基于無線傳感網(wǎng)的酒窖監(jiān)測探桿設計研究

石 磊，張明軍

(阜陽職業(yè)技術(shù)學院 計算機系，安徽 阜陽 236031）

智能化生產(chǎn)是未來工業(yè)生產(chǎn)的核心，依托信息技術(shù)與工業(yè)技術(shù)的高度融合，實現(xiàn)“智能工廠”和“智能生產(chǎn)”。國內(nèi)制造業(yè)，尤其是傳統(tǒng)型生產(chǎn)企業(yè)，將來所要面對的就是如何通過技術(shù)創(chuàng)新進一步提高生產(chǎn)力，把握智能化生產(chǎn)的先機。國內(nèi)白酒類企業(yè)基本都是在傳統(tǒng)手工藝基礎(chǔ)上成長、發(fā)展、壯大，生產(chǎn)流程目前僅實現(xiàn)部分自動化，如自動洗瓶、自動罐裝、自動燈檢、自動貼標等終端環(huán)節(jié)，整個生產(chǎn)流程全方位的自動化遠未實現(xiàn)，智能化更少有涉及。同時，白酒釀制工藝復雜，人工環(huán)節(jié)多且周期長，生產(chǎn)成本居高不下，在白酒市場競爭異常激烈的今天，許多酒廠面臨因發(fā)酵產(chǎn)量不足而使用酒精勾兌滿足產(chǎn)量需求的尷尬局面。

安徽省是白酒生產(chǎn)和消費大省，在國內(nèi)白酒消費市場擁有較高的市場占有率和美譽度。根據(jù)近年來走訪考察皖北多家釀酒企業(yè),了解到在釀酒的主要環(huán)節(jié)基本依賴工人經(jīng)驗判斷和人工操作。如窖池發(fā)酵監(jiān)測環(huán)節(jié)大多通過車間工人定時定點手工檢測和化驗的方式獲取檢測指標，缺乏連續(xù)的數(shù)據(jù)監(jiān)測和分析，這些都成為制約白酒品質(zhì)和產(chǎn)量提高的主要原因[1]。窖池發(fā)酵過程監(jiān)測至關(guān)重要，在人工操作誤差不可避免現(xiàn)狀下，通過技術(shù)手段實現(xiàn)發(fā)酵過程長期、連續(xù)、多層面的數(shù)據(jù)監(jiān)測和自動分析是十分必要的[2-3]。

1 當前窖池發(fā)酵監(jiān)測存在主要問題

1.1 測量不便利

窖池在整個發(fā)酵過程中以固態(tài)及固液混合態(tài)為主，在不同的深度層面區(qū)別大，且白酒發(fā)酵過程處于全密封狀態(tài)，溫度計、濕度計或pH試紙本身長度有限,相對窖池所具有的深度（根據(jù)窖池的大小不同，深度一般在2 m以上）和寬度來說,不方便測量出較深位置和中心區(qū)域的數(shù)據(jù)。

1.2 工作實效性差

大型企業(yè)一般擁有數(shù)百個窖池，如果每個窖池都需要在不同時間點、不同位置、不同深度的監(jiān)測點取樣，獲取包括溫度、濕度、酸度、微生物含量等數(shù)據(jù)，需要處理分析的數(shù)據(jù)量是非常龐大的。技術(shù)員勞動強度大，工作效率低，如果增加工人數(shù)量，勢必增加生產(chǎn)成本。在實際生產(chǎn)中，企業(yè)往往采取多點取樣混合后化驗，有些數(shù)值甚至依靠技術(shù)工人經(jīng)驗估算，準確性大打折扣[4]。

1.3 數(shù)據(jù)不具有連續(xù)性

人工定時觀測的方式很難觀察發(fā)酵過程中各類指標連續(xù)變化的趨勢，不便于對發(fā)酵過程做出系統(tǒng)的分析與判斷，也不利于發(fā)酵工藝的改進與提高[5-6]。同時人工記錄數(shù)據(jù)錄入錯誤或漏記的情況時有發(fā)生，不同工人監(jiān)測點位置難以統(tǒng)一，測得歷史數(shù)據(jù)的對比性較差，失去參考價值。

1.4 不符合企業(yè)現(xiàn)代化管理要求

較陳舊的數(shù)據(jù)監(jiān)測與記錄方式，與現(xiàn)代化、信息化、自動化的企業(yè)發(fā)展理念及發(fā)展方向格格不入，勢必會對企業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生不利的影響，采用智能化的監(jiān)測與管理方式是企業(yè)必須重視和優(yōu)先發(fā)展的方向，有利于提升效率和降低管理成本。

2 基于無線傳感網(wǎng)的監(jiān)測探桿設計

無線傳感器網(wǎng)絡[7]（wireless sensor networks,WSN）是一種分布式傳感器網(wǎng)絡，末梢是由各種類型的大量靜止或移動的感知傳感器構(gòu)成，通過自組織和多跳方式構(gòu)建無線網(wǎng)絡，能夠自動感知、采集、處理區(qū)域范圍內(nèi)的信息，還可以跟互聯(lián)網(wǎng)進行有線和無線方式連接進行數(shù)據(jù)傳輸。目前無線傳感器網(wǎng)絡發(fā)展迅速，發(fā)達國家普遍重視無線傳感網(wǎng)的發(fā)展和應用，如在葡萄酒生產(chǎn)領(lǐng)域，早在2002年英特爾公司就在美國的俄勒岡州維拉梅特谷地的葡萄園建成無線傳感網(wǎng)實驗基地[8]，通過常年的連續(xù)監(jiān)測和分析，驗證葡萄酒的酒質(zhì)與葡萄生長過程中日照、溫濕度之間的密切關(guān)系。本文針對目前釀酒工業(yè)窖池環(huán)境監(jiān)測人工操作的不足，利用WSN技術(shù)的全面感知、可靠傳輸和智能處理等特點，實時在線監(jiān)測分析窖池中參數(shù)變化，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集實時化、傳輸無線化、分析智能化。

2.1 監(jiān)測探桿設計模型

考慮到窖池實際環(huán)境，設計便攜式監(jiān)測探桿，需要結(jié)合常見白酒窖池的大小和深度來設計節(jié)點探桿的外形和材質(zhì)；窖池發(fā)酵環(huán)境溫度高、腐蝕性強，發(fā)酵期間與空氣隔段，不方便布置線纜連接；白酒發(fā)酵過程復雜，觀測指標類型不一，需要根據(jù)檢測需要更換不同類型的傳感器。

因此探桿在設計上需要滿足以下五個方面：一是數(shù)據(jù)采集和發(fā)送采用無線傳輸方式進行；二是材質(zhì)要能夠長期在酸性環(huán)境中不受腐蝕影響，采用食品級不銹鋼材料，避免污染酒糟；同時發(fā)酵過程中窖池含水量增加，要具有防水性；探桿還要具有一定的剛度和韌度，方便插入窖池的不同位置進行布置和取出；三是探桿要攜帶鋰電池，窖池發(fā)酵期間要進行封閉，與空氣隔段，因此探桿在發(fā)酵期間無需額外供電便可滿足發(fā)酵期間傳感器數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)路數(shù)據(jù)收發(fā)；四是傳感器在探桿的數(shù)量分布和位置要根據(jù)窖池檢測需求進行合理放置，同時還要具有擴展性，方便后期維護和更換不同類型的傳感器，初步規(guī)劃分三層安置溫度傳感器進行溫度監(jiān)測，部分探桿安裝pH值傳感器監(jiān)測酸度變化；五是考慮窖池環(huán)境特殊性，各類傳感器必須是工業(yè)級傳感器，防護等級達到IP65，封裝后通過電纜連接到頂部的處理節(jié)點，圖1為窖池監(jiān)測探桿平面設計圖。

2.2 監(jiān)測探桿硬件設計

探桿配備溫度傳感器和pH值傳感器；監(jiān)測節(jié)點通過ZigBee無線通信網(wǎng)絡將實時采集的傳感數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)關(guān)；網(wǎng)關(guān)將ZigBee數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為有線局域網(wǎng)數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)絡服務器；硬件的控制芯片采用TI公司的CC2530，它的內(nèi)部包含有增強型8051 CPU，具有低功耗的特點，且支持Zigbee應用方案；溫度測量采用數(shù)字傳感器，將溫度傳感器放在酒窖里，通過CC2530讀取溫度傳感器測量得到的溫度參數(shù)，并轉(zhuǎn)換為標準的溫度值；采用工業(yè)用pH值傳感器，仍然由CC2530控制pH值傳感器，并讀取轉(zhuǎn)換后的pH值；整個硬件電路采用電池供電，通過設計充電電路，可以對電池方便的充電；整體由三點溫度傳感器(窖池底部、中部、上部)、一點pH值傳感器、處理器和通信接口組成[9]。圖2為采集節(jié)點電路板。

圖1 主桿、溫度傳感器和pH傳感器套件設計圖

圖2 采集節(jié)點電路板

2.3 數(shù)據(jù)傳輸與分析

窖池現(xiàn)場布設ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡，同時設置一個網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)的作用是實現(xiàn)ZigBee數(shù)據(jù)和有線局域網(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。傳輸網(wǎng)絡負責對所收集到的數(shù)據(jù)進行分析處理，同時建立適用于窖池環(huán)境監(jiān)測的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，將數(shù)據(jù)傳輸給應用層，進行更全面和直觀的展示，方便監(jiān)管人員對窖池環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)測。利用網(wǎng)絡服務器匯聚、存儲、解析監(jiān)測現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)，提供信號監(jiān)測的Web服務，既可直觀全面查詢當前窖池環(huán)境狀態(tài)信息，也可為酒類生產(chǎn)提供測算依據(jù)。圖3為數(shù)據(jù)解析與傳輸方式示意圖。

每個采集周期網(wǎng)關(guān)會向節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包的廣播信號喚醒節(jié)點，節(jié)點對比分析網(wǎng)關(guān)是否向該節(jié)點請求數(shù)據(jù)，確認后分類型返回監(jiān)測數(shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)收集到每個窖池的數(shù)據(jù)后，立即打包發(fā)至服務器與安卓平板，實現(xiàn)互為備份，且負載較為均衡。Zigbee到網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)關(guān)到數(shù)據(jù)庫以及平板的通信都采用UDP協(xié)議。

圖3 數(shù)據(jù)解析與傳輸方式

2.4 實際監(jiān)測效果

以3號窖池一個發(fā)酵周期監(jiān)測數(shù)據(jù)分析為例，圖4能直觀的反映出發(fā)酵過程中溫度的變化趨勢，窖池上中下三層溫度在入窖的第一周內(nèi)普遍上升較快，隨后逐漸平穩(wěn)下降，反映出微生物在發(fā)酵初期繁殖較快，產(chǎn)生的呼吸熱使窖池升溫迅速，中后期酒精含量逐步增加后微生物活動趨于平衡，溫度也逐步趨于穩(wěn)定[10-11]。圖5中pH值整體變化在3.7～4.4范圍內(nèi)，反映出發(fā)酵初期酸的含量較為平穩(wěn)，隨著發(fā)酵的持續(xù)進行，大量產(chǎn)生有機酸，黃水中酸度在不斷的增加，其中微生物的活動酸含量有小范圍的波動，后期趨于穩(wěn)定。

3 小結(jié)

無線監(jiān)測探桿的使用，方便采集窖池上、中、下部不同深度的發(fā)酵料溫度，能真實的反映發(fā)酵全過程，同時根據(jù)設定時間間隔自動完成數(shù)據(jù)采集，對窖池內(nèi)溫度和pH值數(shù)據(jù)變化記錄更加精確。通過歷史數(shù)據(jù)對比分析，可以合理調(diào)控入池酸堿度、溫濕度，保證窖池在發(fā)酵升溫更合理可控，不斷提升白酒的品質(zhì)。

酒窖信息的遠距離和實時監(jiān)控成為現(xiàn)實，工作人員通過手機端或PC端可以實時查看變化，減少工作人員勞動強度，節(jié)約人力成本。后期根據(jù)窖池實際需要，可以進一步完善酒精度、水含量等其他環(huán)境變量的監(jiān)測，更加精確的把握發(fā)酵周期的各個環(huán)節(jié)。本裝置適用于普通白酒生產(chǎn)企業(yè)的窖池監(jiān)測，具有較好的推廣應用價值。

圖4 分層溫度值變化曲線圖

圖5 pH值變化曲線圖

圖6 監(jiān)測探桿現(xiàn)場圖

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