基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)家樂(lè)新能源監(jiān)測(cè)方案

陳志遠(yuǎn)　張旭東　邢子正　郝曉星　曹珊珊　侯夢(mèng)琪

摘 要：“農(nóng)家樂(lè)”作為我國(guó)農(nóng)村現(xiàn)階段發(fā)展休閑農(nóng)業(yè)的一種主要形式，在農(nóng)村得到普遍推廣。該文以“農(nóng)家樂(lè)”的能源供應(yīng)-沼氣為研究對(duì)象，旨在設(shè)計(jì)一種能夠監(jiān)測(cè)沼氣工程狀態(tài)，通過(guò)語(yǔ)音播報(bào)定時(shí)提醒農(nóng)戶在特定時(shí)間執(zhí)行相應(yīng)的維護(hù)操作，并在監(jiān)測(cè)到異常狀態(tài)時(shí)，以語(yǔ)音方式和SMS（短信）的方式將專家系統(tǒng)提供的相應(yīng)對(duì)策發(fā)給用戶，指導(dǎo)用戶采取相應(yīng)措施進(jìn)行處理。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng) 農(nóng)家樂(lè) 沼氣工程 GPRS 決策樹

中圖分類號(hào)：F322 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）06（c）-0152-02

隨著現(xiàn)階段我國(guó)農(nóng)村向城市化、現(xiàn)代化、生態(tài)化的方向逐步轉(zhuǎn)型升級(jí)，“農(nóng)家樂(lè)”作為一種利用農(nóng)業(yè)自然資源和文化資源的休閑方式[1]深入到農(nóng)村經(jīng)濟(jì)、生態(tài)等各方面，而優(yōu)化農(nóng)家樂(lè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和加快低碳化進(jìn)程更是對(duì)農(nóng)村轉(zhuǎn)型升級(jí)有著積極作用。依托于農(nóng)家樂(lè)產(chǎn)業(yè)的沼氣建設(shè)是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)低碳化、綠色經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑之一。國(guó)家大力推廣農(nóng)村沼氣產(chǎn)業(yè)的原因在于：沼氣具有豐富的生產(chǎn)原料，比如畜禽糞便、生活污水等；而且環(huán)保、不會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成影響。國(guó)家每年還會(huì)進(jìn)行政府補(bǔ)貼，因此在農(nóng)村地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用[2]。該項(xiàng)目的研究對(duì)象為“農(nóng)家樂(lè)”的沼氣工程應(yīng)用，重點(diǎn)是為“農(nóng)家樂(lè)”沼氣管理維護(hù)方面提供一套集監(jiān)測(cè)、管理、決策于一體的維護(hù)支持系統(tǒng)。

1 設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)綜合運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和人工智能理論，以節(jié)能降耗、提高沼氣工程安全高效運(yùn)行性為指導(dǎo)思想，采用分層網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，分為感知網(wǎng)絡(luò)、傳輸網(wǎng)絡(luò)、控制網(wǎng)絡(luò)。各層網(wǎng)絡(luò)功能如下：感知網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)采集傳感器數(shù)據(jù)信息；傳輸網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)將采集到的信息傳輸至控制終端；控制網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)融合處理，做出決策。

1.1 感知網(wǎng)絡(luò)層

感知網(wǎng)絡(luò)層主要有主控STM32F407VET6、甲烷傳感器、溫濕度傳感器、PH傳感器以及外圍電路組成。

感知網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)采集沼氣池的主要指標(biāo)數(shù)據(jù)：甲烷濃度值、溫度值、PH值等各種數(shù)據(jù)信息；供主控MCU預(yù)判定處理，并由主控將數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送給服務(wù)器。

1.1.1 甲烷傳感器

較高靈敏度的甲烷檢測(cè)傳感器MQ-2CH4，其具有多路模擬信號(hào)輸出和多路開關(guān)信號(hào)（TTL）輸出，氣體檢測(cè)濃度范圍是300—10000ppm，測(cè)量誤差為±2℃以內(nèi)；功耗<=900mw；傳感器的內(nèi)部集成電路，使得電導(dǎo)率的變化與氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)成一種數(shù)學(xué)關(guān)系，利于數(shù)據(jù)的采集。

1.1.2 溫濕度傳感器

溫度的忽高忽低都會(huì)影響沼氣產(chǎn)氣效率，本系統(tǒng)的溫度預(yù)設(shè)值為：35℃，濕度預(yù)設(shè)值為：60%（預(yù)設(shè)值可根據(jù)地區(qū)差異更改）。如何在保證采集的溫度數(shù)值準(zhǔn)確性的前提下，減少其他信號(hào)的影響，還能穩(wěn)定傳輸？因此，本系統(tǒng)采用溫濕度傳感器——DHT11[4]，設(shè)置采集溫度數(shù)值區(qū)間[0，50]，單位：攝氏度（℃），測(cè)量誤差在4%以下；設(shè)置采集濕度數(shù)值區(qū)間[20%，95%]，測(cè)量誤差在±5%以下。

1.1.3 pH值采集傳感器

pH值同樣是影響沼氣產(chǎn)率的重要因素，據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，酸堿度范圍為6.5-7.5最適宜于沼氣的發(fā)酵。考慮到采集數(shù)據(jù)精確性、響應(yīng)速度、功耗低等實(shí)際需求，因此，本系統(tǒng)采用了pH檢測(cè)傳感器C5B1，將檢測(cè)濃度區(qū)間設(shè)置在[0.5，13.5]，其測(cè)量誤差為±0.5。

2 傳輸網(wǎng)絡(luò)層

為了滿足透?jìng)鳌⒑?jiǎn)單、穩(wěn)定的要求，傳輸網(wǎng)絡(luò)層采用的是USR-GPRS232-7S3模塊，根據(jù)該模塊的網(wǎng)絡(luò)透?jìng)髂Ｊ剑l(fā)送的數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS模塊實(shí)現(xiàn)了用戶的設(shè)備與指定的服務(wù)器互通。該模塊支持兩路socket鏈接通過(guò)串口向GPRS發(fā)送數(shù)據(jù)，將信息發(fā)送至服務(wù)器上搭建的數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)存放各傳感器采集的數(shù)據(jù)，以及到目前為止農(nóng)戶所咨詢沼氣運(yùn)行當(dāng)中遇到的常見問(wèn)題，它實(shí)際上是專家系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)。

3 控制網(wǎng)絡(luò)層

3.1 主控STM32F407VET6

以32位Cortex-M4為內(nèi)核的STM32407vet6[3]微控制處理器作為系統(tǒng)核心單元，和8位/16位設(shè)備相比，ARM Cortex-M4 32位RISC處理器的運(yùn)行功率更低、運(yùn)算速度更快，適于本系統(tǒng)的使用。

3.2 語(yǔ)音模塊

由科大訊飛的YS-XFSV2語(yǔ)音模塊進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)和提醒，該模塊集成了多種常用提示音，用于將日常維護(hù)信息和預(yù)警信息進(jìn)行語(yǔ)音輸出。

3.3 USART HMI 串口液晶屏

顯示部分用來(lái)顯示沼氣池運(yùn)行的信息，如當(dāng)前的反映溫度、pH值、甲烷濃度數(shù)值。還可以根據(jù)用戶的操作，顯示當(dāng)天時(shí)間段的沼氣池運(yùn)行指標(biāo)變化曲線。為了更直觀地區(qū)分出各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息，因此采用USART HMI串口液晶屏，該屏所有界面由上位機(jī)生成，下位機(jī)只需要通過(guò)串口指令即可完成快速配置。參數(shù)如下：（1）分辨率：480*320。（2）支持任意字庫(kù)、基本GUI指令，如：畫點(diǎn)、畫線。（3）支持多種組態(tài)控件等。不僅如此，用戶還可以根據(jù)自己的興趣，設(shè)置其他的顯示界面。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

（1）首先，單片機(jī)MCU對(duì)各個(gè)數(shù)據(jù)采集傳感器、GPRS模塊、YS-XFSV2語(yǔ)音模塊等外設(shè)進(jìn)行初始化，通過(guò)程序配置信息傳感器模塊的采樣精度，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑濾波并把相應(yīng)數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS發(fā)送給服務(wù)器。

（2）通過(guò)GPRS[4]獲取數(shù)據(jù)庫(kù)里各個(gè)信息傳感器采集的數(shù)據(jù)，并傳給控制層進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，當(dāng)數(shù)值超過(guò)設(shè)定值范圍時(shí)執(zhí)行語(yǔ)音報(bào)警指令，控制層通過(guò)語(yǔ)音模塊輸出語(yǔ)音報(bào)警指令，GPRS將報(bào)警信息以短信形式發(fā)送至手機(jī)。

（3）通過(guò)網(wǎng)站提交沼氣池維護(hù)的相應(yīng)決策信息，控制層根據(jù)GPRS的網(wǎng)絡(luò)透?jìng)髂Ｊ将@取農(nóng)戶在特定時(shí)間執(zhí)行相應(yīng)的維護(hù)操作的信息，存儲(chǔ)至本地SD卡，在特定時(shí)間讀取SD卡里的維護(hù)操作信息，通過(guò)語(yǔ)音播報(bào)和短信發(fā)送，提醒農(nóng)戶執(zhí)行相應(yīng)措施。

（4）控制層獲取報(bào)警信息后，會(huì)通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)的決策支持[5]信息，進(jìn)行決策樹匹配，然后語(yǔ)音播報(bào)和短信發(fā)送，給予農(nóng)戶相應(yīng)的處理措施建議。

5 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)體現(xiàn)于

（1）控制層將傳感器采集的沼氣狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，做出決策，指導(dǎo)農(nóng)戶。

（2）將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與休閑農(nóng)業(yè)-農(nóng)家樂(lè)相結(jié)合，顯著提高農(nóng)戶收入，改善農(nóng)村環(huán)境。

（3）運(yùn)用現(xiàn)代化技術(shù)，著重于改變我國(guó)農(nóng)村沼氣應(yīng)用中出現(xiàn)的“病池、廢池”等現(xiàn)象，增強(qiáng)農(nóng)戶的科技環(huán)保意識(shí)。

參考文獻(xiàn)

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