基于NB-IoT的垃圾堆酵場所環(huán)境氣氛監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

湯建斌 鄔佳璐

（中國計量大學(xué)計量測試工程學(xué)院 浙江省杭州市 310018）

隨著中國經(jīng)濟社會發(fā)展，垃圾的產(chǎn)生也隨之增加。垃圾處理中，由于焚燒發(fā)電具有占地面積小、處理速度快、環(huán)境影響小、余熱可轉(zhuǎn)化成能源等優(yōu)點，已成為國內(nèi)對生活垃圾減量化、無害化和資源化處理的首選技術(shù)路線[1][2]，也是如日本等垃圾處理和綜合利用較好的國家的重要垃圾處理手段[3]。根據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)顯示，2018年，平均每天處理量近38 萬噸。2019年是我國垃圾焚燒發(fā)電項目建設(shè)最多的一年，全國約有600 個大中小型生活垃圾焚燒發(fā)電廠項目在建，按照當前趨勢預(yù)計到2020年，我國垃圾焚燒產(chǎn)能將達到60 萬噸/日。

影響垃圾焚燒效能的關(guān)鍵因素是入爐垃圾的熱值，雖然我國正在大力推進垃圾分類工作，目前全國垃圾分類工作處于快速發(fā)展階段[4]。但是還有大量的城市及農(nóng)村未有效實行垃圾分類，干濕垃圾混合的現(xiàn)狀在垃圾焚燒廠還是客觀存在。在農(nóng)村地區(qū)，尤其是經(jīng)濟發(fā)達的東部沿海地區(qū)，農(nóng)村生活垃圾中易腐垃圾的組分通常在50%以上，鑒于此，浙江省首先提出了農(nóng)村生活垃圾的“二分法” 。垃圾堆酵是垃圾入爐前去除水分，提高熱值的重要方法，而微生物接種等生物反應(yīng)干預(yù)能夠縮短垃圾堆酵反應(yīng)進程。然而垃圾堆酵中由于化學(xué)反應(yīng)和微生物作用，會產(chǎn)生諸多氣體，有的氣體如H2S、NH3是惡臭氣體，有的氣體如H2S、CH4達到一定濃度可能會產(chǎn)生爆炸，有的氣體如H2S 有劇毒，因此垃圾堆酵場所環(huán)境氣氛數(shù)據(jù)監(jiān)測，對評判垃圾堆酵階段，降低安全隱患，指導(dǎo)垃圾投料、入爐等均有很大的作用，所以垃圾堆酵場所環(huán)境氣氛監(jiān)測系統(tǒng)有較大實用價值。

1 系統(tǒng)設(shè)計

垃圾堆酵場所產(chǎn)生的氣體，不能直接排放或泄露至室外，所以堆酵場所要求常年保持一定的負壓。溫濕度數(shù)據(jù)往往和堆酵場所的垃圾組分、堆酵階段具有強關(guān)聯(lián)性，可以通過監(jiān)測、分析溫濕度，結(jié)合理論和經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，來判定堆酵階段和效果。堆酵過程會產(chǎn)生諸如CH4、H2S 等具有一定熱值的氣體，且相應(yīng)氣體在一定濃度堆積情況下可能產(chǎn)生爆炸，實時監(jiān)控對安全生產(chǎn)和熱值再利用較為重要。H2S 和NH3是工業(yè)生產(chǎn)過程中最廣泛存在的惡臭氣體，也是堆酵過程中產(chǎn)生惡臭氣體的重要成分。因此本系統(tǒng)選取了壓力、溫度、濕度、H2S、CH4、NH3六個參數(shù)作為監(jiān)測重點。

系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集終端和實時監(jiān)控平臺兩部分，整體框圖如圖1所示：數(shù)據(jù)采集終端采用鋰電池供電，利用無線通訊實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，因此終端可以方便的被安裝在堆酵場所的指定位置。實時監(jiān)控平臺采用B/S 框架搭建，終端的數(shù)據(jù)經(jīng)過運營商網(wǎng)絡(luò)和IoT 連接服務(wù)器到達業(yè)務(wù)層的業(yè)務(wù)服務(wù)器，相應(yīng)的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后上傳至高可用性云端數(shù)據(jù)庫；用戶在任何場所通過Web 訪問系統(tǒng)，可以查看和下載數(shù)據(jù)，也可以下發(fā)控制參數(shù)。如圖1所示。

圖1：系統(tǒng)框圖

圖2：數(shù)據(jù)采集終端硬件框圖

2 硬件設(shè)計

數(shù)據(jù)采集終端硬件被安置在垃圾堆酵場所，對場所環(huán)境氣氛數(shù)據(jù)進行采集，經(jīng)過簡單的預(yù)處理后，通過通訊模塊將數(shù)據(jù)上傳至云端；實時監(jiān)控平臺可以根據(jù)要求，下發(fā)設(shè)置指令控制數(shù)據(jù)采集終端，如更改采樣頻率。數(shù)據(jù)采集終端硬件包括：數(shù)據(jù)采集模塊、單片機最小系統(tǒng)、無線通訊模塊、電源模塊，具體框圖如圖2所示。

數(shù)據(jù)采集模塊是利用相應(yīng)的傳感器采集壓力、溫度、濕度、CH4、H2S 和NH3的數(shù)值，并傳遞給單片機最小系統(tǒng)。無線傳輸模組型號為Quectel 的BC26，它是一款高性能、低功耗、多頻段LTE CatNB1/CatNB2*無線通信模塊。單片機選擇法意半導(dǎo)體公司的Cortex-M0 內(nèi)核的ARM 微控制器STM32F030RCT6，意法半導(dǎo)體基于ARM?Cortex?-M0 的STM32F0 系列單片機實現(xiàn)了32 位性能。系統(tǒng)采用鋰電池供電，方便采集終端安置在堆酵場所的任意位置，而不需要考慮電源布線問題。電池電源模塊包括鋰電池管理單元、鋰電池模組、升壓模組及LDO 模組等組成。

表1：傳感器技術(shù)指標

相關(guān)傳感器的相應(yīng)參數(shù)指標見表1。

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件包括數(shù)據(jù)采集終端軟件和實時監(jiān)控平臺軟件。數(shù)據(jù)采集軟件實現(xiàn)環(huán)境氣氛數(shù)據(jù)的采集、緩存和預(yù)處理，適時上傳和下載數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺主要由應(yīng)用層、業(yè)務(wù)層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層等組成，實現(xiàn)終端數(shù)據(jù)的后臺處理和人機交互。

數(shù)據(jù)采集終端軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和無線數(shù)據(jù)交互功能。上電復(fù)位后進行系統(tǒng)初始化，主要完成時鐘、外設(shè)配置；隨后進行NBIoT 的網(wǎng)絡(luò)附著，為了保證聯(lián)網(wǎng)的可靠性，設(shè)置了重連機制，多次聯(lián)網(wǎng)均失敗后報錯預(yù)警，然后進入休眠等待下次喚醒周期；聯(lián)網(wǎng)成功后采集相應(yīng)傳感器的數(shù)據(jù)，由于部分傳感器需要預(yù)熱，即等待數(shù)值穩(wěn)定，因此設(shè)置了預(yù)熱定時器；數(shù)據(jù)采集完成后進行數(shù)據(jù)上傳，為了保證通訊可靠性同樣設(shè)置了重發(fā)機制；數(shù)據(jù)上傳完畢后，系統(tǒng)配置好相關(guān)外設(shè)，進入低功耗休眠模式，休眠時間到后繼續(xù)重復(fù)上述系統(tǒng)初始化后的流程。

數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺軟件基于B/S 框架，用戶使用的是采用HTML5技術(shù)的Web 端訪問；業(yè)務(wù)層實現(xiàn)用戶管理、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)管理；數(shù)據(jù)層主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)緩存、數(shù)據(jù)持久化、數(shù)據(jù)事務(wù)控制等，確保數(shù)據(jù)的高效性和高可用性；服務(wù)層主要實現(xiàn)IoT 連接管理，這里采用阿里云IoT 連接服務(wù)器；系統(tǒng)部署在阿里云服務(wù)器上；數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺軟件框架如圖3所示。

4 測試結(jié)果及分析

實驗測試選擇杭州市蕭山區(qū)某綠色能源有限公司的堆酵倉，分別在垃圾上方不同位置安裝4 個監(jiān)測點，并在室外安裝一個參照點。每個采集點分別編號，實驗采集間隔設(shè)置為2 分鐘/次，該測試采樣間隔小于實際應(yīng)用，連續(xù)監(jiān)測了32 天，結(jié)果表明系統(tǒng)功能完整、運行穩(wěn)定可靠。

為了分析各參數(shù)之間是否具有較好的相關(guān)性，探索各參數(shù)數(shù)據(jù)和熱值、堆酵階段等之間的關(guān)系模型，就33 號終端進行了相關(guān)性分析，針對兩兩參數(shù)做了相關(guān)性弦圖如圖4所示，表明溫度、濕度、壓力和H2S 四個參數(shù)綜合相關(guān)度是比較高的，而CH4和NH3相對較低，可為數(shù)據(jù)建模提供了一定的權(quán)重依據(jù)。

5 結(jié)語

該堆酵環(huán)境氣氛數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對堆酵倉內(nèi)的氣壓、溫度、濕度、H2S、CH4和NH3指標的全天候監(jiān)測，系統(tǒng)運行無需人工干預(yù)，單次充電可工作6 個月。系統(tǒng)經(jīng)過長時間的在線運行，數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)上傳、數(shù)據(jù)查看、報表展示和系統(tǒng)設(shè)置等維度均平穩(wěn)運行。另外該系統(tǒng)具有采集終端安裝便捷、無需電源布線和網(wǎng)絡(luò)布線、運維無需人工干預(yù)等優(yōu)點，相關(guān)人員可以隨時隨地通過電腦或者手機登錄數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺網(wǎng)站，實現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)控、管理，相比傳統(tǒng)的本地化監(jiān)控平臺，極大的便利了相關(guān)管理人員。

圖3：實時監(jiān)控平臺軟件框架

圖4：數(shù)據(jù)相關(guān)性弦圖