摘要：目的 針對包裹運輸實時狀態監測的能源和續航問題，本文設計了自供電物流環境監測系統。方法 通過分析公路運輸車輛振動分布情況，獲得振動能量主要集中在 8~11Hz 低頻帶中;對此，設計了一種電磁振動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學模型;通過仿真和實驗對比了本文提出的收集器其模型和實測的輸出結果、并測試了能量管理電路性能以及相應阻抗匹配分析。結果 收集器仿真結果和實測結果基本吻合，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 51.1%，阻抗匹配在 1kΩ時輸出效果最優。結論 文中提出的數學模型有效、可靠，且自供電物流環境監測系統方案，有效提升了包裹實時監測的續航能力提升可行性。

　　關鍵詞：快遞包裹;數學建模;物流環境監測;電磁;振動能量收集器;阻抗匹配

　　中國是世界上快遞業規模最大的國家。在 2021 年上半年，國內快遞業務量和收入完成493.9 億件和 4842.1 億元，同比分別增長 45.8%和 26.6%，增速均為上年同期的 2 倍以上[1]。隨著快遞行業的快速發展，運輸過程中的快遞包裹實時狀態(振動沖擊、實時位置、溫濕度、放置姿態等)越來越受關注，諸多企業和院所也開發了相應的快遞包裹狀態監測算法和裝置[2-5]，但是這類監測裝置大多受限于電池容量，而無法完成運輸全過程多傳感數據的實時采集、無線傳輸和精準辨識。雖然，為了緩解續航壓力可以采用關閉部分傳感器、降低采樣頻率、刪除緩存功能等折中方式，但這又導致了數據類型不完整、數據量少、丟包嚴重等一系列問題。

　　此外，隨著快遞包裹狀態監測裝置的使用量劇增，除了電池所帶來的運輸安全和環境污染問題之外，電池的大批量同時充電問題也尚未得到有效解決。因此，續航問題已經成為制約快遞包裹狀態在途精確監測的一大瓶頸。自供電技術是指通過收集環境中各種能量并轉化為電能從而驅動低功耗設備工作的技術，被認為是解決能源問題的一種有效途徑。在包裹運輸場景下，車輛在行駛途中始終伴隨著振動，因此運輸振動能量的高效收集和轉化有望為解決供能問題提供新途徑。

　　在自供電技術領域，已有學者進行了機械能收集方法研究和收集器設計。按照能量轉化方式的不同，主要有壓電式[6,7]、靜電式[8]、摩擦納米發電式[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，壓電材料可因機械應變產生電能，其具有耐用、可靠、微小、輸出功率大和電壓大等特點[12]，靈活的運用于可穿戴設備[13]、生物醫學設備[14-17]、交通運輸及環境監測設備[18-21]、智能家居設備[22]等，自身也可作為傳感器監測[23-24]，而其電能輸出極其依賴于材料屬性和結構，在實際應用中成本較高。電磁式設備可將磁感應的改變轉化為電能，具有無需額外電源與功能材料、輸出電流大、結構多樣，應用范圍廣[25,26]等特點，十分適用于驅動低功耗的數字集成器件[27]。

　　孔令強等[26]在單自由度磁懸浮振動能量收集器的設計基礎上添加了一個線性彈簧振子，懸浮磁體與彈簧振子相互耦合成了雙自由度俘能系統，在相應激勵下其輸出功率提高了 1.5 倍;K Aouali[27]在電磁振動能量收集器中進行非線性和能量定位調諧，非線性裝置由兩個彈性梁引導并由排斥磁力耦合的移動磁體組成，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動的非共振電磁能量收集器用于收集低頻振動能量，其原型機可以在 4.5Hz 頻率下和 40mm 振幅下產生748μW/cm3 的功率密度;李丹暉等[29]提出了應用于運輸包裝的電磁振動能量收集器，通過同論分析法等方法進行計算分析為收集器結構優化提供理論依據。

　　Yu 等[30]設計了一種用于智能鐵路運輸的小型滾珠絲杠式電磁能量收集器，當列車以 30km/h 車速通過時，兩個原型機的平均功率分別為 1.12W 和 2.24W;同年，Yu 等[31]設計了一種用于貨運軌道車的電磁能量收集器，在以 90km/h 速度運行的軌道車上，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]設計了一種基于圓柱滾動磁鐵和一個或三個固定磁鐵的電磁振動能量收集器，可達到單穩態和三穩態勢能狀態，并通過減小柔性制造系統和柔性制造系統之間的垂直間隙來增強系統的非線性，帶有一固定磁體收集器在 8.0Hz 時達到最大瞬時功率為 40.6mW，帶有三個固定磁體收集器在 7.5Hz 時達到 9.8mW。Wang 等[33]設計一種可安裝在輪對上的緊湊型一體化轉子電磁能量收集器，其增加了配重充當摩擦擺，在列車轉速為 420~820r/min 的情況下的輸出性能高達 1982W/m3。

　　如上所述，鑒于電磁式振動能量收集器具有壽命長、易維護、低成本、無污染等優點，本文提出采用電磁式振動能量收集和轉化技術解決快遞包裹運輸中物流環境監測裝置的續航問題，在搭建了物流環境監測軟硬件系統的基礎上，根據快遞包裹運輸中物流車輛的振動分布情況，針對性設計了振動能量收集器的結構和與之匹配的能量管理電路，實驗結果表明本文提出基于振動能量收集的自供電裝置能夠有效增加物流環境監測系統的續航時間。

　　1.自供電物流環境監測系統自供電物流環境監測系統主要分為跟隨快遞包裹完成物流全過程的硬件終端和基于云服務的 Web 界面。其主要功能是根據硬件終端實時采集并無線傳輸至云服務器的各種狀態數據進行快遞包裹在途狀態的精準辨識和監測。以下對硬件終端和 Web 界面分別進行簡要介紹。

　　1.1 硬件終端

　　整體電路模塊主要由能源采集管理模塊，傳感器檢測模塊、無線數據上送模塊、主控模塊等四部分組成。傳感器檢測模塊包含三軸加速度、溫濕度、地磁、GPS、陀螺儀等傳感器，能夠實現包裹狀態和硬件終端自身狀態數據的實時采集功能。無線數據上送模塊主要基于 4G 實現動態數據的無線實時傳送。主控模塊負責接受 Web 端發出的控制指令并負責協調各個模塊有序工作。能源采集管理模塊為整個系統提供持續穩定的電能，包含電磁式振動能量收集器、能量管理電路和鋰電池。

　　其中，振動能量收集器將振動轉化為電能后可輸出交流電，后經能量管理電路的整流升壓后對鋰電池進行充電，鋰電池輸出穩定的直流電供給其他三個模塊工作。本文的研究重點在自供電設備在快遞包裹運輸環境下的有效輸出及應用。

　　1.2 Web 端數據管理

　　Web 端軟件基于云服務器進行搭建，主要負責接收硬件終端上送的實時狀態數據，并根據實時狀態數據進行包裹狀態的監測和辨識，并具有監測和管理硬件終端工作情況、包裹在途狀態實時可視化展示等功能。

　　2. 面向快遞包裹運輸的振動能量

　　收集器設計本章面向快遞包裹運輸的實際場景，在進行了公路運輸物流車輛的振動情況分析并得出振動能量分布較集中的頻率范圍后，有針對性地設計了電磁式振動能量收集器。

　　2.1 公路運輸車輛的振動情況分析振動能量收集器需要依據振動激勵的頻率范圍和能量分布進行針對性設計，因此本文梳理了公路運輸中振動特性的相關研究成果，整理了不同運輸車輛的垂向振動情況.

　　無論是鋼板彈簧、螺旋彈簧還是獨立懸架的車輛，公路運輸振動信號的能量均集中在 1~30Hz 的中低頻率范圍。更細化地，考慮載重、車型等因素，本文確定以 11Hz范圍為振動能量收集器設計中需響應的主要頻率范圍。

　　2.2 電磁式振動能量收集器的結構設計本文提出的電磁式振動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、兩個彈簧和兩個墊片，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。相鄰磁體間產生的斥力相當于一個磁力彈簧，和機械彈簧相比，磁力彈簧產生的是非線性作用力。當能量收集器在激勵作用下振動時，中間懸浮磁體和容器上的線圈做相對運動，線圈切割磁場中的磁感線，引起磁通量產生變化，根據法拉第電磁感應定律，此時會在外部線圈中產生電流。

　　2.3 電磁式振動能量收集器的數學模型

　　由于公路運輸車輛的振動能量較集中在 5~16Hz 頻帶之間，頻率較低。因此，為了提升物流環境監測系統在公路運輸環境下的續航能力，需對能量收集器的輸出電壓進行升壓整流。

　　3 仿真及實測結果對比分析

　　為驗證振動能量收集器的數學模型可行性和能量管理電路的性能，實驗測試了不同頻率激勵下的振動能量收集器的輸出和仿真結果對比及其阻抗匹配分析，并對能量管理電路的升壓效果進行了仿真。

　　3.1 參數設置和實驗環境

　　能量收集器的數學模型是兩階常微分方程組，采用 MATLAB 數值方法中的龍格庫塔法求解磁懸浮振動能量收集器在振動情況下的運動方程。龍格庫塔法的思想是根據某些點的值的線性組合構造公式，首先將其根據泰勒展開，再與初值問題解的泰勒展開式進行對比，按照使盡可能多的項完全相等的原則確定參數，從而確保公式具有更高的精度。

　　主要由信號發生器、功率放大器、加速度傳感器、激振器、示波器等實驗設備構成。信號發生器用于產生 8~11Hz 范圍內不同頻率的正弦激勵信號，所產生的激勵信號經過功率放大器后傳輸給激振器。振動能量收集器通過鋁制專用夾具采用 M5 螺紋固定于激振器的振動臺上。同時，能量收集器的另一端也通過夾具和 M5 螺紋固定有加速度傳感器，用于感知振動能量收集器受到的實際激勵。振動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通道。

　　信號發生器的輸出為 8~11Hz 的正弦波。在信號頻率確定的基礎上調整功率放大器以保證激勵大小保持與數學模型振幅一致穩定在±1g。振動能量收集器的輸出直連示波器探頭。振動能量收集器容器長度為 34mm，外徑為 19mm，內徑為 17mm;內部動磁鐵的直徑為 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;彈簧長度為 20mm;墊片直徑為 16mm，厚度為 1mm;外部的線圈匝數為 2500 匝，厚度為5mm，內徑為 20mm，外徑為 28.2mm，線徑為 0.08mm。

　　仿真和實測對比結果及阻抗匹配分析振動能量收集器其數學模型和實測輸出結果對比，波形基本吻合。振動能量收集器在 8~11Hz 不同激勵下的輸出電壓峰峰值均大于 1V，而激勵頻率為 9Hz 時輸出電壓的峰峰值最大，達到 3.12V。即，在 8~11Hz 激勵下的振動能量收集器有較好的響應特性，輸出電壓整體較高。綜上，實驗結果表明本文提出的振動能量收集器數學模型有效，此結構也能夠較好地收集快遞包裹運輸中的振動能量并有效地完成能量轉換，其輸出能夠滿足后續整流升壓的基本條件。

　　結語本文主要開展了如下工作：針對快遞包裹運輸的實時狀態監測能源和續航問題，提出了自供電物流環境監測系統，并進行了設計實現和實驗驗證。分析了公路運輸車輛的振動分布情況，我國公路運輸車輛的主要振動能量頻率范圍約為8~11Hz，能量集中處的振幅大小約為±1g。針對快遞包裹運輸環境設計了振動能量收集器，進行了物理和數學建模并仿真。仿真和實測輸出結果波形基本吻合。

　　在其中的振動激勵下收集器不外接負載時輸出電壓的峰峰值均高于 1V，外接負載時在負載為 1kΩ左右輸出功率最優。完成了能量管理電路的設計和仿真，試驗結果表明該電路能夠有效完成振動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 38.7%~51.1%。本文的后續工作將在現有基礎上繼續豐富應用場景如汽車胎壓監測等，優化能量收集器的結構，加寬響應頻帶，提升能量轉化效率。此外，能量管理電路的優化集成及其與系統其他模塊根據實際采集需求的能源消耗方法研究也是后續工作之一。

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　　作者：屠迪龍1a, 1b，張媛1a, 1b，朱磊1a, 1b，秦勇2，杜艷平