水稻田甲烷氣體排放在線監(jiān)測系統(tǒng)設計研究范文

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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，設計了一種基于GPRS無線遠程通信的水稻田甲烷氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)。首先，介紹了監(jiān)測系統(tǒng)的總體設計思路與核心結(jié)構(gòu)，包括系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與軟件系統(tǒng)設計;其次，針對甲烷傳感器進行了標定、穩(wěn)定性實驗，在此基礎上，建立了甲烷濃度預測模型;最后，選取安徽省農(nóng)科院水稻實驗田作為對象，連續(xù)監(jiān)測了144小時的甲烷排放情況，甲烷排放速率呈周期性變化，變化周期為24小時(1天)，甲烷排放速率與土壤溫度呈正相關(guān)，144小時的甲烷氣體平均排放速率為2.935mg•m－2•h－1。實驗結(jié)果表明:系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測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)測與控制提供理論基礎與數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞:CH4監(jiān)測;嵌入式系統(tǒng);預測模型

我國農(nóng)業(yè)已超過工業(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)合國政府間氣候變化專業(yè)委員會(ICPP)報告指出，單位摩爾甲烷的輻射強度是二氧化碳的21倍，它對全球溫室效應的貢獻達到二氧化碳的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、不能實時監(jiān)測等問題［9－10］。為了有效監(jiān)測水稻田甲烷氣體排放，急需一種實時快速獲取甲烷氣體濃度的監(jiān)測系統(tǒng)，它能夠長期監(jiān)測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，本文設計了一套基于傳感技術(shù)、嵌入式技術(shù)與遠程無線通信技術(shù)相結(jié)合的甲烷氣體排放在線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有實時、穩(wěn)定、高精度等優(yōu)點，為水稻田甲烷氣體濃度在線檢測與監(jiān)測提供了一種新的手段與方法。

1系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)包括硬件設計、軟件設計兩大部分。其中硬件設計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經(jīng)信號調(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IIC總線的方式與微處理器進行通信;系統(tǒng)選用低功耗的32位ARM處理器STM32F103VB作為主控芯片，由獨立電源模塊進行供電，并引出標準JTAG接口，方便程序的燒寫與調(diào)試;STM32控制器的實時時鐘(RTC)模塊，為定時采樣、實時存儲提供時間依據(jù)，利用STM32控制器的SPI接口將采集數(shù)據(jù)與采樣時間同步寫入SD卡中，實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)與采樣時間的本地存儲。此外系統(tǒng)通過RS232接口將采集數(shù)據(jù)經(jīng)GPRS模塊實時上傳至云端服務器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程存儲與調(diào)用。

2系統(tǒng)硬件設計

2.1控制器選型

控制器是整個監(jiān)測系統(tǒng)的核心部件，主要負責數(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)存儲到本地的SD卡中，同時通過RS232串行接口經(jīng)GPRS模塊將數(shù)據(jù)上傳到云端服務器上進行遠程存儲，方便調(diào)用。系統(tǒng)控制器采用意法半導體(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。其內(nèi)部帶有128kB字節(jié)的FLASH和20kB的SRAM;最高工作頻率可達72MHz，具有豐富的高速I/O端口，3路12位ADC(可達21通道)，2路DAC，4路16位通用定時器，2路16位PWM;可達13個通信接口:2個IIC接口，3個SPI接口，5個USART接口，1個CAN接口，1個USB2.0全速接口，1個SDIO接口。完全能滿足甲烷排放、溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設計要求。

2.2甲烷傳感器

目前檢測甲烷氣體的傳感器有催化燃燒和紅外吸收兩種原理的，通常用來檢測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計和制造相對簡單、價格低廉，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限約為100ppm，無法有效檢測水稻田中的低濃度甲烷氣體;②抗干擾性能差，對大部分可燃性氣體都產(chǎn)生響應，環(huán)境中其它可燃性氣體對其檢測結(jié)果干擾較大;③容易失效，當環(huán)境中存在含硅、氯、硫的化合物時，傳感器會發(fā)生中毒現(xiàn)象，所以催化燃燒式傳感器要時常校準。針對以上問題，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DynamentMSHia－HC)作為甲烷氣體檢測單元，該傳感器具有穩(wěn)定性好，精度高，抗干擾能力強、適用惡劣環(huán)境、維護少、壽命長等優(yōu)點。該傳感器運用了非色散紅外原理，能夠?qū)崿F(xiàn)對甲烷氣體的高精度檢測。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，且響應時間小于25秒。符合水稻田甲烷氣體排放濃度測量需求。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。本設計使用STM32控制器的ADC直接讀取傳感器的電壓值，經(jīng)處理運算得到實際甲烷濃度。

2.3溫度傳感器

采用TYX－CTWS1型土壤溫度傳感器，其測量精度高、響應快。采用12V供電，輸出電流為工業(yè)標準4mA至20mA輸出，抗干擾能力好，其分辨率為0.1℃，適用于對農(nóng)田土壤溫度是檢測。由于其輸出的為電流信號，因此需要個轉(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)運算得到土壤實際溫度值。

2.4GPRS模塊

GPRS(通用分組無線服務技術(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)級嵌入式處理器，以實時操作系統(tǒng)為軟件支撐平臺，超大內(nèi)存，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧。支持AT指令，方便用戶進行參數(shù)配置，同時支持TCP、UDP透明數(shù)據(jù)傳輸，采用RS－232串行接口，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶串口到無線網(wǎng)絡之間的轉(zhuǎn)換，使傳統(tǒng)串口設備更好的加入無線網(wǎng)絡，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。CM3160P外接SIM卡，支持固定IP通信方式支持固定IP通信方式，通過合理配置，可以通過GPRS網(wǎng)絡連上服務器端。CM3160P完全能勝任水稻田復雜環(huán)境下數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)囊蟆?/p>

2.5其他硬件模塊

(1)電源模塊整個系統(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。本設計由外部12V鋰電池供電，通過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、存儲模塊、GPRS模塊等供電。

(2)存儲模塊為防止數(shù)據(jù)丟失，系統(tǒng)將采集的數(shù)據(jù)在上傳發(fā)送到服務器端的同時，還進行了本地存儲，確保采集數(shù)據(jù)的完整性。本系統(tǒng)設計有SD卡存儲電路，利用STM32的SPI接口，將采集的數(shù)據(jù)與采樣時間同步寫入到SD卡中，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的本地存儲。

(3)RS232串口模塊監(jiān)測系統(tǒng)需要通過串口將采集的甲烷濃度與溫濕度數(shù)據(jù)經(jīng)CM3160P(GPRS模塊)以透傳模式上傳至服務器，而CM3160P采用的是RS232接口，要實現(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。本設計利用MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片，將STM32USART接口的TTL電平轉(zhuǎn)換成RS232電平。

(4)時鐘模塊本地存儲傳感器數(shù)據(jù)時需要存儲對應采樣時間，以便作后期數(shù)據(jù)處理。本文直接利用STM32的實時時鐘(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，同時在STM32的VBAT引腳接有3.3V紐扣電池，以便在斷開電源后使用后備電池進行供電，維持RTC的正常運行，為本地存儲提供時間依據(jù)。

3系統(tǒng)軟件設計

3.1嵌入式軟件設計

本文采用庫函數(shù)法進行嵌入式軟件設計，采用ST官方固件庫3.5.0進行驅(qū)動與軟件開發(fā)。采用固件庫開發(fā)，無需了解寄存器底層操作，只需調(diào)用庫提供的函數(shù)，即可輕松的完成各外設的配置，極大的縮短了開發(fā)周期，提高了編程效率。本文中嵌入式軟件主要任務包括系統(tǒng)初始化、甲烷溫濕度數(shù)據(jù)采集與處理、SD卡存儲、串口傳輸。首先進行系統(tǒng)初始化，包括系統(tǒng)時鐘初始化，sy-stick滴答定時器、RTC、GPIO口、嵌入式中斷嵌套、通用定時器、ADC、SPI、DMA等外設初始化，SD卡模塊、溫濕度模塊、串口通訊等模塊初始化。RTC提供時鐘，每個整點啟動數(shù)據(jù)采集，采集的傳感器值經(jīng)過算法濾波后得到相應甲烷濃度值與溫濕度值，分別由stm32的SPI接口寫入SD卡中，USART接口傳輸給服務器，之后關(guān)閉傳感器以及傳輸模塊，使系統(tǒng)處于待機狀態(tài)以減小功耗。

3.2服務端軟件設計

服務端軟件開發(fā)平臺采用VisualStudio設計，采用C#編程，該軟件啟動后進入監(jiān)聽模式，一旦有GPRS無線模塊上線，便可直接建立連接、通信。該軟件可以管理各設備節(jié)點的接入情況，設置工作模式，同時可以控制數(shù)據(jù)采集終端的采集時間間隔，從而達到遠程監(jiān)控的目的。該軟件建立有數(shù)據(jù)庫，將GPRS無線模塊傳輸回來的數(shù)據(jù)實時保存至數(shù)據(jù)庫中。

4驗證實驗測

試實驗主要針對系統(tǒng)甲烷傳感器進行標定，同時針對系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集精度、測量范圍、穩(wěn)定性等方面對系統(tǒng)性能做出分析。現(xiàn)場監(jiān)測實驗用于證明其實用性，即該系統(tǒng)確實是否可以用于水稻田甲烷排放量的監(jiān)測，以及存在改進的地方。

4.1傳感器標定

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，因此采用標定的方法來確定傳感器輸出電壓和實際甲烷濃度之間的定量關(guān)系。實驗對濃度0至2000ppm范圍內(nèi)21種不同濃度的標準甲烷氣體進行標定，記錄相應濃度下的電壓輸出值，并設傳感器的分辨率為1ppm。每種濃度下的電壓值均為經(jīng)過STM32微處理器采用最小二乘法、RANSAC等算法軟件濾波后的值，重復多次實驗后，求取平均值。

4.2穩(wěn)定性測試

針對0至2000ppm范圍內(nèi)三組不同濃度的甲烷氣體(400ppm，600ppm，800ppm)，本項目進行了傳感器穩(wěn)定性測試。每組測試時長5天，每隔10min采集一次數(shù)據(jù)，實驗結(jié)果如圖11所示。結(jié)果表明不同濃度甲烷氣體的測量誤差均小于0.01%，具有較高的監(jiān)測精度，且傳感器的穩(wěn)定性良好，不會隨時間產(chǎn)生漂移。

4.3農(nóng)田監(jiān)測實驗(2周實驗數(shù)據(jù))

現(xiàn)場試驗在安徽省農(nóng)科院水稻育種基地開展，由于育種基地中施用有機肥量較大，所以釋放的甲烷量較多，具有代表性。我們利用有機玻璃制作了一個密閉的長方體氣箱，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有機玻璃直射到農(nóng)田中的作物上面，不影響作物的正常生長;另一方面保證了農(nóng)田淤泥中釋放的甲烷氣體不會擴散到大氣中。為了減小對水稻生長環(huán)境的影響下，我們設定監(jiān)測周期為6天，系統(tǒng)每小時采集一次甲烷氣體濃度數(shù)據(jù)和有機玻璃氣箱內(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，理論上講應該是一個直線上升的趨勢，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。這個變化周期與監(jiān)測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，我們對甲烷排放累積濃度變化曲線進行求導，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(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工作過程中采樣程序繁瑣、成本高、不能實時監(jiān)測等問題，本文設計了一種水稻田甲烷氣體排放在線監(jiān)測系統(tǒng)，根據(jù)水稻田復雜環(huán)境下對排放的甲烷氣體濃度監(jiān)測的要求，結(jié)合傳感技術(shù)、嵌入式技術(shù)與遠程無線通信技術(shù)實現(xiàn)了易使用、低成本、實時在線監(jiān)測，并對系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集精度、穩(wěn)定性等方面對系統(tǒng)性能影響做出分析，實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有實時、穩(wěn)定、高精度等特點，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。最后，通過安徽省農(nóng)科院水稻試驗田144小時的甲烷排放監(jiān)測實驗，驗證了系統(tǒng)穩(wěn)定、性能可靠。

作者：鄭守國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．中國科學技術(shù)大學，3．安徽大學