基于多传感器信息融合技术的远程智能沼气池监控系统

褚倩云+陈昊+廖同庆

摘要：我国人口众多，资源消耗巨大，能源短缺严重。沼气是一种理想的新型可再生能源，具有很高的经济效益和生态效益，合理地开发利用沼气能源具有极其重要的意义。但目前我国农村沼气利用还不是很多，沼气池管理系统还存在较多问题，比如池内发酵效率的提高、系统安全性的保障等都不可忽视。本设计是能够为多用户同时提供在线服务的沼气池无线远程监控系统，采用STM32作为主控芯片，通过多传感器数据采集终端，对沼气池内甲烷浓度、温湿度、PH值等进行监测；而后通过基于4G无线通信网络的云技术分析现场数据，对沼气池内各项指标进行综合评价，以便允许授权的用户通过多种移动终端（如手机、PC等）掌握实时数据，实现远程监控。

关键词：沼气池；多传感器信息融合技术；远程数据传输；云技术；智能监控

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）10-0234-03

Abstract： Our country has a large population which results in a relatively shortage of energy and huge consumption of resources. As a renewable energy， the development of biogas energy has a broad space on the economic and ecological front so that rational development and use of biogas energy has very important significance. However， at present the use of methane is still relatively small in China countryside. In turn， there are a lot of problems in biogas management system， such as improving the efficiency in fermentation process and ensuring the system security. The system designed is based on using STM32 as the main control chip，as well as the wireless remote monitoring system of methane tank can provide real-time， online services for multiple users. People can collect and monitor the information of temperature and humidity， Methane concentration and pH-value in the monitoring environment by wireless sensor network technology. Then through the 4G wireless communication network cloud technology， it can analysis method and online data， giving a synthetical and overall evaluation of each index. Allowing authorized users through a variety of mobile terminal （such as mobile phone， PC， etc.） to master the real-time data， achieving remote monitoring.

Key words： biogas tank； multi sensor information fusion technology； remote data transmission； cloud technology； intelligent monitoring

1 概述

当前，随着社会经济生活的不断发展，对能源资源消耗巨大，传统能源将越来越少。新能源沼气技术不仅能解决群众生活用能的问题，也可以降低对传统能源的依赖，保护生态环境，有效改善人们的生活质量，促进当地经济可持续发展，因而在全国范围内得到了大力推广[1]。为了能顺利地解决众多能源问题、顺利地使农村地区走上可持续型发展道路，合理地开发和利用农村能源将具有极其重要的意义[2]。但因沼气使用的自动化程度和安全性不高，广大农户的使用情况并不理想。比如：发酵池内部甲烷浓度、二氧化碳浓度过高，均存在安全隐患；发酵效率易受温度、气体浓度和料液PH值影响，产气率得不到稳定保障；传统沼气发酵技术仅仅凭借经验，没有实现数据化智能化控制，同时缺乏预警系统，不能将该技术的危险系数降到最低。如果能对多个沼气池内各项指标采集实时数据，并及时做出决策，则可以显著提升系统发酵效率、自动化程度和系统安全性。因此，本文提出了采用多传感器信息融合技术实现对沼气池的远程智能监控。

2 多传感器信息融合技术基本原理

多传感器信息融合（MSIF）是目前我国信息领域一项颇有前景的研究方向，其主要过程就是将数据现场和多传感器采集的信息数据结合，在一定的准则下，通过计算机技术实现自动分析综合，达到所需要的决策和估计。它可以获得比单个传感器更可靠、更全面的综合信息。避免了单个传感器信息的不完整性，消除单个传感器的信息盲区，有利于提高多传感器信息处理结果的质量，实现最终的决策[3]。多传感器数据融合技术充分利用了多个信源，类似于大脑对信息处理的过程，对所采集信息综合支配和使用，实现对被测对象的统一解释[4]。该系统中信息之间都是相互联系的，信息融合将多传感器之间的冗余和互补信息按一定的规则进行优化组合，合理地配置和运用各个传感器所采集的信息，来达到对监测环境的一致描述[5]。

多传感器的融合技术经常采用的方法有加权平均法、统计决策理论法、贝叶斯估计、模糊神经网络、证据推理法等等 [6]。

3 智能沼气池监控系统设计

3.1 智能监控系统结构

基于多传感器数据融合技术的远程智能沼气池监控系统共分为三个层次。

第一层是分布式无线传感器网络。由分布在沼气池内的甲烷传感器（MQ-2）、二氧化碳传感器（MG-118）、温度传感器、PH值传感器等构成的多传感器终端组成，用于池内各项指标的实时监测，并进行数据的实时采集。

第二层是云技术服务平台。运用多协议融合技术将数据汇聚到现场智能主机，并通过4G无线通信网络传入云服务器平台，完成特征级数据融合，并将分析处理后的数据提供给移动终端的用户或维修中心监测，实现云服务器与现场测控设备之间高速、平稳的数据交换。

第三层是由移动终端设备组成。提供监测服务时，允许授权用户通过手机、PC机等移动终端访问云服务器平台，并能将用户或维修监控中心的控制信号传输给上位机，由上位机发出指令，实现远程监控。如图1所示是智能监控系统结构。

监控系统结构图

3.2 系统的硬件设计

系统设计中的普通传感器网络节点由TI公司的CC2431芯片作为核心处理器，外加相应的外围电路，包括数据采集传感器模块、数据处理模块、数据传输模块、电源管理模块等组成，用于传感器数据的采集和处理并构成分布式无线多传感器网络系统。多传感器网络系统是整个信息数据融合的硬件基础，多传感器信息是它的操作对象，通过对信息进行综合优化，实现融合的核心操作[7]。

而作为传感器网络系统的主控制器选择了ATMEL公司基于ARM Cortex-M内核的STM32系列嵌入式处理器STM32F103C8T6，其高性能、低成本、低功耗，是作为嵌入式芯片的一大优势，便于将实时数据汇聚到现场主机。如图2，为无线传感网络节点的结构设计。

STM32F103C8T6作为现场主机内部核心芯片，使用了两个重要的串口，其中USRT接口与CC2431芯片相接，用于处理无线传感网络节点汇聚到现场主机的数据，实现快速数据交互，而另一个串口与4G无线模块相接，通过串口的AT指令使4G无线模块与网络相接，并将现场数据上传至云服务器，同时接受云服务器发来的测控指令。图3即为现场数据无线传输系统图。

3.3 系统的软件实现

服务器软件的设计是本系统软件实现最重要、最核心的部分。“云服务器平台”的搭建离不开性能可靠的硬件设施（如数据采集终端、无线传感网络等），也离不开相应的服务器软件。因此，云服务器软件的设计需充分考虑到各种复杂的网络环境，用户可以随时访问云服务并进行资源管理，而不再受地点或设备的限制，从而提供优质的用户体验。与此同时，通过实时接收云服务器监控结果，用户能够全面地掌控当前云服务器的运行状态[8]。

针对大多数的Windows操作系统用户，可采用B/S（Browser/Server，即浏览器/服务器）和C/S（Client/Server，即客户端/服务器）两种工作方式。基于Microsoft提供的标准网络接口函数（如MFC的CSocket类等），结合沼气发酵池中各数据采集终端的分布特点、指令和数据的传输方式，采用先进的多线程处理技术，设计出用于统一“监控中心”的服务器软件，实现数据的准确传输。集控制和管理于一体的智能监控软件管理系统如图4所示。

以基于B/S架构的客户端软件为例，应用软件应基于模块化设计，可扩展性好，适用于各种应用现场，界面友好，操作简单，易学易用，且具有“定时检测”、“实时检测”等多种用户自定义功能，允许授权用户通过互联网实现对现场的实时监控，提供报表打印、数据分析等功能。对于C/S工作方式下的客户端软件，Android 智能手机操作系统具有开放性好、功能扩展性强，便于支持应用程序开发的优点[9]，则可基于安卓开发环境中使用Java的整合型可扩平台Eclipsc来实现移动终端软件的设计，做出具有良好的人机交互性的移动终端软件，便于用户更加直观清晰地了解沼气池内部数据指标，实现远程智能沼气池监控功能。

4 结论与展望

本论文设计的远程智能沼气池监控系统，应用了最新最热、使用前景广阔的多传感器信息融合技术。国际上已有许多公司不断推出智能传感器产品，如美国的Honeywell公司固态电子中心（SSEC）开发的PPT系列的精密智能压力传感器具有数字补偿、组态、控制、通讯的功能，具有RS- 232C，RS485，USB串行接口或EPP并行接口，国内也有研究机构与企业已经开始开发智能化传感器[10]。

该系统的设计以沼气池内环境信息采集处理为目标，设计了三级处理系统。设计中采用了数据融合思想，对采集到的环境信息进行同质和异质融合，去除冗余信息，减少数据通信量，避免传感器采集冲突。采用了图形化界面，并在本地计算机上实现了服务器功能，通过手机端智能实时监测沼气池内环境情况。通过整个系统的有机运行，提高了发酵池内外应急联动能力，提升了自动化水平和发酵池安全性，极大地节省了人力资源，降低了系统能耗。可以预见，在未来生活中的各个领域，环境信息的动态监测与分析将会广泛应用，可依据本系统进行相应功能的扩充与修改，必然能够得到十分有价值的应用前景。

参考文献：

[1] 王飞，蔡亚庆，仇焕广.中国沼气发展的现状、驱动及制约因素分析[J].农业工程学报，2012，28（1）：184-189.

[2] 李萍.农村户用沼气池建设的能源、经济、环境效益研究[D]. 南京：南京农业大学，2007：1-2.

[3] 周芳，韩立岩.多传感器信息融合技术综述[J].遥测遥控，2006，27（3）：1-7.

[4] 黄惠宁，刘源璋，梁昭阳.多传感器数据融合技术概述[J].科技信息，2010（15）：72-73.

[5] 孔军.基于多传感器信息融合的道路收费系统[J].电子技术，2003（1）：55-57.

[6]高金辉，陈玉珠，汪晓晨.多传感器信息融合技术在智能火灾报警系统中的应用[J].传感器世界，2008（6）：41-44.

[7] 林月芳，吉海彦.基于多传感器信息融合技术的防盗报警系统[J].微计算机信息，2003（10）：58-59.

[8] 薛琳.基于iOS 平台的云服务器管理系统研究与实现[D].上海：东华大学，2014：1-2.

[9] 叶小岭，赵二摆，朱春阳.基于Android 智能手机的户用沼气池管理系统[J].江苏农业科学，2014，42（6）：358-360.

[10] 赵望达，段方英，徐志胜.基于信息融合的智能安全监控自动化系统[J].中国安全科学学报，2015，15（4）：106-108.