一種固態(tài)發(fā)酵窖池酸度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

◎文/殷李敏 郝標(biāo)

（安徽大學(xué)電子信息工程學(xué)院 安徽金種子酒業(yè)股份有限公司）

以固態(tài)發(fā)酵為基礎(chǔ)的白酒釀造是我國傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝[1]。固態(tài)發(fā)酵是微生物在基本沒有游離水的固態(tài)基質(zhì)上的發(fā)酵方式，利用微生物群落代謝過程將發(fā)酵糧醅中的糖類轉(zhuǎn)化成酒精，是一個(gè)比較緩慢的生化反應(yīng)過程[2,3]。目前固態(tài)發(fā)酵數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，尤其是酸度、酒精度數(shù)據(jù)，完全依靠“人工采樣+理化測(cè)量統(tǒng)計(jì)”實(shí)現(xiàn)，操作過程繁瑣，數(shù)據(jù)離散，無法滿足發(fā)酵過程信息化監(jiān)測(cè)需求。

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，白酒窖池黃水酸度自動(dòng)在線檢測(cè)儀可以監(jiān)測(cè)窖池內(nèi)黃水的酸度值，進(jìn)而估算發(fā)酵糧醅酸度變化，但存在一定誤差。本系統(tǒng)可直接監(jiān)測(cè)窖池發(fā)酵糧醅的酸度值變化情況，并通過無線傳輸方式上傳至上位機(jī)監(jiān)測(cè)處理平臺(tái)，直觀展示發(fā)酵周期內(nèi)窖池的酸度變化趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高效數(shù)據(jù)處理，提高了發(fā)酵監(jiān)測(cè)的信息化程度，為后續(xù)發(fā)酵工藝改進(jìn)提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐。

一、總體方案設(shè)計(jì)

固態(tài)發(fā)酵窖池酸度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要分為三大部分：采集數(shù)據(jù)的酸度值采集單元、接收并傳輸數(shù)據(jù)的協(xié)調(diào)器單元及人機(jī)交互的上位機(jī)顯示平臺(tái)。酸度值采集單元是以Zigbee技術(shù)的CC2530芯片為微控制器，通過酸度傳感器實(shí)時(shí)采集酸度數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，以無線方式傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器單元；協(xié)調(diào)器單元組建網(wǎng)絡(luò)，等待酸度采集單元加入網(wǎng)絡(luò)；上位機(jī)顯示平臺(tái)通過組態(tài)軟件，將采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在屏幕上，能夠直觀反映發(fā)酵周期的酸度數(shù)據(jù)變化。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件系統(tǒng)主要包括窖池酸度采集單元和協(xié)調(diào)器單元。

1.酸度采集單元

酸度采集單元主要負(fù)責(zé)窖池酸度數(shù)據(jù)采集與傳輸，由電源模塊、酸度傳感器、數(shù)據(jù)處理模塊、CC2530核心控制模塊和顯示模塊組成，其硬件系統(tǒng)見圖2。電源模塊包含3.7V電源電路、降壓電路、升壓電路等電源調(diào)理電路。數(shù)據(jù)處理模塊包含信號(hào)放大電路、濾波電路等信號(hào)處理電路。顯示模塊包含LCD顯示屏和按鍵處理電路，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。工作時(shí)，通過電源模塊給電路上電初始化。系統(tǒng)穩(wěn)定工作后，酸度傳感器負(fù)責(zé)采集窖池酸度值，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行信號(hào)放大、濾波等，再由CC2530核心控制模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸并在顯示模塊中顯示。

工業(yè)在線酸度傳感器的檢測(cè)范圍是0～14，使用溫度0～100℃，球泡耐壓0.6MPa，具有耐高溫、耐腐蝕、耐強(qiáng)酸強(qiáng)堿等特點(diǎn)。白酒生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，發(fā)酵周期間窖池內(nèi)的酸度范圍是1～6，溫度最高在40℃左右，所以此款傳感器滿足使用條件。以CC2530為核心的控制模塊，可以對(duì)酸度采集單元實(shí)現(xiàn)整體控制，內(nèi)置RF收發(fā)電路，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。

2.協(xié)調(diào)器單元

協(xié)調(diào)器單元在本系統(tǒng)中主要功能是收集酸度采集單元的數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)并上傳至上位機(jī)，其由電源模塊、時(shí)鐘模塊、存儲(chǔ)模塊、RS485通信模塊、CC2530核心控制模塊和顯示模塊組成。其模塊硬件框圖與圖2類似，工作時(shí)，通過電源模塊給電路上電初始化。系統(tǒng)穩(wěn)定工作后，將酸度采集單元的數(shù)據(jù)經(jīng)過存儲(chǔ)模塊，經(jīng)過CC2530核心控制模塊將數(shù)據(jù)通過RS485通信模塊上傳至上位機(jī)。其中的時(shí)鐘模塊主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)性，提供準(zhǔn)確的時(shí)間數(shù)據(jù)，如年、月、日等。

圖2 酸度采集單元硬件系統(tǒng)

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是基于TI公司Z-Stack協(xié)議棧進(jìn)行相關(guān)的應(yīng)用程序開發(fā)[4]。

1.酸度校準(zhǔn)程序及設(shè)計(jì)

酸度傳感器輸出的模擬信號(hào)與被檢測(cè)的酸度模擬量具有良好的線性關(guān)系，可以采用線性關(guān)系來校準(zhǔn)[5]，酸度校準(zhǔn)流程見圖3。采用數(shù)學(xué)關(guān)系兩點(diǎn)確定一條直線來進(jìn)行校準(zhǔn)，分別采集兩個(gè)不同狀態(tài)下的模擬量與對(duì)應(yīng)的AD轉(zhuǎn)換值，如計(jì)算酸度時(shí)分別測(cè)酸度值等于3.4和酸度值等于5.2的模擬轉(zhuǎn)換值，采用公式（y=k*x+b）計(jì)算。式中，y表示模擬信號(hào)，x表示AD轉(zhuǎn)換值，k表示關(guān)系比，b表示偏移量。

圖3 酸度校準(zhǔn)流程

2.通訊實(shí)現(xiàn)

酸度采集單元和協(xié)調(diào)器單元之間通過CC2530射頻收發(fā)模塊，在基于Zigbee協(xié)議通信基礎(chǔ)下，采用無線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。其工作過程為：上電初始化后系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)，協(xié)調(diào)模塊開始建立網(wǎng)絡(luò)，等待酸度采集單元加入網(wǎng)絡(luò)[6]。酸度采集單元上電初始化后進(jìn)入工作狀態(tài)，不斷掃描，尋找網(wǎng)絡(luò)，獲取網(wǎng)絡(luò)號(hào)并加入網(wǎng)絡(luò)。成功加入網(wǎng)絡(luò)后，酸度采集單元將采集處理后的數(shù)據(jù)以無線傳輸方式發(fā)送到協(xié)調(diào)器單元，實(shí)現(xiàn)酸度采集單元與協(xié)調(diào)器單元之間的通信。模塊通信流程見圖4。

圖4 模塊通信流程

上位機(jī)軟件是基于南京辛迪生公司的態(tài)神組態(tài)軟件開發(fā)的，其界面友好，能直觀地觀察到實(shí)時(shí)的酸度數(shù)據(jù)以及繪制發(fā)酵周期內(nèi)的變化曲線[6]。協(xié)調(diào)器單元和上位機(jī)之間的通信是基于RS-485總線的Modbus通信協(xié)議。酸度采集模塊將采集的數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器單元后，協(xié)調(diào)器單元通過RS-485總線將接收到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)顯示平臺(tái)。

四、系統(tǒng)測(cè)試與數(shù)據(jù)分析

為了測(cè)試整個(gè)系統(tǒng)裝置的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和傳輸穩(wěn)定性，采用實(shí)地環(huán)境進(jìn)行測(cè)試，整個(gè)系統(tǒng)裝置在安徽金種子酒業(yè)股份有限公司的固態(tài)發(fā)酵窖池實(shí)驗(yàn)車間進(jìn)行周期兩個(gè)月的全程在線測(cè)試[7]。

實(shí)驗(yàn)中選用的固態(tài)發(fā)酵窖池長4m，寬2m，高1.8m（包含發(fā)酵糧醅高出窖池面30cm）。酸度傳感器放置在底部便于與發(fā)酵物接觸，信號(hào)處理與傳輸單元放置在測(cè)試桿頂部，整個(gè)桿長2m（可根據(jù)不同窖池深度作調(diào)整）。

圖5 窖池酸度變化曲線

白酒固態(tài)發(fā)酵是一個(gè)很緩慢的生化過程，窖池的酸度值不會(huì)突變，一般4～6天出現(xiàn)明顯數(shù)值變化?？紤]到不同窖池的不同環(huán)境，選取3個(gè)窖池同步測(cè)試，分別編號(hào)為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)，排除數(shù)據(jù)單一化的因素。安排一名技術(shù)人員同步進(jìn)行人工取樣采集數(shù)據(jù)，以備和酸度采集裝置采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。兩個(gè)月的測(cè)試期間，以5天為一個(gè)數(shù)據(jù)采集周期，每個(gè)窖池總共采集12個(gè)數(shù)據(jù)。經(jīng)過數(shù)據(jù)整理，組態(tài)軟件繪制出窖池酸度值變化曲線（見圖5）。

從圖5可以直觀地看出，窖池的酸度變化前期上升、中期上升到最高、后期出現(xiàn)下降趨勢(shì)，最后趨于穩(wěn)定狀態(tài)。將酸度采集裝置采集的數(shù)據(jù)和人工取樣采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率在98.8%左右，整體發(fā)酵酸度變化趨勢(shì)基本吻合，表明本系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)的要求，能夠準(zhǔn)確、穩(wěn)定地采集數(shù)據(jù)。

五、結(jié)論

這種固態(tài)發(fā)酵窯池酸度在線檢測(cè)系統(tǒng)突破傳統(tǒng)人工采集數(shù)據(jù)的缺點(diǎn)，能夠全程在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。實(shí)地測(cè)試表明，本系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、穩(wěn)定、可靠性高，且整體結(jié)構(gòu)簡單，便于安裝維護(hù)，有利于白酒固態(tài)發(fā)酵智能化監(jiān)測(cè)和管理。