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。

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. 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，并带有数字和模拟输出。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：

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。

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。

9. 结果

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：