秸稈沼氣制取管理系統(tǒng)的研究

唐義鋒+王華東+張蓉蓉+于寶佺

摘要：本文研究一種秸稈沼氣生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控管理系統(tǒng)，通過(guò)GSM和GPRS對(duì)各分戶進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建與網(wǎng)絡(luò)管理，采用短信息方式將測(cè)量數(shù)據(jù)從移動(dòng)終端上傳到監(jiān)控管理系統(tǒng)中，進(jìn)而進(jìn)行必要的生產(chǎn)指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能最優(yōu)化。研究沼氣池運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的測(cè)試方案，給出一種基于GSM系統(tǒng)的組網(wǎng)方案與信息的傳送格式，分析了系統(tǒng)各模塊的硬件結(jié)構(gòu)，說(shuō)明了AT指令進(jìn)行短信收發(fā)的過(guò)程。

關(guān)鍵詞：沼氣制取 GSM管理系統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 分析 移動(dòng)測(cè)量終端 數(shù)據(jù)格式

1 概述

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度的不斷加快，能源越來(lái)越成為制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要因素。因此，積極開(kāi)發(fā)新能源、研制節(jié)能產(chǎn)品、提高能源利用效率已成為解決能源問(wèn)題的有效方法和途徑。我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國(guó)，每年約生產(chǎn)7億噸農(nóng)作物秸稈，除用于造紙、飼料以及還田外，還有約3.7億噸秸稈可用作生物質(zhì)能源。沼氣是一種優(yōu)質(zhì)可再生的能源，利用秸稈作為沼氣制取的原料，已在我國(guó)農(nóng)村得到了較好的開(kāi)發(fā)利用，它不僅解決了用戶的生活用能問(wèn)題，同時(shí)也避免了秸桿焚燒等現(xiàn)象發(fā)生，起到保護(hù)生態(tài)環(huán)境的作用。沼氣在農(nóng)村的廣泛使用有效地緩解了我國(guó)常規(guī)能源緊張的狀況，對(duì)于促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展和改善生態(tài)環(huán)境意義重大。但沼氣系統(tǒng)建成后用戶只知道使用，缺乏專(zhuān)業(yè)的日常維護(hù)知識(shí)，導(dǎo)致系統(tǒng)損壞，產(chǎn)氣效率不高，甚至在制取過(guò)程中存在很大的浪費(fèi)，如用氣高峰期產(chǎn)氣不足，低谷期產(chǎn)氣過(guò)剩，此時(shí)，大部分多余氣體直接排入大氣中，造成二次污染。在國(guó)外，主要研究“四位一體”生態(tài)模式的大型的智能化沼氣管控系統(tǒng)，如意大利的AMBIENTALIA的 “AmBioGas”沼氣智能管理系統(tǒng)，加拿大肯高迪亞大學(xué)Ahmad Qasaimeh研究的“MSW”垃圾填埋產(chǎn)生沼氣的監(jiān)控系統(tǒng)等。

本文研究一種秸稈沼氣生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控管理系統(tǒng)，通過(guò)GSM和GPRS對(duì)各分戶進(jìn)行組網(wǎng)管理。通過(guò)專(zhuān)人定期檢測(cè)與指導(dǎo)，以提高沼氣產(chǎn)能，減少資源浪費(fèi)。

2 系統(tǒng)的功能分析

本系統(tǒng)主要包括主機(jī)和移動(dòng)測(cè)量終端兩大部分，主機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)管理等軟件建立各分立用戶的技術(shù)檔案，能通過(guò)歷史數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)兩種途徑對(duì)各分立用戶進(jìn)行技術(shù)指導(dǎo)；移動(dòng)測(cè)量終端具有甲烷濃度、池液pH值測(cè)量及身份識(shí)證等功能，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)向主機(jī)發(fā)送測(cè)量數(shù)據(jù)信息，并接收主機(jī)返回的指導(dǎo)信息等。

3 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的總體解決方案可分解為三個(gè)部分，即主機(jī)界面與數(shù)據(jù)庫(kù)部分、可移動(dòng)測(cè)量終端部分、數(shù)據(jù)傳輸部分。前兩部分為基本部分，而數(shù)據(jù)傳輸部分的不同則決定著系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與相關(guān)軟件的設(shè)計(jì)。

方案一采用帶有GSM和GPRS功能的移動(dòng)終端，通過(guò)SIM卡將測(cè)量數(shù)據(jù)上傳給主機(jī)，接收來(lái)自主機(jī)的指導(dǎo)信息。對(duì)各分戶進(jìn)行過(guò)程管理。即以GSM的SMS或GPRS功能為無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d體，為間隙式測(cè)量傳輸方案。

方案二采用ZigBee技術(shù)構(gòu)建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，在無(wú)線管理系統(tǒng)局域網(wǎng)中，各用戶的固定終端測(cè)量節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)，通過(guò)研發(fā)的主機(jī)管理系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，實(shí)時(shí)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程等信息進(jìn)行記錄并做出指導(dǎo)。也可將固定終端測(cè)量節(jié)點(diǎn)作為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)使用，以減少終端測(cè)量節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)與成本，實(shí)現(xiàn)方案一的功能。

因此，上述兩種方案均為可行方案，其中，方案一、二中的終端測(cè)量節(jié)點(diǎn)均可作為技術(shù)人員巡回操作的網(wǎng)絡(luò)化終端節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)間隙式測(cè)量與運(yùn)行指導(dǎo)；方案二還可以將用戶節(jié)點(diǎn)作為固定的終端節(jié)點(diǎn)，即每個(gè)分立用戶均配備一套終端測(cè)量節(jié)點(diǎn)，形成在線式實(shí)時(shí)管理系統(tǒng)，可有效提高各種參數(shù)采集的實(shí)時(shí)性，做到系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)管理，同時(shí)可使系統(tǒng)具有相對(duì)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，可擴(kuò)充性強(qiáng)，但成本較高，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，可作為第二步推廣使用。為此，本文選用方案一進(jìn)行組網(wǎng)設(shè)計(jì)。

4 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析

在以SIM卡為中心的管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，以村民小組為單位，通過(guò)多個(gè)移動(dòng)測(cè)量終端組成樹(shù)型結(jié)構(gòu)。也可根據(jù)技術(shù)人員的配備及村組用戶的數(shù)量，使用一個(gè)移動(dòng)測(cè)量終端組成星型結(jié)構(gòu)。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)由用戶組、移動(dòng)終端和帶ZTK模塊的遠(yuǎn)程監(jiān)控中心三部分組成。

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圖1 管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意

5 移動(dòng)測(cè)量終端方案設(shè)計(jì)

沼氣生產(chǎn)中甲烷濃度、池液pH值是最重要的參數(shù)，通過(guò)它可確定更換生產(chǎn)原料和池液的時(shí)間，從而達(dá)到最大產(chǎn)能；目前國(guó)內(nèi)所用的測(cè)量?jī)x器大多為功能單一的獨(dú)立設(shè)備，分別進(jìn)行甲烷濃度和pH值的測(cè)量，使用不方便，總價(jià)也較高。無(wú)法進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)有關(guān)資料，甲烷濃度的檢測(cè)方法主要有熱催化法、熱導(dǎo)檢測(cè)法、光學(xué)甲烷檢測(cè)法、氣敏半導(dǎo)體檢測(cè)法、相干光干涉法、光聲氣體檢測(cè)法和基于紅外吸收的甲烷氣體檢測(cè)法等，其中，不少方法已用于甲烷氣體濃度的高精度測(cè)量中，而pH值則大多采用pH電極進(jìn)行測(cè)量。本文將一種紅外吸收的甲烷氣體檢測(cè)傳感器MH-741A、pH值測(cè)量模塊、身份識(shí)別及無(wú)線傳輸模塊相融合，形成一個(gè)具有測(cè)量與指導(dǎo)功能的移動(dòng)終端，其原理框圖如圖2所示。其硬件結(jié)構(gòu)主要有CPU、ZTK、存儲(chǔ)、顯示、鍵盤(pán)、身份識(shí)別、pH測(cè)量、甲烷測(cè)量及電源等部分。系統(tǒng)在CPU的控制下有序工作。

6 主機(jī)監(jiān)控管理軟件及基于SMS的數(shù)據(jù)格式設(shè)計(jì)

采用VB、LabVIEW等工具軟件，開(kāi)發(fā)出圖形化人機(jī)交互界面，形成相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)測(cè)與建檔，同時(shí)通過(guò)專(zhuān)家系統(tǒng)進(jìn)行指導(dǎo)信息的提取和發(fā)布，實(shí)現(xiàn)管理過(guò)程的圖表化與可視化，方便管理與指導(dǎo)。

系統(tǒng)的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸部分采用ALIENTEK推出ZTK-SIM900A-V12模塊實(shí)現(xiàn)，該模塊為工業(yè)級(jí) GSM/GPRS 模塊，工作電壓為5V～24V。其核心部分采用SIMCOM公司的工業(yè)級(jí)雙頻GSM/GPRS的SIM900A模塊，工作頻段雙頻：900/1800Mhz，可以低功耗實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸。

在系統(tǒng)中，ZTK-SIM900A模塊通過(guò)RS232串口與主機(jī)或測(cè)量終端的測(cè)量部分相聯(lián)接，從而使系統(tǒng)具有語(yǔ)音、短信和GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。由于設(shè)備的測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)適時(shí)性要求不高，間隙傳送的信息量較小，采用GSM的短信息功能中的文本模式即可滿足設(shè)計(jì)要求，其SMS的數(shù)據(jù)格式定義如表1所示。endprint

表1 SMS的數(shù)據(jù)格式定義

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信息傳輸過(guò)程如下，移動(dòng)終端測(cè)量某用戶的數(shù)據(jù)并將其按照上述格式轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)化的短信息，在本機(jī)SIM卡的支持下，通過(guò)SIM900A模塊給主機(jī)ZTK的SIM號(hào)碼發(fā)送數(shù)據(jù)短信。主機(jī)收到短信后進(jìn)行智能化查詢，并向移動(dòng)終端回發(fā)指導(dǎo)信息以完成一次各用戶的測(cè)量與指導(dǎo)操作。信息發(fā)送時(shí)，發(fā)送端用ATE1設(shè)置回顯模式，AT+CSCS=

"GSM"設(shè)置為"GSM"字符集，AT+CMGF=1文本模式。如發(fā)AT+CMGS="+13016578127"后，在模塊返回：>時(shí)，發(fā)送格式化短信內(nèi)容例如：M0010000000000000000 this is my test，發(fā)送1A（即0X1A）啟動(dòng)一次短信發(fā)送；接收端指令時(shí)AT+CMGF=1，設(shè)置為文本模式，AT+CSCS=

"GSM"，設(shè)置GSM字符集，AT+CNMI=2，1，設(shè)置新消息提示。當(dāng)接收到一條新短信后，會(huì)提示如：+CMTI： "SM"，n，表明收到了新的短信，存放在SIM卡位置n。發(fā)送AT+CMGR=n，讀取該短信并進(jìn)行下一步響應(yīng)。

7 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)秸稈沼氣生產(chǎn)管理系統(tǒng)功能的研究，提出一種基于SIM卡技術(shù)的解決方案，對(duì)移動(dòng)終端GSM和GPRS等功能進(jìn)行了研究與應(yīng)用，采用可視化程序設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用技術(shù)，開(kāi)發(fā)出圖形化人機(jī)交互界面，形成相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)管理過(guò)程的圖表化與可視化，給出一種短信息交互的處理格式及信息收發(fā)的流程。

參考文獻(xiàn)：

[1]李志坤.甲烷濃度與沼氣檢漏報(bào)警一體化測(cè)試儀的研制[J].農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備，2010（6）.

[2]唐義鋒.維修電工與實(shí)訓(xùn)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2013.12

[3]唐義鋒，陳新華，馮輝.溫室環(huán)境監(jiān)控?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)[J].湖南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010（10）.

[4]李硯飛.河北青縣秸稈沼氣工程運(yùn)行模式與管理經(jīng)驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)（新能源產(chǎn)業(yè)），2010（08）.

[5]溫婧.江蘇省金壇市秸稈沼氣工程運(yùn)行模式與管理經(jīng)驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)（新能源產(chǎn)業(yè)），2010（08）.

基金項(xiàng)目：本文為江蘇省教育廳基金項(xiàng)目（編號(hào)：JHB2012-84）的研究成果。endprint

表1 SMS的數(shù)據(jù)格式定義

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信息傳輸過(guò)程如下，移動(dòng)終端測(cè)量某用戶的數(shù)據(jù)并將其按照上述格式轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)化的短信息，在本機(jī)SIM卡的支持下，通過(guò)SIM900A模塊給主機(jī)ZTK的SIM號(hào)碼發(fā)送數(shù)據(jù)短信。主機(jī)收到短信后進(jìn)行智能化查詢，并向移動(dòng)終端回發(fā)指導(dǎo)信息以完成一次各用戶的測(cè)量與指導(dǎo)操作。信息發(fā)送時(shí)，發(fā)送端用ATE1設(shè)置回顯模式，AT+CSCS=

"GSM"設(shè)置為"GSM"字符集，AT+CMGF=1文本模式。如發(fā)AT+CMGS="+13016578127"后，在模塊返回：>時(shí)，發(fā)送格式化短信內(nèi)容例如：M0010000000000000000 this is my test，發(fā)送1A（即0X1A）啟動(dòng)一次短信發(fā)送；接收端指令時(shí)AT+CMGF=1，設(shè)置為文本模式，AT+CSCS=

"GSM"，設(shè)置GSM字符集，AT+CNMI=2，1，設(shè)置新消息提示。當(dāng)接收到一條新短信后，會(huì)提示如：+CMTI： "SM"，n，表明收到了新的短信，存放在SIM卡位置n。發(fā)送AT+CMGR=n，讀取該短信并進(jìn)行下一步響應(yīng)。

7 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)秸稈沼氣生產(chǎn)管理系統(tǒng)功能的研究，提出一種基于SIM卡技術(shù)的解決方案，對(duì)移動(dòng)終端GSM和GPRS等功能進(jìn)行了研究與應(yīng)用，采用可視化程序設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用技術(shù)，開(kāi)發(fā)出圖形化人機(jī)交互界面，形成相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)管理過(guò)程的圖表化與可視化，給出一種短信息交互的處理格式及信息收發(fā)的流程。

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[5]溫婧.江蘇省金壇市秸稈沼氣工程運(yùn)行模式與管理經(jīng)驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)（新能源產(chǎn)業(yè)），2010（08）.

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表1 SMS的數(shù)據(jù)格式定義

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信息傳輸過(guò)程如下，移動(dòng)終端測(cè)量某用戶的數(shù)據(jù)并將其按照上述格式轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)化的短信息，在本機(jī)SIM卡的支持下，通過(guò)SIM900A模塊給主機(jī)ZTK的SIM號(hào)碼發(fā)送數(shù)據(jù)短信。主機(jī)收到短信后進(jìn)行智能化查詢，并向移動(dòng)終端回發(fā)指導(dǎo)信息以完成一次各用戶的測(cè)量與指導(dǎo)操作。信息發(fā)送時(shí)，發(fā)送端用ATE1設(shè)置回顯模式，AT+CSCS=

"GSM"設(shè)置為"GSM"字符集，AT+CMGF=1文本模式。如發(fā)AT+CMGS="+13016578127"后，在模塊返回：>時(shí)，發(fā)送格式化短信內(nèi)容例如：M0010000000000000000 this is my test，發(fā)送1A（即0X1A）啟動(dòng)一次短信發(fā)送；接收端指令時(shí)AT+CMGF=1，設(shè)置為文本模式，AT+CSCS=

"GSM"，設(shè)置GSM字符集，AT+CNMI=2，1，設(shè)置新消息提示。當(dāng)接收到一條新短信后，會(huì)提示如：+CMTI： "SM"，n，表明收到了新的短信，存放在SIM卡位置n。發(fā)送AT+CMGR=n，讀取該短信并進(jìn)行下一步響應(yīng)。

7 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)秸稈沼氣生產(chǎn)管理系統(tǒng)功能的研究，提出一種基于SIM卡技術(shù)的解決方案，對(duì)移動(dòng)終端GSM和GPRS等功能進(jìn)行了研究與應(yīng)用，采用可視化程序設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用技術(shù)，開(kāi)發(fā)出圖形化人機(jī)交互界面，形成相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)管理過(guò)程的圖表化與可視化，給出一種短信息交互的處理格式及信息收發(fā)的流程。

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