CN111735497A - 一种基于温差发电的NB-IoT环境数据监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于温差发电的NB‑IoT环境数据监测系统，包括温差发电装置，其利用地表受热和地表以下相应深度的温度差发电；还包括外部传感器、核心算法数据处理器、用于低功耗数据传输的NB‑IoT通信模组、电压转换模块。本发明将温差发电模式运用于智慧农业、智慧城市等室外环境的NB‑IoT环境数据监测系统，形成了同时具备温差供电模式与NB‑IoT技术的环境数据监测系统，该监测系统的供电只要在有温差的条件下即可产生电能，工作时无噪音、无污染、免维护，特别是针对智慧农业和智慧城市的边缘应用等接电不方便的环境下，可带来巨大的便利，有利于自然资源的合理利用、社会资源的节约和环境的保护。

Description

一种基于温差发电的NB-IoT环境数据监测系统

技术领域

本发明涉及环境数据监测技术领域，尤其涉及一种基于温差发电的NB-IoT环境数据监测系统。

背景技术

本发明之技术方案主要应用于智慧农业、智慧城市等方面且涉及采用NB-IoT方式的环境数据监测系统，显而易见，在设计本发明技术方案之前，为了明确设计背景，本发明技术方案之设计人员需要从智慧农业、智慧城市的现状以及NB-IoT方式这些方面的现有技术手段预先进行介绍。

首先，智慧农业是农业中的智慧经济，亦属于智慧经济形态在农业中的具体表现，其为智慧经济的一部分，特别是对于广大的发展中国家而言，智慧农业则是智慧经济的主要组成部分，是发展中国家消除贫困、实现后发优势、经济发展后来居上、实现赶超战略的主要途径。随着农业科技的发展，智慧农业概念的普及，以及对于农业的关注度日益增加，农业自动化、精细化、国际化发展已经提上日程。例如，一部分科技园、农业园区、农场等农业机构企业积极寻求在良种培育、节本降耗、节水灌溉、农机装备、新型肥药、疫病防控、加工贮运、循环农业、海洋农业、农村民生等方面的高新技术，力求突破现存的农业技术瓶颈，真正实现现代化农业。

其次，智慧城市则通过物联网基础设施、云计算基础设施、地理空间基础设施等新一代信息技术以及维基、社交网络、Fab Lab、Living Lab、综合集成法、网动全媒体融合通信终端等工具和方法的应用，实现全面透彻的感知、宽带泛在的互联、智能融合的应用以及以用户创新、开放创新、大众创新、协同创新为特征的可持续创新。

随着大数据时代的来临，无线通信将实现万物连接，很多企业预计未来全球物联网连接数将是千亿级的时代，例如，车联网、智慧医疗、智能家居、智慧农业、智慧城市等物联网应用将产生海量连接，远远超过人与人之间的通信需求。NB-IoT方式为基于蜂窝的窄带物联网(Narrow Band Internet of Things，NB-IoT)，也是万物互联网络的一个重要分支，同时，无论是运营商，还是设备商，纷纷展示了完整的物联网解决方案和在不同垂直行业的应用。

对于NB-IoT，其构建于蜂窝网络，只消耗大约180KHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本，是一种可在全球范围内广泛应用的新兴技术，具有低功耗、覆盖广、低成本、连接多、速率低、成本低、功耗低、架构优等特点。

通过以上对目前的智慧农业、智慧城市发展现状以及NB-IoT技术的了解，显而易见，NB-IoT作为目前最火热、最有前景的物联网技术，特别是在实现农业物联网方面有着明显的优势。

同时，本领域技术人员均应知晓，智慧城市或智慧农业各自的发展均包括很多不同方面，例如，智慧农业中的大田环境数据监测属于当前智慧农业发展的一个重要技术环节，其关乎到智慧农业的成果，因而，需要配备相应的监测装置以辅助农业生产。

但是，需要重点关注的是，无论是配置相应的监测装置，还是以NB-IoT为基础形成相应的环境数据监测系统，都需要为其方便、易行、低成本地供电，也就是本发明技术方案所要解决的技术问题。

由于本发明所涉及之技术方案能够应用于智慧城市与智慧农业发展领域。因此，为了更加直观清楚的说明，在本次发明申请中，本发明技术方案之研发人员从智慧城市、智慧农业发展领域的一个方面进行可行性分析，特别是对于目前智慧农业的大田环境数据监测系统的供电这一根源问题展开分析，由于当前智慧农业大田环境数据监测系统供电，多为市电供电或太阳能供电，这就出现了各自的弊端，由于受到大田环境地理位置以及发展规模影响，若采用市电供电走线比较繁琐且容易带来高压电的危害，若采用太阳能供电，则需要配备体积大的太阳能发电系统且受到人工安装和天气情况的影响较大，并且成本较高、效率低、扩展性较差。

可见，对于NB-IoT技术的环境数据监测系统，以上两种方式的供电均不妥当，至少是不具备优越性。因此，为了满足目前NB-IoT技术的环境数据监测系统的供电需求，本发明技术方案之设计人员提出一种具备全新供电模式的环境数据监测系统，其核心技术手段是利用地表和地下30cm的温度差发电，并且只要有温差存在即可发电，在解决以往因采用市电供电或太阳能供电出现种种弊端的基础上，还能确保工作时无噪音、无污染、免维护。当然，本发明技术方案之研发人员是在总结现有环境数据监测系统供电技术的基础上发现所存在的技术问题，本发明技术方案也是将每一个研发阶段所采取的有关的中间方案不断实验与优化而最终得到的，所提出的技术方案能够解决或部分解决现有技术存在的问题。

发明内容

为克服上述问题或者至少部分地解决或缓减解决上述问题，本发明提供一种基于温差发电的NB-IoT环境数据监测系统，其利用地表和地下30cm的温度差发电，在解决以往因采用市电供电或太阳能供电所出现弊端的基础上，还能确保工作时无噪音、无污染、免维护。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于温差发电的NB-IoT环境数据监测系统，其包括装配于监测系统内部的系统模块与设置于监测系统外部用于供电的发电装置，其中的发电装置包括温差发电装置，其采用地热提取器垂直伸入至地下至少30cm深度位置处，并且利用地表受热和地表以下相应深度的温度差发电，从而将由热能转换而来的电能提供至监测系统；

其中的系统模块包括：

用于采集环境数据的外部环境传感模块，其与设置于监测系统内部的核心算法数据处理器相连接并且向其传输所采集到的数据；

用于分析处理数据的核心算法数据处理器，其将外部环境传感模块传输来的数据进行分析、处理之后再转换成可利用的数据；

用于低功耗数据传输的NB-IoT通信模组，其与核心算法数据处理器相连接，并且将可利用的数据传输到云服务端；

用于电压转换与电源管理的电压转换模块，其分别与核心算法数据处理器、外部环境传感模块、NB-IoT通信模组相连接。

针对以上本发明所实施的技术方案，技术人员还可根据不同需求设计相应的技术手段来形成同一构思的技术方案，主要技术手段包括：

其中的温差发电装置包括热电转换单元，该热电转换单元包括P型热电转换材料、N型热电转换材料，并且这些热电转换材料分别与电极连接。

作为优选，热电转换材料沿着地热提取器的延伸方向交替间隔排列且方向平行于延伸方向。

进一步地，热电转换单元外围设置绝热绝缘层。

对于地热提取器，其采用若干柱状底部热板，每块柱状底部热板由地面上方垂直向下延伸至地下30cm位置处。

对于地热提取器，其上端固定于地桩固定组件，该地桩固定组件设置于地表以上并且其表面开设用于固定地热提取器的若干孔位。

针对本发明所实施的监测系统，还可选用以下技术手段，包括：

其中，云服务端与移动通讯终端之间实现发送，通过选择低功耗通信技术NB-IoT实现环境数据采集、分析处理和云端传输；

其中，外部环境传感模块供采集的数据包括空气温度、湿度、土壤水分、温度、土壤PH值、土壤EC值、土壤重金属离子值、光照强度、相关气体浓度；

其中，NB-IoT通信模组采用低功耗、窄带宽的NB-IoT通信技术来传输协议。

本发明之技术方案：

首先，其填补了目前该领域的技术空白，通过将提出的温差发电模式运用于智慧农业、智慧城市等室外环境的NB-IoT环境数据监测系统，形成了同时具备温差供电模式与NB-IoT技术的环境数据监测系统，该监测系统的供电只要在有温差的条件下即可产生电能，这无论是对于环境数据监测领域、还是NB-IoT技术的环境数据监测领域，都明显具备优势，且工作时无噪音、无污染、免维护，特别是针对智慧农业和智慧城市的边缘应用等接电不方便的环境下，可带来巨大的便利，有利于自然资源的合理利用、社会资源的节约和环境的保护；

其次，该技术方案将温差发电与NB-IoT技术的监测系统相结合，既能够利用地表和地下的温差产生电能，简单、性价比高、可扩展性强，还为利用当前的低功耗通信技术NB-IoT来实现环境数据采集、分析处理和云端传输提供了条件。

附图说明

下面根据附图对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明所实施的基于温差发电的NB-IoT环境数据监测系统，其系统组成原理示意图；

图2是本发明所实施的基于温差发电的NB-IoT环境数据监测系统，其温差发电示意图；

图3是本发明实施例所实施的基于温差发电的NB-IoT环境数据监测系统，其热电原理示意图；

图4是本发明实施例所实施的基于温差发电的NB-IoT环境数据监测系统，其温差发电装置结构示意图；

图5是本发明实施例所实施的基于温差发电的NB-IoT环境数据监测系统，其地桩模块分布示意图；

图6是本发明实施例所实施的基于温差发电的NB-IoT环境数据监测系统，其温差发电装置的热电转换单元示意图；

图7是本发明实施例所实施的基于温差发电的NB-IoT环境数据监测系统，其控制部分电路示意图。

图中：

1、控制机盒；

2、地桩固定组件；

3、外部环境传感模块；

4、连接器；

5、地桩外壳；

6、地热提取器；

7、热电转换单元；

8、绝缘橡胶；

9、N型热电转换材料；

10、P型热电转换材料。

具体实施方式

本发明拟实施的基于温差发电的NB-IoT环境数据监测系统，所实施的技术手段要达到的目的在于，解决以往智慧农业大田环境数据监测因采用市电供电或太阳能供电而带来的供电受到局限、走线繁琐、安装条件不便、成本较高以及扩展性较差的问题。

本发明所实施之基于温差发电的NB-IoT环境数据监测系统技术方案，主要通过布局各个设备、装置来构建整体的系统框架，由于系统应用的环境与条件不同，所涉及的范围可能较广，对于不在本发明技术方案范围之内的常规技术手段，无必要将每一个系统环节的设备型号、安装位置、装配方式、安装组件等细化出来，例如，设备之间的通电显然采用可供电管线，不仅限于此，但对于庞大的系统构造来说，若要全部列举出来是不现实的，但这些都是最为基本的常规技术手段。因而，所实施的技术方案实际上是一种能够让本领域技术人员结合常规技术手段参照及实施的系统框架，技术人员根据不同的应用条件以及环境，按照本申请形成的系统框架进行实际装配与调试，能够构建成最终的环境数据监测系统，并且在所构建成的监测系统内实际获得其带来的一系列优势，这些优势将会在以下对系统结构的解析中逐步体现出来。

如图1、图4所示，对于以上拟实施的基于温差发电的NB-IoT环境数据监测系统，对其技术手段进行解析，本领域技术人员在实施本系统时，显然是采用常规技术手段，将系统内的处理模块、以及其它各个单元或模块，统一封装于带有面板的一个控制机盒1内部，这也是电子产品领域的技术人员以往实施任意一种电子产品时所采用的常规技术手段。在本发明技术方案中，该系统包括构成监测系统的温差发电装置、设置于控制机盒1顶部且用于采集环境数据的外部环境传感模块3(即传感器模组)、设置于控制机盒1内部且用于低功耗数据传输的NB-IoT通信模组、以及设置于控制机盒1内部且核心算法数据处理器，由于该温差发电装置需要设置于地表与地下的区域，因而，其独立设置于所实施的控制机盒1外部。

相应地，对于控制机盒1内部，所实施的核心算法数据处理器与NB-IoT通信模组相连接，所实施的电压转换模块分别与NB-IoT通信模组、核心算法数据处理器、以及外部环境传感模块3相连接，盒体外部的温差发电装置则通过线路与控制机盒1内部的电压转换模块连接，该电压转换模块主要用于电压的转换，凡是能够满足该功能的常规技术手段均可选用，同时，控制机盒1内还可根据需求设置小型锂电池，以使由温差发电装置转化的电能经由电压转换模块储存于小型锂电池内。

进一步地，为了便于本领域技术人员轻易地按照本发明之技术方案予以实施，现对于每个模块可采用的技术手段进行列举：

Ⅰ、所实施的核心算法数据处理器优选采用ARM Cortex CPU，其将传感器模组传输过来的数据进行分析、处理，搭配核心嵌入式算法，转换成可利用的有效数据；

Ⅱ、所实施的电压转换模块主要用于电压转换(5V/3.3V/1.8V)和电源管理，为产品的其它模块供电，同时将电能存储到锂电池，当环境所限不能产生电的时候，产品由锂电池供电；

Ⅲ、所实施的外部环境传感模块3可供采集的数据包括空气温度、湿度、土壤水分、温度、土壤PH值、土壤EC值、土壤重金属离子值、光照强度、相关气体浓度等，当然，并非是通过一个外部环境传感模块3同时完成全部采集，而是技术人员根据产品需要以及不同的检测需求来搭配不同的传感模块，这要根据实际情况来选择；

Ⅳ、所实施的NB-IoT通信模组采用低功耗、窄带宽的新型通信技术NB-IoT传输协议，将核心处理器发送的有效数据定时传输到云服务端，然后再由云服务端与移动通讯终端之间实现发送，通过选择低功耗通信技术NB-IoT，利于实现环境数据采集、分析处理和云端传输，便于组网；

Ⅴ、技术人员在具体实施时，产品系统与云服务器可优选采用MQTT物联网协议，使用发布/订阅消息模式，提供一对多的消息发布，从而解除应用程序耦合，更为简约、轻量，易于使用，解决一定的网络受限问题，当然，给技术手段的实施仅是为了举例拓展说明相应的优选方式，具体内容并非在本发明技术方案之内，相关内容不再赘述，可参考常规技术手段。

Ⅵ、所实施的温差发电装置采用温差发电方式，其热电温差发电原理是利用半导体材料的塞贝克(Seebeck)效应和珀尔帖(Peltier)效应，将热能和电能直接转换的技术，具有无噪声、无有害物质排放、可靠性高、寿命长等优点，在本发明技术方案中，当地表受热与地下30cm处环境温度产生温度差时，就会导致芯片里载流子的运动，载流子的运动可实现发电。

如图2、图4、图5所示，对于以上所实施的独立设置于系统外部的温差发电装置构造进一步解析，为了给这种新的供电模式提供发电条件，首先，其安装于地面并且其下端向地面下方深入30cm位置处，该温差发电装置利用地表和地下30cm的温度差发电，其结构包括地热提取器6、热电转换单元7、以及连接器3。

进一步地，其中的地热提取器6由若干柱状的底部热板构成(本发明优选采用三块)并且由地面上方垂直向下延伸至地下30cm位置处，其外围带有地桩外壳5，所实施的地热提取器6上端固定于地桩固定组件2，该地桩固定组件2设置于地表以上并且其表面开设用于固定地热提取器6的若干孔位，所实施的地桩固定组件2与控制机盒1之间固定设置连接器4，以便使控制机盒1下方的温差发电装置通过线路与控制机盒1内部相应电路模块连接。

如图3、图4、图6所示，所实施的地热提取器6的每块热板于邻近地表位置处分别设置一热电转换单元7并且所实施的每个热电转换单元7所在水平高度均相同，每个热电转换单元7包括沿着底部热板的延伸方向交替间隔排列且取向方向平行于热板延伸方向的P型热电转换材料10和N型热电转换材料9，并且使电极通过电连接相邻的P型热电转换材料10与N型热电转换材料9，可优选采用热电转换材料的侧面与电极接触的方式。

进一步地，为了增加隔热绝缘效果，所实施的热电转换单元7外围设置绝热绝缘橡胶8，优选设置于设置于热电转换材料外侧与热板之间。

通过实施具有以上结构关系的温差发电装置，所实现的工作原理是在两块不同性质的半导体两端设置一个温差，于是在半导体两端就产生了直流电压，利用西伯克效应将热能直接转换为电能，以半导体温差发电模块设计的NB-IoT环境数据监测系统，只要半导体两端的温差超过5℃即可发电，工作时，无噪音、无污染、免维护。

如图7所示，本发明所实施的基于温差发电的NB-IoT环境数据监测系统，技术人员可结合图1所列出的工作原理图根据常规技术手段进行电路配置，优选采用型号为STM32L051C8T6的控制芯片，将该芯片的引脚与电路其它模块对应连接即可构成最终的电路部分，关于电路部分并不属于本发明技术方案之内，所提供的控制芯片图形仅是供技术人员进行适当的参考，电路的连接则是完全按照常规技术手段来实施。

在本说明书的描述中，若出现术语“本实施例”、“具体实施”等描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明或发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例；而且，所描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何一个或多个实施例或示例中以恰当的方式结合。

在本说明书的描述中，术语“连接”、“安装”、“固定”、“设置”、“具有”等均做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接或在不影响部件关系与技术效果的基础上通过中间组件间接进行，也可以是一体连接或部分连接，如同此例的情形对于本领域普通技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能够理解和应用，熟悉本领域技术的人员显然可轻易对这些实例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其它实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本案不限于以上实施例，对于以下几种情形的修改，都应该在本案的保护范围内：①以本发明技术方案为基础并结合现有公知常识所实施的新的技术方案，该新的技术方案所产生的技术效果并没有超出本发明技术效果之外，例如，采用温差发电装置应用于NB-IoT环境数据监测系统形成相应的技术方案，并且没有产生超出本发明之外的技术效果；②采用公知技术对本发明技术方案的部分特征的等效替换，所产生的技术效果与本发明技术效果相同，例如，根据不同应用条件与监测需求进行配置而采用不同的传感器组件，实际上仍属于本发明技术方案范围内；③以本发明技术方案为基础进行拓展，拓展后的技术方案的实质内容没有超出本发明技术方案之外；④利用本发明文本记载内容所作的等效变换，将所得技术手段应用在其它相关技术领域的方案。

Claims (10)

1.一种基于温差发电的NB-IoT环境数据监测系统，其包括装配于监测系统内部的系统模块与设置于监测系统外部用于供电的发电装置，其特征在于：

所述发电装置包括温差发电装置，其采用地热提取器垂直伸入至地下至少30cm深度位置处，并且利用地表受热和地表以下相应深度的温度差发电，从而将由热能转换而来的电能提供至所述监测系统；

所述系统模块包括：

用于采集环境数据的外部环境传感模块，其与设置于监测系统内部的核心算法数据处理器相连接并且向其传输所采集到的数据；

用于分析处理数据的核心算法数据处理器，其将所述外部环境传感模块传输来的数据进行分析、处理之后再转换成可利用的数据；

用于低功耗数据传输的NB-IoT通信模组，其与所述核心算法数据处理器相连接，并且将可利用的数据传输到云服务端；

用于电压转换与电源管理的电压转换模块，其分别与所述核心算法数据处理器、所述外部环境传感模块、所述NB-IoT通信模组相连接。

2.根据权利要求1所述的基于温差发电的NB-IoT环境数据监测系统，其特征在于：所述温差发电装置包括热电转换单元。

3.根据权利要求2所述的基于温差发电的NB-IoT环境数据监测系统，其特征在于：所述热电转换单元包括P型热电转换材料、N型热电转换材料，并且这些热电转换材料分别与电极连接。

4.根据权利要求3所述的基于温差发电的NB-IoT环境数据监测系统，其特征在于：所述热电转换材料沿着所述地热提取器的延伸方向交替间隔排列且方向平行于延伸方向。

5.根据权利要求4所述的基于温差发电的NB-IoT环境数据监测系统，其特征在于：所述热电转换单元外围设置绝热绝缘层。

6.根据权利要求1所述的基于温差发电的NB-IoT环境数据监测系统，其特征在于：所述地热提取器采用若干柱状底部热板，每块柱状底部热板由地面上方垂直向下延伸至地下30cm位置处。

7.根据权利要求1所述的基于温差发电的NB-IoT环境数据监测系统，其特征在于：所述地热提取器上端固定于地桩固定组件，所述地桩固定组件设置于地表以上并且其表面开设用于固定所述地热提取器的若干孔位。

8.根据权利要求1-7任一项所述的基于温差发电的NB-IoT环境数据监测系统，其特征在于：所述云服务端与移动通讯终端之间实现发送，通过选择低功耗通信技术NB-IoT实现环境数据采集、分析处理和云端传输。

9.根据权利要求1-7任一项所述的基于温差发电的NB-IoT环境数据监测系统，其特征在于：所述外部环境传感模块供采集的数据包括空气温度、湿度、土壤水分、温度、土壤PH值、土壤EC值、土壤重金属离子值、光照强度、相关气体浓度。

10.根据权利要求1-7任一项所述的基于温差发电的NB-IoT环境数据监测系统，其特征在于：所述NB-IoT通信模组采用低功耗、窄带宽的NB-IoT通信技术来传输协议。

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