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

2020-04-10赵孙裕黄伟康孟岩宋岩卓靳宗凯

物联网技术 2020年2期

赵孙裕黄伟康孟岩宋岩卓靳宗凯

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）。

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;