基于NB-IoT的垃圾堆酵場所環境氣氛監測系統設計

湯建斌 鄔佳璐

（中國計量大學計量測試工程學院 浙江省杭州市 310018）

隨著中國經濟社會發展，垃圾的產生也隨之增加。垃圾處理中，由于焚燒發電具有占地面積小、處理速度快、環境影響小、余熱可轉化成能源等優點，已成為國內對生活垃圾減量化、無害化和資源化處理的首選技術路線[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]。根據國家統計局數據顯示，2018年，平均每天處理量近38 萬噸。2019年是我國垃圾焚燒發電項目建設最多的一年，全國約有600 個大中小型生活垃圾焚燒發電廠項目在建，按照當前趨勢預計到2020年，我國垃圾焚燒產能將達到60 萬噸/日。

影響垃圾焚燒效能的關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展階段[4]。但是還有大量的城市及農村未有效實行垃圾分類，干濕垃圾混合的現狀在垃圾焚燒廠還是客觀存在。在農村地區，尤其是經濟發達的東部沿海地區，農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干預能夠縮短垃圾堆酵反應進程。然而垃圾堆酵中由于化學反應和微生物作用，會產生諸多氣體，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生爆炸，有的氣體如H2S 有劇毒，因此垃圾堆酵場所環境氣氛數據監測，對評判垃圾堆酵階段，降低安全隱患，指導垃圾投料、入爐等均有很大的作用，所以垃圾堆酵場所環境氣氛監測系統有較大實用價值。

1 系統設計

垃圾堆酵場所產生的氣體，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。溫濕度數據往往和堆酵場所的垃圾組分、堆酵階段具有強關聯性，可以通過監測、分析溫濕度，結合理論和經驗模型，來判定堆酵階段和效果。堆酵過程會產生諸如CH4、H2S 等具有一定熱值的氣體，且相應氣體在一定濃度堆積情況下可能產生爆炸，實時監控對安全生產和熱值再利用較為重要。H2S 和NH3是工業生產過程中最廣泛存在的惡臭氣體，也是堆酵過程中產生惡臭氣體的重要成分。因此本系統選取了壓力、溫度、濕度、H2S、CH4、NH3六個參數作為監測重點。

系統分為數據采集終端和實時監控平臺兩部分，整體框圖如圖1所示：數據采集終端采用鋰電池供電，利用無線通訊實現數據交互，因此終端可以方便的被安裝在堆酵場所的指定位置。實時監控平臺采用B/S 框架搭建，終端的數據經過運營商網絡和IoT 連接服務器到達業務層的業務服務器，相應的數據經過處理后上傳至高可用性云端數據庫；用戶在任何場所通過Web 訪問系統，可以查看和下載數據，也可以下發控制參數。如圖1所示。

圖1：系統框圖

圖2：數據采集終端硬件框圖

2 硬件設計

數據采集終端硬件被安置在垃圾堆酵場所，對場所環境氣氛數據進行采集，經過簡單的預處理后，通過通訊模塊將數據上傳至云端；實時監控平臺可以根據要求，下發設置指令控制數據采集終端，如更改采樣頻率。數據采集終端硬件包括：數據采集模塊、單片機最小系統、無線通訊模塊、電源模塊，具體框圖如圖2所示。

數據采集模塊是利用相應的傳感器采集壓力、溫度、濕度、CH4、H2S 和NH3的數值，并傳遞給單片機最小系統。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體公司的Cortex-M0 內核的ARM 微控制器STM32F030RCT6，意法半導體基于ARM?Cortex?-M0 的STM32F0 系列單片機實現了32 位性能。系統采用鋰電池供電，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：傳感器技術指標

相關傳感器的相應參數指標見表1。

3 軟件設計

系統軟件包括數據采集終端軟件和實時監控平臺軟件。數據采集軟件實現環境氣氛數據的采集、緩存和預處理，適時上傳和下載數據。數據監控平臺主要由應用層、業務層、數據層、服務層等組成，實現終端數據的后臺處理和人機交互。

數據采集終端軟件實現數據采集和無線數據交互功能。上電復位后進行系統初始化，主要完成時鐘、外設配置；隨后進行NBIoT 的網絡附著，為了保證聯網的可靠性，設置了重連機制，多次聯網均失敗后報錯預警，然后進入休眠等待下次喚醒周期；聯網成功后采集相應傳感器的數據，由于部分傳感器需要預熱，即等待數值穩定，因此設置了預熱定時器；數據采集完成后進行數據上傳，為了保證通訊可靠性同樣設置了重發機制；數據上傳完畢后，系統配置好相關外設，進入低功耗休眠模式，休眠時間到后繼續重復上述系統初始化后的流程。

數據監控平臺軟件基于B/S 框架，用戶使用的是采用HTML5技術的Web 端訪問；業務層實現用戶管理、設備管理、數據管理；數據層主要實現數據緩存、數據持久化、數據事務控制等，確保數據的高效性和高可用性；服務層主要實現IoT 連接管理，這里采用阿里云IoT 連接服務器；系統部署在阿里云服務器上；數據監控平臺軟件框架如圖3所示。

4 測試結果及分析

實驗測試選擇杭州市蕭山區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，實驗采集間隔設置為2 分鐘/次，該測試采樣間隔小于實際應用，連續監測了32 天，結果表明系統功能完整、運行穩定可靠。

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

5 結語

該堆酵環境氣氛數據監測系統，可以實現對堆酵倉內的氣壓、溫度、濕度、H2S、CH4和NH3指標的全天候監測，系統運行無需人工干預，單次充電可工作6 個月。系統經過長時間的在線運行，數據采集、數據上傳、數據查看、報表展示和系統設置等維度均平穩運行。另外該系統具有采集終端安裝便捷、無需電源布線和網絡布線、運維無需人工干預等優點，相關人員可以隨時隨地通過電腦或者手機登錄數據監控平臺網站，實現數據監控、管理，相比傳統的本地化監控平臺，極大的便利了相關管理人員。

圖3：實時監控平臺軟件框架

圖4：數據相關性弦圖