基于多傳感器信息融合技術的遠程智能沼氣池監控系統

褚倩云+陳昊+廖同慶

摘要：我國人口眾多，資源消耗巨大，能源短缺嚴重。沼氣是一種理想的新型可再生能源，具有很高的經濟效益和生態效益，合理地開發利用沼氣能源具有極其重要的意義。但目前我國農村沼氣利用還不是很多，沼氣池管理系統還存在較多問題，比如池內發酵效率的提高、系統安全性的保障等都不可忽視。本設計是能夠為多用戶同時提供在線服務的沼氣池無線遠程監控系統，采用STM32作為主控芯片，通過多傳感器數據采集終端，對沼氣池內甲烷濃度、溫濕度、PH值等進行監測；而后通過基于4G無線通信網絡的云技術分析現場數據，對沼氣池內各項指標進行綜合評價，以便允許授權的用戶通過多種移動終端（如手機、PC等）掌握實時數據，實現遠程監控。

關鍵詞：沼氣池；多傳感器信息融合技術；遠程數據傳輸；云技術；智能監控

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）10-0234-03

Abstract： Our country has a large population which results in a relatively shortage of energy and huge consumption of resources. As a renewable energy， the development of biogas energy has a broad space on the economic and ecological front so that rational development and use of biogas energy has very important significance. However， at present the use of methane is still relatively small in China countryside. In turn， there are a lot of problems in biogas management system， such as improving the efficiency in fermentation process and ensuring the system security. The system designed is based on using STM32 as the main control chip，as well as the wireless remote monitoring system of methane tank can provide real-time， online services for multiple users. People can collect and monitor the information of temperature and humidity， Methane concentration and pH-value in the monitoring environment by wireless sensor network technology. Then through the 4G wireless communication network cloud technology， it can analysis method and online data， giving a synthetical and overall evaluation of each index. Allowing authorized users through a variety of mobile terminal （such as mobile phone， PC， etc.） to master the real-time data， achieving remote monitoring.

Key words： biogas tank； multi sensor information fusion technology； remote data transmission； cloud technology； intelligent monitoring

1 概述

當前，隨著社會經濟生活的不斷發展，對能源資源消耗巨大，傳統能源將越來越少。新能源沼氣技術不僅能解決群眾生活用能的問題，也可以降低對傳統能源的依賴，保護生態環境，有效改善人們的生活質量，促進當地經濟可持續發展，因而在全國范圍內得到了大力推廣[1]。為了能順利地解決眾多能源問題、順利地使農村地區走上可持續型發展道路，合理地開發和利用農村能源將具有極其重要的意義[2]。但因沼氣使用的自動化程度和安全性不高，廣大農戶的使用情況并不理想。比如：發酵池內部甲烷濃度、二氧化碳濃度過高，均存在安全隱患；發酵效率易受溫度、氣體濃度和料液PH值影響，產氣率得不到穩定保障；傳統沼氣發酵技術僅僅憑借經驗，沒有實現數據化智能化控制，同時缺乏預警系統，不能將該技術的危險系數降到最低。如果能對多個沼氣池內各項指標采集實時數據，并及時做出決策，則可以顯著提升系統發酵效率、自動化程度和系統安全性。因此，本文提出了采用多傳感器信息融合技術實現對沼氣池的遠程智能監控。

2 多傳感器信息融合技術基本原理

多傳感器信息融合（MSIF）是目前我國信息領域一項頗有前景的研究方向，其主要過程就是將數據現場和多傳感器采集的信息數據結合，在一定的準則下，通過計算機技術實現自動分析綜合，達到所需要的決策和估計。它可以獲得比單個傳感器更可靠、更全面的綜合信息。避免了單個傳感器信息的不完整性，消除單個傳感器的信息盲區，有利于提高多傳感器信息處理結果的質量，實現最終的決策[3]。多傳感器數據融合技術充分利用了多個信源，類似于大腦對信息處理的過程，對所采集信息綜合支配和使用，實現對被測對象的統一解釋[4]。該系統中信息之間都是相互聯系的，信息融合將多傳感器之間的冗余和互補信息按一定的規則進行優化組合，合理地配置和運用各個傳感器所采集的信息，來達到對監測環境的一致描述[5]。

多傳感器的融合技術經常采用的方法有加權平均法、統計決策理論法、貝葉斯估計、模糊神經網絡、證據推理法等等 [6]。

3 智能沼氣池監控系統設計

3.1 智能監控系統結構

基于多傳感器數據融合技術的遠程智能沼氣池監控系統共分為三個層次。

第一層是分布式無線傳感器網絡。由分布在沼氣池內的甲烷傳感器（MQ-2）、二氧化碳傳感器（MG-118）、溫度傳感器、PH值傳感器等構成的多傳感器終端組成，用于池內各項指標的實時監測，并進行數據的實時采集。

第二層是云技術服務平臺。運用多協議融合技術將數據匯聚到現場智能主機，并通過4G無線通信網絡傳入云服務器平臺，完成特征級數據融合，并將分析處理后的數據提供給移動終端的用戶或維修中心監測，實現云服務器與現場測控設備之間高速、平穩的數據交換。

第三層是由移動終端設備組成。提供監測服務時，允許授權用戶通過手機、PC機等移動終端訪問云服務器平臺，并能將用戶或維修監控中心的控制信號傳輸給上位機，由上位機發出指令，實現遠程監控。如圖1所示是智能監控系統結構。

監控系統結構圖

3.2 系統的硬件設計

系統設計中的普通傳感器網絡節點由TI公司的CC2431芯片作為核心處理器，外加相應的外圍電路，包括數據采集傳感器模塊、數據處理模塊、數據傳輸模塊、電源管理模塊等組成，用于傳感器數據的采集和處理并構成分布式無線多傳感器網絡系統。多傳感器網絡系統是整個信息數據融合的硬件基礎，多傳感器信息是它的操作對象，通過對信息進行綜合優化，實現融合的核心操作[7]。

而作為傳感器網絡系統的主控制器選擇了ATMEL公司基于ARM Cortex-M內核的STM32系列嵌入式處理器STM32F103C8T6，其高性能、低成本、低功耗，是作為嵌入式芯片的一大優勢，便于將實時數據匯聚到現場主機。如圖2，為無線傳感網絡節點的結構設計。

STM32F103C8T6作為現場主機內部核心芯片，使用了兩個重要的串口，其中USRT接口與CC2431芯片相接，用于處理無線傳感網絡節點匯聚到現場主機的數據，實現快速數據交互，而另一個串口與4G無線模塊相接，通過串口的AT指令使4G無線模塊與網絡相接，并將現場數據上傳至云服務器，同時接受云服務器發來的測控指令。圖3即為現場數據無線傳輸系統圖。

3.3 系統的軟件實現

服務器軟件的設計是本系統軟件實現最重要、最核心的部分?！霸品掌髌脚_”的搭建離不開性能可靠的硬件設施（如數據采集終端、無線傳感網絡等），也離不開相應的服務器軟件。因此，云服務器軟件的設計需充分考慮到各種復雜的網絡環境，用戶可以隨時訪問云服務并進行資源管理，而不再受地點或設備的限制，從而提供優質的用戶體驗。與此同時，通過實時接收云服務器監控結果，用戶能夠全面地掌控當前云服務器的運行狀態[8]。

針對大多數的Windows操作系統用戶，可采用B/S（Browser/Server，即瀏覽器/服務器）和C/S（Client/Server，即客戶端/服務器）兩種工作方式?；贛icrosoft提供的標準網絡接口函數（如MFC的CSocket類等），結合沼氣發酵池中各數據采集終端的分布特點、指令和數據的傳輸方式，采用先進的多線程處理技術，設計出用于統一“監控中心”的服務器軟件，實現數據的準確傳輸。集控制和管理于一體的智能監控軟件管理系統如圖4所示。

以基于B/S架構的客戶端軟件為例，應用軟件應基于模塊化設計，可擴展性好，適用于各種應用現場，界面友好，操作簡單，易學易用，且具有“定時檢測”、“實時檢測”等多種用戶自定義功能，允許授權用戶通過互聯網實現對現場的實時監控，提供報表打印、數據分析等功能。對于C/S工作方式下的客戶端軟件，Android 智能手機操作系統具有開放性好、功能擴展性強，便于支持應用程序開發的優點[9]，則可基于安卓開發環境中使用Java的整合型可擴平臺Eclipsc來實現移動終端軟件的設計，做出具有良好的人機交互性的移動終端軟件，便于用戶更加直觀清晰地了解沼氣池內部數據指標，實現遠程智能沼氣池監控功能。

4 結論與展望

本論文設計的遠程智能沼氣池監控系統，應用了最新最熱、使用前景廣闊的多傳感器信息融合技術。國際上已有許多公司不斷推出智能傳感器產品，如美國的Honeywell公司固態電子中心（SSEC）開發的PPT系列的精密智能壓力傳感器具有數字補償、組態、控制、通訊的功能，具有RS- 232C，RS485，USB串行接口或EPP并行接口，國內也有研究機構與企業已經開始開發智能化傳感器[10]。

該系統的設計以沼氣池內環境信息采集處理為目標，設計了三級處理系統。設計中采用了數據融合思想，對采集到的環境信息進行同質和異質融合，去除冗余信息，減少數據通信量，避免傳感器采集沖突。采用了圖形化界面，并在本地計算機上實現了服務器功能，通過手機端智能實時監測沼氣池內環境情況。通過整個系統的有機運行，提高了發酵池內外應急聯動能力，提升了自動化水平和發酵池安全性，極大地節省了人力資源，降低了系統能耗?？梢灶A見，在未來生活中的各個領域，環境信息的動態監測與分析將會廣泛應用，可依據本系統進行相應功能的擴充與修改，必然能夠得到十分有價值的應用前景。

參考文獻：

[1] 王飛，蔡亞慶，仇煥廣.中國沼氣發展的現狀、驅動及制約因素分析[J].農業工程學報，2012，28（1）：184-189.

[2] 李萍.農村戶用沼氣池建設的能源、經濟、環境效益研究[D]. 南京：南京農業大學，2007：1-2.

[3] 周芳，韓立巖.多傳感器信息融合技術綜述[J].遙測遙控，2006，27（3）：1-7.

[4] 黃惠寧，劉源璋，梁昭陽.多傳感器數據融合技術概述[J].科技信息，2010（15）：72-73.

[5] 孔軍.基于多傳感器信息融合的道路收費系統[J].電子技術，2003（1）：55-57.

[6]高金輝，陳玉珠，汪曉晨.多傳感器信息融合技術在智能火災報警系統中的應用[J].傳感器世界，2008（6）：41-44.

[7] 林月芳，吉海彥.基于多傳感器信息融合技術的防盜報警系統[J].微計算機信息，2003（10）：58-59.

[8] 薛琳.基于iOS 平臺的云服務器管理系統研究與實現[D].上海：東華大學，2014：1-2.

[9] 葉小嶺，趙二擺，朱春陽.基于Android 智能手機的戶用沼氣池管理系統[J].江蘇農業科學，2014，42（6）：358-360.

[10] 趙望達，段方英，徐志勝.基于信息融合的智能安全監控自動化系統[J].中國安全科學學報，2015，15（4）：106-108.