。

图4 振动发电机示意图

图5 整流滤波电路和稳压电路设计图

当宠物外出正常活动时，戴在其身上的宠物项圈随着宠物的运动而运动，此时基于法拉第电磁感应定律原理的振动发电机工作将宠物运动时的动能转换成电能，并为蓄电池进行充电存储，原则上只要宠物在运动，该充电过程一直在进行，确保定位芯片和发光照明用电，防止宠物丢失情况的发生。

4 自供电宠物项圈有益效果

（1）该自供电宠物项圈，通过连接柔管插入套管的内部，以限定杆贯穿连接环，限位带防止限定杆脱离的方式对项圈进行固定，操作简便迅速，且项圈的过长部分均可藏于套管内部，可避免剪切操作，防止过长部分的连接处夹住宠物毛发，也方便从宠物的幼年使用到成年。

（2）该自供电宠物项圈，通过弹簧可缓冲宠物移动时定位盒的上下抖动幅度，降低该项圈对宠物的舒适度影响。

（3）该自供电宠物项圈，通过振动发电机可为蓄电池进行充电，为微型定位器及灯环进行供电，便于对宠物进行持续的定位，降低丢失概率，同时光敏传感器可控制灯环在宠物所处环境亮度进行自行启闭，利于降低电量损耗，稳定定位盒的正常工作。

（4）该自供电宠物项圈，通过柔性隔环可充分抵触通道的内壁，在连接柔管插入套管内时可对通道进行堵塞，避免异物进入通道内影响项圈的使用。

5 创新点及总结

（1）智能化：该自供电宠物项圈，通过振动发电机可为蓄电池进行充电，为微型定位器及灯环进行供电，便于对宠物进行持续的定位和提供夜间照明用电。

（2）方便化：该自供电宠物项圈，通过柔性隔环可充分抵触通道的内壁，在连接柔管插入套管内时可对通道进行堵塞，避免异物进入通道内影响项圈的使用。

（3）适合宠物各生长周期：该自供电宠物项圈，通过弹簧可缓冲宠物移动时定位盒的上下抖动幅度，降低该项圈对宠物的舒适度影响。且连接柔管和套管的配合设计使项圈“能屈能伸”，适合宠物的全生命周期使用，降低项圈购买成本。

（4）节能环保：光敏传感器可控制灯环在宠物所处环境亮度进行自行启闭，利于降低电量损耗，稳定定位盒的正常工作，真正做到振动发电节能环保。

6 经济和社会效益

在经济性预估上，自供电宠物项圈采用了法拉第电磁感应定律，从而起到振动发电的功能，能够更好地节约电量。假设我国保守按1000万宠物家庭计算，平均每天遛宠物0.5小时，假设每个普通项圈定位以及照明用电功率为1W，则采用本产品每年可节约用电182.5万度。如果按火力发电（目前来讲火力发电为主要发电形式）计算，发一度电大约消耗煤0.34千克，平均按煤中碳的含量为70%计算，发一度电的同时将产生二氧化碳0.87千克。根据前文计算，自供电宠物项圈每年可以节约用电182.5万度，相当于采用自供电宠物项圈替换传统项圈产品后每年可减少约1500t的二氧化碳排放，生态效益明显。此外，蓄电池的重复使用还可以避免传统电池项圈的废旧电池污染。

7 研究展望

由于宠物运动强度不高以及自供电项圈产品尺寸和重量的限制，目前设计的自供电宠物项圈振动发电机的发电功率比较低，为了提高发电功率以及保证产品的稳定性，后续的研究可以引入压电陶瓷材料。压电陶瓷材料是一种最常用的智能材料，具有体积小、响应快、频带宽等特点【12】。利用压电陶瓷材料的力电耦合特性，设计各种不同的压电俘能器，可以将更多的机械振动能量采集并存储。因此，怎样设计一款利用电磁感应原理和压电陶瓷材料特性的组合发电装置并应用到自供电宠物项圈中，是产品的后续开发计划。

调研显示，年轻人正在成为健康消费的主流。他们一方面推崇改变生活的创新，一方面追求着健康的生活。当具有创新性并且有着超前设计的自供电宠物项圈上市时，一定会有热烈的反响。