(江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122)

0 引言

我國白酒歷史悠久，與法國科涅克白蘭地、英國蘇格蘭威士忌并稱世界三大(蒸餾)名酒，采用成熟的純種液態(tài)發(fā)酵、釜式或塔式蒸餾技術(shù)[1]。但由于純手工監(jiān)測的局限性，酒廠缺乏大量的數(shù)據(jù)積累來進(jìn)一步研究環(huán)境與釀酒過程溫度等諸多因素對酒品質(zhì)的影響；并且依靠人力感知測溫，既缺乏準(zhǔn)確性，又浪費(fèi)人力資源，即便現(xiàn)在大部分企業(yè)都使用半機(jī)械化的有線監(jiān)控方式，當(dāng)遇到惡劣的廠房環(huán)境時(shí)，如何布線仍是很大的難題。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor network,WSN)是近幾年來快速發(fā)展且倍受關(guān)注的新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，已成為國內(nèi)外的熱門研究課題[2]。本文將WSN技術(shù)引入釀酒過程監(jiān)測系統(tǒng)，主要解決實(shí)際工程中布線難、設(shè)備點(diǎn)分散、靈活性差等問題。采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不需要任何額外的布線，安裝簡單方便，穩(wěn)定可靠，可維護(hù)性和可擴(kuò)充性好。本文對傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)做了一些優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了節(jié)點(diǎn)的能耗和抗干擾性。系統(tǒng)在控制界面上采用組態(tài)軟件LabVIEW編寫控制程序，在不改變現(xiàn)有的工作流程和方式的情況下，即可實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、生產(chǎn)流程的狀態(tài)切換，以及釀酒過程的自動(dòng)報(bào)警與生產(chǎn)狀況查詢[3]。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

監(jiān)測系統(tǒng)處于整個(gè)系統(tǒng)的頂層。監(jiān)測系統(tǒng)通過基站接收來自路由節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)給軟件系統(tǒng)進(jìn)行處理。各監(jiān)測節(jié)點(diǎn)采集的溫度、濕度等環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)，需要通過無線模塊轉(zhuǎn)發(fā)給路由節(jié)點(diǎn)，通過路由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)給基站?；九c計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相連，基站在獲取數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)軟件進(jìn)行處理和顯示。各監(jiān)測節(jié)點(diǎn)每固定時(shí)間間隔中采集一次信息，信息數(shù)據(jù)存放到事先定義好的幀格式內(nèi)；然后以無線通信、動(dòng)態(tài)組網(wǎng)的方式發(fā)送給附近的路由節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)經(jīng)過處理轉(zhuǎn)發(fā)給基站，基站獲取信息并進(jìn)行基本的處理；最后通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)進(jìn)行處理和顯示[4]。監(jiān)測系統(tǒng)的工作示意圖如圖1所示。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)工作示意圖

2 監(jiān)測系統(tǒng)需求分析及總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)需求

本監(jiān)測系統(tǒng)是對酒廠車間里各無線傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測，因此整個(gè)系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)處理兩部分。

由于傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目繁多，數(shù)據(jù)接收部分應(yīng)當(dāng)考慮安全、穩(wěn)定、高效和并發(fā)處理數(shù)據(jù)的特性。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都將以自己的時(shí)間間隔上傳數(shù)據(jù)，經(jīng)過路由節(jié)點(diǎn)的處理與轉(zhuǎn)發(fā)，基站收到路由節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)并通過GPRS上傳至監(jiān)控系統(tǒng)。這就要求系統(tǒng)能夠并發(fā)處理大量的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)處理是系統(tǒng)的重要功能。原始數(shù)據(jù)到達(dá)后，系統(tǒng)需要判定它的真實(shí)性，如果數(shù)據(jù)失真則拋棄；當(dāng)數(shù)據(jù)正確時(shí)，應(yīng)當(dāng)繼續(xù)判定它屬于何種數(shù)據(jù)，之后分情況進(jìn)行處理，不同數(shù)據(jù)按照不同的情況對它進(jìn)行提取和處理。處理完的數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫，同時(shí)在上位機(jī)界面上顯示出當(dāng)前采集到的數(shù)據(jù)情況，如果遇到報(bào)警情況，則及時(shí)通過GSM模塊將報(bào)警的內(nèi)容發(fā)送到負(fù)責(zé)人的手機(jī)上。這樣用戶可以實(shí)時(shí)監(jiān)測實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的變化，以達(dá)到信息化控制的目的。

2.2 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)有7個(gè)主要功能，具體如下。

① 監(jiān)測數(shù)據(jù)管理(數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)篩選、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ))；

② 報(bào)警管理(報(bào)警規(guī)則、GSM短信報(bào)警、報(bào)警數(shù)據(jù)存儲(chǔ))；

③ 監(jiān)測對象管理(溫度、濕度、開度、稱重)；

④ 監(jiān)測信息查詢(監(jiān)測數(shù)據(jù)圖形化顯示、監(jiān)測數(shù)據(jù)詳細(xì)信息查詢、查詢歷史數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)查詢)；

⑤ 組織機(jī)構(gòu)管理(查詢、增加、修改、刪除)；

⑥ 節(jié)點(diǎn)管理(查詢、增加、修改、刪除)；

⑦ 基站管理(查詢、增加、修改、刪除)。

監(jiān)測系統(tǒng)功能框圖如圖2所示。整個(gè)上位機(jī)界面均由虛擬儀器LabVIEW進(jìn)行編程[5]。

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)功能框圖

2.2.1 系統(tǒng)流程

整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)是一個(gè)數(shù)據(jù)處理的過程，可分為跟蹤數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、顯示數(shù)據(jù)3個(gè)部分。整個(gè)系統(tǒng)流程如圖3所示。

圖3 監(jiān)測系統(tǒng)流程圖

2.2.2 監(jiān)測系統(tǒng)與基站的通信

本文的監(jiān)控系統(tǒng)采用GPRS傳輸數(shù)據(jù)的方式。系統(tǒng)采用服務(wù)器和客戶端連接及數(shù)據(jù)傳送模式。服務(wù)器一直處于監(jiān)聽連接，客戶端周期性地發(fā)送連接請求，連接成功后進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收[6]。

在LabVIEW中，可采用TCP/IP節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。監(jiān)控系統(tǒng)與基站之間的通信過程如下。

① 監(jiān)控系統(tǒng)打開通信通道，等待GPRS模塊的連接請求。

② 監(jiān)控系統(tǒng)接收GPRS模塊的連接請求，處理連接并發(fā)送應(yīng)答給GPRS。

③ GPRS模塊接收到連接請求，連接成功后激活一個(gè)程序進(jìn)程，發(fā)送數(shù)據(jù)并等待監(jiān)控系統(tǒng)處理。

④ 監(jiān)控系統(tǒng)端發(fā)送接收應(yīng)答，關(guān)閉此通信連接。

⑤ 返回第一步，等待下一次請求。

服務(wù)器程序框圖如圖4所示。

圖4 建立的服務(wù)器程序框圖

2.2.3 監(jiān)控系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫的通信

數(shù)據(jù)庫是本系統(tǒng)的核心部分，它記錄整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)，供查詢和分析，從而進(jìn)一步對整個(gè)釀酒過程進(jìn)行改進(jìn)。目前，市場上數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品繁多，如 Microsoft SQL Server、Acess、Sybase、MySQL、Oracle等，各數(shù)據(jù)庫均具有其獨(dú)特的功能和特點(diǎn)。本文采用的 Microsoft SQL Server 是微軟公司開發(fā)的一種關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，具有可靠性高、可用性強(qiáng)、可管理性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，可以根據(jù)用戶自行定義的關(guān)系對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、存儲(chǔ)、處理等操作，為用戶提供完整的數(shù)據(jù)庫解決方案[7]。

上位機(jī)軟件LabVIEW有多種方式與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行通信[8-9]，在此只舉例說明一種方式，即用LabVIEW自帶的工具包Database進(jìn)行數(shù)據(jù)庫訪問。其操作步驟為：創(chuàng)建連接→打開連接→操作數(shù)據(jù)庫→斷開連接→銷毀連接。這種方式在可靠性、可用性、可編程性、易用性和安全性等方面均優(yōu)于其他方式。

2.2.4 監(jiān)控系統(tǒng)與GSM模塊的報(bào)警機(jī)制

系統(tǒng)內(nèi)置GSM無線模塊，管理人員不僅可以通過手機(jī)短信的方式查詢當(dāng)前系統(tǒng)參數(shù)，如發(fā)酵池溫度、濕度等實(shí)時(shí)數(shù)值，還可以發(fā)送控制指令+設(shè)備名稱來啟動(dòng)或停止目標(biāo)設(shè)備。另外，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行發(fā)生故障時(shí)，如溫度偏離控制要求、出料口管道堵塞等，GSM無線模塊能將故障信息通過短信方式通知班次、車間負(fù)責(zé)人，使信息能得到及時(shí)反饋，操作人員及時(shí)作出決策，安全可靠。

首先，需要選擇好 GSM 短信模塊所連接的串口編號和波特率，并成功打開串口。此時(shí)可以通過 LabVIEW 的 VISA 驅(qū)動(dòng)程序串口讀寫 API 函數(shù),對GSM 短信模塊進(jìn)行操作。按照上述要求，分別使用“AT+CMGF”、“AT+CSCS”、“AT+CNMI”、“AT+IPR”等指令設(shè)置 GSM 短信模塊工作方式為 PDU 模式下的 UCS2 編碼，并設(shè)置波特率為默認(rèn)的115 200 bit/s。配置成功后，在讀寫前可以先使用 AT+“回車符”測試 GSM 無線模塊與計(jì)算機(jī)的連接情況,如返回“OK”,則表示連接成功。

發(fā)送短信需要用到“AT+CMGS”AT 指令。該指令在正式發(fā)送短信內(nèi)容前，需要先發(fā)送“AT+CMGS=”+“短信內(nèi)容長度”+“回車符”至 GSM 無線模塊。

3 監(jiān)測節(jié)點(diǎn)間無線通信的實(shí)現(xiàn)

3.1 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

3.1.1 采集節(jié)點(diǎn)

采集節(jié)點(diǎn)是釀酒生產(chǎn)過程中最底層的環(huán)節(jié)也是最重要的環(huán)節(jié)。采集節(jié)點(diǎn)包括CPU主控制模塊、RS-232/RS- 485信號采集模塊、開關(guān)信號采集輸入/輸出模塊、SI4432無線部分、電池模塊、電壓/電源信號采集轉(zhuǎn)換模塊、脈沖信號采集模塊。其中，CUP負(fù)責(zé)采集和處理溫度數(shù)據(jù)以及完成對射頻芯片的讀寫操作；無線射頻模塊SI4432無線部分負(fù)責(zé)無線發(fā)送或接收信號；電池模塊采用可充電鋰電池供電，是所有模塊的能量來源。采集節(jié)點(diǎn)的原理圖如圖5所示。

圖5 采集節(jié)點(diǎn)原理圖

設(shè)計(jì)的采集節(jié)點(diǎn)具有多種采集接口，可用于工業(yè)儀表最常見的輸出信號，如電壓信號(1～5 V/0～10 V)、電流信號(4～20 mA)、脈沖信號以及RS-232/RS- 485輸出信號等。整個(gè)數(shù)據(jù)采集通過低功耗的STM8L芯片進(jìn)行處理,通過SI4432無線模塊將處理完的數(shù)據(jù)以一定的格式發(fā)送給路由節(jié)點(diǎn)[10～11]。

3.1.2 基站

基站是釀酒生產(chǎn)過程中最頂層的環(huán)節(jié)。它收集路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過處理通過GPRS傳輸給監(jiān)測管理系統(tǒng)。與采集節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)相比，基站可以使用有源供電。

3.1.3 路由節(jié)點(diǎn)

路由節(jié)點(diǎn)對探測節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。與傳感器探測節(jié)點(diǎn)相比，由于匯聚節(jié)點(diǎn)不需要對溫度進(jìn)行采集以及信號調(diào)理，因此為了減小體積、節(jié)約成本，匯聚節(jié)點(diǎn)只保留了處理器模塊、無線收發(fā)模塊和電源模塊。

3.2 節(jié)點(diǎn)間通信設(shè)計(jì)

3.2.1 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)對每一個(gè)采集節(jié)點(diǎn)都進(jìn)行了編號，以便于識(shí)別各自采集出來的數(shù)據(jù)是否屬于溫度、濕度等釀造過程的相關(guān)參數(shù)。系統(tǒng)采用輪詢方式進(jìn)行通信，每一組采集節(jié)點(diǎn)采集一條生產(chǎn)線上的相關(guān)數(shù)據(jù)，統(tǒng)一由1個(gè)路由節(jié)點(diǎn)進(jìn)行輪詢并接收各個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，接收完該組所有數(shù)據(jù)后統(tǒng)一上傳至基站。

基站和采集節(jié)點(diǎn)流程圖如圖6所示。

圖6 基站及采集節(jié)點(diǎn)流程圖

3.2.2 數(shù)據(jù)包協(xié)議設(shè)計(jì)

由于SI4432 芯片已將底層傳輸協(xié)議屏蔽，發(fā)酵罐的溫度數(shù)據(jù)采集不需要對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行精確定位，且芯片傳輸距離遠(yuǎn)和穿透能力強(qiáng)，本文采用基于單跳形式進(jìn)行廣播通信，僅對無線通信協(xié)議中的數(shù)據(jù)包格式進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)節(jié)點(diǎn)硬件特點(diǎn)，定義數(shù)據(jù)包的傳輸格式如表1 所示。

表1中，前導(dǎo)碼、同步字、幀長度以及CRC 校驗(yàn)在收發(fā)過程中由硬件自動(dòng)處理，系統(tǒng)只需設(shè)定數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)和部分寄存器值即可。

表1 數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)

前導(dǎo)碼 (Preamble)用于幀同步，長度大小由寄存器編程實(shí)現(xiàn)，本系統(tǒng)采用噪聲不容易產(chǎn)生的規(guī)律信號0x55AA 作為前導(dǎo)碼。

同步字 (SyncWord)，主要用于通知節(jié)點(diǎn)可以開始接收數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)設(shè)置為0x2DD4作為同步字標(biāo)志符。

幀長度(Packet Length)，大小取決于其后面一共所占字節(jié)的多少，用于判定每幀的數(shù)據(jù)結(jié)束標(biāo)志。

有效數(shù)據(jù)載荷 (Payload)為處理器需要加載的信息。其中,Sensor_ID為探測節(jié)點(diǎn)的編號；Sink_ID為匯聚節(jié)點(diǎn)的編號；COMM在對于上行數(shù)據(jù)包時(shí)固定為0xFF，當(dāng)為下行數(shù)據(jù)包時(shí)對應(yīng)為實(shí)際的寄存器命令參數(shù)；Data1～Datan為傳感器探測節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送的數(shù)據(jù)。

CRC(CRC校驗(yàn))由內(nèi)置CRC 校檢，避免接收到錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)包。

3.3 節(jié)點(diǎn)間通信問題和解決方案

3.3.1 節(jié)點(diǎn)的能耗問題

能耗一直是影響節(jié)點(diǎn)的重要問題，它是節(jié)點(diǎn)生命力的重要體現(xiàn)。本系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)硬件均采用超低功耗的芯片，并根據(jù)節(jié)點(diǎn)各自工作狀態(tài)和信息采集需求，進(jìn)行智能休眠以節(jié)省電能。同時(shí)，在軟件上采用通信路由算法和低功耗節(jié)能算法進(jìn)一步節(jié)省能耗。

3.3.2 節(jié)點(diǎn)間通信的抗干擾問題

干擾問題一直困擾著很多研究無線通信的學(xué)者。在本系統(tǒng)中作者根據(jù)多年經(jīng)驗(yàn)提出以下3點(diǎn)在車間中抗干擾的方法。

① 為解決實(shí)際運(yùn)行中行車等大型電機(jī)設(shè)備的頻繁啟停引起的浪涌電壓，系統(tǒng)采用交流電源濾波穩(wěn)壓的措施進(jìn)行抗干擾。

② 為解決變頻電磁干擾，系統(tǒng)的基站節(jié)點(diǎn)采用光電隔離和GPRS的通信方式。

③ 為解決節(jié)點(diǎn)間頻段的相互干擾，通過軟件編程錯(cuò)開發(fā)送時(shí)間，組與組之間采用不同頻段。

3.3.3 無線通信的傳輸距離問題

無線通信距離對整個(gè)系統(tǒng)的影響也相當(dāng)大，一旦有幾個(gè)節(jié)點(diǎn)不在通信距離范圍之內(nèi)，則會(huì)給設(shè)計(jì)者帶來很大麻煩。所以在硬件設(shè)計(jì)上布局要合理,并且采用性能優(yōu)良的SI4432無線發(fā)射模塊，在無阻擋物的情況下可以傳輸1 000 m。同時(shí)提高無線模塊的發(fā)射功率。

4 結(jié)束語

釀酒過程監(jiān)測系統(tǒng)經(jīng)過一段時(shí)間試運(yùn)行，可以對上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行安全、有效的存儲(chǔ)與處理，系統(tǒng)上位機(jī)軟件已達(dá)到監(jiān)測的目的，很大程度上節(jié)省了勞動(dòng)力。由于本系統(tǒng)只是試運(yùn)行，監(jiān)測手段和無線采集的手段只能對一些簡單的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，因此，系統(tǒng)有待進(jìn)一步改進(jìn)和完善。此外，可根據(jù)酒廠的具體需求，加入環(huán)境日照、風(fēng)力、蒸鍋溫度、壓力等，使系統(tǒng)更趨于完善。

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