張保華，吳 迪，產(chǎn)阿明，楊金玉

（安徽大學(xué)電子信息工程學(xué)院，安徽合肥 230601）

白酒是利用傳統(tǒng)的發(fā)酵技術(shù)而制成的中國傳統(tǒng)民族食品，蘊(yùn)含著濃厚的歷史氣息[1]。近幾年，國內(nèi)白酒企業(yè)積極開展白酒制造自動(dòng)化的研究。中國釀酒工業(yè)協(xié)會(huì)指出，酒業(yè)要實(shí)施“中國白酒158計(jì)劃”[2]，即結(jié)合計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)，傳感與檢測(cè)技術(shù)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)等[3]，實(shí)現(xiàn)白酒生產(chǎn)過程的全自動(dòng)化。白酒生產(chǎn)需要經(jīng)過一系列的工藝，其中包括固態(tài)發(fā)酵、蒸餾生產(chǎn)、酒體勾兌等。

白酒的發(fā)酵機(jī)理比較復(fù)雜，發(fā)酵期間各種成分含量檢測(cè)困難，難以對(duì)其建立模型。目前，固態(tài)發(fā)酵未能實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化，需要逐步實(shí)現(xiàn)。適宜的窖池溫度等參數(shù)會(huì)大大的影響到白酒品質(zhì)，因此提出一種基于ZigBee 技術(shù)的窖池固態(tài)發(fā)酵溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是非常有必要的。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于ZigBee 技術(shù)的窖池固態(tài)發(fā)酵溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由監(jiān)測(cè)終端系統(tǒng)與上位機(jī)系統(tǒng)組成。監(jiān)測(cè)終端系統(tǒng)由終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組成，各節(jié)點(diǎn)使用的主控芯片均是CC2530F256。終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)將采集處理后的數(shù)據(jù)通過路由中繼轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器接收到數(shù)據(jù)后使用MODBUS-RTU 通訊協(xié)議發(fā)送給上位機(jī)系統(tǒng)，在上位機(jī)系統(tǒng)中監(jiān)測(cè)不同時(shí)段內(nèi)窖池的溫度值，顯示變化趨勢(shì)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于ZigBee 技術(shù)的窖池固態(tài)發(fā)酵溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中最為重要的部分是終端監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，我們可以根據(jù)各個(gè)節(jié)點(diǎn)所實(shí)現(xiàn)的功能不同，進(jìn)行相應(yīng)的軟硬件配置。

2.1 核心控制模塊與人機(jī)交互模塊

監(jiān)測(cè)終端系統(tǒng)主要由終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)3 個(gè)部分組成，這3 個(gè)部分的核心控制模塊與人機(jī)交互模塊是相同的，可以進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)后用于這3 個(gè)不同功能節(jié)點(diǎn)上。

核心控制模塊是各個(gè)節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì)中最為重要的部分，它就是各個(gè)節(jié)點(diǎn)的大腦，該模塊選用的主控芯片是基于8051 CPU 內(nèi)核的CC2530F256。它不僅內(nèi)部集成了高性能的RF 收發(fā)器，而且還具有電源管理功能，可以實(shí)現(xiàn)低功耗的設(shè)計(jì)，這樣大大的延長(zhǎng)了終端設(shè)備的續(xù)航能力。核心控制模塊電路設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 核心控制模塊原理圖

人機(jī)交互模塊是用來查看各個(gè)節(jié)點(diǎn)信息以及設(shè)定參數(shù)的重要外設(shè)，根據(jù)設(shè)計(jì)需求，該模塊選用了工業(yè)級(jí)LCD12864 液晶點(diǎn)陣屏。由于該系統(tǒng)是基于ZigBee 協(xié)議棧進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)的，當(dāng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的功能相同時(shí)，人機(jī)交互模塊可以使用相同的端口，以利于程序的編寫。由于CC2530F256 芯片的I/O 資源緊缺，因此LCD12864 顯示模塊使用了串行接口來傳輸數(shù)據(jù)，按鍵模塊使用了一個(gè)具有ADC 功能的引腳，根據(jù)所采集的電壓值來判斷是哪個(gè)按鍵被按下。在LCD12864 顯示模塊中使用了一個(gè)電源控制引腳，控制LCD12864 顯示模塊在休眠模式時(shí)停止工作，以降低功耗。人機(jī)交互模塊原理圖如圖3 所示。

圖3 人機(jī)交互模塊原理圖

2.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與路由器節(jié)點(diǎn)

協(xié)調(diào)器先負(fù)責(zé)組建網(wǎng)絡(luò)，之后協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)將接受到的數(shù)據(jù)通過RS485 通信總線發(fā)送給上位機(jī)系統(tǒng)。路由器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)將終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行中繼轉(zhuǎn)發(fā)，使數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性更好和數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆秶鼜V[4]。

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要由CC2530 核心模塊、存儲(chǔ)模塊、時(shí)鐘模塊、RS485 通信模塊、LCD12864 顯示模塊、按鍵電路模塊組成，其中CC2530 核心模塊不僅可以進(jìn)行組網(wǎng)，還可以進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的處理。路由器節(jié)點(diǎn)，僅僅保留協(xié)調(diào)器CC2530 核心模塊、LCD12864 顯示模塊、按鍵電路模塊即可，故只需對(duì)協(xié)調(diào)器硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后對(duì)其進(jìn)行裁剪，即可完成路由器的電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)計(jì)需求，存儲(chǔ)模塊選用了外部鐵電存儲(chǔ)芯片F(xiàn)M24CL64，時(shí)鐘模塊選用DS3231 芯片，采用的均是典型電路，這里不再贅述。

RS485 通信模塊采用了電源隔離設(shè)計(jì)，將主板電源與RS485 模塊隔離開，并且主控芯片通過高速光耦發(fā)送和接受數(shù)據(jù)。由于酒廠環(huán)境復(fù)雜，RS485通信模塊還使用了瞬態(tài)電壓抑制器與正溫度系數(shù)電阻組合模式來保護(hù)接口。RS485 通信模塊原理圖如圖4 所示。

圖4 RS485 通信模塊原理圖

2.3 終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)

終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)主要包括CC2530 核心模塊、信號(hào)處理電路模塊、LCD12864 顯示模塊、按鍵電路模塊。

鉑熱電阻PT1000 溫度傳感器是由鉑絲繞在云母骨架上經(jīng)過比較復(fù)雜的工藝制作而成[5]，它的阻值和溫度成一定的函數(shù)關(guān)系，精確地測(cè)出其電阻值就可以獲得準(zhǔn)確的溫度值[6]。PT1000 具有測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好、耐腐蝕等特點(diǎn)，完全滿足在窖池內(nèi)發(fā)酵環(huán)境下進(jìn)行溫度采集。

PT1000 溫度傳感器需要通過信號(hào)處理電路將電阻值的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化。其中由電阻橋的形式輸出的電壓值可根據(jù)如下公式(1)進(jìn)行計(jì)算。窖池溫度信號(hào)處理模塊電路如圖5 所示。

圖5 窖池溫度信號(hào)處理模塊電路圖

由電阻橋的形式輸出的電壓值需要通過放大濾波電路處理，然后將處理后的電壓值供給CC2530F256 核心模塊的內(nèi)部A/D 采集模塊進(jìn)行處理，然后將其轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的溫度值在LCD12864 顯示模塊上顯示，其中按鍵電路模塊可以方便操作人員進(jìn)行相關(guān)設(shè)置。

2.4 電源模塊

協(xié)調(diào)器與路由器的供電模塊比較簡(jiǎn)單，先通過電源適配器將220V 轉(zhuǎn)為5V，然后通過一個(gè)低壓差穩(wěn)壓芯片HT7333 將5V 降為3.3V。協(xié)調(diào)器與路由器的供電模塊原理圖如圖6 所示。

圖6 協(xié)調(diào)器與路由器的供電模塊

終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)電源模塊在正常工作模式時(shí)為整個(gè)節(jié)點(diǎn)提供電源，在休眠模式時(shí)除了為按鍵電路和CC2530F256 核心模塊供電以外其余的均處于斷電狀態(tài)。該電源模塊包括充電電路、降壓電路、升壓電路以及電荷泵電路，充電電路給3.7V 的鋰電池充電，3.7V 的鋰電池經(jīng)過低壓差穩(wěn)壓芯片HT7333 降為3.3V 給核心控制模塊與人機(jī)交互模塊供電。3.7V 電壓經(jīng)過升壓電路升壓到5.1V，再經(jīng)過電荷泵電路得到-5.1V，供給溫度信號(hào)處理電路使用。終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)電源模塊原理圖如圖7所示。

圖7 終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)電源模塊原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于ZigBee 技術(shù)的窖池固態(tài)發(fā)酵溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要由監(jiān)測(cè)終端系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和上位機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)組成。

3.1 ZigBee 協(xié)議棧

監(jiān)測(cè)終端系統(tǒng)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)選擇的微控制器均是CC2530 核心模塊，該模塊支持ZigBee 協(xié)議棧，在進(jìn)行監(jiān)測(cè)終端系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)程序的設(shè)計(jì)時(shí)，只需要在ZigBee 協(xié)議棧的應(yīng)用層進(jìn)行相關(guān)程序設(shè)計(jì)，然后在其他層進(jìn)行相應(yīng)修改即可。ZigBee 協(xié)議棧能夠直接在IAR 集成開發(fā)環(huán)境使用，進(jìn)行相關(guān)配置，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)終端系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)程序的開發(fā)和調(diào)試。ZigBee 協(xié)議棧是將各個(gè)層定義的協(xié)議都集合在一起，以函數(shù)的形式實(shí)現(xiàn)，并給用戶提供API(應(yīng)用層)，用戶可以直接調(diào)用。通過使用ZigBee 協(xié)議棧來使用這個(gè)ZigBee 協(xié)議，從而實(shí)現(xiàn)無線通信功能，即數(shù)據(jù)發(fā)送和接收[7]。ZigBee 協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)圖如圖8 所示。

圖8 ZigBee 協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)圖

3.2 監(jiān)測(cè)終端系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)終端系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)程序、路由器節(jié)點(diǎn)程序和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序。監(jiān)測(cè)終端系統(tǒng)是為了實(shí)現(xiàn)窖池溫度值數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸，其中終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)主要是完成窖池溫度值的采集和處理，然后將數(shù)據(jù)上傳給協(xié)調(diào)器。終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)程序首先調(diào)用SampleApp_Init()函數(shù)進(jìn)行初始化工作，然后判斷是否達(dá)到采集周期設(shè)定值，如果達(dá)到了，則進(jìn)入輪詢模式，在輪詢模式中需要在應(yīng)用層(APL)調(diào)用SampleApp_ProcessEvent()函數(shù)處理相應(yīng)的事件。由于窖池的環(huán)境比較復(fù)雜，該系統(tǒng)要求整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)終端的續(xù)航能力強(qiáng)，并且鋰電池組模塊的容量有限，則需要考慮軟件上的低功耗設(shè)計(jì)，因此在所有的事件都處理完成后進(jìn)入PM2 休眠模式，從而達(dá)到降低功耗的目的，其中需要根據(jù)數(shù)據(jù)變化的實(shí)際情況和理論規(guī)律,配置不同的采樣周期[8]，當(dāng)程序設(shè)定的采集數(shù)據(jù)周期達(dá)到設(shè)定值時(shí)或者有外部中斷產(chǎn)生則進(jìn)行中斷喚醒，進(jìn)入正常工作狀態(tài)，如果出現(xiàn)斷電或者斷網(wǎng)，終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)需要進(jìn)行重啟。終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)程序流程如圖9 所示。

圖9 終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)程序流程圖

鉑熱電阻PT1000 溫度傳感器的模擬輸出信號(hào)與所檢測(cè)的溫度模擬量有很好的線性關(guān)系，采用“兩點(diǎn)法”校準(zhǔn)，即測(cè)定兩種溫度下對(duì)應(yīng)的模擬輸出值，從而得到模擬輸出信號(hào)與所檢測(cè)的溫度模擬量的對(duì)應(yīng)關(guān)系系數(shù)與偏移量。

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)首先完成無線通信網(wǎng)絡(luò)的建立，然后完成數(shù)據(jù)的接收、存儲(chǔ)和上傳給上位機(jī)系統(tǒng)，而路由器節(jié)點(diǎn)主要完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，兩者的程序設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，這里就不再敘述。

3.3 上位機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)系統(tǒng)軟件使用的是南京新迪生軟件技術(shù)有限公司的態(tài)神組態(tài)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)的，它主要負(fù)責(zé)接收使用MODBUS-RTU 通訊協(xié)議通過RS485 通信總線上傳的數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和處理，最后將窖池的溫度值進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示出來，并且顯示窖池溫度的歷史變化趨勢(shì)曲線，酒廠窖池智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主界面如圖10 所示。

圖10 酒廠窖池智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主界面

通過將上位機(jī)進(jìn)行P2P(點(diǎn)對(duì)點(diǎn)對(duì)等網(wǎng)絡(luò)技術(shù))配置，就可以使用云功能。這時(shí)候就可以將基于ZigBee 技術(shù)的窖池固態(tài)發(fā)酵溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)置于云上，同時(shí)也將工程ID 和密碼都將置于云上，用戶就可以通過手機(jī)終端直接監(jiān)控到現(xiàn)場(chǎng)?；赯igBee 技術(shù)的窖池固態(tài)發(fā)酵溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的手機(jī)客戶端總覽圖如圖11 所示。

圖11 基于ZigBee 技術(shù)的窖池固態(tài)發(fā)酵溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的手機(jī)客戶端總覽圖

由于態(tài)神組態(tài)軟件具有Modbus-RTU 驅(qū)動(dòng)模塊，因此在態(tài)神組態(tài)軟件中需要新建一個(gè)進(jìn)行Modbus-RTU 通信協(xié)議的通信IO 通信設(shè)備，再對(duì)該IO 設(shè)備通信進(jìn)行基本配置，同時(shí)確定該設(shè)備的IO 通信信道。最后對(duì)創(chuàng)建IO 通信變量的寄存器類型、寄存器地址等參數(shù)進(jìn)行配置即可。上位機(jī)系統(tǒng)Modbus-RTU 驅(qū)動(dòng)的窖池1 終端的IO 通信變量主要參數(shù)配置表如表1 所示。

表1 上位機(jī)系統(tǒng)Modbus-RTU驅(qū)動(dòng)的窖池1終端的IO通信變量主要參數(shù)配置表

4 系統(tǒng)測(cè)試與數(shù)據(jù)分析

基于ZigBee 技術(shù)的窖池固態(tài)發(fā)酵溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，需要進(jìn)行實(shí)地測(cè)試，測(cè)試該系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)情況,以及該系統(tǒng)在復(fù)雜的窖池環(huán)境中的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。

進(jìn)行實(shí)地測(cè)試時(shí)，首先將協(xié)調(diào)器通過RS485 轉(zhuǎn)RS232 的接口模塊與PC 電腦連接，啟動(dòng)協(xié)調(diào)器進(jìn)行組建網(wǎng)絡(luò)，然后將監(jiān)測(cè)終端插入窖池中，啟動(dòng)監(jiān)測(cè)終端和路由器，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置后，系統(tǒng)正常運(yùn)行，監(jiān)測(cè)終端和路由器入網(wǎng)成功，上位機(jī)系統(tǒng)接收到上傳上來數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示并記錄到事件表格中。

使用該系統(tǒng)與人工采集兩種方式將某酒廠隨機(jī)抽取的3 個(gè)不同窖池在90 d 發(fā)酵周期內(nèi)同一時(shí)間的溫度采集下來并記錄到表格中，然后通過折線圖顯示出來，人工采集窖池歷史溫度趨勢(shì)圖如圖12 所示。系統(tǒng)采集窖池歷史溫度趨勢(shì)圖如圖13所示。

圖12 某酒廠3 個(gè)不同窖池在人工采集下的溫度趨勢(shì)圖

由于白酒的發(fā)酵周期一般在2～3 個(gè)月，故在本次實(shí)地測(cè)試中，該系統(tǒng)設(shè)置成以10 d 為一個(gè)采集周期，采集時(shí)段為90 d，由圖12 和圖13 分析可知，通過上位機(jī)接收到的窖池溫度值與人工采樣的溫度值進(jìn)行比較，兩者保持基本一致，平均誤差在0.5 ℃以內(nèi)，滿足實(shí)際使用的需求。通過與該廠車間的技術(shù)人員進(jìn)行交流，該系統(tǒng)在發(fā)酵周期內(nèi)所得的窖池溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果能夠準(zhǔn)確反映白酒發(fā)酵的實(shí)際情況，數(shù)據(jù)可靠。在實(shí)地測(cè)試時(shí)段內(nèi)，定期查看了該系統(tǒng)的運(yùn)行情況，系統(tǒng)運(yùn)行正常。

通過測(cè)試結(jié)果可知該系統(tǒng)滿足系統(tǒng)的功能需求，并且在復(fù)雜的窖池環(huán)境中的實(shí)時(shí)性高，穩(wěn)定性好。

5 結(jié)束語

本文針對(duì)國內(nèi)窖池的溫度監(jiān)測(cè)仍然采用傳統(tǒng)的人工監(jiān)測(cè)的方式提出了一種基于ZigBee 技術(shù)的窖池固態(tài)發(fā)酵溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)將Zig-Bee 無線通信技術(shù)設(shè)計(jì)、低功耗設(shè)計(jì)以及上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)合在一起，解決了傳統(tǒng)人工監(jiān)測(cè)采集工作量大、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析繁瑣、窖池電纜進(jìn)行供電布線復(fù)雜等各方面的不足，通過實(shí)地監(jiān)測(cè)測(cè)試的結(jié)果表明，該在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果可靠，系統(tǒng)的穩(wěn)定性好，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，平均誤差控制在0.5 ℃以內(nèi)，滿足實(shí)際使用的需求。實(shí)現(xiàn)了窖池溫度在線監(jiān)測(cè)自動(dòng)化，能夠在上位機(jī)實(shí)時(shí)直觀的監(jiān)測(cè)窖池溫度值的變化和發(fā)酵趨勢(shì)，如果將該系統(tǒng)與工廠的控制系統(tǒng)進(jìn)行互聯(lián)，能夠大大的提高白酒生產(chǎn)的品質(zhì)和效率。該系統(tǒng)的應(yīng)用前景比較好，可擴(kuò)展到其他應(yīng)用領(lǐng)域。