李隨群，高 祥，居錦武，王文杰

（1.四川輕化工大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院，四川自貢 643000；2.四川輕化工大學(xué)機械工程學(xué)院，四川自貢 643000）

白酒固態(tài)發(fā)酵是一個微妙的過程，影響因素很多，研究表明，影響發(fā)酵的主要因素之一是溫度[1-2]。發(fā)酵溫度改變微生物的生長代謝的環(huán)境，從而影響微生物的數(shù)量及代謝物的質(zhì)量[3]，因此，及時準確的掌握溫度變化對白酒發(fā)酵過程極其重要。陳丙友等[4]發(fā)現(xiàn)發(fā)酵溫度及其變化趨勢對微生物群落生長和代謝產(chǎn)生顯著影響；游玲等[5]研究發(fā)現(xiàn)，溫度變化會對白酒發(fā)酵過程中酒醅理化指標、典型微生物數(shù)量、主要揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)有影響。蒲嵐等[6]認為，調(diào)控發(fā)酵溫度有助于控制對酒醅香味變化規(guī)律和基酒質(zhì)量的控制。由此可知，發(fā)酵溫度是影響白酒發(fā)酵品質(zhì)的主要因素。

目前大多數(shù)酒廠對白酒發(fā)酵過程中溫度的監(jiān)測采用人工操作儀表和有線自動測量兩種方式。人工測量溫度每次插入窖池的深度和位置不準確，會增大人為測量數(shù)據(jù)誤差，插入酒糟測量溫度會改變發(fā)酵環(huán)境，影響微生物的發(fā)酵狀態(tài)。另外，人工測量同一時段單次只能獲取少量窖池的溫度值，不能快速測出同時段所有窖池不同層次的發(fā)酵溫度，同時也不能直觀地分析對比酒醅的發(fā)酵狀況。根據(jù)白酒固態(tài)發(fā)酵的需求，設(shè)計了白酒發(fā)酵溫度可視化系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成嵌入式技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)了窖池內(nèi)酒醅發(fā)酵溫度的上、中、下三層智能采集[7-8]，測溫模塊使用方便，可以快捷的安裝在窖池內(nèi)實現(xiàn)窖池溫度的采集。本文設(shè)計的白酒固態(tài)發(fā)酵溫度可視化系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)可視化分析準確、通信穩(wěn)定、無線傳輸速度快、低功耗等優(yōu)點，適合白酒發(fā)酵窖池的溫度監(jiān)測。

1 材料與方法

1.1 實驗場地

四川省自貢市某酒廠發(fā)酵車間，選取產(chǎn)量、品質(zhì)比較穩(wěn)定的窖池作為數(shù)據(jù)采集對象。

1.2 實驗工具

白酒固態(tài)發(fā)酵溫度可視化系統(tǒng)主要由兩大部分構(gòu)成：溫度采集模塊和數(shù)據(jù)可視化模塊。溫度采集模塊包含MCU主控單元、融合測溫傳感器、無線傳輸單元、供電電源、4G-DTU 單元、電壓監(jiān)測模塊等組成[9-10]，溫度采集模塊電路設(shè)計如圖1 所示。MCU 主控單元采用高性能、嵌入式開發(fā)的STM32F101C8 控制器；數(shù)據(jù)可視化模塊由數(shù)據(jù)服務(wù)器和顯示裝置構(gòu)成；測溫模塊由融合溫度傳感器構(gòu)成，以測溫桿的形式對酒醅上、中、下三層的溫度進行采集[11]，然后將采集的數(shù)據(jù)傳送給主控單元，主控單元對原始數(shù)據(jù)進行處理和存儲，通過無線傳輸單元將數(shù)據(jù)發(fā)送給可視化處理中心，可視化中心對數(shù)據(jù)進行可視化處理和分析。數(shù)據(jù)服務(wù)中心通過4G-DTU模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給遠程監(jiān)控用戶。

融合測溫傳感器采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20，傳感器的測溫范圍為-55～125 ℃，精確度為±0.5 ℃，融合測溫傳感器設(shè)計如圖2 所示。測溫傳感器分別安裝在測量桿的上層、中層、下層3個溫度采集固定位置上（具體安裝位置根據(jù)窖池的實際深度而定），每層傳感器之間采用玻璃棉作為填充物進行隔熱處理，隔熱處理為了確保每層傳感器能較為精確地測量窖池每層的溫度。測溫桿的頂端和底端分別填充干燥劑，防止水汽滲透到測溫桿內(nèi)部干擾溫度傳感器對溫度采集的精確度。溫度采集模塊安裝在融合傳感器測量桿頂端的鋁盒子里，測量桿和鋁盒采用螺紋連接。

1.3 溫度采集方法

啟動溫度采集系統(tǒng)，首先對測溫模塊和無線傳輸模塊的參數(shù)進行初始化，初始化完成后，STM32控制單元和CC2530 無線模塊進入休眠模式，等待外部射頻信號觸發(fā)無線模塊。當CC2530接收到外部采集溫度觸發(fā)信號時，喚醒STM32 控制單元，利用中斷激活STM32 控制器，采集融合傳感器測量溫度，無線模塊將溫度數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)終端。電壓監(jiān)測電路負責監(jiān)測蓄電池的電壓狀態(tài)，詳細監(jiān)測過程如圖3所示。

2 結(jié)果與分析

本系統(tǒng)以濃香型的發(fā)酵窖池為實驗點，把發(fā)酵窖池分為上、中、下3個層面，每個層面9個采溫點，共計27 個采溫點作為發(fā)酵溫度進行測溫實驗，測溫周期共計30 d，可視化系統(tǒng)每天對3 個層面的每個測溫點進行可視化顯示，根據(jù)每個層面所測溫度數(shù)據(jù)，取同時段、同層面溫度的平均值，并繪制該層面相應(yīng)發(fā)酵溫度趨勢曲線。利用專業(yè)數(shù)據(jù)分析軟件Origin 對各層次發(fā)酵溫度變化進行可視化分析，如圖4、圖5、圖6、圖7所示。

由圖4 可知，上層酒醅發(fā)酵溫度變化趨勢為先降后升，又緩降，入窖8 d 溫度從28.5 ℃降至25.1 ℃，發(fā)酵至16 d 溫度升至27.3 ℃，隨后發(fā)酵溫度緩慢下降；由圖5 可知，中層酒醅發(fā)酵溫度變化趨勢為先升后降，入窖10 d 溫度從21.5 ℃升至32.5 ℃，隨后發(fā)酵溫度下降至27.3 ℃，降幅5.2 ℃；由圖6 可知，下層酒醅發(fā)酵溫度變化趨勢為先升后降，入窖11 d 溫度從18.4 ℃升至31 ℃，升溫幅度12.6 ℃，隨后發(fā)酵溫度平緩下降至28.4 ℃。

酒醅發(fā)酵過程隨時間延長溫度可視化系統(tǒng)可以精確地顯示每個測溫點的溫度狀態(tài)，用不同顏色區(qū)分溫度區(qū)間，如圖4(a)、圖5(a)、圖6(a)，可視化系統(tǒng)累計顯示每個測溫點隨時間的溫度變化，方便觀測和對比。以每層9 個測溫點每天的平均溫度作為該層發(fā)酵溫度，繪制窖池3 個層面發(fā)酵溫度變化曲線，如圖7所示。

經(jīng)可視化數(shù)據(jù)分析，上層酒醅發(fā)酵溫度變化曲線符合“先急落、后快升、再緩降”的發(fā)酵模型，中層和下層酒醅發(fā)酵溫度變化曲線符合“前緩、中挺、后緩落”的發(fā)酵趨勢，中層和下層的溫度變化曲線模型與傳統(tǒng)釀造經(jīng)驗相吻合。

3 結(jié)束語

白酒固態(tài)發(fā)酵是一個隨溫度變化微生物種類和數(shù)量都處在動態(tài)變化的發(fā)酵過程，溫度的監(jiān)測對發(fā)酵過程至關(guān)重要，基于嵌入式技術(shù)和無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的窖池發(fā)酵溫度可視化系統(tǒng)可實時地監(jiān)測窖池的發(fā)酵狀態(tài)，融合溫度傳感器實現(xiàn)了窖池上、中、下層溫度的立體感知，工藝師傅可根據(jù)可視化的發(fā)酵溫度狀態(tài)及變化趨勢，及時、準確地控制工藝參數(shù)，為提高白酒固態(tài)發(fā)酵質(zhì)量提供了數(shù)據(jù)支持。系統(tǒng)還有待完善建立白酒固態(tài)發(fā)酵的標準溫度模型及不同香型白酒專家曲線，未來結(jié)合大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)實現(xiàn)白酒固態(tài)發(fā)酵可視化的標準化和數(shù)字化。