釀酒過程監測系統的優化設計

(江南大學物聯網工程學院，江蘇 無錫 214122)

0 引言

我國白酒歷史悠久，與法國科涅克白蘭地、英國蘇格蘭威士忌并稱世界三大(蒸餾)名酒，采用成熟的純種液態發酵、釜式或塔式蒸餾技術[1]。但由于純手工監測的局限性，酒廠缺乏大量的數據積累來進一步研究環境與釀酒過程溫度等諸多因素對酒品質的影響；并且依靠人力感知測溫，既缺乏準確性，又浪費人力資源，即便現在大部分企業都使用半機械化的有線監控方式，當遇到惡劣的廠房環境時，如何布線仍是很大的難題。

無線傳感器網絡(wireless sensor network,WSN)是近幾年來快速發展且倍受關注的新型網絡技術，已成為國內外的熱門研究課題[2]。本文將WSN技術引入釀酒過程監測系統，主要解決實際工程中布線難、設備點分散、靈活性差等問題。采用無線傳感器網絡技術不需要任何額外的布線，安裝簡單方便，穩定可靠，可維護性和可擴充性好。本文對傳統網絡節點做了一些優化設計，提高了節點的能耗和抗干擾性。系統在控制界面上采用組態軟件LabVIEW編寫控制程序，在不改變現有的工作流程和方式的情況下，即可實現環境數據的自動采集、生產流程的狀態切換，以及釀酒過程的自動報警與生產狀況查詢[3]。

1 系統總體結構

監測系統處于整個系統的頂層。監測系統通過基站接收來自路由節點的數據并轉發給軟件系統進行處理。各監測節點采集的溫度、濕度等環境狀態數據，需要通過無線模塊轉發給路由節點，通過路由節點轉發給基站。基站與計算機網絡相連，基站在獲取數據后，將數據傳給上位機軟件進行處理和顯示。各監測節點每固定時間間隔中采集一次信息，信息數據存放到事先定義好的幀格式內；然后以無線通信、動態組網的方式發送給附近的路由節點，路由節點經過處理轉發給基站，基站獲取信息并進行基本的處理；最后通過GPRS模塊將數據傳輸給上位機進行處理和顯示[4]。監測系統的工作示意圖如圖1所示。

圖1 監測系統工作示意圖

2 監測系統需求分析及總體設計

2.1 系統需求

本監測系統是對酒廠車間里各無線傳感器節點進行監測，因此整個系統分為數據接收和數據處理兩部分。

由于傳感器節點數目繁多，數據接收部分應當考慮安全、穩定、高效和并發處理數據的特性。每個傳感器節點都將以自己的時間間隔上傳數據，經過路由節點的處理與轉發，基站收到路由節點上傳的數據并通過GPRS上傳至監控系統。這就要求系統能夠并發處理大量的數據。

數據處理是系統的重要功能。原始數據到達后，系統需要判定它的真實性，如果數據失真則拋棄；當數據正確時，應當繼續判定它屬于何種數據，之后分情況進行處理，不同數據按照不同的情況對它進行提取和處理。處理完的數據應當存儲至數據庫，同時在上位機界面上顯示出當前采集到的數據情況，如果遇到報警情況，則及時通過GSM模塊將報警的內容發送到負責人的手機上。這樣用戶可以實時監測實時數據的變化，以達到信息化控制的目的。

2.2 監測系統設計

整個監測系統有7個主要功能，具體如下。

① 監測數據管理(數據接收、數據篩選、數據處理、數據存儲)；

② 報警管理(報警規則、GSM短信報警、報警數據存儲)；

③ 監測對象管理(溫度、濕度、開度、稱重)；

④ 監測信息查詢(監測數據圖形化顯示、監測數據詳細信息查詢、查詢歷史數據、報警數據查詢)；

⑤ 組織機構管理(查詢、增加、修改、刪除)；

⑥ 節點管理(查詢、增加、修改、刪除)；

⑦ 基站管理(查詢、增加、修改、刪除)。

監測系統功能框圖如圖2所示。整個上位機界面均由虛擬儀器LabVIEW進行編程[5]。

圖2 監測系統功能框圖

2.2.1 系統流程

整個監測系統是一個數據處理的過程，可分為跟蹤數據、處理數據、顯示數據3個部分。整個系統流程如圖3所示。

圖3 監測系統流程圖

2.2.2 監測系統與基站的通信

本文的監控系統采用GPRS傳輸數據的方式。系統采用服務器和客戶端連接及數據傳送模式。服務器一直處于監聽連接，客戶端周期性地發送連接請求，連接成功后進行數據發送和接收[6]。

在LabVIEW中，可采用TCP/IP節點來實現網絡通信。監控系統與基站之間的通信過程如下。

① 監控系統打開通信通道，等待GPRS模塊的連接請求。

② 監控系統接收GPRS模塊的連接請求，處理連接并發送應答給GPRS。

③ GPRS模塊接收到連接請求，連接成功后激活一個程序進程，發送數據并等待監控系統處理。

④ 監控系統端發送接收應答，關閉此通信連接。

⑤ 返回第一步，等待下一次請求。

服務器程序框圖如圖4所示。

圖4 建立的服務器程序框圖

2.2.3 監控系統與數據庫的通信

數據庫是本系統的核心部分，它記錄整個系統各個環節的數據，供查詢和分析，從而進一步對整個釀酒過程進行改進。目前，市場上數據庫產品繁多，如 Microsoft SQL Server、Acess、Sybase、MySQL、Oracle等，各數據庫均具有其獨特的功能和特點。本文采用的 Microsoft SQL Server 是微軟公司開發的一種關系型數據庫管理系統，具有可靠性高、可用性強、可管理性好等諸多優點，可以根據用戶自行定義的關系對數據進行管理、存儲、處理等操作，為用戶提供完整的數據庫解決方案[7]。

上位機軟件LabVIEW有多種方式與數據庫進行通信[8-9]，在此只舉例說明一種方式，即用LabVIEW自帶的工具包Database進行數據庫訪問。其操作步驟為：創建連接→打開連接→操作數據庫→斷開連接→銷毀連接。這種方式在可靠性、可用性、可編程性、易用性和安全性等方面均優于其他方式。

2.2.4 監控系統與GSM模塊的報警機制

系統內置GSM無線模塊，管理人員不僅可以通過手機短信的方式查詢當前系統參數，如發酵池溫度、濕度等實時數值，還可以發送控制指令+設備名稱來啟動或停止目標設備。另外，當系統運行發生故障時，如溫度偏離控制要求、出料口管道堵塞等，GSM無線模塊能將故障信息通過短信方式通知班次、車間負責人，使信息能得到及時反饋，操作人員及時作出決策，安全可靠。

首先，需要選擇好 GSM 短信模塊所連接的串口編號和波特率，并成功打開串口。此時可以通過 LabVIEW 的 VISA 驅動程序串口讀寫 API 函數,對GSM 短信模塊進行操作。按照上述要求，分別使用“AT+CMGF”、“AT+CSCS”、“AT+CNMI”、“AT+IPR”等指令設置 GSM 短信模塊工作方式為 PDU 模式下的 UCS2 編碼，并設置波特率為默認的115 200 bit/s。配置成功后，在讀寫前可以先使用 AT+“回車符”測試 GSM 無線模塊與計算機的連接情況,如返回“OK”,則表示連接成功。

發送短信需要用到“AT+CMGS”AT 指令。該指令在正式發送短信內容前，需要先發送“AT+CMGS=”+“短信內容長度”+“回車符”至 GSM 無線模塊。

3 監測節點間無線通信的實現

3.1 節點硬件設計

3.1.1 采集節點

采集節點是釀酒生產過程中最底層的環節也是最重要的環節。采集節點包括CPU主控制模塊、RS-232/RS- 485信號采集模塊、開關信號采集輸入/輸出模塊、SI4432無線部分、電池模塊、電壓/電源信號采集轉換模塊、脈沖信號采集模塊。其中，CUP負責采集和處理溫度數據以及完成對射頻芯片的讀寫操作；無線射頻模塊SI4432無線部分負責無線發送或接收信號；電池模塊采用可充電鋰電池供電，是所有模塊的能量來源。采集節點的原理圖如圖5所示。

圖5 采集節點原理圖

設計的采集節點具有多種采集接口，可用于工業儀表最常見的輸出信號，如電壓信號(1～5 V/0～10 V)、電流信號(4～20 mA)、脈沖信號以及RS-232/RS- 485輸出信號等。整個數據采集通過低功耗的STM8L芯片進行處理,通過SI4432無線模塊將處理完的數據以一定的格式發送給路由節點[10～11]。

3.1.2 基站

基站是釀酒生產過程中最頂層的環節。它收集路由節點發送來的數據，數據經過處理通過GPRS傳輸給監測管理系統。與采集節點和路由節點相比，基站可以使用有源供電。

3.1.3 路由節點

路由節點對探測節點采集到的數據進行轉發。與傳感器探測節點相比，由于匯聚節點不需要對溫度進行采集以及信號調理，因此為了減小體積、節約成本，匯聚節點只保留了處理器模塊、無線收發模塊和電源模塊。

3.2 節點間通信設計

3.2.1 驅動程序設計

系統對每一個采集節點都進行了編號，以便于識別各自采集出來的數據是否屬于溫度、濕度等釀造過程的相關參數。系統采用輪詢方式進行通信，每一組采集節點采集一條生產線上的相關數據，統一由1個路由節點進行輪詢并接收各個節點數據，接收完該組所有數據后統一上傳至基站。

基站和采集節點流程圖如圖6所示。

圖6 基站及采集節點流程圖

3.2.2 數據包協議設計

由于SI4432 芯片已將底層傳輸協議屏蔽，發酵罐的溫度數據采集不需要對節點進行精確定位，且芯片傳輸距離遠和穿透能力強，本文采用基于單跳形式進行廣播通信，僅對無線通信協議中的數據包格式進行設計。根據節點硬件特點，定義數據包的傳輸格式如表1 所示。

表1中，前導碼、同步字、幀長度以及CRC 校驗在收發過程中由硬件自動處理，系統只需設定數據包的結構和部分寄存器值即可。

表1 數據包結構

前導碼 (Preamble)用于幀同步，長度大小由寄存器編程實現，本系統采用噪聲不容易產生的規律信號0x55AA 作為前導碼。

同步字 (SyncWord)，主要用于通知節點可以開始接收數據，本系統設置為0x2DD4作為同步字標志符。

幀長度(Packet Length)，大小取決于其后面一共所占字節的多少，用于判定每幀的數據結束標志。

有效數據載荷 (Payload)為處理器需要加載的信息。其中,Sensor_ID為探測節點的編號；Sink_ID為匯聚節點的編號；COMM在對于上行數據包時固定為0xFF，當為下行數據包時對應為實際的寄存器命令參數；Data1～Datan為傳感器探測節點需要發送的數據。

CRC(CRC校驗)由內置CRC 校檢，避免接收到錯誤的數據包。

3.3 節點間通信問題和解決方案

3.3.1 節點的能耗問題

能耗一直是影響節點的重要問題，它是節點生命力的重要體現。本系統的節點硬件均采用超低功耗的芯片，并根據節點各自工作狀態和信息采集需求，進行智能休眠以節省電能。同時，在軟件上采用通信路由算法和低功耗節能算法進一步節省能耗。

3.3.2 節點間通信的抗干擾問題

干擾問題一直困擾著很多研究無線通信的學者。在本系統中作者根據多年經驗提出以下3點在車間中抗干擾的方法。

① 為解決實際運行中行車等大型電機設備的頻繁啟停引起的浪涌電壓，系統采用交流電源濾波穩壓的措施進行抗干擾。

② 為解決變頻電磁干擾，系統的基站節點采用光電隔離和GPRS的通信方式。

③ 為解決節點間頻段的相互干擾，通過軟件編程錯開發送時間，組與組之間采用不同頻段。

3.3.3 無線通信的傳輸距離問題

無線通信距離對整個系統的影響也相當大，一旦有幾個節點不在通信距離范圍之內，則會給設計者帶來很大麻煩。所以在硬件設計上布局要合理,并且采用性能優良的SI4432無線發射模塊，在無阻擋物的情況下可以傳輸1 000 m。同時提高無線模塊的發射功率。

4 結束語

釀酒過程監測系統經過一段時間試運行，可以對上傳數據進行安全、有效的存儲與處理，系統上位機軟件已達到監測的目的，很大程度上節省了勞動力。由于本系統只是試運行，監測手段和無線采集的手段只能對一些簡單的數據進行監測，因此，系統有待進一步改進和完善。此外，可根據酒廠的具體需求，加入環境日照、風力、蒸鍋溫度、壓力等，使系統更趨于完善。

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