基于窄帶物聯網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：文中設計并開發了一種可持續的集能源捕獲、能量供應、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技術搭載在云平臺上進行通信，用于實現節約能源和實時監測海洋環境多項數據，達到綠色供能和降耗、海洋環境污染實時監測的目的。通過網頁，APP，微信小程序等平臺將海洋信息進行展示，便于推廣、應用到水產養殖事業中。

關鍵詞：可持續;窄帶物聯網;能源

1 作品簡介

該智能平臺充分利用海上新能源，設計了海浪能、風能及太陽能三合一的新能源捕獲系統，為海洋信息傳輸系統供電，實現能源儲存及有效利用。通過信息的采集及傳輸，方便海洋環境的信息采集與控制，可實時測量各項環境數據，通過GPS模塊精確定位，經信息控制及共享模塊、NB-IoT模塊等實現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監測信號，實現海洋環境狀況的實時監測，共享、利用信息，真正做到降耗、減污，實現海洋環境的可持續發展。

2 工作原理

2.1 傳感器

2.1.1 水質監測傳感器

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，具有響應速度快、反應靈敏、體積小等優點，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，并將其轉換成相應的輸出

信號。

水溫傳感器：通過水溫傳感器內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，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系，因此傳感器需要多點標定，同時光源強度和溫度變化也會影響測量結果的準確性。濁度計工作原理：傳感器內部擁有一個IR958與PT958封裝的紅外線對管，當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換為對應的電流，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備。工作原理：熒光法溶解氧傳感器的設計基于物理學中特定物質對活性熒光的猝熄原理。發光二極管（LED）發出的藍光照射在熒光帽內表面的熒光物質上，內表面的熒光物質受到激發，發出紅光，通過檢測紅光與藍光之間的相位差，并與內部標定值比對，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體材料，大多為負溫度系數，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，這與生產工藝有很大關系。

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生變化，利用這一特性即可測量濕度。

2.1.2 氣象監測傳感器

風向傳感器：風向傳感器是一種以風向箭頭的轉動探測、感受外界的風向信息，并將其傳遞給同軸碼盤，同時輸出對應風向相關數值的物理裝置。電式風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），利用光電信號轉換原理，可以準確輸出對應的風向信息;電壓式風向傳感器的核心采用精密導電塑料傳感器，通過電壓信號輸出對應的風向信息;電子羅盤式風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接口輸出風向信息。

風速傳感器：風速傳感器可連續監測上述地點的風速、風量（風量=風速×橫截面積），能夠對所處巷道的風速、風量進行實時顯示。超聲波渦接測量原理：利用超聲波時差法實現風速的測量。聲音在空氣中的傳播速度會和風向上的氣流速度疊加，若超聲波的傳播方向與風向相同，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速函數對應。通過計算即可得到精確的風速和風向。

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網技術（NB-IoT）進行數據傳輸，收發海洋航標采集的氣象信息、水文信息，以及周圍環境的預警信息。本裝置可海上自發電，窄帶物聯網的低功耗特點就可以在很大程度上滿足海洋節電的需求。NB-IoT構建于蜂窩網絡，只占用大約180 kHz帶寬，可直接部署于GSM網絡、UMTS網絡或LTE網絡以降低部署成本、實現平滑升級。NB-IoT技術當前的信號覆蓋范圍可達35 km，支持低功耗設備在廣域網的蜂窩數據連接，也被稱為低功耗廣域網（LPWAN）。NB-IoT支持待機時間長、對網絡連接要求較高設備的高效連接，還可提供全面的室內蜂窩數據連接覆蓋。目前，窄帶物聯網技術已有了很大提升，并相繼建成了對應基站，可保證信息的穩定傳輸。

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：僅支持終端設備在30 km/h移動速率下實現小區切換，遠低于4G支持的250 km/h（高鐵專網可達450 km/h）。

Q為開關管，其驅動電壓一般為PWM信號，信號周期為Ts，信號頻率為f=1/Ts，導通時間為Ton，關斷時間為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Q為PWM控制方式，但最大占空比Dy有限制，不在Dy=1的狀態下工作。電感l F在輸進側，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變換器串聯而成，合并了開關管。

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

2.3 數據庫

數據庫信息統計通過ODBC技術實現Python與數據庫MySQL的連接。ODBC是一個軟件驅動程序系統，用于連接編程語言與數據存儲。ODBC也是一個免費的開放源碼系統，誕生于1992 年，它試圖通過編程語言和數據庫查詢訪問（SQL 標準化）來標準化連接方法，比如功能和配置。

ODBC的作用是充當接口或連接器，它具有雙重設計目標：首先，對于ODBC系統而言，它充當的是編程語言系統;其次，對于數據存儲系統而言，它充當的是ODBC系統。所以，ODBC需要一個“對ODBC而言是編程語言”的驅動程序（例如PHP-ODBC庫）和一個 “對數據存儲系統而言是ODBC”的驅動程序（例如MySQL-ODBC庫）。除了ODBC系統本身，ODBC還可以處理數據源的配置，允許數據源和編程語言之間存在模糊性。

采用ODBC連接數據庫技術，ODBC調用的基本步驟如下：

（1）控制面板—管理工具—數據源ODBC—系統DNS—添加;

（2）在創建新數據源的對話框中選擇SQL Server后單擊“完成”;

（3）在創建到SQL Server的新數據源對話框中的“名稱”文本框中輸入數據源名，輸入描述內容，在“服務器”列表中選擇輸入SQL服務器的名稱，單擊“下一步”;

（4）設置登錄ID和密碼;

（5）選擇數據庫;

（6）測試數據庫;

（7）完成。

本數據庫的數據表分別見表1，表2，表3所列。

3 創新點

（1）本裝置采用NB-IoT技術與LoRa技術，在一定程度上保證了信息傳遞的可靠性，并提高了信息傳輸的速率;

（2）集海浪能、風能與太陽能的捕獲于一體，實現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，節省能源，保障平臺長久性、可持續性工作;

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

（5）應用范圍廣泛，可應用于海洋環境監測、海洋養殖業、海洋交通等領域。

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，鋪設海纜在技術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域，通過并網轉換成220 V交流電，為海島居民區的簡單用電供能，例如家庭照明等，并且可為海上夜用指示性航標和岸邊燈塔供能。

本智能平臺能夠用于環保局對海洋環境狀況的實時監測，從而強有力地監督控制沿海地區的水質質量和空氣質量，嚴格監控周邊企業的污染物排放量。