水稻田甲烷氣體排放在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究范文

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《激光雜志》2017年第6期

摘要:以STM32F103VB處理器和甲烷氣體傳感器為核心，設(shè)計(jì)了一種基于GPRS無(wú)線遠(yuǎn)程通信的水稻田甲烷氣體在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。首先，介紹了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路與核心結(jié)構(gòu)，包括系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì);其次，針對(duì)甲烷傳感器進(jìn)行了標(biāo)定、穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上，建立了甲烷濃度預(yù)測(cè)模型;最后，選取安徽省農(nóng)科院水稻實(shí)驗(yàn)田作為對(duì)象，連續(xù)監(jiān)測(cè)了144小時(shí)的甲烷排放情況，甲烷排放速率呈周期性變化，變化周期為24小時(shí)(1天)，甲烷排放速率與土壤溫度呈正相關(guān)，144小時(shí)的甲烷氣體平均排放速率為2.935mg•m－2•h－1。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)水稻田甲烷氣體單位面積的排放通量及排放速率情況，為水稻田溫室氣體排放監(jiān)測(cè)與控制提供理論基礎(chǔ)與數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞:CH4監(jiān)測(cè);嵌入式系統(tǒng);預(yù)測(cè)模型

我國(guó)農(nóng)業(yè)已超過(guò)工業(yè)成為最大的面源污染產(chǎn)業(yè)［1］，農(nóng)業(yè)中的溫室氣體排放引起國(guó)內(nèi)外專家的密切關(guān)注。甲烷(CH4)是全球第二大溫室氣體［2］，聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專業(yè)委員會(huì)(ICPP)報(bào)告指出，單位摩爾甲烷的輻射強(qiáng)度是二氧化碳的21倍，它對(duì)全球溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)達(dá)到二氧化碳的1/3［3－4］。水稻田是甲烷氣體最主要的排放源之一［5－6］，水稻田甲烷的排放速率及排放通量信息的快速獲取是一項(xiàng)亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)［7－8］。目前普遍采用的靜態(tài)箱－氣相色譜法存在著采樣程序繁瑣、成本高、不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等問(wèn)題［9－10］。為了有效監(jiān)測(cè)水稻田甲烷氣體排放，急需一種實(shí)時(shí)快速獲取甲烷氣體濃度的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，它能夠長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)水稻田中甲烷氣體的排放速率、單位面積的排放通量。在此背景下，本文設(shè)計(jì)了一套基于傳感技術(shù)、嵌入式技術(shù)與遠(yuǎn)程無(wú)線通信技術(shù)相結(jié)合的甲烷氣體排放在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)、穩(wěn)定、高精度等優(yōu)點(diǎn)，為水稻田甲烷氣體濃度在線檢測(cè)與監(jiān)測(cè)提供了一種新的手段與方法。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)包括硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)兩大部分。其中硬件設(shè)計(jì)主要含核心處理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)獲取傳感器以及數(shù)據(jù)無(wú)線發(fā)送等部分。數(shù)據(jù)獲取傳感器選用高精度紅外甲烷氣體傳感器探頭(英國(guó)Dyna-mentMSHia－HC)、高穩(wěn)定溫濕度傳感器芯片(SHT20)。甲烷氣體傳感器探頭采集的電信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路由微處理器ADC采集并處理得到甲烷濃度，而溫濕度傳感器則通過(guò)IIC總線的方式與微處理器進(jìn)行通信;系統(tǒng)選用低功耗的32位ARM處理器STM32F103VB作為主控芯片，由獨(dú)立電源模塊進(jìn)行供電，并引出標(biāo)準(zhǔn)JTAG接口，方便程序的燒寫與調(diào)試;STM32控制器的實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)模塊，為定時(shí)采樣、實(shí)時(shí)存儲(chǔ)提供時(shí)間依據(jù)，利用STM32控制器的SPI接口將采集數(shù)據(jù)與采樣時(shí)間同步寫入SD卡中，實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)與采樣時(shí)間的本地存儲(chǔ)。此外系統(tǒng)通過(guò)RS232接口將采集數(shù)據(jù)經(jīng)GPRS模塊實(shí)時(shí)上傳至云端服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程存儲(chǔ)與調(diào)用。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1控制器選型

控制器是整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心部件，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集與處理，將獲得的甲烷濃度與溫濕度等數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到本地的SD卡中，同時(shí)通過(guò)RS232串行接口經(jīng)GPRS模塊將數(shù)據(jù)上傳到云端服務(wù)器上進(jìn)行遠(yuǎn)程存儲(chǔ)，方便調(diào)用。系統(tǒng)控制器采用意法半導(dǎo)體(ST)公司的基于Cortex－M3內(nèi)核的32位ARM處理器STM32F103VB，該處理器具有高性能、低成本、低功耗等特點(diǎn)。其內(nèi)部帶有128kB字節(jié)的FLASH和20kB的SRAM;最高工作頻率可達(dá)72MHz，具有豐富的高速I/O端口，3路12位ADC(可達(dá)21通道)，2路DAC，4路16位通用定時(shí)器，2路16位PWM;可達(dá)13個(gè)通信接口:2個(gè)IIC接口，3個(gè)SPI接口，5個(gè)USART接口，1個(gè)CAN接口，1個(gè)USB2.0全速接口，1個(gè)SDIO接口。完全能滿足甲烷排放、溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

2.2甲烷傳感器

目前檢測(cè)甲烷氣體的傳感器有催化燃燒和紅外吸收兩種原理的，通常用來(lái)檢測(cè)煤礦中甲烷等可燃性氣體濃度(精度要求不高)的為催化燃燒原理的傳感器。催化燃燒式傳感器設(shè)計(jì)和制造相對(duì)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，但是該類型傳感器存在以下明顯不足:①精度差，目前市面上的催化燃燒式甲烷傳感器檢測(cè)限約為100ppm，無(wú)法有效檢測(cè)水稻田中的低濃度甲烷氣體;②抗干擾性能差，對(duì)大部分可燃性氣體都產(chǎn)生響應(yīng)，環(huán)境中其它可燃性氣體對(duì)其檢測(cè)結(jié)果干擾較大;③容易失效，當(dāng)環(huán)境中存在含硅、氯、硫的化合物時(shí)，傳感器會(huì)發(fā)生中毒現(xiàn)象，所以催化燃燒式傳感器要時(shí)常校準(zhǔn)。針對(duì)以上問(wèn)題，本文采用基于紅外吸收原理的高精度紅外甲烷氣體傳感器探頭(英國(guó)DynamentMSHia－HC)作為甲烷氣體檢測(cè)單元，該傳感器具有穩(wěn)定性好，精度高，抗干擾能力強(qiáng)、適用惡劣環(huán)境、維護(hù)少、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。該傳感器運(yùn)用了非色散紅外原理，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)甲烷氣體的高精度檢測(cè)。該傳感器為高分辨率的全量程甲烷傳感器，在0至1%范圍分辨率為1ppm，在大于10%范圍分辨率為100ppm，且響應(yīng)時(shí)間小于25秒。符合水稻田甲烷氣體排放濃度測(cè)量需求。該傳感器具有0.4V至2V模擬電壓輸出與串口輸出兩種模式，本系統(tǒng)選用模擬電壓輸出模式，其與STM32控制器的接口電路如圖2所示。本設(shè)計(jì)使用STM32控制器的ADC直接讀取傳感器的電壓值，經(jīng)處理運(yùn)算得到實(shí)際甲烷濃度。

2.3溫度傳感器

采用TYX－CTWS1型土壤溫度傳感器，其測(cè)量精度高、響應(yīng)快。采用12V供電，輸出電流為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)4mA至20mA輸出，抗干擾能力好，其分辨率為0.1℃，適用于對(duì)農(nóng)田土壤溫度是檢測(cè)。由于其輸出的為電流信號(hào)，因此需要個(gè)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成模擬電壓輸出，然后被stm32的ADC所采集，經(jīng)運(yùn)算得到土壤實(shí)際溫度值。

2.4GPRS模塊

GPRS(通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù))模塊采用廈門才茂(數(shù)據(jù)傳輸單元，DTU)，CM3160P采用高性能工業(yè)級(jí)嵌入式處理器，以實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為軟件支撐平臺(tái)，超大內(nèi)存，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧。支持AT指令，方便用戶進(jìn)行參數(shù)配置，同時(shí)支持TCP、UDP透明數(shù)據(jù)傳輸，采用RS－232串行接口，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶串口到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)之間的轉(zhuǎn)換，使傳統(tǒng)串口設(shè)備更好的加入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。CM3160P外接SIM卡，支持固定IP通信方式支持固定IP通信方式，通過(guò)合理配置，可以通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)連上服務(wù)器端。CM3160P完全能勝任水稻田復(fù)雜環(huán)境下數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)囊蟆?/p>

2.5其他硬件模塊

(1)電源模塊整個(gè)系統(tǒng)控制單元需要用到3.3V電壓，甲烷傳感器工作則需要5V電壓，而GPRS模塊則需要用12V供電。本設(shè)計(jì)由外部12V鋰電池供電，通過(guò)MORNSUNK7805－1000穩(wěn)壓芯片降壓到5V，再由ASM1117－3.3穩(wěn)壓芯片將5V電壓轉(zhuǎn)換成3.3V，用于控制器最小單元、溫濕度傳感器、甲烷傳感器、存儲(chǔ)模塊、GPRS模塊等供電。

(2)存儲(chǔ)模塊為防止數(shù)據(jù)丟失，系統(tǒng)將采集的數(shù)據(jù)在上傳發(fā)送到服務(wù)器端的同時(shí)，還進(jìn)行了本地存儲(chǔ)，確保采集數(shù)據(jù)的完整性。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)有SD卡存儲(chǔ)電路，利用STM32的SPI接口，將采集的數(shù)據(jù)與采樣時(shí)間同步寫入到SD卡中，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的本地存儲(chǔ)。

(3)RS232串口模塊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要通過(guò)串口將采集的甲烷濃度與溫濕度數(shù)據(jù)經(jīng)CM3160P(GPRS模塊)以透?jìng)髂Ｊ缴蟼髦练?wù)器，而CM3160P采用的是RS232接口，要實(shí)現(xiàn)控制器與CM3160P之間的通信，必須先將控制器的TTL電平轉(zhuǎn)換成RS232電平。本設(shè)計(jì)利用MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片，將STM32USART接口的TTL電平轉(zhuǎn)換成RS232電平。

(4)時(shí)鐘模塊本地存儲(chǔ)傳感器數(shù)據(jù)時(shí)需要存儲(chǔ)對(duì)應(yīng)采樣時(shí)間，以便作后期數(shù)據(jù)處理。本文直接利用STM32的實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)模塊，因此需要使用外部LSE晶振，本文在STM32第8、9引腳接有32.768KHZ的晶振電路，同時(shí)在STM32的VBAT引腳接有3.3V紐扣電池，以便在斷開(kāi)電源后使用后備電池進(jìn)行供電，維持RTC的正常運(yùn)行，為本地存儲(chǔ)提供時(shí)間依據(jù)。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1嵌入式軟件設(shè)計(jì)

本文采用庫(kù)函數(shù)法進(jìn)行嵌入式軟件設(shè)計(jì)，采用ST官方固件庫(kù)3.5.0進(jìn)行驅(qū)動(dòng)與軟件開(kāi)發(fā)。采用固件庫(kù)開(kāi)發(fā)，無(wú)需了解寄存器底層操作，只需調(diào)用庫(kù)提供的函數(shù)，即可輕松的完成各外設(shè)的配置，極大的縮短了開(kāi)發(fā)周期，提高了編程效率。本文中嵌入式軟件主要任務(wù)包括系統(tǒng)初始化、甲烷溫濕度數(shù)據(jù)采集與處理、SD卡存儲(chǔ)、串口傳輸。首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括系統(tǒng)時(shí)鐘初始化，sy-stick滴答定時(shí)器、RTC、GPIO口、嵌入式中斷嵌套、通用定時(shí)器、ADC、SPI、DMA等外設(shè)初始化，SD卡模塊、溫濕度模塊、串口通訊等模塊初始化。RTC提供時(shí)鐘，每個(gè)整點(diǎn)啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集，采集的傳感器值經(jīng)過(guò)算法濾波后得到相應(yīng)甲烷濃度值與溫濕度值，分別由stm32的SPI接口寫入SD卡中，USART接口傳輸給服務(wù)器，之后關(guān)閉傳感器以及傳輸模塊，使系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)以減小功耗。

3.2服務(wù)端軟件設(shè)計(jì)

服務(wù)端軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)采用VisualStudio設(shè)計(jì)，采用C#編程，該軟件啟動(dòng)后進(jìn)入監(jiān)聽(tīng)模式，一旦有GPRS無(wú)線模塊上線，便可直接建立連接、通信。該軟件可以管理各設(shè)備節(jié)點(diǎn)的接入情況，設(shè)置工作模式，同時(shí)可以控制數(shù)據(jù)采集終端的采集時(shí)間間隔，從而達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。該軟件建立有數(shù)據(jù)庫(kù)，將GPRS無(wú)線模塊傳輸回來(lái)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存至數(shù)據(jù)庫(kù)中。

4驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)測(cè)

試實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)系統(tǒng)甲烷傳感器進(jìn)行標(biāo)定，同時(shí)針對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集精度、測(cè)量范圍、穩(wěn)定性等方面對(duì)系統(tǒng)性能做出分析?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)用于證明其實(shí)用性，即該系統(tǒng)確實(shí)是否可以用于水稻田甲烷排放量的監(jiān)測(cè)，以及存在改進(jìn)的地方。

4.1傳感器標(biāo)定

本系統(tǒng)所采用的甲烷傳感器輸出為0.4V至2V模擬電壓信號(hào)，因此采用標(biāo)定的方法來(lái)確定傳感器輸出電壓和實(shí)際甲烷濃度之間的定量關(guān)系。實(shí)驗(yàn)對(duì)濃度0至2000ppm范圍內(nèi)21種不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)甲烷氣體進(jìn)行標(biāo)定，記錄相應(yīng)濃度下的電壓輸出值，并設(shè)傳感器的分辨率為1ppm。每種濃度下的電壓值均為經(jīng)過(guò)STM32微處理器采用最小二乘法、RANSAC等算法軟件濾波后的值，重復(fù)多次實(shí)驗(yàn)后，求取平均值。

4.2穩(wěn)定性測(cè)試

針對(duì)0至2000ppm范圍內(nèi)三組不同濃度的甲烷氣體(400ppm，600ppm，800ppm)，本項(xiàng)目進(jìn)行了傳感器穩(wěn)定性測(cè)試。每組測(cè)試時(shí)長(zhǎng)5天，每隔10min采集一次數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。結(jié)果表明不同濃度甲烷氣體的測(cè)量誤差均小于0.01%，具有較高的監(jiān)測(cè)精度，且傳感器的穩(wěn)定性良好，不會(huì)隨時(shí)間產(chǎn)生漂移。

4.3農(nóng)田監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)(2周實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù))

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)在安徽省農(nóng)科院水稻育種基地開(kāi)展，由于育種基地中施用有機(jī)肥量較大，所以釋放的甲烷量較多，具有代表性。我們利用有機(jī)玻璃制作了一個(gè)密閉的長(zhǎng)方體氣箱，氣箱尺寸為80mm×80mm×(25+30)mm，其中在水面上方的部分搞25mm，水面下方部分高30mm。一方面光線可以通過(guò)有機(jī)玻璃直射到農(nóng)田中的作物上面，不影響作物的正常生長(zhǎng);另一方面保證了農(nóng)田淤泥中釋放的甲烷氣體不會(huì)擴(kuò)散到大氣中。為了減小對(duì)水稻生長(zhǎng)環(huán)境的影響下，我們?cè)O(shè)定監(jiān)測(cè)周期為6天，系統(tǒng)每小時(shí)采集一次甲烷氣體濃度數(shù)據(jù)和有機(jī)玻璃氣箱內(nèi)泥土溫度數(shù)據(jù)。由于我們采集的甲烷濃度數(shù)據(jù)是甲烷的累積值，理論上講應(yīng)該是一個(gè)直線上升的趨勢(shì)，但是從圖中可以看出數(shù)據(jù)的變化總體上升，但是上升的速率(及甲烷的排放速率)是有近似周期性變化的。這個(gè)變化周期與監(jiān)測(cè)的泥土溫度周期有一定的相關(guān)性。為了直觀顯示水稻田中的甲烷氣體排放速率，我們對(duì)甲烷排放累積濃度變化曲線進(jìn)行求導(dǎo)，可以得出甲烷排放速率變化曲線(如下圖所示)，從圖中我們可以看出:①甲烷排放速率呈周期性變化，變化周期為24小時(shí)(1天);②甲烷排放速率與土壤溫度呈正相關(guān)，土壤溫度越高，甲烷排放速率越快，反之越慢;③144小時(shí)的甲烷氣體平均排放速率。

5結(jié)論

為了解決水稻田甲烷的排放檢測(cè)工作過(guò)程中采樣程序繁瑣、成本高、不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種水稻田甲烷氣體排放在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，根據(jù)水稻田復(fù)雜環(huán)境下對(duì)排放的甲烷氣體濃度監(jiān)測(cè)的要求，結(jié)合傳感技術(shù)、嵌入式技術(shù)與遠(yuǎn)程無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)了易使用、低成本、實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，并對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集精度、穩(wěn)定性等方面對(duì)系統(tǒng)性能影響做出分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)、穩(wěn)定、高精度等特點(diǎn)，可用于水稻田環(huán)境下甲烷氣體排放速率及單位面積的排放通量的監(jiān)測(cè)。最后，通過(guò)安徽省農(nóng)科院水稻試驗(yàn)田144小時(shí)的甲烷排放監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)穩(wěn)定、性能可靠。

作者：鄭守國(guó)1；朱澤德1；孫熊偉1；翁士狀3；董文功3；王春義2；任建文3；曾新華1 單位：1．中科院合肥技術(shù)創(chuàng)新工程院，2．中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，3．安徽大學(xué)