凌鵬鵬, 肖無病, 沙 文

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

0 引 言

在中國多種白酒的釀造工藝中，需要對作物進行固態(tài)發(fā)酵。發(fā)酵窖池密閉性強，發(fā)酵周期長，發(fā)酵過程中窖池環(huán)境有明顯階段性酒精度變化。監(jiān)測酒精度變化并及時微調(diào)相關(guān)工藝能夠有效提高白酒的產(chǎn)量與品質(zhì)[1]。傳統(tǒng)酒廠使用人工采集理化測試技術(shù)對窖池進行監(jiān)測，監(jiān)測成本高，頻率低，對窖池密封性破壞較為嚴重。為解決現(xiàn)狀，本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的窖池在線監(jiān)測儀器。

1 總體設(shè)計

監(jiān)測桿為三個部分進行設(shè)計，分別包括：感知層設(shè)計、信息處理層層設(shè)計、信息傳輸層設(shè)計。感知層傳感器為溫度傳感器和酒精度傳感器。信號控制器使用STM32F103單片機，控制信息的采集、處理、顯示。組網(wǎng)層為遵循ZigBee協(xié)議組網(wǎng)方式，通過終端、協(xié)調(diào)、路由，將整個窖池廠區(qū)的信號統(tǒng)一處理，最終將信息傳輸上位機處理。

2 感知層設(shè)計

2.1 傳感器選取

酒精傳感器主要包括半導(dǎo)體型酒精傳感器和電化學(xué)酒精傳感器。窖池環(huán)境監(jiān)測周期長，為減少功耗，選用半導(dǎo)體傳感器。酒精傳感器獲取的信息需要注意環(huán)境溫度和酒精濃度。窖池的密閉性強，酒精濃度往往超出傳感器最佳量程，需要對搭建單獨的氣室環(huán)境進行濃度稀釋。另一方面，將溫度傳感器與酒精傳感器較近位置布置，獲取窖池實時溫度，采集多組數(shù)據(jù)擬合溫度補償。

2.2 信號采集

半導(dǎo)體酒精傳感由金屬氧化物半導(dǎo)體和加熱絲構(gòu)成，如圖1。當(dāng)監(jiān)測環(huán)境中的酒精氣體濃度變化，對應(yīng)的傳感器電阻值也會發(fā)生改變。利用這一性質(zhì)，構(gòu)造電路獲取實時電阻值變化信息[2]。

圖1 半導(dǎo)體酒精傳感器構(gòu)造

圖1中，VC電路為傳感器供電回路，VT回路為加熱絲回路，RL兩端電壓即為傳感器探頭輸出電壓，當(dāng)RS=RL為最佳輸出量程，此時的輸出電壓為Vout=(VC×RL)/(RL+RS)。

3 信息處理層設(shè)計

3.1 控制目標(biāo)

如圖2，整個控制系統(tǒng)主要分為采集頻率控制、采集氣室控制、信息顯示、組網(wǎng)通信控制。

圖2 STM32功能分配

固態(tài)發(fā)酵過程超過2個月，需要控制感知層的采集頻率以實現(xiàn)低功耗。信號采集時，實現(xiàn)氣室稀釋酒精濃度的關(guān)鍵在于合理的控制氣室的氣閥和泵機的開關(guān)。每支探測儀器的信息需要在顯示屏顯示，以便記錄員記錄。最終，將一個廠區(qū)所有的控制桿信息通過組網(wǎng)匯總。

3.2 控制流程

控制器作為一個設(shè)備的核心處理設(shè)備，需要保證檢測桿運行邏輯的正確性。一個完整的檢測過程有：氣室開放、泵機打開、信號采集電路工作、信號處理、顯示屏顯示、數(shù)據(jù)發(fā)送等。這些過程存在著不同的邏輯關(guān)系，檢測桿的一個采集過程邏輯梳理如圖3所示。

圖3 監(jiān)測桿控制流程圖

4 信號傳輸層設(shè)計

固態(tài)發(fā)酵窖池數(shù)量決定了所需的檢測桿數(shù)量。為了保證數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性，每個窖池需要配備多根監(jiān)測桿，從而整個檢測系統(tǒng)需要幾十到幾百支監(jiān)測桿。窖池外圍環(huán)境需要避免電路鋪設(shè)污染，所以采用無線傳輸方式進行信號傳遞。

監(jiān)測桿內(nèi)部運行的信號傳輸電路的電源來自于獨立的鋰電池供電，在一次發(fā)酵完成后電源才能替換和補充。因此，為了滿足發(fā)酵過程中電能的使用，通信電路的功耗是重要指標(biāo)。無線傳輸中，ZigBee通信電路功耗低，通信距離約10 m，可通過添加路由的方式大幅度提高通信距離，對窖池環(huán)境無污染，滿足通信需求。協(xié)調(diào)器與上位機之間采用RS—485通信，通過串口方式連接。

4.1 Z-Stark協(xié)議棧

ZigBee通信結(jié)構(gòu)可分為 4 層，自下而上分別是物理層、介質(zhì)訪問控制層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。IEEE 802.15.4定義了ZigBee物理層和控制層，ZigBee聯(lián)盟制定應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層結(jié)構(gòu)[3]。

SAP是ZigBee通信相對下層提供的服務(wù)與上層之間的接口。ZigBee堆棧的不同層通過服務(wù)接入SAP進行通信。ZigBee堆棧的多數(shù)層都有2個接口:向上層提供數(shù)據(jù)服務(wù)的數(shù)據(jù)實體接口和向上層提供訪問內(nèi)部參數(shù)和配置的管理實體接口。

4.2 組網(wǎng)構(gòu)建

樹型拓撲包含一個協(xié)調(diào)器節(jié)點、多個路由節(jié)點和終端節(jié)點。協(xié)調(diào)器節(jié)點連接多個的路由器節(jié)點和終端節(jié)點，路由器可以連接多個的路由器節(jié)點和終端節(jié)點。協(xié)調(diào)器節(jié)點是路由器節(jié)點和終端節(jié)點的父節(jié)點，同時，路由器節(jié)點也可以是終端節(jié)點和其它路由器節(jié)點的父節(jié)點，終端節(jié)點只可以成為子節(jié)點。這種父子節(jié)點關(guān)系構(gòu)成通信路徑，任意一個子節(jié)點只能和父節(jié)點直接通信，若需要和其他節(jié)點之間通信，需要父節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)到其他子節(jié)點[4,5]。

網(wǎng)狀拓撲和樹型拓撲包含的節(jié)點和構(gòu)成父子節(jié)點關(guān)系的方式相同，在網(wǎng)狀拓撲的通信路徑上更加方便靈活。在遵循路由規(guī)則前提下，路由器節(jié)點之間可以直接進行通信。當(dāng)一個路由通信路徑出現(xiàn)故障，數(shù)據(jù)通信可以尋找其他最優(yōu)的路由節(jié)點路徑進行數(shù)據(jù)傳輸。應(yīng)用這個規(guī)則，網(wǎng)狀拓撲可以構(gòu)成較為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，并且具備網(wǎng)絡(luò)自管理、自組網(wǎng)和自維護功能。一個廠區(qū)監(jiān)測桿的數(shù)量往往大于40根，采用網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)組網(wǎng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性高于樹型拓撲。

5 實測與展示

5.1 測試平臺搭建

監(jiān)測桿測試板正面主要由LCD顯示及按鍵組成，反面主要為核心模塊，元器件電路和傳感器接口等。圖4(a)中的帶有天線的模塊為STM32核心控制模塊，其余接口分別是:1#為電源開關(guān)接口;2#為鋰電池充電接口;3#為鋰電池接口;4#為酒精傳感器接口;5#為溫度傳感器接口;6#為電機板控制端接口；7#為電源開關(guān),8#為電源適配器接口,9#為RS—485接口。模擬窖池的構(gòu)建方法為：將已經(jīng)人工檢測過的酒精放入封閉量杯，量杯中放入溫度傳感器探頭，氣室酒精端氣閥管道，已校正的溫度計。量杯頂部用實地窖池上方泥土封閉，封閉深度為20 cm。酒精度傳感器探頭選用TGS2620型號，放置氣室頂端，管道埋入模擬窖池中。

圖4 測試平臺搭建

5.2 測試過程

對監(jiān)測儀器的功能測試主要分為5個方面：電源能耗測試；電機運行測試；氣室密閉性測試；信號采集測試；組網(wǎng)測試。測試板1#口接入直流3.7 V電源，4#口接入酒精傳感器模塊，5#口接入溫度傳感器模塊，6#口接入電機模塊。當(dāng)硬件上電后，ZigBee組網(wǎng)信號燈亮起，上位機頁面開始顯示溫度，系統(tǒng)組網(wǎng)功能正常。信號采集測試流程為：改變檢測周期為連續(xù)監(jiān)測，啟動監(jiān)測桿；窖池外空氣閥打開，窖池內(nèi)空氣閥密閉，電機運行距離為s1;延時1 min后，窖池外空氣閥密閉，窖池內(nèi)空氣閥打開，電機運行距離為s2后停止(s1︰s2=9︰1);兩個空氣閥關(guān)閉，延時1 min，酒精濃度采集完成;空氣閥打開，電機復(fù)位。

5.3 實地測試

圖4(b)為監(jiān)測桿投放到安徽某大型酒廠發(fā)酵環(huán)境的實物圖。監(jiān)測桿長2 m，低端以圓錐構(gòu)造方便深入窖池泥層，頂端配置控制電路、顯示屏、組網(wǎng)天線等。待測窖池深度約兩米，發(fā)酵空間約15 m3，上方覆蓋約20 cm泥土。

在2019年4月到2019年6月期間，監(jiān)測桿正常運行一個發(fā)酵周期。監(jiān)測桿每6 h采樣監(jiān)測一次，取每天12時00分的數(shù)據(jù)，作為發(fā)酵曲線擬合數(shù)據(jù)。表1為1#～3#窖池采樣周期中連續(xù)7天的曲線擬合數(shù)據(jù)。

表1 1#～3#終端窖池數(shù)據(jù)表

6 結(jié) 論

由數(shù)據(jù)可見，7天中，廠區(qū)溫度采集系統(tǒng)顯示窖池內(nèi)溫度為26 ℃左右，比廠區(qū)實驗人員取樣化驗記錄表明酒精濃度含量為(38 000～40 000)×10-6之間。通過對人工采集數(shù)據(jù)的比較，監(jiān)測桿數(shù)據(jù)符合實際發(fā)酵窖池數(shù)據(jù)。同時，實

地投入測試中，采用的鋰電池電源滿足3個月的能耗需求，電機運行正常。在發(fā)酵過程的各個階段抽樣檢查監(jiān)測桿，拆分其氣室結(jié)構(gòu)，內(nèi)無液體殘留和水蒸氣痕跡，密閉性良好。