西南交大孔苓吉/唐民丰/潘亚嘉: 神奇的近零能量智慧牧场

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道生一，一生德，德生形，形生万物，万物相生相依，能量相克相化。智能牧场将传统牧场与物联网技术相结合，关注可穿戴传感器供电问题，物动生势，势生电，电带信息，云端转化，反馈于物，形成用于食品安全领域的牧场全产业链可追溯系统。文章提出一种神奇的近零能量智慧牧场，收集动物的机械动能供电于牧场监测传感器，实现能量、信息双路自给自足，合乎道法自然。

近日，西南交通大学机械工程学院硕士生孔苓吉，博士唐民丰和潘亚嘉副教授在Cell Press细胞出版社旗下期刊iScience上发表了一篇研究论文，题为“A near-zero energy system based on a kinetic energy harvester for smart ranch”，该研究提出了一种基于运动增强机制的动能采集器，将牧场动物低强度运动中的动能转换为电能，以实现智能牧场近零能量系统的自供电应用。西南交通大学孔苓吉和唐民丰为论文的共同第一作者，潘亚嘉副教授为论文的通讯作者。

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图1 神奇的近零能量智慧牧场

系统介绍

随着物联网(IOT)的推广应用，依靠传感器系统实现对动物及其生存环境监测的智能牧场应运而生。牧场动物的运动包含着巨大的机械动能，收集动物运动的动能供电于传感器以实现自供电监测是一个具有前途的选择。该研究提出了一种基于动能采集器(KEH)的智能牧场近零能量系统(NZES)。该动能采集器将牧场动物低强度运动中的动能转换为电能，助力实现智能牧场的自供电监测。所提出的动能采集器主要由运动增强机制和电磁发电机组成。运动增强机制依靠顶部磁铁对和两侧复位磁铁的作用，以实现双稳态摆动。在运动增强机制的作用下，惯性摆可以在较弱的外部激励下实现两个稳定状态之间的快速大幅摆动，从而实现对弱动能的输入和增强。电磁发电机由海尔贝克阵列(Halbach Array)和线圈组成，有效将动能转化为电能。

将牛腿的运动激励简化为单自由度摆动激励，并建立动能采集器的动力学模型，从理论上分析影响动能采集器输出性能的因素。分析结果表明，影响动能采集器输出功率的参数是线圈磁通量变化率和线圈匝数，磁通量变化率取决于惯性摆的摆动速度和磁体的排列方式。同时，通过仿真比较了不同顶部磁铁间隙下惯性摆的势能情况。磁铁间隙越小，惯性摆系统的势能阱深度越深，越过势能垒所需要的能量越大。当势能垒高度较低时，在弱激励条件下，惯性摆更容易越过势能垒。

图2 一种基于运动增强机制的动能采集器

实验结果展示

本研究设计一个摆动试验台模拟牛腿不同运动状态。该单自由度摆动试验台可以简化为一个曲柄摇杆机构。基于设计的摆动试验台，对线性单稳态和多种双稳态布置的动能采集器输出性能进行对比实验。该实验的目的是通过对比动能采集器输出性能，找出最佳顶部磁铁间隙。通过比较动能采集器均方根电压(VRMS)，大部分摆动激励下，顶磁铁距离为5 mm时的动能采集器均方根电压最高。结合惯性摆势能仿真和实验结果分析，在实验所设定的激励条件下，外界激励强度大于惯性摆双稳态系统的势能垒高度，因此惯性摆可以在双阱之间实现大幅的摆动，从而获得更好的输出性能。因此，在设定摆动激励环境下，可以推导出5 mm是动能采集器最佳顶部磁铁间隙。同时，与动能采集器线性单稳态布置相比，顶部磁铁间隙为5 mm时动能采集器的电压增长率在22.7 %~103.7 %之间。

图3 动能采集器在台架实验下的输出性能表现

为评估动能采集器实际应用可行性，在2 Hz, 60°摆动激励下进行电容充电实验、最佳负载实验、LED实验和自供电物联网传感器实验。在摆动激励下，动能采集器输出的交流电经过电源管理电路(PMC)转化为持续稳定的直流电，为脉搏传感器供电。应用可行性实验证明了动能采集器出色的输出性能以及为物联网传感器节点供电的可行性。为了进一步评价动能采集器应用性能，进行了多种运动状态下的人体可穿戴测试，有效验证了动能采集器在人体可穿戴自供电监测方面的巨大潜力。同时，在圈养和放养两种状态下开展动物可穿戴测试，结果表明所提出动能采集器将有助于智慧牧场近零能量系统的实现。

图4 动能采集器在牛腿和人体运动激励下的性能测试

结论与展望

该研究提出一种基于运动增强机制的动能收集器，用于从动物运动中采集动能，以实现智能牧场近零能量系统的自供电应用。以牛腿运动为例，对提出的动能采集器进行理论和实验分析。对动能采集器的动力学响应以及以及不同顶部磁铁排列的系统势能进行了理论分析。设计并搭建了模拟牛腿运动的摆动试验台，研究了动能采集器在不同摆动激励下的输出响应。运动增强机制的对比实验结果表明，与线性单稳态排列的动能采集器相比，在弱摆动激励下所提出的动能采集器具有较高的输出性能，最大电压增长了103.7 %。所提出的动能采集器的平均输出功率为7 mW，足以为140个串联led供电，为100 μF电容充电至5 V仅需8 s，能够实现为物联网传感器供电。当动能采集器安装在人腿或者牛腿上时，慢跑时产生的电能足以驱动温度传感器。这些结果表明，提出的动能采集器具有实现智能牧场近零能量系统自供电应用的巨大潜力。

图5 基于动能采集器的智能牧场物联网系统展望

相关论文信息

研究成果发表在Cell Press旗下iScience期刊上，点击“阅读全文”或扫描下方二维码查看论文。

▌论文标题：

A near-zero energy system based on a kinetic energy harvester for smart ranch

▌论文网址：

https://www.cell.com/iscience/fulltext/S2589-0042(22)01720-5

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.isci.2022.105448

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