CN113382378B - 一种NB-IoT终端及其驱动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种NB‑IoT终端及其驱动方法，该NB‑IoT终端包括：至少一个NB‑IoT通讯模块，其通过NB‑IoT通讯基站与智能管理平台通讯连接及信息交互；至少一个流体检测机构，其装配在供应管线上用以获取经由供应管线的流体的第一数据并通过NB‑IoT通讯模块传输至智能管理平台；自发电机构，至少包括第一能量捕获单元和第二能量捕获单元，自发电机构被配置为：基于第一数据判断其是否触发第一发电异常条件，在第一发电异常条件被触发时指示第二能量捕获单元切换其工作状态以平稳用以输出至电源管理模块的发电性能，和/或基于第一数据判断其是否触发第二发电异常条件，在第二发电异常条件被触发时调控第一能量捕获单元的相对空间位置以降低其与流动流体之间的有效交互范围。

Description

一种NB-IoT终端及其驱动方法
技术领域
本发明涉及物联网控制技术领域，尤其涉及一种NB-IoT终端及其驱动方法。
背景技术
目前，国内的流量计监测方式主要采用的是人工挨家挨户的抄表，这种方式工作量大，容易因人为因素而误抄或者漏抄，影响数据的准确性。现在居民小区以高层建筑为主，需要雇佣大量的人力进行抄表工作，在监控方面，以表数为准，在整个收费期间若发生流量计的表数故障，燃气公司根本无法掌握，由于用户基数大，流量数据多，对用户信息和数据很难进行统一的管理。在用户使用方面，用户很难实时查看流量数据，以往的数据也无从得知，对流量使用情况也无法进行分析。在收费系统方面，国内流量计大多使用IC卡充值，甚至有的地方需要到指定地点进行缴费，这种方式下的手续比较繁琐，充值麻烦。
随着技术的不断进步和市场需求的变化，流量计仪表正在不断地朝着网络化和智能化的方向发展，将流量计接入网络已成为一种必然趋势。现已研发出的数字智能计量设备已经可以取代传统机械式计量表来对流体供应管路进行用量计量，数字智能计量设备通常采用霍尔元件来进行流体流量检测，采用霍尔元件可检测得到流速以及流量等信息，其相比于传统的机械传动式流体计量方式，不仅能够提高流体流量检测的灵敏度和准确度，并且还能够有效地抑制外界的干扰，延长计量表的工作寿命。例如，现有技术中公开号为CN112345015A的专利文献就提出了一种智能物联网阀控系统与方法，其通过获取流体供应管路上流体计量表的流体流量信息，并根据该流体流量信息，确定该流体计量表对应的实际流体状态记录信息，并根据该实际流体状态记录信息，判断该流体计量表的计量工作正常与否，并在该流体计量表处于计量工作正常的情况下，再根据该实际流体状态记录信息，确定该流体计量表对应的流体总费用信息，最后通过物联网将该流体总费用信息上传至云端控制中心，从而使该云端控制中心根据该流体总费用信息调整所述流体计量表的工作状态。该智能物联网阀控系统与方法能够根据采集得到的流体流量信息确定流体计量表对应的实际流体状态记录信息，并利用该实际流体状态记录信息判断流体计量表的工作正常与否以及确定流体计量表对应的流体总费用信息，最后通过物联网实现流体计量表与云端控制中心的信息交互，以使该云端控制中心能够适应性地调整流体计量表的工作状态，从而使得流体计量表能够根据用户的实际流体情况调整自身的阀门工作状态或者对用户进行流体预警，这样能够提高流体供应管路的供应智能化和自动化程度，以及改善流体计量表的阀门控制效率。
在使用此类数字智能计量设备进行数据采集时，数据大多都是采用WI FI或GPRS来上传到服务器的，然而WIFI上传方式受限于安装环境需要存在WIFI的AP热点，并且需要用户手动配置WIFI连接，如果没有WIFI环境或者使用过程中网络断开，数据将会丢失；GPRS上传方式存在功率高、信号弱、同覆盖面下连接数量少等缺点。窄带物联网(Narrow BandInter net of Things，NB-IoT)技术，相比上述WIFI或GPRS通信技术，具有大容量、广覆盖、低成本、低功耗等特点，成为目前管网智能化发展的主要研究趋势。例如，现有技术中公开号为CN106525132B的专利文献就提出了一种基于NB-IoT的流体资源网格化监管系统及其实施方法，其整合了传感器、大数据和物联网技术，所述流体资源网格化监管系统包括流体资源监测传感器、环境传感器、NB-IoT通讯模块、NB-IoT通讯基站、数据监管平台、用户数据平台、APP客户端、数据展示端、自动控制单元。所述流体资源网格化监管系统分成多个监测大区域，每个监测大区域又细分为多个监测小区域，组成一个网格化的监测系统，且采用了具有超低功耗性能的NB-IoT窄带物联网通讯技术。监测小区域采集各种流体资源信号，数据相互关联，并共用监测大区域的环境信号数据，统一在平台进行算法运算，实现自动监测、数据互动和动态预警。
此类数字智能计量设备常常与现已有的流体发电技术相结合，利用流体作用力直接推动涡轮旋转，现有技术也有采用球型的或转轮的，从而带动电磁感应发电机进行发电，但其涡轮并未具体针对流体过流量不稳定的问题进行相关设计，即流体流量大时，将对涡轮产生较大冲击，有可能导致涡轮损坏，同时因流体流量的不均匀，在流经涡轮时，电磁感应发电机发电不稳定，将直接影响其充电电池的使用寿命。对此，现有技术中如已授权的公开号为CN107606258B的专利文献提出了一种具有自发电、数据采集、自动控制功能的智能减压阀系统及控制方法，该智能减压阀系统包括发电装置、数据采集组件、数据处理装置和显示终端；所述发电装置包括垂直于流体流向设置的发电组件和设于阀体外部的电池组件；所述阀体连在主管道上，阀体并联有旁通管道，所述发电组件设置于旁通管道内部；所述发电组件包括发电机组和转轮，所述转轮通过转轴与发电机组的转子连接；所述转轮包括叶片、上底座和下底座；所述数据采集组件设于阀体阀前和/或阀内和/或阀后，所述数据处理装置根据数据采集组件提供的实时参数来对执行器进行相应操作。该智能减压阀能自发电，并且发电性能稳定，具有数据采集、处理和显示功能。
该技术方案提出了利用流体动能来实现自发电的智能减压阀系统，根据流体流速的变化相应地调控直接作用于发电组件的流体流量大小，以此避免不同流体流速下对发电组件的作用不同而导致的发电不稳定甚至影响电池使用寿命的问题。其中，当流体流速较大时，流体作用较大而使得发电组件整体呈倾斜状，流体与发电组件上叶片之间的有效作用减小；当流体流速较小时，流体作用减小，发电组件恢复至竖直状，流体与叶片之间的有效作用增大。即，在变化的流速流量下也可基本维持发电组件的较为平稳而不易出现突变的发电性能。然而，该技术方案至少存在以下问题：
一方面，该系统所实现的稳定保障发电性能，实际是在发电量持续较低的前提下建立的，即使是在能够实现更高发电量的高流速下，该系统也只能获取较低发电量，无法充分利用流体动能，难以满足储能需求，继而无法有效保障多个用电部件的持续用电。
另一方面，该系统所称的稳定保障发电性能，还是基于流体流速均匀变化的假设条件所提出的理想效果。在需要使用流体时，大多数用户有直接关闭阀门或直接将阀门打开到最大的习惯，在短时间内，管道内流体的流速在较低值与较高值之间发生陡然变化，而不是均匀变化，若采用上述技术方案所提出的智能减压阀系统，则将导致其发电组件的发电性能无法维持平稳。例如，在从高流体流速陡然降为接近于零的低流体流速时，发电组件受到其自身重力作用以及弹簧所释放的弹性势能的共同作用，发电组件将迅速地由倾斜状转换至垂直状，无法保障平稳发电。又例如，在从低流体流速陡然升为高流体流速时，高流速的流体直接冲击在发电组件的叶片上促使其转动，随着流体流速进一步升高，继而导致发电组件的倾斜，在该情况下，发电组件的发电量将出现陡然变化，无法保障平稳发电。
此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于申请人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。
发明内容
针对现有技术之不足，本发明提供了一种NB-IoT终端，至少包括：至少一个NB-IoT通讯模块，其通过NB-IoT通讯基站与智能管理平台通讯连接及信息交互；至少一个流体检测机构，其装配在供应管线上用以获取经由供应管线的流体的第一数据并通过NB-IoT通讯模块传输至智能管理平台；自发电机构，至少包括第一能量捕获单元和第二能量捕获单元，其中，自发电机构被配置为：基于第一数据判断其是否触发第一发电异常条件，在第一发电异常条件被触发时指示第二能量捕获单元切换其工作状态以平稳用以输出至电源管理模块的发电性能，和/或基于第一数据判断其是否触发第二发电异常条件，在第二发电异常条件被触发时调控第一能量捕获单元的相对空间位置以降低其与流动流体之间的有效交互范围。
本申请还提出了一种NB-IoT终端，其特征在于，至少包括：电源管理模块，用于至少为装配在供应管线上的至少一个用能设备提供电能；自发电机构，至少包括第一能量捕获单元和第二能量捕获单元，其中，自发电机构被配置为：基于第一数据判断其是否触发第一发电异常条件，在第一发电异常条件被触发时指示第二能量捕获单元切换其工作状态以平稳用以输出至电源管理模块的发电性能，和/或基于第一数据判断其是否触发第二发电异常条件，在第二发电异常条件被触发时调控第一能量捕获单元的相对空间位置以降低其与流动流体之间的有效交互范围。
根据一种优选实施方式，第一能量捕获单元至少具有大叶片组件和小叶片组件，在流体流动的情况下自发电机构可调控大叶片组件与小叶片组件之间的相对运动状态以实现在不同流体流速下的能量捕获最大化。
根据一种优选实施方式，第二能量捕获单元被配置为在流体流动情况满足其预设启动条件时启动并且启动后可在流体流动情况不再满足预设启动条件的情况下持续输出电能。
根据一种优选实施方式，第一能量捕获单元中还包括叶片转轴和第一阻尼单元，其中，自发电机构可通过耦合于叶片转轴上的第一阻尼单元来调控均设于叶片转轴上的大叶片组件与小叶片组件之间的相对运动状态。
根据一种优选实施方式，在流体流动情况不再满足预设启动条件的情况下，第二能量捕获单元可选择能量保持或在接收到需释放能量的控制信号时释放能量。
根据一种优选实施方式，自发电机构通过设于供应管线内且一端与第一能量捕获单元相耦合的第二阻尼单元来调控第一能量捕获单元与流动流体之间的有效交互范围以稳定在流体流速突变下的发电性能。
根据一种优选实施方式，第二阻尼单元被配置为根据自发电机构的控制指令，允许第一能量捕获单元可在流动流体中受外力作用而被动地发生相对转动，减小或增大第一能量捕获单元与流动流体之间的有效交互范围，或限制第一能量捕获单元在流动流体中的运动趋势以保持第一能量捕获单元与流动流体之间的有效交互范围。
本申请还提出了一种NB-IoT终端的驱动方法，至少包括：通过NB-IoT通讯基站与智能管理平台通讯连接及信息交互；通过装配在供应管线上的至少一个流体检测机构来获取经由供应管线的流体的第一数据并通过NB-IoT通讯模块传输至智能管理平台；基于第一数据判断其是否触发第一发电异常条件，在第一发电异常条件被触发时指示第二能量捕获单元切换其工作状态以平稳用以输出至电源管理模块的发电性能，和/或基于第一数据判断其是否触发第二发电异常条件，在第二发电异常条件被触发时调控第一能量捕获单元的相对空间位置以降低其与流动流体之间的有效交互范围。第一数据即为装配在供应管线上的至少一个流体检测机构所获取到的经由供应管线的流体的监测数据。
本申请还提出了一种NB-IoT终端的驱动方法，至少包括：基于第一数据判断其是否触发第一发电异常条件，在第一发电异常条件被触发时指示第二能量捕获单元切换其工作状态以平稳用以输出至电源管理模块的发电性能，和/或基于第一数据判断其是否触发第二发电异常条件，在第二发电异常条件被触发时调控第一能量捕获单元的相对空间位置以降低其与流动流体之间的有效交互范围。
附图说明
图1是本发明提供的NB-IoT终端的简化模块连接关系示意图。
图2是本发明提供的自发电机构的简化结构示意图；
图3是本发明提供的第一与第二阻尼单元的简化结构示意图；
图4是本发明提供的第二能量捕获单元的简化结构示意图。
附图标记列表
1：流体检测机构 2：自发电机构 3：第一能量捕获单元
4：第二能量捕获单元 5：电源管理模块 6：通讯模块
7：中央控制器 8：大叶片组件 9：小叶片组件
10：第一阻力可变区域 11：第一阻尼单元 12：第一线圈
13：惯性飞轮 14：第一可控流体 15：导流座
16：第二线圈 17：第二阻尼单元 18：伸缩杆
19：套筒结构 20：供应管线 21：叶片转轴
22：第二阻力可变区域 23：第二可控流体 24：智能管理平台
25：流量监测模块 26：流量调控模块
具体实施方式
下面结合附图进行详细说明。
NB-IoT(Narrow Band Internet of Things，窄带物联网)构建于蜂窝网络，又名低功耗广域网(Low Power Wide AreaNetwork，LPWAN)，NB-IoT具有大连接、广域覆盖、低功耗及低成本的技术优势。
NB-IoT技术的大连接能力，指的是NB-IoT技术具备支持大量连接的能力。NB-IoT通过使用窄带技术来增加上行等效的功率，不仅扩展了信道容量，还减少了空口信令开销，提高了频谱效率；另外优化基站和核心网之后也会提升每个片区的容量，在一个片区最高可以接入10万个用户，同时还支持低延迟敏感度。NB-IoT下行和上行采用的调制解调技术分别是OFDMA和SC-FDMA，它与现有的蜂窝移动网络2G/3G/4G相比，上行容量增加了50～100倍，在基站情况相同时，NB-IoT比常见的无线技术多100倍左右的接入量，例如在2000KHz频率的情况下，由相关论文得到的仿真结果可知，一个基站能够支持5万个终端的接入。若将其应用到用户数量剧增的抄表系统中，只需要少量的基站就可以支撑起大量数字智能计量设备的连接。
NB-IoT技术的覆盖能力相对较强，在频段一样的情况下，NB-IoT比longTermEvolution和GPRS技术增益了20dB，相当于覆盖能力提升了100倍，相较于GPRS技术，它可以多穿过两堵墙。通常情况下，郊区、地下室与停车场的信号传播都会有大约15dB的损耗，而NB-IoT技术增益20dB的优势使其可以适用于对多种环境下的用户抄表，并且据相关论文记载，其覆盖面积是传统全球移动通信系统模式的十倍。
NB-IoT通信系统的低功耗优势主要在于它的三种模式，DRX(DiscontinuousReception，不连续接收)、eDRX(Extended Discontinuous Reception，扩展不连续接收)以及PSM(PowerSaving Mode，开启省电模式)，尤其PSM模式的待机功耗只有微安级别，对于像家用燃气表等不能经常更换电池的数字智能计量设备而言，不需要频繁更换电池且后期维护方便。并且窄带物联网通信技术比GPRS技术更加低功耗，其连网峰值电流约是GPRS技术的三分之一，非工作状态时的平均电流是GPRS技术的二十分之一，睡眠状态下的平均电流甚至是GPRS的四百分之一。
NB-IoT技术的速率并不高，所以可以使用较低配置的数字信号处理器即可；其次，NB-IoT技术不需要重新再布网，由于只消耗180kHz的带宽，所以只需要利用国内运营商现有的网络进行改造和复用就可以解决网络问题。比如中国电信800MHz里清理出来小部分作为2G频段，就可以进行窄带物联网的部署。最重要的是窄带物联网的终端模块设计简单，射频的设计要求不高，硬件上采取单天线设计即可。低速率、低带宽及低复杂度形成了该模块低成本的优势，NB-IoT芯片可以设计的很小而只需要非常低的成本。
NB-IoT网络架构由五部分组成，分别为终端、无线网侧、核心网(EPC)、物联网支撑平台及上位机应用。
NB-IoT终端指的是通过空口连接到基站，即为通过窄带物联网模块传送流体流量数据的用户终端——数字智能计量设备。
无线网侧在窄带物联网领域即指的是NB-IoT通讯基站，其主要执行空口接入处理、管理片区等功能，然后其通过S1-lite接口连接到物联网EPC，并把从非接入层传送的数据转发到高层网元进行下一步处理。NB-IoT通讯基站是实现窄带物联网终端(数字智能计量设备)与移动通信网络信道的连接的基本单元。
核心网主要具有支持与终端的非接入层通信的功能，用以传送终端相关数据到物联网支撑平台进行处理。
物联网支撑平台用于整理从各种接入网发过来的窄带物联网数据，并依据类型的不同，传送到对应的上位机进行下一步处理。
上位机应用(或称智能管理平台)可以用于根据不同业务需求对窄带物联网终端传输的数据进行分析与处理。上位机应用与物联网支撑平台或者私人云服务器平台数据交互通常使用http或https协议。
本申请提出了一种NB-IoT终端，至少包括流量监测模块，用以利用装配在供应管线20上的至少一个传感器和/或仪表设备对经由供应管线20的流体的监测数据进行采集和/或检测；流量调控模块，其装配在供应管线20上，用以调控经供应管线20提供至用户端的流体的供应状态；数据处理模块，至少与流量监测模块和流量调控模块相连，用于至少基于通过数据获取模块从IC卡所获得的第一信息和/或由流量监测模块所采集到的流体监测数据来计算并更新用户账户信息；至少一个NB-IoT通讯模块6，其通过NB-IoT通讯基站与智能管理平台通讯连接及信息交互。由智能管理平台对至少一个NB-IoT通讯模块6回传的数据进行统计分析。
通过流量监测模块、流量调控模块、数据处理模块、数据获取模块、IC卡和智能管理平台之间的相互配合，可以省去大量人工抄表成本以及统计核算所需成本，智能管理平台与数据处理模块彼此信息交互，可以及时地核算最新的用户账户信息，用户可随时查看自家使用的流量数据或账户信息，及时核对用量情况。用户可通过手机等智能终端实现自主充值，处理效率高且准确。智能管理平台以及数据处理模块中提前预设有与当前用户账户信息相对应的实时更新的预警阈值，在达到预设的预警阈值时向用户发出预警以提示用户及时地充值，或控制流量阀关闭，停止供应，直至用户向智能管理平台或数据处理模块充值则自动指示流量阀恢复至供应状态。用户可以选择在线下充值IC卡后再将IC卡内充值信息读取到数据处理模块中去的线下充值方式，也可以选择在线上通过智能终端例如手机电脑等进行账户充值，充值方式方便。
该NB-IoT终端至少包括设于用户端的流量监测模块，其用以利用装配在供应管线20上的至少一个传感器和/或仪表设备，对经由供应管线20的流体的监测数据进行采集和/或检测。监测数据可包括流体的压力、温度、差压、流量超限、流体质量以及流体流速等情况。当监测到异常情况，例如流体供应时间超出预设时长阈值、流体压力超出预设压力阈值等等，流量监测模块可自动发出预警指令，控制警报模块启动。
该NB-IoT终端还包括设于用户端的流量调控模块。流量调控模块装配在供应管线20上。流量调控模块用以调控经供应管线20提供至用户端的流体的供应状态。供应状态可以主要是指持续供应或切断供应。智能管理平台以及数据处理模块中提前预设有与当前用户账户信息相对应的实时更新的余量预警阈值。余量预警阈值用以在切断供应前及时提醒用户进行账号充值。在达到预设的余量预警阈值时，数据处理模块生成预警指令，控制警报模块启动，向用户发出预警以提示用户及时地充值。数据处理模块可控制流量调控模块切断流体的供应，直至用户向智能管理平台或数据处理模块充值则控制流量调控模块恢复至持续供应状态。
该NB-IoT终端还包括设于用户端的数据处理模块。数据处理模块至少与流量监测模块和流量调控模块相连。数据处理模块用于至少基于通过数据获取模块从IC卡所获得的第一信息和/或由流量监测模块所采集到的流体监测数据来计算并更新用户账户信息。数据读取模块可以是与之对应的IC卡读写器。
智能管理平台主要用于对至少一个通讯模块6回传的数据进行统计分析。智能管理平台可与由用户操作的智能终端进行信息交互以实现远程账户充值和/或账户数据查询。智能管理平台可对来自通讯模块6的数据进行统计分析并可将分析结果中的第二信息回传至通讯模块6。从而使得数据处理模块可至少基于通过数据获取模块从IC卡所获得的第一信息、由流量监测模块所采集到的流体监测数据和由智能管理平台回传的第二信息中的至少一个来计算并更新用户账户信息。进而使得流量调控模块可根据用户账户信息来调控经供应管线20提供至用户端的流体的供应状态。智能管理平台可被配置为向用户端提供业务办理、计算结费、维修预约、缴费服务等服务。
该NB-IoT终端可主要包括流体检测机构1和自发电机构2，两者可分别耦合至供应管线20上。
自发电机构2通过设于供应管线20内部的第一能量捕获单元来捕获经由供应管线20的流体的间歇式能量并将其转换为电能予以输出。第一能量捕获单元可以是沿周向分布的多叶片式结构，流动的流体直接冲击至叶片上而推动其整体结构相对转动，以此实现第一能量捕获单元的能量捕获，由于供应管线20内流体的供应取决于不确定的用户需求而具有间歇性和随机性，因此第一能量捕获单元所能够捕获到的往往是间歇式能量。
第一能量捕获单元的多叶片式结构中至少包括大叶片组件8和小叶片组件9，大叶片组件8与小叶片组件9以同轴的方式设于供应管线20内。在流体流动的情况下自发电机构2可调控大叶片组件8与小叶片组件9之间的相对运动状态以实现在不同流体流速下的能量捕获最大化。同轴，可以是指两者所分别对应的虚拟的中心轴线共线。相对运动状态，可以是指两者相对彼此所呈现的运动姿态，例如可以是相对静止或相对转动或同步转动等等。相对运动状态也可以是指两者相对彼此所呈现的相对位置姿态，例如大叶片组件8上叶片间隔与小叶片组件9上叶片间隔相互对应或间隔设置等等。
第一能量捕获单元中至少包括叶片转轴21和第一阻尼单元11，自发电机构2可通过耦合于叶片转轴21上的第一阻尼单元11来调控均设于叶片转轴21上的大叶片组件8与小叶片组件9之间的相对运动状态。
大叶片组件8与叶片转轴21彼此固接而使得两者运动始终保持同步。
小叶片组件9以其在叶片转轴21上的位置相对固定的方式转动连接在叶片转轴21上而使得两者运动可彼此异步。
叶片转轴21的部分轴体贯穿式设于第一阻尼单元11中的第一阻力可变区域10内。自发电机构2通过切换第一阻力可变区域10相对叶片转轴21所形成的限制活动姿态和解除限制姿态来调控叶片转轴21与大叶片组件8在流体中的工作状态。第一阻力可变区域10为解除限制姿态时，叶片转轴21与大叶片组件8可随流体自由转动。第一阻力可变区域10为限制活动姿态时，叶片转轴21与大叶片组件8在流体中的运动受限而不会随流体自由转动。针对现有技术中往往通过累积更多的不同尺寸的叶片组来试图实现更好发电性能的技术方案，多组不同尺寸的叶片组均可任意地随流体的流动而随之转动，首先多组叶片组占据较大空间，将导致流体流动的动能大部分损失在不必要的冲击上，无法实现有效的电能提升，其次较小流体流速下，较大叶片组的转动会损耗大量流体流动的动能且其转动角度以及速度均较小，导致电能利用率有限。对此，本申请采用了第一阻尼单元11来调控大叶片组件8与小叶片组件9之间的相对运动状态，在较大流速下两者均会自由转动来捕获流体动能，从而在较小流速下大叶片组件8的运动被限制，仅有小叶片组件9能够转动捕获流体动能，小叶片组件9相较于大叶片组件8能够更高效更充分地捕获到流体动能，有利于提升小流速下的电能利用率，消除了现有技术中所存在的因同时设置多组叶片组而导致电能利用率有限的问题。此外，本申请采用了占据空间较小的双叶片组的设置结构，其制造简单且可使经由双叶片组的流体动能能够被充分地捕获，极大地降低流体动能在冲击至双叶片组时的非必要动能损失，可进一步地提升电能利用率。
自发电机构2可借助于流体动能结合切换第一阻尼单元11的限制活动姿态或解除限制姿态的方式来调控大叶片组件8的叶片间隔在具有流体供应方向的供应管线20内的相对姿态。叶片间隔的相对姿态，可以是指某一叶片间隔或任一叶片间隔相对供应管线20的流体供应方向而言的相对朝向或相对位置关系。优选地，总是叶片间隔而非叶片对准供应管线20的流向。例如，供应管线20中通常设置有用于进一步增强流体冲击叶片的作用力的导流座15，导流座15的出口端对准多叶片结构所在位置，对此，本申请利用供应管线20内流体动能来主动调整大叶片组件8，使得导流座15的流向总是与叶片间隔对应，更多的流体可以穿过叶片间隔直接冲击至小叶片组件9，进一步增强小叶片组件9的发电效率，由于更多的流体直接冲击小叶片组件9，也就降低了流体冲击不可转动的大叶片组件8而损失的动能。
例如，在较小流体流速下，第一阻尼单元11为限制活动姿态，若采集数据触发预设的叶片间隔姿态调整条件，则调控第一阻尼单元11切换至解除限制姿态，大叶片组件8在流体下被以较小幅度驱动转动，同时大叶片组件8上叶片间隔的位置也随之调整。在条件触发被解除时，调控第一阻尼单元11切换至限制活动姿态，将大叶片组件8上叶片间隔固定在当前位置上。采集数据可以是指由流量计、流速计等采集到的流体相关数据。
触发叶片间隔姿态调整条件，可以指自发电机构2对采集到的信息进行分析，当分析结果满足预设的与之对应的某一阈值时，即触发预设的与之相关联的操作。调整叶片的间隔姿态，需获取当前叶片间隔姿态以及调整量。对此，本申请通过设计相关实验，将流体流速、大叶片组件8中叶片间隔的相对姿态、管径、导流座15的开放端端面面积、小叶片组件9上叶片面积、大叶片组件8上叶片间隔分别作为自变量，将预设时长内得到的电量作为因变量，在第一阻尼单元11保持限制活动姿态以及限制实验流体流速不超出预设流速阈值(即保持在较小流体流速)的条件下，以不同流体流速、大叶片组件8中叶片间隔的不同相对姿态、不同管径、导流座15的不同开放端端面面积进行实验，基于实验结果建立叶片间隔姿态调整的数据库。优选地，自发电机构2可基于已预录入的已定的管径、导流座15的开放端端面面积、小叶片组件9上叶片面积以及大叶片组件8上叶片间隔，根据实时采集到的流体流速、大叶片组件8中叶片间隔的相对姿态以及预设时长内得到的电量，即可调取到数据库中对应的大叶片组件8中叶片间隔的不同相对姿态。优选地，例如以流体流速、大叶片组件8中叶片间隔的相对姿态、管径、导流座15的开放端端面面积分别与电量之间均为线性关系为假设条件，采用联立方程法基于数据库建立模拟发电模型，以此可基于建立得到的模拟发电模型来即时地分析计算大叶片组件8中叶片间隔的当前相对姿态。继而，基于与预设的目标发电量相对应的大叶片组件8中叶片间隔的目标相对姿态，结合当前相对姿态即可得出两者之间的差距，即用以指示大叶片组件8所需调整的角度调整量。优选地，基于已定的流体流速与调整量可对应地计算得到大叶片组件8完成调整量所需的调整时长，根据调整时长来切换第一阻尼部件的姿态，完成大叶片组件8的调整，调整后的大叶片组件8的叶片间隔与导流座15的开放端相对应，可以理解的是相对应并非完全正中对准而是允许具有一定的偏差范围。该条件的触发的解除可以是：调整后根据相同时间内的实时发电量与预设的目标发电量之间的比对来确定。优选地，大叶片组件8的调整可以是通过实时地检测实时发电量，并将其与预设的目标发电量相比对，直至解除该条件的触发。
大叶片组件8的叶片间隔在供应管线20内的相对姿态的调控可以是以控制大叶片组件8的调整速度的方式完成。现有技术中叶片组往往直接转动连接在轴体上，在受到流体冲击时自由地随着流体的流动而发生相对转动，即使采用惯常的限位式结构来实现对叶片组的定位，但限位式结构具有一定的反应时间，本身叶片间隔的偏差往往就比较小，即叶片组所需的调整量较小，若解除限位后再在预设时长内恢复限位，则往往还未等到此类限位式结构恢复限位，叶片组就已经在流体流动下发生较大角度的转动，进而难以实现准确可靠的定位。对此，本申请所提出的NB-IoT终端中通过采用具有可小幅调控转动阻尼的第一阻尼单元11，使大叶片组件8的调整速度可控，根据实际所需调整量以及流体实时流速，相应地调整大叶片组件8的调整速度，由此能够实现更准确可靠的定位目的，有利于达到更好的发电效率。
第一阻尼单元11的第一阻力可变区域10内设置有具有在磁场作用下的流变特性的第一可控流体14。第一阻力可变区域10的环周壁设置有可产生能够覆盖至第一可控流体14所在区域的磁场的第一线圈12。第一线圈12通电，形成磁场，第一可控流体14粘度急剧增大，第一阻尼单元11切换为限制活动姿态，大叶片组件8无法随流体转动。减小部分第一线圈12通电量，磁场相对减弱，第一可控流体14粘度下降，在一定粘度下允许大叶片组件8相对转动，但转动速度受到第一可控流体14粘度的影响而无法随着流体快速转动，由此可较好地控制大叶片组件8的调整过程，从而避免由于大叶片组件8随流体自由转动而存在的难以调整到位的问题。第一线圈12断电，磁场消失，第一可控流体14粘度急剧降低，第一阻尼单元11切换为解除限制姿态，大叶片组件8可以随流体转动。
自发电机构2通过设于供应管线20内部的第二能量捕获单元来捕获经由供应管线20的流体的间歇式能量并将其转换为电能予以输出。第二能量捕获单元所捕获的能量可用以稳定在流体流速突变下的发电性能。
第二能量捕获单元被配置为在流体流动情况满足其预设启动条件时启动并且启动后可在流体流动情况不再满足预设启动条件的情况下持续输出电能。
第二能量捕获单元至少包括惯性飞轮13，惯性飞轮13可转动地设于供应管线20内。惯性飞轮13也可称配重轮、惯性轮、重量轮或阻尼轮等，其可视为转动惯量很大的圆盘。惯性飞轮13主要包括一轮毂架以及沿轮毂架的外边缘延伸所形成的一轮缘部。轮毂架的中心部位为轮轴部，轮毂架与轮轴部之间形成有呈放射状的多个等距轮臂。轮缘部上沿轮毂架外边缘设置有多个重量块，重量块的重量可以按照实际需求来选用。惯性飞轮13上重量块的重量是惯性飞轮13启动所需大小的驱动力的重要因素，因此选用不同惯性飞轮13可调整惯性飞轮13启动的驱动力大小。
由于惯性飞轮13本身具有一定的重量，因此在流体流速较小的情况下难以通过流体冲击来推动惯性飞轮13转动，基于此，虽然在流速较小的情况下发电量相对流速较大时较小，但整体的发电性能趋于平稳，保障电池的使用寿命。
在流体流速逐渐增大的情况下，直至达到惯性飞轮13启动所需的驱动力大小，惯性飞轮13随流体的流动而转动，快速转动下的惯性飞轮13将流体动能转换为动能形式进行储能，储存起来的动能能够直接通过联轴器等转换为电能输出，也能够不选择立即输出而是保持能量的储存，释放能量的时刻可选择。
进行储能时，惯性飞轮13借助于捕获到的流体动能而加速储能，能量以动能形式储存在快速旋转的惯性飞轮13中。无需释放能量时，飞轮处于能量保持状态。在接收到需释放能量的控制信号时，第二能量捕获单元释放能量，快速旋转的惯性飞轮13通过联轴器与电机输入端连接，惯性飞轮13利用其转动惯性力将其动能输出，经功率变化器转换输出适于负载要求的电能，以此完成从流体动能到电能的捕获及转换。
在流体流动情况不再满足预设启动条件的情况下，第二能量捕获单元可选择能量保持或在接收到需释放能量的控制信号时释放能量。由惯性飞轮13捕获到的能量可以选择输出的时刻，而无需立即输出转换为电能。现已提出的NB-IoT终端所称的稳定保障发电性能，均是基于流体流速均匀变化的假设条件所提出的理想效果，实际非常难以实现发电性能的稳定。在启动时，大多数用户有直接将阀门打开到最大或直接关闭阀门的习惯，即，在短时间内，管道内流体的流速在较低值与较高值之间发生陡然变化，而不是均匀变化，若采用上述技术方案所提出的智能减压阀系统，则将导致其发电组件的发电性能无法维持平稳。例如，在从高流体流速陡然降为接近于零的低流体流速时，发电组件受到其自身重力作用以及弹簧所释放的弹性势能的共同作用，发电组件将迅速地由倾斜状转换至垂直状，无法保障平稳发电。即，从高流速突变至低流速时，第一能量捕获单元受到的影响较大，单一地依赖于第一能量捕获单元将导致由其产生的发电性能发生难以调整的陡变，对此，本申请所提出的NB-IoT终端采用了惯性飞轮13与其他能量捕获单元相结合的技术方案，利用惯性飞轮13的储能和释能特点，可针对上述从高流速陡然变化至低流速的情况进行发电补充，接入发电补充后惯性飞轮13的动能逐渐耗损，而使得发电量有控制地递减，以此可规避由于第一能量捕获单元所引起的发电性能陡变的问题。
自发电机构2可基于采集数据判断其是否触发第一发电异常条件，在第一发电异常条件被触发时将第二能量捕获单元由能量保持状态切换至能量释放状态以平稳发电性能。第一发电异常条件，可以是指在高流体流速下，由更靠近流体供应端的一侧的流量计所采集到的流速变化超出预设流速变化阈值的情况，即表明用户关小阀门而导致供应管线20内流速骤减的情况。第一发电异常条件，也可以是指在高流体流速下，自发电机构2所监测的发电量变化率超出预设发电量变化率阈值的情况，即发电性能出现即将陡降的情况。第一发电异常条件主要是指由高流速陡降为低流速的情况。
作为一种优选实施方式，惯性飞轮13可以是以其轮面呈平放姿态的方式装设于供应管线20内部。平放姿态下惯性飞轮13对流体的流动影响较小，流体经由惯性飞轮13时的动能损耗较小。作为一种优选实施方式，惯性飞轮13可以是以其轮面呈平放姿态的方式装配在相对第一能量捕获单元更远离流体供应端的位置上。在该设置下，尤其有利于提升高流体流速下的发电量，由于高流体流速下将推动惯性飞轮13转动，转动起来的惯性飞轮13将进一步地加大流体流速，使得位于其后方的第一能量捕获单元能够实现更高效的发电性能，充分利用高流速下的流体动能来获得更大的发电量，以此能够有效避免类似于现已提出的NB-IoT终端所存在的无法同时平衡发电性能的稳定与高发电利用率的问题，继而在高效发电利用率的基础上能够满足储能需求，有效保障多个用电部件的持续用电。
自发电机构2通过设于供应管线20内且一端与第一能量捕获单元相耦合的第二阻尼单元17来调控第一能量捕获单元与流动流体之间的有效交互范围以稳定在流体流速突变下的发电性能。
自发电机构2可基于采集数据判断其是否触发第二发电异常条件，在第二发电异常条件被触发时指示第二阻尼单元17动作以降低第一能量捕获单元与流动流体之间的有效交互范围。第二发电异常条件，可以是由更靠近流体供应端的一侧的流量计所采集到的流速变化超出预设流速变化阈值的情况，即表明用户开大阀门而导致供应管线20内流速骤增的情况。第二发电异常条件主要是指由低流速陡增为高流速的情况。
第二阻尼单元17被配置为根据自发电机构2的控制指令，允许第一能量捕获单元可在流动流体中受外力作用而被动地发生相对转动，减小或增大第一能量捕获单元与流动流体之间的有效交互范围，或限制第一能量捕获单元在流动流体中的运动趋势以保持第一能量捕获单元与流动流体之间的有效交互范围。
第二阻尼单元17至少包括彼此并列设置的伸缩杆18以及套筒结构19。伸缩杆18的一端通过套筒结构19连接至第一能量捕获单元上，其伸缩可影响第二阻尼单元17的转动角度，在停止伸缩时可相对地将第二阻尼单元17定位在某一转动角度下。套筒结构19内具有第二阻力可变区域22以及第二可控流体23。套筒结构19允许第一能量捕获单元可在受到流体冲击时主动地或随伸缩杆18的控制而发生相对转动，也可限制第一能量捕获单元在受到流体冲击时的运动趋势。套筒结构19的限制作用是通过第二可控流体23来实现的，套筒结构19上设置有可产生能够覆盖至第二可控流体23所在区域的第二线圈16。第二线圈16通电，形成磁场，第二可控流体23粘度急剧增大，限制套筒结构19的内外筒之间的相对运动趋势，第一能量捕获单元无法转动。减小部分第二线圈16通电量，磁场相对减弱，第二可控流体23粘度下降，在一定粘度下允许第一能量捕获单元相对转动，但转动速度受到第二可控流体23粘度的影响而无法随着流体快速转动，由此可较好地控制第一能量捕获单元与流动流体之间有效交互范围的变化，从而避免由于第一能量捕获单元随流体自由转动而存在的难以调整到位的问题。第二线圈16断电，磁场消失，第二可控流体23粘度急剧降低，第二阻尼单元17切换为解除限制姿态，第一能量捕获单元可以随流体转动。伸缩杆18与套筒结构19彼此配合作用。
在从低流体流速陡然升为高流体流速时，高流速的流体直接冲击第一能量捕获单元，此时大叶片组件8和小叶片组件9与流动流体之间的有效交互范围最大，即为叶片组件能够充分地与流体相接触，发电效率大，对此，现有技术中提出了采用叶片组件可转动的设置方式，高流速下叶片组件倾斜，有效交互范围减小，并结合弹簧的弹性限制叶片组件过度倾斜。然而，流速陡增的时刻下，流动流体主要还是冲击叶片快速转动，并不能立即推动叶片组件倾斜，也就使得该时刻下不可避免地会出现发电量的陡增，即现已提出的NB-IoT终端所称的稳定保障发电性能，均是基于流体流速均匀变化的假设条件所提出的理想效果，实际非常难以实现发电性能的稳定。其次，高流速下叶片组件持续维持倾斜姿态，将导致整体发电量较低。对此，本申请所提出的NB-IoT终端中采用了第二阻尼单元17来替代传统弹簧，利用第二阻尼单元17的可控性特点，实现对第一能量捕获单元与流动流体之间的有效交互范围的调控，以此实现更有效的尤其是在流体流速陡增下的发电性能的稳定。
以从低流体流速陡然升为高流体流速的情况为例，当更靠近流体供应端一侧的流量计监测到流速陡增时，自发电机构2可在限制第一能量捕获单元的自由运动趋势下，通过控制第二阻尼单元17中伸缩杆18的伸缩，使第一能量捕获单元倾斜，主动降低其与流动流体间的有效交互范围，也就避免了第一能量捕获单元瞬间发电量变化过大的问题。套筒结构19内的第二可控流体23具有一定粘度，其粘度足以限制第一能量捕获单元在当前转动角度下无高流速流体冲击时的位置，且允许其在受到高流速流体冲击时小幅度地移动以减小瞬时冲击力。当更靠近流体供应端一侧的流量计监测到流速持续平稳时，自发电机构2可在限制第一能量捕获单元的自由运动趋势下，通过控制第二阻尼单元17中伸缩杆18的伸缩，使第一能量捕获单元逐渐复位，主动增大其与流动流体间的有效交互范围，最大化地提升第一能量捕获单元在高流速下的发电利用率，增大发电量。自由运动趋势主要是指第一能量捕获单元受高流速流体冲击而移动的运动趋势。
需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。本发明说明书包含多项发明构思，诸如“优选地”、“根据一个优选实施方式”或“可选地”均表示相应段落公开了一个独立的构思，申请人保留根据每项发明构思提出分案申请的权利。

Claims (7)

1.一种NB-IoT终端，其特征在于，至少包括：
至少一个NB-IoT通讯模块（6），其通过NB-IoT通讯基站与智能管理平台通讯连接及信息交互；
至少一个流体检测机构（1），其装配在供应管线（20）上用以获取经由供应管线（20）的流体的第一数据并通过NB-IoT通讯模块（6）传输至智能管理平台，由智能管理平台对至少一个NB-IoT通讯模块（6）回传的数据进行统计分析；
自发电机构（2），至少包括第一能量捕获单元（3）和第二能量捕获单元（4），
其中，自发电机构（2）被配置为：
基于第一数据判断其是否触发第一发电异常条件，在第一发电异常条件被触发时指示第二能量捕获单元（4）切换其工作状态以平稳用以输出至电源管理模块（5）的发电性能，和/或
基于第一数据判断其是否触发第二发电异常条件，在第二发电异常条件被触发时调控第一能量捕获单元（3）的相对空间位置以降低其与流动流体之间的有效交互范围；
第二能量捕获单元（4）被配置为在流体流动情况满足其预设启动条件时启动并且启动后可在流体流动情况不再满足预设启动条件的情况下持续输出电能；
第二能量捕获单元至少包括惯性飞轮（13），惯性飞轮（13）可转动地设于供应管线（20）内，在流体流速逐渐增大的情况下，直至达到惯性飞轮（13）启动所需的驱动力大小，惯性飞轮（13）随流体的流动而转动，快速转动下的惯性飞轮（13）将流体动能转换为动能形式进行储能，储存起来的动能能够直接通过联轴器转换为电能输出，也能够不选择立即输出而是保持能量的储存，释放能量的时刻能够进行选择。
2.根据权利要求1所述的NB-IoT终端，其特征在于，第一能量捕获单元（3）至少具有大叶片组件（8）和小叶片组件（9），在流体流动的情况下自发电机构（2）可调控大叶片组件（8）与小叶片组件（9）之间的相对运动状态以实现在不同流体流速下的能量捕获最大化。
3.根据权利要求2所述的NB-IoT终端，其特征在于，第一能量捕获单元（3）中还包括叶片转轴（21）和第一阻尼单元（11），其中，自发电机构（2）可通过耦合于叶片转轴（21）上的第一阻尼单元（11）来调控均设于叶片转轴（21）上的大叶片组件（8）与小叶片组件（9）之间的相对运动状态。
4.根据权利要求1所述的NB-IoT终端，其特征在于，在流体流动情况不再满足预设启动条件的情况下，第二能量捕获单元（4）可选择能量保持或在接收到需释放能量的控制信号时释放能量。
5.根据权利要求1所述的NB-IoT终端，其特征在于，自发电机构（2）通过设于供应管线（20）内且一端与第一能量捕获单元（3）相耦合的第二阻尼单元（17）来调控第一能量捕获单元（3）与流动流体之间的有效交互范围以稳定在流体流速突变下的发电性能。
6.根据权利要求5所述的NB-IoT终端，其特征在于，第二阻尼单元（17）被配置为：
根据自发电机构（2）的控制指令，允许第一能量捕获单元（3）可在流动流体中受外力作用而被动地发生相对转动，减小或增大第一能量捕获单元（3）与流动流体之间的有效交互范围，或限制第一能量捕获单元（3）在流动流体中的运动趋势以保持第一能量捕获单元（3）与流动流体之间的有效交互范围。
7.一种根据权利要求1至6之一所述的NB-IoT终端的驱动方法，其特征在于，至少包括：
基于第一数据判断其是否触发第一发电异常条件，在第一发电异常条件被触发时指示第二能量捕获单元切换其工作状态以平稳用以输出至电源管理模块的发电性能，和/或
基于第一数据判断其是否触发第二发电异常条件，在第二发电异常条件被触发时调控第一能量捕获单元的相对空间位置以降低其与流动流体之间的有效交互范围。
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