一种基于振动能量采集技术的混合式自供电动物追踪器

本发明涉及一种基于振动能量采集技术的混合式自供电动物追踪器，具体地说是可有效的将环境中振动的机械能转换为电能的自供电动物追踪器，安装上后可以实现对于牧区动物、野生动物和宠物的定位追踪，属于再生环保新能源领域。

背景技术：

1、我国畜牧业规模巨大，但是在我国很多牧区牧民们祖祖辈辈还再靠着徒步、骑马或骑摩托车的方式放牧，即使顶风踏雪，也要在荒无人烟的草原上日行数十公里；有时遇到恶劣天气或牧畜跑得太远，就会连续两三天在外寻找牛羊，所以如何转变跟着牛羊走的传统放牧模式成为一个重要问题；我国现代畜牧业养殖是一种“高投入、高产出、高效益”的集约化产业，这种集约化的产业耗费了大量的人力和自然资源，并在某种程度上对环境造成负面影响。而使用物联网可以有效降低资源消耗，并减少对环境的影响，使畜牧业养殖成为管理科学、资源节约、环境友好、效益显著的产业。加快物联网技术在当下畜牧业养殖建设中的应用已成为我国畜牧业发展的必然选择。

2、统计数据表明，城镇犬猫数量逐年递增。与此相关，宠物丢失的数量也在逐年攀升。动物定位追踪器在很多方面发挥着越来越重要的作用，但是目前市面上的动物定位跟踪设备大多还是以化学电池为主要供电方式，存在污染环境、寿命短、储电量有限、替换成本高等缺点，虽然电池技术性能已经得到很大改进，但是依然无法满足电子设备对供电技术的长远需求。

3、在动物追踪器中最常用的非化学电池的供电方法就是太阳能供电，虽然太阳能是一种很好的替代或辅助化学电池供电的方法，但它也有一些显著的缺点：首先，考虑到被追踪的动物不能在两极圈内生活；其次，太阳光能源收入不稳定且不可预测，就算一直在阳光下也只能收获大约半天的能量；最后，一些环境因素例如云层覆盖、阴影、季节，甚至太阳当前的照射角度都会对发电效果产生影响。而振动能量采集技术，是一种将环境周围的振动能量进行收集并转换成可使用电能的技术，能够为电子设备提供可靠、持久的自驱动能源供给，所以可以成为动物追踪器的一种新形式的供电方法。

技术实现思路

1、针对上述的不足，本发明提供了一种基于振动能量采集技术的混合式自供电动物追踪器。

2、本发明的目的是提出一种可以在有限的小空间内通过混合式俘能器来将收集到的环境中的振动机械能转换为电能，并且发电稳定无污染、很少受到外部环境因素影响，能够实现长时间无源自供电的混合式自供电动物追踪器。

3、本发明的核心技术特点为：本发明以项圈的形式固定在动物的脖子上，所以当动物运动时会对整个装置产生激励，使得混合俘能器中的悬臂梁在上下两端磁铁的惯性作用下做往复的摆动运动，从而会产生三种效果：第一，粘附在悬臂梁上的压电薄膜会因悬臂梁的来回摆动产生相应的形变，从而由于材料具有压电效应而产生电能；第二，两端分别粘贴在外壳和悬臂梁上的z型摩擦发电部分可以看做是由两个摩擦发电单元组成的，每一个摩擦发电单元是由铜摩擦层、氟化乙烯丙烯摩擦层和铜电极层三部分组成；所以当悬臂梁摆动到一侧时，位于此侧的两摩擦发电单元中的铜摩擦层和氟化乙烯丙烯摩擦层会发生局部摩擦接触，并且因为两种材料的电子亲和力不同，电子会由铜摩擦层转移到电子亲和力更强的氟化乙烯丙烯摩擦层上，所以会在两薄膜上产生相反的电荷，将铜电极层和铜摩擦层用外部电路连接起来作为两个电极，当悬臂梁摆动到另一侧时，铜摩擦层会远离氟化乙烯丙烯摩擦层，从而在铜电极层和铜摩擦层之间产生电势差，因此在悬臂梁来回摆动的过程中，铜摩擦层和氟化乙烯丙烯摩擦层两个薄膜之间会周期性的接触和分离，从而使得电子能够通过外部电路在两电极之间来回转移并产生电流；第三，因为磁铁在做往复的摆动运动，磁铁所产生的磁场也在随之运动，所以位于磁铁周围的电磁感应线圈会切割磁感线，从而会在电磁感应线圈中产生电流。

4、将收集到的电流传输到采集电路模块当中，采集电路模块由电容做中间存储器来储存一次完成任务所需的足够能量，然后由一个冷启动电路监测电容器，一旦达到一个明确的阈值，就会向gps定位通信模块供电，对动物的位置进行记录后，再通过无线通信来远程传送所记录的数据到服务器并通过开发的应用软件来查看动物的位置情况。

5、本发明是通过以下技术方案实现的：一种基于振动能量采集技术的混合式自供电动物追踪器，是由外壳、项带、固定轴、采集电路模块、gps定位通信模块和混合俘能器组成的，其特征在于：所述的外壳上具有外壳固定孔、电路室、俘能室、悬臂梁支撑轴和斜坡结构；所述的项带上具有项带固定孔结构；所述的混合俘能器上具有悬臂梁、压电薄膜、摩擦发电部分、磁铁和电磁感应线圈结构，混合俘能器位于外壳上的俘能室内；所述的悬臂梁上具有连接孔和磁铁座结构，悬臂梁支撑轴从连接孔中穿过，并且悬臂梁可以在悬臂梁支撑轴上轻微滑动，压电薄膜粘附在悬臂梁上；所述的摩擦发电部分在结构上又分为铜摩擦层、氟化乙烯丙烯摩擦层和铜电极层三种结构，将尺寸相同的铜电极层和氟化乙烯丙烯摩擦层粘接在一起，然后在其一端再粘接上一层铜摩擦层，构成一个摩擦发电单元，将两个摩擦发电单元的铜摩擦层粘接在一起由此组成了z型的摩擦发电部分，再将摩擦发电部分中的一个铜电极层粘附在所述的外壳上的斜坡上，另一个铜电极层的一端粘接在悬臂梁上，从而将摩擦发电部分固定；电磁感应线圈粘接在所述的外壳中的俘能室上下表面和侧面上，磁铁粘接在悬臂梁上的磁铁座上，所述的采集电路模块和所述的gps定位通信模块分别固定于电路室的侧壁上，所述的固定轴能够插入到外壳固定孔和项圈固定孔内，从而将整个装置进行固定。

6、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。

7、(1)本发明以项圈的形式固定在动物的脖子上，能够收集动物自身运动的机械能转化为电能从而进行发电，并且在所开发的应用软件上就可以查看到动物的位置情况，能够实现对宠物、牧区动物和野生动物的定位和跟踪监测。

8、(2)本发明能够克服目前所应用化学电池的动物追踪器存在的污染环境、寿命短、储电量有限、替换成本高等缺点。

9、(3)本发明发电稳定、很少受到外部环境因素的影响，而应用太阳能发电供电的方法时，存在例如太阳光能源收入不稳定且不可预测，需要额外的能量存储装置等一些显著缺点，因此本发明可作为太阳能发电的替代方法。

10、(4)本发明利用动物自身运动作为激励源来进行发电，通过创新的结构设计，在有限的小空间采用混合式俘能器来将收集到的机械能转换为电能，可以充分利用空间，有效改善了输出功率，从而减少了整个装置的大小，能够实现长时间无源自供电。

11、(5)而且因为特殊结构的设计，本发明的尺寸灵活可变，能够通过改变混合式俘能器的个数和悬臂梁的长度来对整个装置进行尺寸的调整，可以根据不同的应用情况进行相应的适配。

12、(6)由于本发明的悬臂梁可以在悬臂梁支撑轴上轻微滑动，所以对较低频率下的振动激励有较好的响应，可以实现对低频振动能量的收集。

13、(7)本发明设计了多个外壳固定孔和项带固定孔，所以在佩戴时可以进行调节，从而适应不同动物的脖颈大小。

技术特征：

1.一种基于振动能量采集技术的混合式自供电动物追踪器，包括外壳(1)、项带(2)、固定轴(3)、采集电路模块(4)、gps定位通信模块(5)和混合俘能器(6)，其特征在于：所述的外壳(1)上具有外壳固定孔(101)、俘能室(102)、悬臂梁支撑轴(103)、斜坡(104)和电路室(105)结构；所述的项带(2)上具有项带固定孔(201)；所述的混合俘能器(6)上具有电磁感应线圈(601)、磁铁(602)、摩擦发电部分(603)、悬臂梁(604)和压电薄膜(605)，混合俘能器(6)位于外壳(1)上的俘能室(102)内；所述的悬臂梁(604)上具有连接孔(60401)和磁铁座(60402)，悬臂梁支撑轴(103)从连接孔(60401)中穿过，压电薄膜(605)粘附在悬臂梁(604)上；所述的摩擦发电部分(603)在结构上又分为铜电极层(60301)、氟化乙烯丙烯摩擦层(60302)和铜摩擦层(60303)三种结构，将尺寸相同的铜电极层(60301)和氟化乙烯丙烯摩擦层(60302)粘接在一起，然后在其一端再粘接上一层铜摩擦层(60303)，构成一个摩擦发电单元，将两个摩擦发电单元的铜摩擦层(60303)粘接在一起由此组成了z型的摩擦发电部分(603)，再将摩擦发电部分(603)中的一个铜电极层(60301)粘附在所述的外壳(1)上的斜坡(104)上，另一个铜电极层(60301)的一端粘接在悬臂梁(604)上，从而将摩擦发电部分(603)固定；电磁感应线圈(601)粘接在所述的外壳(1)中的俘能室(102)上下表面和侧面上，磁铁(602)粘接在悬臂梁(604)上的磁铁座(60402)上，所述的采集电路模块(4)和所述的gps定位通信模块(5)分别固定于电路室(105)的侧壁上；所述的固定轴(3)插入到外壳固定孔(101)和项圈固定孔(201)内，从而将整个装置进行固定。

2.如权利要求1所述的一种基于振动能量采集技术的混合式自供电动物追踪器，其特征在于：所述混合式自供电动物追踪器固定在动物脖子上，当动物运动时会对整个装置产生激励，使得混合俘能器(6)中的悬臂梁(604)在上下两端磁铁(602)的惯性作用下做往复的摆动运动，从而会产生三种效果：第一，粘附在悬臂梁(604)上的压电薄膜(605)会因悬臂梁(604)的来回摆动产生相应的形变，从而由于材料具有压电效应而产生电能；第二，两端分别粘贴在外壳(1)和悬臂梁(604)上的z型摩擦发电部分(603)是由两个摩擦发电单元组成的，每一个摩擦发电单元是由铜电极层(60301)、氟化乙烯丙烯摩擦层(60302)和铜摩擦层(60303)三部分组成；所以当悬臂梁(604)摆动到一侧时，位于此侧的两摩擦发电单元中的铜摩擦层(60303)和氟化乙烯丙烯摩擦层(60302)会发生局部摩擦接触，因为两种材料的电子亲和力不同，电子会由铜摩擦层(60303)转移到电子亲和力更强的氟化乙烯丙烯摩擦层(60302)上，所以会在两薄膜上产生相反的电荷，将铜电极层(60301)和铜摩擦层(60303)用外部电路连接起来作为两个电极，当悬臂梁摆动到另一侧时，铜摩擦层(60303)会远离氟化乙烯丙烯摩擦层(60302)，从而在铜电极层(60301)和铜摩擦层(60303)之间产生电势差，因此在悬臂梁(604)来回摆动的过程中，铜摩擦层(60303)和氟化乙烯丙烯摩擦层(60302)两个薄膜之间会周期性的接触和分离，从而使得电子能够通过外部电路在两电极之间来回转移并产生电流；第三，因为磁铁(602)在做往复的摆动运动，磁铁(602)所产生的磁场也在随之运动，所以位于磁铁(602)周围的电磁感应线圈(601)会切割磁感线，从而会在电磁感应线圈(601)中产生电流；将收集到的电流传输到采集电路模块(4)中，采集电路模块(4)由电容做中间存储器来储存一次完成任务所需的足够能量，然后由一个冷启动电路监测电容器，达到一个明确阈值后向gps定位通信模块(5)供电，对动物的位置进行记录后，再通过无线通信来远程传送所记录的数据到服务器并通过开发的应用软件在设备上来查看动物的位置情况。

3.如权利要求1所述的一种基于振动能量采集技术的混合式自供电动物追踪器，其特征在于：所述的混合俘能器(6)的个数根据实际情况来进行调整。

4.如权利要求1所述的一种基于振动能量采集技术的混合式自供电动物追踪器，其特征在于：所述的混合俘能器(6)内的磁铁(602)的材料为钕铁硼。

5.如权利要求1所述的一种基于振动能量采集技术的混合式自供电动物追踪器，其特征在于：所述的项带固定孔(201)的个数根据实际情况来进行调整。

技术总结
本发明公开了一种基于振动能量采集技术的混合式自供电动物追踪器，属于再生环保新能源领域。是由外壳、项带、固定轴、采集电路模块、GPS定位通信模块和混合俘能器组成的。本发明在有限的小空间采用混合式俘能结构来将收集到的环境中振动的机械能转换为电能，并且将收集到的电能通过采集电路模块和GPS定位通信模块处理后，即可通过开发的应用软件在设备上来查看动物的精确位置，能够克服目前所应用化学电池和利用太阳能发电的动物追踪器存在的一些显著缺点，实现长时间无源自供电，本发明以项圈的形式固定在动物的脖子上，能够避免宠物丢失的情况出现，同时也能够更方便有效的实现对牧区动物的定位、野生动物的跟踪监测。

技术研发人员：曹东兴,孙雪松,马丽骞,贾艳超,詹昌海
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13