張國奇，田彥婷

（1.太原理工大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，山西太原030600；2.太原理工大學(xué)測控技術(shù)研究所，山西太原030600）

酒醅發(fā)酵過程的多參數(shù)自動監(jiān)測系統(tǒng)

張國奇1，田彥婷2

（1.太原理工大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，山西太原030600；2.太原理工大學(xué)測控技術(shù)研究所，山西太原030600）

為了監(jiān)測酒醅發(fā)酵過程中的溫度、濕度、酸堿度、含氧量，設(shè)計一個實時自動監(jiān)測系統(tǒng)包括測控計算機(jī)子系統(tǒng)、無線數(shù)據(jù)接收轉(zhuǎn)發(fā)及接收器、多路多參數(shù)子系統(tǒng)、發(fā)酵參數(shù)測量傳感器組。該過程主要由傳感器組檢測，經(jīng)由導(dǎo)線到信號變送器，再由多路多參數(shù)智能子系統(tǒng)相應(yīng)信息輸入無線信號發(fā)送器發(fā)送，在接收端有無線信號接收器送至計算機(jī)控制系統(tǒng)。傳感器的使用使得多路多參數(shù)系統(tǒng)的工作情況通過模擬信號由模數(shù)轉(zhuǎn)換器完成翻譯、時序等工作，由單片機(jī)進(jìn)行控制最終輸入。

酒醅發(fā)酵；多路多參數(shù)；自動監(jiān)測

ZHANG Guoqi1,TIAN Yanting2
(1.School of Physics and Optoelectronic Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030600,China; 2.Institute of Measurement and Control Technology,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030600,China)

目前多數(shù)酒廠的酒醅發(fā)酵還是傳統(tǒng)式的作業(yè)方式。所以，采用計算機(jī)技術(shù)、多傳感器融合自動檢測技術(shù)實現(xiàn)酒醅發(fā)酵過程中的各種參數(shù)的監(jiān)測與分析不僅顯得異常重要，更是發(fā)酵工程的自動化檢測控制發(fā)展的必然趨勢。其主要優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾方面：（1）精確測量各發(fā)酵參數(shù)，提高、穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，降低原料消耗；（2）減少人工參與，實現(xiàn)無污染生產(chǎn)，減少質(zhì)量風(fēng)險；（3）替代人工，降低生產(chǎn)成本；（4）測、管、控一體化，滿足信息化需求，提高企業(yè)管理水平與綜合競爭力[1]。如果傳統(tǒng)酒釀行業(yè)中，酒醅發(fā)酵過程能實現(xiàn)多參數(shù)的自動測量、傳輸、監(jiān)測、分析等一系列功能，將是國內(nèi)傳統(tǒng)釀酒行業(yè)的一項重大革新，具有深遠(yuǎn)的意義[2]。

1 自動監(jiān)、檢測系統(tǒng)主要功能特點、技術(shù)要求、具體指標(biāo)

1.1 主要功能

系統(tǒng)主要功能是實現(xiàn)酒醅發(fā)酵過程控制的傳統(tǒng)作業(yè)方式向信息化方式轉(zhuǎn)變，主要完成酒醅發(fā)酵過程中各基本參數(shù)的自動測量、無線傳輸、實時監(jiān)控、分類記錄存儲。其主要功能特點如下：（1）采用先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)、多傳感器適配技術(shù)、無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，實現(xiàn)酒醅發(fā)酵過程的自動化控制、監(jiān)測、管理；（2）遠(yuǎn)程控制計算機(jī)實時顯示監(jiān)測參數(shù)，并對各類參數(shù)分類編號記錄存儲，形成數(shù)據(jù)文件，用于離線數(shù)據(jù)分析比對，提高酒的品質(zhì)；（3）單臺計算機(jī)實時監(jiān)控一個或幾個車間內(nèi)抽樣酒池發(fā)酵參數(shù)；（4）采用無線與有線相結(jié)合的方式，完成酒醅發(fā)酵過程的參數(shù)自動測量、傳輸，既可以實現(xiàn)參數(shù)測量結(jié)果的本地數(shù)字顯示（將參數(shù)在酒池附近的測量模塊中顯示，此功能是否需要，應(yīng)與用戶協(xié)商），又可通過無線方式傳輸給遠(yuǎn)程控制計算機(jī)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程界面監(jiān)控；（5）采用遠(yuǎn)程計算機(jī)和智能控制系統(tǒng)控制酒池內(nèi)多路發(fā)酵參數(shù)測量傳感器以及無線數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)的工作狀態(tài)，滿足其長時間工作需求[3]。

1.2 主要技術(shù)要求

（1）完成酒醅發(fā)酵的溫度、水分、酸度、含氧量基本參數(shù)的測量；（2）系統(tǒng)連續(xù)工作時間為一個發(fā)酵周期，約70 d；（3）系統(tǒng)各測量傳感器工作溫度范圍在0～50℃，應(yīng)能耐腐蝕并具有防水性能；（4）每個發(fā)酵酒池內(nèi)分三層進(jìn)行參數(shù)測量，并分別監(jiān)控記錄存儲；（5）每臺計算機(jī)監(jiān)控一個酒醅發(fā)酵車間抽樣酒池發(fā)酵參數(shù)，初步估計約30個；（6）采用無線傳輸技術(shù)，將各酒池內(nèi)測量的發(fā)酵參數(shù)傳輸給計算機(jī)；（7）監(jiān)控計算機(jī)除實時顯示監(jiān)測參數(shù)外，應(yīng)對各參數(shù)進(jìn)行分類記錄存儲形成數(shù)據(jù)文件，并能經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸至其他用于數(shù)據(jù)分析的專用計算機(jī)；（8）各參數(shù)測量子機(jī)的供電采用鋰電池供電；（9）計算機(jī)監(jiān)控界面中有相應(yīng)的異常數(shù)據(jù)報警顯示；（10）各測量子機(jī)應(yīng)留有工作狀態(tài)指示燈（如故障、電池電量、正常等工作狀態(tài)的指示）[4]。

1.3 具體指標(biāo)

（1）溫度測量范圍：0～50℃，測量精度：±0.5℃（0～50℃）。

（2）濕度測量范圍：相對濕度（relative humidity，RH）5%～95%，測量精度：±2%。

（3）酸度測量范圍：pH值0～14，測量精度≤0.02（視標(biāo)定精度而定）。

（4）含氧量測量范圍：0～30%，測量精度：±1%。

2 系統(tǒng)組成與工作原理

2.1 系統(tǒng)組成

圖1 酒醅發(fā)酵過程參數(shù)自動監(jiān)測系統(tǒng)Fig.1 Automatic monitoring system for parameters during fermented grains fermentation

如圖1所示，以一個發(fā)酵車間內(nèi)各酒池發(fā)酵參數(shù)監(jiān)測為例，本系統(tǒng)主要由以下各系統(tǒng)子系統(tǒng)成：測控計算機(jī)子系統(tǒng)（控制各子系統(tǒng)工作，完成酒醅發(fā)酵各測量參數(shù)的實時顯示、記錄并分類存儲形成文件）；無線數(shù)據(jù)收發(fā)轉(zhuǎn)接器（完成上位監(jiān)控計算機(jī)與各測量模塊之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，一方面收上位計算機(jī)的操作命令字，傳送給各測量模塊，執(zhí)行相關(guān)的測量任務(wù)，另一方面接收無線數(shù)據(jù)收發(fā)子系統(tǒng)傳來的各類測量參數(shù)并實時傳送給上位監(jiān)控計算機(jī)）；無線數(shù)據(jù)收發(fā)子系統(tǒng)（在智能采集子系統(tǒng)的控制下將各類測量參數(shù)實時有序的無線傳送給無線數(shù)據(jù)收發(fā)轉(zhuǎn)接器）；多路多參數(shù)智能采集子系統(tǒng)（在智能處理器的控制下，完成各酒池內(nèi)發(fā)酵參數(shù)的測量，控制無線數(shù)據(jù)發(fā)射子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸）；發(fā)酵參數(shù)測量傳感器組（傳送各發(fā)酵參數(shù)的模擬或數(shù)字量給智能采集子系統(tǒng)）。圖1中m是對應(yīng)第m個發(fā)酵酒池的多路智能采集子系統(tǒng)，n對應(yīng)每個發(fā)酵酒池中第n個需測量的參數(shù)，目前先按前面提到的溫度、水分、酸度、含氧量考慮[5]。

2.2 工作原理

如圖1所示，各系統(tǒng)上電工作后，首先在監(jiān)測控制計算機(jī)的控制下，逐一查詢各酒池的測量節(jié)點，確保各節(jié)點中的各子系統(tǒng)通信正常，有故障的節(jié)點鏈路在控制界面中顯示。待各模塊經(jīng)過初步測試后，由監(jiān)測控制計算機(jī)發(fā)送各節(jié)點鏈路中各測量子系統(tǒng)的工作命令，整個系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)。之后，各智能測量子系統(tǒng)按監(jiān)測控制計算機(jī)發(fā)送的命令周期性的進(jìn)行各自的參數(shù)測量，并經(jīng)過無線發(fā)射子系統(tǒng)、無線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器最終將各酒池的各發(fā)酵參數(shù)實時有序的傳送給監(jiān)測控制計算機(jī)，并進(jìn)行實時顯示存儲，直至完成整個發(fā)酵周期的自動控制監(jiān)測工作[6]。

3 各子系統(tǒng)的實現(xiàn)原理

按從底層到上層順序本系統(tǒng)主要包括：發(fā)酵參數(shù)測量傳感器組、多路多參數(shù)智能采集子系統(tǒng)、無線數(shù)據(jù)收發(fā)子系統(tǒng)、無線數(shù)據(jù)收發(fā)轉(zhuǎn)接器、智監(jiān)測控制計算機(jī)子系統(tǒng)。以一個發(fā)酵池為例，其相互關(guān)系如圖2所示。

圖2 單個發(fā)酵池測量組成圖Fig.2 Constitutional diagram of single fermentation tank

3.1 發(fā)酵參數(shù)測量傳感器組

發(fā)酵參數(shù)測量傳感器組，前期主要包括溫度、濕度、酸度、含氧量4個測量參數(shù)，其中，溫、濕度可用一個測量傳感器實現(xiàn)。其每路參數(shù)測量組成主要包括：測量探頭、傳輸導(dǎo)線，信號變送器。

（1）測量探頭：需分三層埋入發(fā)酵酒池的酒醅中，要有防腐蝕、防水措施；

（2）傳輸導(dǎo)線：將測量信號從探頭引出，接入信號變送器，長度初步考慮5 m左右（實際現(xiàn)場確定，更長時，需要采用特殊要求的傳輸電纜），另外需將測量導(dǎo)線裝與特制的防腐蝕的管內(nèi)；

（3）信號變送器：傳輸導(dǎo)線將測量信號引入信號變送器，經(jīng)適當(dāng)放大調(diào)理變換成4～20 mA的電流信號，送入采集子系統(tǒng)。

3.2 多參數(shù)智能測量子系統(tǒng)

多參數(shù)智能測量子系統(tǒng)的主要由智能處理器CPU以及復(fù)雜可編程邏輯器件/現(xiàn)場可編程門陣列（complex programmable logic device/field-programmable gate array，CPLD/FPGA）、存儲器、模數(shù)轉(zhuǎn)換（analogue-to-digital，AD）、數(shù)據(jù)接口等外圍電路組成，其組成框圖如圖3所示[8]。

圖3 多參數(shù)智能測量子系統(tǒng)Fig.3 Subsystem of multi-parameter intelligent measurement

其主要功能是控制各路參數(shù)的采集，完成與無線收發(fā)模塊的數(shù)據(jù)通信，同時控制無線收發(fā)模塊的數(shù)據(jù)發(fā)送接收。具體完成功能如下：

主要功能指標(biāo)：一個多參數(shù)智能測量子系統(tǒng)完成一個發(fā)酵池的各參數(shù)測量，考慮到后期測量參數(shù)增加的可能性，按每個發(fā)酵池分三層測量考慮，如果能實現(xiàn)6個參數(shù)的測量，則需18路AD完成參數(shù)的采集測量；控制AD完成數(shù)據(jù)采集后，經(jīng)數(shù)據(jù)處理運(yùn)算，實時計算出各路測量值；通過USB接口與無線收發(fā)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，接收收發(fā)模塊送來的上位計算機(jī)的工作命令，完成數(shù)據(jù)采集測量后將各路測量參數(shù)送入收發(fā)模塊，并控制其數(shù)據(jù)發(fā)送；每路多參數(shù)智能測量子系統(tǒng)，通過無線方式受遠(yuǎn)程上位計算機(jī)的控制，完成參數(shù)測量傳輸工作；智能測量子系統(tǒng)應(yīng)充分考慮電磁兼容性、可靠性、成本、功耗等設(shè)計因素，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠[9]。

4 上位監(jiān)控計算機(jī)的軟件設(shè)計

上位監(jiān)控計算機(jī)的軟件設(shè)計切實關(guān)系到用戶的實際操作應(yīng)用，所以顯得至關(guān)重要。在實現(xiàn)所需功能的前提下，如何最大程度的方便用戶使用操作是其軟件設(shè)計的關(guān)鍵。下面對軟件設(shè)計做詳細(xì)介紹。

4.1 任務(wù)分析

軟件系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)充分滿足用戶的使用要求，即按照軟件工程化的要求，對軟件的開發(fā)過程進(jìn)行管理，完成軟件定義、軟件需求分析、軟件設(shè)計、軟件編碼、軟件測試等工作。

4.2 軟件功能組成

因為一臺上位計算機(jī)需監(jiān)控一個發(fā)酵車間內(nèi)抽樣發(fā)酵池的各測量參數(shù)，根據(jù)初步調(diào)研，按每個發(fā)酵車間5%的發(fā)酵池抽樣監(jiān)測計算同時最大監(jiān)控50個發(fā)酵池能滿足要求。在此，定義每個發(fā)酵池對監(jiān)控軟件來說為一個監(jiān)控節(jié)點。下面一個監(jiān)控節(jié)點代表一個發(fā)酵池。

監(jiān)控軟件按功能可分為三大部分：預(yù)案數(shù)據(jù)分發(fā)、監(jiān)測數(shù)據(jù)實時采集與報警以及事后數(shù)據(jù)信息分析與統(tǒng)計。應(yīng)用軟件每次重新加載運(yùn)行后，需要系統(tǒng)管理員進(jìn)行身份驗證登錄，其功能模型如圖4所示。

圖4 軟件系統(tǒng)功能模型Fig.4 Function model of software system

（1）預(yù)案數(shù)據(jù)分發(fā)功能：所謂預(yù)案數(shù)據(jù)分發(fā)是指，所有受此上位計算機(jī)控制的各多參數(shù)智能測量子系統(tǒng)即各節(jié)點，在第一次使用前，都需經(jīng)上位計算機(jī)對其進(jìn)行初始化，通過參數(shù)設(shè)置界面，對各節(jié)點進(jìn)行參數(shù)預(yù)分發(fā)，諸如發(fā)酵池編號、需測量的參數(shù)個數(shù)、種類等信息[20]。預(yù)案數(shù)據(jù)分發(fā)功能，不僅便于第一次使用，當(dāng)某個發(fā)酵池的測量設(shè)備需要更換使用時，也需要對更換后的測量設(shè)備進(jìn)行重新編號，分配初始任務(wù)。進(jìn)行預(yù)案數(shù)據(jù)分發(fā)時，需通過USB接口，將各測量子系統(tǒng)與計算機(jī)連接，完成預(yù)案數(shù)據(jù)寫入。

（2）監(jiān)測數(shù)據(jù)實時采集、報警功能：監(jiān)測數(shù)據(jù)實時采集、報警功能主要指，在對各發(fā)酵池進(jìn)行參數(shù)測量時，上位監(jiān)控計算機(jī)對各測量節(jié)點傳來的各測量值進(jìn)行實時顯示，對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行報警處理顯示，同時，將各測量數(shù)據(jù)按各節(jié)點編號分類進(jìn)行記錄存儲，以便于事后進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析處理。

（3）事后數(shù)據(jù)信息分析與統(tǒng)計功能，事后數(shù)據(jù)信息分析與統(tǒng)計功能，主要用于將實時監(jiān)測過程中存儲記錄的大量測量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，建立相應(yīng)的經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫，以用于為以后發(fā)酵過程提供依據(jù)，最終達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量，控制成本的目的。需說明的是：在本系統(tǒng)第一階段的實現(xiàn)過程中，事后數(shù)據(jù)信息分析與統(tǒng)計功能暫不進(jìn)行開發(fā)，當(dāng)系統(tǒng)得到測試驗證后，需在用戶提供相應(yīng)的幫助下，進(jìn)行開發(fā)。該部分亦可以單獨開發(fā)軟件完成此功能。

4.3 軟件界面設(shè)計

用戶采用圖形化人機(jī)界面進(jìn)行交互操作，由于使用了菜單、按鈕、多選框、單選框等圖形組件，用戶無需記憶操作命令，使用起來簡單、直觀。這就要求在設(shè)計用戶接口時，必須充分考慮到用戶的操作習(xí)慣，科學(xué)、合理地進(jìn)行界面布局，選用合適的程序圖形組件，并使它們排列整齊、大小協(xié)調(diào)[13]。整個顯控系統(tǒng)軟件的人機(jī)界面應(yīng)美觀、友好，各狀態(tài)參數(shù)、測量參數(shù)、監(jiān)控信息的顯示整潔、直觀，各項控制操作簡便快捷、容錯性強(qiáng)，并提供完整、實用的在線幫助信息。對不能編輯和使用的數(shù)據(jù)項用灰色顯示。在軟件中提供必要的提示信息，幫助用戶理解軟件的相關(guān)功能。在做一些有破壞性的操作（如刪除、整理等）前，應(yīng)有必要的提示窗口，使用戶可以取消該操作命令。

操作界面以下拉菜單、工具條、網(wǎng)格以及樹形圖控制為主，界面由菜單、工具條、工作區(qū)和狀態(tài)欄組成。菜單用于控制主要的功能和進(jìn)行窗口顯示；工具條是主要菜單功能的快捷鍵按鈕集成區(qū)；工作區(qū)用于顯示當(dāng)前的工作窗口；在切換不同的顯示任務(wù)時，通過樹形圖控制進(jìn)行切換顯示。對于所有控制指令的輸入可由樹形圖根據(jù)節(jié)點下屬各節(jié)點的展開來選中，當(dāng)某一個特定的控制功能被選定后，應(yīng)顯示該控制功能相應(yīng)的控制參數(shù)輸入界面，其輸入?yún)?shù)的數(shù)量和對應(yīng)參數(shù)名稱均應(yīng)與該控制功能相對應(yīng)。圖5為一簡單的參考界面：

圖5 軟件操作界面示意圖Fig.5 Schematic diagram of the software operation interface

5 總結(jié)

酒醅發(fā)酵過程的多參數(shù)自動監(jiān)測系統(tǒng)由于其測量節(jié)點多，測量參數(shù)多，且酒醅發(fā)酵池的介質(zhì)環(huán)境很復(fù)雜，此外，據(jù)調(diào)研，目前國內(nèi)釀酒行業(yè)在酒醅發(fā)酵過程的信息化管理方面還是空白，所以該系統(tǒng)的實現(xiàn)有一定的復(fù)雜性，要形成規(guī)模性的信息化管理，需要經(jīng)過較長周期的努力[14]。也正因為如此，才凸顯出該項目實施的重大意義。相信通過共同努力，最終能夠?qū)崿F(xiàn)酒醅發(fā)酵過程的信息化管理[15]，為國內(nèi)傳統(tǒng)釀酒行業(yè)向信息化管理的轉(zhuǎn)變邁出實質(zhì)性的一步。

[1]RIVEROL C,COONY J.Estimation of the ester formation during beer fermentation,using neural networks[J].J Food Eng,2007,10(4):585-588.

[2]吳堅.生物工程中檢測技術(shù)的需求和發(fā)展趨勢[J].計量學(xué)報，2002，23（4）：315-319.

[3]PEREIRA C E,CARRO L.Distributed real-time embedded systems: Recent advances,future trends and their impact on manufacturing plant control[J].Ann Rev Control,2007,31(1):81-92.

[4]張舒.發(fā)酵過程控制器的研制[J].工業(yè)控制計算機(jī)，2004，17（4）：49-50.

[5]張廣輝，邵惠鶴.嵌入式系統(tǒng)在生物發(fā)酵中的應(yīng)用[J].測控技術(shù)，2004，23（12）：36-39.

[6]LUBENOVA V.On-line estimation of biomass concentration and nonstationaryparametersforaerobicbioprocesses[J].J Biotechnol,2012, 46:197-207.

[7]尹爾為，閻保定，張自強(qiáng)，等.發(fā)酵過程的監(jiān)控與管理的集散型控制系統(tǒng)[J].自動化儀表，2001，22（6）：12-13.

[8]LIU Y,WANG F,LEE W.On-line monitoring and controlling system for fermentation processes[J].Biochem Eng J,2011(7):17-25.

[9]TORáN F,RAMIíREZ D,NAVARRO A E,et al.Design of a virtual instrument,for water quality monitoring across the internet[J].Sensor Actuat B-Chem,2012,76(1):28l-285.

[10]NUCCIO S,SPATARO C.Assessment of virtual instruments measurement uncertainty[J].Comput Stand Inter,2014,21(3):39-46.

[11]HARRISONI R.Thermal analysis of polymers using virtual instruments: A tool for teaching and training[J].Thermochim Acta,2001,3:85-92.

[12]程輝，邵惠鶴.生物發(fā)酵裝置上位機(jī)軟件的開發(fā)和設(shè)計[J].自動化儀表，2005，26（1）：47-49.

[13]曾冬明，高玲，林建群，等.LabVIEW在發(fā)酵過程在線監(jiān)測與自動控制中的應(yīng)用[J].中國釀造，2011，22（31）：42-45.

[14]ZAEH M F,POERNBACHER C,MILBERG J.A Model-based method to develop PLC software for machine tools[J].Manuf Tech,2015,54 (1):371-374.

[15]MOSCOSA-SANTILLAN M,BONDOUX C,PORTE C,et al.Development of a hybrid PLC-based control system applied to a monitored fermentation process[J].Lab Robot Automat,1999,11(4):197-206.

TS26

0254-5071（2017）05-0179-04

10.11882/j.issn.0254-5071.2017.05.038

2017-02-28

張國奇（1990-），男，碩士研究生，研究方向為新型傳感器與智能控制。

*通訊作者：田彥婷（1982-），女，講師，博士，研究方向為氧化石墨烯功能器件設(shè)計制備及測量。