基于物联网的农家乐新能源监测方案

陈志远　张旭东　邢子正　郝晓星　曹珊珊　侯梦琪

摘 要：“农家乐”作为我国农村现阶段发展休闲农业的一种主要形式，在农村得到普遍推广。该文以“农家乐”的能源供应-沼气为研究对象，旨在设计一种能够监测沼气工程状态，通过语音播报定时提醒农户在特定时间执行相应的维护操作，并在监测到异常状态时，以语音方式和SMS（短信）的方式将专家系统提供的相应对策发给用户，指导用户采取相应措施进行处理。

关键词：物联网 农家乐 沼气工程 GPRS 决策树

中图分类号：F322 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）06（c）-0152-02

随着现阶段我国农村向城市化、现代化、生态化的方向逐步转型升级，“农家乐”作为一种利用农业自然资源和文化资源的休闲方式[1]深入到农村经济、生态等各方面，而优化农家乐产业结构和加快低碳化进程更是对农村转型升级有着积极作用。依托于农家乐产业的沼气建设是实现农业低碳化、绿色经济可持续发展的有效途径之一。国家大力推广农村沼气产业的原因在于：沼气具有丰富的生产原料，比如畜禽粪便、生活污水等；而且环保、不会对生态环境造成影响。国家每年还会进行政府补贴，因此在农村地区得到了广泛应用[2]。该项目的研究对象为“农家乐”的沼气工程应用，重点是为“农家乐”沼气管理维护方面提供一套集监测、管理、决策于一体的维护支持系统。

1 设计方案

本系统综合运用物联网技术和人工智能理论，以节能降耗、提高沼气工程安全高效运行性为指导思想，采用分层网络设计，分为感知网络、传输网络、控制网络。各层网络功能如下：感知网络负责采集传感器数据信息；传输网络负责将采集到的信息传输至控制终端；控制网络负责将数据融合处理，做出决策。

1.1 感知网络层

感知网络层主要有主控STM32F407VET6、甲烷传感器、温湿度传感器、PH传感器以及外围电路组成。

感知网络层负责采集沼气池的主要指标数据：甲烷浓度值、温度值、PH值等各种数据信息；供主控MCU预判定处理，并由主控将数据通过网络层发送给服务器。

1.1.1 甲烷传感器

较高灵敏度的甲烷检测传感器MQ-2CH4，其具有多路模拟信号输出和多路开关信号（TTL）输出，气体检测浓度范围是300—10000ppm，测量误差为±2℃以内；功耗<=900mw；传感器的内部集成电路，使得电导率的变化与气体浓度相对应的输出信号成一种数学关系，利于数据的采集。

1.1.2 温湿度传感器

温度的忽高忽低都会影响沼气产气效率，本系统的温度预设值为：35℃，湿度预设值为：60%（预设值可根据地区差异更改）。如何在保证采集的温度数值准确性的前提下，减少其他信号的影响，还能稳定传输？因此，本系统采用温湿度传感器——DHT11[4]，设置采集温度数值区间[0，50]，单位：摄氏度（℃），测量误差在4%以下；设置采集湿度数值区间[20%，95%]，测量误差在±5%以下。

1.1.3 pH值采集传感器

pH值同样是影响沼气产率的重要因素，据实验数据发现，酸碱度范围为6.5-7.5最适宜于沼气的发酵。考虑到采集数据精确性、响应速度、功耗低等实际需求，因此，本系统采用了pH检测传感器C5B1，将检测浓度区间设置在[0.5，13.5]，其测量误差为±0.5。

2 传输网络层

为了满足透传、简单、稳定的要求，传输网络层采用的是USR-GPRS232-7S3模块，根据该模块的网络透传模式，发送的数据通过GPRS模块实现了用户的设备与指定的服务器互通。该模块支持两路socket链接通过串口向GPRS发送数据，将信息发送至服务器上搭建的数据库。数据库存放各传感器采集的数据，以及到目前为止农户所咨询沼气运行当中遇到的常见问题，它实际上是专家系统的知识库。

3 控制网络层

3.1 主控STM32F407VET6

以32位Cortex-M4为内核的STM32407vet6[3]微控制处理器作为系统核心单元，和8位/16位设备相比，ARM Cortex-M4 32位RISC处理器的运行功率更低、运算速度更快，适于本系统的使用。

3.2 语音模块

由科大讯飞的YS-XFSV2语音模块进行语音播报和提醒，该模块集成了多种常用提示音，用于将日常维护信息和预警信息进行语音输出。

3.3 USART HMI 串口液晶屏

显示部分用来显示沼气池运行的信息，如当前的反映温度、pH值、甲烷浓度数值。还可以根据用户的操作，显示当天时间段的沼气池运行指标变化曲线。为了更直观地区分出各项数据信息，因此采用USART HMI串口液晶屏，该屏所有界面由上位机生成，下位机只需要通过串口指令即可完成快速配置。参数如下：（1）分辨率：480*320。（2）支持任意字库、基本GUI指令，如：画点、画线。（3）支持多种组态控件等。不仅如此，用户还可以根据自己的兴趣，设置其他的显示界面。

4 系统软件设计

（1）首先，单片机MCU对各个数据采集传感器、GPRS模块、YS-XFSV2语音模塊等外设进行初始化，通过程序配置信息传感器模块的采样精度，对数据进行平滑滤波并把相应数据通过GPRS发送给服务器。

（2）通过GPRS[4]获取数据库里各个信息传感器采集的数据，并传给控制层进行数据融合，当数值超过设定值范围时执行语音报警指令，控制层通过语音模块输出语音报警指令，GPRS将报警信息以短信形式发送至手机。

（3）通过网站提交沼气池维护的相应决策信息，控制层根据GPRS的网络透传模式获取农户在特定时间执行相应的维护操作的信息，存储至本地SD卡，在特定时间读取SD卡里的维护操作信息，通过语音播报和短信发送，提醒农户执行相应措施。

（4）控制层获取报警信息后，会通过数据库存储的决策支持[5]信息，进行决策树匹配，然后语音播报和短信发送，给予农户相应的处理措施建议。

5 结语

本系统的创新点体现于

（1）控制层将传感器采集的沼气状态数据进行融合处理，做出决策，指导农户。

（2）将物联网技术与休闲农业-农家乐相结合，显著提高农户收入，改善农村环境。

（3）运用现代化技术，着重于改变我国农村沼气应用中出现的“病池、废池”等现象，增强农户的科技环保意识。

参考文献

[1] 俞莎莎，杨洋，卞夏.农家乐建设中沼气资源的开发研究[J].现代商业，2011（7）：287-288.

[2] 肖超，何乃缘.发展农村沼气促进低碳经济建设[J].农业工程技术，2010（7）：24-26.

[3] 夏继强.基于STM32的收发一体式超声波测距系统[J].仪表技术与传感器，2014（8）：43-45.

[4] 袁佳.基于GPRS和ZigBee的远程分布式灯光控制系统[J].计算机工程与设计，2015（1）：70-74.

[5] 罗世亮.任斌.基于物联网的脐橙园病虫害防治专家系统[J].北京联合大学学报，2016（4）：56-59.endprint