模块化沼气池无线监测系统的研究

刘馨月+黄非凡+隋梦桐+霍帅+李柏丞

摘 要：文章研究了沼气池的动态监测与报警问题，提出了一种可以远程监测、集中管理的沼气池监测方案。由STC89C52单片机和温度及多种气体传感器采集沼气池内环境数据，设计了一种模块化的沼气池无线多点动态监测系统。实现对沼气池的温度，气体浓度进行监测及越限报警。同时，通过nRF24L01无线模块连接发送模块与接收模块，再由MAX232口与PC机进行通信，使管理人员随时能方便地监测各沼气池节点的状态。与传统工作人员实地检测方式相比，该监测系统提高了监测效率，节省了人力物力，为沼气管理部门的决策提供了科学依据。

關键词：单片机；nRF24L01无线模块；动态监测

中图分类号：TP39 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）31-0030-02

引言

近年来，农村沼气建设收到了党中央、国务院和各级地方党委、政府的高度重视。沼气的利用，有效的促进了农村科技进步，引导农民改变传统的生活和生产方式，提高农民生活质量。沼气技术是农村废弃资源化利用，发展生态农业和农村环境治理的纽带。通过农业废弃物和生活垃圾为原料，可产出沼气来提供生活和生产用能，沼渣和沼液可用于农业生产，实现种植、养殖和加工的良性循环，减少环境污染。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。目前，我国的沼气池工程正朝着设备标准化、模块化、自动化的方向发展。沼气成分的测定是维持沼气工程正常运行、确保沼气正常使用的重要环节。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。

1 工作原理

本系统通过各种传感器采集沼气池的环境信息，数据在STC/STM单片机处理之后以数码管或LCD屏显示出来。系统将同时允许授权的用户，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。单片机通过实时比对数据与设定的阈值，来决定是否采取预警措施，保障沼气池的安全和正常工作。

2 系统硬件设计

系统采用模块化设计，由单片机，传感器，数据显示模块，无线模块，报警电路，电平转换模块等组成的智能监测与报警系统。系统总方案图如图1所示。

系统通过各种传感器采集沼气池的环境信息，并通过数码管或LCD显示出来，可以在非规定工作时间内对沼气池安全进行监控，而后通过无线通信网络技术分析现场数据，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，通过分析数据与设定的数值，当测定数据超标时，通过预警系统通知客户或管理人员，保障沼气池的安全和正常工作。

2.1 系统总体结构

该模块化沼气池监测系统以单片机为控制中心，采用温度传感器、CO2传感器、甲烷浓度传感器等对沼气池进行在线实时监测，并通过显示模块显示出来，对各沼气池情况进行监测，通过无线通信可实现远程监测，进一步地通过串行通信可以在终端设备中进行集中管理。传感节点发送模块包括STC单片机或STM单片机、nRF24L01无线模块、LCD1602数据显示模块、DS18B20温度传感器、CO2传感器、沼气甲烷浓度传感器等检测模块、声光报警装置、键盘模块以及电源模块。监控接收模块包括单片机、nRF24L01无线模块、LCD1602数据显示模块、MAX232电平转换模块、PC机、键盘模块以及电源模块。主要器件有：单片机STC89C52、甲烷浓度传感器MQ-2、CO2传感器TGS4160、温度传感器DS18B20、无线模块nRF24L01、数字显示模块LCD1602、电平转换模块MAX232等。

2.2 模块设计

2.2.1 甲烷浓度检测模块

甲烷浓度传感器MQ-2是基于气体的吸收光谱随物质的不同而存在差异的原理制成的，将探测到甲烷气体的浓度并转换成电信号，经过单片机系统处理后输出，再送入显示电路，以实现对甲烷气体浓度的检测。

2.2.2 温度检测模块

温度传感器采用DS18B20 单线数字温度传感器，其具有独特的优点。检测模块主要包括DS18B20数字温度传感器以及上拉电阻构成，并且连接到MCU相应接口。

2.2.3 nRF24L01无线模块

nRF24L01是一款新型单片射频收发器件， 功耗低，在数据传输方面实现相对WiFi距离更远，具有自动应答和自动再发射功能； 输出功率频道选择和协议的设置可以通过SPI 接口进行设置。几乎可以连接到各种单片机芯片，并完成无线数据传送工作。在传感节点接受模块与监测接收模块中连接单片机进行数据的快速传输到数据显示模块以及终端设备实现沼气池内温度，甲烷及CO2浓度的远程监测。

2.2.4 CO2浓度检测模块

TGS4160是一种固态电化学型CO2传感器，该器件除具有体积小、寿命长、选择性和稳定性好等特性外，同时还具有耐高湿和耐低温等特点。因而可广泛用于自动通风换气系统或CO2气体的长期监测等应用场合。利用传感器通过高输入阻抗、低偏置电流的运放进行放大，再做一些简单的运算处理，就可以在CO2浓度为300～5000ppm的范围内测得信号，该信号为0～几百毫伏的电压信号，可以供高精度A/D采样使用。适合用于沼气池的环境下进行CO2浓度的检测。

2.2.5 电平转换模块

MAX232是一种双组驱动器/接收器，片内含有一个电容性电压发生器以便在单5V电源供电时提供EIA/TIA-232-E电平。具有功耗低，集成度高的特点。当用单片机和PC机通过串口进行通信，尽管单片机有串行通信的功能，但单片机提供的信号电平和RS232的标准不一样，因此要通过max232这种类似的芯片进行电平转换。使得单片机与PC机进行通信，实现数据传输，管理员可通过PC机监测沼气池内的环境。endprint

2.2.6 液晶显示模块

LCD1602数据显示器它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用。具有微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的特点。通过连接单片机的串口显示沼气池内监测到的数据信息。

2.2.7 报警电路

报警电路根据设置的CO2浓度，甲烷浓度，温度的阈值，在出现沼气池相关数据超标时，二极管和蜂鸣器导通，自动控制声光报警装置发出报警信息发出警报。

3 軟件设计

在系统实现开机操作之后，系统将调用模块实时监测沼气环境中各项指标的情况，如甲烷含量、CO2含量、PH值、温度等。各项数据将在STC/STM单片机的处理下，通过LCD1602数据显示模块实时滚动显示，达到时刻监控的效果。同时，数据还将经过无线模块传输至监控中心，系统将时刻将数据与设定的阈值进行比较。系统软件设计流程图如图2所示。

出于安全考虑，当工作人员远离监控岗位时，系统将会调用声光警报模块，一旦环境中的各项指标超过了设定的阈值，监控系统将通过远程终端（PC端或APP）提醒工作人员，以便及时采取措施。通过这样的设计，能够实现池内问题早发现、早预警、早处理。

4 结果分析

本系统以物联网技术为支撑，实时获取沼气池在发酵过程中池内甲烷含量、CO2含量、PH值、温度等指标，并通过显示模块实时显示，能够使监控中心的工作人员实时获取数据，保证沼气池发酵安全。

同时，系统的监测预警模块也会实时分析数据，在指标临近阈值时发出提醒，达到阈值时发出警报，及时告知工作人员。这样保证了即使远离工作岗位，也能及时采取措施。

5 结束语

文章所设计的沼气池环境监测系统，是为了适应现代农业发展而提出的方案。该系统可实现实时显示、实时预警的功能，具有安全、稳定、实用性强、可预警、可远程交互等优点，对于当代新型农业发展以及清洁能源建设有所帮助，在监测的同时也保障了安全。

参考文献：

[1]赵二摆.基于Android平台的沼气生产监测系统的研究与实现[D].南京信息工程大学，2014：71.

[2]戴国平，全力.太阳能沼气发电工程无线监测系统设计[J].低压电器，2012（01）：31-34.

[3]陈志远，张旭东，邢子正，等.基于小型沼气工程的监测报警系统[J].科技创新与应用，2017（07）：98.endprint