稻田溫室氣體排放無線監(jiān)測系統(tǒng)

描述

根據(jù)一些研究，稻田是溫室氣體（CH4 甲烷和 NOx 氮氧化物）的主要來源之一，然而，最近的一些研究表明存在誤判。

甲烷產(chǎn)生、氧化和排放示意圖。

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Rajkishore，SK 等人。“水稻生態(tài)系統(tǒng)的甲烷排放：100 年的研究?！?（2015 年）。

為了找出答案，我構(gòu)建了一個(gè)易于部署的 CH4 監(jiān)視器，以幫助稻農(nóng)或其他感興趣的公民科學(xué)家研究這個(gè)問題。因?yàn)榇竺资谴蠖鄶?shù)亞洲國家的主要食物來源，所以我們必須準(zhǔn)確認(rèn)識這個(gè)問題并做出相應(yīng)的反應(yīng)。為簡單起見，這次我只研究了 CH4，但我希望我的工作能夠啟發(fā)其他制造商也開發(fā) NOx 監(jiān)測器。由于 NOx 涉及不止一種物質(zhì)，因此它們更難以測量。

我最初的計(jì)劃是創(chuàng)建一個(gè)利用太陽能和 LoRa 傳輸?shù)碾x網(wǎng)系統(tǒng)，但是我購買的網(wǎng)關(guān)和 The Things Network 并不能穩(wěn)定支持 AS923-2 頻率（這是我居住的標(biāo)準(zhǔn)頻率）。幾次嘗試后，我不得不放棄，改用 WiFi 和 Blynk。

在我開始之前，我想感謝我之前的許多項(xiàng)目，它們?yōu)槲姨峁┝送瓿蛇@個(gè) CH4 監(jiān)控項(xiàng)目的捷徑和靈感，它們在下面的會議中列出。謝謝你們！

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1 / 4 ?完整的設(shè)置與電力存儲，以確保夜間運(yùn)行

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1. Wio終端

Wio Terminal 是一款基于 SAMD51 的微控制器，具有由 Realtek RTL8720DN 提供支持的無線連接功能，與 Arduino 和 MicroPython 兼容。目前，只有 Arduino 支持無線連接。它運(yùn)行在 120MHz（加速到 200MHz）、4MB 外部閃存和 192KB RAM。它支持藍(lán)牙和 Wi-Fi，為物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目提供骨干。Wio 終端本身配備了 2.4 英寸 LCD 屏幕、板載 IMU（LIS3DHTR）、麥克風(fēng)、蜂鳴器、microSD 卡插槽、光傳感器和紅外發(fā)射器（IR 940nm）。最重要的是，它還有兩個(gè)用于Grove 生態(tài)系統(tǒng)的多功能 Grove 端口和 40 個(gè) Raspberry pi 兼容引腳 GPIO，用于更多附加組件。

搭建Arduino環(huán)境和上傳代碼，請參考Seeed Studio官網(wǎng)。

2. MQ4 甲烷傳感器

MQ4 是一種廉價(jià)、易于使用的傳感器，用于檢測甲烷的濃度。這是一個(gè)很好的起點(diǎn)，但也有其他選項(xiàng)，例如 MQ214，

該傳感器在 5V 電壓下運(yùn)行，并帶有數(shù)字和模擬輸出。在這個(gè)項(xiàng)目中，我使用模擬讀數(shù)而不是數(shù)字信號來獲取實(shí)際濃度，因?yàn)閿?shù)字信號僅顯示 CH4 是否“存在”，由用戶確定的閾值判斷。數(shù)字信號可用于泄漏檢測，但不適用于測量。

3、SHT40溫濕度傳感器

傳感器附帶 Wio 終端開發(fā)套件，更多詳細(xì)信息請參考上述 Seeed Studio 網(wǎng)站。開發(fā)套件還附帶了其他傳感器，這里我只包含了我使用的組件。

該傳感器可直接插入 Wio 終端底部插座，采用 I2C 協(xié)議。

4.太陽能發(fā)電系統(tǒng)

太陽能發(fā)電系統(tǒng)由3部分組成：太陽能電池板、5V降壓模塊和儲能。設(shè)置非常簡單，我買的太陽能電池板是 12V，所以我們需要將 Wio 終端和傳感器降到 5V。電力存儲基本上是一個(gè)帶開關(guān)的移動(dòng)電源。我們所要做的就是將它們連接在一起并插入USB。

我在淘寶上買了這3個(gè)組件，不懂中文的可以在速賣通上找到。我確定您所在地區(qū)有太陽能系統(tǒng)的賣家，所以我不會包括供應(yīng)商的詳細(xì)信息

5.連接

上面解釋了太陽能系統(tǒng)的連接。SHT40 傳感器可以直接插入 Wio Terminal，而 MQ4 傳感器有點(diǎn)困難。我們將5V、GND和模擬輸出連接到相應(yīng)的引腳；Wio終端背面的 40 個(gè)引腳中的pin4、pin6和pin32 。此處復(fù)制引腳排列供您參考：

將 MQ4 的 5V、GND 和 Analog Output 引腳分別連接到 Wio Terminal 的 pin4、pin6 和 pin32。

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有關(guān)詳細(xì)信息，請向下滾動(dòng)并參考下面的示意圖。

6. Arduino代碼

就像每個(gè) Arduino 代碼一樣，它有定義、setup() 和 loop()。該代碼可進(jìn)一步分為 4 個(gè)部分：進(jìn)行測量、在 Wio 終端屏幕上顯示數(shù)字、上傳到 Blynk 和校準(zhǔn) R0 值。

測量

  error = sht4x.measureHighPrecision(temperature, humidity);
  if (error) {
    errorToString(error, errorMessage, 256);
    Blynk.notify(errorMessage);
  }   
  rawCH4 = analogRead(gasPin);
  senVol = rawCH4 * 5 / 1023.0;
  senRes = ((5.0 * 10.0) / senVol) - 10.0; //Calculate RS in fresh air
  ratio = senRes / R0;
  ppm_log = m * log10(ratio) + C;

前 5 行代碼從 SHT40 傳感器讀取溫度和濕度，后面部分從 MQ4 傳感器讀取模擬信號（電壓電平），然后根據(jù)數(shù)據(jù)表中的圖表將其轉(zhuǎn)換為濃度。

轉(zhuǎn)換的第一步是將0-5V映射到0-1023，然后根據(jù)0-1023的值計(jì)算傳感器電阻。最后，將傳感器電阻映射到圖中的曲線上。通過基本代數(shù)公式：y = mx +c，我們可以找到“y”，即 CH4 的濃度 ppm。

R0 校準(zhǔn)

  double sensor_volt; //Define variable for sensor voltage
  double RS_air; //Define variable for sensor resistance
  double sensorValue; //Define variable for analog readings
  for (int x = 0 ; x < 500 ; x++) //Start for loop
  {
    sensorValue = sensorValue + analogRead(A5); //Add analog values of sensor 500 times
  }
  sensorValue = analogRead(gasPin); //sensorValue / 500.0; //Take average of readings
  sensor_volt = sensorValue * (5.0 / 1023.0); //Convert average to voltage
  RS_air = ((5.0 * 10.0) / sensor_volt) - 10.0; //Calculate RS in fresh air
  R0 = RS_air / 4.4; //Calculate R0

需要注意的一點(diǎn)是 R0 值，因?yàn)榍€的 y 軸實(shí)際上是 Rs/R0。R0 是通過讀取新鮮空氣中的傳感器值，將其轉(zhuǎn)換為傳感器電阻并除以 4.4（數(shù)字在數(shù)據(jù)表的圖 2，“空氣”曲線中找到），類似于校準(zhǔn)過程。它應(yīng)該在進(jìn)入測試領(lǐng)域之前完成。我已將校準(zhǔn)代碼作為 CH4_calib() 函數(shù)包含在內(nèi)，請?jiān)谛枰獣r(shí)在 setup() 中取消注釋。

Wio終端顯示

對于展示的布局，我非常喜歡Salman Faris的設(shè)計(jì)，因此參考了。我只調(diào)整了矩形的寬度并增加了要顯示的小數(shù)位。

上傳到 Blynk

多虧了 Blynk 庫，這也很容易，您只需要發(fā)送：

  Blynk.virtualWrite(V0, temperature);
  Blynk.virtualWrite(V1, humidity);
  Blynk.virtualWrite(V2, ppm_log);
  Blynk.virtualWrite(V3, R0);

7. Blynk 儀表板

只需為不同的參數(shù)添加相應(yīng)的顯示，例如溫度的數(shù)字標(biāo)簽，甲烷濃度的圖表。請參考下面的模板。

Blynk 上的儀表板模板

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8. 套管

在這里，我使用了一個(gè)防水盒來放置所有東西，但Mithun Das設(shè)計(jì)了一個(gè)非常有用的外殼，我建議使用他的設(shè)計(jì)將 Wio 終端安裝在盒子內(nèi)。電力存儲應(yīng)該更小，但這就是我目前手頭的東西。

我在盒子下面打了幾個(gè)洞來放置傳感器，一根 PVC 塑料管用作支撐桿來使盒子站立。熱膠可以方便地將它們粘合到位。

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9. 結(jié)果

在我的辦公室運(yùn)行顯示器一整天，它非常穩(wěn)定，低于 2ppm。

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我在家里測得的 CH4 濃度是 1.70ppm，接近全球最新的 1.80ppm 左右的值是可以接受的。R0 值大約在家里校準(zhǔn)。30dec C 和 65% RH，我在代碼中包含了兩個(gè)測量值，以幫助根據(jù)數(shù)據(jù)表圖表進(jìn)一步微調(diào)甲烷濃度。

還需要注意的是，MQ4 傳感器通常在每次通電時(shí)都會發(fā)出一個(gè)“尖峰”（大約 3-4 ppm），它需要大約 30 分鐘的“預(yù)熱”，然后讀數(shù)才能穩(wěn)定到 2 ppm 左右。

一切準(zhǔn)備就緒后，我把我的裝置帶到了我所在城市為數(shù)不多的稻田之一，看看讀數(shù)如何。不幸的是，現(xiàn)在已經(jīng)是九月了，他們剛剛收獲。

然而，我在附近發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的濕地公園，目前正在“建設(shè)中”（是的，一個(gè)人工濕地......這就是香港......）當(dāng)它在今年晚些時(shí)候開放時(shí)，我想我會再來的地方兩個(gè)站點(diǎn)的監(jiān)測套件，看看稻田的濃度與濕地的濃度相比如何。

我知道這種簡化的甲烷監(jiān)測可能不夠科學(xué)，但我希望這更像是一個(gè)靈感和入門級工具包，可供感興趣的農(nóng)民或公民科學(xué)家開始監(jiān)測周圍環(huán)境中的甲烷濃度。更多關(guān)于稻田甲烷產(chǎn)生的參考資料，以及如何更科學(xué)地測量，請參考以下內(nèi)容，相信網(wǎng)上還有很多：

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