固態(tài)窖池乙醇濃度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

◎文/丁婕 郝標(biāo) 張力 楊牢記 楊紅文

（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）

固態(tài)發(fā)酵是傳統(tǒng)白酒生產(chǎn)重要的前端制造環(huán)節(jié)。目前，絕大多數(shù)生產(chǎn)企業(yè)對(duì)發(fā)酵期間的窖池采用經(jīng)驗(yàn)式人工管理模式，即通過(guò)定期采樣、理化測(cè)試等破壞型測(cè)量方式，對(duì)窖池的乙醇濃度、酸度等指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，操作繁瑣，人為誤差因素多，且無(wú)法反映整體發(fā)酵趨勢(shì)。

固態(tài)窖池乙醇濃度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)直接插入窖池的監(jiān)測(cè)裝置，全程自動(dòng)監(jiān)測(cè)窖池內(nèi)糧醅的乙醇濃度變化情況，所測(cè)數(shù)據(jù)可通過(guò)無(wú)線傳輸方式上傳到后臺(tái)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，降低了原有繁瑣測(cè)量的工作強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了白酒前端制造的自動(dòng)化。

一、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)主要包含供電模塊、乙醇濃度數(shù)據(jù)采集模塊、無(wú)線傳輸模塊、人機(jī)交互模塊，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。工作過(guò)程為，裝置上電后終端采集節(jié)點(diǎn)主動(dòng)搜尋并申請(qǐng)加入附近網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)被分配到的短地址向其父節(jié)點(diǎn)發(fā)起請(qǐng)求綁定[1]。入網(wǎng)成功后，乙醇濃度數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)窖池的乙醇濃度進(jìn)行采集，采集到的數(shù)據(jù)采用自組織多跳的方式通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綗o(wú)線網(wǎng)關(guān)[2]，最終在后臺(tái)系統(tǒng)上實(shí)時(shí)顯示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

二、硬件設(shè)計(jì)

1.供電模塊

硬件電路含有兩個(gè)供電模塊（見(jiàn)圖2），3.7V鋰電池做降壓和升壓翻轉(zhuǎn)處理，為CC2530核心控制電路、LCD顯示電路、乙醇傳感器調(diào)理電路供電；12V鋰電池單獨(dú)為42步進(jìn)電機(jī)供電。其中3.7V電源模塊選取的穩(wěn)壓芯片是低功耗的低壓差穩(wěn)壓器（LDO）HT7333，其靜態(tài)電流僅為 4μA[3]。

2.乙醇濃度數(shù)據(jù)采集模塊

傳感器在不同濃度的乙醇?xì)怏w中，其內(nèi)部可變電阻的阻值發(fā)生變化，輸出大小不等的電壓信號(hào)。電路設(shè)計(jì)中讓信號(hào)先經(jīng)過(guò)截止頻率為1.5Hz的RC低通濾波電路，再通過(guò)放大跟隨電路獲得有效信號(hào)，使信號(hào)被處理芯片獲取。

3.無(wú)線傳輸模塊

采用CC2530作為主控芯片，設(shè)置單端天線，對(duì)RF_P、RF_N控制口使用電阻、電容、電感三種元器件進(jìn)行收發(fā)電路設(shè)計(jì)，使其實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)匹配。同時(shí)為CC2530提供32MHz和32.768KHz兩個(gè)晶振，32MHz提供高頻作為主時(shí)鐘，32.768KHz提供低頻用來(lái)計(jì)時(shí)，共同完成電路射頻部分的搭建。

4.人機(jī)交互模塊

LCD顯示配合按鍵電路實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，考慮到CC2530I/O口緊缺的情況，裝置中的5個(gè)按鍵共同使用一個(gè)帶有AD轉(zhuǎn)換功能的IO口。改進(jìn)Z-STACK協(xié)議棧中對(duì)按鍵的配置方法，當(dāng)事件被觸發(fā)時(shí)，能夠快速、準(zhǔn)確地得到響應(yīng)和處理。

圖2 乙醇濃度采集終端硬件

5.乙醇濃度測(cè)試機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)使用TGS2620(日本費(fèi)加羅)乙醇傳感器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，該傳感器具有壽命長(zhǎng)、功耗低、后期電路簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，測(cè)量范圍0.05‰～5‰。實(shí)際發(fā)酵過(guò)程中窖池中的乙醇濃度會(huì)超過(guò)乙醇傳感器的測(cè)量范圍，因此需要設(shè)計(jì)一套機(jī)械采集結(jié)構(gòu)滿足實(shí)際使用。

本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)了一個(gè)氣室，裝置如圖3所示。采用一個(gè)百毫升氣密性極好的氣缸作為儲(chǔ)氣裝置，用來(lái)存儲(chǔ)一定混合比的空氣和乙醇?xì)怏w。該氣缸抽排氣體的動(dòng)作操作采用42步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和電磁閥的通斷配合完成，氣缸推桿、絲桿、電機(jī)連軸保持同軸工作，使裝置運(yùn)作平穩(wěn)。氣缸外口處放置限位開(kāi)關(guān)，如系統(tǒng)突然掉電，限位開(kāi)關(guān)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)感知到運(yùn)動(dòng)過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生碰撞觸發(fā)電路，系統(tǒng)重新上電將會(huì)從上次的中斷處繼續(xù)執(zhí)行，以免重新初始化造成裝置的錯(cuò)誤操作。乙醇傳感器通過(guò)螺紋設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)進(jìn)缸體壁上，待混合氣體充分融合后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

針對(duì)固態(tài)窖池中環(huán)境的復(fù)雜性，為對(duì)傳感器進(jìn)行有效保護(hù)設(shè)計(jì)了一套測(cè)試桿，桿長(zhǎng)2m。外觀上粗下細(xì)：上粗部分長(zhǎng)50cm，用來(lái)放置氣室；下細(xì)部分長(zhǎng)150cm，采用三層活動(dòng)套管的形式。在距離測(cè)試桿底部30～80cm之間對(duì)外層套管和第二層套管壁上的同一位置打穿孔，孔徑5mm，豎直方向均勻排布10個(gè)孔。再旋轉(zhuǎn)90°進(jìn)行第二列打孔，依次完成4列。這樣對(duì)二層管旋轉(zhuǎn)45°角可完成對(duì)孔的開(kāi)啟和關(guān)閉。窖池中的乙醇?xì)怏w先是通過(guò)這些孔進(jìn)入測(cè)試桿，再通過(guò)電機(jī)的抽取進(jìn)入氣缸，使乙醇傳感器采集到數(shù)據(jù)。三層管主要是對(duì)裝置中的其他元件進(jìn)行保護(hù)。

圖3 氣室結(jié)構(gòu)裝置

三、軟件設(shè)計(jì)

使用TI公司的CC2530芯片，在Z-STACK協(xié)議棧上實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的建立。在協(xié)議棧中以輪詢?nèi)蝿?wù)事件的方式來(lái)查詢用戶在應(yīng)用層開(kāi)發(fā)的任務(wù)，事件在規(guī)定時(shí)間到達(dá)時(shí)才會(huì)被處理[1]。乙醇傳感器采集終端的AD采集任務(wù)就是通過(guò)這種方式被執(zhí)行，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送至所加入的網(wǎng)絡(luò)中。

為實(shí)現(xiàn)在固態(tài)窖池3個(gè)月發(fā)酵周期內(nèi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)全程工作，軟件設(shè)計(jì)上讓Z-STACK協(xié)議棧工作在PM2模式下。如果沒(méi)有任務(wù)被執(zhí)行，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)進(jìn)入睡眠狀態(tài),直到下次任務(wù)到來(lái)將其喚醒。睡眠時(shí)MCU的休眠電流僅1μA，功耗極低，但是最長(zhǎng)的睡眠時(shí)間僅支持到510s。所以系統(tǒng)對(duì)協(xié)議棧中的osal_pwrmgr_powerconserve()睡眠函數(shù)進(jìn)行處理（見(jiàn)圖4），定時(shí)喚醒協(xié)議棧中的各項(xiàng)任務(wù)，以降低功耗損失。

圖4 睡眠函數(shù)配置流程

采集終端的LCD屏顯示任務(wù)不作周期性喚醒，只能通過(guò)按鍵中斷。因?yàn)榱疗習(xí)?0mA的功耗,所以只在工作人員查看時(shí)才開(kāi)啟。

四、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)本系統(tǒng)裝置通過(guò)模擬環(huán)境測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地測(cè)試進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

模擬環(huán)境測(cè)試驗(yàn)證系統(tǒng)裝置電源的續(xù)航能力。在模擬環(huán)境下，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，所有任務(wù)包括氣室完全工作時(shí)，使用直流電源觀察到所消耗電流為100mA。由此推算，真實(shí)環(huán)境下測(cè)試兩個(gè)月使用6000mAh的3.7V鋰電池可以維持整個(gè)裝置工作。測(cè)試過(guò)程中使用按鍵喚醒CC2530控制板和電機(jī)板，實(shí)際應(yīng)用中采用定時(shí)器控制，完成自動(dòng)操作。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地測(cè)試選取安徽金種子集團(tuán)固態(tài)發(fā)酵窖池，被測(cè)窖池尺寸4m×2m×1.8m，共4個(gè)。測(cè)試步驟如下：

（1）測(cè)試桿的外層管與二層管進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，露出孔，插入窖池中，保證糧醅中的濕潤(rùn)氣體進(jìn)入測(cè)試桿內(nèi)。

（2）加熱乙醇傳感器3～5min后[4],觸發(fā)按鍵使電機(jī)工作。電機(jī)拖動(dòng)氣缸推桿先進(jìn)行一次預(yù)抽氣工作，一方面增加氣體抽取的成功率，另一方面排凈上次工作氣缸內(nèi)可能存在的殘余氣體。

（3）進(jìn)行一次正式抽氣過(guò)程，分別打開(kāi)空氣閥和乙醇閥按4∶1的體積抽取氣體，充滿氣缸。空氣與乙醇?xì)怏w充分混合，采集到的數(shù)據(jù)穩(wěn)定后使電機(jī)反轉(zhuǎn)推動(dòng)氣缸推桿，排出氣體。

（4）將窖池上中下三層的數(shù)據(jù)采集上來(lái)，通過(guò)無(wú)線傳輸方式被協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)接收，協(xié)調(diào)器通過(guò)RS485總線傳送到后臺(tái)系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。

（5）每隔6h進(jìn)行一次以上操作，每次電機(jī)的工作時(shí)間為5min。

五、測(cè)試結(jié)果及分析

由于乙醇傳感器是非線性的，無(wú)法通過(guò)測(cè)量前的自校準(zhǔn)來(lái)保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。本系統(tǒng)經(jīng)過(guò)為期兩個(gè)月的測(cè)試，采集大量數(shù)據(jù)擬合出計(jì)算乙醇濃度的公式，得到窖池內(nèi)各層乙醇濃度值的變化情況。表1是以1號(hào)窖池為例顯示固態(tài)窖池上中下三層采集的部分乙醇濃度值。圖5為4個(gè)窖池在一個(gè)發(fā)酵周期內(nèi)窖池中層所反映的乙醇濃度變化趨勢(shì)。

表1 1號(hào)窖池監(jiān)測(cè)的各層乙醇濃度值 (單位：%vol)

圖5 4個(gè)窖池中層的乙醇濃度的變化趨勢(shì)

從第5天開(kāi)始收集測(cè)試數(shù)據(jù)，此時(shí)酒精濃度較弱，之后趨勢(shì)呈現(xiàn)遞增狀態(tài)，約在發(fā)酵期的30～35d達(dá)到最大。雖在后期有略微的遞減，但基本趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)樵诎l(fā)酵前幾天主要是酵母菌繁殖生長(zhǎng)，沒(méi)有產(chǎn)生乙醇，發(fā)酵25d左右，隨著淀粉的大量消耗以及酵母菌的無(wú)氧呼吸，使窖池內(nèi)的乙醇濃度增大[5,6]。

系統(tǒng)最終的乙醇濃度測(cè)量算法是通過(guò)不斷地將采集值與金種子集團(tuán)給出的實(shí)際值進(jìn)行比較修改，用MATLAB工具軟件獲得，誤差值控制在1%。選取的幾個(gè)窖池內(nèi)酸度、溫度、淀粉量可能稍有不同，使得數(shù)據(jù)值有所不同，但總體趨勢(shì)一致，符合理想標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)能夠滿足乙醇濃度在線監(jiān)測(cè)需求。

六、總結(jié)

數(shù)字化窖池是以感性認(rèn)知指導(dǎo)生產(chǎn)發(fā)展轉(zhuǎn)向以科學(xué)論為基礎(chǔ)組織生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)[7]，同時(shí)也是傳統(tǒng)白酒生產(chǎn)企業(yè)在前端制造中的一個(gè)重大突破。本系統(tǒng)根據(jù)白酒生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)需求和監(jiān)測(cè)需要設(shè)計(jì)，可滿足白酒固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中窖池乙醇?xì)怏w濃度全程自動(dòng)在線采集、監(jiān)測(cè)、分析功能，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性高，裝置可靠性強(qiáng)，具有很強(qiáng)的應(yīng)用前景。[本研究受基金項(xiàng)目安徽省2017年重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目《基于云技術(shù)的固態(tài)發(fā)酵智能車(chē)間建設(shè)與示范應(yīng)用》（項(xiàng)目編號(hào)1704a0902046）的資助。]