基于物联网的农村沼气监测预警系统设计

陈正涛+郑争兵

摘要:为实现农村沼气能源的安全使用和有效管理,根据物联网的体系结构,设计了基于物联网的农村沼气监测预警系统。该系统采用传感层、传输层和应用层的分层网络架构,利用无线传感器网络技术实现传感层的沼气环境参数采集,利用GPRS技术完成传输层的沼气环境参数无线传输,通过应用层的数据监测中心软件对系统进行远程监测和操作。该系统的设计为实现大规模农村沼气监测的信息化和网络化提供了技术支撑,具有广阔的应用价值和推广前景。

关键词:物联网;监测预警;ZigBee技术;无线传感器网络

中图分类号:TP393文献标识码:A文章编号: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

基金项目:陕西省教育厅科研计划资助项目(2013JK1059)

沼气作为一种新型的清洁能源,在我国新农村建设中得到了快速推广和应用,并取得了一定的经济效益、社会效益和区域环境效益。随着农村用户对沼气需求的快速增长,沼气工程实施规模也随之增大,沼气的产气效能和安全使用管理将成为非常突出的问题[1,2]。用户管理不善和技术操作失误可能导致沼气池产气率较低。此外,沼气池的长期使用可能导致沼气池及输气管道出现漏气。沼气是一种以甲烷和二氧化碳为主要成分的可燃性混合气体,若管理不善,容易造成气体蓄积,当达到一定浓度后,若泄漏会造成人员中毒,遇明火则极易产生爆炸,造成伤亡事故,对人民群众的人身和财产安全造成危害。因此,建立一种高效的、网络化的农村沼气工程监测预警平台,对安全利用沼气能源,提高沼气利用监管效率和服务质量,具有非常重要的现实意义。

物联网(Internet of things)是一种新兴的信息技术,是在通信网和互联网的基础上,通过各种信息传感器设备,如射频识别装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等装置把物品和物联网连接起来,进行信息交换和通讯,以实现智能化识别、定位、跟踪、监测和管理的一种网络,可以实现物与物、人与物之间的信息交互和通信[3]。随着监测技术朝着智能化和网络化的方向发展,应用物联网技术可以有效地推进农村沼气工程监测信息化的进程。目前,农村沼气工程数量大,位置分布广泛,主要以人工管理方式为主,需要耗费巨大的人力、物力,而且对于输气管道漏气造成的爆炸等安全问题不能进行有效地监控。为了解决这些问题,本研究设计了基于物联网的农村沼气监测预警系统,该系统可实现智能化、网络化的沼气现场参数采集和预警监测,为物联网在农村方面的应用提供参考。

1系统的整体设计

根据农村沼气工程监测分析结果和结构物联网架构特征,农村沼气工程监测系统的整体结构设计图如图1所示。该系统分为传感层、传输层和应用层。传感层主要完成不同区域的多点沼气工程环境参数的采集,因此,利用无线传感器网络技术对监测区域进行全面覆盖,实现传感数据的获取和传输。单个监测子区域的无线传感器网络由终端节点、路由节点和协调器节点组成,利用网络自组织特性,所有终端节点采集到的数据通过路由节点最终汇聚到协调器节点。传输层主要利用GPRS网络将对不同监测子区域传输来的数据信息安全可靠地传输到数据监测中心。由于GPRS网络数据传输协议与无线传感器网络协议不兼容,通过无线网关节点搭建传感层与传输层的通信桥梁,负责无线传感网络的控制和维护,完成监测数据信息的融合处理,实现两种通讯协议的转换。应用层主要由数据服务器、监测终端构成数据监测中心。用户可以将监测终端接入Internet网,在任何时候、任何地点监测所采集的现场信息,对沼气池的运行状况进行实时跟踪和分析,实现沼气池的安全管理要求。

2系统的分层设计

2.1传感层的设计

由于无线传感网络监测的区域范围广,传输的数据量小,节点数量大并且耗能低,因此采用ZigBee无线通信技术实现网络的构建。ZigBee是基于IEEE 802.15.4标准的完整协议体系,支持星型、树状型、网状型和混合型网络拓扑结构[4,5]。系统采用混合型网络拓扑结构,利用路由算法选择合理路径,实现数据可靠传输。系统主要包括协调器节点、路由节点和终端节点。协调器节点负责建立和维护网络,为路由节点和终端节点分配惟一的16位网络地址,实现节点之间的通信,路由器节点主要负责终端节点数据的转接,终端节点主要负责传感数据的采集和预处理。所有节点的硬件核心是微处理器和无线收发模块,且路由器和协调器不需要传感器模块,因此,为了控制成本,提供硬件的通用性,选择TI公司的ZigBee芯片CC2530F256构建硬件平台。CC2530F256芯片是一种支持 IEEE 802.15.4协议标准的片上系统,集成高性能8051微控制器内核和高性能2.4 GHz射频收发模块,拥有8 Kb的 RAM和256 Kb flash程序存储器,支持Z-Stack2007协议栈,提供3种电源管理模式,具有超低功耗的特点。

根据农村沼气工程的实际情况,单个沼气池内环境、周围环境和沼气管道环境需要监测的参数主要有沼液温度、沼气液位、沼气压力、沼气浓度。因此,以CC2530F256芯片为控制核心构建终端节点的硬件平台如图2所示。终端节点通过温度传感器、液位传感器、压力传感器和浓度传感器获取沼气监测参数,经过适当数据处理后,按照节点间数据通信协议将其传输给协调器节点。串口电路主要实现硬件接口扩展和完成程序调试;复位电路用来实现系统死机或程序跑飞等意外情况的系统恢复;电源模块负责整个节点的能量供应。由于硬件功耗低且监测环境不易供电,电源模块主要采用3.7 V锂电池通过微功耗电源管理芯片HT7533输出3.3 V供电电压。

2.2传输层的设计

传输层主要是利用GPRS移动网络将数据传输至远程数据监测中心。在支持TCP/IP协议的情况下,该网络可以接入到Internet网络扩大通信的范围,方便远程控制[6,7]。为了实现无线传感器网络与GPRS移动网络之间的通信,可以将网关节点设计成无线网关,其硬件结构如图3所示。无线网关利用CC2530通信模块负责ZigBee网络的控制和维护,完成信息的融合处置[8],实现ZigBee网络与GPRS网络通讯协议的转换,利用GPRS传输模块接入到GPRS移动网络中。

本系统的GPRS传输模块选用SIMCOM公司的SIM900模块,该模块支持TCP/IP协议,采用符合RS-232标准的串行通信接口与外部电路进行通信,因此,CC2530通信模块通过串口电路利用AT控制指令实现与SIM900模块的通信。此外,电源模块采用锂电池对整个硬件进行供电,由于SIM900模块要求供电电压为3.4~4.5 V,且供电电流峰值要求达到2 A,在电源设计中采用大电流专用低压差线性稳压器芯片MIC29302,其输出最大电流值达3 A,可以满足SIM900模块供电需要。

2.3应用层的设计

应用层的数据监测中心主要包括数据服务器和监测终端两个部分。系统主要基于C/S(Client/Server)结构和B/S(Browser/Server)结构混合模式开发客户监测终端。在数据监测中心的监测终端利用C/S结构开发基于PC机的监测中心软件。该中心软件主要有用户权限管理、参数设置、数据管理和监测控制功能等模块。其中,数据管理模块可以实现数据的存储、显示、查询和自动预警功能。用户可以在数据监测中心查询数据,但不能随时随地查看数据。利用B/S结构,即浏览器和服务器结构,用户通过开启上网功能的智能手机浏览 WEB 界面随时查看数据。在该模式下,监测终端(即智能手机)不需要开发客户端应用程序,其缺点是服务器负担较重。应用混合模式可以较好地满足用户对沼气工程的监测。

3系统的测试

传感层构建的无线传感器通信可靠是实现沼气工程监测预警的关键部分。其中,两个节点间的通信距离是无线传感器网络中的一个重要参数,它影响着在放置各节点时的最大通信距离依据传感器网络覆盖范围。本系统在0 dBm的发送功率下分别在空旷地,隔一面封闭墙、隔两面封闭墙的情况下测试节点间的信号强度和误包率。测试结果如表1所示。由表1可知,ZigBee收发节点在0 dBm的发送功率、收发次数1 000次数和每个数据包字节数为10的情况下,因为环境和间隔距离的不同,通信质量存在很大差别。从表1中可以看出,系统可以在1 000 m范围内比较复杂的地形进行应用,而且可以通过一定的协议简化数据的传输量,可以降低误包率。

本文提出了一种基于物联网的农村沼气监测预警系统,该系统利用无线传感网络技术和GPRS技术实现沼气工程的智能监测预警功能,通过改变传感器的类型可实现监测功能全面升级。该系统为实现大规模农村沼气监测的信息化和网络化提供了技术支撑,具有广阔的应用价值和推广前景。

参考文献:

[1] 董照锋.农村沼气建设问题研究[J].陕西农业科学,2012(6):231-234.

[2] 王建成,文震林,王忠柳.农村沼气后续服务管理模式的探讨[J].能源研究与管理,2012(4):8-10.

[3] 高峰,俞立,张文安,等.基于无线传感器网络的作物水分状况监测系统研究与设计[J].农业工程学报,2009,25(2):107-112.

[4] 张军国,赖小龙,杨睿茜,等.物联网技术在精准农业环境监测系统中的应用研究[J].湖南农业科学,2011(15):173-176.

[5] 郑争兵.基于nRF401矿井温湿度无线监测系统的设计[J].煤炭技术,2013,32(1):108-109.

[6] 郑争兵.基于AVR的猪舍温湿度监测系统研究[J].广东农业科学,2012,39(4):125-127.

[7] 郑争兵.基于GSM网络的蔬菜大棚环境参数监测系统[J].广东农业科学,2012,39(1):158-159.

[8] 郑争兵.基于DSP Builder的FIR数字滤波器设计与验证[J].陕西理工学院学报(自然科学版),2013,29(2):34-38.

根据农村沼气工程的实际情况,单个沼气池内环境、周围环境和沼气管道环境需要监测的参数主要有沼液温度、沼气液位、沼气压力、沼气浓度。因此,以CC2530F256芯片为控制核心构建终端节点的硬件平台如图2所示。终端节点通过温度传感器、液位传感器、压力传感器和浓度传感器获取沼气监测参数,经过适当数据处理后,按照节点间数据通信协议将其传输给协调器节点。串口电路主要实现硬件接口扩展和完成程序调试;复位电路用来实现系统死机或程序跑飞等意外情况的系统恢复;电源模块负责整个节点的能量供应。由于硬件功耗低且监测环境不易供电,电源模块主要采用3.7 V锂电池通过微功耗电源管理芯片HT7533输出3.3 V供电电压。

2.2传输层的设计

传输层主要是利用GPRS移动网络将数据传输至远程数据监测中心。在支持TCP/IP协议的情况下,该网络可以接入到Internet网络扩大通信的范围,方便远程控制[6,7]。为了实现无线传感器网络与GPRS移动网络之间的通信,可以将网关节点设计成无线网关,其硬件结构如图3所示。无线网关利用CC2530通信模块负责ZigBee网络的控制和维护,完成信息的融合处置[8],实现ZigBee网络与GPRS网络通讯协议的转换,利用GPRS传输模块接入到GPRS移动网络中。

本系统的GPRS传输模块选用SIMCOM公司的SIM900模块,该模块支持TCP/IP协议,采用符合RS-232标准的串行通信接口与外部电路进行通信,因此,CC2530通信模块通过串口电路利用AT控制指令实现与SIM900模块的通信。此外,电源模块采用锂电池对整个硬件进行供电,由于SIM900模块要求供电电压为3.4~4.5 V,且供电电流峰值要求达到2 A,在电源设计中采用大电流专用低压差线性稳压器芯片MIC29302,其输出最大电流值达3 A,可以满足SIM900模块供电需要。

2.3应用层的设计

应用层的数据监测中心主要包括数据服务器和监测终端两个部分。系统主要基于C/S(Client/Server)结构和B/S(Browser/Server)结构混合模式开发客户监测终端。在数据监测中心的监测终端利用C/S结构开发基于PC机的监测中心软件。该中心软件主要有用户权限管理、参数设置、数据管理和监测控制功能等模块。其中,数据管理模块可以实现数据的存储、显示、查询和自动预警功能。用户可以在数据监测中心查询数据,但不能随时随地查看数据。利用B/S结构,即浏览器和服务器结构,用户通过开启上网功能的智能手机浏览 WEB 界面随时查看数据。在该模式下,监测终端(即智能手机)不需要开发客户端应用程序,其缺点是服务器负担较重。应用混合模式可以较好地满足用户对沼气工程的监测。

3系统的测试

传感层构建的无线传感器通信可靠是实现沼气工程监测预警的关键部分。其中,两个节点间的通信距离是无线传感器网络中的一个重要参数,它影响着在放置各节点时的最大通信距离依据传感器网络覆盖范围。本系统在0 dBm的发送功率下分别在空旷地,隔一面封闭墙、隔两面封闭墙的情况下测试节点间的信号强度和误包率。测试结果如表1所示。由表1可知,ZigBee收发节点在0 dBm的发送功率、收发次数1 000次数和每个数据包字节数为10的情况下,因为环境和间隔距离的不同,通信质量存在很大差别。从表1中可以看出,系统可以在1 000 m范围内比较复杂的地形进行应用,而且可以通过一定的协议简化数据的传输量,可以降低误包率。

本文提出了一种基于物联网的农村沼气监测预警系统,该系统利用无线传感网络技术和GPRS技术实现沼气工程的智能监测预警功能,通过改变传感器的类型可实现监测功能全面升级。该系统为实现大规模农村沼气监测的信息化和网络化提供了技术支撑,具有广阔的应用价值和推广前景。

参考文献:

[1] 董照锋.农村沼气建设问题研究[J].陕西农业科学,2012(6):231-234.

[2] 王建成,文震林,王忠柳.农村沼气后续服务管理模式的探讨[J].能源研究与管理,2012(4):8-10.

[3] 高峰,俞立,张文安,等.基于无线传感器网络的作物水分状况监测系统研究与设计[J].农业工程学报,2009,25(2):107-112.

[4] 张军国,赖小龙,杨睿茜,等.物联网技术在精准农业环境监测系统中的应用研究[J].湖南农业科学,2011(15):173-176.

[5] 郑争兵.基于nRF401矿井温湿度无线监测系统的设计[J].煤炭技术,2013,32(1):108-109.

[6] 郑争兵.基于AVR的猪舍温湿度监测系统研究[J].广东农业科学,2012,39(4):125-127.

[7] 郑争兵.基于GSM网络的蔬菜大棚环境参数监测系统[J].广东农业科学,2012,39(1):158-159.

[8] 郑争兵.基于DSP Builder的FIR数字滤波器设计与验证[J].陕西理工学院学报(自然科学版),2013,29(2):34-38.

根据农村沼气工程的实际情况,单个沼气池内环境、周围环境和沼气管道环境需要监测的参数主要有沼液温度、沼气液位、沼气压力、沼气浓度。因此,以CC2530F256芯片为控制核心构建终端节点的硬件平台如图2所示。终端节点通过温度传感器、液位传感器、压力传感器和浓度传感器获取沼气监测参数,经过适当数据处理后,按照节点间数据通信协议将其传输给协调器节点。串口电路主要实现硬件接口扩展和完成程序调试;复位电路用来实现系统死机或程序跑飞等意外情况的系统恢复;电源模块负责整个节点的能量供应。由于硬件功耗低且监测环境不易供电,电源模块主要采用3.7 V锂电池通过微功耗电源管理芯片HT7533输出3.3 V供电电压。

2.2传输层的设计

传输层主要是利用GPRS移动网络将数据传输至远程数据监测中心。在支持TCP/IP协议的情况下,该网络可以接入到Internet网络扩大通信的范围,方便远程控制[6,7]。为了实现无线传感器网络与GPRS移动网络之间的通信,可以将网关节点设计成无线网关,其硬件结构如图3所示。无线网关利用CC2530通信模块负责ZigBee网络的控制和维护,完成信息的融合处置[8],实现ZigBee网络与GPRS网络通讯协议的转换,利用GPRS传输模块接入到GPRS移动网络中。

本系统的GPRS传输模块选用SIMCOM公司的SIM900模块,该模块支持TCP/IP协议,采用符合RS-232标准的串行通信接口与外部电路进行通信,因此,CC2530通信模块通过串口电路利用AT控制指令实现与SIM900模块的通信。此外,电源模块采用锂电池对整个硬件进行供电,由于SIM900模块要求供电电压为3.4~4.5 V,且供电电流峰值要求达到2 A,在电源设计中采用大电流专用低压差线性稳压器芯片MIC29302,其输出最大电流值达3 A,可以满足SIM900模块供电需要。

2.3应用层的设计

应用层的数据监测中心主要包括数据服务器和监测终端两个部分。系统主要基于C/S(Client/Server)结构和B/S(Browser/Server)结构混合模式开发客户监测终端。在数据监测中心的监测终端利用C/S结构开发基于PC机的监测中心软件。该中心软件主要有用户权限管理、参数设置、数据管理和监测控制功能等模块。其中,数据管理模块可以实现数据的存储、显示、查询和自动预警功能。用户可以在数据监测中心查询数据,但不能随时随地查看数据。利用B/S结构,即浏览器和服务器结构,用户通过开启上网功能的智能手机浏览 WEB 界面随时查看数据。在该模式下,监测终端(即智能手机)不需要开发客户端应用程序,其缺点是服务器负担较重。应用混合模式可以较好地满足用户对沼气工程的监测。

3系统的测试

传感层构建的无线传感器通信可靠是实现沼气工程监测预警的关键部分。其中,两个节点间的通信距离是无线传感器网络中的一个重要参数,它影响着在放置各节点时的最大通信距离依据传感器网络覆盖范围。本系统在0 dBm的发送功率下分别在空旷地,隔一面封闭墙、隔两面封闭墙的情况下测试节点间的信号强度和误包率。测试结果如表1所示。由表1可知,ZigBee收发节点在0 dBm的发送功率、收发次数1 000次数和每个数据包字节数为10的情况下,因为环境和间隔距离的不同,通信质量存在很大差别。从表1中可以看出,系统可以在1 000 m范围内比较复杂的地形进行应用,而且可以通过一定的协议简化数据的传输量,可以降低误包率。

本文提出了一种基于物联网的农村沼气监测预警系统,该系统利用无线传感网络技术和GPRS技术实现沼气工程的智能监测预警功能,通过改变传感器的类型可实现监测功能全面升级。该系统为实现大规模农村沼气监测的信息化和网络化提供了技术支撑,具有广阔的应用价值和推广前景。

参考文献:

[1] 董照锋.农村沼气建设问题研究[J].陕西农业科学,2012(6):231-234.

[2] 王建成,文震林,王忠柳.农村沼气后续服务管理模式的探讨[J].能源研究与管理,2012(4):8-10.

[3] 高峰,俞立,张文安,等.基于无线传感器网络的作物水分状况监测系统研究与设计[J].农业工程学报,2009,25(2):107-112.

[4] 张军国,赖小龙,杨睿茜,等.物联网技术在精准农业环境监测系统中的应用研究[J].湖南农业科学,2011(15):173-176.

[5] 郑争兵.基于nRF401矿井温湿度无线监测系统的设计[J].煤炭技术,2013,32(1):108-109.

[6] 郑争兵.基于AVR的猪舍温湿度监测系统研究[J].广东农业科学,2012,39(4):125-127.

[7] 郑争兵.基于GSM网络的蔬菜大棚环境参数监测系统[J].广东农业科学,2012,39(1):158-159.

[8] 郑争兵.基于DSP Builder的FIR数字滤波器设计与验证[J].陕西理工学院学报(自然科学版),2013,29(2):34-38.