陳正濤+鄭爭(zhēng)兵

摘要:為實(shí)現(xiàn)農(nóng)村沼氣能源的安全使用和有效管理,根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)村沼氣監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用傳感層、傳輸層和應(yīng)用層的分層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳感層的沼氣環(huán)境參數(shù)采集,利用GPRS技術(shù)完成傳輸層的沼氣環(huán)境參數(shù)無線傳輸,通過應(yīng)用層的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中心軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和操作。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模農(nóng)村沼氣監(jiān)測(cè)的信息化和網(wǎng)絡(luò)化提供了技術(shù)支撐,具有廣闊的應(yīng)用價(jià)值和推廣前景。

關(guān)鍵詞:物聯(lián)網(wǎng);監(jiān)測(cè)預(yù)警;ZigBee技術(shù);無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào):TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):0439-8114(2014)10-2424-03

Designing the Monitoring and Warning System of Rural Marsh Gas Based on

Internet of Things

CHEN Zheng-tao,ZHENG Zheng-bing

(School of Physics and Telecommunication Engineering,Shaanxi University of Technology,Hanzhong 723000,Shaanxi,China)

Abstract:According to the structure of the internet of things,the monitoring and warning system of rural marsh gas based on Internet of things was proposed for the safely using of rural biogas energy and effective management. The hierarchical network architecture of the system was designed with the sensing layer, transport layer and application layer. The wireless sensor network technology was used to realize marsh gas environmental parameter acquisition in the sensing layer. The GPRS technology was used to complete the wireless transmission of the marsh gas environmental parameter in the transport layer. The data monitoring center software in the application layer realized remote monitoring and operation of the system. The development of this system will provide technical support to realize the information and network monitoring of large-scale marsh gas in rural areas,and has wide application and prospects of promotion.

Key words:internet of things; monitoring and warning; ZigBee technique; wireless sensor network

基金項(xiàng)目:陜西省教育廳科研計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013JK1059)

沼氣作為一種新型的清潔能源,在我國(guó)新農(nóng)村建設(shè)中得到了快速推廣和應(yīng)用,并取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和區(qū)域環(huán)境效益。隨著農(nóng)村用戶對(duì)沼氣需求的快速增長(zhǎng),沼氣工程實(shí)施規(guī)模也隨之增大,沼氣的產(chǎn)氣效能和安全使用管理將成為非常突出的問題[1,2]。用戶管理不善和技術(shù)操作失誤可能導(dǎo)致沼氣池產(chǎn)氣率較低。此外,沼氣池的長(zhǎng)期使用可能導(dǎo)致沼氣池及輸氣管道出現(xiàn)漏氣。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(huì)造成人員中毒,遇明火則極易產(chǎn)生爆炸,造成傷亡事故,對(duì)人民群眾的人身和財(cái)產(chǎn)安全造成危害。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(cè)預(yù)警平臺(tái),對(duì)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(shí)意義。

物聯(lián)網(wǎng)(Internet of things)是一種新興的信息技術(shù),是在通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上,通過各種信息傳感器設(shè)備,如射頻識(shí)別裝置、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等裝置把物品和物聯(lián)網(wǎng)連接起來,進(jìn)行信息交換和通訊,以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)測(cè)和管理的一種網(wǎng)絡(luò),可以實(shí)現(xiàn)物與物、人與物之間的信息交互和通信[3]。隨著監(jiān)測(cè)技術(shù)朝著智能化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展,應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以有效地推進(jìn)農(nóng)村沼氣工程監(jiān)測(cè)信息化的進(jìn)程。目前,農(nóng)村沼氣工程數(shù)量大,位置分布廣泛,主要以人工管理方式為主,需要耗費(fèi)巨大的人力、物力,而且對(duì)于輸氣管道漏氣造成的爆炸等安全問題不能進(jìn)行有效地監(jiān)控。為了解決這些問題,本研究設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)村沼氣監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng),該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)智能化、網(wǎng)絡(luò)化的沼氣現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)采集和預(yù)警監(jiān)測(cè),為物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)村方面的應(yīng)用提供參考。

1系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

根據(jù)農(nóng)村沼氣工程監(jiān)測(cè)分析結(jié)果和結(jié)構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)特征,農(nóng)村沼氣工程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖1所示。該系統(tǒng)分為傳感層、傳輸層和應(yīng)用層。傳感層主要完成不同區(qū)域的多點(diǎn)沼氣工程環(huán)境參數(shù)的采集,因此,利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行全面覆蓋,實(shí)現(xiàn)傳感數(shù)據(jù)的獲取和傳輸。單個(gè)監(jiān)測(cè)子區(qū)域的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由終端節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組成,利用網(wǎng)絡(luò)自組織特性,所有終端節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)通過路由節(jié)點(diǎn)最終匯聚到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。傳輸層主要利用GPRS網(wǎng)絡(luò)將對(duì)不同監(jiān)測(cè)子區(qū)域傳輸來的數(shù)據(jù)信息安全可靠地傳輸?shù)綌?shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中心。由于GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不兼容,通過無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)搭建傳感層與傳輸層的通信橋梁,負(fù)責(zé)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的控制和維護(hù),完成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息的融合處理,實(shí)現(xiàn)兩種通訊協(xié)議的轉(zhuǎn)換。應(yīng)用層主要由數(shù)據(jù)服務(wù)器、監(jiān)測(cè)終端構(gòu)成數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中心。用戶可以將監(jiān)測(cè)終端接入Internet網(wǎng),在任何時(shí)候、任何地點(diǎn)監(jiān)測(cè)所采集的現(xiàn)場(chǎng)信息,對(duì)沼氣池的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤和分析,實(shí)現(xiàn)沼氣池的安全管理要求。

2系統(tǒng)的分層設(shè)計(jì)

2.1傳感層的設(shè)計(jì)

由于無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)的區(qū)域范圍廣,傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量小,節(jié)點(diǎn)數(shù)量大并且耗能低,因此采用ZigBee無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。ZigBee是基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的完整協(xié)議體系,支持星型、樹狀型、網(wǎng)狀型和混合型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[4,5]。系統(tǒng)采用混合型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),利用路由算法選擇合理路徑,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可靠傳輸。系統(tǒng)主要包括協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)建立和維護(hù)網(wǎng)絡(luò),為路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)分配惟一的16位網(wǎng)絡(luò)地址,實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間的通信,路由器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)接,終端節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)傳感數(shù)據(jù)的采集和預(yù)處理。所有節(jié)點(diǎn)的硬件核心是微處理器和無線收發(fā)模塊,且路由器和協(xié)調(diào)器不需要傳感器模塊,因此,為了控制成本,提供硬件的通用性,選擇TI公司的ZigBee芯片CC2530F256構(gòu)建硬件平臺(tái)。CC2530F256芯片是一種支持 IEEE 802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的片上系統(tǒng),集成高性能8051微控制器內(nèi)核和高性能2.4 GHz射頻收發(fā)模塊,擁有8 Kb的 RAM和256 Kb flash程序存儲(chǔ)器,支持Z-Stack2007協(xié)議棧,提供3種電源管理模式,具有超低功耗的特點(diǎn)。

根據(jù)農(nóng)村沼氣工程的實(shí)際情況,單個(gè)沼氣池內(nèi)環(huán)境、周圍環(huán)境和沼氣管道環(huán)境需要監(jiān)測(cè)的參數(shù)主要有沼液溫度、沼氣液位、沼氣壓力、沼氣濃度。因此,以CC2530F256芯片為控制核心構(gòu)建終端節(jié)點(diǎn)的硬件平臺(tái)如圖2所示。終端節(jié)點(diǎn)通過溫度傳感器、液位傳感器、壓力傳感器和濃度傳感器獲取沼氣監(jiān)測(cè)參數(shù),經(jīng)過適當(dāng)數(shù)據(jù)處理后,按照節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)通信協(xié)議將其傳輸給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。串口電路主要實(shí)現(xiàn)硬件接口擴(kuò)展和完成程序調(diào)試;復(fù)位電路用來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)死機(jī)或程序跑飛等意外情況的系統(tǒng)恢復(fù);電源模塊負(fù)責(zé)整個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量供應(yīng)。由于硬件功耗低且監(jiān)測(cè)環(huán)境不易供電,電源模塊主要采用3.7 V鋰電池通過微功耗電源管理芯片HT7533輸出3.3 V供電電壓。

2.2傳輸層的設(shè)計(jì)

傳輸層主要是利用GPRS移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中心。在支持TCP/IP協(xié)議的情況下,該網(wǎng)絡(luò)可以接入到Internet網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)大通信的范圍,方便遠(yuǎn)程控制[6,7]。為了實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與GPRS移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)之間的通信,可以將網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)成無線網(wǎng)關(guān),其硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。無線網(wǎng)關(guān)利用CC2530通信模塊負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的控制和維護(hù),完成信息的融合處置[8],實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)與GPRS網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議的轉(zhuǎn)換,利用GPRS傳輸模塊接入到GPRS移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中。

本系統(tǒng)的GPRS傳輸模塊選用SIMCOM公司的SIM900模塊,該模塊支持TCP/IP協(xié)議,采用符合RS-232標(biāo)準(zhǔn)的串行通信接口與外部電路進(jìn)行通信,因此,CC2530通信模塊通過串口電路利用AT控制指令實(shí)現(xiàn)與SIM900模塊的通信。此外,電源模塊采用鋰電池對(duì)整個(gè)硬件進(jìn)行供電,由于SIM900模塊要求供電電壓為3.4~4.5 V,且供電電流峰值要求達(dá)到2 A,在電源設(shè)計(jì)中采用大電流專用低壓差線性穩(wěn)壓器芯片MIC29302,其輸出最大電流值達(dá)3 A,可以滿足SIM900模塊供電需要。

2.3應(yīng)用層的設(shè)計(jì)

應(yīng)用層的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中心主要包括數(shù)據(jù)服務(wù)器和監(jiān)測(cè)終端兩個(gè)部分。系統(tǒng)主要基于C/S(Client/Server)結(jié)構(gòu)和B/S(Browser/Server)結(jié)構(gòu)混合模式開發(fā)客戶監(jiān)測(cè)終端。在數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中心的監(jiān)測(cè)終端利用C/S結(jié)構(gòu)開發(fā)基于PC機(jī)的監(jiān)測(cè)中心軟件。該中心軟件主要有用戶權(quán)限管理、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)管理和監(jiān)測(cè)控制功能等模塊。其中,數(shù)據(jù)管理模塊可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、顯示、查詢和自動(dòng)預(yù)警功能。用戶可以在數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中心查詢數(shù)據(jù),但不能隨時(shí)隨地查看數(shù)據(jù)。利用B/S結(jié)構(gòu),即瀏覽器和服務(wù)器結(jié)構(gòu),用戶通過開啟上網(wǎng)功能的智能手機(jī)瀏覽 WEB 界面隨時(shí)查看數(shù)據(jù)。在該模式下,監(jiān)測(cè)終端(即智能手機(jī))不需要開發(fā)客戶端應(yīng)用程序,其缺點(diǎn)是服務(wù)器負(fù)擔(dān)較重。應(yīng)用混合模式可以較好地滿足用戶對(duì)沼氣工程的監(jiān)測(cè)。

3系統(tǒng)的測(cè)試

傳感層構(gòu)建的無線傳感器通信可靠是實(shí)現(xiàn)沼氣工程監(jiān)測(cè)預(yù)警的關(guān)鍵部分。其中,兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的通信距離是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)重要參數(shù),它影響著在放置各節(jié)點(diǎn)時(shí)的最大通信距離依據(jù)傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。本系統(tǒng)在0 dBm的發(fā)送功率下分別在空曠地,隔一面封閉墻、隔兩面封閉墻的情況下測(cè)試節(jié)點(diǎn)間的信號(hào)強(qiáng)度和誤包率。測(cè)試結(jié)果如表1所示。由表1可知,ZigBee收發(fā)節(jié)點(diǎn)在0 dBm的發(fā)送功率、收發(fā)次數(shù)1 000次數(shù)和每個(gè)數(shù)據(jù)包字節(jié)數(shù)為10的情況下,因?yàn)榄h(huán)境和間隔距離的不同,通信質(zhì)量存在很大差別。從表1中可以看出,系統(tǒng)可以在1 000 m范圍內(nèi)比較復(fù)雜的地形進(jìn)行應(yīng)用,而且可以通過一定的協(xié)議簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)的傳輸量,可以降低誤包率。

本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)村沼氣監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng),該系統(tǒng)利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和GPRS技術(shù)實(shí)現(xiàn)沼氣工程的智能監(jiān)測(cè)預(yù)警功能,通過改變傳感器的類型可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)功能全面升級(jí)。該系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模農(nóng)村沼氣監(jiān)測(cè)的信息化和網(wǎng)絡(luò)化提供了技術(shù)支撐,具有廣闊的應(yīng)用價(jià)值和推廣前景。

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根據(jù)農(nóng)村沼氣工程的實(shí)際情況,單個(gè)沼氣池內(nèi)環(huán)境、周圍環(huán)境和沼氣管道環(huán)境需要監(jiān)測(cè)的參數(shù)主要有沼液溫度、沼氣液位、沼氣壓力、沼氣濃度。因此,以CC2530F256芯片為控制核心構(gòu)建終端節(jié)點(diǎn)的硬件平臺(tái)如圖2所示。終端節(jié)點(diǎn)通過溫度傳感器、液位傳感器、壓力傳感器和濃度傳感器獲取沼氣監(jiān)測(cè)參數(shù),經(jīng)過適當(dāng)數(shù)據(jù)處理后,按照節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)通信協(xié)議將其傳輸給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。串口電路主要實(shí)現(xiàn)硬件接口擴(kuò)展和完成程序調(diào)試;復(fù)位電路用來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)死機(jī)或程序跑飛等意外情況的系統(tǒng)恢復(fù);電源模塊負(fù)責(zé)整個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量供應(yīng)。由于硬件功耗低且監(jiān)測(cè)環(huán)境不易供電,電源模塊主要采用3.7 V鋰電池通過微功耗電源管理芯片HT7533輸出3.3 V供電電壓。

2.2傳輸層的設(shè)計(jì)

傳輸層主要是利用GPRS移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中心。在支持TCP/IP協(xié)議的情況下,該網(wǎng)絡(luò)可以接入到Internet網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)大通信的范圍,方便遠(yuǎn)程控制[6,7]。為了實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與GPRS移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)之間的通信,可以將網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)成無線網(wǎng)關(guān),其硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。無線網(wǎng)關(guān)利用CC2530通信模塊負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的控制和維護(hù),完成信息的融合處置[8],實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)與GPRS網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議的轉(zhuǎn)換,利用GPRS傳輸模塊接入到GPRS移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中。

本系統(tǒng)的GPRS傳輸模塊選用SIMCOM公司的SIM900模塊,該模塊支持TCP/IP協(xié)議,采用符合RS-232標(biāo)準(zhǔn)的串行通信接口與外部電路進(jìn)行通信,因此,CC2530通信模塊通過串口電路利用AT控制指令實(shí)現(xiàn)與SIM900模塊的通信。此外,電源模塊采用鋰電池對(duì)整個(gè)硬件進(jìn)行供電,由于SIM900模塊要求供電電壓為3.4~4.5 V,且供電電流峰值要求達(dá)到2 A,在電源設(shè)計(jì)中采用大電流專用低壓差線性穩(wěn)壓器芯片MIC29302,其輸出最大電流值達(dá)3 A,可以滿足SIM900模塊供電需要。

2.3應(yīng)用層的設(shè)計(jì)

應(yīng)用層的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中心主要包括數(shù)據(jù)服務(wù)器和監(jiān)測(cè)終端兩個(gè)部分。系統(tǒng)主要基于C/S(Client/Server)結(jié)構(gòu)和B/S(Browser/Server)結(jié)構(gòu)混合模式開發(fā)客戶監(jiān)測(cè)終端。在數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中心的監(jiān)測(cè)終端利用C/S結(jié)構(gòu)開發(fā)基于PC機(jī)的監(jiān)測(cè)中心軟件。該中心軟件主要有用戶權(quán)限管理、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)管理和監(jiān)測(cè)控制功能等模塊。其中,數(shù)據(jù)管理模塊可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、顯示、查詢和自動(dòng)預(yù)警功能。用戶可以在數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中心查詢數(shù)據(jù),但不能隨時(shí)隨地查看數(shù)據(jù)。利用B/S結(jié)構(gòu),即瀏覽器和服務(wù)器結(jié)構(gòu),用戶通過開啟上網(wǎng)功能的智能手機(jī)瀏覽 WEB 界面隨時(shí)查看數(shù)據(jù)。在該模式下,監(jiān)測(cè)終端(即智能手機(jī))不需要開發(fā)客戶端應(yīng)用程序,其缺點(diǎn)是服務(wù)器負(fù)擔(dān)較重。應(yīng)用混合模式可以較好地滿足用戶對(duì)沼氣工程的監(jiān)測(cè)。

3系統(tǒng)的測(cè)試

傳感層構(gòu)建的無線傳感器通信可靠是實(shí)現(xiàn)沼氣工程監(jiān)測(cè)預(yù)警的關(guān)鍵部分。其中,兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的通信距離是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)重要參數(shù),它影響著在放置各節(jié)點(diǎn)時(shí)的最大通信距離依據(jù)傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。本系統(tǒng)在0 dBm的發(fā)送功率下分別在空曠地,隔一面封閉墻、隔兩面封閉墻的情況下測(cè)試節(jié)點(diǎn)間的信號(hào)強(qiáng)度和誤包率。測(cè)試結(jié)果如表1所示。由表1可知,ZigBee收發(fā)節(jié)點(diǎn)在0 dBm的發(fā)送功率、收發(fā)次數(shù)1 000次數(shù)和每個(gè)數(shù)據(jù)包字節(jié)數(shù)為10的情況下,因?yàn)榄h(huán)境和間隔距離的不同,通信質(zhì)量存在很大差別。從表1中可以看出,系統(tǒng)可以在1 000 m范圍內(nèi)比較復(fù)雜的地形進(jìn)行應(yīng)用,而且可以通過一定的協(xié)議簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)的傳輸量,可以降低誤包率。

本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)村沼氣監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng),該系統(tǒng)利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和GPRS技術(shù)實(shí)現(xiàn)沼氣工程的智能監(jiān)測(cè)預(yù)警功能,通過改變傳感器的類型可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)功能全面升級(jí)。該系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模農(nóng)村沼氣監(jiān)測(cè)的信息化和網(wǎng)絡(luò)化提供了技術(shù)支撐,具有廣闊的應(yīng)用價(jià)值和推廣前景。

參考文獻(xiàn):

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根據(jù)農(nóng)村沼氣工程的實(shí)際情況,單個(gè)沼氣池內(nèi)環(huán)境、周圍環(huán)境和沼氣管道環(huán)境需要監(jiān)測(cè)的參數(shù)主要有沼液溫度、沼氣液位、沼氣壓力、沼氣濃度。因此,以CC2530F256芯片為控制核心構(gòu)建終端節(jié)點(diǎn)的硬件平臺(tái)如圖2所示。終端節(jié)點(diǎn)通過溫度傳感器、液位傳感器、壓力傳感器和濃度傳感器獲取沼氣監(jiān)測(cè)參數(shù),經(jīng)過適當(dāng)數(shù)據(jù)處理后,按照節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)通信協(xié)議將其傳輸給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。串口電路主要實(shí)現(xiàn)硬件接口擴(kuò)展和完成程序調(diào)試;復(fù)位電路用來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)死機(jī)或程序跑飛等意外情況的系統(tǒng)恢復(fù);電源模塊負(fù)責(zé)整個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量供應(yīng)。由于硬件功耗低且監(jiān)測(cè)環(huán)境不易供電,電源模塊主要采用3.7 V鋰電池通過微功耗電源管理芯片HT7533輸出3.3 V供電電壓。

2.2傳輸層的設(shè)計(jì)

傳輸層主要是利用GPRS移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中心。在支持TCP/IP協(xié)議的情況下,該網(wǎng)絡(luò)可以接入到Internet網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)大通信的范圍,方便遠(yuǎn)程控制[6,7]。為了實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與GPRS移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)之間的通信,可以將網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)成無線網(wǎng)關(guān),其硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。無線網(wǎng)關(guān)利用CC2530通信模塊負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的控制和維護(hù),完成信息的融合處置[8],實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)與GPRS網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議的轉(zhuǎn)換,利用GPRS傳輸模塊接入到GPRS移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中。

本系統(tǒng)的GPRS傳輸模塊選用SIMCOM公司的SIM900模塊,該模塊支持TCP/IP協(xié)議,采用符合RS-232標(biāo)準(zhǔn)的串行通信接口與外部電路進(jìn)行通信,因此,CC2530通信模塊通過串口電路利用AT控制指令實(shí)現(xiàn)與SIM900模塊的通信。此外,電源模塊采用鋰電池對(duì)整個(gè)硬件進(jìn)行供電,由于SIM900模塊要求供電電壓為3.4~4.5 V,且供電電流峰值要求達(dá)到2 A,在電源設(shè)計(jì)中采用大電流專用低壓差線性穩(wěn)壓器芯片MIC29302,其輸出最大電流值達(dá)3 A,可以滿足SIM900模塊供電需要。

2.3應(yīng)用層的設(shè)計(jì)

應(yīng)用層的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中心主要包括數(shù)據(jù)服務(wù)器和監(jiān)測(cè)終端兩個(gè)部分。系統(tǒng)主要基于C/S(Client/Server)結(jié)構(gòu)和B/S(Browser/Server)結(jié)構(gòu)混合模式開發(fā)客戶監(jiān)測(cè)終端。在數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中心的監(jiān)測(cè)終端利用C/S結(jié)構(gòu)開發(fā)基于PC機(jī)的監(jiān)測(cè)中心軟件。該中心軟件主要有用戶權(quán)限管理、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)管理和監(jiān)測(cè)控制功能等模塊。其中,數(shù)據(jù)管理模塊可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、顯示、查詢和自動(dòng)預(yù)警功能。用戶可以在數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中心查詢數(shù)據(jù),但不能隨時(shí)隨地查看數(shù)據(jù)。利用B/S結(jié)構(gòu),即瀏覽器和服務(wù)器結(jié)構(gòu),用戶通過開啟上網(wǎng)功能的智能手機(jī)瀏覽 WEB 界面隨時(shí)查看數(shù)據(jù)。在該模式下,監(jiān)測(cè)終端(即智能手機(jī))不需要開發(fā)客戶端應(yīng)用程序,其缺點(diǎn)是服務(wù)器負(fù)擔(dān)較重。應(yīng)用混合模式可以較好地滿足用戶對(duì)沼氣工程的監(jiān)測(cè)。

3系統(tǒng)的測(cè)試

傳感層構(gòu)建的無線傳感器通信可靠是實(shí)現(xiàn)沼氣工程監(jiān)測(cè)預(yù)警的關(guān)鍵部分。其中,兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的通信距離是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)重要參數(shù),它影響著在放置各節(jié)點(diǎn)時(shí)的最大通信距離依據(jù)傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。本系統(tǒng)在0 dBm的發(fā)送功率下分別在空曠地,隔一面封閉墻、隔兩面封閉墻的情況下測(cè)試節(jié)點(diǎn)間的信號(hào)強(qiáng)度和誤包率。測(cè)試結(jié)果如表1所示。由表1可知,ZigBee收發(fā)節(jié)點(diǎn)在0 dBm的發(fā)送功率、收發(fā)次數(shù)1 000次數(shù)和每個(gè)數(shù)據(jù)包字節(jié)數(shù)為10的情況下,因?yàn)榄h(huán)境和間隔距離的不同,通信質(zhì)量存在很大差別。從表1中可以看出,系統(tǒng)可以在1 000 m范圍內(nèi)比較復(fù)雜的地形進(jìn)行應(yīng)用,而且可以通過一定的協(xié)議簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)的傳輸量,可以降低誤包率。

本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)村沼氣監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng),該系統(tǒng)利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和GPRS技術(shù)實(shí)現(xiàn)沼氣工程的智能監(jiān)測(cè)預(yù)警功能,通過改變傳感器的類型可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)功能全面升級(jí)。該系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模農(nóng)村沼氣監(jiān)測(cè)的信息化和網(wǎng)絡(luò)化提供了技術(shù)支撐,具有廣闊的應(yīng)用價(jià)值和推廣前景。

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