陳正濤+鄭爭兵

摘要:為實現(xiàn)農(nóng)村沼氣能源的安全使用和有效管理,根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu),設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)村沼氣監(jiān)測預警系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用傳感層、傳輸層和應用層的分層網(wǎng)絡架構(gòu),利用無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)實現(xiàn)傳感層的沼氣環(huán)境參數(shù)采集,利用GPRS技術(shù)完成傳輸層的沼氣環(huán)境參數(shù)無線傳輸,通過應用層的數(shù)據(jù)監(jiān)測中心軟件對系統(tǒng)進行遠程監(jiān)測和操作。該系統(tǒng)的設(shè)計為實現(xiàn)大規(guī)模農(nóng)村沼氣監(jiān)測的信息化和網(wǎng)絡化提供了技術(shù)支撐,具有廣闊的應用價值和推廣前景。

關(guān)鍵詞:物聯(lián)網(wǎng);監(jiān)測預警;ZigBee技術(shù);無線傳感器網(wǎng)絡

中圖分類號:TP393文獻標識碼:A文章編號:0439-8114(2014)10-2424-03

Designing the Monitoring and Warning System of Rural Marsh Gas Based on

Internet of Things

CHEN Zheng-tao,ZHENG Zheng-bing

(School of Physics and Telecommunication Engineering,Shaanxi University of Technology,Hanzhong 723000,Shaanxi,China)

Abstract:According to the structure of the internet of things,the monitoring and warning system of rural marsh gas based on Internet of things was proposed for the safely using of rural biogas energy and effective management. The hierarchical network architecture of the system was designed with the sensing layer, transport layer and application layer. The wireless sensor network technology was used to realize marsh gas environmental parameter acquisition in the sensing layer. The GPRS technology was used to complete the wireless transmission of the marsh gas environmental parameter in the transport layer. The data monitoring center software in the application layer realized remote monitoring and operation of the system. The development of this system will provide technical support to realize the information and network monitoring of large-scale marsh gas in rural areas,and has wide application and prospects of promotion.

Key words:internet of things; monitoring and warning; ZigBee technique; wireless sensor network

基金項目:陜西省教育廳科研計劃資助項目(2013JK1059)

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,沼氣工程實施規(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[1,2]。用戶管理不善和技術(shù)操作失誤可能導致沼氣池產(chǎn)氣率較低。此外,沼氣池的長期使用可能導致沼氣池及輸氣管道出現(xiàn)漏氣。沼氣是一種以甲烷和二氧化碳為主要成分的可燃性混合氣體,若管理不善,容易造成氣體蓄積,當達到一定濃度后,若泄漏會造成人員中毒,遇明火則極易產(chǎn)生爆炸,造成傷亡事故,對人民群眾的人身和財產(chǎn)安全造成危害。因此,建立一種高效的、網(wǎng)絡化的農(nóng)村沼氣工程監(jiān)測預警平臺,對安全利用沼氣能源,提高沼氣利用監(jiān)管效率和服務質(zhì)量,具有非常重要的現(xiàn)實意義。

物聯(lián)網(wǎng)(Internet of things)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,可以實現(xiàn)物與物、人與物之間的信息交互和通信[3]。隨著監(jiān)測技術(shù)朝著智能化和網(wǎng)絡化的方向發(fā)展,應用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以有效地推進農(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地監(jiān)控。為了解決這些問題,本研究設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)村沼氣監(jiān)測預警系統(tǒng),該系統(tǒng)可實現(xiàn)智能化、網(wǎng)絡化的沼氣現(xiàn)場參數(shù)采集和預警監(jiān)測,為物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)村方面的應用提供參考。

1系統(tǒng)的整體設(shè)計

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,農(nóng)村沼氣工程監(jiān)測系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計圖如圖1所示。該系統(tǒng)分為傳感層、傳輸層和應用層。傳感層主要完成不同區(qū)域的多點沼氣工程環(huán)境參數(shù)的采集,因此,利用無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)對監(jiān)測區(qū)域進行全面覆蓋,實現(xiàn)傳感數(shù)據(jù)的獲取和傳輸。單個監(jiān)測子區(qū)域的無線傳感器網(wǎng)絡由終端節(jié)點、路由節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點組成,利用網(wǎng)絡自組織特性,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。傳輸層主要利用GPRS網(wǎng)絡將對不同監(jiān)測子區(qū)域傳輸來的數(shù)據(jù)信息安全可靠地傳輸?shù)綌?shù)據(jù)監(jiān)測中心。由于GPRS網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議與無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議不兼容,通過無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點搭建傳感層與傳輸層的通信橋梁,負責無線傳感網(wǎng)絡的控制和維護,完成監(jiān)測數(shù)據(jù)信息的融合處理,實現(xiàn)兩種通訊協(xié)議的轉(zhuǎn)換。應用層主要由數(shù)據(jù)服務器、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。

2系統(tǒng)的分層設(shè)計

2.1傳感層的設(shè)計

由于無線傳感網(wǎng)絡監(jiān)測的區(qū)域范圍廣,傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量小,節(jié)點數(shù)量大并且耗能低,因此采用ZigBee無線通信技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡的構(gòu)建。ZigBee是基于IEEE 802.15.4標準的完整協(xié)議體系,支持星型、樹狀型、網(wǎng)狀型和混合型網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)[4,5]。系統(tǒng)采用混合型網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu),利用路由算法選擇合理路徑,實現(xiàn)數(shù)據(jù)可靠傳輸。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,為路由節(jié)點和終端節(jié)點分配惟一的16位網(wǎng)絡地址,實現(xiàn)節(jié)點之間的通信,路由器節(jié)點主要負責終端節(jié)點數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)接,終端節(jié)點主要負責傳感數(shù)據(jù)的采集和預處理。所有節(jié)點的硬件核心是微處理器和無線收發(fā)模塊,且路由器和協(xié)調(diào)器不需要傳感器模塊,因此,為了控制成本,提供硬件的通用性,選擇TI公司的ZigBee芯片CC2530F256構(gòu)建硬件平臺。CC2530F256芯片是一種支持 IEEE 802.15.4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2.4 GHz射頻收發(fā)模塊,擁有8 Kb的 RAM和256 Kb flash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。

根據(jù)農(nóng)村沼氣工程的實際情況,單個沼氣池內(nèi)環(huán)境、周圍環(huán)境和沼氣管道環(huán)境需要監(jiān)測的參數(shù)主要有沼液溫度、沼氣液位、沼氣壓力、沼氣濃度。因此,以CC2530F256芯片為控制核心構(gòu)建終端節(jié)點的硬件平臺如圖2所示。終端節(jié)點通過溫度傳感器、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。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。由于硬件功耗低且監(jiān)測環(huán)境不易供電,電源模塊主要采用3.7 V鋰電池通過微功耗電源管理芯片HT7533輸出3.3 V供電電壓。

2.2傳輸層的設(shè)計

傳輸層主要是利用GPRS移動網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳輸至遠程數(shù)據(jù)監(jiān)測中心。在支持TCP/IP協(xié)議的情況下,該網(wǎng)絡可以接入到Internet網(wǎng)絡擴大通信的范圍,方便遠程控制[6,7]。為了實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡與GPRS移動網(wǎng)絡之間的通信,可以將網(wǎng)關(guān)節(jié)點設(shè)計成無線網(wǎng)關(guān),其硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。無線網(wǎng)關(guān)利用CC2530通信模塊負責ZigBee網(wǎng)絡的控制和維護,完成信息的融合處置[8],實現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡與GPRS網(wǎng)絡通訊協(xié)議的轉(zhuǎn)換,利用GPRS傳輸模塊接入到GPRS移動網(wǎng)絡中。

本系統(tǒng)的GPRS傳輸模塊選用SIMCOM公司的SIM900模塊,該模塊支持TCP/IP協(xié)議,采用符合RS-232標準的串行通信接口與外部電路進行通信,因此,CC2530通信模塊通過串口電路利用AT控制指令實現(xiàn)與SIM900模塊的通信。此外,電源模塊采用鋰電池對整個硬件進行供電,由于SIM900模塊要求供電電壓為3.4~4.5 V,且供電電流峰值要求達到2 A,在電源設(shè)計中采用大電流專用低壓差線性穩(wěn)壓器芯片MIC29302,其輸出最大電流值達3 A,可以滿足SIM900模塊供電需要。

2.3應用層的設(shè)計

應用層的數(shù)據(jù)監(jiān)測中心主要包括數(shù)據(jù)服務器和監(jiān)測終端兩個部分。系統(tǒng)主要基于C/S(Client/Server)結(jié)構(gòu)和B/S(Browser/Server)結(jié)構(gòu)混合模式開發(fā)客戶監(jiān)測終端。在數(shù)據(jù)監(jiān)測中心的監(jiān)測終端利用C/S結(jié)構(gòu)開發(fā)基于PC機的監(jiān)測中心軟件。該中心軟件主要有用戶權(quán)限管理、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)管理和監(jiān)測控制功能等模塊。其中,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。用戶可以在數(shù)據(jù)監(jiān)測中心查詢數(shù)據(jù),但不能隨時隨地查看數(shù)據(jù)。利用B/S結(jié)構(gòu),即瀏覽器和服務器結(jié)構(gòu),用戶通過開啟上網(wǎng)功能的智能手機瀏覽 WEB 界面隨時查看數(shù)據(jù)。在該模式下,監(jiān)測終端(即智能手機)不需要開發(fā)客戶端應用程序,其缺點是服務器負擔較重。應用混合模式可以較好地滿足用戶對沼氣工程的監(jiān)測。

3系統(tǒng)的測試

傳感層構(gòu)建的無線傳感器通信可靠是實現(xiàn)沼氣工程監(jiān)測預警的關(guān)鍵部分。其中,兩個節(jié)點間的通信距離是無線傳感器網(wǎng)絡中的一個重要參數(shù),它影響著在放置各節(jié)點時的最大通信距離依據(jù)傳感器網(wǎng)絡覆蓋范圍。本系統(tǒng)在0 dBm的發(fā)送功率下分別在空曠地,隔一面封閉墻、隔兩面封閉墻的情況下測試節(jié)點間的信號強度和誤包率。測試結(jié)果如表1所示。由表1可知,ZigBee收發(fā)節(jié)點在0 dBm的發(fā)送功率、收發(fā)次數(shù)1 000次數(shù)和每個數(shù)據(jù)包字節(jié)數(shù)為10的情況下,因為環(huán)境和間隔距離的不同,通信質(zhì)量存在很大差別。從表1中可以看出,系統(tǒng)可以在1 000 m范圍內(nèi)比較復雜的地形進行應用,而且可以通過一定的協(xié)議簡化數(shù)據(jù)的傳輸量,可以降低誤包率。

本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)村沼氣監(jiān)測預警系統(tǒng),該系統(tǒng)利用無線傳感網(wǎng)絡技術(shù)和GPRS技術(shù)實現(xiàn)沼氣工程的智能監(jiān)測預警功能,通過改變傳感器的類型可實現(xiàn)監(jiān)測功能全面升級。該系統(tǒng)為實現(xiàn)大規(guī)模農(nóng)村沼氣監(jiān)測的信息化和網(wǎng)絡化提供了技術(shù)支撐,具有廣闊的應用價值和推廣前景。

參考文獻:

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[4] 張軍國,賴小龍,楊睿茜,等.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在精準農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的應用研究[J].湖南農(nóng)業(yè)科學,2011(15):173-176.

[5] 鄭爭兵.基于nRF401礦井溫濕度無線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[J].煤炭技術(shù),2013,32(1):108-109.

[6] 鄭爭兵.基于AVR的豬舍溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].廣東農(nóng)業(yè)科學,2012,39(4):125-127.

[7] 鄭爭兵.基于GSM網(wǎng)絡的蔬菜大棚環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)[J].廣東農(nóng)業(yè)科學,2012,39(1):158-159.

[8] 鄭爭兵.基于DSP Builder的FIR數(shù)字濾波器設(shè)計與驗證[J].陜西理工學院學報(自然科學版),2013,29(2):34-38.

根據(jù)農(nóng)村沼氣工程的實際情況,單個沼氣池內(nèi)環(huán)境、周圍環(huán)境和沼氣管道環(huán)境需要監(jiān)測的參數(shù)主要有沼液溫度、沼氣液位、沼氣壓力、沼氣濃度。因此,以CC2530F256芯片為控制核心構(gòu)建終端節(jié)點的硬件平臺如圖2所示。終端節(jié)點通過溫度傳感器、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。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。由于硬件功耗低且監(jiān)測環(huán)境不易供電,電源模塊主要采用3.7 V鋰電池通過微功耗電源管理芯片HT7533輸出3.3 V供電電壓。

2.2傳輸層的設(shè)計

傳輸層主要是利用GPRS移動網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳輸至遠程數(shù)據(jù)監(jiān)測中心。在支持TCP/IP協(xié)議的情況下,該網(wǎng)絡可以接入到Internet網(wǎng)絡擴大通信的范圍,方便遠程控制[6,7]。為了實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡與GPRS移動網(wǎng)絡之間的通信,可以將網(wǎng)關(guān)節(jié)點設(shè)計成無線網(wǎng)關(guān),其硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。無線網(wǎng)關(guān)利用CC2530通信模塊負責ZigBee網(wǎng)絡的控制和維護,完成信息的融合處置[8],實現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡與GPRS網(wǎng)絡通訊協(xié)議的轉(zhuǎn)換,利用GPRS傳輸模塊接入到GPRS移動網(wǎng)絡中。

本系統(tǒng)的GPRS傳輸模塊選用SIMCOM公司的SIM900模塊,該模塊支持TCP/IP協(xié)議,采用符合RS-232標準的串行通信接口與外部電路進行通信,因此,CC2530通信模塊通過串口電路利用AT控制指令實現(xiàn)與SIM900模塊的通信。此外,電源模塊采用鋰電池對整個硬件進行供電,由于SIM900模塊要求供電電壓為3.4~4.5 V,且供電電流峰值要求達到2 A,在電源設(shè)計中采用大電流專用低壓差線性穩(wěn)壓器芯片MIC29302,其輸出最大電流值達3 A,可以滿足SIM900模塊供電需要。

2.3應用層的設(shè)計

應用層的數(shù)據(jù)監(jiān)測中心主要包括數(shù)據(jù)服務器和監(jiān)測終端兩個部分。系統(tǒng)主要基于C/S(Client/Server)結(jié)構(gòu)和B/S(Browser/Server)結(jié)構(gòu)混合模式開發(fā)客戶監(jiān)測終端。在數(shù)據(jù)監(jiān)測中心的監(jiān)測終端利用C/S結(jié)構(gòu)開發(fā)基于PC機的監(jiān)測中心軟件。該中心軟件主要有用戶權(quán)限管理、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)管理和監(jiān)測控制功能等模塊。其中,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。用戶可以在數(shù)據(jù)監(jiān)測中心查詢數(shù)據(jù),但不能隨時隨地查看數(shù)據(jù)。利用B/S結(jié)構(gòu),即瀏覽器和服務器結(jié)構(gòu),用戶通過開啟上網(wǎng)功能的智能手機瀏覽 WEB 界面隨時查看數(shù)據(jù)。在該模式下,監(jiān)測終端(即智能手機)不需要開發(fā)客戶端應用程序,其缺點是服務器負擔較重。應用混合模式可以較好地滿足用戶對沼氣工程的監(jiān)測。

3系統(tǒng)的測試

傳感層構(gòu)建的無線傳感器通信可靠是實現(xiàn)沼氣工程監(jiān)測預警的關(guān)鍵部分。其中,兩個節(jié)點間的通信距離是無線傳感器網(wǎng)絡中的一個重要參數(shù),它影響著在放置各節(jié)點時的最大通信距離依據(jù)傳感器網(wǎng)絡覆蓋范圍。本系統(tǒng)在0 dBm的發(fā)送功率下分別在空曠地,隔一面封閉墻、隔兩面封閉墻的情況下測試節(jié)點間的信號強度和誤包率。測試結(jié)果如表1所示。由表1可知,ZigBee收發(fā)節(jié)點在0 dBm的發(fā)送功率、收發(fā)次數(shù)1 000次數(shù)和每個數(shù)據(jù)包字節(jié)數(shù)為10的情況下,因為環(huán)境和間隔距離的不同,通信質(zhì)量存在很大差別。從表1中可以看出,系統(tǒng)可以在1 000 m范圍內(nèi)比較復雜的地形進行應用,而且可以通過一定的協(xié)議簡化數(shù)據(jù)的傳輸量,可以降低誤包率。

本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)村沼氣監(jiān)測預警系統(tǒng),該系統(tǒng)利用無線傳感網(wǎng)絡技術(shù)和GPRS技術(shù)實現(xiàn)沼氣工程的智能監(jiān)測預警功能,通過改變傳感器的類型可實現(xiàn)監(jiān)測功能全面升級。該系統(tǒng)為實現(xiàn)大規(guī)模農(nóng)村沼氣監(jiān)測的信息化和網(wǎng)絡化提供了技術(shù)支撐,具有廣闊的應用價值和推廣前景。

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[6] 鄭爭兵.基于AVR的豬舍溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].廣東農(nóng)業(yè)科學,2012,39(4):125-127.

[7] 鄭爭兵.基于GSM網(wǎng)絡的蔬菜大棚環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)[J].廣東農(nóng)業(yè)科學,2012,39(1):158-159.

[8] 鄭爭兵.基于DSP Builder的FIR數(shù)字濾波器設(shè)計與驗證[J].陜西理工學院學報(自然科學版),2013,29(2):34-38.

根據(jù)農(nóng)村沼氣工程的實際情況,單個沼氣池內(nèi)環(huán)境、周圍環(huán)境和沼氣管道環(huán)境需要監(jiān)測的參數(shù)主要有沼液溫度、沼氣液位、沼氣壓力、沼氣濃度。因此,以CC2530F256芯片為控制核心構(gòu)建終端節(jié)點的硬件平臺如圖2所示。終端節(jié)點通過溫度傳感器、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。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。由于硬件功耗低且監(jiān)測環(huán)境不易供電,電源模塊主要采用3.7 V鋰電池通過微功耗電源管理芯片HT7533輸出3.3 V供電電壓。

2.2傳輸層的設(shè)計

傳輸層主要是利用GPRS移動網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳輸至遠程數(shù)據(jù)監(jiān)測中心。在支持TCP/IP協(xié)議的情況下,該網(wǎng)絡可以接入到Internet網(wǎng)絡擴大通信的范圍,方便遠程控制[6,7]。為了實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡與GPRS移動網(wǎng)絡之間的通信,可以將網(wǎng)關(guān)節(jié)點設(shè)計成無線網(wǎng)關(guān),其硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。無線網(wǎng)關(guān)利用CC2530通信模塊負責ZigBee網(wǎng)絡的控制和維護,完成信息的融合處置[8],實現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡與GPRS網(wǎng)絡通訊協(xié)議的轉(zhuǎn)換,利用GPRS傳輸模塊接入到GPRS移動網(wǎng)絡中。

本系統(tǒng)的GPRS傳輸模塊選用SIMCOM公司的SIM900模塊,該模塊支持TCP/IP協(xié)議,采用符合RS-232標準的串行通信接口與外部電路進行通信,因此,CC2530通信模塊通過串口電路利用AT控制指令實現(xiàn)與SIM900模塊的通信。此外,電源模塊采用鋰電池對整個硬件進行供電,由于SIM900模塊要求供電電壓為3.4~4.5 V,且供電電流峰值要求達到2 A,在電源設(shè)計中采用大電流專用低壓差線性穩(wěn)壓器芯片MIC29302,其輸出最大電流值達3 A,可以滿足SIM900模塊供電需要。

2.3應用層的設(shè)計

應用層的數(shù)據(jù)監(jiān)測中心主要包括數(shù)據(jù)服務器和監(jiān)測終端兩個部分。系統(tǒng)主要基于C/S(Client/Server)結(jié)構(gòu)和B/S(Browser/Server)結(jié)構(gòu)混合模式開發(fā)客戶監(jiān)測終端。在數(shù)據(jù)監(jiān)測中心的監(jiān)測終端利用C/S結(jié)構(gòu)開發(fā)基于PC機的監(jiān)測中心軟件。該中心軟件主要有用戶權(quán)限管理、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)管理和監(jiān)測控制功能等模塊。其中,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。用戶可以在數(shù)據(jù)監(jiān)測中心查詢數(shù)據(jù),但不能隨時隨地查看數(shù)據(jù)。利用B/S結(jié)構(gòu),即瀏覽器和服務器結(jié)構(gòu),用戶通過開啟上網(wǎng)功能的智能手機瀏覽 WEB 界面隨時查看數(shù)據(jù)。在該模式下,監(jiān)測終端(即智能手機)不需要開發(fā)客戶端應用程序,其缺點是服務器負擔較重。應用混合模式可以較好地滿足用戶對沼氣工程的監(jiān)測。

3系統(tǒng)的測試

傳感層構(gòu)建的無線傳感器通信可靠是實現(xiàn)沼氣工程監(jiān)測預警的關(guān)鍵部分。其中,兩個節(jié)點間的通信距離是無線傳感器網(wǎng)絡中的一個重要參數(shù),它影響著在放置各節(jié)點時的最大通信距離依據(jù)傳感器網(wǎng)絡覆蓋范圍。本系統(tǒng)在0 dBm的發(fā)送功率下分別在空曠地,隔一面封閉墻、隔兩面封閉墻的情況下測試節(jié)點間的信號強度和誤包率。測試結(jié)果如表1所示。由表1可知,ZigBee收發(fā)節(jié)點在0 dBm的發(fā)送功率、收發(fā)次數(shù)1 000次數(shù)和每個數(shù)據(jù)包字節(jié)數(shù)為10的情況下,因為環(huán)境和間隔距離的不同,通信質(zhì)量存在很大差別。從表1中可以看出,系統(tǒng)可以在1 000 m范圍內(nèi)比較復雜的地形進行應用,而且可以通過一定的協(xié)議簡化數(shù)據(jù)的傳輸量,可以降低誤包率。

本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)村沼氣監(jiān)測預警系統(tǒng),該系統(tǒng)利用無線傳感網(wǎng)絡技術(shù)和GPRS技術(shù)實現(xiàn)沼氣工程的智能監(jiān)測預警功能,通過改變傳感器的類型可實現(xiàn)監(jiān)測功能全面升級。該系統(tǒng)為實現(xiàn)大規(guī)模農(nóng)村沼氣監(jiān)測的信息化和網(wǎng)絡化提供了技術(shù)支撐,具有廣闊的應用價值和推廣前景。

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