摘要：目的 針對(duì)包裹運(yùn)輸實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的能源和續(xù)航問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了自供電物流環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。方法 通過(guò)分析公路運(yùn)輸車輛振動(dòng)分布情況，獲得振動(dòng)能量主要集中在 8~11Hz 低頻帶中;對(duì)此，設(shè)計(jì)了一種電磁振動(dòng)能量收集器和能量管理電路，建立了能量收集器的物理和數(shù)學(xué)模型;通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)比了本文提出的收集器其模型和實(shí)測(cè)的輸出結(jié)果、并測(cè)試了能量管理電路性能以及相應(yīng)阻抗匹配分析。結(jié)果 收集器仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合，輸出電壓的峰峰值均高于 1V;文中提出的能量管理電路能夠有效完成收集器輸出電壓的升壓整流，與收集器配合后充電效率最高可達(dá) 51.1%，阻抗匹配在 1kΩ時(shí)輸出效果最優(yōu)。結(jié)論 文中提出的數(shù)學(xué)模型有效、可靠，且自供電物流環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案，有效提升了包裹實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的續(xù)航能力提升可行性。
關(guān)鍵詞：快遞包裹;數(shù)學(xué)建模;物流環(huán)境監(jiān)測(cè);電磁;振動(dòng)能量收集器;阻抗匹配
中國(guó)是世界上快遞業(yè)規(guī)模最大的國(guó)家。在 2021 年上半年，國(guó)內(nèi)快遞業(yè)務(wù)量和收入完成493.9 億件和 4842.1 億元，同比分別增長(zhǎng) 45.8%和 26.6%，增速均為上年同期的 2 倍以上[1]。隨著快遞行業(yè)的快速發(fā)展，運(yùn)輸過(guò)程中的快遞包裹實(shí)時(shí)狀態(tài)(振動(dòng)沖擊、實(shí)時(shí)位置、溫濕度、放置姿態(tài)等)越來(lái)越受關(guān)注，諸多企業(yè)和院所也開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的快遞包裹狀態(tài)監(jiān)測(cè)算法和裝置[2-5]，但是這類監(jiān)測(cè)裝置大多受限于電池容量，而無(wú)法完成運(yùn)輸全過(guò)程多傳感數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、無(wú)線傳輸和精準(zhǔn)辨識(shí)。雖然，為了緩解續(xù)航壓力可以采用關(guān)閉部分傳感器、降低采樣頻率、刪除緩存功能等折中方式，但這又導(dǎo)致了數(shù)據(jù)類型不完整、數(shù)據(jù)量少、丟包嚴(yán)重等一系列問(wèn)題。
此外，隨著快遞包裹狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置的使用量劇增，除了電池所帶來(lái)的運(yùn)輸安全和環(huán)境污染問(wèn)題之外，電池的大批量同時(shí)充電問(wèn)題也尚未得到有效解決。因此，續(xù)航問(wèn)題已經(jīng)成為制約快遞包裹狀態(tài)在途精確監(jiān)測(cè)的一大瓶頸。自供電技術(shù)是指通過(guò)收集環(huán)境中各種能量并轉(zhuǎn)化為電能從而驅(qū)動(dòng)低功耗設(shè)備工作的技術(shù)，被認(rèn)為是解決能源問(wèn)題的一種有效途徑。在包裹運(yùn)輸場(chǎng)景下，車輛在行駛途中始終伴隨著振動(dòng)，因此運(yùn)輸振動(dòng)能量的高效收集和轉(zhuǎn)化有望為解決供能問(wèn)題提供新途徑。
在自供電技術(shù)領(lǐng)域，已有學(xué)者進(jìn)行了機(jī)械能收集方法研究和收集器設(shè)計(jì)。按照能量轉(zhuǎn)化方式的不同，主要有壓電式[6,7]、靜電式[8]、摩擦納米發(fā)電式[9]、電磁式[10,11]等。壓電式和電磁式是最主要的兩大類研究方向，壓電材料可因機(jī)械應(yīng)變產(chǎn)生電能，其具有耐用、可靠、微小、輸出功率大和電壓大等特點(diǎn)[12]，靈活的運(yùn)用于可穿戴設(shè)備[13]、生物醫(yī)學(xué)設(shè)備[14-17]、交通運(yùn)輸及環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備[18-21]、智能家居設(shè)備[22]等，自身也可作為傳感器監(jiān)測(cè)[23-24]，而其電能輸出極其依賴于材料屬性和結(jié)構(gòu)，在實(shí)際應(yīng)用中成本較高。電磁式設(shè)備可將磁感應(yīng)的改變轉(zhuǎn)化為電能，具有無(wú)需額外電源與功能材料、輸出電流大、結(jié)構(gòu)多樣，應(yīng)用范圍廣[25,26]等特點(diǎn)，十分適用于驅(qū)動(dòng)低功耗的數(shù)字集成器件[27]。
孔令強(qiáng)等[26]在單自由度磁懸浮振動(dòng)能量收集器的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上添加了一個(gè)線性彈簧振子，懸浮磁體與彈簧振子相互耦合成了雙自由度俘能系統(tǒng)，在相應(yīng)激勵(lì)下其輸出功率提高了 1.5 倍;K Aouali[27]在電磁振動(dòng)能量收集器中進(jìn)行非線性和能量定位調(diào)諧，非線性裝置由兩個(gè)彈性梁引導(dǎo)并由排斥磁力耦合的移動(dòng)磁體組成，收集器的功率和頻率帶寬分別提高了 19.4%和 116%;Shen 等[28]提出了一種基于自由運(yùn)動(dòng)的非共振電磁能量收集器用于收集低頻振動(dòng)能量，其原型機(jī)可以在 4.5Hz 頻率下和 40mm 振幅下產(chǎn)生748μW/cm3 的功率密度;李丹暉等[29]提出了應(yīng)用于運(yùn)輸包裝的電磁振動(dòng)能量收集器，通過(guò)同論分析法等方法進(jìn)行計(jì)算分析為收集器結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)。
Yu 等[30]設(shè)計(jì)了一種用于智能鐵路運(yùn)輸?shù)男⌒蜐L珠絲杠式電磁能量收集器，當(dāng)列車以 30km/h 車速通過(guò)時(shí)，兩個(gè)原型機(jī)的平均功率分別為 1.12W 和 2.24W;同年，Yu 等[31]設(shè)計(jì)了一種用于貨運(yùn)軌道車的電磁能量收集器，在以 90km/h 速度運(yùn)行的軌道車上，使用 66:1 和 43:1 齒輪頭的收集器分別獲得了 14.5W 和 9.2W 的平均功率。
Ouyang 等[32]設(shè)計(jì)了一種基于圓柱滾動(dòng)磁鐵和一個(gè)或三個(gè)固定磁鐵的電磁振動(dòng)能量收集器，可達(dá)到單穩(wěn)態(tài)和三穩(wěn)態(tài)勢(shì)能狀態(tài)，并通過(guò)減小柔性制造系統(tǒng)和柔性制造系統(tǒng)之間的垂直間隙來(lái)增強(qiáng)系統(tǒng)的非線性，帶有一固定磁體收集器在 8.0Hz 時(shí)達(dá)到最大瞬時(shí)功率為 40.6mW，帶有三個(gè)固定磁體收集器在 7.5Hz 時(shí)達(dá)到 9.8mW。Wang 等[33]設(shè)計(jì)一種可安裝在輪對(duì)上的緊湊型一體化轉(zhuǎn)子電磁能量收集器，其增加了配重充當(dāng)摩擦擺，在列車轉(zhuǎn)速為 420~820r/min 的情況下的輸出性能高達(dá) 1982W/m3。
如上所述，鑒于電磁式振動(dòng)能量收集器具有壽命長(zhǎng)、易維護(hù)、低成本、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，本文提出采用電磁式振動(dòng)能量收集和轉(zhuǎn)化技術(shù)解決快遞包裹運(yùn)輸中物流環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置的續(xù)航問(wèn)題，在搭建了物流環(huán)境監(jiān)測(cè)軟硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，根據(jù)快遞包裹運(yùn)輸中物流車輛的振動(dòng)分布情況，針對(duì)性設(shè)計(jì)了振動(dòng)能量收集器的結(jié)構(gòu)和與之匹配的能量管理電路，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文提出基于振動(dòng)能量收集的自供電裝置能夠有效增加物流環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的續(xù)航時(shí)間。
1.自供電物流環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自供電物流環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要分為跟隨快遞包裹完成物流全過(guò)程的硬件終端和基于云服務(wù)的 Web 界面。其主要功能是根據(jù)硬件終端實(shí)時(shí)采集并無(wú)線傳輸至云服務(wù)器的各種狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行快遞包裹在途狀態(tài)的精準(zhǔn)辨識(shí)和監(jiān)測(cè)。以下對(duì)硬件終端和 Web 界面分別進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。
1.1 硬件終端
整體電路模塊主要由能源采集管理模塊，傳感器檢測(cè)模塊、無(wú)線數(shù)據(jù)上送模塊、主控模塊等四部分組成。傳感器檢測(cè)模塊包含三軸加速度、溫濕度、地磁、GPS、陀螺儀等傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)包裹狀態(tài)和硬件終端自身狀態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集功能。無(wú)線數(shù)據(jù)上送模塊主要基于 4G 實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的無(wú)線實(shí)時(shí)傳送。主控模塊負(fù)責(zé)接受 Web 端發(fā)出的控制指令并負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各個(gè)模塊有序工作。能源采集管理模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供持續(xù)穩(wěn)定的電能，包含電磁式振動(dòng)能量收集器、能量管理電路和鋰電池。
其中，振動(dòng)能量收集器將振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電能后可輸出交流電，后經(jīng)能量管理電路的整流升壓后對(duì)鋰電池進(jìn)行充電，鋰電池輸出穩(wěn)定的直流電供給其他三個(gè)模塊工作。本文的研究重點(diǎn)在自供電設(shè)備在快遞包裹運(yùn)輸環(huán)境下的有效輸出及應(yīng)用。
1.2 Web 端數(shù)據(jù)管理
Web 端軟件基于云服務(wù)器進(jìn)行搭建，主要負(fù)責(zé)接收硬件終端上送的實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，并根據(jù)實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行包裹狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和辨識(shí)，并具有監(jiān)測(cè)和管理硬件終端工作情況、包裹在途狀態(tài)實(shí)時(shí)可視化展示等功能。
2. 面向快遞包裹運(yùn)輸?shù)恼駝?dòng)能量
收集器設(shè)計(jì)本章面向快遞包裹運(yùn)輸?shù)膶?shí)際場(chǎng)景，在進(jìn)行了公路運(yùn)輸物流車輛的振動(dòng)情況分析并得出振動(dòng)能量分布較集中的頻率范圍后，有針對(duì)性地設(shè)計(jì)了電磁式振動(dòng)能量收集器。
2.1 公路運(yùn)輸車輛的振動(dòng)情況分析振動(dòng)能量收集器需要依據(jù)振動(dòng)激勵(lì)的頻率范圍和能量分布進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，因此本文梳理了公路運(yùn)輸中振動(dòng)特性的相關(guān)研究成果，整理了不同運(yùn)輸車輛的垂向振動(dòng)情況.
無(wú)論是鋼板彈簧、螺旋彈簧還是獨(dú)立懸架的車輛，公路運(yùn)輸振動(dòng)信號(hào)的能量均集中在 1~30Hz 的中低頻率范圍。更細(xì)化地，考慮載重、車型等因素，本文確定以 11Hz范圍為振動(dòng)能量收集器設(shè)計(jì)中需響應(yīng)的主要頻率范圍。
2.2 電磁式振動(dòng)能量收集器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本文提出的電磁式振動(dòng)能量收集器是在圓柱型容器中放入了三塊磁極相斥的圓柱形永磁體、兩個(gè)彈簧和兩個(gè)墊片，其中：兩塊永磁體分別固定于容器的上下兩端，剩余一塊磁體在上下兩塊固定磁體的排斥力作用下懸浮于容器中部，彈簧一端粘接在固定于容器兩端的永磁體，另一端粘接墊片，在容器的中部纏繞了線圈，如圖 2 所示。相鄰磁體間產(chǎn)生的斥力相當(dāng)于一個(gè)磁力彈簧，和機(jī)械彈簧相比，磁力彈簧產(chǎn)生的是非線性作用力。當(dāng)能量收集器在激勵(lì)作用下振動(dòng)時(shí)，中間懸浮磁體和容器上的線圈做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，線圈切割磁場(chǎng)中的磁感線，引起磁通量產(chǎn)生變化，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，此時(shí)會(huì)在外部線圈中產(chǎn)生電流。
2.3 電磁式振動(dòng)能量收集器的數(shù)學(xué)模型
由于公路運(yùn)輸車輛的振動(dòng)能量較集中在 5~16Hz 頻帶之間，頻率較低。因此，為了提升物流環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在公路運(yùn)輸環(huán)境下的續(xù)航能力，需對(duì)能量收集器的輸出電壓進(jìn)行升壓整流。
3 仿真及實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析
為驗(yàn)證振動(dòng)能量收集器的數(shù)學(xué)模型可行性和能量管理電路的性能，實(shí)驗(yàn)測(cè)試了不同頻率激勵(lì)下的振動(dòng)能量收集器的輸出和仿真結(jié)果對(duì)比及其阻抗匹配分析，并對(duì)能量管理電路的升壓效果進(jìn)行了仿真。
3.1 參數(shù)設(shè)置和實(shí)驗(yàn)環(huán)境
能量收集器的數(shù)學(xué)模型是兩階常微分方程組，采用 MATLAB 數(shù)值方法中的龍格庫(kù)塔法求解磁懸浮振動(dòng)能量收集器在振動(dòng)情況下的運(yùn)動(dòng)方程。龍格庫(kù)塔法的思想是根據(jù)某些點(diǎn)的值的線性組合構(gòu)造公式，首先將其根據(jù)泰勒展開(kāi)，再與初值問(wèn)題解的泰勒展開(kāi)式進(jìn)行對(duì)比，按照使盡可能多的項(xiàng)完全相等的原則確定參數(shù)，從而確保公式具有更高的精度。
主要由信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、加速度傳感器、激振器、示波器等實(shí)驗(yàn)設(shè)備構(gòu)成。信號(hào)發(fā)生器用于產(chǎn)生 8~11Hz 范圍內(nèi)不同頻率的正弦激勵(lì)信號(hào)，所產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大器后傳輸給激振器。振動(dòng)能量收集器通過(guò)鋁制專用夾具采用 M5 螺紋固定于激振器的振動(dòng)臺(tái)上。同時(shí)，能量收集器的另一端也通過(guò)夾具和 M5 螺紋固定有加速度傳感器，用于感知振動(dòng)能量收集器受到的實(shí)際激勵(lì)。振動(dòng)能量收集器的輸出和加速度傳感器的輸出分別連接至示波器的兩個(gè)通道。
信號(hào)發(fā)生器的輸出為 8~11Hz 的正弦波。在信號(hào)頻率確定的基礎(chǔ)上調(diào)整功率放大器以保證激勵(lì)大小保持與數(shù)學(xué)模型振幅一致穩(wěn)定在±1g。振動(dòng)能量收集器的輸出直連示波器探頭。振動(dòng)能量收集器容器長(zhǎng)度為 34mm，外徑為 19mm，內(nèi)徑為 17mm;內(nèi)部動(dòng)磁鐵的直徑為 8mm，厚度為 8mm，上下固定磁鐵的直徑為 16mm，厚度 2mm，磁鐵的材料皆為釹鐵硼;彈簧長(zhǎng)度為 20mm;墊片直徑為 16mm，厚度為 1mm;外部的線圈匝數(shù)為 2500 匝，厚度為5mm，內(nèi)徑為 20mm，外徑為 28.2mm，線徑為 0.08mm。
仿真和實(shí)測(cè)對(duì)比結(jié)果及阻抗匹配分析振動(dòng)能量收集器其數(shù)學(xué)模型和實(shí)測(cè)輸出結(jié)果對(duì)比，波形基本吻合。振動(dòng)能量收集器在 8~11Hz 不同激勵(lì)下的輸出電壓峰峰值均大于 1V，而激勵(lì)頻率為 9Hz 時(shí)輸出電壓的峰峰值最大，達(dá)到 3.12V。即，在 8~11Hz 激勵(lì)下的振動(dòng)能量收集器有較好的響應(yīng)特性，輸出電壓整體較高。綜上，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文提出的振動(dòng)能量收集器數(shù)學(xué)模型有效，此結(jié)構(gòu)也能夠較好地收集快遞包裹運(yùn)輸中的振動(dòng)能量并有效地完成能量轉(zhuǎn)換，其輸出能夠滿足后續(xù)整流升壓的基本條件。
結(jié)語(yǔ)本文主要開(kāi)展了如下工作：針對(duì)快遞包裹運(yùn)輸?shù)膶?shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)能源和續(xù)航問(wèn)題，提出了自供電物流環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并進(jìn)行了設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。分析了公路運(yùn)輸車輛的振動(dòng)分布情況，我國(guó)公路運(yùn)輸車輛的主要振動(dòng)能量頻率范圍約為8~11Hz，能量集中處的振幅大小約為±1g。針對(duì)快遞包裹運(yùn)輸環(huán)境設(shè)計(jì)了振動(dòng)能量收集器，進(jìn)行了物理和數(shù)學(xué)建模并仿真。仿真和實(shí)測(cè)輸出結(jié)果波形基本吻合。
在其中的振動(dòng)激勵(lì)下收集器不外接負(fù)載時(shí)輸出電壓的峰峰值均高于 1V，外接負(fù)載時(shí)在負(fù)載為 1kΩ左右輸出功率最優(yōu)。完成了能量管理電路的設(shè)計(jì)和仿真，試驗(yàn)結(jié)果表明該電路能夠有效完成振動(dòng)能量收集器輸出電壓的整流升壓，與收集器配合后充電效率可達(dá) 38.7%~51.1%。本文的后續(xù)工作將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上繼續(xù)豐富應(yīng)用場(chǎng)景如汽車胎壓監(jiān)測(cè)等，優(yōu)化能量收集器的結(jié)構(gòu)，加寬響應(yīng)頻帶，提升能量轉(zhuǎn)化效率。此外，能量管理電路的優(yōu)化集成及其與系統(tǒng)其他模塊根據(jù)實(shí)際采集需求的能源消耗方法研究也是后續(xù)工作之一。
參考文獻(xiàn)：
[1] 中華人民共和國(guó)國(guó)家郵政局. 國(guó)家郵政局關(guān)于 2021 年上半年行業(yè)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行情況的通報(bào)[EB/OL].
The Official Website of the State Post Bureau of the People's Republic of China. The State PostOffice Announced the Distribution of Transportation Industry in Recent Five Years[EB/OL].
[4] DING A, ZHANG Y, ZHU L, et al. Recognition Method Research on Rough Handling ofExpress Parcels Based on Acceleration Features and CNN[J]. Measurement, 2020, 163: 1—11.
[5] 丁奧, 張媛, 朱磊, 等. 基于加速度分布特征的快遞暴力分揀識(shí)別方法[J]. 包裝工程,2020,41(23): 162—171.DING Ao, ZHANG Yuan, ZHU Lei, et al. Express Delivery Violence Sorting Recognition MethodBased on Acceleration Distribution Characteristics[J]. Packaging Engineering, 2020, 41(23): 162—171.
作者：屠迪龍1a, 1b，張媛1a, 1b，朱磊1a, 1b，秦勇2，杜艷平
相關(guān)閱讀
