白酒固態(tài)發(fā)酵的溫度感知裝置設(shè)計(jì)

高祥， 蔡樂才， 居錦武， 陳超

(1.四川理工學(xué)院a.機(jī)械工程學(xué)院， b.計(jì)算機(jī)學(xué)院， c.圖書館, 四川自貢643000；2.宜賓學(xué)院， 四川宜賓644000)

白酒固態(tài)發(fā)酵的溫度感知裝置設(shè)計(jì)

高祥1a， 蔡樂才2， 居錦武1b， 陳超1c

(1.四川理工學(xué)院a.機(jī)械工程學(xué)院， b.計(jì)算機(jī)學(xué)院， c.圖書館, 四川自貢643000；2.宜賓學(xué)院， 四川宜賓644000)

為實(shí)現(xiàn)白酒傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵過程的溫度智能檢測，設(shè)計(jì)了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫度感知裝置。該裝置以數(shù)字式溫度傳感器為感知元件，采用無線傳輸技術(shù)、嵌入式技術(shù)、低功耗技術(shù)實(shí)現(xiàn)白酒窖池發(fā)酵溫度的智能感知。詳細(xì)介紹了裝置的總體設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該裝置具有較強(qiáng)的靈活性和魯棒性，適用于白酒窖池固態(tài)發(fā)酵溫度的智能感知。

固態(tài)發(fā)酵；感知；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；嵌入式技術(shù)

引言

目前高品質(zhì)白酒的生產(chǎn)大多采用固態(tài)發(fā)酵的方式，發(fā)酵溫度是影響發(fā)酵質(zhì)量和白酒品質(zhì)的主要參數(shù)。在整個(gè)白酒固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)過程中，糧食入窖溫度、酒醅發(fā)酵溫度、酒醅出窖溫度都需要進(jìn)行精確的檢測和控制。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)中小型酒廠依然采用人工讀取測溫計(jì)的方式獲取窖池的發(fā)酵溫度，甚至有些酒廠依靠釀酒工人的體溫感覺來控制入窖溫度[1-2]。工人每次測溫時(shí)將測溫桿插入窖池的深度和位置不準(zhǔn)確，從而帶來較大的人工操作誤差和讀數(shù)誤差。另外，測溫計(jì)只能獲取單個(gè)窖池孤立的溫度值，不能三維立體的實(shí)時(shí)感知整個(gè)窖池和廠間內(nèi)多個(gè)窖池的溫度分布狀況，測溫計(jì)也不便于在發(fā)酵車間內(nèi)大范圍的快速部署和維護(hù)，浪費(fèi)了大量的勞動力，阻礙了白酒生產(chǎn)的數(shù)字化和信息化發(fā)展。本文根據(jù)生產(chǎn)的實(shí)際需要，設(shè)計(jì)了白酒固態(tài)發(fā)酵的溫度感知裝置。該裝置集成嵌入式技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和低功耗技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了窖池內(nèi)溫度的上、中、下三層動態(tài)立體感知，可以方便快速的安裝在窖池內(nèi)，較短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)全車間的溫度感知覆蓋[3]。目前市場上出現(xiàn)的無線測溫裝置主要存在3個(gè)問題：(1)屬于通用的測溫裝置，不能滿足白酒固態(tài)發(fā)酵的特殊需求；(2)檢測點(diǎn)單一，功耗較大，不能實(shí)時(shí)反映各窖池發(fā)酵過程的差異化；(3)基于ZigBee技術(shù)的產(chǎn)品成本高，通信距離短，組網(wǎng)不穩(wěn)定，不適合應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場[4]。本文設(shè)計(jì)的溫度感知裝置具有通信距離遠(yuǎn)、無線組網(wǎng)穩(wěn)定、低功耗和操作維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)，適合白酒窖池的溫度檢測。

1 總體設(shè)計(jì)方案

白酒窖池的容量和形狀沒有統(tǒng)一的建造規(guī)范，各酒廠根據(jù)自身的條件來修建，數(shù)量從幾十到上千個(gè)不等。為滿足大多數(shù)窖池的測溫需求，本文設(shè)計(jì)的溫度感知裝置選用直徑8 mm，壁厚1 mm的304 不銹鋼空心管作為測量桿。測量桿的基本長度為150 cm，可根據(jù)窖池的具體深度做調(diào)整。裝置的溫度感知元件采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20，它具有獨(dú)特的單總線接口方式，測溫范圍為-55 ℃～125 ℃，精度為±0.5 ℃[5]。由于每個(gè)DS18B20都具有唯一的出廠地址序列碼，可以在一條數(shù)據(jù)線上掛接多個(gè)同類型傳感器。本裝置將DS18B20分別安裝在測量桿的上、中、下三層固定位置，采用氧化鎂作為填充劑，各傳感器之間未采取隔熱處理，經(jīng)過實(shí)際測試發(fā)現(xiàn)正常發(fā)酵狀態(tài)下各傳感器溫度串?dāng)_現(xiàn)象不明顯，可以忽略對采集數(shù)據(jù)的精確度影響。測溫桿具體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 測溫桿設(shè)計(jì)示意圖

不銹鋼測溫桿的外部接口只需三條線：電源線、地線、數(shù)據(jù)線，通過簡單的驅(qū)動程序即可獲取上、中、下三個(gè)傳感器的溫度信息。該裝置的測控電路板和電池等安裝于直徑80 mm，長120 mm，壁厚3 mm的圓柱形防水鑄鋁殼體內(nèi)，測溫桿和鑄鋁殼體連接部分通過M16×1.5的螺紋固定在一起。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

本裝置的測控電路主要由主控電路、傳感器接口電路、無線傳輸電路、充電電路、穩(wěn)壓電路、電壓監(jiān)測電路、報(bào)警指示電路、地址譯碼電路等組成[6]。其中主控電路是整個(gè)測控電路的控制中心，負(fù)責(zé)各種參數(shù)的采集與傳輸，以及控制報(bào)警指示；傳感器接口電路給DS18B20供電和提供硬件驅(qū)動；無線傳輸電路主要完成數(shù)據(jù)的無線發(fā)送和接受，并通過無線信號喚醒掉電模式下的控制器；充電電路便于使用過程中及時(shí)充電，避免了拆卸裝置換電池的不便；穩(wěn)壓電路將鋰電池的電壓轉(zhuǎn)化為各電路需要的穩(wěn)定電壓，保證整個(gè)裝置的可靠供電；電壓監(jiān)測電路負(fù)責(zé)監(jiān)測鋰電池的電壓變化情況，當(dāng)出現(xiàn)電壓不足或電量耗盡時(shí)通過報(bào)警指示電路提示用戶及時(shí)充電；地址譯碼電路方便對多個(gè)溫度感知裝置進(jìn)行地址編碼，防止重復(fù)地址下的無線數(shù)據(jù)收發(fā)沖突。硬件電路的功能設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 硬件電路的功能設(shè)計(jì)圖

2.1主控電路

控制器采用STC11L04E單片機(jī)，內(nèi)部集成4 K的Flash程序存儲器，256字節(jié)的SRAM，1 K的EEPROM，同時(shí)還具有內(nèi)部低壓檢測中斷、掉電喚醒專用定時(shí)器和5個(gè)掉電喚醒外部中斷等新功能。單片機(jī)在空閑模式下功耗小于1.3 mA，掉電模式下功耗可以達(dá)到μA級，其超低功耗特性非常適合電池供電系統(tǒng)。

2.2無線傳輸電路

為了實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離穩(wěn)定傳輸，選用了微功率的CC1101無線傳輸模塊。CC1101采用點(diǎn)對點(diǎn)的通訊方式，在保證低功耗的同時(shí)空中速率可達(dá)到500 kbps，支持無線喚醒功能，空曠傳輸距離300 m-500 m，適合白酒固態(tài)發(fā)酵車間的無線測溫。CC1101與STC11L04E之間通過SPI方式連接，STC11L04E沒有專用的SPI接口，可以采用普通的I/O口模擬SPI時(shí)序，具體電路連接如圖3所示。

圖3 CC1101與STC11L04的硬件連接圖

2.3充電和穩(wěn)壓電路

電源設(shè)計(jì)的好壞直接影響整個(gè)裝置的運(yùn)行周期和穩(wěn)定性，為了在生產(chǎn)現(xiàn)場便于裝置的充電，避免更換電池的麻煩，測控電路自帶有充電電路。本裝置的電源采用單節(jié)的愛克斯達(dá)18650鋰電池。該電池采用松下電芯，電池容量3400 mAh，滿電電壓3.7 V，自帶鋰電池保護(hù)板，防止過充、過放對電池的損壞。充電電路以CN3052芯片為核心，配置少量的電阻、電容即可形成4.2 V的恒壓充電模式。測控電路上的數(shù)字芯片和傳感器都有特定范圍的工作電壓，為了實(shí)現(xiàn)各芯片和傳感器的正常工作，設(shè)計(jì)了3.3 V的穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路選用了電荷泵芯片MAX1759，寬輸入電壓1.6 V-5.5 V，輸出電壓在2.5 V-5.5 V之間可調(diào)，穩(wěn)定輸出電流100 mA，通過搭配少量的電阻和電容組成3.3 V穩(wěn)壓電路。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要有：系統(tǒng)初始化程序、溫度采集程序、無線喚醒與傳輸程序、電壓監(jiān)測中斷服務(wù)程序、報(bào)警指示燈控制程序。系統(tǒng)上電后首先完成各部分的初始化工作，配置好相應(yīng)的寄存器和參數(shù)。初始化完成后，單片機(jī)和CC1101無線模塊進(jìn)入休眠模式，等待外部無線信號的喚醒，同時(shí)關(guān)閉晶體管來切斷其余電路的供電。當(dāng)CC1101接收到喚醒信號，利用中斷激活單片機(jī)采集溫度，并通過CC1101無線模塊傳輸溫度數(shù)據(jù)給外部的數(shù)據(jù)終端[7]。電壓監(jiān)測中斷服務(wù)程序負(fù)責(zé)監(jiān)測鋰電池的電壓狀態(tài)，當(dāng)電量不足時(shí)喚醒單片機(jī)采集電壓信息，單片機(jī)控制報(bào)警指示燈提醒充電，并將電量信息無線傳輸給外部的數(shù)據(jù)終端。具體的軟件流程如圖4所示。

圖4 軟件整體流程圖

4 運(yùn)行結(jié)果與分析

本系統(tǒng)運(yùn)行在四川省自貢市某酒廠的窖池發(fā)酵車間，車間長度為150 m，寬度為40 m，窖池?cái)?shù)量為50個(gè)，窖池容量為2 m×1.5 m×1.5 m。選取了8個(gè)窖池進(jìn)行測溫實(shí)驗(yàn)，整個(gè)固態(tài)發(fā)酵周期為7天，溫度采集周期為15 min一次。利用MATLAB軟件[8-9]對某窖池前中期共計(jì)四天的發(fā)酵溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行了曲線分析，橫坐標(biāo)為采集溫度的時(shí)間軸，縱坐標(biāo)為擴(kuò)大100倍后的溫度值(圖5)，其中曲線a為窖池上層酒醅溫度變化曲線，曲線b為窖池中層酒醅溫度變化曲線。從圖5可以看出固態(tài)發(fā)酵前中期窖池上層和中層酒醅的溫度變化情況，控制糟醅的入窖溫度在24.5 ℃左右，入窖開始階段，酒醅上層和中層的發(fā)酵溫度緩慢爬升，兩者的溫差很小，說明發(fā)酵微生物的繁殖和代謝不活躍。酒醅經(jīng)過大約一天的固態(tài)發(fā)酵，上層和中層的溫度開始迅速爬升，說明發(fā)酵微生物開始快速繁殖和代謝。同時(shí)中層溫度比上層溫度爬升的幅度更大，兩者的溫差越來越大，主要由于上層酒醅的保溫效果不如中層好，抑制了發(fā)酵微生物的繁殖和代謝。固態(tài)發(fā)酵經(jīng)過三天左右進(jìn)入到中期階段，上層和中層的溫度均保持緩慢波動變化，上層溫度保持在32.8 ℃上下微小波動，中層溫度保持在34.5 ℃上下微小波動，說明發(fā)酵微生物的繁殖和代謝達(dá)到平衡狀態(tài)。本裝置采集的溫度數(shù)據(jù)精確度較高，真實(shí)反映了白酒固態(tài)發(fā)酵過程中窖池內(nèi)部酒醅溫度的動態(tài)變化情況。經(jīng)過計(jì)算，裝置一天的耗電量約為10 mAh，采用3400 mAh的鋰電池可穩(wěn)定供電9月以上，實(shí)際應(yīng)用中可將采樣周期延長4倍以上，那么裝置可以穩(wěn)定運(yùn)行3年充電一次。

圖5 某窖池上層和中層酒醅前中期溫度變化曲線

5 結(jié)束語

本文對白酒窖池溫度檢測的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫度感知裝置。系統(tǒng)具有測溫準(zhǔn)確、無線組網(wǎng)穩(wěn)定、通信距離遠(yuǎn)、低功耗等特點(diǎn)，滿足了白酒窖池溫度采集密度大、測量精度高的要求。另外，本系統(tǒng)成本低，方便在工業(yè)現(xiàn)場部署安裝。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行可靠穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了窖池三維溫度場的動態(tài)立體感知，為優(yōu)化白酒固態(tài)發(fā)酵工藝和提高白酒品質(zhì)提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。

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Design of Temperature Sensing Device for White Spirit Solid State Fermentation

GAOXiang1a,CAILecai2,JUJinwu1b,CHENChao1c

(1a.School of Mechanical Engineering; 1b.School of Computer Science; 1c.Library, Sichuan University of Science & Engineering, Zigong 643000, China; 2.Yibin University, Yibin 644000, China)

In order to achieve an intelligent detection of temperature in the traditional solid-state fermentation process of liquor, a temperature sensing device based on wireless sensor network is designed. which sensesintelligently the fermentation temperature of cellar by digital temperature sensors. and use an embedded technique with features of wireless transmission and lower power dissipation. In this paper. we have discussed the system framework, as well as design methodology for inardware and software. The experimental results show that the system works well and hasa flexibility and robustness.

solid state fermentation；intellisense；wireless sensor network；embedded technology

2014-10-08

四川省科技創(chuàng)新苗子工程項(xiàng)目(20132075)；四川省教育廳項(xiàng)目(13CZ0018)；自貢市科技局創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(2013z167)

高 祥(1983-)，男，山東膠州人，助教，碩士，主要從事物聯(lián)網(wǎng)與測控技術(shù)方面的研究，(E-mail):319007gao@163.com

1673-1549(2014)06-0055-04

10.11863/j.suse.2014.06.14

TS262.3；TS261.4

A