基于物聯網的農村沼氣監測預警系統設計

陳正濤+鄭爭兵

摘要:為實現農村沼氣能源的安全使用和有效管理,根據物聯網的體系結構,設計了基于物聯網的農村沼氣監測預警系統。該系統采用傳感層、傳輸層和應用層的分層網絡架構,利用無線傳感器網絡技術實現傳感層的沼氣環境參數采集,利用GPRS技術完成傳輸層的沼氣環境參數無線傳輸,通過應用層的數據監測中心軟件對系統進行遠程監測和操作。該系統的設計為實現大規模農村沼氣監測的信息化和網絡化提供了技術支撐,具有廣闊的應用價值和推廣前景。

關鍵詞:物聯網;監測預警;ZigBee技術;無線傳感器網絡

中圖分類號:TP393文獻標識碼:A文章編號:0439-8114(2014)10-2424-03

Designing the Monitoring and Warning System of Rural Marsh Gas Based on

Internet of Things

CHEN Zheng-tao,ZHENG Zheng-bing

(School of Physics and Telecommunication Engineering,Shaanxi University of Technology,Hanzhong 723000,Shaanxi,China)

Abstract:According to the structure of the internet of things,the monitoring and warning system of rural marsh gas based on Internet of things was proposed for the safely using of rural biogas energy and effective management. The hierarchical network architecture of the system was designed with the sensing layer, transport layer and application layer. The wireless sensor network technology was used to realize marsh gas environmental parameter acquisition in the sensing layer. The GPRS technology was used to complete the wireless transmission of the marsh gas environmental parameter in the transport layer. The data monitoring center software in the application layer realized remote monitoring and operation of the system. The development of this system will provide technical support to realize the information and network monitoring of large-scale marsh gas in rural areas,and has wide application and prospects of promotion.

Key words:internet of things; monitoring and warning; ZigBee technique; wireless sensor network

基金項目:陜西省教育廳科研計劃資助項目(2013JK1059)

沼氣作為一種新型的清潔能源,在我國新農村建設中得到了快速推廣和應用,并取得了一定的經濟效益、社會效益和區域環境效益。隨著農村用戶對沼氣需求的快速增長,沼氣工程實施規模也隨之增大,沼氣的產氣效能和安全使用管理將成為非常突出的問題[1,2]。用戶管理不善和技術操作失誤可能導致沼氣池產氣率較低。此外,沼氣池的長期使用可能導致沼氣池及輸氣管道出現漏氣。沼氣是一種以甲烷和二氧化碳為主要成分的可燃性混合氣體,若管理不善,容易造成氣體蓄積,當達到一定濃度后,若泄漏會造成人員中毒,遇明火則極易產生爆炸,造成傷亡事故,對人民群眾的人身和財產安全造成危害。因此,建立一種高效的、網絡化的農村沼氣工程監測預警平臺,對安全利用沼氣能源,提高沼氣利用監管效率和服務質量,具有非常重要的現實意義。

物聯網(Internet of things)是一種新興的信息技術,是在通信網和互聯網的基礎上,通過各種信息傳感器設備,如射頻識別裝置、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等裝置把物品和物聯網連接起來,進行信息交換和通訊,以實現智能化識別、定位、跟蹤、監測和管理的一種網絡,可以實現物與物、人與物之間的信息交互和通信[3]。隨著監測技術朝著智能化和網絡化的方向發展,應用物聯網技術可以有效地推進農村沼氣工程監測信息化的進程。目前,農村沼氣工程數量大,位置分布廣泛,主要以人工管理方式為主,需要耗費巨大的人力、物力,而且對于輸氣管道漏氣造成的爆炸等安全問題不能進行有效地監控。為了解決這些問題,本研究設計了基于物聯網的農村沼氣監測預警系統,該系統可實現智能化、網絡化的沼氣現場參數采集和預警監測,為物聯網在農村方面的應用提供參考。

1系統的整體設計

根據農村沼氣工程監測分析結果和結構物聯網架構特征,農村沼氣工程監測系統的整體結構設計圖如圖1所示。該系統分為傳感層、傳輸層和應用層。傳感層主要完成不同區域的多點沼氣工程環境參數的采集,因此,利用無線傳感器網絡技術對監測區域進行全面覆蓋,實現傳感數據的獲取和傳輸。單個監測子區域的無線傳感器網絡由終端節點、路由節點和協調器節點組成,利用網絡自組織特性,所有終端節點采集到的數據通過路由節點最終匯聚到協調器節點。傳輸層主要利用GPRS網絡將對不同監測子區域傳輸來的數據信息安全可靠地傳輸到數據監測中心。由于GPRS網絡數據傳輸協議與無線傳感器網絡協議不兼容,通過無線網關節點搭建傳感層與傳輸層的通信橋梁,負責無線傳感網絡的控制和維護,完成監測數據信息的融合處理,實現兩種通訊協議的轉換。應用層主要由數據服務器、監測終端構成數據監測中心。用戶可以將監測終端接入Internet網,在任何時候、任何地點監測所采集的現場信息,對沼氣池的運行狀況進行實時跟蹤和分析,實現沼氣池的安全管理要求。

2系統的分層設計

2.1傳感層的設計

由于無線傳感網絡監測的區域范圍廣,傳輸的數據量小,節點數量大并且耗能低,因此采用ZigBee無線通信技術實現網絡的構建。ZigBee是基于IEEE 802.15.4標準的完整協議體系,支持星型、樹狀型、網狀型和混合型網絡拓撲結構[4,5]。系統采用混合型網絡拓撲結構,利用路由算法選擇合理路徑,實現數據可靠傳輸。系統主要包括協調器節點、路由節點和終端節點。協調器節點負責建立和維護網絡,為路由節點和終端節點分配惟一的16位網絡地址,實現節點之間的通信,路由器節點主要負責終端節點數據的轉接,終端節點主要負責傳感數據的采集和預處理。所有節點的硬件核心是微處理器和無線收發模塊,且路由器和協調器不需要傳感器模塊,因此,為了控制成本,提供硬件的通用性,選擇TI公司的ZigBee芯片CC2530F256構建硬件平臺。CC2530F256芯片是一種支持 IEEE 802.15.4協議標準的片上系統,集成高性能8051微控制器內核和高性能2.4 GHz射頻收發模塊,擁有8 Kb的 RAM和256 Kb flash程序存儲器,支持Z-Stack2007協議棧,提供3種電源管理模式,具有超低功耗的特點。

根據農村沼氣工程的實際情況,單個沼氣池內環境、周圍環境和沼氣管道環境需要監測的參數主要有沼液溫度、沼氣液位、沼氣壓力、沼氣濃度。因此,以CC2530F256芯片為控制核心構建終端節點的硬件平臺如圖2所示。終端節點通過溫度傳感器、液位傳感器、壓力傳感器和濃度傳感器獲取沼氣監測參數,經過適當數據處理后,按照節點間數據通信協議將其傳輸給協調器節點。串口電路主要實現硬件接口擴展和完成程序調試;復位電路用來實現系統死機或程序跑飛等意外情況的系統恢復;電源模塊負責整個節點的能量供應。由于硬件功耗低且監測環境不易供電,電源模塊主要采用3.7 V鋰電池通過微功耗電源管理芯片HT7533輸出3.3 V供電電壓。

2.2傳輸層的設計

傳輸層主要是利用GPRS移動網絡將數據傳輸至遠程數據監測中心。在支持TCP/IP協議的情況下,該網絡可以接入到Internet網絡擴大通信的范圍,方便遠程控制[6,7]。為了實現無線傳感器網絡與GPRS移動網絡之間的通信,可以將網關節點設計成無線網關,其硬件結構如圖3所示。無線網關利用CC2530通信模塊負責ZigBee網絡的控制和維護,完成信息的融合處置[8],實現ZigBee網絡與GPRS網絡通訊協議的轉換,利用GPRS傳輸模塊接入到GPRS移動網絡中。

本系統的GPRS傳輸模塊選用SIMCOM公司的SIM900模塊,該模塊支持TCP/IP協議,采用符合RS-232標準的串行通信接口與外部電路進行通信,因此,CC2530通信模塊通過串口電路利用AT控制指令實現與SIM900模塊的通信。此外,電源模塊采用鋰電池對整個硬件進行供電,由于SIM900模塊要求供電電壓為3.4~4.5 V,且供電電流峰值要求達到2 A,在電源設計中采用大電流專用低壓差線性穩壓器芯片MIC29302,其輸出最大電流值達3 A,可以滿足SIM900模塊供電需要。

2.3應用層的設計

應用層的數據監測中心主要包括數據服務器和監測終端兩個部分。系統主要基于C/S(Client/Server)結構和B/S(Browser/Server)結構混合模式開發客戶監測終端。在數據監測中心的監測終端利用C/S結構開發基于PC機的監測中心軟件。該中心軟件主要有用戶權限管理、參數設置、數據管理和監測控制功能等模塊。其中,數據管理模塊可以實現數據的存儲、顯示、查詢和自動預警功能。用戶可以在數據監測中心查詢數據,但不能隨時隨地查看數據。利用B/S結構,即瀏覽器和服務器結構,用戶通過開啟上網功能的智能手機瀏覽 WEB 界面隨時查看數據。在該模式下,監測終端(即智能手機)不需要開發客戶端應用程序,其缺點是服務器負擔較重。應用混合模式可以較好地滿足用戶對沼氣工程的監測。

3系統的測試

傳感層構建的無線傳感器通信可靠是實現沼氣工程監測預警的關鍵部分。其中,兩個節點間的通信距離是無線傳感器網絡中的一個重要參數,它影響著在放置各節點時的最大通信距離依據傳感器網絡覆蓋范圍。本系統在0 dBm的發送功率下分別在空曠地,隔一面封閉墻、隔兩面封閉墻的情況下測試節點間的信號強度和誤包率。測試結果如表1所示。由表1可知,ZigBee收發節點在0 dBm的發送功率、收發次數1 000次數和每個數據包字節數為10的情況下,因為環境和間隔距離的不同,通信質量存在很大差別。從表1中可以看出,系統可以在1 000 m范圍內比較復雜的地形進行應用,而且可以通過一定的協議簡化數據的傳輸量,可以降低誤包率。

本文提出了一種基于物聯網的農村沼氣監測預警系統,該系統利用無線傳感網絡技術和GPRS技術實現沼氣工程的智能監測預警功能,通過改變傳感器的類型可實現監測功能全面升級。該系統為實現大規模農村沼氣監測的信息化和網絡化提供了技術支撐,具有廣闊的應用價值和推廣前景。

參考文獻:

[1] 董照鋒.農村沼氣建設問題研究[J].陜西農業科學,2012(6):231-234.

[2] 王建成,文震林,王忠柳.農村沼氣后續服務管理模式的探討[J].能源研究與管理,2012(4):8-10.

[3] 高峰,俞立,張文安,等.基于無線傳感器網絡的作物水分狀況監測系統研究與設計[J].農業工程學報,2009,25(2):107-112.

[4] 張軍國,賴小龍,楊睿茜,等.物聯網技術在精準農業環境監測系統中的應用研究[J].湖南農業科學,2011(15):173-176.

[5] 鄭爭兵.基于nRF401礦井溫濕度無線監測系統的設計[J].煤炭技術,2013,32(1):108-109.

[6] 鄭爭兵.基于AVR的豬舍溫濕度監測系統研究[J].廣東農業科學,2012,39(4):125-127.

[7] 鄭爭兵.基于GSM網絡的蔬菜大棚環境參數監測系統[J].廣東農業科學,2012,39(1):158-159.

[8] 鄭爭兵.基于DSP Builder的FIR數字濾波器設計與驗證[J].陜西理工學院學報(自然科學版),2013,29(2):34-38.

根據農村沼氣工程的實際情況,單個沼氣池內環境、周圍環境和沼氣管道環境需要監測的參數主要有沼液溫度、沼氣液位、沼氣壓力、沼氣濃度。因此,以CC2530F256芯片為控制核心構建終端節點的硬件平臺如圖2所示。終端節點通過溫度傳感器、液位傳感器、壓力傳感器和濃度傳感器獲取沼氣監測參數,經過適當數據處理后,按照節點間數據通信協議將其傳輸給協調器節點。串口電路主要實現硬件接口擴展和完成程序調試;復位電路用來實現系統死機或程序跑飛等意外情況的系統恢復;電源模塊負責整個節點的能量供應。由于硬件功耗低且監測環境不易供電,電源模塊主要采用3.7 V鋰電池通過微功耗電源管理芯片HT7533輸出3.3 V供電電壓。

2.2傳輸層的設計

傳輸層主要是利用GPRS移動網絡將數據傳輸至遠程數據監測中心。在支持TCP/IP協議的情況下,該網絡可以接入到Internet網絡擴大通信的范圍,方便遠程控制[6,7]。為了實現無線傳感器網絡與GPRS移動網絡之間的通信,可以將網關節點設計成無線網關,其硬件結構如圖3所示。無線網關利用CC2530通信模塊負責ZigBee網絡的控制和維護,完成信息的融合處置[8],實現ZigBee網絡與GPRS網絡通訊協議的轉換,利用GPRS傳輸模塊接入到GPRS移動網絡中。

本系統的GPRS傳輸模塊選用SIMCOM公司的SIM900模塊,該模塊支持TCP/IP協議,采用符合RS-232標準的串行通信接口與外部電路進行通信,因此,CC2530通信模塊通過串口電路利用AT控制指令實現與SIM900模塊的通信。此外,電源模塊采用鋰電池對整個硬件進行供電,由于SIM900模塊要求供電電壓為3.4~4.5 V,且供電電流峰值要求達到2 A,在電源設計中采用大電流專用低壓差線性穩壓器芯片MIC29302,其輸出最大電流值達3 A,可以滿足SIM900模塊供電需要。

2.3應用層的設計

應用層的數據監測中心主要包括數據服務器和監測終端兩個部分。系統主要基于C/S(Client/Server)結構和B/S(Browser/Server)結構混合模式開發客戶監測終端。在數據監測中心的監測終端利用C/S結構開發基于PC機的監測中心軟件。該中心軟件主要有用戶權限管理、參數設置、數據管理和監測控制功能等模塊。其中,數據管理模塊可以實現數據的存儲、顯示、查詢和自動預警功能。用戶可以在數據監測中心查詢數據,但不能隨時隨地查看數據。利用B/S結構,即瀏覽器和服務器結構,用戶通過開啟上網功能的智能手機瀏覽 WEB 界面隨時查看數據。在該模式下,監測終端(即智能手機)不需要開發客戶端應用程序,其缺點是服務器負擔較重。應用混合模式可以較好地滿足用戶對沼氣工程的監測。

3系統的測試

傳感層構建的無線傳感器通信可靠是實現沼氣工程監測預警的關鍵部分。其中,兩個節點間的通信距離是無線傳感器網絡中的一個重要參數,它影響著在放置各節點時的最大通信距離依據傳感器網絡覆蓋范圍。本系統在0 dBm的發送功率下分別在空曠地,隔一面封閉墻、隔兩面封閉墻的情況下測試節點間的信號強度和誤包率。測試結果如表1所示。由表1可知,ZigBee收發節點在0 dBm的發送功率、收發次數1 000次數和每個數據包字節數為10的情況下,因為環境和間隔距離的不同,通信質量存在很大差別。從表1中可以看出,系統可以在1 000 m范圍內比較復雜的地形進行應用,而且可以通過一定的協議簡化數據的傳輸量,可以降低誤包率。

本文提出了一種基于物聯網的農村沼氣監測預警系統,該系統利用無線傳感網絡技術和GPRS技術實現沼氣工程的智能監測預警功能,通過改變傳感器的類型可實現監測功能全面升級。該系統為實現大規模農村沼氣監測的信息化和網絡化提供了技術支撐,具有廣闊的應用價值和推廣前景。

參考文獻:

[1] 董照鋒.農村沼氣建設問題研究[J].陜西農業科學,2012(6):231-234.

[2] 王建成,文震林,王忠柳.農村沼氣后續服務管理模式的探討[J].能源研究與管理,2012(4):8-10.

[3] 高峰,俞立,張文安,等.基于無線傳感器網絡的作物水分狀況監測系統研究與設計[J].農業工程學報,2009,25(2):107-112.

[4] 張軍國,賴小龍,楊睿茜,等.物聯網技術在精準農業環境監測系統中的應用研究[J].湖南農業科學,2011(15):173-176.

[5] 鄭爭兵.基于nRF401礦井溫濕度無線監測系統的設計[J].煤炭技術,2013,32(1):108-109.

[6] 鄭爭兵.基于AVR的豬舍溫濕度監測系統研究[J].廣東農業科學,2012,39(4):125-127.

[7] 鄭爭兵.基于GSM網絡的蔬菜大棚環境參數監測系統[J].廣東農業科學,2012,39(1):158-159.

[8] 鄭爭兵.基于DSP Builder的FIR數字濾波器設計與驗證[J].陜西理工學院學報(自然科學版),2013,29(2):34-38.

根據農村沼氣工程的實際情況,單個沼氣池內環境、周圍環境和沼氣管道環境需要監測的參數主要有沼液溫度、沼氣液位、沼氣壓力、沼氣濃度。因此,以CC2530F256芯片為控制核心構建終端節點的硬件平臺如圖2所示。終端節點通過溫度傳感器、液位傳感器、壓力傳感器和濃度傳感器獲取沼氣監測參數,經過適當數據處理后,按照節點間數據通信協議將其傳輸給協調器節點。串口電路主要實現硬件接口擴展和完成程序調試;復位電路用來實現系統死機或程序跑飛等意外情況的系統恢復;電源模塊負責整個節點的能量供應。由于硬件功耗低且監測環境不易供電,電源模塊主要采用3.7 V鋰電池通過微功耗電源管理芯片HT7533輸出3.3 V供電電壓。

2.2傳輸層的設計

傳輸層主要是利用GPRS移動網絡將數據傳輸至遠程數據監測中心。在支持TCP/IP協議的情況下,該網絡可以接入到Internet網絡擴大通信的范圍,方便遠程控制[6,7]。為了實現無線傳感器網絡與GPRS移動網絡之間的通信,可以將網關節點設計成無線網關,其硬件結構如圖3所示。無線網關利用CC2530通信模塊負責ZigBee網絡的控制和維護,完成信息的融合處置[8],實現ZigBee網絡與GPRS網絡通訊協議的轉換,利用GPRS傳輸模塊接入到GPRS移動網絡中。

本系統的GPRS傳輸模塊選用SIMCOM公司的SIM900模塊,該模塊支持TCP/IP協議,采用符合RS-232標準的串行通信接口與外部電路進行通信,因此,CC2530通信模塊通過串口電路利用AT控制指令實現與SIM900模塊的通信。此外,電源模塊采用鋰電池對整個硬件進行供電,由于SIM900模塊要求供電電壓為3.4~4.5 V,且供電電流峰值要求達到2 A,在電源設計中采用大電流專用低壓差線性穩壓器芯片MIC29302,其輸出最大電流值達3 A,可以滿足SIM900模塊供電需要。

2.3應用層的設計

應用層的數據監測中心主要包括數據服務器和監測終端兩個部分。系統主要基于C/S(Client/Server)結構和B/S(Browser/Server)結構混合模式開發客戶監測終端。在數據監測中心的監測終端利用C/S結構開發基于PC機的監測中心軟件。該中心軟件主要有用戶權限管理、參數設置、數據管理和監測控制功能等模塊。其中,數據管理模塊可以實現數據的存儲、顯示、查詢和自動預警功能。用戶可以在數據監測中心查詢數據,但不能隨時隨地查看數據。利用B/S結構,即瀏覽器和服務器結構,用戶通過開啟上網功能的智能手機瀏覽 WEB 界面隨時查看數據。在該模式下,監測終端(即智能手機)不需要開發客戶端應用程序,其缺點是服務器負擔較重。應用混合模式可以較好地滿足用戶對沼氣工程的監測。

3系統的測試

傳感層構建的無線傳感器通信可靠是實現沼氣工程監測預警的關鍵部分。其中,兩個節點間的通信距離是無線傳感器網絡中的一個重要參數,它影響著在放置各節點時的最大通信距離依據傳感器網絡覆蓋范圍。本系統在0 dBm的發送功率下分別在空曠地,隔一面封閉墻、隔兩面封閉墻的情況下測試節點間的信號強度和誤包率。測試結果如表1所示。由表1可知,ZigBee收發節點在0 dBm的發送功率、收發次數1 000次數和每個數據包字節數為10的情況下,因為環境和間隔距離的不同,通信質量存在很大差別。從表1中可以看出,系統可以在1 000 m范圍內比較復雜的地形進行應用,而且可以通過一定的協議簡化數據的傳輸量,可以降低誤包率。

本文提出了一種基于物聯網的農村沼氣監測預警系統,該系統利用無線傳感網絡技術和GPRS技術實現沼氣工程的智能監測預警功能,通過改變傳感器的類型可實現監測功能全面升級。該系統為實現大規模農村沼氣監測的信息化和網絡化提供了技術支撐,具有廣闊的應用價值和推廣前景。

參考文獻:

[1] 董照鋒.農村沼氣建設問題研究[J].陜西農業科學,2012(6):231-234.

[2] 王建成,文震林,王忠柳.農村沼氣后續服務管理模式的探討[J].能源研究與管理,2012(4):8-10.

[3] 高峰,俞立,張文安,等.基于無線傳感器網絡的作物水分狀況監測系統研究與設計[J].農業工程學報,2009,25(2):107-112.

[4] 張軍國,賴小龍,楊睿茜,等.物聯網技術在精準農業環境監測系統中的應用研究[J].湖南農業科學,2011(15):173-176.

[5] 鄭爭兵.基于nRF401礦井溫濕度無線監測系統的設計[J].煤炭技術,2013,32(1):108-109.

[6] 鄭爭兵.基于AVR的豬舍溫濕度監測系統研究[J].廣東農業科學,2012,39(4):125-127.

[7] 鄭爭兵.基于GSM網絡的蔬菜大棚環境參數監測系統[J].廣東農業科學,2012,39(1):158-159.

[8] 鄭爭兵.基于DSP Builder的FIR數字濾波器設計與驗證[J].陜西理工學院學報(自然科學版),2013,29(2):34-38.