本發(fā)明屬于生物醫(yī)學工程領(lǐng)域，具體而言，涉及一種沼氣實時監(jiān)測系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

沼氣工程將廢棄物轉(zhuǎn)變?yōu)槟茉?，是典型的綠色環(huán)保和循環(huán)經(jīng)濟工程，將自動控制與在線監(jiān)測技術(shù)應用于沼氣工程，對于提高沼氣的生產(chǎn)水平和生產(chǎn)率以及推廣應用具有重要意義。沼氣作為一種新型的清潔能源，在我國新農(nóng)村建設(shè)中得到了快速推廣和應用，并取得了一定的經(jīng)濟效益、社會效益和區(qū)域環(huán)境效益。隨著農(nóng)村用戶對沼氣需求的快速增長，沼氣工程實時規(guī)模也隨之增大，沼氣的產(chǎn)氣效能和安全使用管理將成為非常突出的問題。

物聯(lián)網(wǎng)是一種新興的信息技術(shù)，是在通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，通過各種信息傳感器設(shè)備，如射頻識別裝置、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等裝置把物品和物聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交換和通訊，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)測和管理的一種網(wǎng)絡(luò)，可以實現(xiàn)物與物、人與物之間的信息交換和通信。隨著監(jiān)測技術(shù)朝著智能化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，應用物聯(lián)網(wǎng)可以有效推進農(nóng)村沼氣工程監(jiān)測信息化的進程。目前，農(nóng)村沼氣工程數(shù)量大，位置分布廣泛，主要以人工管理方式為主，需要耗費巨大的人力、物力、而且對于輸氣管道漏氣造成的爆炸等安全問題不能進行有效的監(jiān)控。

通過建立基于物聯(lián)網(wǎng)工程的農(nóng)村沼氣實時監(jiān)測系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對沼氣工程生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實時采集、監(jiān)控、預警，保障沼氣工程安全穩(wěn)定運行，提升沼氣工程整體管理水平。通過對實時監(jiān)控、預警數(shù)據(jù)的分析、研究和處理，細化沼氣工程運行模式，有效減少能源消耗，提升沼氣工程的綜合效益，使沼氣工程成為管理科學、資源節(jié)約、環(huán)境友好、效益顯著的產(chǎn)業(yè)。實現(xiàn)精確統(tǒng)計沼氣工程產(chǎn)氣量、進一步為沼氣工程科學監(jiān)測提供依據(jù)，為政府宏觀調(diào)控提供支撐服務(wù)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明首先涉及一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)村沼氣實時監(jiān)測系統(tǒng)，用于獲取大型畜牧場廢物利用沼氣工程實時液體流量、沼氣流量、成分、ph值、二氧化碳、硫化氫和溫度數(shù)據(jù)；

所述的實時監(jiān)測系統(tǒng)可手機查看數(shù)據(jù)，分省、市、縣、業(yè)主四級網(wǎng)絡(luò)權(quán)限訪問，對各中小型沼氣工程數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計報表，包括日、月、季度、年度數(shù)據(jù)報表，歷史趨勢分析；

所述的實時監(jiān)測系統(tǒng)可根據(jù)小型沼氣工程流量、成分數(shù)據(jù)指導確定沼氣工程的進出料時間。是沼氣工程驗收、監(jiān)督、運行的可靠數(shù)據(jù)來源。

本發(fā)明根據(jù)農(nóng)村沼氣工程監(jiān)測分析結(jié)果和結(jié)構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)特征，設(shè)計農(nóng)村沼氣工程監(jiān)測系統(tǒng)，所述的農(nóng)村沼氣工程監(jiān)測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)包括：

檢測傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、遠程服務(wù)器系統(tǒng)和終端桌面操作系統(tǒng)。

所述的檢測傳感器系統(tǒng)(如圖1所示)將監(jiān)測區(qū)域劃分成多個監(jiān)測模塊，監(jiān)測模塊通過采集沼氣工程和環(huán)境的各項參數(shù)獲取各類實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，所述的采集參數(shù)使用無線傳感器進行采集，所述的監(jiān)測模塊還顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)并控制泵或閥等裝置。

所述的監(jiān)測模塊采集的沼氣工程和環(huán)境的各項參數(shù)指沼氣池內(nèi)環(huán)境、周圍環(huán)境和沼氣管道環(huán)境的環(huán)境參數(shù)，具體的，所述的參數(shù)包括但不限于，

(1)沼液溫度、沼氣液位、沼氣壓力、沼氣濃度；

(2)環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、風速、風向、降雨量、pm2.5含量；

(3)廢水成分、廢氣成分。

所述的監(jiān)測模塊包括但不限于，罐內(nèi)甲烷監(jiān)測模塊、罐外甲烷監(jiān)測模塊、ph值監(jiān)測模塊、硫化氫監(jiān)測模塊、環(huán)境監(jiān)測模塊、液體流量監(jiān)測模塊、氣體流量監(jiān)測模塊、二氧化碳監(jiān)測模塊、罐內(nèi)溫度監(jiān)測模塊、無線視頻監(jiān)測模塊。

所述的各個監(jiān)測模塊分別或組合的使用不同的無線傳感器達到監(jiān)測目標，所述的傳感器包括但不限于高濃度甲烷傳感器、低濃度甲烷傳感器、液體流量傳感器、氣體流量傳感器、ph計、二氧化碳傳感器、硫化氫傳感器和溫度傳感器。

所述數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)應用層主要由數(shù)據(jù)服務(wù)器、監(jiān)測終端構(gòu)成數(shù)據(jù)監(jiān)測中心。用戶可以將監(jiān)測終端接入internet網(wǎng)，在任何時候、任何地點監(jiān)測所采集的現(xiàn)場信息，對沼氣池的運行狀況進行實時跟蹤和分析，實現(xiàn)沼氣池的安全管理要求。

所述的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)(如圖2所示)包括無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)(檢測傳感器節(jié)點集合/數(shù)據(jù)采集系統(tǒng))、無線網(wǎng)關(guān)、遠程數(shù)據(jù)中心。

所述的無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)收集設(shè)置于所述的各個監(jiān)測模塊的數(shù)據(jù)，對各個監(jiān)測模塊進行控制和維護。

所述的無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)與所述遠程數(shù)據(jù)中心之間的通信通過無線網(wǎng)關(guān)完成。

優(yōu)選的，所述的無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)基于ieee802.15.4標準的完整協(xié)議體系，采用混合型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，通過路由算法選擇合理路徑，實現(xiàn)數(shù)據(jù)可靠傳輸。

所述的無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)主要包括協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由節(jié)點和終端節(jié)點：

協(xié)調(diào)器節(jié)點負責建立和維護網(wǎng)絡(luò)，為路由節(jié)點和終端節(jié)點分配惟一的16位網(wǎng)絡(luò)地址，實現(xiàn)節(jié)點之間的通信；

路由器節(jié)點負責終端節(jié)點數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)接，利用網(wǎng)絡(luò)自組織特性，所有終端節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)通過路由節(jié)點最終匯聚到協(xié)調(diào)器節(jié)點；

終端節(jié)點主要負責傳感數(shù)據(jù)的采集和預處理。

優(yōu)選的，所述的無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)(如圖4所示)采用zigbee無線通信技術(shù)實現(xiàn)，最優(yōu)選的，選擇ti公司的zigbee芯片cc2530f256構(gòu)建。

cc2530f256芯片是一種支持ieee802.15.4協(xié)議標準的片上系統(tǒng)，集成高性能8051微控制器內(nèi)核和高性能2.4ghz射頻收發(fā)模塊，擁有8kb的ram和256kbflash程序存儲器，支持z-stack2007協(xié)議棧，提供3種電源管理模式，具有超低功耗的特點。

優(yōu)選的，所述的終端節(jié)點以cc2530f256芯片為控制核心(構(gòu)建終端節(jié)點的硬件平臺如圖4所示)，通過溫度傳感器、液位傳感器、壓力傳感器和濃度傳感器獲取沼氣監(jiān)測參數(shù)，經(jīng)過適當數(shù)據(jù)處理后，按照節(jié)點間數(shù)據(jù)通信協(xié)議將其傳輸給協(xié)調(diào)器節(jié)點。

其中，串口電路主要實現(xiàn)硬件接口擴展和完成程序調(diào)試；復位電路用來實現(xiàn)系統(tǒng)死機或程序跑飛等意外情況的系統(tǒng)恢復；電源模塊負責整個節(jié)點的能量供應。

優(yōu)選的，電源模塊采用3.7v鋰電池通過微功耗電源管理芯片ht7533輸出3.3v供電電壓。

所述的無線網(wǎng)關(guān)中包括gprs數(shù)據(jù)模塊，用于將接收的無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)通過gprs數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)再發(fā)送到遠程數(shù)據(jù)中心。

具體的，所述的無線網(wǎng)關(guān)負責所述的無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)的控制和維護，完成信息的融合處置，實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)與gprs數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)之間通訊協(xié)議的轉(zhuǎn)換，利用gprs數(shù)據(jù)模塊接入到gprs數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)(如圖3所示)中。

優(yōu)選的，所述gprs數(shù)據(jù)模塊和所述無線網(wǎng)關(guān)的通過rs485接口相連，所述gprs數(shù)據(jù)模塊和所述遠程服務(wù)器系統(tǒng)通過4g網(wǎng)絡(luò)相連。

所述的gprs數(shù)據(jù)模塊支持tcp/ip協(xié)議，采用符合rs-232/rs485方案的標準的串行通信接口與外部電路進行通信，通過串口電路利用at控制指令實現(xiàn)模塊通信；

所述的gprs傳輸模塊的電源模塊采用鋰電池對整個硬件進行供電；

優(yōu)選的，所述的gprs傳輸模塊為simcom公司的sim900模塊，其結(jié)構(gòu)圖如圖5所示，其中，指示燈模塊主要是用于指示gprs模塊是否工作正常，當gprs模塊不能正常工作時，指示燈模塊可以通過不同的閃爍特點提示出錯信息；看門狗模塊主要用戶時間糾正，當時間發(fā)生偏移時，看門狗運行，保證時間同步。

所述的終端桌面操作系統(tǒng)為數(shù)據(jù)監(jiān)測中心，其中包括監(jiān)測終端。

所述的監(jiān)測終端基于c/s(client/server)結(jié)構(gòu)和/或基于b/s(browser/server)的單一或混合結(jié)構(gòu)模式；優(yōu)選的，所述的檢測終端基于c/s和b/s混合結(jié)構(gòu)模式。

所述的監(jiān)測終端包括：pc機上的監(jiān)測中心軟件和/或用于智能手機瀏覽web界面；

所述的監(jiān)測中心軟件為c/s結(jié)構(gòu)，主要包括：用戶權(quán)限管理模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)管理和監(jiān)測控制功能模塊；其中，所述數(shù)據(jù)管理模塊可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、顯示、查詢和自動預警功能。

所述的用于智能手機瀏覽web界面為b/s結(jié)構(gòu)(即瀏覽器和服務(wù)器結(jié)構(gòu))，其功能為通過開啟上網(wǎng)功能的智能手機瀏覽web界面隨時查看數(shù)據(jù)。

所述的終端桌面操作系統(tǒng)(如圖6所示)包括數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)比較模塊、大數(shù)據(jù)分析模塊、圖像顯示模塊、系統(tǒng)預警模塊、人員權(quán)限管理模塊、數(shù)據(jù)用戶開放模塊、政務(wù)監(jiān)管模塊，具體的，

數(shù)據(jù)顯示模塊：用于在終端設(shè)備上顯示采集傳感器所采集到的數(shù)據(jù)，方便用戶查看；

數(shù)據(jù)比較模塊：用于在終端設(shè)備中不同的數(shù)據(jù)之間的比較；

大數(shù)據(jù)分析模塊：用于觀測某一監(jiān)測信息在較長一段時間內(nèi)的數(shù)據(jù)變化情況，分析數(shù)據(jù)變化是否出現(xiàn)異常；

圖形顯示模塊：用于實時顯示所監(jiān)測區(qū)域的圖像內(nèi)容；

系統(tǒng)預警模塊：通過預先設(shè)置預警信息，當采集數(shù)據(jù)偏移預先設(shè)置的信息較大時，系統(tǒng)提供報警；

人員權(quán)限管理：用于管理不同用戶所具有的權(quán)限；

數(shù)據(jù)開放模塊：對系統(tǒng)所采集到的數(shù)據(jù)，向普通用戶提供某些數(shù)據(jù)的開放服務(wù)，用戶可以通過api訪問這些數(shù)據(jù)；

政府監(jiān)管模塊：通過該模塊政府部分可以實時監(jiān)測某些數(shù)據(jù)情況，該模塊需要政府部分決定可以查看哪些信息。

附圖說明

圖1.檢測傳感器系統(tǒng)功能圖。

圖2.數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。

圖3.gprs數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。

圖4.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)。

圖5.grps傳輸模塊結(jié)構(gòu)圖。

圖6.終端桌面操作系統(tǒng)。

具體實施方式

實施例一

1.在大型沼氣池的畜牧場廢物進入沼氣罐的入口處安裝液體流量傳感器，傳感器采用220v供電，0-20ma電流輸出，信號線和電源線通過埋設(shè)地下管道連接至傳感器控制中心。

2.在沼氣池產(chǎn)生沼氣的管道中安裝氣體流量傳感器、硫化氫傳感器、二氧化碳傳感器，傳感器采用24v供電，0-20ma電流輸出，信號線和電源線連接至傳感器控制中心。

3.在畜牧廢物加工池加裝工業(yè)在線ph計設(shè)備，設(shè)備24v供電，0-20ma電流輸出，信號線和電源線通過埋設(shè)地下管道連接至傳感器控制中心。

4.在沼氣池加裝溫度傳感器，設(shè)備24v供電，0-20ma電流輸出，信號線和電源線通過埋設(shè)地下管道連接至傳感器控制中心。

5.傳感器控制中心負責收集所有傳感器采集到的數(shù)據(jù)，通過分析，壓縮數(shù)據(jù)包，利用4g網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至遠程數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。

6.遠程服務(wù)器中通過安裝tcp/ip協(xié)議端口掃描程序，實時掃描數(shù)據(jù)端口，獲取遠程數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲到本地數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中。

7.遠程桌面操作系統(tǒng)負責向用戶提供可視化的數(shù)據(jù)查詢和數(shù)據(jù)分析，用戶通過網(wǎng)頁登錄網(wǎng)上管理系統(tǒng)，可以實時查詢沼氣監(jiān)測情況。

8.手機app操作系統(tǒng)負責用戶通過手機終端實時了解沼氣監(jiān)測情況，用戶通過安裝app軟件，登錄系統(tǒng)即可及時查詢相關(guān)的信息。

最后需要說明的是，以上實施例，僅為方便本領(lǐng)域技術(shù)人員充分理解本發(fā)明的實施方案作用，并不解釋為對本發(fā)明的進一步限制。