模塊化沼氣池?zé)o線監(jiān)測系統(tǒng)的研究

劉馨月+黃非凡+隋夢桐+霍帥+李柏丞

摘 要：文章研究了沼氣池的動態(tài)監(jiān)測與報警問題，提出了一種可以遠(yuǎn)程監(jiān)測、集中管理的沼氣池監(jiān)測方案。由STC89C52單片機(jī)和溫度及多種氣體傳感器采集沼氣池內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)，設(shè)計了一種模塊化的沼氣池?zé)o線多點動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。實現(xiàn)對沼氣池的溫度，氣體濃度進(jìn)行監(jiān)測及越限報警。同時，通過nRF24L01無線模塊連接發(fā)送模塊與接收模塊，再由MAX232口與PC機(jī)進(jìn)行通信，使管理人員隨時能方便地監(jiān)測各沼氣池節(jié)點的狀態(tài)。與傳統(tǒng)工作人員實地檢測方式相比，該監(jiān)測系統(tǒng)提高了監(jiān)測效率，節(jié)省了人力物力，為沼氣管理部門的決策提供了科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；nRF24L01無線模塊；動態(tài)監(jiān)測

中圖分類號：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）31-0030-02

引言

近年來，農(nóng)村沼氣建設(shè)收到了黨中央、國務(wù)院和各級地方黨委、政府的高度重視。沼氣的利用，有效的促進(jìn)了農(nóng)村科技進(jìn)步，引導(dǎo)農(nóng)民改變傳統(tǒng)的生活和生產(chǎn)方式，提高農(nóng)民生活質(zhì)量。沼氣技術(shù)是農(nóng)村廢棄資源化利用，發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)和農(nóng)村環(huán)境治理的紐帶。通過農(nóng)業(yè)廢棄物和生活垃圾為原料，可產(chǎn)出沼氣來提供生活和生產(chǎn)用能，沼渣和沼液可用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，實現(xiàn)種植、養(yǎng)殖和加工的良性循環(huán)，減少環(huán)境污染。沼氣是一種以甲烷和二氧化碳為主要成分的可燃性混合氣體，若管理不善，容易造成氣體蓄積，當(dāng)達(dá)到一定濃度后，若泄漏會造成人員中毒，遇明火則極易產(chǎn)生爆炸，造成傷亡事故，對人民群眾的人身和財產(chǎn)安全造成危害。目前，我國的沼氣池工程正朝著設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、自動化的方向發(fā)展。沼氣成分的測定是維持沼氣工程正常運(yùn)行、確保沼氣正常使用的重要環(huán)節(jié)。因此，建立一種高效的、網(wǎng)絡(luò)化的農(nóng)村沼氣工程監(jiān)測預(yù)警平臺，對安全利用沼氣能源，提高沼氣利用監(jiān)管效率和服務(wù)質(zhì)量，具有非常重要的現(xiàn)實意義。

1 工作原理

本系統(tǒng)通過各種傳感器采集沼氣池的環(huán)境信息，數(shù)據(jù)在STC/STM單片機(jī)處理之后以數(shù)碼管或LCD屏顯示出來。系統(tǒng)將同時允許授權(quán)的用戶，通過多種移動終端（如手機(jī)、PC等）掌握實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。單片機(jī)通過實時比對數(shù)據(jù)與設(shè)定的閾值，來決定是否采取預(yù)警措施，保障沼氣池的安全和正常工作。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，由單片機(jī)，傳感器，數(shù)據(jù)顯示模塊，無線模塊，報警電路，電平轉(zhuǎn)換模塊等組成的智能監(jiān)測與報警系統(tǒng)。系統(tǒng)總方案圖如圖1所示。

系統(tǒng)通過各種傳感器采集沼氣池的環(huán)境信息，并通過數(shù)碼管或LCD顯示出來，可以在非規(guī)定工作時間內(nèi)對沼氣池安全進(jìn)行監(jiān)控，而后通過無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)分析現(xiàn)場數(shù)據(jù)，對沼氣池內(nèi)各項指標(biāo)進(jìn)行綜合評價，以便允許授權(quán)的用戶通過多種移動終端（如手機(jī)、PC等）掌握實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，通過分析數(shù)據(jù)與設(shè)定的數(shù)值，當(dāng)測定數(shù)據(jù)超標(biāo)時，通過預(yù)警系統(tǒng)通知客戶或管理人員，保障沼氣池的安全和正常工作。

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

該模塊化沼氣池監(jiān)測系統(tǒng)以單片機(jī)為控制中心，采用溫度傳感器、CO2傳感器、甲烷濃度傳感器等對沼氣池進(jìn)行在線實時監(jiān)測，并通過顯示模塊顯示出來，對各沼氣池情況進(jìn)行監(jiān)測，通過無線通信可實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測，進(jìn)一步地通過串行通信可以在終端設(shè)備中進(jìn)行集中管理。傳感節(jié)點發(fā)送模塊包括STC單片機(jī)或STM單片機(jī)、nRF24L01無線模塊、LCD1602數(shù)據(jù)顯示模塊、DS18B20溫度傳感器、CO2傳感器、沼氣甲烷濃度傳感器等檢測模塊、聲光報警裝置、鍵盤模塊以及電源模塊。監(jiān)控接收模塊包括單片機(jī)、nRF24L01無線模塊、LCD1602數(shù)據(jù)顯示模塊、MAX232電平轉(zhuǎn)換模塊、PC機(jī)、鍵盤模塊以及電源模塊。主要器件有：單片機(jī)STC89C52、甲烷濃度傳感器MQ-2、CO2傳感器TGS4160、溫度傳感器DS18B20、無線模塊nRF24L01、數(shù)字顯示模塊LCD1602、電平轉(zhuǎn)換模塊MAX232等。

2.2 模塊設(shè)計

2.2.1 甲烷濃度檢測模塊

甲烷濃度傳感器MQ-2是基于氣體的吸收光譜隨物質(zhì)的不同而存在差異的原理制成的，將探測到甲烷氣體的濃度并轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過單片機(jī)系統(tǒng)處理后輸出，再送入顯示電路，以實現(xiàn)對甲烷氣體濃度的檢測。

2.2.2 溫度檢測模塊

溫度傳感器采用DS18B20 單線數(shù)字溫度傳感器，其具有獨(dú)特的優(yōu)點。檢測模塊主要包括DS18B20數(shù)字溫度傳感器以及上拉電阻構(gòu)成，并且連接到MCU相應(yīng)接口。

2.2.3 nRF24L01無線模塊

nRF24L01是一款新型單片射頻收發(fā)器件， 功耗低，在數(shù)據(jù)傳輸方面實現(xiàn)相對WiFi距離更遠(yuǎn)，具有自動應(yīng)答和自動再發(fā)射功能； 輸出功率頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過SPI 接口進(jìn)行設(shè)置。幾乎可以連接到各種單片機(jī)芯片，并完成無線數(shù)據(jù)傳送工作。在傳感節(jié)點接受模塊與監(jiān)測接收模塊中連接單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的快速傳輸?shù)綌?shù)據(jù)顯示模塊以及終端設(shè)備實現(xiàn)沼氣池內(nèi)溫度，甲烷及CO2濃度的遠(yuǎn)程監(jiān)測。

2.2.4 CO2濃度檢測模塊

TGS4160是一種固態(tài)電化學(xué)型CO2傳感器，該器件除具有體積小、壽命長、選擇性和穩(wěn)定性好等特性外，同時還具有耐高濕和耐低溫等特點。因而可廣泛用于自動通風(fēng)換氣系統(tǒng)或CO2氣體的長期監(jiān)測等應(yīng)用場合。利用傳感器通過高輸入阻抗、低偏置電流的運(yùn)放進(jìn)行放大，再做一些簡單的運(yùn)算處理，就可以在CO2濃度為300～5000ppm的范圍內(nèi)測得信號，該信號為0～幾百毫伏的電壓信號，可以供高精度A/D采樣使用。適合用于沼氣池的環(huán)境下進(jìn)行CO2濃度的檢測。

2.2.5 電平轉(zhuǎn)換模塊

MAX232是一種雙組驅(qū)動器/接收器，片內(nèi)含有一個電容性電壓發(fā)生器以便在單5V電源供電時提供EIA/TIA-232-E電平。具有功耗低，集成度高的特點。當(dāng)用單片機(jī)和PC機(jī)通過串口進(jìn)行通信，盡管單片機(jī)有串行通信的功能，但單片機(jī)提供的信號電平和RS232的標(biāo)準(zhǔn)不一樣，因此要通過max232這種類似的芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。使得單片機(jī)與PC機(jī)進(jìn)行通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，管理員可通過PC機(jī)監(jiān)測沼氣池內(nèi)的環(huán)境。endprint

2.2.6 液晶顯示模塊

LCD1602數(shù)據(jù)顯示器它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶模塊。它由若干個5X7或者5X11等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間有一個點距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用。具有微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧的特點。通過連接單片機(jī)的串口顯示沼氣池內(nèi)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)信息。

2.2.7 報警電路

報警電路根據(jù)設(shè)置的CO2濃度，甲烷濃度，溫度的閾值，在出現(xiàn)沼氣池相關(guān)數(shù)據(jù)超標(biāo)時，二極管和蜂鳴器導(dǎo)通，自動控制聲光報警裝置發(fā)出報警信息發(fā)出警報。

3 軟件設(shè)計

在系統(tǒng)實現(xiàn)開機(jī)操作之后，系統(tǒng)將調(diào)用模塊實時監(jiān)測沼氣環(huán)境中各項指標(biāo)的情況，如甲烷含量、CO2含量、PH值、溫度等。各項數(shù)據(jù)將在STC/STM單片機(jī)的處理下，通過LCD1602數(shù)據(jù)顯示模塊實時滾動顯示，達(dá)到時刻監(jiān)控的效果。同時，數(shù)據(jù)還將經(jīng)過無線模塊傳輸至監(jiān)控中心，系統(tǒng)將時刻將數(shù)據(jù)與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較。系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖如圖2所示。

出于安全考慮，當(dāng)工作人員遠(yuǎn)離監(jiān)控崗位時，系統(tǒng)將會調(diào)用聲光警報模塊，一旦環(huán)境中的各項指標(biāo)超過了設(shè)定的閾值，監(jiān)控系統(tǒng)將通過遠(yuǎn)程終端（PC端或APP）提醒工作人員，以便及時采取措施。通過這樣的設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)池內(nèi)問題早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)警、早處理。

4 結(jié)果分析

本系統(tǒng)以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為支撐，實時獲取沼氣池在發(fā)酵過程中池內(nèi)甲烷含量、CO2含量、PH值、溫度等指標(biāo)，并通過顯示模塊實時顯示，能夠使監(jiān)控中心的工作人員實時獲取數(shù)據(jù)，保證沼氣池發(fā)酵安全。

同時，系統(tǒng)的監(jiān)測預(yù)警模塊也會實時分析數(shù)據(jù)，在指標(biāo)臨近閾值時發(fā)出提醒，達(dá)到閾值時發(fā)出警報，及時告知工作人員。這樣保證了即使遠(yuǎn)離工作崗位，也能及時采取措施。

5 結(jié)束語

文章所設(shè)計的沼氣池環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，是為了適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展而提出的方案。該系統(tǒng)可實現(xiàn)實時顯示、實時預(yù)警的功能，具有安全、穩(wěn)定、實用性強(qiáng)、可預(yù)警、可遠(yuǎn)程交互等優(yōu)點，對于當(dāng)代新型農(nóng)業(yè)發(fā)展以及清潔能源建設(shè)有所幫助，在監(jiān)測的同時也保障了安全。

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