基于多傳感器信息融合技術(shù)的遠(yuǎn)程智能沼氣池監(jiān)控系統(tǒng)

褚倩云+陳昊+廖同慶

摘要：我國(guó)人口眾多，資源消耗巨大，能源短缺嚴(yán)重。沼氣是一種理想的新型可再生能源，具有很高的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益，合理地開(kāi)發(fā)利用沼氣能源具有極其重要的意義。但目前我國(guó)農(nóng)村沼氣利用還不是很多，沼氣池管理系統(tǒng)還存在較多問(wèn)題，比如池內(nèi)發(fā)酵效率的提高、系統(tǒng)安全性的保障等都不可忽視。本設(shè)計(jì)是能夠?yàn)槎嘤脩敉瑫r(shí)提供在線服務(wù)的沼氣池?zé)o線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，采用STM32作為主控芯片，通過(guò)多傳感器數(shù)據(jù)采集終端，對(duì)沼氣池內(nèi)甲烷濃度、溫濕度、PH值等進(jìn)行監(jiān)測(cè)；而后通過(guò)基于4G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的云技術(shù)分析現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，對(duì)沼氣池內(nèi)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以便允許授權(quán)的用戶通過(guò)多種移動(dòng)終端（如手機(jī)、PC等）掌握實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：沼氣池；多傳感器信息融合技術(shù)；遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸；云技術(shù)；智能監(jiān)控

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）10-0234-03

Abstract： Our country has a large population which results in a relatively shortage of energy and huge consumption of resources. As a renewable energy， the development of biogas energy has a broad space on the economic and ecological front so that rational development and use of biogas energy has very important significance. However， at present the use of methane is still relatively small in China countryside. In turn， there are a lot of problems in biogas management system， such as improving the efficiency in fermentation process and ensuring the system security. The system designed is based on using STM32 as the main control chip，as well as the wireless remote monitoring system of methane tank can provide real-time， online services for multiple users. People can collect and monitor the information of temperature and humidity， Methane concentration and pH-value in the monitoring environment by wireless sensor network technology. Then through the 4G wireless communication network cloud technology， it can analysis method and online data， giving a synthetical and overall evaluation of each index. Allowing authorized users through a variety of mobile terminal （such as mobile phone， PC， etc.） to master the real-time data， achieving remote monitoring.

Key words： biogas tank； multi sensor information fusion technology； remote data transmission； cloud technology； intelligent monitoring

1 概述

當(dāng)前，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)生活的不斷發(fā)展，對(duì)能源資源消耗巨大，傳統(tǒng)能源將越來(lái)越少。新能源沼氣技術(shù)不僅能解決群眾生活用能的問(wèn)題，也可以降低對(duì)傳統(tǒng)能源的依賴，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，有效改善人們的生活質(zhì)量，促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，因而在全國(guó)范圍內(nèi)得到了大力推廣[1]。為了能順利地解決眾多能源問(wèn)題、順利地使農(nóng)村地區(qū)走上可持續(xù)型發(fā)展道路，合理地開(kāi)發(fā)和利用農(nóng)村能源將具有極其重要的意義[2]。但因沼氣使用的自動(dòng)化程度和安全性不高，廣大農(nóng)戶的使用情況并不理想。比如：發(fā)酵池內(nèi)部甲烷濃度、二氧化碳濃度過(guò)高，均存在安全隱患；發(fā)酵效率易受溫度、氣體濃度和料液PH值影響，產(chǎn)氣率得不到穩(wěn)定保障；傳統(tǒng)沼氣發(fā)酵技術(shù)僅僅憑借經(jīng)驗(yàn)，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)化智能化控制，同時(shí)缺乏預(yù)警系統(tǒng)，不能將該技術(shù)的危險(xiǎn)系數(shù)降到最低。如果能對(duì)多個(gè)沼氣池內(nèi)各項(xiàng)指標(biāo)采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并及時(shí)做出決策，則可以顯著提升系統(tǒng)發(fā)酵效率、自動(dòng)化程度和系統(tǒng)安全性。因此，本文提出了采用多傳感器信息融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)沼氣池的遠(yuǎn)程智能監(jiān)控。

2 多傳感器信息融合技術(shù)基本原理

多傳感器信息融合（MSIF）是目前我國(guó)信息領(lǐng)域一項(xiàng)頗有前景的研究方向，其主要過(guò)程就是將數(shù)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)和多傳感器采集的信息數(shù)據(jù)結(jié)合，在一定的準(zhǔn)則下，通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分析綜合，達(dá)到所需要的決策和估計(jì)。它可以獲得比單個(gè)傳感器更可靠、更全面的綜合信息。避免了單個(gè)傳感器信息的不完整性，消除單個(gè)傳感器的信息盲區(qū)，有利于提高多傳感器信息處理結(jié)果的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)最終的決策[3]。多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)充分利用了多個(gè)信源，類(lèi)似于大腦對(duì)信息處理的過(guò)程，對(duì)所采集信息綜合支配和使用，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)對(duì)象的統(tǒng)一解釋[4]。該系統(tǒng)中信息之間都是相互聯(lián)系的，信息融合將多傳感器之間的冗余和互補(bǔ)信息按一定的規(guī)則進(jìn)行優(yōu)化組合，合理地配置和運(yùn)用各個(gè)傳感器所采集的信息，來(lái)達(dá)到對(duì)監(jiān)測(cè)環(huán)境的一致描述[5]。

多傳感器的融合技術(shù)經(jīng)常采用的方法有加權(quán)平均法、統(tǒng)計(jì)決策理論法、貝葉斯估計(jì)、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、證據(jù)推理法等等 [6]。

3 智能沼氣池監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 智能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)的遠(yuǎn)程智能沼氣池監(jiān)控系統(tǒng)共分為三個(gè)層次。

第一層是分布式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。由分布在沼氣池內(nèi)的甲烷傳感器（MQ-2）、二氧化碳傳感器（MG-118）、溫度傳感器、PH值傳感器等構(gòu)成的多傳感器終端組成，用于池內(nèi)各項(xiàng)指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。

第二層是云技術(shù)服務(wù)平臺(tái)。運(yùn)用多協(xié)議融合技術(shù)將數(shù)據(jù)匯聚到現(xiàn)場(chǎng)智能主機(jī)，并通過(guò)4G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)傳入云服務(wù)器平臺(tái)，完成特征級(jí)數(shù)據(jù)融合，并將分析處理后的數(shù)據(jù)提供給移動(dòng)終端的用戶或維修中心監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)云服務(wù)器與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控設(shè)備之間高速、平穩(wěn)的數(shù)據(jù)交換。

第三層是由移動(dòng)終端設(shè)備組成。提供監(jiān)測(cè)服務(wù)時(shí)，允許授權(quán)用戶通過(guò)手機(jī)、PC機(jī)等移動(dòng)終端訪問(wèn)云服務(wù)器平臺(tái)，并能將用戶或維修監(jiān)控中心的控制信號(hào)傳輸給上位機(jī)，由上位機(jī)發(fā)出指令，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。如圖1所示是智能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的普通傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由TI公司的CC2431芯片作為核心處理器，外加相應(yīng)的外圍電路，包括數(shù)據(jù)采集傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、電源管理模塊等組成，用于傳感器數(shù)據(jù)的采集和處理并構(gòu)成分布式無(wú)線多傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。多傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是整個(gè)信息數(shù)據(jù)融合的硬件基礎(chǔ)，多傳感器信息是它的操作對(duì)象，通過(guò)對(duì)信息進(jìn)行綜合優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)融合的核心操作[7]。

而作為傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的主控制器選擇了ATMEL公司基于ARM Cortex-M內(nèi)核的STM32系列嵌入式處理器STM32F103C8T6，其高性能、低成本、低功耗，是作為嵌入式芯片的一大優(yōu)勢(shì)，便于將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)匯聚到現(xiàn)場(chǎng)主機(jī)。如圖2，為無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

STM32F103C8T6作為現(xiàn)場(chǎng)主機(jī)內(nèi)部核心芯片，使用了兩個(gè)重要的串口，其中USRT接口與CC2431芯片相接，用于處理無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)匯聚到現(xiàn)場(chǎng)主機(jī)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)快速數(shù)據(jù)交互，而另一個(gè)串口與4G無(wú)線模塊相接，通過(guò)串口的AT指令使4G無(wú)線模塊與網(wǎng)絡(luò)相接，并將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器，同時(shí)接受云服務(wù)器發(fā)來(lái)的測(cè)控指令。圖3即為現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸系統(tǒng)圖。

3.3 系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

服務(wù)器軟件的設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)最重要、最核心的部分?！霸品?wù)器平臺(tái)”的搭建離不開(kāi)性能可靠的硬件設(shè)施（如數(shù)據(jù)采集終端、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)等），也離不開(kāi)相應(yīng)的服務(wù)器軟件。因此，云服務(wù)器軟件的設(shè)計(jì)需充分考慮到各種復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，用戶可以隨時(shí)訪問(wèn)云服務(wù)并進(jìn)行資源管理，而不再受地點(diǎn)或設(shè)備的限制，從而提供優(yōu)質(zhì)的用戶體驗(yàn)。與此同時(shí)，通過(guò)實(shí)時(shí)接收云服務(wù)器監(jiān)控結(jié)果，用戶能夠全面地掌控當(dāng)前云服務(wù)器的運(yùn)行狀態(tài)[8]。

針對(duì)大多數(shù)的Windows操作系統(tǒng)用戶，可采用B/S（Browser/Server，即瀏覽器/服務(wù)器）和C/S（Client/Server，即客戶端/服務(wù)器）兩種工作方式?；贛icrosoft提供的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)接口函數(shù)（如MFC的CSocket類(lèi)等），結(jié)合沼氣發(fā)酵池中各數(shù)據(jù)采集終端的分布特點(diǎn)、指令和數(shù)據(jù)的傳輸方式，采用先進(jìn)的多線程處理技術(shù)，設(shè)計(jì)出用于統(tǒng)一“監(jiān)控中心”的服務(wù)器軟件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸。集控制和管理于一體的智能監(jiān)控軟件管理系統(tǒng)如圖4所示。

以基于B/S架構(gòu)的客戶端軟件為例，應(yīng)用軟件應(yīng)基于模塊化設(shè)計(jì)，可擴(kuò)展性好，適用于各種應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)，界面友好，操作簡(jiǎn)單，易學(xué)易用，且具有“定時(shí)檢測(cè)”、“實(shí)時(shí)檢測(cè)”等多種用戶自定義功能，允許授權(quán)用戶通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，提供報(bào)表打印、數(shù)據(jù)分析等功能。對(duì)于C/S工作方式下的客戶端軟件，Android 智能手機(jī)操作系統(tǒng)具有開(kāi)放性好、功能擴(kuò)展性強(qiáng)，便于支持應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)的優(yōu)點(diǎn)[9]，則可基于安卓開(kāi)發(fā)環(huán)境中使用Java的整合型可擴(kuò)平臺(tái)Eclipsc來(lái)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端軟件的設(shè)計(jì)，做出具有良好的人機(jī)交互性的移動(dòng)終端軟件，便于用戶更加直觀清晰地了解沼氣池內(nèi)部數(shù)據(jù)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能沼氣池監(jiān)控功能。

4 結(jié)論與展望

本論文設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程智能沼氣池監(jiān)控系統(tǒng)，應(yīng)用了最新最熱、使用前景廣闊的多傳感器信息融合技術(shù)。國(guó)際上已有許多公司不斷推出智能傳感器產(chǎn)品，如美國(guó)的Honeywell公司固態(tài)電子中心（SSEC）開(kāi)發(fā)的PPT系列的精密智能壓力傳感器具有數(shù)字補(bǔ)償、組態(tài)、控制、通訊的功能，具有RS- 232C，RS485，USB串行接口或EPP并行接口，國(guó)內(nèi)也有研究機(jī)構(gòu)與企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始開(kāi)發(fā)智能化傳感器[10]。

該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以沼氣池內(nèi)環(huán)境信息采集處理為目標(biāo)，設(shè)計(jì)了三級(jí)處理系統(tǒng)。設(shè)計(jì)中采用了數(shù)據(jù)融合思想，對(duì)采集到的環(huán)境信息進(jìn)行同質(zhì)和異質(zhì)融合，去除冗余信息，減少數(shù)據(jù)通信量，避免傳感器采集沖突。采用了圖形化界面，并在本地計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)了服務(wù)器功能，通過(guò)手機(jī)端智能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)沼氣池內(nèi)環(huán)境情況。通過(guò)整個(gè)系統(tǒng)的有機(jī)運(yùn)行，提高了發(fā)酵池內(nèi)外應(yīng)急聯(lián)動(dòng)能力，提升了自動(dòng)化水平和發(fā)酵池安全性，極大地節(jié)省了人力資源，降低了系統(tǒng)能耗?？梢灶A(yù)見(jiàn)，在未來(lái)生活中的各個(gè)領(lǐng)域，環(huán)境信息的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與分析將會(huì)廣泛應(yīng)用，可依據(jù)本系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)功能的擴(kuò)充與修改，必然能夠得到十分有價(jià)值的應(yīng)用前景。

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