基于小型沼氣工程的監測報警系統

陳志遠+張旭東+邢子正+侯夢琪+張夢惠

摘 要：針對農戶在沼氣日常管理中出現：以沼氣進出料不平衡、發酵料液偏酸或偏堿、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測方案。當沼氣池PH值、溫濕度等指標超出正常值，通過系統聲光報警，并用短信將反饋信息發送到用戶。本系統對加快農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；實時監測

1 概述

農村沼氣建設是推動農村可持續發展、解決農村養殖污染、實現農業低碳化的有效措施。據統計，沼氣在農村的覆蓋率已接近30%，它在給農戶帶來便利的同時，又有不少農民由于沼氣后期管理維護問題，造成沼氣池無法正常產氣[1]。為了改變以上問題，需要對沼氣發酵過程中的環境參數以及成分變化進行監測與控制，如：PH值、溫度、甲烷濃度等。本文實現的沼氣工程監測系統可對現場信息進行自動采集，無線傳輸數據，具有遠程報警功能。

2 系統總體設計

如圖1所示，系統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，建立數據的連接與傳輸。其中主控采用STM32微控制處理器作為系統核心單元，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，適于本系統的使用。信息采集模塊將監測到的數據發回處理器，處理器對接受的數據分析處理。

3 系統硬件設計

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據：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，便于數據的采集[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據。

3.1.2 溫濕度傳感器

該系統將溫度預定值設為35℃，溫度過高或過低都會影響沼氣產率。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可以測量沼氣池發酵液的濃度，其檢測濃度范圍：PH0-14，響應時間：≤5S，穩定時間：≤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。可顯示彩色反饋信息，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；異常狀態時，紅顏色的LED燈閃爍并發出聲響，以此來提示農戶，并且會將報警信息以短信的形式發送給農戶。

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，可以實現低功耗SMS、語音、數據信息的傳輸[5]。另外，該模塊尺寸小，適用于本系統的設計需求。

4 系統軟件設計

（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，對數據進行平滑濾波并設置液晶屏顯示的相應信息。（2）初始化SIM900A短信發送模塊，并在程序中設定好采集數據臨界值的區間。（3）各個信息傳感器采集數據并傳給主控MCU進行數據解算和數據分析，當數值超過設定值范圍時執行報警函數，否則正常顯示LED燈，并將數據發送到LCD屏上。（4）報警函數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測報警系統，該系統利用傳感器技術和無線傳輸技術實現沼氣工程的監測報警功能。系統能夠通過對沼氣池各種氣體濃度信息的實時監測，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.農村沼氣安全使用[J].現代農業科技，2009（11）.

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

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

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

[5]張慶力，劉姜偉，張鑫.基于SIM900A模塊的短信收發系統設計[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，保定市南市區河北農業大學，物聯網工程專業。