基于NB-IoT的垃圾堆酵场所环境气氛监测系统设计

汤建斌 邬佳璐

（中国计量大学计量测试工程学院 浙江省杭州市 310018）

随着中国经济社会发展，垃圾的产生也随之增加。垃圾处理中，由于焚烧发电具有占地面积小、处理速度快、环境影响小、余热可转化成能源等优点，已成为国内对生活垃圾减量化、无害化和资源化处理的首选技术路线[1][2]，也是如日本等垃圾处理和综合利用较好的国家的重要垃圾处理手段[3]。根据国家统计局数据显示，2018年，平均每天处理量近38 万吨。2019年是我国垃圾焚烧发电项目建设最多的一年，全国约有600 个大中小型生活垃圾焚烧发电厂项目在建，按照当前趋势预计到2020年，我国垃圾焚烧产能将达到60 万吨/日。

影响垃圾焚烧效能的关键因素是入炉垃圾的热值，虽然我国正在大力推进垃圾分类工作，目前全国垃圾分类工作处于快速发展阶段[4]。但是还有大量的城市及农村未有效实行垃圾分类，干湿垃圾混合的现状在垃圾焚烧厂还是客观存在。在农村地区，尤其是经济发达的东部沿海地区，农村生活垃圾中易腐垃圾的组分通常在50%以上，鉴于此，浙江省首先提出了农村生活垃圾的“二分法” 。垃圾堆酵是垃圾入炉前去除水分，提高热值的重要方法，而微生物接种等生物反应干预能够缩短垃圾堆酵反应进程。然而垃圾堆酵中由于化学反应和微生物作用，会产生诸多气体，有的气体如H2S、NH3是恶臭气体，有的气体如H2S、CH4达到一定浓度可能会产生爆炸，有的气体如H2S 有剧毒，因此垃圾堆酵场所环境气氛数据监测，对评判垃圾堆酵阶段，降低安全隐患，指导垃圾投料、入炉等均有很大的作用，所以垃圾堆酵场所环境气氛监测系统有较大实用价值。

1 系统设计

垃圾堆酵场所产生的气体，不能直接排放或泄露至室外，所以堆酵场所要求常年保持一定的负压。温湿度数据往往和堆酵场所的垃圾组分、堆酵阶段具有强关联性，可以通过监测、分析温湿度，结合理论和经验模型，来判定堆酵阶段和效果。堆酵过程会产生诸如CH4、H2S 等具有一定热值的气体，且相应气体在一定浓度堆积情况下可能产生爆炸，实时监控对安全生产和热值再利用较为重要。H2S 和NH3是工业生产过程中最广泛存在的恶臭气体，也是堆酵过程中产生恶臭气体的重要成分。因此本系统选取了压力、温度、湿度、H2S、CH4、NH3六个参数作为监测重点。

系统分为数据采集终端和实时监控平台两部分，整体框图如图1所示：数据采集终端采用锂电池供电，利用无线通讯实现数据交互，因此终端可以方便的被安装在堆酵场所的指定位置。实时监控平台采用B/S 框架搭建，终端的数据经过运营商网络和IoT 连接服务器到达业务层的业务服务器，相应的数据经过处理后上传至高可用性云端数据库；用户在任何场所通过Web 访问系统，可以查看和下载数据，也可以下发控制参数。如图1所示。

图1：系统框图

图2：数据采集终端硬件框图

2 硬件设计

数据采集终端硬件被安置在垃圾堆酵场所，对场所环境气氛数据进行采集，经过简单的预处理后，通过通讯模块将数据上传至云端；实时监控平台可以根据要求，下发设置指令控制数据采集终端，如更改采样频率。数据采集终端硬件包括：数据采集模块、单片机最小系统、无线通讯模块、电源模块，具体框图如图2所示。

数据采集模块是利用相应的传感器采集压力、温度、湿度、CH4、H2S 和NH3的数值，并传递给单片机最小系统。无线传输模组型号为Quectel 的BC26，它是一款高性能、低功耗、多频段LTE CatNB1/CatNB2*无线通信模块。单片机选择法意半导体公司的Cortex-M0 内核的ARM 微控制器STM32F030RCT6，意法半导体基于ARM®Cortex®-M0 的STM32F0 系列单片机实现了32 位性能。系统采用锂电池供电，方便采集终端安置在堆酵场所的任意位置，而不需要考虑电源布线问题。电池电源模块包括锂电池管理单元、锂电池模组、升压模组及LDO 模组等组成。

表1：传感器技术指标

相关传感器的相应参数指标见表1。

3 软件设计

系统软件包括数据采集终端软件和实时监控平台软件。数据采集软件实现环境气氛数据的采集、缓存和预处理，适时上传和下载数据。数据监控平台主要由应用层、业务层、数据层、服务层等组成，实现终端数据的后台处理和人机交互。

数据采集终端软件实现数据采集和无线数据交互功能。上电复位后进行系统初始化，主要完成时钟、外设配置；随后进行NBIoT 的网络附着，为了保证联网的可靠性，设置了重连机制，多次联网均失败后报错预警，然后进入休眠等待下次唤醒周期；联网成功后采集相应传感器的数据，由于部分传感器需要预热，即等待数值稳定，因此设置了预热定时器；数据采集完成后进行数据上传，为了保证通讯可靠性同样设置了重发机制；数据上传完毕后，系统配置好相关外设，进入低功耗休眠模式，休眠时间到后继续重复上述系统初始化后的流程。

数据监控平台软件基于B/S 框架，用户使用的是采用HTML5技术的Web 端访问；业务层实现用户管理、设备管理、数据管理；数据层主要实现数据缓存、数据持久化、数据事务控制等，确保数据的高效性和高可用性；服务层主要实现IoT 连接管理，这里采用阿里云IoT 连接服务器；系统部署在阿里云服务器上；数据监控平台软件框架如图3所示。

4 测试结果及分析

实验测试选择杭州市萧山区某绿色能源有限公司的堆酵仓，分别在垃圾上方不同位置安装4 个监测点，并在室外安装一个参照点。每个采集点分别编号，实验采集间隔设置为2 分钟/次，该测试采样间隔小于实际应用，连续监测了32 天，结果表明系统功能完整、运行稳定可靠。

为了分析各参数之间是否具有较好的相关性，探索各参数数据和热值、堆酵阶段等之间的关系模型，就33 号终端进行了相关性分析，针对两两参数做了相关性弦图如图4所示，表明温度、湿度、压力和H2S 四个参数综合相关度是比较高的，而CH4和NH3相对较低，可为数据建模提供了一定的权重依据。

5 结语

该堆酵环境气氛数据监测系统，可以实现对堆酵仓内的气压、温度、湿度、H2S、CH4和NH3指标的全天候监测，系统运行无需人工干预，单次充电可工作6 个月。系统经过长时间的在线运行，数据采集、数据上传、数据查看、报表展示和系统设置等维度均平稳运行。另外该系统具有采集终端安装便捷、无需电源布线和网络布线、运维无需人工干预等优点，相关人员可以随时随地通过电脑或者手机登录数据监控平台网站，实现数据监控、管理，相比传统的本地化监控平台，极大的便利了相关管理人员。

图3：实时监控平台软件框架

图4：数据相关性弦图