秸稈沼氣制取管理系統的研究

唐義鋒+王華東+張蓉蓉+于寶佺

摘要：本文研究一種秸稈沼氣生產過程監控管理系統，通過GSM和GPRS對各分戶進行數據庫構建與網絡管理，采用短信息方式將測量數據從移動終端上傳到監控管理系統中，進而進行必要的生產指導，實現產能最優化。研究沼氣池運行狀態參數的測試方案，給出一種基于GSM系統的組網方案與信息的傳送格式，分析了系統各模塊的硬件結構，說明了AT指令進行短信收發的過程。

關鍵詞：沼氣制取 GSM管理系統 網絡結構 分析 移動測量終端 數據格式

1 概述

隨著我國經濟發展速度的不斷加快，能源越來越成為制約我國經濟社會發展的重要因素。因此，積極開發新能源、研制節能產品、提高能源利用效率已成為解決能源問題的有效方法和途徑。我國是一個農業生產大國，每年約生產7億噸農作物秸稈，除用于造紙、飼料以及還田外，還有約3.7億噸秸稈可用作生物質能源。沼氣是一種優質可再生的能源，利用秸稈作為沼氣制取的原料，已在我國農村得到了較好的開發利用，它不僅解決了用戶的生活用能問題，同時也避免了秸桿焚燒等現象發生，起到保護生態環境的作用。沼氣在農村的廣泛使用有效地緩解了我國常規能源緊張的狀況，對于促進社會經濟的可持續發展和改善生態環境意義重大。但沼氣系統建成后用戶只知道使用，缺乏專業的日常維護知識，導致系統損壞，產氣效率不高，甚至在制取過程中存在很大的浪費，如用氣高峰期產氣不足，低谷期產氣過剩，此時，大部分多余氣體直接排入大氣中，造成二次污染。在國外，主要研究“四位一體”生態模式的大型的智能化沼氣管控系統，如意大利的AMBIENTALIA的 “AmBioGas”沼氣智能管理系統，加拿大肯高迪亞大學Ahmad Qasaimeh研究的“MSW”垃圾填埋產生沼氣的監控系統等。

本文研究一種秸稈沼氣生產過程監控管理系統，通過GSM和GPRS對各分戶進行組網管理。通過專人定期檢測與指導，以提高沼氣產能，減少資源浪費。

2 系統的功能分析

本系統主要包括主機和移動測量終端兩大部分，主機通過數據庫管理等軟件建立各分立用戶的技術檔案，能通過歷史數據和現場數據兩種途徑對各分立用戶進行技術指導；移動測量終端具有甲烷濃度、池液pH值測量及身份識證等功能，通過無線網絡向主機發送測量數據信息，并接收主機返回的指導信息等。

3 系統方案設計

本系統的總體解決方案可分解為三個部分，即主機界面與數據庫部分、可移動測量終端部分、數據傳輸部分。前兩部分為基本部分，而數據傳輸部分的不同則決定著系統結構與相關軟件的設計。

方案一采用帶有GSM和GPRS功能的移動終端，通過SIM卡將測量數據上傳給主機，接收來自主機的指導信息。對各分戶進行過程管理。即以GSM的SMS或GPRS功能為無線數據傳輸的載體，為間隙式測量傳輸方案。

方案二采用ZigBee技術構建無線傳感器網絡，在無線管理系統局域網中，各用戶的固定終端測量節點與協調器節點、路由節點組網，通過研發的主機管理系統及數據庫管理系統，實時對生產過程等信息進行記錄并做出指導。也可將固定終端測量節點作為移動節點使用，以減少終端測量節點的個數與成本，實現方案一的功能。

因此，上述兩種方案均為可行方案，其中，方案一、二中的終端測量節點均可作為技術人員巡回操作的網絡化終端節點，實現間隙式測量與運行指導；方案二還可以將用戶節點作為固定的終端節點，即每個分立用戶均配備一套終端測量節點，形成在線式實時管理系統，可有效提高各種參數采集的實時性，做到系統的動態管理，同時可使系統具有相對獨立的網絡架構，可擴充性強，但成本較高，結構較復雜，可作為第二步推廣使用。為此，本文選用方案一進行組網設計。

4 網絡結構分析

在以SIM卡為中心的管理系統網絡中，以村民小組為單位，通過多個移動測量終端組成樹型結構。也可根據技術人員的配備及村組用戶的數量，使用一個移動測量終端組成星型結構。具體結構如圖1所示。該系統由用戶組、移動終端和帶ZTK模塊的遠程監控中心三部分組成。

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圖1 管理系統網絡結構示意

5 移動測量終端方案設計

沼氣生產中甲烷濃度、池液pH值是最重要的參數，通過它可確定更換生產原料和池液的時間，從而達到最大產能；目前國內所用的測量儀器大多為功能單一的獨立設備，分別進行甲烷濃度和pH值的測量，使用不方便，總價也較高。無法進行動態測量和無線數據傳輸。根據有關資料，甲烷濃度的檢測方法主要有熱催化法、熱導檢測法、光學甲烷檢測法、氣敏半導體檢測法、相干光干涉法、光聲氣體檢測法和基于紅外吸收的甲烷氣體檢測法等，其中，不少方法已用于甲烷氣體濃度的高精度測量中，而pH值則大多采用pH電極進行測量。本文將一種紅外吸收的甲烷氣體檢測傳感器MH-741A、pH值測量模塊、身份識別及無線傳輸模塊相融合，形成一個具有測量與指導功能的移動終端，其原理框圖如圖2所示。其硬件結構主要有CPU、ZTK、存儲、顯示、鍵盤、身份識別、pH測量、甲烷測量及電源等部分。系統在CPU的控制下有序工作。

6 主機監控管理軟件及基于SMS的數據格式設計

采用VB、LabVIEW等工具軟件，開發出圖形化人機交互界面，形成相應的數據庫，實現對用戶生產過程的監測與建檔，同時通過專家系統進行指導信息的提取和發布，實現管理過程的圖表化與可視化，方便管理與指導。

系統的無線數據傳輸部分采用ALIENTEK推出ZTK-SIM900A-V12模塊實現，該模塊為工業級 GSM/GPRS 模塊，工作電壓為5V～24V。其核心部分采用SIMCOM公司的工業級雙頻GSM/GPRS的SIM900A模塊，工作頻段雙頻：900/1800Mhz，可以低功耗實現語音、SMS、數據和傳真信息的傳輸。

在系統中，ZTK-SIM900A模塊通過RS232串口與主機或測量終端的測量部分相聯接，從而使系統具有語音、短信和GPRS數據傳輸等功能。由于設備的測量數據對適時性要求不高，間隙傳送的信息量較小，采用GSM的短信息功能中的文本模式即可滿足設計要求，其SMS的數據格式定義如表1所示。endprint

表1 SMS的數據格式定義

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信息傳輸過程如下，移動終端測量某用戶的數據并將其按照上述格式轉換成標準化的短信息，在本機SIM卡的支持下，通過SIM900A模塊給主機ZTK的SIM號碼發送數據短信。主機收到短信后進行智能化查詢，并向移動終端回發指導信息以完成一次各用戶的測量與指導操作。信息發送時，發送端用ATE1設置回顯模式，AT+CSCS=

"GSM"設置為"GSM"字符集，AT+CMGF=1文本模式。如發AT+CMGS="+13016578127"后，在模塊返回：>時，發送格式化短信內容例如：M0010000000000000000 this is my test，發送1A（即0X1A）啟動一次短信發送；接收端指令時AT+CMGF=1，設置為文本模式，AT+CSCS=

"GSM"，設置GSM字符集，AT+CNMI=2，1，設置新消息提示。當接收到一條新短信后，會提示如：+CMTI： "SM"，n，表明收到了新的短信，存放在SIM卡位置n。發送AT+CMGR=n，讀取該短信并進行下一步響應。

7 結論

本文通過對秸稈沼氣生產管理系統功能的研究，提出一種基于SIM卡技術的解決方案，對移動終端GSM和GPRS等功能進行了研究與應用，采用可視化程序設計及數據庫應用技術，開發出圖形化人機交互界面，形成相應的數據庫，實現管理過程的圖表化與可視化，給出一種短信息交互的處理格式及信息收發的流程。

參考文獻：

[1]李志坤.甲烷濃度與沼氣檢漏報警一體化測試儀的研制[J].農業技術與裝備，2010（6）.

[2]唐義鋒.維修電工與實訓[M].北京：北京理工大學出版社，2013.12

[3]唐義鋒，陳新華，馮輝.溫室環境監控無線傳感器網絡節點的設計[J].湖南農業科學，2010（10）.

[4]李硯飛.河北青縣秸稈沼氣工程運行模式與管理經驗[J].農業工程技術（新能源產業），2010（08）.

[5]溫婧.江蘇省金壇市秸稈沼氣工程運行模式與管理經驗[J].農業工程技術（新能源產業），2010（08）.

基金項目：本文為江蘇省教育廳基金項目（編號：JHB2012-84）的研究成果。endprint

表1 SMS的數據格式定義

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信息傳輸過程如下，移動終端測量某用戶的數據并將其按照上述格式轉換成標準化的短信息，在本機SIM卡的支持下，通過SIM900A模塊給主機ZTK的SIM號碼發送數據短信。主機收到短信后進行智能化查詢，并向移動終端回發指導信息以完成一次各用戶的測量與指導操作。信息發送時，發送端用ATE1設置回顯模式，AT+CSCS=

"GSM"設置為"GSM"字符集，AT+CMGF=1文本模式。如發AT+CMGS="+13016578127"后，在模塊返回：>時，發送格式化短信內容例如：M0010000000000000000 this is my test，發送1A（即0X1A）啟動一次短信發送；接收端指令時AT+CMGF=1，設置為文本模式，AT+CSCS=

"GSM"，設置GSM字符集，AT+CNMI=2，1，設置新消息提示。當接收到一條新短信后，會提示如：+CMTI： "SM"，n，表明收到了新的短信，存放在SIM卡位置n。發送AT+CMGR=n，讀取該短信并進行下一步響應。

7 結論

本文通過對秸稈沼氣生產管理系統功能的研究，提出一種基于SIM卡技術的解決方案，對移動終端GSM和GPRS等功能進行了研究與應用，采用可視化程序設計及數據庫應用技術，開發出圖形化人機交互界面，形成相應的數據庫，實現管理過程的圖表化與可視化，給出一種短信息交互的處理格式及信息收發的流程。

參考文獻：

[1]李志坤.甲烷濃度與沼氣檢漏報警一體化測試儀的研制[J].農業技術與裝備，2010（6）.

[2]唐義鋒.維修電工與實訓[M].北京：北京理工大學出版社，2013.12

[3]唐義鋒，陳新華，馮輝.溫室環境監控無線傳感器網絡節點的設計[J].湖南農業科學，2010（10）.

[4]李硯飛.河北青縣秸稈沼氣工程運行模式與管理經驗[J].農業工程技術（新能源產業），2010（08）.

[5]溫婧.江蘇省金壇市秸稈沼氣工程運行模式與管理經驗[J].農業工程技術（新能源產業），2010（08）.

基金項目：本文為江蘇省教育廳基金項目（編號：JHB2012-84）的研究成果。endprint

表1 SMS的數據格式定義

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信息傳輸過程如下，移動終端測量某用戶的數據并將其按照上述格式轉換成標準化的短信息，在本機SIM卡的支持下，通過SIM900A模塊給主機ZTK的SIM號碼發送數據短信。主機收到短信后進行智能化查詢，并向移動終端回發指導信息以完成一次各用戶的測量與指導操作。信息發送時，發送端用ATE1設置回顯模式，AT+CSCS=

"GSM"設置為"GSM"字符集，AT+CMGF=1文本模式。如發AT+CMGS="+13016578127"后，在模塊返回：>時，發送格式化短信內容例如：M0010000000000000000 this is my test，發送1A（即0X1A）啟動一次短信發送；接收端指令時AT+CMGF=1，設置為文本模式，AT+CSCS=

"GSM"，設置GSM字符集，AT+CNMI=2，1，設置新消息提示。當接收到一條新短信后，會提示如：+CMTI： "SM"，n，表明收到了新的短信，存放在SIM卡位置n。發送AT+CMGR=n，讀取該短信并進行下一步響應。

7 結論

本文通過對秸稈沼氣生產管理系統功能的研究，提出一種基于SIM卡技術的解決方案，對移動終端GSM和GPRS等功能進行了研究與應用，采用可視化程序設計及數據庫應用技術，開發出圖形化人機交互界面，形成相應的數據庫，實現管理過程的圖表化與可視化，給出一種短信息交互的處理格式及信息收發的流程。

參考文獻：

[1]李志坤.甲烷濃度與沼氣檢漏報警一體化測試儀的研制[J].農業技術與裝備，2010（6）.

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[3]唐義鋒，陳新華，馮輝.溫室環境監控無線傳感器網絡節點的設計[J].湖南農業科學，2010（10）.

[4]李硯飛.河北青縣秸稈沼氣工程運行模式與管理經驗[J].農業工程技術（新能源產業），2010（08）.

[5]溫婧.江蘇省金壇市秸稈沼氣工程運行模式與管理經驗[J].農業工程技術（新能源產業），2010（08）.

基金項目：本文為江蘇省教育廳基金項目（編號：JHB2012-84）的研究成果。endprint