好氧發(fā)酵無線溫濕度控制平臺研究*

劉冠雄，李愛傳※，李吉進，胡 軍

（1. 黑龍江八一農(nóng)墾大學電氣與信息學院，大慶163319；2. 北京市農(nóng)林科學院植物營養(yǎng)與資源研究所，北京100097）

0 引言

我國是農(nóng)業(yè)大國，每年生產(chǎn)9億t左右秸稈，但其利用率不足40%［1］；同時生產(chǎn)38億t畜禽糞便，利用率不足60%［2］。由于處理不當，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中制造的大量有機廢棄物沒能合理利用，反而成為了嚴重的環(huán)境污染源，給環(huán)境保護造成了巨大壓力［3］。

堆肥化是將有機固體廢棄物通過堆肥發(fā)酵實現(xiàn)無害化、減量化和資源化的有效途徑。由于好氧發(fā)酵堆肥產(chǎn)生的高溫可以殺死有機廢棄物中的病原菌，同時高溫菌在發(fā)酵過程中對有機質(zhì)的降解速度快，因此目前大多數(shù)發(fā)酵堆肥采用高溫好氧發(fā)酵的堆肥方式［4-5］。

文章建立的好氧發(fā)酵無線溫濕度控制平臺，主要作用于反應(yīng)器式好氧發(fā)酵堆肥處理。以單片機作為下位機控制核心，控制溫濕度傳感器對發(fā)酵堆體不同深度的發(fā)酵點位溫濕度進行實時監(jiān)測。通過無線數(shù)傳模塊，將檢測到的溫濕度數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C軟件，由上位機將采集數(shù)據(jù)顯示并存儲到數(shù)據(jù)庫當中。同時，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)對發(fā)酵的階段和狀態(tài)進行評定，發(fā)送適合發(fā)酵環(huán)境的溫濕度閾值到下位機，由下位機根據(jù)溫濕度閾值判斷當前環(huán)境狀態(tài)下是否需要進行電氣調(diào)控，繼而驅(qū)動電氣控制設(shè)備的電磁閥開閉，輔助調(diào)整發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)的溫濕度值，使發(fā)酵堆體處于最優(yōu)發(fā)酵環(huán)境。

1 平臺整體搭建

該平臺主要通過監(jiān)測好氧發(fā)酵反應(yīng)器堆體內(nèi)4個不同深度點位（5 cm、10 cm、20 cm、40 cm）的溫濕度變化，為好氧發(fā)酵反應(yīng)器的堆肥生產(chǎn)提供指導意見以及控制決策。整個平臺由下位機—無線傳輸模塊—上位機—數(shù)據(jù)庫—電氣控制設(shè)備5個部分組成。以STC15F2K60S2單片機作為下位機控制核心，控制SHT11溫濕度傳感器對發(fā)酵堆體不同深度的溫濕度值進行實時監(jiān)測。通過jzx875無線數(shù)傳模塊，將檢測到的溫濕度數(shù)據(jù)，經(jīng)由無線信道，傳輸?shù)交赩isual Studio 2010搭建的上位機軟件系統(tǒng)當中，由上位機進行采集數(shù)據(jù)的顯示和存儲，并根據(jù)所采集的數(shù)值對發(fā)酵狀態(tài)進行評定，判斷當前發(fā)酵階段下的最佳溫濕度區(qū)間，繼而發(fā)送溫濕度閾值到下位機系統(tǒng)，由下位機根據(jù)溫濕度閾值判斷是否需要對發(fā)酵環(huán)境進行電氣調(diào)控，繼而驅(qū)動繼電器控制電氣設(shè)備的電磁閥開閉，使發(fā)酵堆體處于最佳發(fā)酵環(huán)境下。除此之外，通過上位機軟件可以查詢數(shù)據(jù)庫中發(fā)酵反應(yīng)的歷史數(shù)據(jù)，查看發(fā)酵堆體的溫濕度實時變化，同時掌握農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)對于當前發(fā)酵狀態(tài)的指導意見。

2 硬件部分設(shè)計

該設(shè)計的硬件部分，由下位機控制系統(tǒng)和無線通訊系統(tǒng)組成。下位機控制系統(tǒng)主要由STC15F2K60S2單片機、12864液晶顯示屏、SHT11溫濕度傳感器、TTL轉(zhuǎn)RS485模塊、蜂鳴器報警裝置、LED報警指示燈、繼電器和電源模塊組成。

2.1 下位機控制系統(tǒng)及電路設(shè)計

下位機系統(tǒng)的控制核心選擇宏晶科技的STC15F2K60S2單片機，具有運行速率高、超低功耗等優(yōu)點，其性價比遠超工控車間常用的PLC和ARM系列控制系統(tǒng)。12864液晶顯示器用來顯示好氧發(fā)酵反應(yīng)器中4個不同深度發(fā)酵點位的溫濕度和溫濕度閾值。反應(yīng)器內(nèi)多點溫濕度由SHT11溫濕度傳感器實時檢測，使用單總線與單片機控制器進行通信，并顯示到12864液晶顯示屏上。將TTL轉(zhuǎn)RS485模塊的TTL側(cè)連接到單片機串口TXD、RXD，另一側(cè)連接到j(luò)zx875無線通訊模塊的A模塊，即可實現(xiàn)單片機將采集數(shù)據(jù)發(fā)送到無線傳輸模塊，進行無線傳輸。選用有源蜂鳴器和發(fā)光二極管完成反應(yīng)器溫濕度自動控制系統(tǒng)的報警工作環(huán)節(jié)。下位機系統(tǒng)的電路設(shè)計如圖1所示。KA1、KA2、KA3為5V直流繼電器，用單片機驅(qū)動三極管作為繼電器開關(guān)，實現(xiàn)用小電流控制大電流的電氣控制操作。

圖1 下位機系統(tǒng)電路Fig.1 The circuit diagram of lower computer system

在蜂鳴器報警電路以及繼電器控制電路中，通過單片機I/O口輸出高電平信號時，信號經(jīng)過限流電阻到達NPN三極管基極，使三極管導通形成回路，從而驅(qū)動蜂鳴器BUZ1報警以及5 V直流繼電器開始吸合動作。系統(tǒng)設(shè)置2個紅色LED燈（D1，D4）、2個藍色LED燈（D3，D6）和2個綠色LED燈（D2，D5），用于顯示發(fā)酵監(jiān)測的狀態(tài)標志。系統(tǒng)通過AC220V進行供電，經(jīng)電源模塊穩(wěn)壓濾波后得到5V DC電壓，以滿足單片機下位機系統(tǒng)的供電需求。

2.2 無線通訊系統(tǒng)

無線通訊系統(tǒng)包括jzx875無線通訊模塊和RS485轉(zhuǎn)USB模塊。jzx875無線通訊模塊是高集成度的小功率半雙工無線數(shù)傳模塊，其內(nèi)部采用透明傳輸?shù)姆绞?，無須用戶編寫設(shè)置與傳輸?shù)某绦?，即可無線傳輸任何大小的數(shù)據(jù)。模塊的通訊傳輸需要模塊A和模塊B配對使用，交替作為數(shù)據(jù)發(fā)送方和數(shù)據(jù)接收方［6］。

該設(shè)計采用jzx875無線通訊模塊的RS485接口作為數(shù)據(jù)傳輸接口。當單片機采集到溫濕度檢測數(shù)據(jù)，通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)出，經(jīng)過TTL轉(zhuǎn)RS485模塊進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，以RS485接口形式連接到j(luò)zx875無線通訊模塊的模塊A，由模塊A將采集數(shù)據(jù)經(jīng)由無線傳輸信道，以發(fā)送給接收端模塊B，模塊B將采集數(shù)據(jù)接收后，經(jīng)RS485轉(zhuǎn)USB模塊，將接收數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C軟件中進行數(shù)據(jù)的顯示、存儲，并根據(jù)當前發(fā)酵階段和發(fā)酵狀態(tài)，由上位機將溫濕度調(diào)控閾值發(fā)送給jzx875模塊B，傳回指令到無線模塊A，最后傳輸?shù)较挛粰C控制系統(tǒng)。根據(jù)返回的指令內(nèi)容，設(shè)置匹配當前發(fā)酵階段的溫濕度閾值。無線通訊系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 無線通訊系統(tǒng)Fig.2 Wireless communication system

3 上位機軟件系統(tǒng)設(shè)計

該系統(tǒng)上位機軟件部分，基于Microsoft Visual Studio 2010編譯環(huán)境采用C++編程語言進行編寫。軟件部分主要負責接收下位機監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行顯示、存儲，并根據(jù)采集的數(shù)據(jù)，評定當前發(fā)酵狀態(tài)，同時將溫濕度閾值經(jīng)jzx875無線傳輸?shù)较挛粰C，為溫濕度調(diào)控設(shè)定監(jiān)測閾值。軟件系統(tǒng)主要由實時監(jiān)控、閾值設(shè)定、歷史數(shù)據(jù)、專家系統(tǒng)4個功能界面組成［7］。

3.1 實時監(jiān)控界面

實時監(jiān)控界面將采集數(shù)據(jù)以文字和圖表兩種形式進行顯示、更新，方便系統(tǒng)管理人員實時掌握發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)的環(huán)境變化，同時將采集得到的數(shù)據(jù)存儲到本地數(shù)據(jù)庫當中，作為專家系統(tǒng)給出發(fā)酵評定的參考依據(jù)。實時監(jiān)測界面如圖3所示。其中，接收數(shù)據(jù)框內(nèi)由左到右依次分別為5 cm、10 cm、20 cm、40 cm處傳感器檢測到的溫濕度數(shù)據(jù)。圖3紅色曲線為監(jiān)測點位的溫度變化曲線，綠色曲線為檢測點位的濕度變化曲線。用戶可以通過點擊切換傳輸模式的按鈕選項，調(diào)整通訊模式為自動接收并發(fā)送檢測信號到下位機系統(tǒng)，實現(xiàn)自動收發(fā)。

3.2 閾值設(shè)定界面

在上位機閾值設(shè)定界面中，農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進行分析，通過文本框為用戶提供當前發(fā)酵狀態(tài)下溫濕度的最佳閾值。用戶通過參考專家系統(tǒng)的意見，可以手動設(shè)定溫濕度閾值的上下限區(qū)間，繼而發(fā)送溫濕度閾值區(qū)間的信號給下位機。閾值設(shè)定界面還包含數(shù)據(jù)庫模擬功能，便于用戶設(shè)計發(fā)酵環(huán)境對比參量，通過手動修改數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，將模擬數(shù)據(jù)與實時監(jiān)測的發(fā)酵數(shù)據(jù)進行結(jié)合，作為農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的算法輸入量，對發(fā)酵堆體在模擬數(shù)據(jù)下可能產(chǎn)生的變量波動以及發(fā)酵狀態(tài)進行預測和分析，從而得到最佳環(huán)境溫濕度閾值，實現(xiàn)了通過模擬數(shù)據(jù)獲得預測反饋的效果。用戶可以通過閾值設(shè)定界面，在數(shù)據(jù)庫相關(guān)操作項中，輸入數(shù)據(jù)表主鍵字段（數(shù)據(jù)ID）以及多點位溫濕度數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)表中指定字段的內(nèi)容進行數(shù)據(jù)增添、刪除、修改、查詢的操作。

圖3 上位機實時監(jiān)控界面Fig.3 Realtime monitoring interface of upper computer

3.3 歷史數(shù)據(jù)界面

用戶在歷史數(shù)據(jù)界面，輸入指定時間區(qū)間內(nèi)需要查看的采集數(shù)據(jù)。根據(jù)用戶輸入的查詢起始時間和查詢截止時間，從數(shù)據(jù)庫中調(diào)取該時間段中好氧發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)采集的溫濕度數(shù)據(jù)。用戶通過在界面中勾選指定深度點位的監(jiān)測項（如5 cm溫度、5 cm濕度、10 cm溫度、20 cm濕度），以列表形式顯示指定時間范圍內(nèi)的監(jiān)測值以及該時段下專家系統(tǒng)提供的合理閾值和用戶自行設(shè)定的閾值區(qū)間。通過勾選監(jiān)測的時間間隔，可以顯示在指定時間區(qū)間內(nèi)，間隔固定時間的平均采樣數(shù)據(jù)。歷史數(shù)據(jù)界面如圖4所示。

3.4 專家系統(tǒng)界面

專家系統(tǒng)界面展示系統(tǒng)監(jiān)測到的堆體溫度曲線，并根據(jù)軟件后臺預設(shè)置的農(nóng)業(yè)發(fā)酵參數(shù)標準及發(fā)酵腐熟度判定算法，將所采集的數(shù)據(jù)作為智能算法學習樣本的輸入量代入算法公式，結(jié)合其他發(fā)酵處理數(shù)據(jù)進行橫向?qū)Ρ确治觯袛喈斍皶r刻處于整個發(fā)酵周期的哪個階段、評估發(fā)酵當前狀態(tài)如何，并提出指導性的意見［8］。

專家系統(tǒng)界面如圖5所示，對當前發(fā)酵實驗所采集的數(shù)據(jù)進行曲線繪制和實驗狀態(tài)分析。軟件系統(tǒng)根據(jù)截止到當前時刻所采集的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析并提供參考結(jié)論，方便實驗人員掌握發(fā)酵堆體的反應(yīng)狀態(tài)以及發(fā)酵堆體中不同深度的溫度變化走勢。為實驗人員提供控制決策［9］。

圖4 上位機歷史數(shù)據(jù)查詢界面Fig.4 Historical data query interface of upper computer

圖5 專家系統(tǒng)界面Fig.5 Expert system interface

4 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

該系統(tǒng)利用Mysql建立數(shù)據(jù)庫，將傳感器采集獲取的各個深度的溫濕度數(shù)據(jù)以及采集時間存儲到數(shù)據(jù)表當中，作為上位機專家系統(tǒng)智能算法的學習樣本，可供發(fā)酵處理進行橫縱向比較分析。系統(tǒng)采集并存儲數(shù)據(jù)的同時，也會基于當前采集狀態(tài)，將最優(yōu)環(huán)境閾值和用戶設(shè)定的閾值，同步存儲到數(shù)據(jù)表當中［10］。

軟件系統(tǒng)中的所有理論指導意見，都是軟件算法對數(shù)據(jù)庫中已經(jīng)獲得的數(shù)據(jù)進行調(diào)用，結(jié)合算法公式，進行智能學習得出的總結(jié)性結(jié)論。通過數(shù)據(jù)的不斷檢測和存儲，提高數(shù)據(jù)樣本量的相關(guān)擬合度，使專家系統(tǒng)給出的發(fā)酵指導意見，逐漸趨近于農(nóng)業(yè)系統(tǒng)對于發(fā)酵堆體的正確理論指導［11］。通過理論指導實踐，使發(fā)酵周期縮短，發(fā)酵生成的腐殖酸肥力更強，提高發(fā)酵生產(chǎn)效率。利用Navicat Premium軟件對Mysql數(shù)據(jù)庫進行可視化建立與維護，建立用于存儲發(fā)酵堆體溫濕度數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)表。數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 溫濕度采集數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)Table 1 Data structure of temperature and humidity collection

5 實驗設(shè)計與結(jié)果分析

為驗證該設(shè)計好氧發(fā)酵無線溫濕度控制系統(tǒng)的有效性，設(shè)計了兩組好氧發(fā)酵實驗分別作為實驗組和對照組，同時進行堆肥實驗。在發(fā)酵堆肥的過程中，利用該系統(tǒng)對兩組發(fā)酵反應(yīng)器進行數(shù)據(jù)采集，并對實驗組進行電氣調(diào)控。實驗設(shè)計如表2所示。

表2 好氧發(fā)酵實驗設(shè)計Table 2 Experimental design of aerobic fermentation

當對照實驗進行到第40 d時，對兩組實驗的溫度曲線進行觀察總結(jié)，觀測到以下差異。

（1）實驗組的溫度曲線在實驗進行到第30 d時即開始趨于平緩，4個發(fā)酵深度點位的監(jiān)測值變化波動不大；對照組在實驗進行到第33 d時，4個發(fā)酵深度點位的溫度監(jiān)測值才開始趨于穩(wěn)定。

（2）實驗組在堆肥開始后升溫較快，在實驗進行到第5 d時，各層溫度達到第一次升溫峰值；對照組在堆肥開始后升溫較慢，在第9 d時各層溫度達到峰值。

（3）實驗組在第一次達到溫度峰值后溫度緩慢下降，在發(fā)酵進行到第11 d時進入二次升溫，并在第13 d時達到二次升溫峰值；對照組在達到第一次升溫峰值后開始持續(xù)降溫，沒有二次發(fā)酵腐熟升溫的跡象。

結(jié)合對照實驗的結(jié)果可以得出：經(jīng)好氧發(fā)酵無線溫濕度控制系統(tǒng)監(jiān)測并調(diào)控的發(fā)酵實驗組，能夠快速升溫進入到高效腐熟狀態(tài)，并且進入二次升溫期進行飽和發(fā)酵，整個發(fā)酵周期也較未進行電氣調(diào)控的對照組縮短了10%，顯著提高了農(nóng)業(yè)廢棄物的處理效率。

6 結(jié)論

該文設(shè)計的好氧發(fā)酵無線溫濕度控制平臺，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、操作直觀、拓展性強、靈敏度高、性能穩(wěn)定、成本較低。實現(xiàn)了對發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)堆體溫濕度的在線實時監(jiān)測，并能自動控制電氣設(shè)備對發(fā)酵環(huán)境進行加熱、通風、加濕。一方面確保發(fā)酵堆體處于微生物適宜發(fā)酵的環(huán)境，另一方面避免了盲目進行電氣設(shè)備調(diào)控引起的電力資源消耗，縮短了發(fā)酵周期，使農(nóng)業(yè)廢棄物處理效率大大提高。監(jiān)測現(xiàn)場具有完善的報警處理系統(tǒng)，遠程監(jiān)測終端能夠查詢發(fā)酵歷史數(shù)據(jù)、獲取農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的意見，并掌握發(fā)酵堆體未來發(fā)酵狀態(tài)的走勢變化，滿足了現(xiàn)場監(jiān)測和遠程監(jiān)控的要求。