沼气实时监测系统的制作方法

本发明属于生物医学工程领域，具体而言，涉及一种沼气实时监测系统。

背景技术：

沼气工程将废弃物转变为能源，是典型的绿色环保和循环经济工程，将自动控制与在线监测技术应用于沼气工程，对于提高沼气的生产水平和生产率以及推广应用具有重要意义。沼气作为一种新型的清洁能源，在我国新农村建设中得到了快速推广和应用，并取得了一定的经济效益、社会效益和区域环境效益。随着农村用户对沼气需求的快速增长，沼气工程实时规模也随之增大，沼气的产气效能和安全使用管理将成为非常突出的问题。

物联网是一种新兴的信息技术，是在通信网和互联网的基础上，通过各种信息传感器设备，如射频识别装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等装置把物品和物联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监测和管理的一种网络，可以实现物与物、人与物之间的信息交换和通信。随着监测技术朝着智能化和网络化的方向发展，应用物联网可以有效推进农村沼气工程监测信息化的进程。目前，农村沼气工程数量大，位置分布广泛，主要以人工管理方式为主，需要耗费巨大的人力、物力、而且对于输气管道漏气造成的爆炸等安全问题不能进行有效的监控。

通过建立基于物联网工程的农村沼气实时监测系统，可以实现对沼气工程生产数据的实时采集、监控、预警，保障沼气工程安全稳定运行，提升沼气工程整体管理水平。通过对实时监控、预警数据的分析、研究和处理，细化沼气工程运行模式，有效减少能源消耗，提升沼气工程的综合效益，使沼气工程成为管理科学、资源节约、环境友好、效益显著的产业。实现精确统计沼气工程产气量、进一步为沼气工程科学监测提供依据，为政府宏观调控提供支撑服务。

技术实现要素：

本发明首先涉及一种基于物联网技术的农村沼气实时监测系统，用于获取大型畜牧场废物利用沼气工程实时液体流量、沼气流量、成分、ph值、二氧化碳、硫化氢和温度数据；

所述的实时监测系统可手机查看数据，分省、市、县、业主四级网络权限访问，对各中小型沼气工程数据进行统计报表，包括日、月、季度、年度数据报表，历史趋势分析；

所述的实时监测系统可根据小型沼气工程流量、成分数据指导确定沼气工程的进出料时间。是沼气工程验收、监督、运行的可靠数据来源。

本发明根据农村沼气工程监测分析结果和结构物联网架构特征，设计农村沼气工程监测系统，所述的农村沼气工程监测系统整体结构包括：

检测传感器系统、数据传输系统、远程服务器系统和终端桌面操作系统。

所述的检测传感器系统(如图1所示)将监测区域划分成多个监测模块，监测模块通过采集沼气工程和环境的各项参数获取各类实时监测数据，所述的采集参数使用无线传感器进行采集，所述的监测模块还显示监测数据并控制泵或阀等装置。

所述的监测模块采集的沼气工程和环境的各项参数指沼气池内环境、周围环境和沼气管道环境的环境参数，具体的，所述的参数包括但不限于，

(1)沼液温度、沼气液位、沼气压力、沼气浓度；

(2)环境温度、环境湿度、风速、风向、降雨量、pm2.5含量；

(3)废水成分、废气成分。

所述的监测模块包括但不限于，罐内甲烷监测模块、罐外甲烷监测模块、ph值监测模块、硫化氢监测模块、环境监测模块、液体流量监测模块、气体流量监测模块、二氧化碳监测模块、罐内温度监测模块、无线视频监测模块。

所述的各个监测模块分别或组合的使用不同的无线传感器达到监测目标，所述的传感器包括但不限于高浓度甲烷传感器、低浓度甲烷传感器、液体流量传感器、气体流量传感器、ph计、二氧化碳传感器、硫化氢传感器和温度传感器。

所述数据传输系统应用层主要由数据服务器、监测终端构成数据监测中心。用户可以将监测终端接入internet网，在任何时候、任何地点监测所采集的现场信息，对沼气池的运行状况进行实时跟踪和分析，实现沼气池的安全管理要求。

所述的数据传输系统(如图2所示)包括无线传感网络监测系统(检测传感器节点集合/数据采集系统)、无线网关、远程数据中心。

所述的无线传感网络监测系统收集设置于所述的各个监测模块的数据，对各个监测模块进行控制和维护。

所述的无线传感网络监测系统与所述远程数据中心之间的通信通过无线网关完成。

优选的，所述的无线传感网络监测系统基于ieee802.15.4标准的完整协议体系，采用混合型网络拓扑结构，通过路由算法选择合理路径，实现数据可靠传输。

所述的无线传感网络监测系统主要包括协调器节点、路由节点和终端节点：

协调器节点负责建立和维护网络，为路由节点和终端节点分配惟一的16位网络地址，实现节点之间的通信；

路由器节点负责终端节点数据的转接，利用网络自组织特性，所有终端节点采集到的数据通过路由节点最终汇聚到协调器节点；

终端节点主要负责传感数据的采集和预处理。

优选的，所述的无线传感网络监测系统(如图4所示)采用zigbee无线通信技术实现，最优选的，选择ti公司的zigbee芯片cc2530f256构建。

cc2530f256芯片是一种支持ieee802.15.4协议标准的片上系统，集成高性能8051微控制器内核和高性能2.4ghz射频收发模块，拥有8kb的ram和256kbflash程序存储器，支持z-stack2007协议栈，提供3种电源管理模式，具有超低功耗的特点。

优选的，所述的终端节点以cc2530f256芯片为控制核心(构建终端节点的硬件平台如图4所示)，通过温度传感器、液位传感器、压力传感器和浓度传感器获取沼气监测参数，经过适当数据处理后，按照节点间数据通信协议将其传输给协调器节点。

其中，串口电路主要实现硬件接口扩展和完成程序调试；复位电路用来实现系统死机或程序跑飞等意外情况的系统恢复；电源模块负责整个节点的能量供应。

优选的，电源模块采用3.7v锂电池通过微功耗电源管理芯片ht7533输出3.3v供电电压。

所述的无线网关中包括gprs数据模块，用于将接收的无线传感网络监测系统采集的数据通过gprs数据传输网络再发送到远程数据中心。

具体的，所述的无线网关负责所述的无线传感网络监测系统的控制和维护，完成信息的融合处置，实现无线传感网络监测系统与gprs数据传输网络之间通讯协议的转换，利用gprs数据模块接入到gprs数据传输网络(如图3所示)中。

优选的，所述gprs数据模块和所述无线网关的通过rs485接口相连，所述gprs数据模块和所述远程服务器系统通过4g网络相连。

所述的gprs数据模块支持tcp/ip协议，采用符合rs-232/rs485方案的标准的串行通信接口与外部电路进行通信，通过串口电路利用at控制指令实现模块通信；

所述的gprs传输模块的电源模块采用锂电池对整个硬件进行供电；

优选的，所述的gprs传输模块为simcom公司的sim900模块，其结构图如图5所示，其中，指示灯模块主要是用于指示gprs模块是否工作正常，当gprs模块不能正常工作时，指示灯模块可以通过不同的闪烁特点提示出错信息；看门狗模块主要用户时间纠正，当时间发生偏移时，看门狗运行，保证时间同步。

所述的终端桌面操作系统为数据监测中心，其中包括监测终端。

所述的监测终端基于c/s(client/server)结构和/或基于b/s(browser/server)的单一或混合结构模式；优选的，所述的检测终端基于c/s和b/s混合结构模式。

所述的监测终端包括：pc机上的监测中心软件和/或用于智能手机浏览web界面；

所述的监测中心软件为c/s结构，主要包括：用户权限管理模块、参数设置模块、数据管理和监测控制功能模块；其中，所述数据管理模块可以实现数据的存储、显示、查询和自动预警功能。

所述的用于智能手机浏览web界面为b/s结构(即浏览器和服务器结构)，其功能为通过开启上网功能的智能手机浏览web界面随时查看数据。

所述的终端桌面操作系统(如图6所示)包括数据显示模块、数据比较模块、大数据分析模块、图像显示模块、系统预警模块、人员权限管理模块、数据用户开放模块、政务监管模块，具体的，

数据显示模块：用于在终端设备上显示采集传感器所采集到的数据，方便用户查看；

数据比较模块：用于在终端设备中不同的数据之间的比较；

大数据分析模块：用于观测某一监测信息在较长一段时间内的数据变化情况，分析数据变化是否出现异常；

图形显示模块：用于实时显示所监测区域的图像内容；

系统预警模块：通过预先设置预警信息，当采集数据偏移预先设置的信息较大时，系统提供报警；

人员权限管理：用于管理不同用户所具有的权限；

数据开放模块：对系统所采集到的数据，向普通用户提供某些数据的开放服务，用户可以通过api访问这些数据；

政府监管模块：通过该模块政府部分可以实时监测某些数据情况，该模块需要政府部分决定可以查看哪些信息。

附图说明

图1.检测传感器系统功能图。

图2.数据传输系统。

图3.gprs数据传输网络。

图4.无线传感器网络监测系统。

图5.grps传输模块结构图。

图6.终端桌面操作系统。

具体实施方式

实施例一

1.在大型沼气池的畜牧场废物进入沼气罐的入口处安装液体流量传感器，传感器采用220v供电，0-20ma电流输出，信号线和电源线通过埋设地下管道连接至传感器控制中心。

2.在沼气池产生沼气的管道中安装气体流量传感器、硫化氢传感器、二氧化碳传感器，传感器采用24v供电，0-20ma电流输出，信号线和电源线连接至传感器控制中心。

3.在畜牧废物加工池加装工业在线ph计设备，设备24v供电，0-20ma电流输出，信号线和电源线通过埋设地下管道连接至传感器控制中心。

4.在沼气池加装温度传感器，设备24v供电，0-20ma电流输出，信号线和电源线通过埋设地下管道连接至传感器控制中心。

5.传感器控制中心负责收集所有传感器采集到的数据，通过分析，压缩数据包，利用4g网络将数据发送至远程数据库服务器。

6.远程服务器中通过安装tcp/ip协议端口扫描程序，实时扫描数据端口，获取远程数据，并将数据存储到本地数据库系统中。

7.远程桌面操作系统负责向用户提供可视化的数据查询和数据分析，用户通过网页登录网上管理系统，可以实时查询沼气监测情况。

8.手机app操作系统负责用户通过手机终端实时了解沼气监测情况，用户通过安装app软件，登录系统即可及时查询相关的信息。

最后需要说明的是，以上实施例，仅为方便本领域技术人员充分理解本发明的实施方案作用，并不解释为对本发明的进一步限制。