白酒固態發酵的溫度感知裝置設計

高祥， 蔡樂才， 居錦武， 陳超

(1.四川理工學院a.機械工程學院， b.計算機學院， c.圖書館, 四川自貢643000；2.宜賓學院， 四川宜賓644000)

白酒固態發酵的溫度感知裝置設計

高祥1a， 蔡樂才2， 居錦武1b， 陳超1c

(1.四川理工學院a.機械工程學院， b.計算機學院， c.圖書館, 四川自貢643000；2.宜賓學院， 四川宜賓644000)

為實現白酒傳統固態發酵過程的溫度智能檢測，設計了基于無線傳感器網絡的溫度感知裝置。該裝置以數字式溫度傳感器為感知元件，采用無線傳輸技術、嵌入式技術、低功耗技術實現白酒窖池發酵溫度的智能感知。詳細介紹了裝置的總體設計、硬件設計、軟件設計。實驗結果表明該裝置具有較強的靈活性和魯棒性，適用于白酒窖池固態發酵溫度的智能感知。

固態發酵；感知；無線傳感器網絡；嵌入式技術

引言

目前高品質白酒的生產大多采用固態發酵的方式，發酵溫度是影響發酵質量和白酒品質的主要參數。在整個白酒固態發酵生產過程中，糧食入窖溫度、酒醅發酵溫度、酒醅出窖溫度都需要進行精確的檢測和控制。通過調研發現，大多數中小型酒廠依然采用人工讀取測溫計的方式獲取窖池的發酵溫度，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]。工人每次測溫時將測溫桿插入窖池的深度和位置不準確，從而帶來較大的人工操作誤差和讀數誤差。另外，測溫計只能獲取單個窖池孤立的溫度值，不能三維立體的實時感知整個窖池和廠間內多個窖池的溫度分布狀況，測溫計也不便于在發酵車間內大范圍的快速部署和維護，浪費了大量的勞動力，阻礙了白酒生產的數字化和信息化發展。本文根據生產的實際需要，設計了白酒固態發酵的溫度感知裝置。該裝置集成嵌入式技術、無線傳感器網絡技術和低功耗技術，實現了窖池內溫度的上、中、下三層動態立體感知，可以方便快速的安裝在窖池內，較短時間內實現全車間的溫度感知覆蓋[3]。目前市場上出現的無線測溫裝置主要存在3個問題：(1)屬于通用的測溫裝置，不能滿足白酒固態發酵的特殊需求；(2)檢測點單一，功耗較大，不能實時反映各窖池發酵過程的差異化；(3)基于ZigBee技術的產品成本高，通信距離短，組網不穩定，不適合應用于工業生產現場[4]。本文設計的溫度感知裝置具有通信距離遠、無線組網穩定、低功耗和操作維護簡單等優點，適合白酒窖池的溫度檢測。

1 總體設計方案

白酒窖池的容量和形狀沒有統一的建造規范，各酒廠根據自身的條件來修建，數量從幾十到上千個不等。為滿足大多數窖池的測溫需求，本文設計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，可根據窖池的具體深度做調整。裝置的溫度感知元件采用數字式溫度傳感器DS18B20，它具有獨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DS18B20都具有唯一的出廠地址序列碼，可以在一條數據線上掛接多個同類型傳感器。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，經過實際測試發現正常發酵狀態下各傳感器溫度串擾現象不明顯，可以忽略對采集數據的精確度影響。測溫桿具體設計如圖1所示。

圖1 測溫桿設計示意圖

不銹鋼測溫桿的外部接口只需三條線：電源線、地線、數據線，通過簡單的驅動程序即可獲取上、中、下三個傳感器的溫度信息。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，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 硬件電路設計

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、穩壓電路、電壓監測電路、報警指示電路、地址譯碼電路等組成[6]。其中主控電路是整個測控電路的控制中心，負責各種參數的采集與傳輸，以及控制報警指示；傳感器接口電路給DS18B20供電和提供硬件驅動；無線傳輸電路主要完成數據的無線發送和接受，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充電，避免了拆卸裝置換電池的不便；穩壓電路將鋰電池的電壓轉化為各電路需要的穩定電壓，保證整個裝置的可靠供電；電壓監測電路負責監測鋰電池的電壓變化情況，當出現電壓不足或電量耗盡時通過報警指示電路提示用戶及時充電；地址譯碼電路方便對多個溫度感知裝置進行地址編碼，防止重復地址下的無線數據收發沖突。硬件電路的功能設計如圖2所示。

圖2 硬件電路的功能設計圖

2.1主控電路

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

2.2無線傳輸電路

為了實現無線數據的遠距離穩定傳輸，選用了微功率的CC1101無線傳輸模塊。CC1101采用點對點的通訊方式，在保證低功耗的同時空中速率可達到500 kbps，支持無線喚醒功能，空曠傳輸距離300 m-500 m，適合白酒固態發酵車間的無線測溫。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充電和穩壓電路

電源設計的好壞直接影響整個裝置的運行周期和穩定性，為了在生產現場便于裝置的充電，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的愛克斯達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。測控電路上的數字芯片和傳感器都有特定范圍的工作電壓，為了實現各芯片和傳感器的正常工作，設計了3.3 V的穩壓電路。穩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，穩定輸出電流100 mA，通過搭配少量的電阻和電容組成3.3 V穩壓電路。

3 軟件設計

系統的軟件設計主要有：系統初始化程序、溫度采集程序、無線喚醒與傳輸程序、電壓監測中斷服務程序、報警指示燈控制程序。系統上電后首先完成各部分的初始化工作，配置好相應的寄存器和參數。初始化完成后，單片機和CC1101無線模塊進入休眠模式，等待外部無線信號的喚醒，同時關閉晶體管來切斷其余電路的供電。當CC1101接收到喚醒信號，利用中斷激活單片機采集溫度，并通過CC1101無線模塊傳輸溫度數據給外部的數據終端[7]。電壓監測中斷服務程序負責監測鋰電池的電壓狀態，當電量不足時喚醒單片機采集電壓信息，單片機控制報警指示燈提醒充電，并將電量信息無線傳輸給外部的數據終端。具體的軟件流程如圖4所示。

圖4 軟件整體流程圖

4 運行結果與分析

本系統運行在四川省自貢市某酒廠的窖池發酵車間，車間長度為150 m，寬度為40 m，窖池數量為50個，窖池容量為2 m×1.5 m×1.5 m。選取了8個窖池進行測溫實驗，整個固態發酵周期為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四天的發酵溫度數據進行了曲線分析，橫坐標為采集溫度的時間軸，縱坐標為擴大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可以看出固態發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酵溫度緩慢爬升，兩者的溫差很小，說明發酵微生物的繁殖和代謝不活躍。酒醅經過大約一天的固態發酵，上層和中層的溫度開始迅速爬升，說明發酵微生物開始快速繁殖和代謝。同時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，抑制了發酵微生物的繁殖和代謝。固態發酵經過三天左右進入到中期階段，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，說明發酵微生物的繁殖和代謝達到平衡狀態。本裝置采集的溫度數據精確度較高，真實反映了白酒固態發酵過程中窖池內部酒醅溫度的動態變化情況。經過計算，裝置一天的耗電量約為10 mAh，采用3400 mAh的鋰電池可穩定供電9月以上，實際應用中可將采樣周期延長4倍以上，那么裝置可以穩定運行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 結束語

本文對白酒窖池溫度檢測的關鍵技術進行了研究，設計了基于無線傳感器網絡的溫度感知裝置。系統具有測溫準確、無線組網穩定、通信距離遠、低功耗等特點，滿足了白酒窖池溫度采集密度大、測量精度高的要求。另外，本系統成本低，方便在工業現場部署安裝。實際運行結果表明，系統運行可靠穩定，實現了窖池三維溫度場的動態立體感知，為優化白酒固態發酵工藝和提高白酒品質提供了可靠的數據支持。

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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

四川省科技創新苗子工程項目(20132075)；四川省教育廳項目(13CZ0018)；自貢市科技局創新團隊項目(2013z167)

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

1673-1549(2014)06-0055-04

10.11863/j.suse.2014.06.14

TS262.3；TS261.4

A