李文超 趙錦一 劉 瑩 何勝軍

（北京市農(nóng)業(yè)局，北京 100029）

1 引言

沼氣是可再生的清潔能源，既可替代秸稈、薪柴等傳統(tǒng)生物質(zhì)能源，也可替代煤炭等商品能源，而且能源效率明顯高于秸稈、薪柴、煤炭等。沼氣工程可有效地綜合利用農(nóng)業(yè)有機(jī)物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。它既是解決農(nóng)村燃料短缺，提高用能品質(zhì)，促進(jìn)農(nóng)民增收節(jié)支的有效途徑，又是保護(hù)生態(tài)、改善農(nóng)村衛(wèi)生環(huán)境的有效措施。

從國(guó)外來(lái)看，德國(guó)、意大利、丹麥等沼氣產(chǎn)業(yè)經(jīng)過(guò)十幾年的實(shí)踐與發(fā)展，沼氣工程的工藝水平和技術(shù)裝備已經(jīng)趨于成熟，相關(guān)技術(shù)水平居于世界領(lǐng)先地位，沼氣工程的自動(dòng)化水平非常高，利用沼氣（厭氧消化）系統(tǒng)專用的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)沼氣工程的自動(dòng)化管理和過(guò)程監(jiān)控，在節(jié)省大量人力的同時(shí)又提高了沼氣工程的生產(chǎn)效率。

從國(guó)內(nèi)來(lái)看，截止到2010年底，據(jù)有關(guān)部門不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)已有大中小型沼氣工程7.3萬(wàn)多處，其中大型沼氣工程4963處、中型沼氣工程22795處、小型沼氣工程45259處，年產(chǎn)沼氣總量142.6億立方米，折合標(biāo)準(zhǔn)煤2500萬(wàn)噸，可減排CO25000多萬(wàn)噸。

近年來(lái)，雖然沼氣工程設(shè)備、沼氣工程質(zhì)量、沼氣工程運(yùn)行監(jiān)測(cè)等方面的技術(shù)得到了很大的提高，但沼氣工程可持續(xù)運(yùn)行與發(fā)展方面也存在很多問(wèn)題，尤其在沼氣工程運(yùn)行監(jiān)測(cè)上存在很多問(wèn)題，主要體現(xiàn)在：（1）沼氣工程的預(yù)警手段不健全。沼氣泄露、爆炸事故發(fā)生，均會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染或人員傷亡，需防患于未然；（2）沼氣工程的監(jiān)測(cè)方法相對(duì)落后，運(yùn)行過(guò)程中的數(shù)據(jù)不能實(shí)時(shí)記錄和統(tǒng)計(jì)，導(dǎo)致勞動(dòng)力、原材料浪費(fèi)；（3）沼氣工作信息化流程不健全；（4）沼氣工程的安全評(píng)估不完善。

沼氣工程運(yùn)行的監(jiān)控與管理已成為發(fā)展沼氣產(chǎn)業(yè)的必要措施。

2 系統(tǒng)建設(shè)現(xiàn)狀

2.1 傳統(tǒng)的沼氣運(yùn)行監(jiān)管系統(tǒng)

辛睿德等將傳統(tǒng)的沼氣發(fā)酵測(cè)控系統(tǒng)[1]分為單片計(jì)算機(jī)的沼氣發(fā)酵測(cè)控系統(tǒng)、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的沼氣發(fā)酵測(cè)控系統(tǒng)、基于PLC的沼氣發(fā)酵測(cè)控系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)的沼氣發(fā)酵測(cè)控系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的沼氣發(fā)酵測(cè)控系統(tǒng)等5類，綜觀現(xiàn)有的沼氣運(yùn)行監(jiān)管系統(tǒng)，也可以分為上述5類。

（1）單片計(jì)算機(jī)的沼氣運(yùn)行監(jiān)管系統(tǒng)

單片計(jì)算機(jī)又稱嵌入式微控制器，具有開(kāi)發(fā)周期短、開(kāi)發(fā)效率高、系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。張意松等[2]將單片機(jī)應(yīng)用于沼氣壓力自動(dòng)監(jiān)控，為解決沼氣發(fā)酵容器因壓力過(guò)大帶來(lái)的諸多問(wèn)題，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的沼氣壓力自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)。

（2）工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的沼氣運(yùn)行監(jiān)管系統(tǒng)

工業(yè)控制計(jì)算機(jī)可以通過(guò)輸入/輸出卡直接對(duì)沼氣發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行控制，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)，并進(jìn)行存儲(chǔ)和處理；還可以將工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和常規(guī)控制儀表組成二級(jí)控制系統(tǒng)，由常規(guī)控制儀表完成基礎(chǔ)級(jí)自動(dòng)控制，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)完成數(shù)據(jù)顯示、存儲(chǔ)和實(shí)現(xiàn)各種高級(jí)控制，如過(guò)程優(yōu)化控制、儲(chǔ)存式程序控制等。賈英新等[3]開(kāi)發(fā)了智能采集卡與力控相結(jié)合的沼氣生產(chǎn)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用研華的模擬量數(shù)據(jù)采集卡PCI-1713和數(shù)字量數(shù)據(jù)采集卡PCI-1730進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集；采用力控組態(tài)軟件作為上位機(jī)軟件，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及報(bào)警等功能。

（3）基于PLC的沼氣運(yùn)行監(jiān)管系統(tǒng)

可編程邏輯控制器（PLC），它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。王琰[4]對(duì)基于PLC的大中型沼氣工程自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了研究，經(jīng)過(guò)研究，他認(rèn)為采用PLC的沼氣工程自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)提高了系統(tǒng)的信息化和自動(dòng)化水平，改善了作業(yè)環(huán)境，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，也為生產(chǎn)管理、設(shè)備維護(hù)和質(zhì)量跟蹤提供了便利。

（4）集散控制系統(tǒng)的沼氣運(yùn)行監(jiān)管系統(tǒng)

集散控制系統(tǒng)是以微處理器為基礎(chǔ)的新型控制系統(tǒng)，它結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)和圖形顯示技術(shù)于一身，是能夠?qū)崿F(xiàn)過(guò)程控制和過(guò)程管理的一種新型現(xiàn)代化控制系統(tǒng)，同時(shí)該監(jiān)控系統(tǒng)還能滿足大型企業(yè)日常管理的要求，現(xiàn)已在大規(guī)模生化工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。武東平等[5]介紹了一種基于虛擬儀器的大型秸稈沼氣智能化控制和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，結(jié)合厭氧發(fā)酵的工藝流程，確定秸稈厭氧發(fā)酵的主要控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)沼氣可持續(xù)生產(chǎn)的自動(dòng)化設(shè)計(jì)方案。

（5）現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的沼氣運(yùn)行監(jiān)管系統(tǒng)

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)是用現(xiàn)場(chǎng)總線這一開(kāi)放的、具有互操作性的網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)控制器和儀表及儀表設(shè)備互聯(lián)構(gòu)成的控制系統(tǒng)，同時(shí)控制功能下放到工作現(xiàn)場(chǎng)，降低了安裝成本和維修費(fèi)用。該測(cè)控系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸信息完成傳統(tǒng)的硬件連接才能實(shí)現(xiàn)的信號(hào)傳遞，并且完成各種設(shè)備的協(xié)調(diào)，來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

2.2 基于物聯(lián)網(wǎng)的沼氣運(yùn)行智能監(jiān)管系統(tǒng)

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(guò)各種信息傳感器設(shè)備，如射頻識(shí)別裝置、紅外感應(yīng)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(lái)，進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)測(cè)和管理的一種網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)物與物、人與物之間的信息交互和通信[6]。隨著監(jiān)測(cè)技術(shù)朝著智能化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以有效地推進(jìn)農(nóng)村沼氣工程監(jiān)測(cè)信息化的進(jìn)程。當(dāng)前基于物聯(lián)網(wǎng)的沼氣運(yùn)行智能監(jiān)管系統(tǒng)研究主要表現(xiàn)在三個(gè)方面：

（1）傳感器的應(yīng)用，如吳功平[7]等將傳感器部署于調(diào)節(jié)池和發(fā)酵池，建設(shè)了大中型沼氣工程計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)沼氣進(jìn)行集中監(jiān)控管理。該系統(tǒng)中除了對(duì)調(diào)節(jié)池和發(fā)酵池的料位(含其它池內(nèi)的料位)和溫度進(jìn)行控制外,還對(duì)發(fā)酵池內(nèi)料液的pH值、沼氣的壓力及流量，對(duì)硫化床內(nèi)硫化氫的含量和曝氣池內(nèi)氯的含量進(jìn)行監(jiān)視。

（2）遠(yuǎn)程監(jiān)控與通信。戴華兵等[8]開(kāi)展了基于GSM開(kāi)展了遠(yuǎn)程監(jiān)控的研究，并根據(jù)實(shí)際工程需要，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)在沼氣工程中加裝GSM的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。馬麗君等[9]研究遠(yuǎn)程監(jiān)控過(guò)程中的通信問(wèn)題，通過(guò)數(shù)據(jù)通訊的短幀格式、沼氣站點(diǎn)編號(hào)校驗(yàn)，以及中斷重連機(jī)制等措施解決通訊的穩(wěn)定性；通過(guò)命令字、數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度，以及校驗(yàn)碼設(shè)計(jì)等字節(jié)設(shè)置解決通訊的可靠性；通過(guò)通訊軟件的定時(shí)器設(shè)計(jì)、多重連接防止機(jī)制，以及心跳信號(hào)機(jī)制等措施解決通訊的效率問(wèn)題。

（3）綜合系統(tǒng)研究與建設(shè)。陳正濤、鄭爭(zhēng)兵[10]提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)村沼氣監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和GPRS技術(shù)實(shí)現(xiàn)沼氣工程的智能監(jiān)測(cè)預(yù)警功能。冉毅[11]等介紹了物聯(lián)網(wǎng)的概念和結(jié)構(gòu)，結(jié)合沼氣工程運(yùn)行管理特點(diǎn)，定義了沼氣工程物聯(lián)網(wǎng)并介紹其發(fā)展現(xiàn)狀，完成了沼氣工程物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建，提出了系統(tǒng)組成，并選取一處沼氣工程為實(shí)例進(jìn)行應(yīng)用分析，對(duì)應(yīng)用效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

通過(guò)分析現(xiàn)有的研究成果可以發(fā)現(xiàn)，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的沼氣工程運(yùn)行管理智能監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用仍處于初期階段，可用于沼氣工程智能監(jiān)控的應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)仍需加強(qiáng)。本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建設(shè)了沼氣工程運(yùn)行管理智能監(jiān)控系統(tǒng)，并在北京市進(jìn)行部署和應(yīng)用，實(shí)踐證明，該系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用效果。

3 總體框架

沼氣工程運(yùn)行管理智能監(jiān)控需要及時(shí)了解沼氣工程各環(huán)節(jié)的實(shí)時(shí)情況，如圖1所示，我們采用仿真模擬技術(shù)，對(duì)沼氣站點(diǎn)工藝流程進(jìn)行了仿真模擬，并根據(jù)模擬結(jié)果，開(kāi)展了沼氣工程運(yùn)行管理智能監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。

圖1 沼氣全過(guò)程管理示意圖

如圖2所示，沼氣工程運(yùn)行管理智能監(jiān)控系統(tǒng)是由前端采集與傳輸平臺(tái)、后端數(shù)據(jù)分析與監(jiān)控平臺(tái)組成。前端數(shù)據(jù)采集與傳輸平臺(tái)利用在線監(jiān)測(cè)設(shè)備采集數(shù)據(jù)、通過(guò)定義在線監(jiān)測(cè)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)通訊協(xié)議，形成傳輸網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶蠖说臄?shù)據(jù)服務(wù)器上，存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過(guò)數(shù)據(jù)分析與監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)加工處理、分析和展示。沼氣工程運(yùn)行管理監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架完全遵循分層設(shè)計(jì)理念，包括數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層、數(shù)據(jù)資源層、應(yīng)用支撐層、系統(tǒng)應(yīng)用系統(tǒng)層5個(gè)部分組成。

（1）數(shù)據(jù)采集層

數(shù)據(jù)采集層通過(guò)在沼氣工程各個(gè)工藝流程中安裝各類數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)設(shè)備，獲取各類實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，包括溫度、流量、壓力、液位、成分分析、濃度等,并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的工業(yè)組態(tài)軟件顯示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并控制泵、閥等裝置。

（2）數(shù)據(jù)傳輸層

數(shù)據(jù)傳輸層通過(guò)定義在線監(jiān)測(cè)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)通訊協(xié)議，形成傳輸網(wǎng)絡(luò)，利用現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)控傳輸單元以GPRS模式向遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)采集服務(wù)器發(fā)送現(xiàn)場(chǎng)采集到的各類實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集服務(wù)器接收監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。

圖2 沼氣工程運(yùn)行管理監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)

（3）數(shù)據(jù)資源層

數(shù)據(jù)資源層作為整個(gè)沼氣工程運(yùn)行管理監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)支撐，采用專業(yè)的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)統(tǒng)一存儲(chǔ)沼氣站點(diǎn)的基本信息、系統(tǒng)基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)、沼氣站現(xiàn)場(chǎng)傳送的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、視頻圖像信息等。

（4）應(yīng)用支撐層

應(yīng)用支撐層包括開(kāi)發(fā)平臺(tái)和各類組件。其中開(kāi)發(fā)平臺(tái)是基于北京市農(nóng)業(yè)局提供的“標(biāo)準(zhǔn)化開(kāi)發(fā)平臺(tái)”進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的；組件包括為沼氣工程運(yùn)行管理監(jiān)控系統(tǒng)提供基礎(chǔ)運(yùn)行支撐的組件，主要有GIS組件、數(shù)據(jù)分析組件、數(shù)據(jù)交換組件等。

（5）應(yīng)用系統(tǒng)層

應(yīng)用系統(tǒng)層主要是指數(shù)據(jù)分析與監(jiān)控平臺(tái)，數(shù)據(jù)分析與監(jiān)控平臺(tái)包括數(shù)字化監(jiān)控與管理和綜合管理兩個(gè)子系統(tǒng)。數(shù)字化監(jiān)控與管理子系統(tǒng)主要有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、狀態(tài)報(bào)警、視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析、監(jiān)控配置等功能模塊；綜合管理子系統(tǒng)主要包括站點(diǎn)管理、工藝流程管理、運(yùn)維管理、短信平臺(tái)、權(quán)限管理等。

（6）三大支撐體系

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系的建設(shè)是保障整個(gè)系統(tǒng)建設(shè)成功實(shí)施的軟性因素，是各應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通、信息共享、業(yè)務(wù)協(xié)同、安全可靠運(yùn)行的前提和基礎(chǔ)，本項(xiàng)目將按照北京市農(nóng)業(yè)局相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行項(xiàng)目建設(shè)。

4 具體設(shè)計(jì)

4.1 部署架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)項(xiàng)目建設(shè)單位的實(shí)際情況，結(jié)合沼氣工程運(yùn)行管理監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際需求，本項(xiàng)目涉及沼氣站內(nèi)各種監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備的部署，網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備的部署，數(shù)據(jù)采集服務(wù)器部署、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的部署、數(shù)據(jù)分析與監(jiān)控平臺(tái)的部署等。

遵循充分利用農(nóng)業(yè)局現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和設(shè)備資源的原則，本項(xiàng)目所建系統(tǒng)部署在農(nóng)業(yè)局信息中心機(jī)房，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用和數(shù)據(jù)集中管理，并且應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)需要部署在外網(wǎng)上。外網(wǎng)面向北京市農(nóng)業(yè)局、北京市各區(qū)縣沼氣管理部門、沼氣企業(yè)、社會(huì)公眾提供服務(wù)。

北京市農(nóng)業(yè)局內(nèi)外網(wǎng)采用物理隔離，通過(guò)安全隔離網(wǎng)閘進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)部署在農(nóng)業(yè)局信息中心，外網(wǎng)與內(nèi)網(wǎng)之間是隔離的，為保證系統(tǒng)與其它系統(tǒng)的信息交換和信息安全，內(nèi)外網(wǎng)之間通過(guò)安全隔離網(wǎng)閘進(jìn)行信息交換。

4.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

沼氣工程運(yùn)行管理監(jiān)控系統(tǒng)的集成任務(wù)涉及沼氣站現(xiàn)場(chǎng)各類監(jiān)控設(shè)備的集成、現(xiàn)場(chǎng)視頻設(shè)備的集成、服務(wù)器集成、數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)集成的過(guò)程就是數(shù)據(jù)采集與傳輸平臺(tái)搭建的過(guò)程。系統(tǒng)集成包括現(xiàn)場(chǎng)各類傳感設(shè)備與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控傳輸單元（DTU）的集成；現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控傳輸單元（DTU）與遠(yuǎn)程控制中心數(shù)據(jù)采集服務(wù)器的集成；數(shù)據(jù)采集服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的集成；高清視頻攝像機(jī)與硬盤錄像機(jī)的集成；硬盤錄像機(jī)與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集服務(wù)器的集成；沼氣工程運(yùn)行管理監(jiān)控系統(tǒng)與北京市相關(guān)職能部門之間的數(shù)據(jù)交換等。

（1）終端監(jiān)測(cè)設(shè)備與數(shù)據(jù)采集控制器集成

在沼氣站內(nèi)每個(gè)生產(chǎn)工藝流程中安裝不同監(jiān)測(cè)設(shè)備，用來(lái)采集各個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集后要通過(guò)數(shù)據(jù)采集和控制器與遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)采集服務(wù)器進(jìn)行通訊，上傳采集到的數(shù)據(jù)。針對(duì)沼氣工程，我們選用了具有高性價(jià)比的數(shù)據(jù)采集和控制器，可以針對(duì)多路4-20mA模擬輸入信號(hào)進(jìn)行集中采集，兼容工業(yè)應(yīng)用中4-20mA信號(hào)的多種接入方式；采用嵌入式硬、軟件設(shè)計(jì)，低成本、低功耗，而且內(nèi)核資源豐富、性能可靠，方便實(shí)現(xiàn)多路RS232和RS485等通訊信號(hào)接入。將各類監(jiān)測(cè)設(shè)備按照采集數(shù)據(jù)的要求安裝到沼氣生產(chǎn)工藝流程的節(jié)點(diǎn)上，根據(jù)不同設(shè)備的技術(shù)規(guī)格參數(shù)，通過(guò)RS-232/RS-485或者4-20mA數(shù)據(jù)輸出接口與數(shù)據(jù)采集和控制器（DTU）連接，將采集到的數(shù)據(jù)匯總到數(shù)據(jù)采集和控制器，以便后續(xù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。本系統(tǒng)集成的傳感設(shè)備主要包括超聲波沼氣流量計(jì)、壓力變送器、溫度變送器、沼氣成分分析儀、紅外甲烷泄露報(bào)警儀、沼氣工程現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控傳輸單元、在線PH計(jì)、視頻監(jiān)控設(shè)備等。

（2）數(shù)據(jù)采集控制器與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)服務(wù)器的集成

在沼氣站內(nèi)安裝數(shù)據(jù)采集控制器，將各類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)匯總、顯示，并通過(guò)GPRS模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程數(shù)據(jù)服務(wù)器。數(shù)據(jù)采集控制器集成GPRS數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸模塊、傳感器參數(shù)采集模塊以及集成組態(tài)軟件，支持至少32路RS232/RS485/4-20mA現(xiàn)場(chǎng)傳感器信號(hào)輸入、具有觸摸屏實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及遠(yuǎn)程傳傳輸功能、技術(shù)先進(jìn)、工作穩(wěn)定可靠。數(shù)據(jù)采集控制器在實(shí)現(xiàn)將采集數(shù)據(jù)匯總、顯示的同時(shí)，通過(guò)內(nèi)置的GPRS模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集服務(wù)器。通過(guò)測(cè)控傳輸單元與數(shù)據(jù)采集服務(wù)器之間進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和接收。GPRS數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸模塊、傳感器參數(shù)采集模塊以及集成組態(tài)軟件集成到一起，安裝在配電箱內(nèi)構(gòu)成數(shù)據(jù)采集控制器。遠(yuǎn)程傳輸模塊通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳到遠(yuǎn)程服務(wù)器端，數(shù)據(jù)服務(wù)器接收上傳的數(shù)據(jù)。

（3）視頻監(jiān)控設(shè)備與數(shù)據(jù)采集服務(wù)器的集成

現(xiàn)場(chǎng)的高清視頻攝像機(jī)將視頻信息傳輸?shù)酱疟P錄像機(jī)，通過(guò)磁盤錄像機(jī)與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集服務(wù)器之間的通訊，通過(guò)配置TCP/IP協(xié)議，實(shí)現(xiàn)將視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)上傳到遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)采集服務(wù)。

（4）數(shù)據(jù)采集服務(wù)與數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的集成

通過(guò)Web Service接口標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)接口對(duì)外提供數(shù)據(jù)。WEB服務(wù)交換接口可以將交換策略定制的數(shù)據(jù)集合按標(biāo)準(zhǔn)格式要求生成Web Service服務(wù)，在指定的服務(wù)器進(jìn)行發(fā)布。同時(shí)也可以調(diào)用相關(guān)數(shù)據(jù)交換部門發(fā)布的Web Service服務(wù)，提交需交換的數(shù)據(jù)集合。

通過(guò)前置機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)提供數(shù)據(jù)。通過(guò)在部署于北京市政府專網(wǎng)上前置機(jī)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)與北京市其他職能部門實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

（5）與相關(guān)職能部門應(yīng)用系統(tǒng)的集成

沼氣工程運(yùn)行管理監(jiān)控系統(tǒng)可以通過(guò)數(shù)據(jù)交換與傳輸平臺(tái)提供的服務(wù)接口，與北京市其他職能部門交互，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和交換，并確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院涂煽啃浴?/p>

4.3 數(shù)字化監(jiān)控與管理子系統(tǒng)

各沼氣站點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸，通過(guò)平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)接口上傳至平臺(tái)數(shù)據(jù)采集服務(wù)器，之后接入數(shù)字化監(jiān)控平臺(tái)。在數(shù)字化平臺(tái)上通過(guò)不同的形式展示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)各類數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、分析，判斷各類風(fēng)險(xiǎn)，識(shí)別隱患，評(píng)估各個(gè)站點(diǎn)的安全狀態(tài)，進(jìn)而為科學(xué)的監(jiān)測(cè)和決策提供依據(jù)，為沼氣工程的安全運(yùn)行提供保障。主要功能包括：

（1）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

系統(tǒng)以各種形式展現(xiàn)從沼氣站點(diǎn)接收到的監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。具體包括GIS地圖形式、列表形式和數(shù)據(jù)曲線形式。

（2）歷史數(shù)據(jù)

歷史信息管理模塊提供的功能和實(shí)時(shí)信息管理功能相對(duì)應(yīng)，包括：歷史數(shù)據(jù)，歷史告警數(shù)據(jù)，歷史掉線數(shù)據(jù)，歷史曲線數(shù)據(jù)等4個(gè)功能。提供按時(shí)間段查詢功能。

（3）狀態(tài)報(bào)警

包括報(bào)警策略，即對(duì)報(bào)警規(guī)則的管理。目前報(bào)警有4種方式：各種狀態(tài)數(shù)據(jù)特殊顯示；設(shè)備通信中斷、掉線特殊顯示；系統(tǒng)消息通知；短信通知。

（4）視頻監(jiān)控

在沼氣站的各個(gè)關(guān)鍵區(qū)域安裝視頻監(jiān)控探頭，獲取沼氣站內(nèi)關(guān)鍵區(qū)域的視頻圖像信息，前端設(shè)備通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將視頻圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控平臺(tái)，平臺(tái)在“視頻監(jiān)控”模塊展示沼氣現(xiàn)場(chǎng)的圖像畫(huà)面。

（5）數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)提供了智能的分析工具，用戶可以靈活選擇每個(gè)沼氣站點(diǎn)、時(shí)間范圍、監(jiān)測(cè)因子、數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)狀態(tài)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)用戶選擇的內(nèi)容生成相應(yīng)維度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果圖表，圖標(biāo)類型包括折線圖、柱狀圖等。通過(guò)圖表可以直觀地分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為判斷設(shè)備狀態(tài)、生產(chǎn)環(huán)境、產(chǎn)氣量提供科學(xué)的依據(jù)。

（6）監(jiān)控配置

包括監(jiān)測(cè)儀器管理、基本信息維護(hù)、監(jiān)測(cè)因子維護(hù)、采用的監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)、通訊協(xié)議管理、數(shù)據(jù)接入管理、信息發(fā)布配置等功能。

（7）數(shù)據(jù)管理

包括監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)校準(zhǔn)、關(guān)注企業(yè)管理、自動(dòng)判定、數(shù)據(jù)報(bào)警、數(shù)據(jù)補(bǔ)遺、數(shù)據(jù)審核、缺失數(shù)據(jù)處理、確認(rèn)管理等功能。

4.4 綜合管理子系統(tǒng)

綜合管理子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)管理、運(yùn)維管理、短信管理和系統(tǒng)管理。

（1）站點(diǎn)管理完成全市沼氣監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的信息維護(hù)，包括沼氣站點(diǎn)的增加、刪除、修改、查詢，站點(diǎn)空間位置信息維護(hù)，站點(diǎn)各類監(jiān)測(cè)設(shè)備維護(hù)。

（2）運(yùn)維管理

包括設(shè)備維護(hù)單、停運(yùn)運(yùn)維單、啟運(yùn)運(yùn)維單、維護(hù)查詢等功能。

（3）短信平臺(tái)

包括聯(lián)系人管理、短信發(fā)送、短信日志等功能。

（4）系統(tǒng)管理

包括權(quán)限管理、用戶管理、角色管理、授權(quán)管理、字典管理、系統(tǒng)日志等功能。

5 效果分析

為了加強(qiáng)沼氣工程自動(dòng)監(jiān)控，北京市農(nóng)業(yè)局依托北京市農(nóng)業(yè)局信息化基礎(chǔ)設(shè)施和全市沼氣工程項(xiàng)目，對(duì)現(xiàn)行的氣體傳感技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無(wú)線通信、GIS等技術(shù)進(jìn)行研究，選擇適合本區(qū)域的合理技術(shù)，成熟產(chǎn)品，搭建沼氣工程運(yùn)行管理監(jiān)控系統(tǒng)，并在平谷區(qū)、順義區(qū)、昌平區(qū)、大興區(qū)、通州區(qū)和房山區(qū)的20個(gè)沼氣站安裝了監(jiān)控設(shè)備，取得了良好的效果，主要表現(xiàn)在：

（1）實(shí)現(xiàn)了對(duì)全市沼氣工程生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、監(jiān)控、預(yù)警，保障了沼氣工程安全穩(wěn)定運(yùn)行，提升了北京市沼氣工程整體管理水平。

（2）通過(guò)對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)控、預(yù)警數(shù)據(jù)的分析、研究和處理，細(xì)化沼氣工程運(yùn)行模式，有效減少能源消耗，提升了沼氣工程的綜合效益，使沼氣工程成為管理科學(xué)、資源節(jié)約、環(huán)境友好、效益顯著的產(chǎn)業(yè)。

（3）實(shí)現(xiàn)精確統(tǒng)計(jì)沼氣工程產(chǎn)氣量、進(jìn)一步為沼氣工程科學(xué)監(jiān)測(cè)提供依據(jù)，為政府宏觀調(diào)控提供支撐服務(wù)。

[1]辛睿德.沼氣發(fā)酵監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013(2)：182-184.

[2]張意松.單片機(jī)在沼氣壓力自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用[J].中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)，2013(4).

[3]賈英新.智能采集卡與力控相結(jié)合的沼氣生產(chǎn)控制系統(tǒng)[J].科技資訊，2013（4）：16.

[4]王琰.基于PLC的沼氣工程自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].中國(guó)電工網(wǎng)，2014(9)：32-33.

[5]武東平.基于虛擬儀器的大型秸稈沼氣智能化控制與監(jiān)控系統(tǒng)[J].農(nóng)產(chǎn)品加工（學(xué)刊），2013(8)：123-125，128.

[6]高峰.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的作物水分狀況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，25（2）：107-112.

[7]吳功平.大中型沼氣工程計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)[J].湖北工學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，15（2）：56-58.

[8]戴華兵.基于GSM通信的沼氣工程遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J].價(jià)值工程，2013，(32).

[9]馬麗君.沼氣工程遠(yuǎn)程監(jiān)控Socket通訊穩(wěn)定可靠性及效率策略[J].中國(guó)沼氣，2010，28(5)：3-6，26.

[10]陳正濤，鄭爭(zhēng)兵.基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)村沼氣監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014(10)：2424-2426.

[11]冉毅.沼氣工程物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建及應(yīng)用分析[J].中國(guó)沼氣，2015，33(1)：65-69.