太陽能沼氣池遠程測控系統研究

李 莉

(南通農業職業技術學院 機電系，江蘇 南通 226007)

中國北方冬季氣溫普遍偏低，農村戶用沼氣池根本無法正常工作, 冬季幾乎不產氣。為了解決冬季產氣率低的問題，可通過多種方法來實現，比如優化沼液溫度、原料碳氮比、總固體濃度、沼液PH值等厭氧發酵環境參量。經研究表明溫度是影響厭氧微生物生命活動的重要因素，沼氣發酵溫度的高低，對沼氣池的產氣效率影響很大，當溫度增高到53℃～55℃時沼氣池微生物中的高溫菌活躍，產沼氣速度最快。中溫發酵溫度在40℃以下時，產氣率隨溫度上升而增加，發酵液溫度控制在 37℃左右是中溫發酵的一個最佳活性溫區，池溫在12℃～15℃時產氣量已經很少，8℃以下基本不產氣，[1]因此增加發酵液溫度可有效提高厭氧發酵產氣量。本文通過研究分析沼氣厭氧發酵的產氣特性、發酵裝置的增溫保溫特點以及厭氧發酵器內部的溫度變化規律，結合太陽能集熱系統，實現對沼氣池內環境參量的遠程監測。

1 監控系統整體結構

將太陽能集熱系統作為沼氣池上蓋，設計開發沼氣池測控系統，實現沼液溫度、沼氣池壓力、沼液PH值等參量的可控化。通過太陽能集熱裝置采光，把吸收的太陽能轉變成熱能，經過電導熱管輸送到玻璃鋼沼氣罐，提高沼氣池的溫度而實現恒溫，達到一年四季都可以使用的最佳效果。[2]對厭氧反應器的發酵溫度、壓力和沼液PH值實現自動監控，監控系統采用C/S結構即客戶機和服務器結構，主要由信號數據采集板(溫濕度傳感器，壓力傳感器等)，智能控制芯片，無線傳輸模塊，數據存儲模塊等組成，如圖1所示。將采集到的數據通過無線通信裝置上傳至遠端監測中心，遠程監測中心讀取沼液溫度、沼氣壓力、大氣溫濕度、PH值等信息并通過上位機顯示實時數據產生數據報表。

圖1 系統整體結構框圖

2 下位機硬件系統設計

下位機硬件主要由CPU數據處理模塊、傳感器數據采集模塊與無線通信模塊等組成。由壓力傳感器、溫度傳感器、PH值傳感器等將待測量的非電量信號轉化為電量，傳感器輸出的電量信號經過信號調理電路調整后，然后由計算機進行數據處理。計算機輸出的控制指令由D/A轉換模塊，將數字信號轉化為模擬信號，通過對蠕動泵或電磁閥等執行機構的控制，實現各溫度、壓力等參數的調控。

2.1CPU核心模塊及無線通信模塊。

核心控制芯片選用MSP430，MSP430系列是TI公司近幾年推出的低功耗16位單片機系列，該系列具有豐富的尋址方式、高效的16位RISC內核、簡潔的內核指令以及高效的查表處理方式。本文選用高速特性的MSP430F247單片機，工作環境溫度范圍為-40℃～+85℃，有48 個I/O 口線，16個中斷源可實現中斷嵌套，帶有12位的A/D與D/A轉換器，ROM、RAM、Flash多達64KB的尋址空間，MSP430集成了通用的SPI接口、UART接口、I2C 接口，簡化了CPU與外設的通信。MSP430通過外部總線擴展了1片NORFlash(SST39VF1601)和1片SDRAM(HY57V561620)，通過擴展的存儲器來運行程序與存儲采集到的數據。

無線傳輸模塊選用挪威公司推出的NRF905芯片，工作電壓為1.9 V～3.6V，具有功耗低、傳輸速度快、使用簡單等眾多優點，nRF905利用SPI接口實現與MSP430F247主控芯片的雙向通信，四個SPI總線接口引腳：MISO、MOSI、CSN、SCK與MSP430F247的SPI接口連接。nRF905的輸入輸出信號與MSP430F247的其他幾個I/O相連接。nRF905室內傳輸距離40米左右，室外無障礙低功耗(10～1mW)的情況下無線數傳模塊距離可達500米，可實現點對多點的通信，又可通過跳頻與改頻來避免干擾，非常適合本系統的設計需求。

當MSP430控制器有數據要發送時，通過SPI接口將數據傳送到nRF905，MSP430通過SPI總線將待發送的地址與數據都寫入相應的寄存器，將TRE_EN和TX_CE置于高電壓，實現數據發送，當TRE_CE被置低，RF905發送過程完成進入空閑模式。當TRX_CE為高TX_EN為低時RF905開始接收數據，當所有數據接收完畢，把DR引腳和AM引腳置低，如表1所示。

表1 nRF905工作模式配置表

2.2傳感器數據采集模塊。

本文選用的溫度傳感器為DALLAS公司生產的DS18B20，DS18B20是單總線智能型數字溫度傳感器，能夠將測量到的溫度信號轉換成數字量輸出，精確度高；不需要經過 A/D 轉換、采樣、量化、編碼等過程，使得設計簡便。每個DS18B20具有一個64位獨一無二的序列號，可以看作是該DS18B20的地址系列號，根據DS18B20的單總線特性，可實現一個總線上掛載多個DS18B20組成傳感器網絡。單片機會根據固化程序中的邏輯地址在EEPROM中查找對應的DS18B20序列號，從而找到需要訪問的溫度傳感器，由于DS18B20與微處理器間采用串行數據傳送，在對DS18B20進行讀/寫編程，依據單總線工作協議流程：初始化-ROM操作指令-存儲器操作指令-數據傳輸。微處理器讀取溫度傳感器所采集到的信號，經過簡單處理后通過無線模塊發送到上位機中，并且通過微處理器控制報警模塊，在溫度超過預設的警戒值時進行報警。

PH值測量，利用氫離子敏感的復合玻璃電極得到的微弱信號進行放大，再經A/D轉換送給MSP430控制終端，通過控制系統調整沼氣發酵的最合適 pH 值(6.8～7.4左右)。壓力傳感器模塊采用Ms5540C芯片，實現沼氣池壓力的檢測與調控。

3 監控系統軟件設計

3.1上位機監控主面板。

使用的軟件開發平臺是 LabVIEW2012，對工程師而言LabVIEW的優勢主要表現在兩方面：一方面是針對數據采集、數據分析與信號處理提供了豐富完善的功能模塊，用戶只需直接調用。[3]另一方面編程簡單，易于上手。

圖2 監控系統主面板

監控主面板包括：系統參數設置、數據采集部分、顯示窗口、報警指示模塊、數據處理與存儲以及報表生成等各部分，[4]如圖2所示。數據采集之前先通過LabVIEW將串口初始化后，通過串口和MSP430控制芯片進行通信，實現沼液溫度、沼氣池壓力、大氣溫濕度等數據采集，采集之前需要配置端口號、波特率、停止位、數據位、校驗方式等串口通訊參數，通過顯示窗口呈現當前及歷史數據，采用微軟的Access數據庫軟件來完成對所采集數據的存儲，并通過遠程用戶界面的操作按鈕來實現歷史數據的索引提取。

3.2下位機軟件。

C語言功能豐富，可移植性好，且目標程序可執行效率高，對硬件的控制能力強，本系統的下位機軟件部分就是采用C語言進行編寫的。首先對系統各部分進行初始化操作，初始化堆棧、無線模塊、看門狗等；設定系統溫度、壓力、PH值等的上下限報警值，進入溫度、壓力等數據采集和處理程序；當采集處理完畢后調用顯示子程序；接著調用無線模塊子程序將采集到的數據通過無線方式傳輸到上位機，同時通過無線子程序接收上位機發出的信息；當所測數值超出所設定的上下限報警值時，系統報警，如圖3所示。

圖3 應用程序流程圖

4 結果與討論

通過連續兩個月每天采集沼氣池累積產氣量數據，將常溫沼氣池與太陽能加熱的恒溫沼氣池(冬季23℃)累積的沼氣產量進行統計分析，將統計數據與夏季中溫(37℃)厭氧發酵數據進行對比分析如圖4所示，研究不同發酵溫度下對累積沼氣產量的影響。

圖4 不同溫度對累積產氣量的影響

溫度越高，微生物代謝越快。中溫發酵較低溫發酵反應速度要快得多，產氣周期要短。比較了在中溫(37℃)、冬季23℃和常溫(環境溫度)條件下，厭氧發酵產氣量和產氣速率的區別，結果顯示，在提高沼氣池產氣量方面，中溫37℃較其它溫度發酵產氣速度要快得多，未采取保溫增溫措施的沼氣池冬季幾乎不產氣，而太陽能恒溫沼氣池冬季僅在發酵前期有一個停滯階段，除此之外完全可以正常產氣。[5]

5 結論

針對我國偏北地區冬季戶用沼氣池，因料液溫度過低無法正常發酵產沼氣的情況，本文提出了利用太陽能為沼氣池增溫，保持料液溫度；提出了基于客戶機和服務器結構的遠程智能監控系統。經試驗驗證該系統可有效提高池溫(冬季池溫可達23℃)，保證了沼氣池冬季的正常產氣，解決了北方冬季戶用沼氣池無法正常工作的問題。

[1]王艷芹.不同措施對北方地區冬季戶用沼氣池料液溫度及產氣量的影響[J].中國沼氣,2010,28(5):31-34.

[2]李麗麗.太陽能沼氣池自動控制系統設計與仿真[J].傳感器與微系統, 2011,30(9):109-114.

[3]劉瑩,卜雄洙．基于Labview 的數據采集和無線通信系統的開發[J]．測控技術,2006,25(2):22-23,29.

[4]戴國平.太陽能沼氣發電工程無線監測系統設計[J].低壓電器,2012(1):31-34.

[5]宋珍偉. 基于LabVIEW的太陽能沼氣工程無線測控系統研究[J].電器與能效管理技術,2014(11):45-48.