陳 杭，王小剛，2，譚 飛，劉 丹，2

（1.四川輕化工大學(xué)，自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，四川宜賓643000；2四川輕化工大學(xué)，人工智能四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川宜賓643000）

根據(jù)白酒行業(yè)的“十二五”規(guī)劃，用現(xiàn)代化技術(shù)改造白酒工藝過(guò)程中各生產(chǎn)單元的傳統(tǒng)操作模式，徹底將白酒生產(chǎn)從手工勞動(dòng)生產(chǎn)方式中解脫出來(lái)，全面提高企業(yè)生產(chǎn)效益。與此同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)的崛起和推廣應(yīng)用極大地促進(jìn)了工業(yè)信息化進(jìn)程，為釀造白酒精確測(cè)量、精細(xì)生產(chǎn)、信息無(wú)縫共享、高效管理提供了強(qiáng)有力的手段，使之成為可能。

目前白酒窖池溫度采集方式主要有兩種：一種為人工采集方式，由酒廠工人向窖池中插入溫度計(jì)，頻繁的插拔溫度計(jì)不僅會(huì)浪費(fèi)大量的人力和時(shí)間，而且窖池內(nèi)部處于全封閉狀態(tài)，溫度計(jì)的出入會(huì)導(dǎo)致發(fā)酵環(huán)境被破壞，影響發(fā)酵工藝，每次插入的深度位置不同以及工人的主觀讀取因素都會(huì)導(dǎo)致測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)的不準(zhǔn)確；另一種為布線自動(dòng)測(cè)溫模式，將多根溫度計(jì)插入窖池位置固定不動(dòng)后通過(guò)電纜傳送溫度至電腦中，這種方式需要電纜密布在窖池周?chē)?，成本較高，且安全性不高，所以不適用。落后的測(cè)量裝置和測(cè)量方式以及額外測(cè)量勞動(dòng)力的加入，這些因素都影響著白酒的質(zhì)量和產(chǎn)量，這種方式有三大弊端：一是測(cè)量范圍有限，只能測(cè)量窖池內(nèi)某點(diǎn)的溫度，無(wú)法反映發(fā)酵過(guò)程中不同部位的升溫變化；二是無(wú)法連續(xù)記錄，并存在主觀測(cè)量誤差；三是破壞發(fā)酵環(huán)境，測(cè)量時(shí)會(huì)破壞酒醅發(fā)酵的厭氧環(huán)境。

采用無(wú)線監(jiān)測(cè)技術(shù)不需要任何額外的布線，安裝簡(jiǎn)單方便，穩(wěn)定可靠，可維護(hù)性和可擴(kuò)充性好[1-3]。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、實(shí)現(xiàn)釀酒過(guò)程自動(dòng)報(bào)警與查詢生產(chǎn)狀況。對(duì)于上述窖池溫度采集問(wèn)題，如何設(shè)計(jì)低功耗高性能的智能監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，準(zhǔn)確采集窖池溫度數(shù)據(jù)，是本文的設(shè)計(jì)重點(diǎn)和關(guān)鍵[4-6]。針對(duì)上述弊端，本文基于藍(lán)牙技術(shù)設(shè)計(jì)一種無(wú)線的固態(tài)發(fā)酵窖池溫度監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)是一種利用STC15單片機(jī)讀取溫度傳感器數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)發(fā)送至接收端顯示的設(shè)備。

1 節(jié)點(diǎn)模塊設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的最終應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，其中以無(wú)線的感知Sink節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)所在窖池發(fā)酵信息的采集，通過(guò)無(wú)線射頻將信息上傳到區(qū)域匯聚節(jié)點(diǎn)或中繼，再由匯聚節(jié)點(diǎn)通過(guò)有線或者無(wú)線的方式傳送到基站Base，廠房監(jiān)測(cè)平臺(tái)處理來(lái)自基站的信息，進(jìn)而由車(chē)間技術(shù)人員得到窖池內(nèi)部發(fā)酵信息從而對(duì)其發(fā)酵設(shè)備的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，保證白酒的發(fā)酵質(zhì)量。

圖1 無(wú)線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

對(duì)于圖1中的無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，本文是基于無(wú)線藍(lán)牙技術(shù)設(shè)計(jì)的一種無(wú)線的固態(tài)發(fā)酵窖池溫度監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)是一種利用STC15單片機(jī)讀取溫度傳感器數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)發(fā)送至接收端顯示的設(shè)備，節(jié)點(diǎn)采用分辨率可達(dá)0.0625℃的溫度傳感器DS18B20，同時(shí)選用STC15W4K32S4單片機(jī)（圖3）來(lái)控制整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)溫度采集、發(fā)送與接收功能[7-8]。接收端節(jié)點(diǎn)的溫度顯示則選用LCD1602液晶模塊，管理人員和用戶不用就地測(cè)量即可實(shí)時(shí)查看所測(cè)窖池的溫度值。

通過(guò)對(duì)本設(shè)計(jì)需求及白酒發(fā)酵窖池環(huán)境的分析，無(wú)線的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)擬采用圖2所示的設(shè)計(jì)方案。在該設(shè)計(jì)中利用數(shù)字化溫度傳感器模塊DS18B20對(duì)窖池內(nèi)的環(huán)境溫度進(jìn)行采集，并通過(guò)與STC15W4K32S4單片機(jī)相連的信號(hào)線將所測(cè)溫度數(shù)據(jù)傳送給控制芯片；獲取數(shù)據(jù)后，STC15W4K32S4單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和整理，再經(jīng)過(guò)無(wú)線藍(lán)牙模塊發(fā)送至接收端；接收節(jié)點(diǎn)獲取數(shù)據(jù)后，通過(guò)LCD1602液晶模塊顯示出來(lái)，可供檢測(cè)人員實(shí)時(shí)查看。相對(duì)于傳統(tǒng)的白酒發(fā)酵窖池測(cè)溫方法，該系統(tǒng)能夠更準(zhǔn)確、更方便的實(shí)現(xiàn)測(cè)溫功能，同時(shí)，在很大程度上減少工作人員的勞動(dòng)量。

圖2 節(jié)點(diǎn)模塊設(shè)計(jì)圖

圖3 STC15W4K32S4引腳示意圖

2 硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中的硬件主要包括控制芯片、DS18B20溫度傳感器、藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸模塊、LCD1602液晶顯示模塊。通過(guò)各模塊協(xié)調(diào)工作實(shí)現(xiàn)溫度采集與顯示。

2.1 芯片選型

控制芯片是整個(gè)系統(tǒng)最核心的部分，就本設(shè)計(jì)而言，選用STC15W4K32S4這款單片機(jī)，因?yàn)槠渚哂袃r(jià)格低廉、性能優(yōu)良的特點(diǎn)。在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需功能的同時(shí)，還可以在用戶不需要查看溫度的時(shí)候進(jìn)入低功耗模式，達(dá)到節(jié)約資源的效果。相對(duì)于傳統(tǒng)的8051單片機(jī)來(lái)說(shuō)，該款芯片運(yùn)行指令的速度要快8～12倍，可以更方便地實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與顯示。其次，STC15W4K32S4的晶振電路與復(fù)位電路都集成在片內(nèi)，不需要外加。因此，選擇該款芯片使得整個(gè)系統(tǒng)更加穩(wěn)定，大大降低了故障率和系統(tǒng)成本。主控芯片引腳圖如圖3所示。

2.2 DS18B20溫度測(cè)量模塊

DS18B20是一種數(shù)字溫度傳感器，具有體積小、功耗低、工作電源寬泛的特點(diǎn)。其輸出的是數(shù)字信號(hào)，將它的信號(hào)線與單片機(jī)的引腳相連接，通過(guò)編寫(xiě)程序即可控制該溫度模塊進(jìn)行測(cè)量并獲取溫度數(shù)據(jù)。

相對(duì)于直插式封裝而言，貼片式的封裝更具有模塊化的優(yōu)勢(shì)，在密封性及抗干擾能力方面的性能會(huì)更加優(yōu)異，而本設(shè)計(jì)面向的是白酒窖池中不穩(wěn)定的工作環(huán)境，因此貼片式的封裝應(yīng)當(dāng)是不二選擇。DS18B20引腳示意圖如圖4所示，該模塊共8個(gè)引腳，其中VDD引腳接電源輸入；GND為接地端；DQ是信號(hào)端，用于模塊和單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)與控制信號(hào)傳輸；其余NC則為空引腳，使用時(shí)不需要做任何連接。

圖4 DS18B20引腳示意圖

DS18B20的工作電源為直流3.0～5.5 V，也可以使用數(shù)據(jù)線寄生電源，此時(shí)其電源引腳需接地處理。正常供電的情況下，將其信號(hào)線與控制芯片直接相連，另外在信號(hào)引腳接4.7～10 K的上拉電阻即可，不需要再接其他外圍原件。該模塊的測(cè)溫范圍為-55℃～+125℃，完全可以滿足商業(yè)級(jí)與大部分工業(yè)級(jí)測(cè)溫的需求。4種配置的分辨率分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可通過(guò)設(shè)置實(shí)現(xiàn)不同精度的溫度測(cè)量。

2.3 藍(lán)牙傳輸模塊

本設(shè)計(jì)中采用HC-05主從一體的藍(lán)牙模塊（圖5、圖6）來(lái)進(jìn)行窖池溫度數(shù)據(jù)的傳輸，當(dāng)STC15W4K32S4單片機(jī)將溫度傳感器所測(cè)的窖池溫度讀出來(lái)并經(jīng)過(guò)處理之后，再通過(guò)HC-05模塊發(fā)送至接收端進(jìn)行顯示。該模塊采用CSR主流藍(lán)牙芯片，藍(lán)牙V2.0協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，輸入電壓在3.6 V～6 V之間。模塊自帶連接狀態(tài)指示燈：LED快閃時(shí)無(wú)藍(lán)牙連接，LED慢閃時(shí)表示進(jìn)入AT命令模式。

圖5 HC-05引腳圖

HC-05藍(lán)牙模塊具有兩種工作模式：命令相應(yīng)工作模式和自動(dòng)連接工作模式，通過(guò)控制模塊外部引腳輸入電平，可以實(shí)現(xiàn)兩種模式的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換。當(dāng)發(fā)送端與接收端的兩個(gè)藍(lán)牙模塊配對(duì)成功后即可當(dāng)做一條有線串口使用，此時(shí)支持8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無(wú)奇偶效驗(yàn)的全雙工通信格式，這種常用的通信格式完全滿足本設(shè)計(jì)的需求。值得注意的是兩個(gè)模塊必須設(shè)置為相同的波特率才可正常的傳輸數(shù)據(jù)。在與單片機(jī)相連時(shí)，HC-05模塊的RXD(接收端)與單片機(jī)的TXD（發(fā)送端）相連，其TXD與單片機(jī)的RXD相連。圖7所示為單片機(jī)與藍(lán)牙模塊的正確連接方式。

圖6 HC-05實(shí)物圖

圖7 單片機(jī)與藍(lán)牙模塊連接示意圖

2.4 LCD顯示模塊

系統(tǒng)在接收端收到溫度的數(shù)據(jù)后，應(yīng)當(dāng)通過(guò)顯示器將所測(cè)溫度顯示出來(lái)供檢測(cè)人員查看，此處采用LCD1602液晶顯示模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，該模塊是一種用5*7點(diǎn)陣圖形來(lái)顯示字符的液晶顯示器，將LCD控制器、驅(qū)動(dòng)器、RAM、ROM和液晶顯示面板用PCB連接在一起，可顯示16x2個(gè)字符，工作電壓為直流4.5～5.5 V，模塊引腳包括8條數(shù)據(jù)線，控制線與電源線均為3條，如表1所示。通過(guò)控制芯片向模塊寫(xiě)入命令和數(shù)據(jù)，就可選擇顯示方式和顯示內(nèi)容。最終窖池溫度將通過(guò)動(dòng)態(tài)刷新的方式顯示在LCD模塊上，以確保溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新。

2.5 硬件電路設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的硬件分為接收端和發(fā)送端，其實(shí)現(xiàn)原理大同小異。以接收端為例，如圖8所示，STC15W4K32S4單片機(jī)的P0口與LCD1602模塊的8位數(shù)據(jù)端對(duì)應(yīng)相連，用于傳輸數(shù)據(jù)與命令字；P4.5口與LCD1602的使能端相連接，進(jìn)行讀操作時(shí)該使能端應(yīng)為高電平，進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)應(yīng)輸入脈沖；單片機(jī)P2.7口與其讀/寫(xiě)選擇端相連，用于對(duì)讀寫(xiě)操作進(jìn)行選擇；P2.6口連接數(shù)據(jù)/命令選擇端，可進(jìn)行對(duì)數(shù)據(jù)/命令操作的切換。LCD1602的電源和接地端之間接一個(gè)可變電阻器，可用于調(diào)節(jié)顯示的對(duì)比度。在與HC-05藍(lán)牙模塊連接方面，單片機(jī)則使用P3.0和P3.1的第二功能，即串口的發(fā)送與接收端，分別連接藍(lán)牙模塊的接收和發(fā)送端。當(dāng)需要進(jìn)行溫度測(cè)量時(shí)，藍(lán)牙模塊將接受到的窖池溫度數(shù)據(jù)通過(guò)固定的波特率由其TXD引腳傳輸給單片機(jī)，再由單片機(jī)控制LCD1602模塊顯示出來(lái)。需要注意的是整個(gè)接收系統(tǒng)必須使用同一個(gè)接地端，這樣系統(tǒng)才可正常工作。

表1 LCD1602接口信號(hào)說(shuō)明

圖8 節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì)圖

3 軟件設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)流程如圖9所示，由于本設(shè)計(jì)利用藍(lán)牙模塊來(lái)傳輸窖池溫度數(shù)據(jù)，所以在判斷需要進(jìn)行溫度采集之后應(yīng)進(jìn)行藍(lán)牙模塊的配對(duì)，只有在建立連接的前提下才能獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。

圖9 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

首先通過(guò)發(fā)送端的STC15W4K32S4單片機(jī)來(lái)控制傳感器DS18B20采集窖池內(nèi)溫度，初始化測(cè)溫模塊，并根據(jù)時(shí)序發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換命令，從模塊中獲取溫度值的字節(jié)，最終將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制形式的數(shù)據(jù)，以便處理和發(fā)送；其次是通過(guò)HC-05藍(lán)牙模塊發(fā)送窖池溫度數(shù)值，當(dāng)發(fā)送端與接收端配對(duì)成功（雙方指示燈常亮），并設(shè)置相同的波特率后即可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)送端單片機(jī)將要傳輸?shù)淖止?jié)放入特殊功能寄存器SBUF中，等待串口發(fā)送標(biāo)志位置1時(shí)即表示已成功發(fā)送一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，同樣，傳輸進(jìn)來(lái)的數(shù)據(jù)也是放在接收端的SBUF寄存器中，單片機(jī)從中獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行處理即可。

就本設(shè)計(jì)而言，將波特率設(shè)置為9600時(shí)便可達(dá)到實(shí)時(shí)顯示的目的。接收到數(shù)據(jù)后單片機(jī)控制LCD1602模塊將溫度顯示出來(lái)：首先對(duì)該模塊進(jìn)行初始化，此時(shí)即可設(shè)置需要顯示的模式以及光標(biāo)是否閃爍/顯示等，接下來(lái)便可對(duì)液晶模塊寫(xiě)入數(shù)據(jù)，在對(duì)LCD1602模塊進(jìn)行寫(xiě)操作的時(shí)候需要注意的是應(yīng)當(dāng)在程序中首先對(duì)其進(jìn)行“判忙”，即判斷模塊內(nèi)部是否還有沒(méi)完成的上一步操作，只有返回的參數(shù)表明模塊處于空閑狀態(tài)時(shí)才能寫(xiě)入新的顯示數(shù)據(jù)，當(dāng)然，這個(gè)過(guò)程是很短暫的，一般情況下都可在微秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)完成。因此，采用該顯示器不會(huì)對(duì)實(shí)時(shí)顯示的要求產(chǎn)生任何影響。當(dāng)用戶不需要查看溫度時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)處于低功耗模式，直至下一次啟動(dòng)工作時(shí)喚醒。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的基于STC15W4K32S4單片機(jī)的無(wú)線溫度監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，以單片機(jī)為主控芯片，通過(guò)與溫度傳感器、藍(lán)牙模塊、液晶顯示模塊的相互連接及程序控制實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)檢測(cè)。極大地方便了用戶對(duì)溫度參數(shù)的測(cè)量。本設(shè)計(jì)根據(jù)實(shí)際需要充分考慮了功耗、測(cè)量精度、器件工作環(huán)境等因素，能夠解放人力，提高溫度監(jiān)測(cè)精度，能為搭建白酒生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集模塊。綜上可以看出，該設(shè)計(jì)具有很大的可行性和實(shí)際意義。