白酒固態(tài)發(fā)酵溫度可視化分析系統(tǒng)研究

李隨群，高 祥，居錦武，王文杰

（1.四川輕化工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，四川自貢 643000；2.四川輕化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川自貢 643000）

白酒固態(tài)發(fā)酵是一個(gè)微妙的過(guò)程，影響因素很多，研究表明，影響發(fā)酵的主要因素之一是溫度[1-2]。發(fā)酵溫度改變微生物的生長(zhǎng)代謝的環(huán)境，從而影響微生物的數(shù)量及代謝物的質(zhì)量[3]，因此，及時(shí)準(zhǔn)確的掌握溫度變化對(duì)白酒發(fā)酵過(guò)程極其重要。陳丙友等[4]發(fā)現(xiàn)發(fā)酵溫度及其變化趨勢(shì)對(duì)微生物群落生長(zhǎng)和代謝產(chǎn)生顯著影響；游玲等[5]研究發(fā)現(xiàn)，溫度變化會(huì)對(duì)白酒發(fā)酵過(guò)程中酒醅理化指標(biāo)、典型微生物數(shù)量、主要揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)有影響。蒲嵐等[6]認(rèn)為，調(diào)控發(fā)酵溫度有助于控制對(duì)酒醅香味變化規(guī)律和基酒質(zhì)量的控制。由此可知，發(fā)酵溫度是影響白酒發(fā)酵品質(zhì)的主要因素。

目前大多數(shù)酒廠對(duì)白酒發(fā)酵過(guò)程中溫度的監(jiān)測(cè)采用人工操作儀表和有線自動(dòng)測(cè)量?jī)煞N方式。人工測(cè)量溫度每次插入窖池的深度和位置不準(zhǔn)確，會(huì)增大人為測(cè)量數(shù)據(jù)誤差，插入酒糟測(cè)量溫度會(huì)改變發(fā)酵環(huán)境，影響微生物的發(fā)酵狀態(tài)。另外，人工測(cè)量同一時(shí)段單次只能獲取少量窖池的溫度值，不能快速測(cè)出同時(shí)段所有窖池不同層次的發(fā)酵溫度，同時(shí)也不能直觀地分析對(duì)比酒醅的發(fā)酵狀況。根據(jù)白酒固態(tài)發(fā)酵的需求，設(shè)計(jì)了白酒發(fā)酵溫度可視化系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成嵌入式技術(shù)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了窖池內(nèi)酒醅發(fā)酵溫度的上、中、下三層智能采集[7-8]，測(cè)溫模塊使用方便，可以快捷的安裝在窖池內(nèi)實(shí)現(xiàn)窖池溫度的采集。本文設(shè)計(jì)的白酒固態(tài)發(fā)酵溫度可視化系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)可視化分析準(zhǔn)確、通信穩(wěn)定、無(wú)線傳輸速度快、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，適合白酒發(fā)酵窖池的溫度監(jiān)測(cè)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地

四川省自貢市某酒廠發(fā)酵車間，選取產(chǎn)量、品質(zhì)比較穩(wěn)定的窖池作為數(shù)據(jù)采集對(duì)象。

1.2 實(shí)驗(yàn)工具

白酒固態(tài)發(fā)酵溫度可視化系統(tǒng)主要由兩大部分構(gòu)成：溫度采集模塊和數(shù)據(jù)可視化模塊。溫度采集模塊包含MCU主控單元、融合測(cè)溫傳感器、無(wú)線傳輸單元、供電電源、4G-DTU 單元、電壓監(jiān)測(cè)模塊等組成[9-10]，溫度采集模塊電路設(shè)計(jì)如圖1 所示。MCU 主控單元采用高性能、嵌入式開(kāi)發(fā)的STM32F101C8 控制器；數(shù)據(jù)可視化模塊由數(shù)據(jù)服務(wù)器和顯示裝置構(gòu)成；測(cè)溫模塊由融合溫度傳感器構(gòu)成，以測(cè)溫桿的形式對(duì)酒醅上、中、下三層的溫度進(jìn)行采集[11]，然后將采集的數(shù)據(jù)傳送給主控單元，主控單元對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存儲(chǔ)，通過(guò)無(wú)線傳輸單元將數(shù)據(jù)發(fā)送給可視化處理中心，可視化中心對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理和分析。數(shù)據(jù)服務(wù)中心通過(guò)4G-DTU模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給遠(yuǎn)程監(jiān)控用戶。

融合測(cè)溫傳感器采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20，傳感器的測(cè)溫范圍為-55～125 ℃，精確度為±0.5 ℃，融合測(cè)溫傳感器設(shè)計(jì)如圖2 所示。測(cè)溫傳感器分別安裝在測(cè)量桿的上層、中層、下層3個(gè)溫度采集固定位置上（具體安裝位置根據(jù)窖池的實(shí)際深度而定），每層傳感器之間采用玻璃棉作為填充物進(jìn)行隔熱處理，隔熱處理為了確保每層傳感器能較為精確地測(cè)量窖池每層的溫度。測(cè)溫桿的頂端和底端分別填充干燥劑，防止水汽滲透到測(cè)溫桿內(nèi)部干擾溫度傳感器對(duì)溫度采集的精確度。溫度采集模塊安裝在融合傳感器測(cè)量桿頂端的鋁盒子里，測(cè)量桿和鋁盒采用螺紋連接。

1.3 溫度采集方法

啟動(dòng)溫度采集系統(tǒng)，首先對(duì)測(cè)溫模塊和無(wú)線傳輸模塊的參數(shù)進(jìn)行初始化，初始化完成后，STM32控制單元和CC2530 無(wú)線模塊進(jìn)入休眠模式，等待外部射頻信號(hào)觸發(fā)無(wú)線模塊。當(dāng)CC2530接收到外部采集溫度觸發(fā)信號(hào)時(shí)，喚醒STM32 控制單元，利用中斷激活STM32 控制器，采集融合傳感器測(cè)量溫度，無(wú)線模塊將溫度數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)終端。電壓監(jiān)測(cè)電路負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)蓄電池的電壓狀態(tài)，詳細(xì)監(jiān)測(cè)過(guò)程如圖3所示。

2 結(jié)果與分析

本系統(tǒng)以濃香型的發(fā)酵窖池為實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，把發(fā)酵窖池分為上、中、下3個(gè)層面，每個(gè)層面9個(gè)采溫點(diǎn)，共計(jì)27 個(gè)采溫點(diǎn)作為發(fā)酵溫度進(jìn)行測(cè)溫實(shí)驗(yàn)，測(cè)溫周期共計(jì)30 d，可視化系統(tǒng)每天對(duì)3 個(gè)層面的每個(gè)測(cè)溫點(diǎn)進(jìn)行可視化顯示，根據(jù)每個(gè)層面所測(cè)溫度數(shù)據(jù)，取同時(shí)段、同層面溫度的平均值，并繪制該層面相應(yīng)發(fā)酵溫度趨勢(shì)曲線。利用專業(yè)數(shù)據(jù)分析軟件Origin 對(duì)各層次發(fā)酵溫度變化進(jìn)行可視化分析，如圖4、圖5、圖6、圖7所示。

由圖4 可知，上層酒醅發(fā)酵溫度變化趨勢(shì)為先降后升，又緩降，入窖8 d 溫度從28.5 ℃降至25.1 ℃，發(fā)酵至16 d 溫度升至27.3 ℃，隨后發(fā)酵溫度緩慢下降；由圖5 可知，中層酒醅發(fā)酵溫度變化趨勢(shì)為先升后降，入窖10 d 溫度從21.5 ℃升至32.5 ℃，隨后發(fā)酵溫度下降至27.3 ℃，降幅5.2 ℃；由圖6 可知，下層酒醅發(fā)酵溫度變化趨勢(shì)為先升后降，入窖11 d 溫度從18.4 ℃升至31 ℃，升溫幅度12.6 ℃，隨后發(fā)酵溫度平緩下降至28.4 ℃。

酒醅發(fā)酵過(guò)程隨時(shí)間延長(zhǎng)溫度可視化系統(tǒng)可以精確地顯示每個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度狀態(tài)，用不同顏色區(qū)分溫度區(qū)間，如圖4(a)、圖5(a)、圖6(a)，可視化系統(tǒng)累計(jì)顯示每個(gè)測(cè)溫點(diǎn)隨時(shí)間的溫度變化，方便觀測(cè)和對(duì)比。以每層9 個(gè)測(cè)溫點(diǎn)每天的平均溫度作為該層發(fā)酵溫度，繪制窖池3 個(gè)層面發(fā)酵溫度變化曲線，如圖7所示。

經(jīng)可視化數(shù)據(jù)分析，上層酒醅發(fā)酵溫度變化曲線符合“先急落、后快升、再緩降”的發(fā)酵模型，中層和下層酒醅發(fā)酵溫度變化曲線符合“前緩、中挺、后緩落”的發(fā)酵趨勢(shì)，中層和下層的溫度變化曲線模型與傳統(tǒng)釀造經(jīng)驗(yàn)相吻合。

3 結(jié)束語(yǔ)

白酒固態(tài)發(fā)酵是一個(gè)隨溫度變化微生物種類和數(shù)量都處在動(dòng)態(tài)變化的發(fā)酵過(guò)程，溫度的監(jiān)測(cè)對(duì)發(fā)酵過(guò)程至關(guān)重要，基于嵌入式技術(shù)和無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的窖池發(fā)酵溫度可視化系統(tǒng)可實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)窖池的發(fā)酵狀態(tài)，融合溫度傳感器實(shí)現(xiàn)了窖池上、中、下層溫度的立體感知，工藝師傅可根據(jù)可視化的發(fā)酵溫度狀態(tài)及變化趨勢(shì)，及時(shí)、準(zhǔn)確地控制工藝參數(shù)，為提高白酒固態(tài)發(fā)酵質(zhì)量提供了數(shù)據(jù)支持。系統(tǒng)還有待完善建立白酒固態(tài)發(fā)酵的標(biāo)準(zhǔn)溫度模型及不同香型白酒專家曲線，未來(lái)結(jié)合大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)白酒固態(tài)發(fā)酵可視化的標(biāo)準(zhǔn)化和數(shù)字化。