基于物联网的秸秆焚烧监测系统.doc

1、项目基金：省级大学生创新训练项目（AH201310371002）与安徽省科技攻关项目（12010302080)邮寄地址：安徽省阜阳市清河西路 100 号阜阳师范学院新校区（西区）物电学院 联系人：陈曙光联系电话：13905582680邮编：236041邮箱：基于物联网的秸秆焚烧监测系统蔡骞 1，陈曙光 1, 郝恒伟 1，喻玺 1，张锦威 1，王静文 1，吕进龙 2(1.阜阳师范学院物理与电子工程学院，安徽 阜阳 236041)(2.阜阳市农业物联网发展研究院，安徽 阜阳 236041)摘 要 :本 文 实 现 了 一 个 基 于 物 联 网 的 秸 秆 焚 烧 监 测 系 统 ， 该 系 统

2、在 大 田 四 情 监测 系 统 的 基 础 上 ， 增 加 了 烟 雾 传 感 器 和 二 氧 化 氮 传 感 器 ， 通 过 对 浓 烟 和 二 氧 化氮 的 监 测 ， 实 现 了 对 秸 秆 焚 烧 进 行 监 测 和 预 警 的 功 能 。关 键 词 :物 联 网 、 秸 秆 焚 烧 、 监 测 系 统中 图 分 类 号 :TP393 文 献 标 志 码 :AStraw combustion monitoring system based on Internet of things CAI-Qian1, CHEN Shu-guang1, HAO-Hengwei1,YU-Xi1,ZHA

3、NG-Jinwei1,WANG-Jingwen1,LV Jin-long2(1.School of Physics and Electronic Engineering,Fuyang Teachers College,Fuyang 236041,China)(2.Fuyang Agriculture IOT Development Research Institute,Fuyang 236041,China)Abstract: This paper realizes a straw combustion monitoring system based on Internet of things

4、. The system increases the smog sensor and NO2 sensor, on the basis of the big fields monitoring system of the four situation.Through the monitoring of smoke and NO2, the system realizes the function of monitoring and warning of straw burning phenomenon. Key words:Internet of things；monitoring syste

5、m；straw combustion1、 引 言随 着 生 活 水 平 的 提 高 ， 家 用 电 器 、 天 然 气 使 用 日 益 广 泛 ， 农 民 对 柴 草 的 需 求 量下 降 ,焚 烧 农 作 物 秸 秆 的 行 为 常 常 发 生 。秸 秆 焚 烧 产 生 的 主 要 危 害 有 ： 造 成 严 重 的 大 气 污 染 ， 危 害 人 体 健 康 。 引 发 交 通 事 故 ， 影 响 道 路 交 通 和 航 空 安 全 。 引 发 火 灾 。 破 坏 土 壤 结 构 ， 造 成 农 田 质 量 下 降 。前 期 ， 通 过 对 使 用 遥 感 技 术 监 测 秸 秆 焚 烧

6、的 研 究 ， 发 现 这 种 方 式 成 本 较 高 ， 对焚 烧 面 积 小 、 时 间 短 的 情 况 不 易 监 测 。 针 对 这 些 问 题 ， 本 文 设 计 了 一 个 基 于物 联 网 的 秸 秆 焚 烧 监 测 系 统 ， 在 大 田 四 情 监 测 系 统 中 ， 增 加 烟 雾 传 感 器 和 二 氧化 氮 传 感 器 ， 对 秸 秆 焚 烧 现 象 进 行 实 时 监 测 和 预 警 ， 以 便 及 时 发 现 秸 秆 焚 烧的 区 域 ， 并 进 行 处 理 。2、监测系统组成2.1 秸秆焚烧监测系统大 田 四 情 监 测 系 统 ， 以 农 业 物 联 网 环 境

7、 监 测 传 感 器 为 基 础 ， 采 集 四 情 相 关 数据 ， 并 提 出 田 间 管 理 措 施 ， 建 立 农 业 生 产 指 挥 调 度 系 统 ， 对 大 田 种 植 、 管 理 、 收割 、 抗 灾 等 工 作 进 行 指 挥 和 调 度 。秸 秆 焚 烧 监 测 系 统 以 大 田 四 情 监 测 系 统 为 基 础 ， 包 括 监 测 平 台 和 监 测 设 备 两大 部 分 。 其 中 监 测 平 台 总 体 架 构 分 数 据 层 、 服 务 层 、 应 用 层 三 个 层 次 。 主 要 内 容包 括 数 据 整 合 处 理 应 用 、 信 息 数 据 库 、 信

8、息 资 源 管 理 应 用 、 信 息 交 互 服 务 、 四 情综 合 门 户 等 方 面 。 在 监 测 平 台 中 ， 烟 雾 预 警 是 针 对 秸 秆 焚 烧 进 行 预 警 处 理 的 ； 在感 知 层 中 ， 烟 雾 传 感 器 和 二 氧 化 氮 传 感 器 ， 用 于 秸 秆 焚 烧 的 监 测 。系 统 结 构 图 如 图 1 所 示 ：图 1 系统结构图2.1、硬件选择气 象 站 选 择 便 携 式 气 象 站 ， 又 称 移 动 式 小 型 气 象 站 ， 可 对 风 向 、 风 速 、 雨 量 、温 度 、 湿 度 、 辐 射 、 大 气 压 等 要 素 进 行 全

9、天 候 现 场 精 确 测 量 。 该 气 象 站 具 有 以 下特 点 ： 多 种 通 讯 方 式 （ 有 线 、 数 传 电 台 、 GPRS 移 动 通 讯 等 ） 将 数 据 传 输 到 中心 计 算 机 气 象 数 据 库 中 ， 用 于 统 计 分 析 和 处 理 ； 可 根 据 用 户 需 求 进 行 传 感 器 接 入类 型 、 数 量 的 配 置 ； 可 靠 运 行 于 各 种 恶 劣 的 野 外 环 境 ， 低 功 耗 、 高 稳 定 性 、 高 精度 、 可 无 人 值 守 ； 完 善 的 防 雷 击 、 抗 干 扰 等 保 护 措 施 。在 便 携 式 气 象 站 的

10、基 础 上 ， 增 加 了 烟 雾 传 感 器 和 NO2 气 体 传 感 器 ， 用 于对 秸 秆 焚 烧 产 生 的 浓 烟 和 二 氧 化 氮 进 行 监 测 。气 体 传 感 器 是 一 种 将 某 种 气 体 体 积 分 数 转 化 成 对 应 电 信 号 的 转 换 器 。 探 测 头 通过 气 体 传 感 器 对 气 体 样 品 进 行 处 理 ， 滤 除 干 扰 气 体 与 杂 质 ， 然 后 对 剩 余 气 体 进 行干 燥 或 制 冷 处 理 。 气 体 传 感 器 分 为 ： 半 导 体 气 体 传 感 器 、 电 化 学 气 体 传 感 器 、 催化 燃 烧 式 气 体

11、 传 感 器 、 热 导 式 气 体 传 感 器 、 红 外 线 气 体 传 感 器 。为 了 监 测 空 气 中 NO2 浓 度 ， 选 择 了 半 导 体 式 的 NO2 气 体 传 感 器 ， 它 是 利 用一 些 金 属 氧 化 物 半 导 体 材 料 ， 在 一 定 温 度 下 ， 电 导 率 随 着 环 境 气 体 成 份 的 变 化 而变 化 的 原 理 制 造 的 。 半 导 体 式 气 体 传 感 器 可 以 有 效 地 用 于 二 氧 化 氮 、 甲 烷 、 酒 精 、甲 醛 、 一 氧 化 碳 、 二 氧 化 碳 等 多 种 气 体 地 检 测 。 该 传 感 器 成 本

12、 低 ， 适 宜 于 民 用 气体 检 测 。烟 雾 传 感 器 选 择 的 是 离 子 式 烟 雾 传 感 器 ， 该 类 型 传 感 器 技 术 先 进 、 工 作 稳 定 可靠 ， 被 广 泛 运 用 于 各 种 消 防 报 警 系 统 中 ， 性 能 远 优 于 气 敏 电 阻 类 的 火 灾 报 警 器 。离 子 烟 雾 报 警 器 对 微 小 的 烟 雾 粒 子 的 感 应 要 灵 敏 一 些 ， 对 各 种 烟 能 均 衡 响 应 。 其原 理 是 ： 内 外 电 离 室 里 的 放 射 源 镅 241， 经 过 电 离 产 生 的 正 、 负 离 子 ， 在 电 场的 作 用

13、下 各 自 向 正 负 电 极 移 动 。 在 正 常 的 情 况 下 ， 内 外 电 离 室 的 电 流 、 电 压 都 是稳 定 的 ， 一 旦 有 烟 雾 窜 逃 外 电 离 室 ， 干 扰 了 带 电 粒 子 的 正 常 运 动 ， 电 流 、 电 压 就会 有 所 改 变 ， 破 坏 了 内 外 电 离 室 之 间 的 平 衡 ， 于 是 无 线 发 射 器 发 出 无 线 报 警 信 号 ，通 知 远 方 的 接 收 主 机 ， 将 报 警 信 息 传 递 出 去 。而 视 频 方 面 ， 选 择 红 外 智 能 球 型 摄 像 机 。 智 能 球 型 摄 像 机 采 用 “精 密

14、 微分 步 进 电 机 ”， 实 现 智 能 球 型 摄 像 机 的 快 速 、 准 确 的 定 位 、 旋 转 ， 然 后 将 摄像 机 的 图 像 、 功 能 写 进 高 速 球 的 CPU， 经 过 控 制 云 台 ， 将 图 像 传 输 出 来 ， 并 且能 将 摄 像 机 的 很 多 功 能 ， 例 如 白 平 衡 、 快 门 、 光 圈 、 变 焦 、 对 焦 等 同 时 实 现控 制 。 考 虑 到 夜 间 拍 摄 的 需 要 ， 选 择 带 有 红 外 感 应 功 能 的 摄 像 机 。该 系 统 硬 件 部 署 图 如 图 2 所 示 ：图 2 硬件部署图2.2、软件设计秸

15、秆 焚 烧 监 测 系 统 以 大 田 四 情 监 测 系 统 为 基 础 ， 大 田 四 情 监 测 软 件 系 统 平 台通 过 对 监 测 区 域 的 土 壤 资 源 、 水 资 源 、 气 候 信 息 及 农 情 信 息 （ 苗 情 、 墒 情 、 虫 情 、灾 情 ） 等 进 行 统 一 监 控 与 管 理 ， 构 建 以 标 准 体 系 、 评 价 体 系 、 预 警 体 系 和 科 学 指导 体 系 为 主 的 网 络 化 、 一 体 化 监 管 平 台 。 该 软 件 系 统 平 台 总 体 包 括 数 据 层 、 服 务层 、 应 用 层 三 个 层 次 的 功 能 。 数

16、据 层 对 系 统 可 接 纳 、 处 理 的 数 据 范 围 和 类 型 进 行定 义 。 在 数 据 层 面 上 ， 包 括 大 田 的 苗 情 、 灾 情 、 墒 情 和 病 虫 草 情 等 数 据 ， 同 时 涵盖 了 涉 及 到 上 述 信 息 的 农 业 气 象 信 息 、 温 度 、 湿 度 、 日 照 以 及 浓 烟 和 二 氧 化 氮 等信 息 内 容 。服 务 层 分 为 三 个 部 分 ： 管 理 服 务 ， 主 要 包 括 用 户 管 理 、 安 全 管 理 和 报 警 管 理 ；通 用 服 务 ， 主 要 包 括 关 联 查 询 、 批 量 比 对 、 报 表 统 计

17、 、 全 文 检 索 等 ； 应 用 服 务 ，实 现 平 台 内 部 和 外 部 的 横 向 信 息 共 享 和 业 务 联 动 。应 用 层 主 要 是 建 立 各 类 业 务 级 的 分 析 研 判 应 用 系 统 ， 主 要 包 括 数 据 统 计 分 析 研判 功 能 、 烟 雾 预 警 、 视 频 监 控 系 统 、 GIS 应 用 。在 数 据 统 计 分 析 研 判 功 能 中 ， 增 加 了 浓 烟 和 二 氧 化 氮 这 两 项 数 据 的 分 析 判 断以 及 预 警 功 能 ， 以 便 于 对 秸 秆 焚 烧 现 象 进 行 实 时 监 测 。秸 秆 焚 烧 监 测 流

18、 程 图 如 图 3 所 示 ：图 3 秸 秆 焚 烧 监 测 流 程 图在上述流程图中，系统开始启动后，软件平台系统自动根据设置，进行采集烟雾和二氧化氮数据，然后进行数据处理。当数据达到报警设置的条件，对用户进行报警，如果数据正常，则进行下一周期的数据采集；如果产生报警，等待操作人员处理完成后，再进行下一周期的数据采集。系统周期性地进行采集数据。其中，接收数据的主要代码如下：/消息响应函数调用/用一个 switch 循环来判断网络事件Void CSynSocketSrvDlg:OnConnect(WPARAM wParam , LPARAM lParam)switch(lParam)case

19、 FD_ACCEPT:SOCKADDR addr ;int len;len=sizeof(SOCKADDR) ;GetDlgItem(IDC_EDIT1)-SetWindowText(“新的连接到来n“) ;tem=:accept(m_socket,(SOCKADDR*)break ;case FD_READ:char buf1024 =“; recv(tem,buf,1024,0) ;/GetDlgItem(IDC_EDIT1)-SetWindowText(buf) ;ParseData(buf);SaveData();break ;3、实验与结论对烟雾传感器和 NO2 气 体 传 感 器

20、进 行 实 验 ，实验数据如下表：烟雾浓度（%） NO2 气 体 含 量 （ mg/m3）无秸秆焚烧 1 0.12 48.5少量秸秆焚烧 1 0.95 97.4大量秸秆焚烧 1 2.28 212.3无秸秆焚烧 2 0.23 65.3少量秸秆焚烧 2 0.86 102.6大量秸秆焚烧 2 2.49 198.7从 上 述 表 中 可 以 看 出 ， 有 秸 秆 焚 烧 时 ， 空 气 中 的 烟 雾 和 NO2 气 体 含 量 显 著上 升 ， 尤 其 是 在 少 量 秸 秆 焚 烧 时 ， 空 气 中 的 烟 雾 含 量 明 显 高 于 烟 雾 传 感 器 的 报 警值 0.65%。 一 旦 有

21、 秸 秆 焚 烧 ， 操 作 人 员 接 到 报 警 后 ， 通 过 调 用 红 外 智 能 球 型 摄 像机 进 行 观 测 ， 就 可 以 对 秸 秆 焚 烧 现 象 进 行 确 认 。 通 过 实 验 ， 说 明 该 系 统 能 够 通 过对 浓 烟 和 二 氧 化 氮 的 监 测 ， 实 现 对 秸 秆 焚 烧 现 象 实 时 监 测 。本 系 统 是 一 个 使 用 物 联 网 技 术 、 基 于 大 田 四 情 监 测 的 秸 秆 焚 烧 监 测 系 统 ， 该 系统 充 分 利 用 气 象 站 具 有 接 入 多 种 类 型 传 感 器 的 特 点 和 视 频 监 测 的 功 能

22、 ， 仅 仅 增 加了 烟 雾 传 感 器 和 二 氧 化 氮 传 感 器 ， 就 实 现 了 对 秸 秆 焚 烧 现 象 的 监 测 和 预 警 。 该 系统 成 本 低 廉 ， 无 需 重 新 布 线 ， 即 使 没 有 人 员 在 场 ， 也 可 以 了 解 秸 秆 焚 烧 的 情 况 ，在 大 田 秸 秆 焚 烧 监 测 方 面 具 有 推 广 和 应 用 价 值 。参考文献1刘笃仁,韩保君.传感器原理及应用技术M.机械工业出版社.2003,8 2黄贤斌,郑筱霞.传感器原理与应用M.北京:高等教育出版社. 成都:电子科技大学出版社,2004,3(2009.1 重印)3侯媛彬,袁益民,霍

23、汉平,王勇等.凌阳单片机原理及其毕业设计精选M.科学出版社.2006(1)4刘国勇.MAX232/MAX232A 收发器及其应用J.国外电子元器件，1997(3)5丁元杰. 单片微机原理及应用 M.北京：机械工业出版社,2004.12.6Encyclopedia of Internet Technologies and Applications Knowledge management technologies and applicationsliterature review from 1995 to 20027大田四情监测调度系统项目方案 发布者：IOT_BJ 时间：2013 年 11 月 20 日作者简介：蔡骞：生于1989，男，安徽阜阳人，阜阳师范学院本科在读，研究方向：农业物联网。陈曙光：陈曙光出生于 1966，籍贯是中国安徽省，他在 2009 年是中国科技大学的访问学者，目前是阜阳师范学院物理与电子工程学院副教授，指导阜阳师范学院物理与电子信息工程的统筹工作，同时担任阜阳智慧城市发展研究院院长。