太陽(yáng)能沼氣池遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)研究

李 莉

(南通農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電系，江蘇 南通 226007)

中國(guó)北方冬季氣溫普遍偏低，農(nóng)村戶用沼氣池根本無法正常工作, 冬季幾乎不產(chǎn)氣。為了解決冬季產(chǎn)氣率低的問題，可通過多種方法來實(shí)現(xiàn)，比如優(yōu)化沼液溫度、原料碳氮比、總固體濃度、沼液PH值等厭氧發(fā)酵環(huán)境參量。經(jīng)研究表明溫度是影響厭氧微生物生命活動(dòng)的重要因素，沼氣發(fā)酵溫度的高低，對(duì)沼氣池的產(chǎn)氣效率影響很大，當(dāng)溫度增高到53℃～55℃時(shí)沼氣池微生物中的高溫菌活躍，產(chǎn)沼氣速度最快。中溫發(fā)酵溫度在40℃以下時(shí)，產(chǎn)氣率隨溫度上升而增加，發(fā)酵液溫度控制在 37℃左右是中溫發(fā)酵的一個(gè)最佳活性溫區(qū)，池溫在12℃～15℃時(shí)產(chǎn)氣量已經(jīng)很少，8℃以下基本不產(chǎn)氣，[1]因此增加發(fā)酵液溫度可有效提高厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量。本文通過研究分析沼氣厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣特性、發(fā)酵裝置的增溫保溫特點(diǎn)以及厭氧發(fā)酵器內(nèi)部的溫度變化規(guī)律，結(jié)合太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)沼氣池內(nèi)環(huán)境參量的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

1 監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

將太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)作為沼氣池上蓋，設(shè)計(jì)開發(fā)沼氣池測(cè)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)沼液溫度、沼氣池壓力、沼液PH值等參量的可控化。通過太陽(yáng)能集熱裝置采光，把吸收的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變成熱能，經(jīng)過電導(dǎo)熱管輸送到玻璃鋼沼氣罐，提高沼氣池的溫度而實(shí)現(xiàn)恒溫，達(dá)到一年四季都可以使用的最佳效果。[2]對(duì)厭氧反應(yīng)器的發(fā)酵溫度、壓力和沼液PH值實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)控，監(jiān)控系統(tǒng)采用C/S結(jié)構(gòu)即客戶機(jī)和服務(wù)器結(jié)構(gòu)，主要由信號(hào)數(shù)據(jù)采集板(溫濕度傳感器，壓力傳感器等)，智能控制芯片，無線傳輸模塊，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊等組成，如圖1所示。將采集到的數(shù)據(jù)通過無線通信裝置上傳至遠(yuǎn)端監(jiān)測(cè)中心，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心讀取沼液溫度、沼氣壓力、大氣溫濕度、PH值等信息并通過上位機(jī)顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)產(chǎn)生數(shù)據(jù)報(bào)表。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

2 下位機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

下位機(jī)硬件主要由CPU數(shù)據(jù)處理模塊、傳感器數(shù)據(jù)采集模塊與無線通信模塊等組成。由壓力傳感器、溫度傳感器、PH值傳感器等將待測(cè)量的非電量信號(hào)轉(zhuǎn)化為電量，傳感器輸出的電量信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路調(diào)整后，然后由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。計(jì)算機(jī)輸出的控制指令由D/A轉(zhuǎn)換模塊，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)，通過對(duì)蠕動(dòng)泵或電磁閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制，實(shí)現(xiàn)各溫度、壓力等參數(shù)的調(diào)控。

2.1CPU核心模塊及無線通信模塊。

核心控制芯片選用MSP430，MSP430系列是TI公司近幾年推出的低功耗16位單片機(jī)系列，該系列具有豐富的尋址方式、高效的16位RISC內(nèi)核、簡(jiǎn)潔的內(nèi)核指令以及高效的查表處理方式。本文選用高速特性的MSP430F247單片機(jī)，工作環(huán)境溫度范圍為-40℃～+85℃，有48 個(gè)I/O 口線，16個(gè)中斷源可實(shí)現(xiàn)中斷嵌套，帶有12位的A/D與D/A轉(zhuǎn)換器，ROM、RAM、Flash多達(dá)64KB的尋址空間，MSP430集成了通用的SPI接口、UART接口、I2C 接口，簡(jiǎn)化了CPU與外設(shè)的通信。MSP430通過外部總線擴(kuò)展了1片NORFlash(SST39VF1601)和1片SDRAM(HY57V561620)，通過擴(kuò)展的存儲(chǔ)器來運(yùn)行程序與存儲(chǔ)采集到的數(shù)據(jù)。

無線傳輸模塊選用挪威公司推出的NRF905芯片，工作電壓為1.9 V～3.6V，具有功耗低、傳輸速度快、使用簡(jiǎn)單等眾多優(yōu)點(diǎn)，nRF905利用SPI接口實(shí)現(xiàn)與MSP430F247主控芯片的雙向通信，四個(gè)SPI總線接口引腳：MISO、MOSI、CSN、SCK與MSP430F247的SPI接口連接。nRF905的輸入輸出信號(hào)與MSP430F247的其他幾個(gè)I/O相連接。nRF905室內(nèi)傳輸距離40米左右，室外無障礙低功耗(10～1mW)的情況下無線數(shù)傳模塊距離可達(dá)500米，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信，又可通過跳頻與改頻來避免干擾，非常適合本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。

當(dāng)MSP430控制器有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，通過SPI接口將數(shù)據(jù)傳送到nRF905，MSP430通過SPI總線將待發(fā)送的地址與數(shù)據(jù)都寫入相應(yīng)的寄存器，將TRE_EN和TX_CE置于高電壓，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送，當(dāng)TRE_CE被置低，RF905發(fā)送過程完成進(jìn)入空閑模式。當(dāng)TRX_CE為高TX_EN為低時(shí)RF905開始接收數(shù)據(jù)，當(dāng)所有數(shù)據(jù)接收完畢，把DR引腳和AM引腳置低，如表1所示。

表1 nRF905工作模式配置表

2.2傳感器數(shù)據(jù)采集模塊。

本文選用的溫度傳感器為DALLAS公司生產(chǎn)的DS18B20，DS18B20是單總線智能型數(shù)字溫度傳感器，能夠?qū)y(cè)量到的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出，精確度高；不需要經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換、采樣、量化、編碼等過程，使得設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便。每個(gè)DS18B20具有一個(gè)64位獨(dú)一無二的序列號(hào)，可以看作是該DS18B20的地址系列號(hào)，根據(jù)DS18B20的單總線特性，可實(shí)現(xiàn)一個(gè)總線上掛載多個(gè)DS18B20組成傳感器網(wǎng)絡(luò)。單片機(jī)會(huì)根據(jù)固化程序中的邏輯地址在EEPROM中查找對(duì)應(yīng)的DS18B20序列號(hào)，從而找到需要訪問的溫度傳感器，由于DS18B20與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送，在對(duì)DS18B20進(jìn)行讀/寫編程，依據(jù)單總線工作協(xié)議流程：初始化-ROM操作指令-存儲(chǔ)器操作指令-數(shù)據(jù)傳輸。微處理器讀取溫度傳感器所采集到的信號(hào)，經(jīng)過簡(jiǎn)單處理后通過無線模塊發(fā)送到上位機(jī)中，并且通過微處理器控制報(bào)警模塊，在溫度超過預(yù)設(shè)的警戒值時(shí)進(jìn)行報(bào)警。

PH值測(cè)量，利用氫離子敏感的復(fù)合玻璃電極得到的微弱信號(hào)進(jìn)行放大，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送給MSP430控制終端，通過控制系統(tǒng)調(diào)整沼氣發(fā)酵的最合適 pH 值(6.8～7.4左右)。壓力傳感器模塊采用Ms5540C芯片，實(shí)現(xiàn)沼氣池壓力的檢測(cè)與調(diào)控。

3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1上位機(jī)監(jiān)控主面板。

使用的軟件開發(fā)平臺(tái)是 LabVIEW2012，對(duì)工程師而言LabVIEW的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在兩方面：一方面是針對(duì)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析與信號(hào)處理提供了豐富完善的功能模塊，用戶只需直接調(diào)用。[3]另一方面編程簡(jiǎn)單，易于上手。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)主面板

監(jiān)控主面板包括：系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集部分、顯示窗口、報(bào)警指示模塊、數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)以及報(bào)表生成等各部分，[4]如圖2所示。數(shù)據(jù)采集之前先通過LabVIEW將串口初始化后，通過串口和MSP430控制芯片進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)沼液溫度、沼氣池壓力、大氣溫濕度等數(shù)據(jù)采集，采集之前需要配置端口號(hào)、波特率、停止位、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)方式等串口通訊參數(shù)，通過顯示窗口呈現(xiàn)當(dāng)前及歷史數(shù)據(jù)，采用微軟的Access數(shù)據(jù)庫(kù)軟件來完成對(duì)所采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，并通過遠(yuǎn)程用戶界面的操作按鈕來實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的索引提取。

3.2下位機(jī)軟件。

C語言功能豐富，可移植性好，且目標(biāo)程序可執(zhí)行效率高，對(duì)硬件的控制能力強(qiáng)，本系統(tǒng)的下位機(jī)軟件部分就是采用C語言進(jìn)行編寫的。首先對(duì)系統(tǒng)各部分進(jìn)行初始化操作，初始化堆棧、無線模塊、看門狗等；設(shè)定系統(tǒng)溫度、壓力、PH值等的上下限報(bào)警值，進(jìn)入溫度、壓力等數(shù)據(jù)采集和處理程序；當(dāng)采集處理完畢后調(diào)用顯示子程序；接著調(diào)用無線模塊子程序?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)通過無線方式傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，同時(shí)通過無線子程序接收上位機(jī)發(fā)出的信息；當(dāng)所測(cè)數(shù)值超出所設(shè)定的上下限報(bào)警值時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警，如圖3所示。

圖3 應(yīng)用程序流程圖

4 結(jié)果與討論

通過連續(xù)兩個(gè)月每天采集沼氣池累積產(chǎn)氣量數(shù)據(jù)，將常溫沼氣池與太陽(yáng)能加熱的恒溫沼氣池(冬季23℃)累積的沼氣產(chǎn)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，將統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與夏季中溫(37℃)厭氧發(fā)酵數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析如圖4所示，研究不同發(fā)酵溫度下對(duì)累積沼氣產(chǎn)量的影響。

圖4 不同溫度對(duì)累積產(chǎn)氣量的影響

溫度越高，微生物代謝越快。中溫發(fā)酵較低溫發(fā)酵反應(yīng)速度要快得多，產(chǎn)氣周期要短。比較了在中溫(37℃)、冬季23℃和常溫(環(huán)境溫度)條件下，厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣速率的區(qū)別，結(jié)果顯示，在提高沼氣池產(chǎn)氣量方面，中溫37℃較其它溫度發(fā)酵產(chǎn)氣速度要快得多，未采取保溫增溫措施的沼氣池冬季幾乎不產(chǎn)氣，而太陽(yáng)能恒溫沼氣池冬季僅在發(fā)酵前期有一個(gè)停滯階段，除此之外完全可以正常產(chǎn)氣。[5]

5 結(jié)論

針對(duì)我國(guó)偏北地區(qū)冬季戶用沼氣池，因料液溫度過低無法正常發(fā)酵產(chǎn)沼氣的情況，本文提出了利用太陽(yáng)能為沼氣池增溫，保持料液溫度；提出了基于客戶機(jī)和服務(wù)器結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證該系統(tǒng)可有效提高池溫(冬季池溫可達(dá)23℃)，保證了沼氣池冬季的正常產(chǎn)氣，解決了北方冬季戶用沼氣池?zé)o法正常工作的問題。

[1]王艷芹.不同措施對(duì)北方地區(qū)冬季戶用沼氣池料液溫度及產(chǎn)氣量的影響[J].中國(guó)沼氣,2010,28(5):31-34.

[2]李麗麗.太陽(yáng)能沼氣池自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真[J].傳感器與微系統(tǒng), 2011,30(9):109-114.

[3]劉瑩,卜雄洙．基于Labview 的數(shù)據(jù)采集和無線通信系統(tǒng)的開發(fā)[J]．測(cè)控技術(shù),2006,25(2):22-23,29.

[4]戴國(guó)平.太陽(yáng)能沼氣發(fā)電工程無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].低壓電器,2012(1):31-34.

[5]宋珍偉. 基于LabVIEW的太陽(yáng)能沼氣工程無線測(cè)控系統(tǒng)研究[J].電器與能效管理技術(shù),2014(11):45-48.