基于小型沼气工程的监测报警系统

陈志远+张旭东+邢子正+侯梦琪+张梦惠

摘 要：针对农户在沼气日常管理中出现：以沼气进出料不平衡、发酵料液偏酸或偏碱、温湿度过低或偏高，导致沼气无法正常产气的情况。提出了以基于PH值传感器、DHT11温湿度传感器以及GSM无线传输模块为核心的高效实施监测方案。当沼气池PH值、温湿度等指标超出正常值，通过系统声光报警，并用短信将反馈信息发送到用户。本系统对加快农村沼气建设步伐具有重要性意义。

关键词：沼气工程；温湿度传感器；PH值传感器；实时监测

1 概述

农村沼气建设是推动农村可持续发展、解决农村养殖污染、实现农业低碳化的有效措施。据统计，沼气在农村的覆盖率已接近30%，它在给農户带来便利的同时，又有不少农民由于沼气后期管理维护问题，造成沼气池无法正常产气[1]。为了改变以上问题，需要对沼气发酵过程中的环境参数以及成分变化进行监测与控制，如：PH值、温度、甲烷浓度等。本文实现的沼气工程监测系统可对现场信息进行自动采集，无线传输数据，具有远程报警功能。

2 系统总体设计

如图1所示，系统主要由信息采集模块、报警模块、无线传输模块构成。各模块分别通过主控STM32微处理器的I/O口连接，建立数据的连接与传输。其中主控采用STM32微控制处理器作为系统核心单元，该处理器以32位Cortex-M4为内核，内部集成了一流的外设接口资源，如TFT液晶显示屏接口、DMA显示器接口。和8位STC89C52微控制处理器相比，ARM Cortex-M4 32位RISC处理器具有更高的代码执行效率[2]。它集合了性能高，低功耗，处理速度快、集成度高等特点，适于本系统的使用。信息采集模块将监测到的数据发回处理器，处理器对接受的数据分析处理。

3 系统硬件设计

3.1 信息采集模块

该模块主要有甲烷传感器、温湿度传感器、PH传感器以及外围电路组成，实时采集沼气池的主要指标数据：甲烷浓度值、温度值、PH值，供主控MCU处理。

3.1.1 甲烷传感器

甲烷检测传感器MQ-2CH4具有多路模拟信号输出和多路开关信号（TTL）输出；当传感器所测量的沼气池中存在甲烷、丙烷、丁烷等气体时，其电导率会随着空气中相应气体浓度的增加而增大，通过将电导率变化线性的转换为气体浓度的电输出信号，使模拟量输出电压增大或减小，便于数据的采集[3]。当相应的气体浓度大于临界预定浓度时，启动报警模块，否则，正常显示相应的采集数据。

3.1.2 温湿度传感器

该系统将温度预定值设为35℃，温度过高或过低都会影响沼气产率。因此，采用一款较高灵敏度的温湿度传感器DHT11[4]，它包含了NTC测温元件和电阻式感湿元件，其工作电压为3.3V-5V，其湿度测量范围为20%-95%，测量误差在±5%以内，温度测量范围为0℃-50℃，测量误差为±2℃以内。该装置具有极高的可靠性、抗干扰能力强、成本低超长的信号传输距离等特点，满足本系统的使用要求。

3.1.3 PH值采集传感器

酸碱度为PH=6.5-7.5最适宜于沼气的发酵，本装置将PH预定值设为7.1，误差为±0.5。PH检测传感器C5B1可以测量沼气池发酵液的浓度，其检测浓度范围：PH0-14，响应时间：≤5S，稳定时间：≤60S，元件功耗：≤0.5W。

3.2 LCD显示模块

LCD显示模块采用的是3.5寸电容式可触摸液晶屏，分辨率高，单片机可直接驱动。可显示彩色反馈信息，操作简单且实用。

3.3 报警模块

警报模块由声光模块、短信发送模块组成。在沼气运行正常的情况下，绿颜色的LED灯常亮；异常状态时，红颜色的LED灯闪烁并发出声响，以此来提示农户，并且会将报警信息以短信的形式发送给农户。

3.4 无线传输模块

无线传输模块采用的是SIM900A，该模块采用工业标准接口，通过特定的AT指令控制，工作频率为GSM/GPRS 850/900/1800MHz，可以实现低功耗SMS、语音、数据信息的传输[5]。另外，该模块尺寸小，适用于本系统的设计需求。

4 系统软件设计

（1）首先通过单片机STM32对各个信息采集传感器进行初始化，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设置液晶屏显示的相应信息。（2）初始化SIM900A短信发送模块，并在程序中设定好采集数据临界值的区间。（3）各个信息传感器采集数据并传给主控MCU进行数据解算和数据分析，当数值超过设定值范围时执行报警函数，否则正常显示LED灯，并将数据发送到LCD屏上。（4）报警函数则判断是否收到预警标志，收到则进行声光报警，LED灯闪烁并进行语音报警输出，并以短信的方式将异常信息发送给用户。

软件流程图如图2所示。

5 结束语

本文设计了一种基于小型沼气工程的监测报警系统，该系统利用传感器技术和无线传输技术实现沼气工程的监测报警功能。系统能够通过对沼气池各种气体浓度信息的实时监测，进行提前预警，使用户尽快采取措施，从而最大限度的减少用户的损失。此系统简单易操作，推广性高，装置维护要求低，具有良好的应用前景。

参考文献

[1]李琼，李展彬，曾远洋.农村沼气安全使用[J].现代农业科技，2009（11）.

[2]曾浩，张祺，郑斯凯.基于STM32F407的图像远程采集终端[J].工业控制计算机，2014（11）.

[3]李凯华，于龙宇，李建宁.室内甲醛实时监测净化系统[J].中国新技术新产品，2016（02）.

[4]李德路，侯文宝.基于DHT11室内温/湿度监控系统设计[J].智能建筑与城市信息，2013（13）.

[5]张庆力，刘姜伟，张鑫.基于SIM900A模块的短信收发系统设计[J].电子世界，2016（04）.

作者简介：陈志远（1994，03-），男，河北省保定市人，本科生，保定市南市区河北农业大学，物联网工程专业。