陳志遠+張旭東+邢子正+侯夢琪+張夢惠

摘 要：針對農(nóng)戶在沼氣日常管理中出現(xiàn)：以沼氣進出料不平衡、發(fā)酵料液偏酸或偏堿、溫濕度過低或偏高，導致沼氣無法正常產(chǎn)氣的情況。提出了以基于PH值傳感器、DHT11溫濕度傳感器以及GSM無線傳輸模塊為核心的高效實施監(jiān)測方案。當沼氣池PH值、溫濕度等指標超出正常值，通過系統(tǒng)聲光報警，并用短信將反饋信息發(fā)送到用戶。本系統(tǒng)對加快農(nóng)村沼氣建設步伐具有重要性意義。

關鍵詞：沼氣工程；溫濕度傳感器；PH值傳感器；實時監(jiān)測

1 概述

農(nóng)村沼氣建設是推動農(nóng)村可持續(xù)發(fā)展、解決農(nóng)村養(yǎng)殖污染、實現(xiàn)農(nóng)業(yè)低碳化的有效措施。據(jù)統(tǒng)計，沼氣在農(nóng)村的覆蓋率已接近30%，它在給農(nóng)戶帶來便利的同時，又有不少農(nóng)民由于沼氣后期管理維護問題，造成沼氣池無法正常產(chǎn)氣[1]。為了改變以上問題，需要對沼氣發(fā)酵過程中的環(huán)境參數(shù)以及成分變化進行監(jiān)測與控制，如：PH值、溫度、甲烷濃度等。本文實現(xiàn)的沼氣工程監(jiān)測系統(tǒng)可對現(xiàn)場信息進行自動采集，無線傳輸數(shù)據(jù)，具有遠程報警功能。

2 系統(tǒng)總體設計

如圖1所示，系統(tǒng)主要由信息采集模塊、報警模塊、無線傳輸模塊構成。各模塊分別通過主控STM32微處理器的I/O口連接，建立數(shù)據(jù)的連接與傳輸。其中主控采用STM32微控制處理器作為系統(tǒng)核心單元，該處理器以32位Cortex-M4為內核，內部集成了一流的外設接口資源，如TFT液晶顯示屏接口、DMA顯示器接口。和8位STC89C52微控制處理器相比，ARM Cortex-M4 32位RISC處理器具有更高的代碼執(zhí)行效率[2]。它集合了性能高，低功耗，處理速度快、集成度高等特點，適于本系統(tǒng)的使用。信息采集模塊將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)發(fā)回處理器，處理器對接受的數(shù)據(jù)分析處理。

3 系統(tǒng)硬件設計

3.1 信息采集模塊

該模塊主要有甲烷傳感器、溫濕度傳感器、PH傳感器以及外圍電路組成，實時采集沼氣池的主要指標數(shù)據(jù)：甲烷濃度值、溫度值、PH值，供主控MCU處理。

3.1.1 甲烷傳感器

甲烷檢測傳感器MQ-2CH4具有多路模擬信號輸出和多路開關信號（TTL）輸出；當傳感器所測量的沼氣池中存在甲烷、丙烷、丁烷等氣體時，其電導率會隨著空氣中相應氣體濃度的增加而增大，通過將電導率變化線性的轉換為氣體濃度的電輸出信號，使模擬量輸出電壓增大或減小，便于數(shù)據(jù)的采集[3]。當相應的氣體濃度大于臨界預定濃度時，啟動報警模塊，否則，正常顯示相應的采集數(shù)據(jù)。

3.1.2 溫濕度傳感器

該系統(tǒng)將溫度預定值設為35℃，溫度過高或過低都會影響沼氣產(chǎn)率。因此，采用一款較高靈敏度的溫濕度傳感器DHT11[4]，它包含了NTC測溫元件和電阻式感濕元件，其工作電壓為3.3V-5V，其濕度測量范圍為20%-95%，測量誤差在±5%以內，溫度測量范圍為0℃-50℃，測量誤差為±2℃以內。該裝置具有極高的可靠性、抗干擾能力強、成本低超長的信號傳輸距離等特點，滿足本系統(tǒng)的使用要求。

3.1.3 PH值采集傳感器

酸堿度為PH=6.5-7.5最適宜于沼氣的發(fā)酵，本裝置將PH預定值設為7.1，誤差為±0.5。PH檢測傳感器C5B1可以測量沼氣池發(fā)酵液的濃度，其檢測濃度范圍：PH0-14，響應時間：≤5S，穩(wěn)定時間：≤60S，元件功耗：≤0.5W。

3.2 LCD顯示模塊

LCD顯示模塊采用的是3.5寸電容式可觸摸液晶屏，分辨率高，單片機可直接驅動?？娠@示彩色反饋信息，操作簡單且實用。

3.3 報警模塊

警報模塊由聲光模塊、短信發(fā)送模塊組成。在沼氣運行正常的情況下，綠顏色的LED燈常亮；異常狀態(tài)時，紅顏色的LED燈閃爍并發(fā)出聲響，以此來提示農(nóng)戶，并且會將報警信息以短信的形式發(fā)送給農(nóng)戶。

3.4 無線傳輸模塊

無線傳輸模塊采用的是SIM900A，該模塊采用工業(yè)標準接口，通過特定的AT指令控制，工作頻率為GSM/GPRS 850/900/1800MHz，可以實現(xiàn)低功耗SMS、語音、數(shù)據(jù)信息的傳輸[5]。另外，該模塊尺寸小，適用于本系統(tǒng)的設計需求。

4 系統(tǒng)軟件設計

（1）首先通過單片機STM32對各個信息采集傳感器進行初始化，通過程序配置信息傳感器模塊的采樣精度，對數(shù)據(jù)進行平滑濾波并設置液晶屏顯示的相應信息。（2）初始化SIM900A短信發(fā)送模塊，并在程序中設定好采集數(shù)據(jù)臨界值的區(qū)間。（3）各個信息傳感器采集數(shù)據(jù)并傳給主控MCU進行數(shù)據(jù)解算和數(shù)據(jù)分析，當數(shù)值超過設定值范圍時執(zhí)行報警函數(shù)，否則正常顯示LED燈，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到LCD屏上。（4）報警函數(shù)則判斷是否收到預警標志，收到則進行聲光報警，LED燈閃爍并進行語音報警輸出，并以短信的方式將異常信息發(fā)送給用戶。

軟件流程圖如圖2所示。

5 結束語

本文設計了一種基于小型沼氣工程的監(jiān)測報警系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用傳感器技術和無線傳輸技術實現(xiàn)沼氣工程的監(jiān)測報警功能。系統(tǒng)能夠通過對沼氣池各種氣體濃度信息的實時監(jiān)測，進行提前預警，使用戶盡快采取措施，從而最大限度的減少用戶的損失。此系統(tǒng)簡單易操作，推廣性高，裝置維護要求低，具有良好的應用前景。

參考文獻

[1]李瓊，李展彬，曾遠洋.農(nóng)村沼氣安全使用[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2009（11）.

[2]曾浩，張祺，鄭斯凱.基于STM32F407的圖像遠程采集終端[J].工業(yè)控制計算機，2014（11）.

[3]李凱華，于龍宇，李建寧.室內甲醛實時監(jiān)測凈化系統(tǒng)[J].中國新技術新產(chǎn)品，2016（02）.

[4]李德路，侯文寶.基于DHT11室內溫/濕度監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].智能建筑與城市信息，2013（13）.

[5]張慶力，劉姜偉，張鑫.基于SIM900A模塊的短信收發(fā)系統(tǒng)設計[J].電子世界，2016（04）.

作者簡介：陳志遠（1994，03-），男，河北省保定市人，本科生，保定市南市區(qū)河北農(nóng)業(yè)大學，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)。