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水稻田甲烷气体排放在线监测系统设计研究

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《激光杂志》2017年第6期

摘要:以STM32F103VB处理器和甲烷气体传感器为核心,设计了一种基于GPRS无线远程通信的水稻田甲烷气体在线监测系统。首先,介绍了监测系统的总体设计思路与核心结构,包括系统的硬件系统结构与软件系统设计;其次,针对甲烷传感器进行了标定、稳定性实验,在此基础上,建立了甲烷浓度预测模型;最后,选取安徽省农科院水稻实验田作为对象,连续监测了144小时的甲烷排放情况,甲烷排放速率呈周期性变化,变化周期为24小时(1天),甲烷排放速率与土壤温度呈正相关,144小时的甲烷气体平均排放速率为2.935mg•m-2•h-1。实验结果表明:系统能够实时监测水稻田甲烷气体单位面积的排放通量及排放速率情况,为水稻田温室气体排放监测与控制提供理论基础与数据支持。

关键词:CH4监测;嵌入式系统;预测模型

我国农业已超过工业成为最大的面源污染产业[1],农业中的温室气体排放引起国内外专家的密切关注。甲烷(CH4)是全球第二大温室气体[2],联合国政府间气候变化专业委员会(ICPP)报告指出,单位摩尔甲烷的辐射强度是二氧化碳的21倍,它对全球温室效应的贡献达到二氧化碳的1/3[3-4]。水稻田是甲烷气体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获取是一项亟需解决的关键技术[7-8]。目前普遍采用的静态箱-气相色谱法存在着采样程序繁琐、成本高、不能实时监测等问题[9-10]。为了有效监测水稻田甲烷气体排放,急需一种实时快速获取甲烷气体浓度的监测系统,它能够长期监测水稻田中甲烷气体的排放速率、单位面积的排放通量。在此背景下,本文设计了一套基于传感技术、嵌入式技术与远程无线通信技术相结合的甲烷气体排放在线监测系统。该系统具有实时、稳定、高精度等优点,为水稻田甲烷气体浓度在线检测与监测提供了一种新的手段与方法。

1系统总体设计

系统包括硬件设计、软件设计两大部分。其中硬件设计主要含核心处理模块、数据采集模块、数据获取传感器以及数据无线发送等部分。数据获取传感器选用高精度红外甲烷气体传感器探头(英国Dyna-mentMSHia-HC)、高稳定温湿度传感器芯片(SHT20)。甲烷气体传感器探头采集的电信号经信号调理电路由微处理器ADC采集并处理得到甲烷浓度,而温湿度传感器则通过IIC总线的方式与微处理器进行通信;系统选用低功耗的32位ARM处理器STM32F103VB作为主控芯片,由独立电源模块进行供电,并引出标准JTAG接口,方便程序的烧写与调试;STM32控制器的实时时钟(RTC)模块,为定时采样、实时存储提供时间依据,利用STM32控制器的SPI接口将采集数据与采样时间同步写入SD卡中,实现采集数据与采样时间的本地存储。此外系统通过RS232接口将采集数据经GPRS模块实时上传至云端服务器,实现数据的远程存储与调用。

2系统硬件设计

2.1控制器选型

控制器是整个监测系统的核心部件,主要负责数据采集与处理,将获得的甲烷浓度与温湿度等数据存储到本地的SD卡中,同时通过RS232串行接口经GPRS模块将数据上传到云端服务器上进行远程存储,方便调用。系统控制器采用意法半导体(ST)公司的基于Cortex-M3内核的32位ARM处理器STM32F103VB,该处理器具有高性能、低成本、低功耗等特点。其内部带有128kB字节的FLASH和20kB的SRAM;最高工作频率可达72MHz,具有丰富的高速I/O端口,3路12位ADC(可达21通道),2路DAC,4路16位通用定时器,2路16位PWM;可达13个通信接口:2个IIC接口,3个SPI接口,5个USART接口,1个CAN接口,1个USB2.0全速接口,1个SDIO接口。完全能满足甲烷排放、温湿度监测系统设计要求。

2.2甲烷传感器

目前检测甲烷气体的传感器有催化燃烧和红外吸收两种原理的,通常用来检测煤矿中甲烷等可燃性气体浓度(精度要求不高)的为催化燃烧原理的传感器。催化燃烧式传感器设计和制造相对简单、价格低廉,但是该类型传感器存在以下明显不足:①精度差,目前市面上的催化燃烧式甲烷传感器检测限约为100ppm,无法有效检测水稻田中的低浓度甲烷气体;②抗干扰性能差,对大部分可燃性气体都产生响应,环境中其它可燃性气体对其检测结果干扰较大;③容易失效,当环境中存在含硅、氯、硫的化合物时,传感器会发生中毒现象,所以催化燃烧式传感器要时常校准。针对以上问题,本文采用基于红外吸收原理的高精度红外甲烷气体传感器探头(英国DynamentMSHia-HC)作为甲烷气体检测单元,该传感器具有稳定性好,精度高,抗干扰能力强、适用恶劣环境、维护少、寿命长等优点。该传感器运用了非色散红外原理,能够实现对甲烷气体的高精度检测。该传感器为高分辨率的全量程甲烷传感器,在0至1%范围分辨率为1ppm,在大于10%范围分辨率为100ppm,且响应时间小于25秒。符合水稻田甲烷气体排放浓度测量需求。该传感器具有0.4V至2V模拟电压输出与串口输出两种模式,本系统选用模拟电压输出模式,其与STM32控制器的接口电路如图2所示。本设计使用STM32控制器的ADC直接读取传感器的电压值,经处理运算得到实际甲烷浓度。

2.3温度传感器

采用TYX-CTWS1型土壤温度传感器,其测量精度高、响应快。采用12V供电,输出电流为工业标准4mA至20mA输出,抗干扰能力好,其分辨率为0.1℃,适用于对农田土壤温度是检测。由于其输出的为电流信号,因此需要个转换电路转换成模拟电压输出,然后被stm32的ADC所采集,经运算得到土壤实际温度值。

2.4GPRS模块

GPRS(通用分组无线服务技术)模块采用厦门才茂(数据传输单元,DTU),CM3160P采用高性能工业级嵌入式处理器,以实时操作系统为软件支撑平台,超大内存,内嵌TCP/IP协议栈。支持AT指令,方便用户进行参数配置,同时支持TCP、UDP透明数据传输,采用RS-232串行接口,能够实现用户串口到无线网络之间的转换,使传统串口设备更好的加入无线网络,从而实现数据的无线传输。CM3160P外接SIM卡,支持固定IP通信方式支持固定IP通信方式,通过合理配置,可以通过GPRS网络连上服务器端。CM3160P完全能胜任水稻田复杂环境下数据无线传输的要求。

2.5其他硬件模块

(1)电源模块整个系统控制单元需要用到3.3V电压,甲烷传感器工作则需要5V电压,而GPRS模块则需要用12V供电。本设计由外部12V锂电池供电,通过MORNSUNK7805-1000稳压芯片降压到5V,再由ASM1117-3.3稳压芯片将5V电压转换成3.3V,用于控制器最小单元、温湿度传感器、甲烷传感器、存储模块、GPRS模块等供电。

(2)存储模块为防止数据丢失,系统将采集的数据在上传发送到服务器端的同时,还进行了本地存储,确保采集数据的完整性。本系统设计有SD卡存储电路,利用STM32的SPI接口,将采集的数据与采样时间同步写入到SD卡中,实现了数据的本地存储。

(3)RS232串口模块监测系统需要通过串口将采集的甲烷浓度与温湿度数据经CM3160P(GPRS模块)以透传模式上传至服务器,而CM3160P采用的是RS232接口,要实现控制器与CM3160P之间的通信,必须先将控制器的TTL电平转换成RS232电平。本设计利用MAX232电平转换芯片,将STM32USART接口的TTL电平转换成RS232电平。

(4)时钟模块本地存储传感器数据时需要存储对应采样时间,以便作后期数据处理。本文直接利用STM32的实时时钟(RTC)模块,因此需要使用外部LSE晶振,本文在STM32第8、9引脚接有32.768KHZ的晶振电路,同时在STM32的VBAT引脚接有3.3V纽扣电池,以便在断开电源后使用后备电池进行供电,维持RTC的正常运行,为本地存储提供时间依据。

3系统软件设计

3.1嵌入式软件设计

本文采用库函数法进行嵌入式软件设计,采用ST官方固件库3.5.0进行驱动与软件开发。采用固件库开发,无需了解寄存器底层操作,只需调用库提供的函数,即可轻松的完成各外设的配置,极大的缩短了开发周期,提高了编程效率。本文中嵌入式软件主要任务包括系统初始化、甲烷温湿度数据采集与处理、SD卡存储、串口传输。首先进行系统初始化,包括系统时钟初始化,sy-stick滴答定时器、RTC、GPIO口、嵌入式中断嵌套、通用定时器、ADC、SPI、DMA等外设初始化,SD卡模块、温湿度模块、串口通讯等模块初始化。RTC提供时钟,每个整点启动数据采集,采集的传感器值经过算法滤波后得到相应甲烷浓度值与温湿度值,分别由stm32的SPI接口写入SD卡中,USART接口传输给服务器,之后关闭传感器以及传输模块,使系统处于待机状态以减小功耗。

3.2服务端软件设计

服务端软件开发平台采用VisualStudio设计,采用C#编程,该软件启动后进入监听模式,一旦有GPRS无线模块上线,便可直接建立连接、通信。该软件可以管理各设备节点的接入情况,设置工作模式,同时可以控制数据采集终端的采集时间间隔,从而达到远程监控的目的。该软件建立有数据库,将GPRS无线模块传输回来的数据实时保存至数据库中。

4验证实验测

试实验主要针对系统甲烷传感器进行标定,同时针对系统数据采集精度、测量范围、稳定性等方面对系统性能做出分析。现场监测实验用于证明其实用性,即该系统确实是否可以用于水稻田甲烷排放量的监测,以及存在改进的地方。

4.1传感器标定

本系统所采用的甲烷传感器输出为0.4V至2V模拟电压信号,因此采用标定的方法来确定传感器输出电压和实际甲烷浓度之间的定量关系。实验对浓度0至2000ppm范围内21种不同浓度的标准甲烷气体进行标定,记录相应浓度下的电压输出值,并设传感器的分辨率为1ppm。每种浓度下的电压值均为经过STM32微处理器采用最小二乘法、RANSAC等算法软件滤波后的值,重复多次实验后,求取平均值。

4.2稳定性测试

针对0至2000ppm范围内三组不同浓度的甲烷气体(400ppm,600ppm,800ppm),本项目进行了传感器稳定性测试。每组测试时长5天,每隔10min采集一次数据,实验结果如图11所示。结果表明不同浓度甲烷气体的测量误差均小于0.01%,具有较高的监测精度,且传感器的稳定性良好,不会随时间产生漂移。

4.3农田监测实验(2周实验数据)

现场试验在安徽省农科院水稻育种基地开展,由于育种基地中施用有机肥量较大,所以释放的甲烷量较多,具有代表性。我们利用有机玻璃制作了一个密闭的长方体气箱,气箱尺寸为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。一方面光线可以通过有机玻璃直射到农田中的作物上面,不影响作物的正常生长;另一方面保证了农田淤泥中释放的甲烷气体不会扩散到大气中。为了减小对水稻生长环境的影响下,我们设定监测周期为6天,系统每小时采集一次甲烷气体浓度数据和有机玻璃气箱内泥土温度数据。由于我们采集的甲烷浓度数据是甲烷的累积值,理论上讲应该是一个直线上升的趋势,但是从图中可以看出数据的变化总体上升,但是上升的速率(及甲烷的排放速率)是有近似周期性变化的。这个变化周期与监测的泥土温度周期有一定的相关性。为了直观显示水稻田中的甲烷气体排放速率,我们对甲烷排放累积浓度变化曲线进行求导,可以得出甲烷排放速率变化曲线(如下图所示),从图中我们可以看出:①甲烷排放速率呈周期性变化,变化周期为24小时(1天);②甲烷排放速率与土壤温度呈正相关,土壤温度越高,甲烷排放速率越快,反之越慢;③144小时的甲烷气体平均排放速率。

5结论

为了解决水稻田甲烷的排放检测工作过程中采样程序繁琐、成本高、不能实时监测等问题,本文设计了一种水稻田甲烷气体排放在线监测系统,根据水稻田复杂环境下对排放的甲烷气体浓度监测的要求,结合传感技术、嵌入式技术与远程无线通信技术实现了易使用、低成本、实时在线监测,并对系统数据采集精度、稳定性等方面对系统性能影响做出分析,实验结果表明,该系统具有实时、稳定、高精度等特点,可用于水稻田环境下甲烷气体排放速率及单位面积的排放通量的监测。最后,通过安徽省农科院水稻试验田144小时的甲烷排放监测实验,验证了系统稳定、性能可靠。

作者:郑守国1;朱泽德1;孙熊伟1;翁士状3;董文功3;王春义2;任建文3;曾新华1 单位:1.中科院合肥技术创新工程院,2.中国科学技术大学,3.安徽大学

激光杂志责任编辑:张雨    阅读:人次
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