楊煥崢 ，徐 玲

（1.江蘇省無線傳感系統(tǒng)應用工程技術開發(fā)中心，江蘇 無錫 214153；2.無錫商業(yè)職業(yè)技術學院，江蘇 無錫 214153）

啤酒生產(chǎn)是我國的一個傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，一方面啤酒的發(fā)酵溫度需精確控制，另一方面啤酒pH值會影響啤酒的口感。隨著新技術的發(fā)展，啤酒發(fā)酵技術相對滯后，裝置的自動化水平不高，產(chǎn)品的質量穩(wěn)定性也面臨挑戰(zhàn)。

國內現(xiàn)有啤酒發(fā)酵罐集成檢測pH值的很少，而pH值是影響啤酒口感的重要指標之一，市面上的pH測試儀一般體積較大，采用二合一復合電極，較少帶有溫度補償功能，測試數(shù)據(jù)沒有算法支持，測量結果不夠準確[1]。溫度控制采用各種算法的雖然較多，但幾項任務之間缺乏合理安排，實時性不夠強。另外，測量數(shù)據(jù)不能通過網(wǎng)絡進行遠程傳輸，數(shù)據(jù)不能上傳物聯(lián)網(wǎng)云平臺，不便于用電腦或手機等設備快速瀏覽數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)不易保存和沒有動態(tài)曲線，不符合工業(yè)4.0的發(fā)展趨勢。

針對啤酒發(fā)酵罐的溫度具有較大的時滯性，且隨時間變化的特點[2，3]，一方面提出了對發(fā)酵罐中pH、溫度等信號的檢測，并對這些量加以控制來實現(xiàn)發(fā)酵過程的平穩(wěn)進行。另一方面提出了以Cortex-M3內核的MCU為核心的數(shù)字化溫度控制系統(tǒng)方案，通過設定的串級PID控制算法決定啤酒發(fā)酵罐控制閥的開度，處理了罐體里溫度控制精度較低的情況。再者采用時間調度的算法編寫MCU程序，實現(xiàn)了多個任務地有序執(zhí)行。并通過4G模塊將發(fā)酵罐溶液溫度和pH值通過MQTT協(xié)議發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)云平臺，實現(xiàn)遠程在線監(jiān)控，使得啤酒生產(chǎn)的自動化技術水平得到提高。

該系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：1）pH測試傳感器采用復合電極，實現(xiàn)溫度補償功能，pH值測量更準確。2）溫度控制采用串級PID算法，準確控制控制閥的開度，對啤酒發(fā)酵罐內部溫度進行精確控制。3）采用時間調度算法編程，合理安排多任務執(zhí)行。4）采用4G通信模塊傳輸數(shù)據(jù)，信號強，距離遠。5）采用MQTT協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)訂閱/發(fā)布消息機理，方案合理。6）物聯(lián)網(wǎng)云平臺接收數(shù)據(jù)，管理高效、便捷。

1 系統(tǒng)總體結構和功能

該系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集端、STM32智能網(wǎng)關、物聯(lián)網(wǎng)云平臺三部分[4，5]，如圖1所示。

圖1 啤酒發(fā)酵監(jiān)控系統(tǒng)結構圖

1.1 數(shù)據(jù)采集端pH值與溫度檢測

數(shù)據(jù)采集端采用電位分析法實現(xiàn)pH檢測。使用pH電極與被測溶液進行接觸，使用原電池裝置測電極電位值，使化學反應產(chǎn)生的能量轉換成電能，由兩個半電池組成該電池的電壓。一個半電池的電位取決于特定的離子活度；另一個半電池通常和測量溶液相通，和測量儀表連接，將兩個電極組合起來構成pH復合電極。

pH復合電極采集啤酒發(fā)酵罐溶液的電極電位差，經(jīng)過由TLC4502運算放大器芯片構成的pH檢測電路進行信號放大，送入STM32 ARM進行A/D轉換，經(jīng)電壓差和pH值的比值算法處理后得到pH值。

采用PT100電阻式溫度傳感器采集啤酒發(fā)酵罐內的溫度差分電壓值，經(jīng)過由HX711芯片構成的溫度檢測電路進行信號放大和A/D轉換后，通過類似I2C的通信方式送入STM32 ARM，經(jīng)過PID串級算法決定啤酒發(fā)酵罐控制閥的開度，由STM32 ARM通過控制電路控制閥門，進一步調節(jié)溫度。

采用一款集放大與A/D轉換于一體的HX711芯片，由PT100電阻傳感器構成的測溫電橋電路輸出IN+，IN-差分信號進入該芯片通道A，與其內部的低噪聲可編程放大器相連，通過編程設置其增益為128倍，其輸入的差分信號幅值在20mV內，然后再經(jīng)內部24位A/D轉換器轉換后，經(jīng)過芯片12腳DOUT輸出給STM32 ARM。HX711芯片的12腳與11腳一起構成了與STM32 ARM進行類似于I2C的數(shù)據(jù)通信過程。

1.2 智能網(wǎng)關的設計

該系統(tǒng)網(wǎng)關采用STM32F103RCT6型號ARM芯片作為核心處理器，屬于Cortex-M3內核，有72MHz工作頻率，結合電源等基本電路構成系統(tǒng)電路[6]，能外接小尺寸TFT-LCD對溫度值和pH值進行顯示。STM32 ARM通過PCIE接口與4G LTE CAT-1 LM61模塊相連，通過串口2進行通信，包含LM1117-3.3/1.8V電源電路，SIM卡工作電路，基于TXS0102芯片的3.3V轉1.8V串口通信電壓轉換電路，基于CP2102芯片的USB口調試電路等。LTE CAT-1芯片提供10Mbps的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務，能獲得較好的4G LTE業(yè)務[7-8]，自制該設備如圖2所示。

1.3 物聯(lián)網(wǎng)云平臺數(shù)據(jù)傳輸

使用中國移動的OneNET服務器作為物聯(lián)網(wǎng)云平臺，采用MQTT協(xié)議傳輸測量數(shù)據(jù)[9]，實現(xiàn)了智能網(wǎng)關和云平臺數(shù)據(jù)交互的過程。云平臺上先新建好設備，記錄好產(chǎn)品、設備ID，鑒權信息，客戶端通過TCP/IP Socket連接到OneNET云服務器端，IP地址、端口號為183.230.40.39:6002，按十六進制序列格式發(fā)送MQTT的Connect指令到云平臺：{102200044D51545404C00078000832 3132383431373000063131313134380004504A46 4A}，其中{313131313438}即產(chǎn)品ID號111148，{3231323834313730}即設備ID號21284170，并包含鑒權信息PJFJ。當連接到云平臺后，按十六進制序列格式發(fā)送datastreams的測量數(shù)據(jù)到云平臺：{3045000324647001003D7B226461746173747 265616D73223A5B7B226964223A2254656D70222C 2264617461706F696E7473223A5B7B2276616C756 5223A31302E337D5D7D5D7D}，其中{31302E33}即溫度Temp數(shù)值10.3，據(jù)此，云平臺上能收到測量的數(shù)據(jù)。

2 算法分析及程序編寫

2.1 溫度PID控制算法MATLAB仿真

這幾年，很多學者專家研究了諸多智能控制方案，其中，PID串級控制算法具有簡單的結構、優(yōu)良的可靠性和很強的實用性等優(yōu)點，依據(jù)啤酒發(fā)酵的工藝技術，選取PID串級主參數(shù)是發(fā)酵罐內麥汁的溫度值，副被控參數(shù)是液氨等冷卻液的流量值，如圖3所示，通過MATLAB仿真分析控制系統(tǒng)性能[10，11]。

圖2 自制STM32 ARM和4G LM61 PCIE連接設備

圖3 啤酒發(fā)酵溫度控制PID串級系統(tǒng)方框圖

發(fā)酵罐的溫度具有時變和非線性的特點，屬于較繁雜的被控對象，具體是通過向發(fā)酵罐夾套內注入冷水或液氨實現(xiàn)罐內溫度操控、調整的，所以，溫度改變具有一定的遲滯性；而且，當傳感器檢測溫度時，采集溫度并轉化成電壓也有必然的純遲滯[12，13]；而其它環(huán)節(jié)可視作比例環(huán)節(jié)。因此，該系統(tǒng)可以用一階慣性加上滯后這兩個環(huán)節(jié)建立發(fā)酵罐的數(shù)學模型。

因為發(fā)酵罐的溫度值是主級被控參數(shù)，為了解決目標控制通道的容量延滯問題，考慮使用PID規(guī)律調節(jié)。因為冷卻液的流量值是副級被控參數(shù)，噪聲會影響比例調節(jié)周期，故選擇較大的比例度能維持穩(wěn)態(tài)的系統(tǒng)，而比例控制效果不強，所以使用積分功能，選用PI規(guī)律調節(jié)。然后為PID串級系統(tǒng)主、副調節(jié)器選擇確切的正反作用，從而確保串級控制系統(tǒng)能夠準確運轉。

利用Matlab軟件的Simulink仿真，從相應模塊庫中選用對應的仿真模塊，設置好參數(shù)后將模塊彼此相連，形成系統(tǒng)的建模仿真圖進行仿真。串級PID主回路PID參數(shù)Kp1、Ki、Kd分別等于70、0.3、200,副回路參數(shù)Kp2等于1.5，系統(tǒng)達到比較理想的效果。系統(tǒng)PID串級控制擁有良好的動態(tài)反應特性，超調量變小，穩(wěn)態(tài)精度提高，系統(tǒng)的振蕩幅度明顯改善，系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到了增強，魯棒性得到了提高。

2.2 多任務處理時間調度算法

多任務處理使用了一種應用較多的時間片輪轉調度算法。把時間分成一個個可以執(zhí)行的時間段落，名為時間片，依次分配給需執(zhí)行的每一個進程。當時間片結束時假如該進程仍舊在執(zhí)行，MCU將會離開并主動分配給下一個進程。時間片終止之前假如進程遇到堵塞或者終止，MCU也會立即實現(xiàn)切換。本質上，調度程序完成的即是維持進程就緒的一張表單，把用完時間片的進程挪至整個行列的尾部。所以，時間片的尺寸設置很重要，配置太短會導致頻繁的進程更換，使MCU工作效率下降；配置太長會導致回應進程短交互申請變慢。所以該系統(tǒng)的串口通信任務時間片設置每50ms調用一次，液晶屏顯示、PT100溫度檢測、AD轉換任務各每100ms調用一次。

3 主程序流程及工作現(xiàn)象

編寫了智能網(wǎng)關ARM數(shù)據(jù)處理、傳輸、控制與顯示部分的程序，程序流程圖如圖4所示。采用C語言作為軟件系統(tǒng)的編程語言，使用uVision5 keil軟件作為ARM的開發(fā)環(huán)境。程序流程主要包含STM32系統(tǒng)初始化、多任務時間調度算法、PH檢測的AD轉換、類似I2C通信的溫度檢測、溫度控制PID算法、液晶屏數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)經(jīng)串口送4G模塊、數(shù)據(jù)上傳中國移動OneNET云平臺等[14，15]。

編寫了程序流程圖中各個功能的C語言程序，像STM32F103RCT6 ARM實現(xiàn)溫度檢測，多任務處理時間調度算法，通過類似I2C通信讀取HX711數(shù)據(jù)的子程序，編寫了多任務處理時間調度算法程序，如下：

/*時間調度器內核初始化*/

Kernel_Init();

圖4 智能網(wǎng)關程序流程圖

/*添加任務*/

/*Usart1CommTask任務每50ms調用一次*/

Kernel_Add_Task(Usart1CommTask,50/KERNEL_TICKS_PER_SEC,50/KERNEL_TICKS_PER_SEC);

/*LCDDisplayTask任務每100ms調用一次*/

Kernel_Add_Task(LCDMenuReflashTask,100/KERNEL_TICKS_PER_SEC,100/KERNEL_TICKS_PER_SEC);

/*PT100Task任務每100ms調用一次*/

Kernel_Add_Task(PT100Task,100/KERNEL_TICKS_PER_SEC,100/KERNEL_TICKS_PER_SEC);

/*ADC1Task任務每100ms調用一次*/

Kernel_Add_Task(ADC1Task,100/KERNEL_TICKS_PER_SEC,100/KERNEL_TICKS_PER_SEC);

STM32 ARM通過串口向LM61 4G模塊發(fā)送AT指令，使模塊TCP連接中國移動OneNET云平臺。

4 關鍵技術和主要技術指標

4.1 關鍵技術

4.1.1 數(shù)據(jù)采集端

使用復合電極，實現(xiàn)溫度補償，pH值測量更準確。使用24位集放大與A/D于一體的轉換芯片HX711，測溫更方便、準確。采用PID串級算法進行溫度控制，控制閥的開啟大小被準確控制，實現(xiàn)準確調節(jié)啤酒發(fā)酵罐內部的溫度。

4.1.2 智能網(wǎng)關部分

ARM處理器采用STM32F103 ARM芯片，采用時間調度算法編程，合理安排多任務執(zhí)行，連接TFT LCD模塊，實現(xiàn)液晶顯示與觸摸操控。采用LM61 4G模塊進行MQTT協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸。

4.1.3 云平臺部分

STM32 ARM網(wǎng)關設備為客戶端，與中國移動OneNET云平臺服務器實現(xiàn)TCP/IP鏈接，運用MQTT傳輸協(xié)議，推送JSON數(shù)據(jù)到OneNET服務器，方案合理，管理高效、便捷。

4.2 技術指標

設備主要技術指標如下：pH測量溶液范圍0-14，溶液溫度范圍5-60℃，環(huán)境溫度5-40℃，環(huán)境相對濕度≤85%，適合使用于含固體雜質，混合液樣品測量，能夠使用于高污染樣品測量。測溫精度能達到0.2℃。LM61 4G模塊LTE工作頻段可選B1/2/3/4/8/9/13/19，3GPP協(xié)議Release 9版本，Cat.1等級。

5 結論

與傳統(tǒng)啤酒發(fā)酵控制裝置發(fā)酵溫度控制不夠穩(wěn)定，不檢測pH，數(shù)據(jù)無法遠程傳輸，算法不夠優(yōu)化等缺點比較，系統(tǒng)具有較多優(yōu)點，由數(shù)據(jù)采集端，STM32 ARM智能網(wǎng)關，云平臺三部分組成。數(shù)據(jù)采集端一方面通過PT100傳感器和HX711芯片構成的放大和A/D轉換電路完成溫度采集，采集精度較高，然后將數(shù)據(jù)通過類似I2C的通信方式傳給STM32 ARM核心電路，由串級PID算法實現(xiàn)溫度控制，控制較穩(wěn)定。另一方面通過復合電極和LM358電路實現(xiàn)信號檢測與放大功能，采樣pH差分電壓信號，送入STM32 ARM完成A/D轉換。STM32 ARM網(wǎng)關一方面通過LCD液晶屏顯示測量數(shù)據(jù)，另一方面與LM61 4G模塊以PCIE接口相連，將數(shù)據(jù)以MQTT協(xié)議的方式上傳中國移動OneNET云平臺，實現(xiàn)了可遠程查看數(shù)據(jù)變化曲線，通過時間調度算法管理多個任務的執(zhí)行，算法經(jīng)過優(yōu)化，整個系統(tǒng)符合工業(yè)4.0的發(fā)展趨勢。

系統(tǒng)在啤酒發(fā)酵裝置的自動控制實施方面有所創(chuàng)新，功能強大，性能穩(wěn)定，結構簡單，操作方便，成本優(yōu)勢明顯，有新的市場前景。改變系統(tǒng)的傳感器還可實現(xiàn)其它自動控制和遠程監(jiān)控應用，可以節(jié)約使用人員時間，提高工作效率。