稻田温室气体排放无线监测系统

描述

根据一些研究，稻田是温室气体（CH4 甲烷和 NOx 氮氧化物）的主要来源之一，然而，最近的一些研究表明存在误判。

甲烷产生、氧化和排放示意图。

 

Rajkishore，SK 等人。“水稻生态系统的甲烷排放：100 年的研究。” （2015 年）。

为了找出答案，我构建了一个易于部署的 CH4 监视器，以帮助稻农或其他感兴趣的公民科学家研究这个问题。因为大米是大多数亚洲国家的主要食物来源，所以我们必须准确认识这个问题并做出相应的反应。为简单起见，这次我只研究了 CH4，但我希望我的工作能够启发其他制造商也开发 NOx 监测器。由于 NOx 涉及不止一种物质，因此它们更难以测量。

我最初的计划是创建一个利用太阳能和 LoRa 传输的离网系统，但是我购买的网关和 The Things Network 并不能稳定支持 AS923-2 频率（这是我居住的标准频率）。几次尝试后，我不得不放弃，改用 WiFi 和 Blynk。

在我开始之前，我想感谢我之前的许多项目，它们为我提供了完成这个 CH4 监控项目的捷径和灵感，它们在下面的会议中列出。谢谢你们！

 

 

 

 

1 / 4 •完整的设置与电力存储，以确保夜间运行

 

1. Wio终端

Wio Terminal 是一款基于 SAMD51 的微控制器，具有由 Realtek RTL8720DN 提供支持的无线连接功能，与 Arduino 和 MicroPython 兼容。目前，只有 Arduino 支持无线连接。它运行在 120MHz（加速到 200MHz）、4MB 外部闪存和 192KB RAM。它支持蓝牙和 Wi-Fi，为物联网项目提供骨干。Wio 终端本身配备了 2.4 英寸 LCD 屏幕、板载 IMU（LIS3DHTR）、麦克风、蜂鸣器、microSD 卡插槽、光传感器和红外发射器（IR 940nm）。最重要的是，它还有两个用于Grove 生态系统的多功能 Grove 端口和 40 个 Raspberry pi 兼容引脚 GPIO，用于更多附加组件。

搭建Arduino环境和上传代码，请参考Seeed Studio官网。

2. MQ4 甲烷传感器

MQ4 是一种廉价、易于使用的传感器，用于检测甲烷的浓度。这是一个很好的起点，但也有其他选项，例如 MQ214，

该传感器在 5V 电压下运行，并带有数字和interwetten与威廉的赔率体系 输出。在这个项目中，我使用模拟读数而不是数字信号来获取实际浓度，因为数字信号仅显示 CH4 是否“存在”，由用户确定的阈值判断。数字信号可用于泄漏检测，但不适用于测量。

3、SHT40温湿度传感器

传感器附带 Wio 终端开发套件，更多详细信息请参考上述 Seeed Studio 网站。开发套件还附带了其他传感器，这里我只包含了我使用的组件。

该传感器可直接插入 Wio 终端底部插座，采用 I2C 协议。

4.太阳能发电系统

太阳能发电系统由3部分组成：太阳能电池板、5V降压模块和储能。设置非常简单，我买的太阳能电池板是 12V，所以我们需要将 Wio 终端和传感器降到 5V。电力存储基本上是一个带开关的移动电源。我们所要做的就是将它们连接在一起并插入USB。

我在淘宝上买了这3个组件，不懂中文的可以在速卖通上找到。我确定您所在地区有太阳能系统的卖家，所以我不会包括供应商的详细信息

5.连接

上面解释了太阳能系统的连接。SHT40 传感器可以直接插入 Wio Terminal，而 MQ4 传感器有点困难。我们将5V、GND和模拟输出连接到相应的引脚；Wio终端背面的 40 个引脚中的pin4、pin6和pin32 。此处复制引脚排列供您参考：

将 MQ4 的 5V、GND 和 Analog Output 引脚分别连接到 Wio Terminal 的 pin4、pin6 和 pin32。

 

有关详细信息，请向下滚动并参考下面的示意图。

6. Arduino代码

就像每个 Arduino 代码一样，它有定义、setup() 和 loop()。该代码可进一步分为 4 个部分：进行测量、在 Wio 终端屏幕上显示数字、上传到 Blynk 和校准 R0 值。

测量

  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 行代码从 SHT40 传感器读取温度和湿度，后面部分从 MQ4 传感器读取模拟信号（电压电平），然后根据数据表中的图表将其转换为浓度。

转换的第一步是将0-5V映射到0-1023，然后根据0-1023的值计算传感器电阻。最后，将传感器电阻映射到图中的曲线上。通过基本代数公式：y = mx +c，我们可以找到“y”，即 CH4 的浓度 ppm。

R0 校准

  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

需要注意的一点是 R0 值，因为曲线的 y 轴实际上是 Rs/R0。R0 是通过读取新鲜空气中的传感器值，将其转换为传感器电阻并除以 4.4（数字在数据表的图 2，“空气”曲线中找到），类似于校准过程。它应该在进入测试领域之前完成。我已将校准代码作为 CH4_calib() 函数包含在内，请在需要时在 setup() 中取消注释。

Wio终端显示

对于展示的布局，我非常喜欢Salman Faris的设计，因此参考了。我只调整了矩形的宽度并增加了要显示的小数位。

上传到 Blynk

多亏了 Blynk 库，这也很容易，您只需要发送：

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

7. Blynk 仪表板

只需为不同的参数添加相应的显示，例如温度的数字标签，甲烷浓度的图表。请参考下面的模板。

Blynk 上的仪表板模板

 

8. 套管

在这里，我使用了一个防水盒来放置所有东西，但Mithun Das设计了一个非常有用的外壳，我建议使用他的设计将 Wio 终端安装在盒子内。电力存储应该更小，但这就是我目前手头的东西。

我在盒子下面打了几个洞来放置传感器，一根 PVC 塑料管用作支撑杆来使盒子站立。热胶可以方便地将它们粘合到位。

 

 

 

 

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9. 结果

在我的办公室运行显示器一整天，它非常稳定，低于 2ppm。

 

我在家里测得的 CH4 浓度是 1.70ppm，接近全球最新的 1.80ppm 左右的值是可以接受的。R0 值大约在家里校准。30dec C 和 65% RH，我在代码中包含了两个测量值，以帮助根据数据表图表进一步微调甲烷浓度。

还需要注意的是，MQ4 传感器通常在每次通电时都会发出一个“尖峰”（大约 3-4 ppm），它需要大约 30 分钟的“预热”，然后读数才能稳定到 2 ppm 左右。

一切准备就绪后，我把我的装置带到了我所在城市为数不多的稻田之一，看看读数如何。不幸的是，现在已经是九月了，他们刚刚收获。

然而，我在附近发现了一个新的湿地公园，目前正在“建设中”（是的，一个人工湿地......这就是香港......）当它在今年晚些时候开放时，我想我会再来的地方两个站点的监测套件，看看稻田的浓度与湿地的浓度相比如何。

我知道这种简化的甲烷监测可能不够科学，但我希望这更像是一个灵感和入门级工具包，可供感兴趣的农民或公民科学家开始监测周围环境中的甲烷浓度。更多关于稻田甲烷产生的参考资料，以及如何更科学地测量，请参考以下内容，相信网上还有很多：