基于物聯網的農家樂新能源監測方案

陳志遠　張旭東　邢子正　郝曉星　曹珊珊　侯夢琪

摘 要：“農家樂”作為我國農村現階段發展休閑農業的一種主要形式，在農村得到普遍推廣。該文以“農家樂”的能源供應-沼氣為研究對象，旨在設計一種能夠監測沼氣工程狀態，通過語音播報定時提醒農戶在特定時間執行相應的維護操作，并在監測到異常狀態時，以語音方式和SMS（短信）的方式將專家系統提供的相應對策發給用戶，指導用戶采取相應措施進行處理。

關鍵詞：物聯網 農家樂 沼氣工程 GPRS 決策樹

中圖分類號：F322 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）06（c）-0152-02

隨著現階段我國農村向城市化、現代化、生態化的方向逐步轉型升級，“農家樂”作為一種利用農業自然資源和文化資源的休閑方式[1]深入到農村經濟、生態等各方面，而優化農家樂產業結構和加快低碳化進程更是對農村轉型升級有著積極作用。依托于農家樂產業的沼氣建設是實現農業低碳化、綠色經濟可持續發展的有效途徑之一。國家大力推廣農村沼氣產業的原因在于：沼氣具有豐富的生產原料，比如畜禽糞便、生活污水等；而且環保、不會對生態環境造成影響。國家每年還會進行政府補貼，因此在農村地區得到了廣泛應用[2]。該項目的研究對象為“農家樂”的沼氣工程應用，重點是為“農家樂”沼氣管理維護方面提供一套集監測、管理、決策于一體的維護支持系統。

1 設計方案

本系統綜合運用物聯網技術和人工智能理論，以節能降耗、提高沼氣工程安全高效運行性為指導思想，采用分層網絡設計，分為感知網絡、傳輸網絡、控制網絡。各層網絡功能如下：感知網絡負責采集傳感器數據信息；傳輸網絡負責將采集到的信息傳輸至控制終端；控制網絡負責將數據融合處理，做出決策。

1.1 感知網絡層

感知網絡層主要有主控STM32F407VET6、甲烷傳感器、溫濕度傳感器、PH傳感器以及外圍電路組成。

感知網絡層負責采集沼氣池的主要指標數據：甲烷濃度值、溫度值、PH值等各種數據信息；供主控MCU預判定處理，并由主控將數據通過網絡層發送給服務器。

1.1.1 甲烷傳感器

較高靈敏度的甲烷檢測傳感器MQ-2CH4，其具有多路模擬信號輸出和多路開關信號（TTL）輸出，氣體檢測濃度范圍是300—10000ppm，測量誤差為±2℃以內；功耗<=900mw；傳感器的內部集成電路，使得電導率的變化與氣體濃度相對應的輸出信號成一種數學關系，利于數據的采集。

1.1.2 溫濕度傳感器

溫度的忽高忽低都會影響沼氣產氣效率，本系統的溫度預設值為：35℃，濕度預設值為：60%（預設值可根據地區差異更改）。如何在保證采集的溫度數值準確性的前提下，減少其他信號的影響，還能穩定傳輸？因此，本系統采用溫濕度傳感器——DHT11[4]，設置采集溫度數值區間[0，50]，單位：攝氏度（℃），測量誤差在4%以下；設置采集濕度數值區間[20%，95%]，測量誤差在±5%以下。

1.1.3 pH值采集傳感器

pH值同樣是影響沼氣產率的重要因素，據實驗數據發現，酸堿度范圍為6.5-7.5最適宜于沼氣的發酵。考慮到采集數據精確性、響應速度、功耗低等實際需求，因此，本系統采用了pH檢測傳感器C5B1，將檢測濃度區間設置在[0.5，13.5]，其測量誤差為±0.5。

2 傳輸網絡層

為了滿足透傳、簡單、穩定的要求，傳輸網絡層采用的是USR-GPRS232-7S3模塊，根據該模塊的網絡透傳模式，發送的數據通過GPRS模塊實現了用戶的設備與指定的服務器互通。該模塊支持兩路socket鏈接通過串口向GPRS發送數據，將信息發送至服務器上搭建的數據庫。數據庫存放各傳感器采集的數據，以及到目前為止農戶所咨詢沼氣運行當中遇到的常見問題，它實際上是專家系統的知識庫。

3 控制網絡層

3.1 主控STM32F407VET6

以32位Cortex-M4為內核的STM32407vet6[3]微控制處理器作為系統核心單元，和8位/16位設備相比，ARM Cortex-M4 32位RISC處理器的運行功率更低、運算速度更快，適于本系統的使用。

3.2 語音模塊

由科大訊飛的YS-XFSV2語音模塊進行語音播報和提醒，該模塊集成了多種常用提示音，用于將日常維護信息和預警信息進行語音輸出。

3.3 USART HMI 串口液晶屏

顯示部分用來顯示沼氣池運行的信息，如當前的反映溫度、pH值、甲烷濃度數值。還可以根據用戶的操作，顯示當天時間段的沼氣池運行指標變化曲線。為了更直觀地區分出各項數據信息，因此采用USART HMI串口液晶屏，該屏所有界面由上位機生成，下位機只需要通過串口指令即可完成快速配置。參數如下：（1）分辨率：480*320。（2）支持任意字庫、基本GUI指令，如：畫點、畫線。（3）支持多種組態控件等。不僅如此，用戶還可以根據自己的興趣，設置其他的顯示界面。

4 系統軟件設計

（1）首先，單片機MCU對各個數據采集傳感器、GPRS模塊、YS-XFSV2語音模塊等外設進行初始化，通過程序配置信息傳感器模塊的采樣精度，對數據進行平滑濾波并把相應數據通過GPRS發送給服務器。

（2）通過GPRS[4]獲取數據庫里各個信息傳感器采集的數據，并傳給控制層進行數據融合，當數值超過設定值范圍時執行語音報警指令，控制層通過語音模塊輸出語音報警指令，GPRS將報警信息以短信形式發送至手機。

（3）通過網站提交沼氣池維護的相應決策信息，控制層根據GPRS的網絡透傳模式獲取農戶在特定時間執行相應的維護操作的信息，存儲至本地SD卡，在特定時間讀取SD卡里的維護操作信息，通過語音播報和短信發送，提醒農戶執行相應措施。

（4）控制層獲取報警信息后，會通過數據庫存儲的決策支持[5]信息，進行決策樹匹配，然后語音播報和短信發送，給予農戶相應的處理措施建議。

5 結語

本系統的創新點體現于

（1）控制層將傳感器采集的沼氣狀態數據進行融合處理，做出決策，指導農戶。

（2）將物聯網技術與休閑農業-農家樂相結合，顯著提高農戶收入，改善農村環境。

（3）運用現代化技術，著重于改變我國農村沼氣應用中出現的“病池、廢池”等現象，增強農戶的科技環保意識。

參考文獻

[1] 俞莎莎，楊洋，卞夏.農家樂建設中沼氣資源的開發研究[J].現代商業，2011（7）：287-288.

[2] 肖超，何乃緣.發展農村沼氣促進低碳經濟建設[J].農業工程技術，2010（7）：24-26.

[3] 夏繼強.基于STM32的收發一體式超聲波測距系統[J].儀表技術與傳感器，2014（8）：43-45.

[4] 袁佳.基于GPRS和ZigBee的遠程分布式燈光控制系統[J].計算機工程與設計，2015（1）：70-74.

[5] 羅世亮.任斌.基于物聯網的臍橙園病蟲害防治專家系統[J].北京聯合大學學報，2016（4）：56-59.endprint