符志軍，王景景

(江西工程學(xué)院，江西 新余 338029)

醬油是一種常用的調(diào)味品，其生產(chǎn)工藝過程中的相關(guān)物理參數(shù)直接影響醬油的品質(zhì)及風味[1]。傳統(tǒng)的醬油生產(chǎn)工藝過程通過人工方式進行工藝參數(shù)調(diào)節(jié)，具有一定的盲目性及不確定性，因此一種智能生產(chǎn)工藝過程監(jiān)控系統(tǒng)的研制顯得更加重要[2]。本文在醬油傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝參數(shù)技術(shù)上，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計一套醬油智能生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，對生產(chǎn)過程相關(guān)工藝參數(shù)進行實時調(diào)控，保障醬油的風味及品質(zhì)。

1 醬油生產(chǎn)過程因素

在醬油的生產(chǎn)發(fā)酵過程中，在培養(yǎng)基中加入鹽水和豆類、谷類等原料，微生物在其中進行代謝，使蛋白質(zhì)和淀粉發(fā)生分解。在以上過程中，鹽水濃度、鹽水與原料的配比、發(fā)酵過程溫度、發(fā)酵時間以及培養(yǎng)基中的酸堿度都會對醬油的生產(chǎn)過程產(chǎn)生影響[3-4]。

食鹽不僅可以改善醬油的鮮味，同時可以在醬油生產(chǎn)發(fā)酵過程中進行殺菌，降低雜菌對生產(chǎn)發(fā)酵環(huán)境的污染，改善微生物代謝環(huán)境。在醬油的生產(chǎn)過程中，當鹽水濃度較低時，蛋白酶活性增強，但是較低的鹽水濃度會導(dǎo)致細菌抑制功能相對降低。鹽水與醬油原料的比例直接影響醬油的外觀色澤，當鹽水與原料比例較高時，醬油顏色暗淡，當鹽水與原料比例較低時，醬油顏色較深[5-7]。但是較高的鹽水與原料比例會造成生產(chǎn)過程中氨基酸轉(zhuǎn)化率降低，影響醬油風味物質(zhì)的形成，進而影響醬油的口感。醬油生產(chǎn)過程溫度及生產(chǎn)環(huán)境的酸堿度隨著生產(chǎn)過程的進行而不斷地發(fā)生變化，酸堿度的高低直接影響酶活性，進而影響醬油生產(chǎn)過程中微生物的代謝過程，同時對醬油風味物質(zhì)的形成帶來不同程度的影響。溫度與酶的代謝速率在一定范圍內(nèi)具有線性關(guān)系，在此范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，酶活性增強，溫度降低時，酶活性減弱[8]。過高或者過低的溫度均會造成酶活性降低，生產(chǎn)過程時間變長。為保證醬油的風味物質(zhì)種類及含量，醬油的生產(chǎn)過程必須在有效的時間內(nèi)進行，保證微生物能夠充分代謝，提高微生物代謝過程效率，改善醬油風味物質(zhì)[9]。

綜上所述，醬油生產(chǎn)過程中，溫度是決定醬油質(zhì)量及生產(chǎn)效率的關(guān)鍵因素，因此本文以醬油生產(chǎn)過程中各環(huán)節(jié)的溫度為主要監(jiān)控對象，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計醬油智能生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)。

2 監(jiān)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計

醬油生產(chǎn)過程中，溫度對其品質(zhì)和產(chǎn)量的影響程度最大，本文根據(jù)醬油生產(chǎn)過程工藝特點，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及自動控制技術(shù)，建立醬油智能生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)。醬油智能生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)總體方案框架見圖1。

圖1 醬油智能生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)總體方案Fig.1 The overall scheme of intelligent monitoring system for soy sauce production

在智能生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)中，傳感器采集節(jié)點主要分為醬油生產(chǎn)容器溫度采集節(jié)點和生產(chǎn)車間環(huán)境溫度采集節(jié)點，溫度參數(shù)信息通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至終端顯示節(jié)點和服務(wù)器。終端顯示節(jié)點用于查看醬油生產(chǎn)過程參數(shù)，服務(wù)器用于對環(huán)境參數(shù)信息進行比對分析、控制策略制定以及信息存儲等，服務(wù)器制定的控制策略通過指令形式發(fā)送至生產(chǎn)過程執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)醬油的智能自動化生產(chǎn)，提高醬油的品質(zhì)及生產(chǎn)穩(wěn)定性。無線傳感網(wǎng)絡(luò)是智能監(jiān)控系統(tǒng)中關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò)傳輸途徑，將采集節(jié)點、控制節(jié)點以及服務(wù)器終端組成復(fù)雜的信息交互系統(tǒng)。無線傳感網(wǎng)絡(luò)能夠靈活進行節(jié)點設(shè)置，耗能低[10]。

3 監(jiān)控系統(tǒng)節(jié)點與網(wǎng)關(guān)設(shè)計

醬油容器內(nèi)溫度采集節(jié)點見圖2，包含溫度傳感器、控制芯片以及傳輸天線。溫度傳感器對容器內(nèi)的溫度進行采集，控制芯片將溫度信息通過傳輸天線進行發(fā)射，并通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進行傳輸[11]。發(fā)酵容器內(nèi)的溫度傳感器與醬油原料必須充分接觸，要求傳感器體積小、精度高、耐腐蝕并能夠長時間工作，因此選用封裝型溫度傳感器。

圖2 醬油容器內(nèi)溫度采集節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 The structure diagram of temperature collection node in soy sauce container

環(huán)境溫度采集節(jié)點與醬油容器溫度采集節(jié)點結(jié)構(gòu)類似，需要將生產(chǎn)環(huán)境內(nèi)的溫度及濕度信息進行采集并傳輸，因此環(huán)境溫度采集節(jié)點選用一種高精度型溫濕度傳感器作為環(huán)境參數(shù)采集傳感器，并通過控制芯片和傳輸天線進行環(huán)境參數(shù)信息傳輸。溫度采集節(jié)點電路圖見圖3。

圖3 溫度采集節(jié)點電路圖Fig.3 The circuit diagram of temperature collection node

顯示終端節(jié)點一般布置在醬油生產(chǎn)現(xiàn)場，對采集到的參數(shù)信息進行實時顯示，便于生產(chǎn)過程對環(huán)境參數(shù)的查看，無需進行醬油容器內(nèi)溫度的手工采集，有利于醬油質(zhì)量的提高，同時提高醬油的生產(chǎn)效率。醬油生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)顯示終端節(jié)點設(shè)計框圖見圖4，主要包括控制芯片、數(shù)碼顯像管、信息傳輸電路、數(shù)碼驅(qū)動電路以及輸入輸出接口。

圖4 顯示終端節(jié)點設(shè)計框圖Fig.4 The design block diagram of display terminal node

醬油的生產(chǎn)過程是一系列復(fù)雜的微生物代謝過程，因此醬油生產(chǎn)容器中的溫度不斷升高，為達到工藝要求生產(chǎn)溫度，需要對生產(chǎn)容器進行降溫，使其維持在最佳生產(chǎn)工藝溫度[12]。本文設(shè)計的基于物聯(lián)網(wǎng)醬油生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)采用水循環(huán)方式進行降溫，控制節(jié)點電路圖見圖5?？刂菩酒ㄟ^接收控制指令，并對水泵驅(qū)動電路進行脈沖指令輸出，實現(xiàn)冷卻水循環(huán)泵的動作控制。

圖5 控制節(jié)點電路圖Fig.5 The circuit diagram of control node

醬油智能生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)中數(shù)據(jù)信息的傳輸調(diào)度以及數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換是依靠網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)的，對采集節(jié)點采集到的環(huán)境參數(shù)物理變量進行解析，并傳輸至上位機控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)設(shè)定的數(shù)據(jù)庫知識信息進行控制指令的發(fā)出，驅(qū)動電路根據(jù)控制指令實現(xiàn)智能生產(chǎn)監(jiān)控。監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)功能結(jié)構(gòu)圖見圖6。

圖6 監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)功能結(jié)構(gòu)圖Fig.6 The function structure diagram of monitoring system gateway

4 系統(tǒng)控制算法

在醬油生產(chǎn)過程中，容器內(nèi)溫度具有一定的時滯性和時變性，各區(qū)域溫度及不同生產(chǎn)階段的溫度具有較大的耦合性，在很大程度上影響醬油的生產(chǎn)品質(zhì)。為確保醬油生產(chǎn)過程中環(huán)境溫度及容器內(nèi)溫度能夠得到有效的控制，本文采用PID控制算法來進行溫度實時監(jiān)測比對，并對冷卻循環(huán)水泵進行驅(qū)動。醬油智能生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)溫度調(diào)控過程流程圖見圖7。

圖7 醬油智能生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)溫度調(diào)控流程圖Fig.7 The temperature control flow chart of soy sauce intelligent production monitoring system

5 實驗與測試

為驗證醬油智能生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)進行溫度自動監(jiān)測控制的可靠性，本文設(shè)計在生產(chǎn)車間不同位置布置溫度采集節(jié)點6個，濕度采集節(jié)點6個，同時在每個醬油生產(chǎn)容器中布置溫度采集節(jié)點3個，單個生產(chǎn)車間內(nèi)共16個生產(chǎn)容器，容器內(nèi)溫度傳感器與醬油原料及醬汁充分接觸。智能生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)實時采集記錄生產(chǎn)過程中的環(huán)境參數(shù)信息，并傳輸至控制節(jié)點，與醬油生產(chǎn)的最佳工藝參數(shù)35 ℃進行比對，控制系統(tǒng)根據(jù)比對數(shù)據(jù)差異發(fā)出控制指令，驅(qū)動執(zhí)行結(jié)構(gòu)動作，實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的實時監(jiān)測控制。車間內(nèi)實時監(jiān)控平均數(shù)據(jù)及執(zhí)行機構(gòu)動作平均時間見表1。容器內(nèi)溫度實時監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖8，本文任意挑選1個容器的3條監(jiān)測曲線進行分析。

表1 醬油智能生產(chǎn)車間監(jiān)控系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)Table 1 The data acquisition by monitoring system of soy sauce intelligent production workshop

由表1可知，監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測到生產(chǎn)車間溫度后，與環(huán)境溫度標準值26 ℃進行對比，并計算出與標準溫度之間的差異，隨后發(fā)出控制指令，冷卻水循環(huán)泵開啟，對生產(chǎn)車間進行降溫，并在不同的時間后，使車間不同監(jiān)測點的平均溫度達到工藝標準值。

圖8 容器內(nèi)溫度實時監(jiān)測曲線Fig.8 The real time monitoring curves of temperature in container

由圖8可知，容器內(nèi)3個不同位置的溫度變化趨勢基本相同，隨著生產(chǎn)過程的進行，容器內(nèi)溫度逐漸上升，監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測值控制驅(qū)動電路，隨著冷卻水循環(huán)泵的工作，容器內(nèi)溫度逐漸降低，并保持在最佳生產(chǎn)溫度35 ℃。

6 結(jié)論

本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)即無線傳感技術(shù)建立醬油智能生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，對生產(chǎn)車間及醬油生產(chǎn)容器內(nèi)不同位置分別布置采集節(jié)點。實現(xiàn)醬油生產(chǎn)過程中車間環(huán)境溫度和醬油容器內(nèi)溫度的實時監(jiān)測與控制，同時通過容器內(nèi)不同位置的溫度采集節(jié)點數(shù)據(jù)可以看出，隨著醬油容器深度的增加，溫度的上升速度明顯加快，隨著冷卻水泵的工作，其溫度降低幅度及速率基本相同。通過數(shù)據(jù)比對，表明基于物聯(lián)網(wǎng)建立的該監(jiān)測系統(tǒng)對于醬油生產(chǎn)過程的溫度變化過程監(jiān)控具有一定的可靠性。