凌鵬鵬, 肖無(wú)病, 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

在中國(guó)多種白酒的釀造工藝中，需要對(duì)作物進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵。發(fā)酵窖池密閉性強(qiáng)，發(fā)酵周期長(zhǎng)，發(fā)酵過(guò)程中窖池環(huán)境有明顯階段性酒精度變化。監(jiān)測(cè)酒精度變化并及時(shí)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(cè)試技術(shù)對(duì)窖池進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)成本高，頻率低，對(duì)窖池密封性破壞較為嚴(yán)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(cè)儀器。

1 總體設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)桿為三個(gè)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，分別包括：感知層設(shè)計(jì)、信息處理層層設(shè)計(jì)、信息傳輸層設(shè)計(jì)。感知層傳感器為溫度傳感器和酒精度傳感器。信號(hào)控制器使用STM32F103單片機(jī)，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(guò)終端、協(xié)調(diào)、路由，將整個(gè)窖池廠區(qū)的信號(hào)統(tǒng)一處理，最終將信息傳輸上位機(jī)處理。

2 感知層設(shè)計(jì)

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(cè)周期長(zhǎng)，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(qiáng)，酒精濃度往往超出傳感器最佳量程，需要對(duì)搭建單獨(dú)的氣室環(huán)境進(jìn)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(shí)時(shí)溫度，采集多組數(shù)據(jù)擬合溫度補(bǔ)償。

2.2 信號(hào)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(cè)環(huán)境中的酒精氣體濃度變化，對(duì)應(yīng)的傳感器電阻值也會(huì)發(fā)生改變。利用這一性質(zhì)，構(gòu)造電路獲取實(shí)時(shí)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(shí)的輸出電壓為Vout=(VC×RL)/(RL+RS)。

3 信息處理層設(shè)計(jì)

3.1 控制目標(biāo)

如圖2，整個(gè)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(guò)程超過(guò)2個(gè)月，需要控制感知層的采集頻率以實(shí)現(xiàn)低功耗。信號(hào)采集時(shí)，實(shí)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(jī)的開(kāi)關(guān)。每支探測(cè)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(gè)廠區(qū)所有的控制桿信息通過(guò)組網(wǎng)匯總。

3.2 控制流程

控制器作為一個(gè)設(shè)備的核心處理設(shè)備，需要保證檢測(cè)桿運(yùn)行邏輯的正確性。一個(gè)完整的檢測(cè)過(guò)程有：氣室開(kāi)放、泵機(jī)打開(kāi)、信號(hào)采集電路工作、信號(hào)處理、顯示屏顯示、數(shù)據(jù)發(fā)送等。這些過(guò)程存在著不同的邏輯關(guān)系，檢測(cè)桿的一個(gè)采集過(guò)程邏輯梳理如圖3所示。

圖3 監(jiān)測(cè)桿控制流程圖

4 信號(hào)傳輸層設(shè)計(jì)

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

監(jiān)測(cè)桿內(nèi)部運(yùn)行的信號(hào)傳輸電路的電源來(lái)自于獨(dú)立的鋰電池供電，在一次發(fā)酵完成后電源才能替換和補(bǔ)充。因此，為了滿足發(fā)酵過(guò)程中電能的使用，通信電路的功耗是重要指標(biāo)。無(wú)線傳輸中，ZigBee通信電路功耗低，通信距離約10 m，可通過(guò)添加路由的方式大幅度提高通信距離，對(duì)窖池環(huán)境無(wú)污染，滿足通信需求。協(xié)調(diào)器與上位機(jī)之間采用RS—485通信，通過(guò)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(wèn)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(duì)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(guò)服務(wù)接入SAP進(jìn)行通信。ZigBee堆棧的多數(shù)層都有2個(gè)接口:向上層提供數(shù)據(jù)服務(wù)的數(shù)據(jù)實(shí)體接口和向上層提供訪問(wèn)內(nèi)部參數(shù)和配置的管理實(shí)體接口。

4.2 組網(wǎng)構(gòu)建

樹(shù)型拓?fù)浒粋€(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、多個(gè)路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)連接多個(gè)的路由器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)，路由器可以連接多個(gè)的路由器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是路由器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)，同時(shí)，路由器節(jié)點(diǎn)也可以是終端節(jié)點(diǎn)和其它路由器節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)只可以成為子節(jié)點(diǎn)。這種父子節(jié)點(diǎn)關(guān)系構(gòu)成通信路徑，任意一個(gè)子節(jié)點(diǎn)只能和父節(jié)點(diǎn)直接通信，若需要和其他節(jié)點(diǎn)之間通信，需要父節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)到其他子節(jié)點(diǎn)[4,5]。

網(wǎng)狀拓?fù)浜蜆?shù)型拓?fù)浒墓?jié)點(diǎn)和構(gòu)成父子節(jié)點(diǎn)關(guān)系的方式相同，在網(wǎng)狀拓?fù)涞耐ㄐ怕窂缴细臃奖沆`活。在遵循路由規(guī)則前提下，路由器節(jié)點(diǎn)之間可以直接進(jìn)行通信。當(dāng)一個(gè)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(diǎn)路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。應(yīng)用這個(gè)規(guī)則，網(wǎng)狀拓?fù)淇梢詷?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(hù)功能。一個(gè)廠區(qū)監(jiān)測(cè)桿的數(shù)量往往大于40根，采用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組網(wǎng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性高于樹(shù)型拓?fù)洹?/p>

5 實(shí)測(cè)與展示

5.1 測(cè)試平臺(tái)搭建

監(jiān)測(cè)桿測(cè)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(kāi)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(jī)板控制端接口；7#為電源開(kāi)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(cè)過(guò)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(jì)。量杯頂部用實(shí)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(hào)，放置氣室頂端，管道埋入模擬窖池中。

圖4 測(cè)試平臺(tái)搭建

5.2 測(cè)試過(guò)程

對(duì)監(jiān)測(cè)儀器的功能測(cè)試主要分為5個(gè)方面：電源能耗測(cè)試；電機(jī)運(yùn)行測(cè)試；氣室密閉性測(cè)試；信號(hào)采集測(cè)試；組網(wǎng)測(cè)試。測(cè)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(jī)模塊。當(dāng)硬件上電后，ZigBee組網(wǎng)信號(hào)燈亮起，上位機(jī)頁(yè)面開(kāi)始顯示溫度，系統(tǒng)組網(wǎng)功能正常。信號(hào)采集測(cè)試流程為：改變檢測(cè)周期為連續(xù)監(jiān)測(cè)，啟動(dòng)監(jiān)測(cè)桿；窖池外空氣閥打開(kāi)，窖池內(nèi)空氣閥密閉，電機(jī)運(yùn)行距離為s1;延時(shí)1 min后，窖池外空氣閥密閉，窖池內(nèi)空氣閥打開(kāi)，電機(jī)運(yùn)行距離為s2后停止(s1︰s2=9︰1);兩個(gè)空氣閥關(guān)閉，延時(shí)1 min，酒精濃度采集完成;空氣閥打開(kāi)，電機(jī)復(fù)位。

5.3 實(shí)地測(cè)試

圖4(b)為監(jiān)測(cè)桿投放到安徽某大型酒廠發(fā)酵環(huán)境的實(shí)物圖。監(jiān)測(cè)桿長(zhǎng)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(cè)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(cè)桿正常運(yùn)行一個(gè)發(fā)酵周期。監(jiān)測(cè)桿每6 h采樣監(jiān)測(cè)一次，取每天12時(shí)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?cái)?shù)據(jù)表

6 結(jié) 論

由數(shù)據(jù)可見(jiàn)，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(shí)驗(yàn)人員取樣化驗(yàn)記錄表明酒精濃度含量為(38 000～40 000)×10-6之間。通過(guò)對(duì)人工采集數(shù)據(jù)的比較，監(jiān)測(cè)桿數(shù)據(jù)符合實(shí)際發(fā)酵窖池?cái)?shù)據(jù)。同時(shí)，實(shí)

地投入測(cè)試中，采用的鋰電池電源滿足3個(gè)月的能耗需求，電機(jī)運(yùn)行正常。在發(fā)酵過(guò)程的各個(gè)階段抽樣檢查監(jiān)測(cè)桿，拆分其氣室結(jié)構(gòu)，內(nèi)無(wú)液體殘留和水蒸氣痕跡，密閉性良好。