秸秆沼气制取管理系统的研究

2014-10-09唐义锋王华东张蓉蓉于宝佺

中小企业管理与科技·下旬刊 2014年9期

唐义锋+王华东+张蓉蓉+于宝佺

摘要：本文研究一种秸秆沼气生产过程监控管理系统，通过GSM和GPRS对各分户进行数据库构建与网络管理，采用短信息方式将测量数据从移动终端上传到监控管理系统中，进而进行必要的生产指导，实现产能最优化。研究沼气池运行状态参数的测试方案，给出一种基于GSM系统的组网方案与信息的传送格式，分析了系统各模块的硬件结构，说明了AT指令进行短信收发的过程。

关键词：沼气制取 GSM管理系统网络结构分析移动测量终端数据格式

1 概述

随着我国经济发展速度的不断加快，能源越来越成为制约我国经济社会发展的重要因素。因此，积极开发新能源、研制节能产品、提高能源利用效率已成为解决能源问题的有效方法和途径。我国是一个农业生产大国，每年约生产7亿吨农作物秸秆，除用于造纸、饲料以及还田外，还有约3.7亿吨秸秆可用作生物质能源。沼气是一种优质可再生的能源，利用秸秆作为沼气制取的原料，已在我国农村得到了较好的开发利用，它不仅解决了用户的生活用能问题，同时也避免了秸杆焚烧等现象发生，起到保护生态环境的作用。沼气在农村的广泛使用有效地缓解了我国常规能源紧张的状况，对于促进社会经济的可持续发展和改善生态环境意义重大。但沼气系统建成后用户只知道使用，缺乏专业的日常维护知识，导致系统损坏，产气效率不高，甚至在制取过程中存在很大的浪费，如用气高峰期产气不足，低谷期产气过剩，此时，大部分多余气体直接排入大气中，造成二次污染。在国外，主要研究“四位一体”生态模式的大型的智能化沼气管控系统，如意大利的AMBIENTALIA的 “AmBioGas”沼气智能管理系统，加拿大肯高迪亚大学Ahmad Qasaimeh研究的“MSW”垃圾填埋产生沼气的监控系统等。

本文研究一种秸秆沼气生产过程监控管理系统，通过GSM和GPRS对各分户进行组网管理。通过专人定期检测与指导，以提高沼气产能，减少资源浪费。

2 系统的功能分析

本系统主要包括主机和移动测量终端两大部分，主机通过数据库管理等软件建立各分立用户的技术档案，能通过历史数据和现场数据两种途径对各分立用户进行技术指导；移动测量终端具有甲烷浓度、池液pH值测量及身份识证等功能，通过无线网络向主机发送测量数据信息，并接收主机返回的指导信息等。

3 系统方案设计

本系统的总体解决方案可分解为三个部分，即主机界面与数据库部分、可移动测量终端部分、数据传输部分。前两部分为基本部分，而数据传输部分的不同则决定着系统结构与相关软件的设计。

方案一采用带有GSM和GPRS功能的移动终端，通过SIM卡将测量数据上传给主机，接收来自主机的指导信息。对各分户进行过程管理。即以GSM的SMS或GPRS功能为无线数据传输的载体，为间隙式测量传输方案。

方案二采用ZigBee技术构建无线传感器网络，在无线管理系统局域网中，各用户的固定终端测量节点与协调器节点、路由节点组网，通过研发的主机管理系统及数据库管理系统，实时对生产过程等信息进行记录并做出指导。也可将固定终端测量节点作为移动节点使用，以减少终端测量节点的个数与成本，实现方案一的功能。

因此，上述两种方案均为可行方案，其中，方案一、二中的终端测量节点均可作为技术人员巡回操作的网络化终端节点，实现间隙式测量与运行指导；方案二还可以将用户节点作为固定的终端节点，即每个分立用户均配备一套终端测量节点，形成在线式实时管理系统，可有效提高各种参数采集的实时性，做到系统的动态管理，同时可使系统具有相对独立的网络架构，可扩充性强，但成本较高，结构较复杂，可作为第二步推广使用。为此，本文选用方案一进行组网设计。

4 网络结构分析

在以SIM卡为中心的管理系统网络中，以村民小组为单位，通过多个移动测量终端组成树型结构。也可根据技术人员的配备及村组用户的数量，使用一个移动测量终端组成星型结构。具体结构如图1所示。该系统由用户组、移动终端和带ZTK模块的远程监控中心三部分组成。

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图1 管理系统网络结构示意

5 移动测量终端方案设计

沼气生产中甲烷浓度、池液pH值是最重要的参数，通过它可确定更换生产原料和池液的时间，从而达到最大产能；目前国内所用的测量仪器大多为功能单一的独立设备，分别进行甲烷浓度和pH值的测量，使用不方便，总价也较高。无法进行动态测量和无线数据传输。根据有关资料，甲烷浓度的检测方法主要有热催化法、热导检测法、光学甲烷检测法、气敏半导体检测法、相干光干涉法、光声气体检测法和基于红外吸收的甲烷气体检测法等，其中，不少方法已用于甲烷气体浓度的高精度测量中，而pH值则大多采用pH电极进行测量。本文将一种红外吸收的甲烷气体检测传感器MH-741A、pH值测量模块、身份识别及无线传输模块相融合，形成一个具有测量与指导功能的移动终端，其原理框图如图2所示。其硬件结构主要有CPU、ZTK、存储、显示、键盘、身份识别、pH测量、甲烷测量及电源等部分。系统在CPU的控制下有序工作。

6 主机监控管理软件及基于SMS的数据格式设计

采用VB、LabVIEW等工具软件，开发出图形化人机交互界面，形成相应的数据库，实现对用户生产过程的监测与建档，同时通过专家系统进行指导信息的提取和发布，实现管理过程的图表化与可视化，方便管理与指导。

系统的无线数据传输部分采用ALIENTEK推出ZTK-SIM900A-V12模块实现，该模块为工业级 GSM/GPRS 模块，工作电压为5V～24V。其核心部分采用SIMCOM公司的工业级双频GSM/GPRS的SIM900A模块，工作频段双频：900/1800Mhz，可以低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的传输。

在系统中，ZTK-SIM900A模块通过RS232串口与主机或测量终端的测量部分相联接，从而使系统具有语音、短信和GPRS数据传输等功能。由于设备的测量数据对适时性要求不高，间隙传送的信息量较小，采用GSM的短信息功能中的文本模式即可满足设计要求，其SMS的数据格式定义如表1所示。endprint

表1 SMS的数据格式定义

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信息传输过程如下，移动终端测量某用户的数据并将其按照上述格式转换成标准化的短信息，在本机SIM卡的支持下，通过SIM900A模块给主机ZTK的SIM号码发送数据短信。主机收到短信后进行智能化查询，并向移动终端回发指导信息以完成一次各用户的测量与指导操作。信息发送时，发送端用ATE1设置回显模式，AT+CSCS=

"GSM"设置为"GSM"字符集，AT+CMGF=1文本模式。如发AT+CMGS="+13016578127"后，在模块返回：>时，发送格式化短信内容例如：M0010000000000000000 this is my test，发送1A（即0X1A）启动一次短信发送；接收端指令时AT+CMGF=1，设置为文本模式，AT+CSCS=

"GSM"，设置GSM字符集，AT+CNMI=2，1，设置新消息提示。当接收到一条新短信后，会提示如：+CMTI： "SM"，n，表明收到了新的短信，存放在SIM卡位置n。发送AT+CMGR=n，读取该短信并进行下一步响应。

7 结论

本文通过对秸秆沼气生产管理系统功能的研究，提出一种基于SIM卡技术的解决方案，对移动终端GSM和GPRS等功能进行了研究与应用，采用可视化程序设计及数据库应用技术，开发出图形化人机交互界面，形成相应的数据库，实现管理过程的图表化与可视化，给出一种短信息交互的处理格式及信息收发的流程。

参考文献：

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[2]唐义锋.维修电工与实训[M].北京：北京理工大学出版社，2013.12

[3]唐义锋，陈新华，冯辉.温室环境监控无线传感器网络节点的设计[J].湖南农业科学，2010（10）.

[4]李砚飞.河北青县秸秆沼气工程运行模式与管理经验[J].农业工程技术（新能源产业），2010（08）.

[5]温婧.江苏省金坛市秸秆沼气工程运行模式与管理经验[J].农业工程技术（新能源产业），2010（08）.

基金项目：本文为江苏省教育厅基金项目（编号：JHB2012-84）的研究成果。endprint

表1 SMS的数据格式定义

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