肖無(wú)病, 凌鵬鵬, 沙 文

(安徽大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，安徽 合肥 230601)

0 引 言

固態(tài)發(fā)酵是微生物在沒(méi)有或基本沒(méi)有游離水的固態(tài)基質(zhì)上的發(fā)酵方式。而白酒生產(chǎn)工藝就屬于典型的固態(tài)發(fā)酵，將糧食中的糖類轉(zhuǎn)化成酒精，一般的發(fā)酵周期為2～3個(gè)月左右[1,2]。目前，在白酒固態(tài)發(fā)酵期間，對(duì)窖池內(nèi)pH值的檢測(cè)仍然依靠人工采樣，操作過(guò)程復(fù)雜、無(wú)連續(xù)性，不能實(shí)現(xiàn)整個(gè)發(fā)酵周期的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。而適宜的pH值條件，有利于微生物的正常繁殖代謝，對(duì)出酒率和酒質(zhì)的穩(wěn)定與提高有著關(guān)鍵作用。

固態(tài)發(fā)酵窖池pH值在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)直接插入窖池的監(jiān)測(cè)裝置，在整個(gè)白酒發(fā)酵周期內(nèi)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)窖池內(nèi)pH值的變化情況，所測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳輸方式上傳至上位機(jī)平臺(tái)，實(shí)時(shí)顯示參數(shù)值和變化趨勢(shì)，去除了繁瑣的采樣工作，實(shí)現(xiàn)了白酒固態(tài)發(fā)酵的監(jiān)測(cè)自動(dòng)化。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

固態(tài)發(fā)酵窖池的pH值在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包含終端數(shù)據(jù)采集單元、協(xié)調(diào)器單元、上位機(jī)顯示平臺(tái)。終端數(shù)據(jù)采集模塊是以CC2530芯片為微控制器，通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)采集pH值數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后通過(guò)ZigBee技術(shù)無(wú)線發(fā)送到協(xié)調(diào)器模塊；協(xié)調(diào)器模塊負(fù)責(zé)創(chuàng)建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，等待終端加入網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)接收終端發(fā)送的數(shù)據(jù)，并通過(guò)MODBUS將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)；上位機(jī)顯示平臺(tái)通過(guò)組態(tài)軟件，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，能夠直觀反映白酒固態(tài)發(fā)酵周期內(nèi)pH值的變化情況，提高生產(chǎn)效率。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 終端數(shù)據(jù)采集單元

終端數(shù)據(jù)采集單元主要負(fù)責(zé)窖池內(nèi)pH值的采集與傳輸，分為電源模塊、pH傳感器、CC2530微控制器和顯示模塊。由于發(fā)酵車間內(nèi)實(shí)際環(huán)境和操作工藝等要求，不能拉電線進(jìn)行系統(tǒng)供電，所以電源模塊采用3.7 V鋰電池，經(jīng)降壓電路處理到3.3 V后為系統(tǒng)供電，經(jīng)升壓處理到5 V后為pH傳感器供電；顯示模塊包括LCD12864顯示屏和按鍵電路，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互；pH傳感器采用工業(yè)在線pH玻璃電極，其參數(shù)特性[3]:測(cè)量范圍為0～14 pH，測(cè)量精度為≤0.01 pH，適用溫度為0～90 ℃，響應(yīng)時(shí)間為5 s，漂移為≤0.02 pH/24 h，電極的等電位點(diǎn)為7±0.5 pH，敏感膜阻抗為≤200×106Ω，斜率為≥98 %。CC2530微控制器負(fù)責(zé)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)并將數(shù)據(jù)無(wú)線發(fā)送至協(xié)調(diào)器。

根據(jù)白酒固態(tài)發(fā)酵時(shí)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在發(fā)酵期間，窖池內(nèi)pH值變化范圍約是3～6，溫度變化范圍約是10～40 ℃，測(cè)量時(shí)pH值需求分辨率為0.05。由表1可知，工業(yè)在線PH玻璃電極完全符合要求，同時(shí)玻璃膜阻抗最高達(dá)到200×106Ω，其阻抗是相當(dāng)大的，直接輸入A/D轉(zhuǎn)換是無(wú)法檢測(cè)到pH值玻璃電極的輸出信號(hào)，需要經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路進(jìn)行處理[4]。pH值信號(hào)處理原理圖如圖1所示。

圖1 pH信號(hào)處理原理

2.2 協(xié)調(diào)器單元

協(xié)調(diào)器單元包含電源模塊、時(shí)鐘模塊、RS—485通信模塊、存儲(chǔ)模塊、顯示模塊和CC2530微控制器，硬件框圖如圖3所示。協(xié)調(diào)器主要功能是創(chuàng)建ZigBee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，接收監(jiān)測(cè)終端采集的pH值數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和上傳至上位機(jī)。其中時(shí)鐘模塊負(fù)責(zé)提供時(shí)間數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是基于TI公司的Z-Stack協(xié)議棧進(jìn)行相應(yīng)的開發(fā)，因終端節(jié)點(diǎn)較多，所以,ZigBee采用廣播的通信方式。

3.1 協(xié)調(diào)器程序設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)創(chuàng)建ZigBee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，等待監(jiān)測(cè)終端加入網(wǎng)絡(luò)，接收和存儲(chǔ)終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)。

3.2 監(jiān)測(cè)終端程序設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)終端主要利用傳感器采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理后通過(guò)ZigBee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到協(xié)調(diào)器。終端程序流程圖如圖2所示。

圖2 終端軟件流程圖

如圖2所示，在整個(gè)流程中首先調(diào)用SampleApp_Init()函數(shù)進(jìn)行初始化，即登記任務(wù)號(hào)、初始化終端參數(shù)、啟動(dòng)ZD0、任務(wù)注冊(cè)等，然后OSAL操作系統(tǒng)進(jìn)入輪詢模式，當(dāng)有事件需要處理時(shí)，在應(yīng)用層調(diào)用SampleApp_ProcessEvent()函數(shù)處理事件[5]。事件處理流程圖如圖3所示。

圖3 終端應(yīng)用事件處理流程圖

3.3 終端低功耗程序設(shè)計(jì)

白酒固態(tài)發(fā)酵周期約3個(gè)月，為實(shí)現(xiàn)全程在線監(jiān)測(cè)，而操作工藝要求使得終端采用鋰電池供電，因此需要對(duì)終端進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)。軟件低功耗程序流程圖如圖4所示。

圖4 低功耗程序流程圖

如圖4所示，在數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器完畢后，監(jiān)測(cè)終端除了微控制器和按鍵外全部斷電，電源管理模式切換至PM2(電源模式2)，即低頻晶振工作，數(shù)字核心模塊關(guān)閉[6]。僅當(dāng)按鍵按下或睡眠計(jì)數(shù)器溢出喚醒，再次進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

3.4 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)負(fù)責(zé)處理下位機(jī)上傳的數(shù)據(jù)，繪制成圖表，直觀顯示實(shí)時(shí)發(fā)酵動(dòng)態(tài)趨勢(shì)。工作人員可實(shí)時(shí)查看各個(gè)廠區(qū)、各個(gè)窖池內(nèi)的數(shù)據(jù)參數(shù)，也可查看歷史數(shù)據(jù)參數(shù)。上位機(jī)系統(tǒng)使用態(tài)神組態(tài)軟件進(jìn)行編寫，其中廠區(qū)總覽界面如圖5所示。

圖5 廠區(qū)總覽界面

4 系統(tǒng)測(cè)試與數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，為測(cè)試系統(tǒng)裝置的各項(xiàng)功能和穩(wěn)定性，采用實(shí)地環(huán)境測(cè)試。測(cè)試環(huán)境為安徽某酒廠固態(tài)發(fā)酵車間，測(cè)試時(shí)間為周期2個(gè)月的發(fā)酵期。測(cè)試桿插入窖池內(nèi)，pH傳感器在測(cè)試桿底部與窖池內(nèi)的發(fā)酵物接觸，CC2530微控制器等在測(cè)試桿頂部。

白酒固態(tài)發(fā)酵是一個(gè)緩慢的生化過(guò)程[7]。本次測(cè)試選取3個(gè)窖池進(jìn)行同步測(cè)試，在2個(gè)月的測(cè)試期內(nèi)，以5天為一個(gè)采集周期。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)整理，上位機(jī)繪制出窖池內(nèi)pH值變化曲線，如圖6所示。人工采樣的窖池pH值變化曲線如圖7所示。

圖6 上位機(jī)繪制的窖池pH值變化曲線

圖7 人工采樣的窖池pH變化曲線

如圖7所示，窖池在5～15天pH值明顯增加，并且速度很快；在15～50天期間pH值上下波動(dòng)，并在中期上升至最高；50天后pH值緩慢下降、最后趨于平穩(wěn)。將監(jiān)測(cè)終端測(cè)量的pH值與人工采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，數(shù)據(jù)基本一致，表明本系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

固態(tài)發(fā)酵窖池pH值在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無(wú)需人工采樣，可以全程實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)窖池內(nèi)pH值的變化。實(shí)測(cè)表明，本系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、性能穩(wěn)定，成功實(shí)現(xiàn)了白酒固態(tài)發(fā)酵的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。