太阳能沼气池远程测控系统研究

李 莉

(南通农业职业技术学院 机电系，江苏 南通 226007)

中国北方冬季气温普遍偏低，农村户用沼气池根本无法正常工作, 冬季几乎不产气。为了解决冬季产气率低的问题，可通过多种方法来实现，比如优化沼液温度、原料碳氮比、总固体浓度、沼液PH值等厌氧发酵环境参量。经研究表明温度是影响厌氧微生物生命活动的重要因素，沼气发酵温度的高低，对沼气池的产气效率影响很大，当温度增高到53℃～55℃时沼气池微生物中的高温菌活跃，产沼气速度最快。中温发酵温度在40℃以下时，产气率随温度上升而增加，发酵液温度控制在 37℃左右是中温发酵的一个最佳活性温区，池温在12℃～15℃时产气量已经很少，8℃以下基本不产气，[1]因此增加发酵液温度可有效提高厌氧发酵产气量。本文通过研究分析沼气厌氧发酵的产气特性、发酵装置的增温保温特点以及厌氧发酵器内部的温度变化规律，结合太阳能集热系统，实现对沼气池内环境参量的远程监测。

1 监控系统整体结构

将太阳能集热系统作为沼气池上盖，设计开发沼气池测控系统，实现沼液温度、沼气池压力、沼液PH值等参量的可控化。通过太阳能集热装置采光，把吸收的太阳能转变成热能，经过电导热管输送到玻璃钢沼气罐，提高沼气池的温度而实现恒温，达到一年四季都可以使用的最佳效果。[2]对厌氧反应器的发酵温度、压力和沼液PH值实现自动监控，监控系统采用C/S结构即客户机和服务器结构，主要由信号数据采集板(温湿度传感器，压力传感器等)，智能控制芯片，无线传输模块，数据存储模块等组成，如图1所示。将采集到的数据通过无线通信装置上传至远端监测中心，远程监测中心读取沼液温度、沼气压力、大气温湿度、PH值等信息并通过上位机显示实时数据产生数据报表。

图1 系统整体结构框图

2 下位机硬件系统设计

下位机硬件主要由CPU数据处理模块、传感器数据采集模块与无线通信模块等组成。由压力传感器、温度传感器、PH值传感器等将待测量的非电量信号转化为电量，传感器输出的电量信号经过信号调理电路调整后，然后由计算机进行数据处理。计算机输出的控制指令由D/A转换模块，将数字信号转化为模拟信号，通过对蠕动泵或电磁阀等执行机构的控制，实现各温度、压力等参数的调控。

2.1CPU核心模块及无线通信模块。

核心控制芯片选用MSP430，MSP430系列是TI公司近几年推出的低功耗16位单片机系列，该系列具有丰富的寻址方式、高效的16位RISC内核、简洁的内核指令以及高效的查表处理方式。本文选用高速特性的MSP430F247单片机，工作环境温度范围为-40℃～+85℃，有48 个I/O 口线，16个中断源可实现中断嵌套，带有12位的A/D与D/A转换器，ROM、RAM、Flash多达64KB的寻址空间，MSP430集成了通用的SPI接口、UART接口、I2C 接口，简化了CPU与外设的通信。MSP430通过外部总线扩展了1片NORFlash(SST39VF1601)和1片SDRAM(HY57V561620)，通过扩展的存储器来运行程序与存储采集到的数据。

无线传输模块选用挪威公司推出的NRF905芯片，工作电压为1.9 V～3.6V，具有功耗低、传输速度快、使用简单等众多优点，nRF905利用SPI接口实现与MSP430F247主控芯片的双向通信，四个SPI总线接口引脚：MISO、MOSI、CSN、SCK与MSP430F247的SPI接口连接。nRF905的输入输出信号与MSP430F247的其他几个I/O相连接。nRF905室内传输距离40米左右，室外无障碍低功耗(10～1mW)的情况下无线数传模块距离可达500米，可实现点对多点的通信，又可通过跳频与改频来避免干扰，非常适合本系统的设计需求。

当MSP430控制器有数据要发送时，通过SPI接口将数据传送到nRF905，MSP430通过SPI总线将待发送的地址与数据都写入相应的寄存器，将TRE_EN和TX_CE置于高电压，实现数据发送，当TRE_CE被置低，RF905发送过程完成进入空闲模式。当TRX_CE为高TX_EN为低时RF905开始接收数据，当所有数据接收完毕，把DR引脚和AM引脚置低，如表1所示。

表1 nRF905工作模式配置表

2.2传感器数据采集模块。

本文选用的温度传感器为DALLAS公司生产的DS18B20，DS18B20是单总线智能型数字温度传感器，能够将测量到的温度信号转换成数字量输出，精确度高；不需要经过 A/D 转换、采样、量化、编码等过程，使得设计简便。每个DS18B20具有一个64位独一无二的序列号，可以看作是该DS18B20的地址系列号，根据DS18B20的单总线特性，可实现一个总线上挂载多个DS18B20组成传感器网络。单片机会根据固化程序中的逻辑地址在EEPROM中查找对应的DS18B20序列号，从而找到需要访问的温度传感器，由于DS18B20与微处理器间采用串行数据传送，在对DS18B20进行读/写编程，依据单总线工作协议流程：初始化-ROM操作指令-存储器操作指令-数据传输。微处理器读取温度传感器所采集到的信号，经过简单处理后通过无线模块发送到上位机中，并且通过微处理器控制报警模块，在温度超过预设的警戒值时进行报警。

PH值测量，利用氢离子敏感的复合玻璃电极得到的微弱信号进行放大，再经A/D转换送给MSP430控制终端，通过控制系统调整沼气发酵的最合适 pH 值(6.8～7.4左右)。压力传感器模块采用Ms5540C芯片，实现沼气池压力的检测与调控。

3 监控系统软件设计

3.1上位机监控主面板。

使用的软件开发平台是 LabVIEW2012，对工程师而言LabVIEW的优势主要表现在两方面：一方面是针对数据采集、数据分析与信号处理提供了丰富完善的功能模块，用户只需直接调用。[3]另一方面编程简单，易于上手。

图2 监控系统主面板

监控主面板包括：系统参数设置、数据采集部分、显示窗口、报警指示模块、数据处理与存储以及报表生成等各部分，[4]如图2所示。数据采集之前先通过LabVIEW将串口初始化后，通过串口和MSP430控制芯片进行通信，实现沼液温度、沼气池压力、大气温湿度等数据采集，采集之前需要配置端口号、波特率、停止位、数据位、校验方式等串口通讯参数，通过显示窗口呈现当前及历史数据，采用微软的Access数据库软件来完成对所采集数据的存储，并通过远程用户界面的操作按钮来实现历史数据的索引提取。

3.2下位机软件。

C语言功能丰富，可移植性好，且目标程序可执行效率高，对硬件的控制能力强，本系统的下位机软件部分就是采用C语言进行编写的。首先对系统各部分进行初始化操作，初始化堆栈、无线模块、看门狗等；设定系统温度、压力、PH值等的上下限报警值，进入温度、压力等数据采集和处理程序；当采集处理完毕后调用显示子程序；接着调用无线模块子程序将采集到的数据通过无线方式传输到上位机，同时通过无线子程序接收上位机发出的信息；当所测数值超出所设定的上下限报警值时，系统报警，如图3所示。

图3 应用程序流程图

4 结果与讨论

通过连续两个月每天采集沼气池累积产气量数据，将常温沼气池与太阳能加热的恒温沼气池(冬季23℃)累积的沼气产量进行统计分析，将统计数据与夏季中温(37℃)厌氧发酵数据进行对比分析如图4所示，研究不同发酵温度下对累积沼气产量的影响。

图4 不同温度对累积产气量的影响

温度越高，微生物代谢越快。中温发酵较低温发酵反应速度要快得多，产气周期要短。比较了在中温(37℃)、冬季23℃和常温(环境温度)条件下，厌氧发酵产气量和产气速率的区别，结果显示，在提高沼气池产气量方面，中温37℃较其它温度发酵产气速度要快得多，未采取保温增温措施的沼气池冬季几乎不产气，而太阳能恒温沼气池冬季仅在发酵前期有一个停滞阶段，除此之外完全可以正常产气。[5]

5 结论

针对我国偏北地区冬季户用沼气池，因料液温度过低无法正常发酵产沼气的情况，本文提出了利用太阳能为沼气池增温，保持料液温度；提出了基于客户机和服务器结构的远程智能监控系统。经试验验证该系统可有效提高池温(冬季池温可达23℃)，保证了沼气池冬季的正常产气，解决了北方冬季户用沼气池无法正常工作的问题。

[1]王艳芹.不同措施对北方地区冬季户用沼气池料液温度及产气量的影响[J].中国沼气,2010,28(5):31-34.

[2]李丽丽.太阳能沼气池自动控制系统设计与仿真[J].传感器与微系统, 2011,30(9):109-114.

[3]刘莹,卜雄洙．基于Labview 的数据采集和无线通信系统的开发[J]．测控技术,2006,25(2):22-23,29.

[4]戴国平.太阳能沼气发电工程无线监测系统设计[J].低压电器,2012(1):31-34.

[5]宋珍伟. 基于LabVIEW的太阳能沼气工程无线测控系统研究[J].电器与能效管理技术,2014(11):45-48.