一种自供能海洋行船避礁无线预警系统

技术领域

本发明属于能量收集与传感系统技术领域，具体涉及一种自供能海洋行船避礁无线预警系统。

背景技术

随着物联网的发展，对于无线通信节点的需求量急剧增加，而这些节点的通讯都需要供电来满足大数据的传输。在交通领域，基于物联网的智能交通系统包括无线传感器、通讯网络、道路安全行车预警等。然而，在辽阔的海域，交通预警系统的供电却受到很大的限制。虽然已经开发出一些无线警报装置，如无线电浮标导航设备，但它们通常由传统电池供电，其有限的使用寿命和环境污染问题限制了其使用。由于海洋占地球表面面积的70％，而且波浪能在这些水体中分布很广，利用水波能作为可持续能源是一种很有前景的技术。与其他清洁能源相比，水波受昼夜交替和天气的影响也较小。然而，由于目前的技术限制，基于水波能收集的自驱动航线预警交通系统的开发仍然很困难。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种自供能海洋行船避礁无线预警系统，基于微型波浪能收集发电机为供电基础，在行船目视盲区的暗礁或者岛礁附近海域，可实现对行船航行交通风险的全天候实时预警，保证船舶在各种天气条件下的航行安全。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种自供能海洋行船避礁无线预警系统，包括行船终端和在海面上的暗礁或者岛礁上设置的微型波浪能收集器件、电能存储和管理电路以及无线发射模块；

所述微型波浪能收集器件通过电能存储和管理电路连接无线发射模块；

所述微型波浪能收集器件用于收集海绵波浪能并转化为电能，转化的电能输出到电能存储和管理电路，随后对微型波浪能收集器件输出的电能整流、变压后，向无线发射模块输出稳定的、可供电子元件使用的3V-5V低压直流电，供给无线发射模块工作并向行船终端发射电磁信号。

所述微型波浪能收集器件包括竖直设置的单摆结构1，单摆结构1的中间位置两侧分别通过弹簧2连接至弹性可压缩回弹的折叠式摩擦纳米发电机组3一侧，摩擦纳米发电机组3的另一侧通过硬质基底固定在器件外壳10，单摆结构1在发生摆动时，所述摩擦纳米发电机组3包括多个摩擦纳米发电机单元，通过基底Z形折叠方式连接起来，所述单摆结构1下部设置有磁铁块4，磁铁块4设置在弧形基座5上，弧形基座5上表面设置铜线圈6。

所述摩擦纳米发电机单元包括金属摩擦电极7和摩擦介电层8，金属摩擦电极7和摩擦介电层8均附着在柔性薄膜基底9上，两者通过薄膜基底的折叠相对设置。

所述微型波浪能收集器件对波浪能收集转化的具体方法为；

微型波浪能收集器件在使用时，固定于可漂浮于海面的基板上，基板浮于海平面，在波浪的晃动作用下，微型波浪能收集器的单摆结构1将发生左右摇摆，通过拉伸和压缩弹簧2带动摩擦纳米发电机组3发生来回伸缩运动，从而通过金属摩擦电极7和摩擦介电层8之间的接触-分离摩擦起电产生电能，摩擦纳米发电机和电磁发电机单元组通过并联方式，同时输出至电能存储和管理电路，波浪能驱动单摆发生摆动的机械运动，单摆的机械运动能通过摩擦纳米发电机和电磁发电机转化为电能，单摆结构1的下部装有磁铁块4，在弧线左右运动时可切割下部弧形基座5上安装的铜线圈6，根据切割磁感线的物理机制，将在铜线圈6中产生电能。

所述无线发射模块发射的预警信号的传播距离由电路开启一次所释放的电量决定，发射距离通过电能存储和管理电路调整，信号发射的间隔周期通过管理模块的设定进行调整，通过增大管理电路中电容的容量大小，增加无线信号发射距离，在电源管理模块开启电压和关闭电压一定时，电路中电能存储容量越大，管理电路开启时所传输的电量越多，供给无线发射模块的能量越多，传输距离越远。

所述无线发射模块信号发射的间隔周期通过电源管理模块的设定进行调整，具体方式为：给电源管理模块设定一个开启电压值，当电容中存储电量的电压达到电源管理模块的开启电压时，电容模块开启，电容中存储的电量释放出去，供给无线模块发射信号，在微型波浪能收集器件输出功率一定的情况下，电源管理模块设定的开启电压值越低，其开启的频率越高，信号发射的间隔越小，同因中间涉及到电流的泄露问题，具体的电源管理模块设定的开启电压值与信号发射周期的函数关系，以实际测试为准，同理，在电源管理模块设定的开启电压值一定的情况下，微型波浪能收集器件的输出功率越大，电容中存储电量增加的越快(同一电容容量时)，电源管理模块开启的频率越高，信号发射的时间间隔越小。

所述电能存储和管理电路的工作方式：在管理电路中有内置的电压感知芯片，当来自电容中储存的电能达到电源管理模块芯片中所设置的开启电压时，芯片控制电源管理模块开启，使电容中储存的电能部分释放到连接至管理电路另一端的无线发射模块，管理电路芯片中同时设定了关闭电压，当电容中储存的电能随着释放，电容电压降低至管理电路所设定的关闭电压时，管理电路中断电能传输，截至电容对无线发射模块的供电，待电容中电量再次达到电源管理模块开启电压时，再次开启和关闭，如此周期过程。

所述微型波浪能收集器件通过导线连接组成网格状阵列，微型波浪能收集器件两两之间的距离等同，每个微型波浪能收集器件位置可视为海面上网格中的一个交叉节点处。

本发明的有益效果：

(1)本发明首次提出基于波浪能采集的海洋行船避礁自供能无线预警系统的概念和设计。为海洋中岛礁或暗礁附件海域航行的无导航系统行船安全，提出了一种全新的思路和解决方案。

(2)与其他海面安全或通讯系统相比，本发明依靠波浪能的收集为系统进行供电，仅依靠从水波中提取的能量，便可在海面建立远程传输距离的通讯。本发明供能技术较新型的光伏、风电能等受昼夜交替和天气的影响较小，使预警系统具有全天候的适用性。对于在恶劣天气条件下航行、海上能见度低的船舶的安全航行至关重要。

(3)对于微型发电机所收集的海洋波浪能量，需要进行电源管理后对电子设备等进行供电。传统的针对摩擦纳米发电技术的电源管理电路或模块往往是机械式的，需要人为的干预才能周期性工作。本发明中针对发电机器件所设计的新型电源管理模块，其能量存储和释放为自动、智能控制，完全不用外部的干预，实现了自供能无线预警系统的自动化。

附图说明

图1为本发明的自供能海上行船避礁的航线安全预警系统示意图。

图2为本发明的波浪能收集器件装置示意图。

图3为本发明的波浪能收集器件阵列、电能存储电路、电源管理模块、无线发射模块连接示意图。

图4为本发明的电能存储、电源管理模块、无线发射模块连接实物图。

图5为本发明的智能手机上的动画预警演示实物图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示：一种自供能海洋行船避礁无线预警系统，包括在海面上的暗礁或者岛礁上设置微型波浪能收集器件、电能存储和管理电路，无线发射模块、行船终端；其连接和各部分作用为：微型波浪能收集器件连接到电能存储和管理电路，再连至无线发射模块，如示意图3所示。微型波浪能收集器件用于收集海面波浪能并转化为电能，转化的电能输出到电能存储和管理电路，随后对器件输出的电能整流、变压后，向无线发射模块输出稳定的、可供电子元件使用的低压(3V-5V)直流电，供给无线发射模块工作并向行船上的终端发射电磁信号。

本实例中所利用微型波浪能收集器件复合了摩擦纳米发电机技术和电磁发电机技术，其结构和组成如图2示意图所示。通过类似于老式钟表中的单摆结构1，将摩擦纳米发电机技术和电磁发电机单元组复合在一起。

本实例中微型波浪能收集器件对波浪能收集转化为电能工作方式为：所述微型波浪能收集器件在使用时，固定于可漂浮于海面的基板上，承载着器件浮于海平面。在波浪的晃动作用下，图2示意图中的单摆结构1将发生左右摇摆。其发电原理为：波浪能驱动单摆发生摆动的机械运动，单摆的机械运动能通过摩擦纳米发电机和电磁发电机转化为电能。单摆的下部装有磁铁块4，在弧线左右运动时可切割下部基座上安装的铜线圈6，根据切割磁感线的物理机制，将在铜线圈6中产生电能。

单摆的中间位置通过弹簧2连接至弹性可压缩回弹的折叠式摩擦纳米发电机组3一侧，摩擦纳米发电机组3的另一侧通过硬质基底固定在器件外壳10，整体类似于手风琴结构特点。单摆在发生摆动时，将通过拉伸和压缩弹簧2带动摩擦纳米发电机组3发生来回伸缩运动，从而通过摩擦金属电极和摩擦介电层8之间的接触-分离摩擦起电产生电能。摩擦纳米发电机技术和电磁发电机单元组将通过并联方式，同时输出至电能存储和管理电路。

本示例中所采用的微型波浪能收集器件设计的原理、构造仅为收集波浪能的其中一种方式，类似可有效收集海面波浪能并转化为电能对外输出的器件皆满足本发明中所述自供能海洋行船避礁无线预警系统要求。

所述无线模块发射的预警信号的传播距离由电路开启一次所释放的电量决定，发射距离可通过电容存储的电量和电源管理模块调整，具体方式为：通过增大电路中电容的容量大小，增加无线信号发射距离。其原理为：在电源管理模块开启电压和关闭电压一定时，电路中电容存储容量越大，电源管理模块开启时所传输的电量越多，供给无线发射的能量越多，其传输距离越远。本实例中采用的电容容量为8mF,供给无线发射的距离达1.5km，可根据所需发射距离的要求调整电容值的大小。因中间涉及到电流的泄露问题(不同电量时泄露的程度不同)，具体的电容量变化所对应的发射距离的变化，以实际测试为准。

信号发射的间隔周期可通过电源管理模块的设定进行调整。具体方式为：给电源管理模块设定一个开启电压值，当电容中存储电量的电压达到电源管理模块的开启电压时，电容模块开启，电容中存储的电量释放出去，供给无线模块发射信号。在微型波浪能收集器件输出功率一定的情况下，电源管理模块设定的开启电压值越低，其开启的频率越高，信号发射的间隔越小。同因中间涉及到电流的泄露问题，具体的电源管理模块设定的开启电压值与信号发射周期的函数关系，以实际测试为准。同理，在电源管理模块设定的开启电压值一定的情况下，微型波浪能收集器件的输出功率越大，电容中存储电量增加的越快(同一电容容量时)，电源管理模块开启的频率越高，信号发射的时间间隔越小。

电源管理模块工作方式：在电源管理模块中有内置的电压感知芯片，当来自电容中储存的电能达到电源管理模块芯片中所设置的开启电压时，芯片控制电源管理模块开启，使电容中储存的电能部分释放到连接至电源管理模块另一端的无线发射模块。电源管理模块芯片中同时设定了关闭电压，当电容中储存的电能随着释放，电容电压降低至电源管理模块所设定的关闭电压时，电源管理模块中断电能传输，截至电容对无线发射模块的供电。待电容中电量再次达到电源管理模块开启电压时，再次开启和关闭，如此周期过程。

所述微型波浪能收集器件通过导线连接组成网格状阵列，器件两两之间的距离等同(本示例中间隔为1m-3m)，每个器件位置可视为海面上网格中的一个交叉节点处。

实施例：

(1)自供能海上行船避礁的航线安全预警系统概念：

本发明的海上行船避礁的航线安全预警系统示意图及工作过程如图1示意所示。在海洋上的恶劣天气下(如大雾、雨雪)，对于一些没有安装GPS等导航系统或者电源中断的小型、老旧船只，此时由于海面上的能见度极低，在行船目视盲区的暗礁或者岛礁附近海域航行时，有可能会由于行船航线的调整不及时而撞上暗礁或者岛礁，造成类似“泰坦尼克号”的危险。针对这种情况，本发明中所阐述的自供能海上行船避礁的航线安全预警系统能够很好加以解决。

本系统主要布置在海面上的暗礁或者岛礁上，依赖微型发电机阵列从周围海面收集波浪能进行电能供给，利用电路管理模块的设计，置于暗礁或者岛礁海面上的无线发射模块将每隔很短的时间(发射时间间隔取决于微型发电机单位时间内收集转化的电能，本实例中暂定1秒)便自动发射无线预警信号，无线信号可发射一定距离(本实例中暂定1.5千米)。只要附近有类似“失明”的行船进入到无线预警信号发射距离的信号圈内(方圆1.5千米)，便会在终端收到警告信号，从而改变航向，直到出了信号圈，从而达到了避免触礁的风险。如图1示意。

(2)系统的组成:

(1)微型波浪能收集器件。本实例中所采用的微型波浪能收集器件复合了摩擦纳米发电机技术和电磁发电机技术，对波浪能这种低频机械能的收集效果较好。在波浪的晃动作用下，本实例微型复合发电机器件中的发电单元产生机械运动，基于摩擦电和电磁感应机理，产生电能。类似此种设计，可有效收集波浪能转化为电能的微型器件皆适用于本发明的无线预警系统。器件组成的阵列由导线连接每个器件而成，器件之间采取并联或者串联的方式，根据所采用发电机制而定。

(2)电能存储和管理电路。对于微型发电机阵列产生的电能，进行管理调制成适配无线发射模块的电源。核心模块包括商业用整流电路、电解质电容、电源管理模块(能源“大脑”)，如图3示意及图4实物图所示。电解质电容大小根据微型发电机电量和所需要存储的电量选取。其中电源管理模块类似“大脑”的功能，负责存储在电容内的电量释放到无线发射模块的过程，要求其必须必备自动化、智能化属性。即，在间隔一定时间，电源管理模块控制电路开关打开，开启一定时长使得电容内的电量释放到无线发射模块，随后快速切断关闭电路。在电路开启的过程中，无线发射模块工作，发射无线预警信号。电源管理模块使电路关闭后，将在下一个无线发射模块工作周期重新打开电路，继续以上过程，如此周期工作。

(3)无线发射模块。本实例中无线发射采用的433MHz超高频(Sub-1G)无线传输技术，其他满足条件的无线传输手段皆适用。无线模块发射的预警信号的传播距离由电路开启一次所释放的电量决定，发射距离可通过电容存储的电量和电源管理模块调整。信号发射的间隔周期可通过电源管理模块的设定进行调整。

(4)行船终端。终端接收无线预警信号的设备可为固定装置或手持移动设备，由终端负责供电。根据需求可制作预警时的语音提醒、画面等，如图5所示，本示例中做了一个在智能手机上的动画预警演示。行船在远离安装了本发明中航线安全预警系统的岛礁(或暗礁)海域航行时，处于岛礁(或暗礁)上无线预警信号发射距离的信号圈外，手机警示app上没有报警，显示safe driving(安全航行)。当行船一旦驶入到无线预警信号发射距离的信号圈内(本示例中的设定演示为方圆1.5千米)，预警信号终端(手机警示app)便会收到警告信号，发出报警，并显示warning(危险警告)，提示船员改变航线，规避触礁风险。