基于窄带物联网的海洋能源收集及海洋信息检测的智能信息共享平台

来源:用户上传      作者:

　　摘 要：文中设计并开发了一种可持续的集能源捕获、能量供应、信息采集、信号传输和信号共享于一体的智能平台，通过NB-IoT技术搭载在云平台上进行通信，用于实现节约能源和实时监测海洋环境多项数据，达到绿色供能和降耗、海洋环境污染实时监测的目的。通过网页，APP，微信小程序等平台将海洋信息进行展示，便于推广、应用到水产养殖事业中。
　　关键词：可持续;窄带物联网;能源
　　1 作品简介
　　该智能平台充分利用海上新能源，设计了海浪能、风能及太阳能三合一的新能源捕获系统，为海洋信息传输系统供电，实现能源储存及有效利用。通过信息的采集及传输，方便海洋环境的信息采集与控制，可实时测量各项环境数据，通过GPS模块精确定位，经信息控制及共享模块、NB-IoT模块等实现平台的远程控制及信息的有效共享，为平台终端提供气象和水质监测信号，实现海洋环境状况的实时监测，共享、利用信息，真正做到降耗、减污，实现海洋环境的可持续发展。
　　2 工作原理
　　2.1 传感器
　　2.1.1 水质监测传感器
　　pH傳感器：pH是水中酸度的一种表示方法。pH传感器探头采用金属或金属氧化物制成，具有响应速度快、反应灵敏、体积小等优点，适合长期在水下工作。工作原理：采用pH传感器检测被测物中氢离子浓度，并将其转换成相应的输出
　　信号。
　　水温传感器：通过水温传感器内部阻值的变化来改变通过电流的变化，可对控制单元提供温度变化的模拟量信号。工作原理：水温传感器内部含有热敏电阻，其阻值在275～
　　6 500 Ω之间，温度越低阻值越高，温度越高阻值越低。
　　浊度计：浊度与水中的悬浮颗粒密切相关，悬浮颗粒会漫反射入射光，因此通常采用90°入射角的散射光做为测试信号。散射光与浊度符合多段线性关系，因此传感器需要多点标定，同时光源强度和温度变化也会影响测量结果的准确性。浊度计工作原理：传感器内部拥有一个IR958与PT958封装的红外线对管，当光线穿过一定量的水时，光线的透过量取决于水的污浊程度，水越污浊，透过的光就越少。光接收端把透过的光强度转换为对应的电流，透过的光多，电流大，反之，电流小。通过测量接收端的电流大小即可计算出水的污浊程度。
　　溶解氧传感器：这是一种用于测量氧气在水中溶解量的传感设备。工作原理：荧光法溶解氧传感器的设计基于物理学中特定物质对活性荧光的猝熄原理。发光二极管（LED）发出的蓝光照射在荧光帽内表面的荧光物质上，内表面的荧光物质受到激发，发出红光，通过检测红光与蓝光之间的相位差，并与内部标定值比对，从而计算出氧分子的浓度，待温度和气压自动补偿后输出最终值。
　　温度传感器：温度传感器是指能够感受温度并将其转换成可用输出信号的传感器。工作原理：热敏电阻多采用半导体材料，大多为负温度系数，即阻值随温度增加而降低。温度变化会造成大的阻值改变，因此灵敏度极佳。但热敏电阻的线性度较差，这与生产工艺有很大关系。
　　湿度传感器：湿敏元件是最简单的湿度传感器。湿敏元件主要有电阻式、电容式两大类。工作原理：在湿敏电阻的基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都将发生变化，利用这一特性即可测量湿度。
　　2.1.2 气象监测传感器
　　风向传感器：风向传感器是一种以风向箭头的转动探测、感受外界的风向信息，并将其传递给同轴码盘，同时输出对应风向相关数值的物理装置。电式风向传感器的核心采用绝对式格雷码盘编码（四位格雷码或七位格雷码），利用光电信号转换原理，可以准确输出对应的风向信息;电压式风向传感器的核心采用精密导电塑料传感器，通过电压信号输出对应的风向信息;电子罗盘式风向传感器的核心为电子罗盘，通过电子罗盘定位方向，由RS 485接口输出风向信息。
　　风速传感器：风速传感器可连续监测上述地点的风速、风量（风量=风速×横截面积），能够对所处巷道的风速、风量进行实时显示。超声波涡接测量原理：利用超声波时差法实现风速的测量。声音在空气中的传播速度会和风向上的气流速度叠加，若超声波的传播方向与风向相同，则其速度会加快;反之，其速度会降低。因此，在固定的检测条件下，超声波在空气中传播的速度可以与风速函数对应。通过计算即可得到精确的风速和风向。
　　气压传感器：气压传感器是用于测量气体绝对压强的仪器。工作原理：使用对气压强弱敏感的薄膜和一个顶针开控制，并连接一个柔性电阻器。当被测气体的压力降低或升高时，该薄膜变形带动顶针，同时电阻器的阻值发生变化。
　　2.1.3 GPS定位
　　采用GPS定位装置显示海洋平台的所处位置。本装置采用窄带物联网技术（NB-IoT）进行数据传输，收发海洋航标采集的气象信息、水文信息，以及周围环境的预警信息。本装置可海上自发电，窄带物联网的低功耗特点就可以在很大程度上满足海洋节电的需求。NB-IoT构建于蜂窝网络，只占用大约180 kHz带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络以降低部署成本、实现平滑升级。NB-IoT技术当前的信号覆盖范围可达35 km，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被称为低功耗广域网（LPWAN）。NB-IoT支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接，还可提供全面的室内蜂窝数据连接覆盖。目前，窄带物联网技术已有了很大提升，并相继建成了对应基站，可保证信息的稳定传输。
　　NB-IoT还具有低速率和低移动性的特点。
　　（1）低速率：多点上行速率仅为56 Kb/s，理想下行速率为21.25 Kb/s;
　　（2）低移动性：仅支持终端设备在30 km/h移动速率下实现小区切换，远低于4G支持的250 km/h（高铁专网可达450 km/h）。 　　NB-IoT聚焦于低功耗广覆盖（LPWA）物联网（IoT）市场，是一种可在全球范围内广泛应用的新兴技术。其具有覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗低、架构优等特点。NB-IoT 使用 License 频段，可采取带内、保护带或独立载波三种部署方式与现有网络共存。
　　因为NB-IoT自身具备的低功耗、广覆盖、低成本、大容量等优势，使其可以广泛应用于多种垂直行业，如远程抄表、资产跟踪、智能停车、智慧农业等。对于本装置在海洋上的信息传输提供了很好的发展平台。从技术层面上讲，NB-IoT拥有如下4大技术优势：
　　（1）覆盖广：相比传统GSM，一个基站可以提供10倍的面积覆盖;
　　（2）海量连接：200 kHz的带宽可以提供10万个联接;
　　（3）低功耗：使用AA电池可以工作十年，无需充电;
　　（4）低成本：模组成本小于5美金。
　　2.2 无线通信
　　2.2.1 无线通信技术
　　无线信号从发射器发出到接收器接收无需电缆。无线信号随电磁波通过空气传输，而电磁波是由电子部分和能量部分组成的能量波。
　　在无线通信过程中，频谱包括了9 kHz～300 000 GHz间的频率。每一种无线服务都与某一个无线频谱区域相关联。无线信号是源于沿着导体传输的电流，电子信号从发射器到达天线，然后天线将信号作为一系列电磁波发射到空气中。
　　信号通过空气传播直至到达目标位置。在目标位置，有一个天线用来接收信号，也有一个接收器将它转换回电流。不论接收或发送信号都离不开天线，天线分为全向天线和定向天线。在信号的传播中由于反射、衍射和散射的影响，无线信号会沿着许多不同的路径到达其目的地，形成多径信号。
　　2.2.2 无线通信原理
　　无线通信是利用电波信号可在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式。在移动中实现的无线通信又通称为移动通信，人们把二者合称为无线移动通信。简单讲，无线通信是仅利用电磁波而不通过线缆通信的通信方式。
　　虽然有线信号和无线信号具有许多相似之处，例如协议和编码的使用，但空气使得无线传输与有线传输存在很大区别。当工程师谈到无线传输时，他们是将空气作为“无制导的介质”，因为空气没有提供信号可以跟随的固定路径，所以信号的传输是无制导的。
　　正如有线信号一样，无线信号也源于沿着导体传输的电流。电子信号从发射器到达天线，然后天线将信号作为一系列电磁波发射到空气中。信号通过空气传播，到达目标位置。在目标位置，一个天线接收信号，一个接收器将它转换回电流。值得注意的是，在无线信号的发送端和接收端都使用了天线，若要交换信息，那么连接到每一个天线上的收发器都必须调整为相同的频率。
　　（1）窄带、宽带及扩展频谱信号
　　传输技术根据信号使用无线频谱的大小而有所不同，一个重要区别就是无线使用窄带还是宽带信号传输。若为“窄
　　带”，发射器在一个单独频率或非常小的频率范围内集中信号能量。与窄带相反，“宽带”是指一种使用无线频谱且频带相对较宽的信号传输方式。
　　使用多个频率来传输信号被称为扩展频谱技术，换言之，在传输过程中，信号不会持续停留在一个频率范围内。在较宽的频带上分布信号，其每一个频率需要的功率比窄带信号传输更小。信号强度的这种分布特性使得扩展频谱信号更不容易干扰在同一个频带上传输的窄带信号。
　　在多个频率上分布信号还有一个优势就是提高了安全性。信号是根据一个只有获得授权的发射器和接收器才知道的序列来分布的，所以未获授权的接收器难以捕获和解码这些信号。
　　扩展频谱的一个特定实现是“跳频扩展频谱”（Frequency Hopping Spread Spectrum ，FHSS）。在FHSS传输中，信号与信道接收器、发射器的同一种同步模式在一个频带的几个不同频率之间跳跃。另一种扩展频谱信号被称为“直接序列扩展频谱”（Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS）。在DSSS中，信号的位同时分布在整个频带上，对每一位进行编码，接收器就可以在接收到这些位时重组原始信号。
　　（2）固定和移动
　　每一种无线通信都属于固定或移动这两个类别之一。在“固定”无线系统中，发射器和接收器的位置不变。传输天线将其能量对准接收器天线，因此，就有更多的能量用于该信号。对于必须跨越很长距离或者复杂地形的情况，固定的无线连接比铺设电缆更经济。
　　但并非所有通信都适用固定无线，例如移动用户。相反，移动电话、寻呼、无线LAN以及其他许多服务都在使用“移动”无线系统。在移动无线系统中，接收器可以位于发射器特定范围内的任何地方。这就允许接收器从一个位置移动到另一个位置，同时还继续接收信号。
　　（3）无线通信模块
　　無线通信模块使得各类物联网终端设备具备联网信息传输能力，是各类智能终端得以接入物联网的信息入口。它是连接物联网感知层和网络层的关键，所有物联网感知层终端产生的设备数据需要通过无线通信模块汇聚至网络层，进而通过云端管理平台对设备进行远程管控，同时经过数据分析带来管理效率的提升。
　　E32-2G4H20D无线模块是基于NORDIC公司原装进口nRF24L01+射频芯片的无线串口模块，收发一体，透明传输方式，具有丢包自动重传、支持自动跳频、抗干扰能力强等优点。UART无线串口模块是可以通过串口进行无线通信的模块，用户无需关心其复杂的无线参数，只需要通过串口发送，接收需要处理的数据即可，大大降低了无线通信的开发成本，缩短了研发周期。
　　（4）并网充电
　　BUCK变换器：BUCK变换器也被称为降压式变换器，是一种输出电压小于输进电压的单管不隔离直流变换器。 　　Q为开关管，其驱动电压一般为PWM信号，信号周期为Ts，信号频率为f=1/Ts，导通时间为Ton，关断时间为Toff，周期Ts=Ton+Toff，占空比Dy=Ton/Ts。
　　BooST变换器：BooST变换器也被称为升压式变换器，是一种输出电压高于输进电压的单管不隔离支流变换器。
　　开关Q为PWM控制方式，但最大占空比Dy有限制，不在Dy=1的状态下工作。电感l F在输进侧，称为升压电感。Boost变换器有CCM和DCM两种工作方式。
　　Buck/Boost变换器：Buck/Boost变换器也被称为升降压式变换器，它是一种输出电压既可低于也可高于输进电压的单管不隔离直流变换器，但其输出电压的极性与输进电压相反，Buck/Boost变换器可看做是Buck变换器和Boost变换器串联而成，合并了开关管。
　　Buck/Boost变换器分为CCM和DCM两种工作方式，开关管Q为PWM控制方式。
　　2.3 数据库
　　数据库信息统计通过ODBC技术实现Python与数据库MySQL的连接。ODBC是一个软件驱动程序系统，用于连接编程语言与数据存储。ODBC也是一个免费的开放源码系统，诞生于1992 年，它试图通过编程语言和数据库查询访问（SQL 标准化）来标准化连接方法，比如功能和配置。
　　ODBC的作用是充当接口或连接器，它具有双重设计目标：首先，对于ODBC系统而言，它充当的是编程语言系统;其次，对于数据存储系统而言，它充当的是ODBC系统。所以，ODBC需要一个“对ODBC而言是编程语言”的驱动程序（例如PHP-ODBC库）和一个 “对数据存储系统而言是ODBC”的驱动程序（例如MySQL-ODBC库）。除了ODBC系统本身，ODBC还可以处理数据源的配置，允许数据源和编程语言之间存在模糊性。
　　采用ODBC连接数据库技术，ODBC调用的基本步骤如下：
　　（1）控制面板—管理工具—数据源ODBC—系统DNS—添加;
　　（2）在创建新数据源的对话框中选择SQL Server后单击“完成”;
　　（3）在创建到SQL Server的新数据源对话框中的“名称”文本框中输入数据源名，输入描述内容，在“服务器”列表中选择输入SQL服务器的名称，单击“下一步”;
　　（4）设置登录ID和密码;
　　（5）选择数据库;
　　（6）测试数据库;
　　（7）完成。
　　本数据库的数据表分别见表1，表2，表3所列。
　　3 创新点
　　（1）本装置采用NB-IoT技术与LoRa技术，在一定程度上保证了信息传递的可靠性，并提高了信息传输的速率;
　　（2）集海浪能、风能与太阳能的捕获于一体，实现清洁能源的有效捕获，并加以利用;
　　（3）本平台选用低功率长寿命的电子元器件，节省能源，保障平台长久性、可持续性工作;
　　（4）利用多种传感器及信号发生器实现信息的实时采集与传输，做到环境监测及时反馈;
　　（5）应用范围广泛，可应用于海洋环境監测、海洋养殖业、海洋交通等领域。
　　4 市场前景
　　对于一些偏远海岛，由于最大负荷有限、传输距离较远、岛屿面积狭窄，铺设海缆在技术方面需要付出更大代价，因此为偏远海岛供能较为困难。
　　本智能平台可投放在近海区域，通过并网转换成220 V交流电，为海岛居民区的简单用电供能，例如家庭照明等，并且可为海上夜用指示性航标和岸边灯塔供能。
　　本智能平台能够用于环保局对海洋环境状况的实时监测，从而强有力地监督控制沿海地区的水质质量和空气质量，严格监控周边企业的污染物排放量。
转载注明来源:https://www.xzbu.com/8/view-15153427.htm