基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的海洋能源收集及海洋信息檢測的智能信息共享平臺

趙孫裕 黃偉康 孟巖 宋巖卓 靳宗凱

摘 要：文中設(shè)計并開發(fā)了一種可持續(xù)的集能源捕獲、能量供應(yīng)、信息采集、信號傳輸和信號共享于一體的智能平臺，通過NB-IoT技術(shù)搭載在云平臺上進行通信，用于實現(xiàn)節(jié)約能源和實時監(jiān)測海洋環(huán)境多項數(shù)據(jù)，達到綠色供能和降耗、海洋環(huán)境污染實時監(jiān)測的目的。通過網(wǎng)頁，APP，微信小程序等平臺將海洋信息進行展示，便于推廣、應(yīng)用到水產(chǎn)養(yǎng)殖事業(yè)中。

關(guān)鍵詞：可持續(xù);窄帶物聯(lián)網(wǎng);能源

1 作品簡介

該智能平臺充分利用海上新能源，設(shè)計了海浪能、風(fēng)能及太陽能三合一的新能源捕獲系統(tǒng)，為海洋信息傳輸系統(tǒng)供電，實現(xiàn)能源儲存及有效利用。通過信息的采集及傳輸，方便海洋環(huán)境的信息采集與控制，可實時測量各項環(huán)境數(shù)據(jù)，通過GPS模塊精確定位，經(jīng)信息控制及共享模塊、NB-IoT模塊等實現(xiàn)平臺的遠程控制及信息的有效共享，為平臺終端提供氣象和水質(zhì)監(jiān)測信號，實現(xiàn)海洋環(huán)境狀況的實時監(jiān)測，共享、利用信息，真正做到降耗、減污，實現(xiàn)海洋環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

2 工作原理

2.1 傳感器

2.1.1 水質(zhì)監(jiān)測傳感器

pH傳感器：pH是水中酸度的一種表示方法。pH傳感器探頭采用金屬或金屬氧化物制成，具有響應(yīng)速度快、反應(yīng)靈敏、體積小等優(yōu)點，適合長期在水下工作。工作原理：采用pH傳感器檢測被測物中氫離子濃度，并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的輸出

信號。

水溫傳感器：通過水溫傳感器內(nèi)部阻值的變化來改變通過電流的變化，可對控制單元提供溫度變化的模擬量信號。工作原理：水溫傳感器內(nèi)部含有熱敏電阻，其阻值在275～

6 500 Ω之間，溫度越低阻值越高，溫度越高阻值越低。

濁度計：濁度與水中的懸浮顆粒密切相關(guān)，懸浮顆粒會漫反射入射光，因此通常采用90°入射角的散射光做為測試信號。散射光與濁度符合多段線性關(guān)系，因此傳感器需要多點標(biāo)定，同時光源強度和溫度變化也會影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。濁度計工作原理：傳感器內(nèi)部擁有一個IR958與PT958封裝的紅外線對管，當(dāng)光線穿過一定量的水時，光線的透過量取決于水的污濁程度，水越污濁，透過的光就越少。光接收端把透過的光強度轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電流，透過的光多，電流大，反之，電流小。通過測量接收端的電流大小即可計算出水的污濁程度。

溶解氧傳感器：這是一種用于測量氧氣在水中溶解量的傳感設(shè)備。工作原理：熒光法溶解氧傳感器的設(shè)計基于物理學(xué)中特定物質(zhì)對活性熒光的猝熄原理。發(fā)光二極管（LED）發(fā)出的藍光照射在熒光帽內(nèi)表面的熒光物質(zhì)上，內(nèi)表面的熒光物質(zhì)受到激發(fā)，發(fā)出紅光，通過檢測紅光與藍光之間的相位差，并與內(nèi)部標(biāo)定值比對，從而計算出氧分子的濃度，待溫度和氣壓自動補償后輸出最終值。

溫度傳感器：溫度傳感器是指能夠感受溫度并將其轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的傳感器。工作原理：熱敏電阻多采用半導(dǎo)體材料，大多為負溫度系數(shù)，即阻值隨溫度增加而降低。溫度變化會造成大的阻值改變，因此靈敏度極佳。但熱敏電阻的線性度較差，這與生產(chǎn)工藝有很大關(guān)系。

濕度傳感器：濕敏元件是最簡單的濕度傳感器。濕敏元件主要有電阻式、電容式兩大類。工作原理：在濕敏電阻的基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜，當(dāng)空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時，元件的電阻率和電阻值都將發(fā)生變化，利用這一特性即可測量濕度。

2.1.2 氣象監(jiān)測傳感器

風(fēng)向傳感器：風(fēng)向傳感器是一種以風(fēng)向箭頭的轉(zhuǎn)動探測、感受外界的風(fēng)向信息，并將其傳遞給同軸碼盤，同時輸出對應(yīng)風(fēng)向相關(guān)數(shù)值的物理裝置。電式風(fēng)向傳感器的核心采用絕對式格雷碼盤編碼（四位格雷碼或七位格雷碼），利用光電信號轉(zhuǎn)換原理，可以準(zhǔn)確輸出對應(yīng)的風(fēng)向信息;電壓式風(fēng)向傳感器的核心采用精密導(dǎo)電塑料傳感器，通過電壓信號輸出對應(yīng)的風(fēng)向信息;電子羅盤式風(fēng)向傳感器的核心為電子羅盤，通過電子羅盤定位方向，由RS 485接口輸出風(fēng)向信息。

風(fēng)速傳感器：風(fēng)速傳感器可連續(xù)監(jiān)測上述地點的風(fēng)速、風(fēng)量（風(fēng)量=風(fēng)速×橫截面積），能夠?qū)λ幭锏赖娘L(fēng)速、風(fēng)量進行實時顯示。超聲波渦接測量原理：利用超聲波時差法實現(xiàn)風(fēng)速的測量。聲音在空氣中的傳播速度會和風(fēng)向上的氣流速度疊加，若超聲波的傳播方向與風(fēng)向相同，則其速度會加快;反之，其速度會降低。因此，在固定的檢測條件下，超聲波在空氣中傳播的速度可以與風(fēng)速函數(shù)對應(yīng)。通過計算即可得到精確的風(fēng)速和風(fēng)向。

氣壓傳感器：氣壓傳感器是用于測量氣體絕對壓強的儀器。工作原理：使用對氣壓強弱敏感的薄膜和一個頂針開控制，并連接一個柔性電阻器。當(dāng)被測氣體的壓力降低或升高時，該薄膜變形帶動頂針，同時電阻器的阻值發(fā)生變化。

2.1.3 GPS定位

采用GPS定位裝置顯示海洋平臺的所處位置。本裝置采用窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（NB-IoT）進行數(shù)據(jù)傳輸，收發(fā)海洋航標(biāo)采集的氣象信息、水文信息，以及周圍環(huán)境的預(yù)警信息。本裝置可海上自發(fā)電，窄帶物聯(lián)網(wǎng)的低功耗特點就可以在很大程度上滿足海洋節(jié)電的需求。NB-IoT構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，只占用大約180 kHz帶寬，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)以降低部署成本、實現(xiàn)平滑升級。NB-IoT技術(shù)當(dāng)前的信號覆蓋范圍可達35 km，支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，也被稱為低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）。NB-IoT支持待機時間長、對網(wǎng)絡(luò)連接要求較高設(shè)備的高效連接，還可提供全面的室內(nèi)蜂窩數(shù)據(jù)連接覆蓋。目前，窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已有了很大提升，并相繼建成了對應(yīng)基站，可保證信息的穩(wěn)定傳輸。

NB-IoT還具有低速率和低移動性的特點。

（1）低速率：多點上行速率僅為56 Kb/s，理想下行速率為21.25 Kb/s;

（2）低移動性：僅支持終端設(shè)備在30 km/h移動速率下實現(xiàn)小區(qū)切換，遠低于4G支持的250 km/h（高鐵專網(wǎng)可達450 km/h）。

Q為開關(guān)管，其驅(qū)動電壓一般為PWM信號，信號周期為Ts，信號頻率為f=1/Ts，導(dǎo)通時間為Ton，關(guān)斷時間為Toff，周期Ts=Ton+Toff，占空比Dy=Ton/Ts。

BooST變換器：BooST變換器也被稱為升壓式變換器，是一種輸出電壓高于輸進電壓的單管不隔離支流變換器。

開關(guān)Q為PWM控制方式，但最大占空比Dy有限制，不在Dy=1的狀態(tài)下工作。電感l(wèi) F在輸進側(cè)，稱為升壓電感。Boost變換器有CCM和DCM兩種工作方式。

Buck/Boost變換器：Buck/Boost變換器也被稱為升降壓式變換器，它是一種輸出電壓既可低于也可高于輸進電壓的單管不隔離直流變換器，但其輸出電壓的極性與輸進電壓相反，Buck/Boost變換器可看做是Buck變換器和Boost變換器串聯(lián)而成，合并了開關(guān)管。

Buck/Boost變換器分為CCM和DCM兩種工作方式，開關(guān)管Q為PWM控制方式。

2.3 數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫信息統(tǒng)計通過ODBC技術(shù)實現(xiàn)Python與數(shù)據(jù)庫MySQL的連接。ODBC是一個軟件驅(qū)動程序系統(tǒng)，用于連接編程語言與數(shù)據(jù)存儲。ODBC也是一個免費的開放源碼系統(tǒng)，誕生于1992 年，它試圖通過編程語言和數(shù)據(jù)庫查詢訪問（SQL 標(biāo)準(zhǔn)化）來標(biāo)準(zhǔn)化連接方法，比如功能和配置。

ODBC的作用是充當(dāng)接口或連接器，它具有雙重設(shè)計目標(biāo)：首先，對于ODBC系統(tǒng)而言，它充當(dāng)?shù)氖蔷幊陶Z言系統(tǒng);其次，對于數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)而言，它充當(dāng)?shù)氖荗DBC系統(tǒng)。所以，ODBC需要一個“對ODBC而言是編程語言”的驅(qū)動程序（例如PHP-ODBC庫）和一個 “對數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)而言是ODBC”的驅(qū)動程序（例如MySQL-ODBC庫）。除了ODBC系統(tǒng)本身，ODBC還可以處理數(shù)據(jù)源的配置，允許數(shù)據(jù)源和編程語言之間存在模糊性。

采用ODBC連接數(shù)據(jù)庫技術(shù)，ODBC調(diào)用的基本步驟如下：

（1）控制面板—管理工具—數(shù)據(jù)源ODBC—系統(tǒng)DNS—添加;

（2）在創(chuàng)建新數(shù)據(jù)源的對話框中選擇SQL Server后單擊“完成”;

（3）在創(chuàng)建到SQL Server的新數(shù)據(jù)源對話框中的“名稱”文本框中輸入數(shù)據(jù)源名，輸入描述內(nèi)容，在“服務(wù)器”列表中選擇輸入SQL服務(wù)器的名稱，單擊“下一步”;

（4）設(shè)置登錄ID和密碼;

（5）選擇數(shù)據(jù)庫;

（6）測試數(shù)據(jù)庫;

（7）完成。

本數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)表分別見表1，表2，表3所列。

3 創(chuàng)新點

（1）本裝置采用NB-IoT技術(shù)與LoRa技術(shù)，在一定程度上保證了信息傳遞的可靠性，并提高了信息傳輸?shù)乃俾?

（2）集海浪能、風(fēng)能與太陽能的捕獲于一體，實現(xiàn)清潔能源的有效捕獲，并加以利用;

（3）本平臺選用低功率長壽命的電子元器件，節(jié)省能源，保障平臺長久性、可持續(xù)性工作;

（4）利用多種傳感器及信號發(fā)生器實現(xiàn)信息的實時采集與傳輸，做到環(huán)境監(jiān)測及時反饋;

（5）應(yīng)用范圍廣泛，可應(yīng)用于海洋環(huán)境監(jiān)測、海洋養(yǎng)殖業(yè)、海洋交通等領(lǐng)域。

4 市場前景

對于一些偏遠海島，由于最大負荷有限、傳輸距離較遠、島嶼面積狹窄，鋪設(shè)海纜在技術(shù)方面需要付出更大代價，因此為偏遠海島供能較為困難。

本智能平臺可投放在近海區(qū)域，通過并網(wǎng)轉(zhuǎn)換成220 V交流電，為海島居民區(qū)的簡單用電供能，例如家庭照明等，并且可為海上夜用指示性航標(biāo)和岸邊燈塔供能。

本智能平臺能夠用于環(huán)保局對海洋環(huán)境狀況的實時監(jiān)測，從而強有力地監(jiān)督控制沿海地區(qū)的水質(zhì)質(zhì)量和空氣質(zhì)量，嚴格監(jiān)控周邊企業(yè)的污染物排放量。