唐義鋒+王華東+張蓉蓉+于寶佺

摘要：本文研究一種秸稈沼氣生產(chǎn)過程監(jiān)控管理系統(tǒng)，通過GSM和GPRS對各分戶進行數(shù)據(jù)庫構(gòu)建與網(wǎng)絡(luò)管理，采用短信息方式將測量數(shù)據(jù)從移動終端上傳到監(jiān)控管理系統(tǒng)中，進而進行必要的生產(chǎn)指導(dǎo)，實現(xiàn)產(chǎn)能最優(yōu)化。研究沼氣池運行狀態(tài)參數(shù)的測試方案，給出一種基于GSM系統(tǒng)的組網(wǎng)方案與信息的傳送格式，分析了系統(tǒng)各模塊的硬件結(jié)構(gòu)，說明了AT指令進行短信收發(fā)的過程。

關(guān)鍵詞：沼氣制取 GSM管理系統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 分析 移動測量終端 數(shù)據(jù)格式

1 概述

隨著我國經(jīng)濟發(fā)展速度的不斷加快，能源越來越成為制約我國經(jīng)濟社會發(fā)展的重要因素。因此，積極開發(fā)新能源、研制節(jié)能產(chǎn)品、提高能源利用效率已成為解決能源問題的有效方法和途徑。我國是一個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國，每年約生產(chǎn)7億噸農(nóng)作物秸稈，除用于造紙、飼料以及還田外，還有約3.7億噸秸稈可用作生物質(zhì)能源。沼氣是一種優(yōu)質(zhì)可再生的能源，利用秸稈作為沼氣制取的原料，已在我國農(nóng)村得到了較好的開發(fā)利用，它不僅解決了用戶的生活用能問題，同時也避免了秸桿焚燒等現(xiàn)象發(fā)生，起到保護生態(tài)環(huán)境的作用。沼氣在農(nóng)村的廣泛使用有效地緩解了我國常規(guī)能源緊張的狀況，對于促進社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展和改善生態(tài)環(huán)境意義重大。但沼氣系統(tǒng)建成后用戶只知道使用，缺乏專業(yè)的日常維護知識，導(dǎo)致系統(tǒng)損壞，產(chǎn)氣效率不高，甚至在制取過程中存在很大的浪費，如用氣高峰期產(chǎn)氣不足，低谷期產(chǎn)氣過剩，此時，大部分多余氣體直接排入大氣中，造成二次污染。在國外，主要研究“四位一體”生態(tài)模式的大型的智能化沼氣管控系統(tǒng)，如意大利的AMBIENTALIA的 “AmBioGas”沼氣智能管理系統(tǒng)，加拿大肯高迪亞大學(xué)Ahmad Qasaimeh研究的“MSW”垃圾填埋產(chǎn)生沼氣的監(jiān)控系統(tǒng)等。

本文研究一種秸稈沼氣生產(chǎn)過程監(jiān)控管理系統(tǒng)，通過GSM和GPRS對各分戶進行組網(wǎng)管理。通過專人定期檢測與指導(dǎo)，以提高沼氣產(chǎn)能，減少資源浪費。

2 系統(tǒng)的功能分析

本系統(tǒng)主要包括主機和移動測量終端兩大部分，主機通過數(shù)據(jù)庫管理等軟件建立各分立用戶的技術(shù)檔案，能通過歷史數(shù)據(jù)和現(xiàn)場數(shù)據(jù)兩種途徑對各分立用戶進行技術(shù)指導(dǎo)；移動測量終端具有甲烷濃度、池液pH值測量及身份識證等功能，通過無線網(wǎng)絡(luò)向主機發(fā)送測量數(shù)據(jù)信息，并接收主機返回的指導(dǎo)信息等。

3 系統(tǒng)方案設(shè)計

本系統(tǒng)的總體解決方案可分解為三個部分，即主機界面與數(shù)據(jù)庫部分、可移動測量終端部分、數(shù)據(jù)傳輸部分。前兩部分為基本部分，而數(shù)據(jù)傳輸部分的不同則決定著系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與相關(guān)軟件的設(shè)計。

方案一采用帶有GSM和GPRS功能的移動終端，通過SIM卡將測量數(shù)據(jù)上傳給主機，接收來自主機的指導(dǎo)信息。對各分戶進行過程管理。即以GSM的SMS或GPRS功能為無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d體，為間隙式測量傳輸方案。

方案二采用ZigBee技術(shù)構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，在無線管理系統(tǒng)局域網(wǎng)中，各用戶的固定終端測量節(jié)點與協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由節(jié)點組網(wǎng)，通過研發(fā)的主機管理系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，實時對生產(chǎn)過程等信息進行記錄并做出指導(dǎo)。也可將固定終端測量節(jié)點作為移動節(jié)點使用，以減少終端測量節(jié)點的個數(shù)與成本，實現(xiàn)方案一的功能。

因此，上述兩種方案均為可行方案，其中，方案一、二中的終端測量節(jié)點均可作為技術(shù)人員巡回操作的網(wǎng)絡(luò)化終端節(jié)點，實現(xiàn)間隙式測量與運行指導(dǎo)；方案二還可以將用戶節(jié)點作為固定的終端節(jié)點，即每個分立用戶均配備一套終端測量節(jié)點，形成在線式實時管理系統(tǒng)，可有效提高各種參數(shù)采集的實時性，做到系統(tǒng)的動態(tài)管理，同時可使系統(tǒng)具有相對獨立的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，可擴充性強，但成本較高，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，可作為第二步推廣使用。為此，本文選用方案一進行組網(wǎng)設(shè)計。

4 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析

在以SIM卡為中心的管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，以村民小組為單位，通過多個移動測量終端組成樹型結(jié)構(gòu)。也可根據(jù)技術(shù)人員的配備及村組用戶的數(shù)量，使用一個移動測量終端組成星型結(jié)構(gòu)。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)由用戶組、移動終端和帶ZTK模塊的遠程監(jiān)控中心三部分組成。

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圖1 管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意

5 移動測量終端方案設(shè)計

沼氣生產(chǎn)中甲烷濃度、池液pH值是最重要的參數(shù)，通過它可確定更換生產(chǎn)原料和池液的時間，從而達到最大產(chǎn)能；目前國內(nèi)所用的測量儀器大多為功能單一的獨立設(shè)備，分別進行甲烷濃度和pH值的測量，使用不方便，總價也較高。無法進行動態(tài)測量和無線數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)有關(guān)資料，甲烷濃度的檢測方法主要有熱催化法、熱導(dǎo)檢測法、光學(xué)甲烷檢測法、氣敏半導(dǎo)體檢測法、相干光干涉法、光聲氣體檢測法和基于紅外吸收的甲烷氣體檢測法等，其中，不少方法已用于甲烷氣體濃度的高精度測量中，而pH值則大多采用pH電極進行測量。本文將一種紅外吸收的甲烷氣體檢測傳感器MH-741A、pH值測量模塊、身份識別及無線傳輸模塊相融合，形成一個具有測量與指導(dǎo)功能的移動終端，其原理框圖如圖2所示。其硬件結(jié)構(gòu)主要有CPU、ZTK、存儲、顯示、鍵盤、身份識別、pH測量、甲烷測量及電源等部分。系統(tǒng)在CPU的控制下有序工作。

6 主機監(jiān)控管理軟件及基于SMS的數(shù)據(jù)格式設(shè)計

采用VB、LabVIEW等工具軟件，開發(fā)出圖形化人機交互界面，形成相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對用戶生產(chǎn)過程的監(jiān)測與建檔，同時通過專家系統(tǒng)進行指導(dǎo)信息的提取和發(fā)布，實現(xiàn)管理過程的圖表化與可視化，方便管理與指導(dǎo)。

系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)傳輸部分采用ALIENTEK推出ZTK-SIM900A-V12模塊實現(xiàn)，該模塊為工業(yè)級 GSM/GPRS 模塊，工作電壓為5V～24V。其核心部分采用SIMCOM公司的工業(yè)級雙頻GSM/GPRS的SIM900A模塊，工作頻段雙頻：900/1800Mhz，可以低功耗實現(xiàn)語音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸。

在系統(tǒng)中，ZTK-SIM900A模塊通過RS232串口與主機或測量終端的測量部分相聯(lián)接，從而使系統(tǒng)具有語音、短信和GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。由于設(shè)備的測量數(shù)據(jù)對適時性要求不高，間隙傳送的信息量較小，采用GSM的短信息功能中的文本模式即可滿足設(shè)計要求，其SMS的數(shù)據(jù)格式定義如表1所示。endprint

表1 SMS的數(shù)據(jù)格式定義

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信息傳輸過程如下，移動終端測量某用戶的數(shù)據(jù)并將其按照上述格式轉(zhuǎn)換成標(biāo)準化的短信息，在本機SIM卡的支持下，通過SIM900A模塊給主機ZTK的SIM號碼發(fā)送數(shù)據(jù)短信。主機收到短信后進行智能化查詢，并向移動終端回發(fā)指導(dǎo)信息以完成一次各用戶的測量與指導(dǎo)操作。信息發(fā)送時，發(fā)送端用ATE1設(shè)置回顯模式，AT+CSCS=

"GSM"設(shè)置為"GSM"字符集，AT+CMGF=1文本模式。如發(fā)AT+CMGS="+13016578127"后，在模塊返回：>時，發(fā)送格式化短信內(nèi)容例如：M0010000000000000000 this is my test，發(fā)送1A（即0X1A）啟動一次短信發(fā)送；接收端指令時AT+CMGF=1，設(shè)置為文本模式，AT+CSCS=

"GSM"，設(shè)置GSM字符集，AT+CNMI=2，1，設(shè)置新消息提示。當(dāng)接收到一條新短信后，會提示如：+CMTI： "SM"，n，表明收到了新的短信，存放在SIM卡位置n。發(fā)送AT+CMGR=n，讀取該短信并進行下一步響應(yīng)。

7 結(jié)論

本文通過對秸稈沼氣生產(chǎn)管理系統(tǒng)功能的研究，提出一種基于SIM卡技術(shù)的解決方案，對移動終端GSM和GPRS等功能進行了研究與應(yīng)用，采用可視化程序設(shè)計及數(shù)據(jù)庫應(yīng)用技術(shù)，開發(fā)出圖形化人機交互界面，形成相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)管理過程的圖表化與可視化，給出一種短信息交互的處理格式及信息收發(fā)的流程。

參考文獻：

[1]李志坤.甲烷濃度與沼氣檢漏報警一體化測試儀的研制[J].農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備，2010（6）.

[2]唐義鋒.維修電工與實訓(xùn)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2013.12

[3]唐義鋒，陳新華，馮輝.溫室環(huán)境監(jiān)控?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計[J].湖南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010（10）.

[4]李硯飛.河北青縣秸稈沼氣工程運行模式與管理經(jīng)驗[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)（新能源產(chǎn)業(yè)），2010（08）.

[5]溫婧.江蘇省金壇市秸稈沼氣工程運行模式與管理經(jīng)驗[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)（新能源產(chǎn)業(yè)），2010（08）.

基金項目：本文為江蘇省教育廳基金項目（編號：JHB2012-84）的研究成果。endprint

表1 SMS的數(shù)據(jù)格式定義

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信息傳輸過程如下，移動終端測量某用戶的數(shù)據(jù)并將其按照上述格式轉(zhuǎn)換成標(biāo)準化的短信息，在本機SIM卡的支持下，通過SIM900A模塊給主機ZTK的SIM號碼發(fā)送數(shù)據(jù)短信。主機收到短信后進行智能化查詢，并向移動終端回發(fā)指導(dǎo)信息以完成一次各用戶的測量與指導(dǎo)操作。信息發(fā)送時，發(fā)送端用ATE1設(shè)置回顯模式，AT+CSCS=

"GSM"設(shè)置為"GSM"字符集，AT+CMGF=1文本模式。如發(fā)AT+CMGS="+13016578127"后，在模塊返回：>時，發(fā)送格式化短信內(nèi)容例如：M0010000000000000000 this is my test，發(fā)送1A（即0X1A）啟動一次短信發(fā)送；接收端指令時AT+CMGF=1，設(shè)置為文本模式，AT+CSCS=

"GSM"，設(shè)置GSM字符集，AT+CNMI=2，1，設(shè)置新消息提示。當(dāng)接收到一條新短信后，會提示如：+CMTI： "SM"，n，表明收到了新的短信，存放在SIM卡位置n。發(fā)送AT+CMGR=n，讀取該短信并進行下一步響應(yīng)。

7 結(jié)論

本文通過對秸稈沼氣生產(chǎn)管理系統(tǒng)功能的研究，提出一種基于SIM卡技術(shù)的解決方案，對移動終端GSM和GPRS等功能進行了研究與應(yīng)用，采用可視化程序設(shè)計及數(shù)據(jù)庫應(yīng)用技術(shù)，開發(fā)出圖形化人機交互界面，形成相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)管理過程的圖表化與可視化，給出一種短信息交互的處理格式及信息收發(fā)的流程。

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[4]李硯飛.河北青縣秸稈沼氣工程運行模式與管理經(jīng)驗[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)（新能源產(chǎn)業(yè)），2010（08）.

[5]溫婧.江蘇省金壇市秸稈沼氣工程運行模式與管理經(jīng)驗[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)（新能源產(chǎn)業(yè)），2010（08）.

基金項目：本文為江蘇省教育廳基金項目（編號：JHB2012-84）的研究成果。endprint

表1 SMS的數(shù)據(jù)格式定義

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信息傳輸過程如下，移動終端測量某用戶的數(shù)據(jù)并將其按照上述格式轉(zhuǎn)換成標(biāo)準化的短信息，在本機SIM卡的支持下，通過SIM900A模塊給主機ZTK的SIM號碼發(fā)送數(shù)據(jù)短信。主機收到短信后進行智能化查詢，并向移動終端回發(fā)指導(dǎo)信息以完成一次各用戶的測量與指導(dǎo)操作。信息發(fā)送時，發(fā)送端用ATE1設(shè)置回顯模式，AT+CSCS=

"GSM"設(shè)置為"GSM"字符集，AT+CMGF=1文本模式。如發(fā)AT+CMGS="+13016578127"后，在模塊返回：>時，發(fā)送格式化短信內(nèi)容例如：M0010000000000000000 this is my test，發(fā)送1A（即0X1A）啟動一次短信發(fā)送；接收端指令時AT+CMGF=1，設(shè)置為文本模式，AT+CSCS=

"GSM"，設(shè)置GSM字符集，AT+CNMI=2，1，設(shè)置新消息提示。當(dāng)接收到一條新短信后，會提示如：+CMTI： "SM"，n，表明收到了新的短信，存放在SIM卡位置n。發(fā)送AT+CMGR=n，讀取該短信并進行下一步響應(yīng)。

7 結(jié)論

本文通過對秸稈沼氣生產(chǎn)管理系統(tǒng)功能的研究，提出一種基于SIM卡技術(shù)的解決方案，對移動終端GSM和GPRS等功能進行了研究與應(yīng)用，采用可視化程序設(shè)計及數(shù)據(jù)庫應(yīng)用技術(shù)，開發(fā)出圖形化人機交互界面，形成相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)管理過程的圖表化與可視化，給出一種短信息交互的處理格式及信息收發(fā)的流程。

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[4]李硯飛.河北青縣秸稈沼氣工程運行模式與管理經(jīng)驗[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)（新能源產(chǎn)業(yè)），2010（08）.

[5]溫婧.江蘇省金壇市秸稈沼氣工程運行模式與管理經(jīng)驗[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)（新能源產(chǎn)業(yè)），2010（08）.

基金項目：本文為江蘇省教育廳基金項目（編號：JHB2012-84）的研究成果。endprint