基于GSM的啤酒巴氏殺菌機溫度遠程監控系統設計

趙 方 鄭曉茜 祁澤剛（.鄭州職業技術學院，河南 鄭州 450；.河南漢威電子股份有限公司，河南 鄭州 45000）

啤酒的口味是衡量啤酒質量的重要性能指標，其影響因素很多，如原料、工藝、生產環節的衛生處理情況等，其中殺菌工藝是一個非常重要的影響因素，殺菌工藝是啤酒生產過程中一道重要的工序。啤酒殺菌普遍采用巴氏殺菌法，而溫度是殺菌工藝中極為重要的控制指標，當前對殺菌過程中溫度的控制普遍采用溫度控制儀，各溫度區域各有一套溫控系統，采用鉑電阻溫度傳感器檢測溫度，其控制精度較低，可靠性差，檢查維修任務重，影響了啤酒生產的正常進行和啤酒的質量［1］。基于此，筆者擬設計一種基于數字溫度傳感器DS18B20、MSP430單片機和無線通訊網絡GSM的啤酒巴氏殺菌機溫度遠程監控系統，以提高控制精度以及可靠性，利用遠程集中監控可減輕檢查工作量，節省勞動力和生產成本。

1 控制系統整體構成及功能

本設計的啤酒巴氏殺菌機溫度無線遠程監測裝置由溫度實時監測及控制、溫度及故障等信息的GSM傳輸、遠程監測中心PC機監控軟件和管理員手機三大部分組成。系統功能是：MSP430單片機是控制的核心，通過外圍的鍵盤可以方便設定巴氏殺菌機各個階段的溫度，溫度采集單元的溫度傳感器將采集到的各監測點的溫度傳送到單片機軟件系統進行數據處理，單片機處理過的數字量輸出，經D/A轉換成合適的模擬量去驅動執行機構對噴淋水的溫度進行調節，從而保證巴氏殺菌機各個階段的溫度都在設定的范圍內。每個測溫區的溫度都可以通過LCD進行顯示。同時，系統通過GSM無線通信將各個監測點的實時溫度發送至上位機，通過上位機軟件值班員可以方便監視每一臺巴氏殺菌機的工作情況。若某個階段的溫度經過調節后有異常，系統則將啟動GSM無線通信模塊，將異常信息發送到上位機管理中心，及時排除故障。本設計的巴氏殺菌機溫控系統還設計了聲光報警系統，監控中心軟件也設置了故障、異常報警指示。為了實現雙重保險，本設計每臺巴氏殺菌機的溫度異常信息還可以通過GSM網絡發送到管理員手機。控制系統整體結構框圖見圖1。

2 硬件選擇及設計

2.1 核心控制器

當前，啤酒巴氏殺菌機的溫度控制儀基本都采用繼電器、接觸器機械結構，也有少數以51單片機作為控制器的。機械結構容易損壞，動作不靈敏；而51系列單片機本身抗干擾能力較差［2，3］，在啤酒生產車間，由于電網電壓的波動或者電磁干擾的發生都會使控制器發生故障。故障率提升勢必影響生產線正常的運行。為了克服上述缺點，本設計采用了抗干擾能力強的16位單片機MSP430f149作為控制核心，可以克服51單片機以及機械結構的缺點。MSP430單片機具有豐富的片內資源：flash ROM 60KB、RAM 2KB、并行I/O口6個共48位、16位定時器共2個、串口2個［4］；該單片機運行功耗低、能抵抗超強的電磁干擾、通訊速率高［5］、具有強大的中斷能力、可在線編程、可使用1.8～3.6V的工作電壓；可在－40～85℃的環境中穩定運行。

2.2 溫度檢測單元設計

溫度的檢測是溫度控制系統的核心，傳統的啤酒巴氏殺菌機的溫度檢測傳感器采用的是鉑熱電阻，鉑熱電阻為模擬溫度傳感器，檢測到的溫度信號需經過放大、A/D轉換等信號處理電路后才能送給單片機使用，其電路結構復雜，且信號微弱不易遠傳，傳輸過程中容易出差錯。本設計采用數字溫度傳感器DS18B20作為測溫單元，美國DALLAS公司最新推出的DS18B20傳感器是單總線集成電路，體積小，工作電壓范圍較寬（3～5V），可用數據線供電。采用單總線結構，只有一條數據I/O線，只需一個接口引腳即可通訊。溫度測量范圍為－55～125℃，分辨率為0.062 5℃，內部自帶A/D轉換功能，通過編程可實現9～12位數字讀數模式。數字溫度傳感器DS18B20本身有一個給定的唯一的64位長的序號，此序號事先都存放在其內部的ROM中［6］，通過合適的軟件設計，每一個DS18B20的序號都可以被控制器準確讀出，為減少數據量，設計中以每個傳感器的序號作為每個測溫區的編號，多個DS18B20可以并聯在唯一的三線上，實現多點溫度檢測但不會出現混亂，可以和單片機方便的組成傳感器網絡。

以某啤酒生產企業的一條巴氏殺菌生產線的殺菌過程為例。該條線采用隧道式噴淋系統，整個噴淋過程噴淋水的溫度有8個區域：1＃溫區25℃、時間6min，2＃溫區38℃、時間4.8min，3＃溫區49℃、時間4.8min，4＃溫區67℃、時間9.6min，5＃溫區63℃、時間10min（保溫區），6＃溫區47℃、時間4.6min，7＃溫區37℃、時間4.6min，8＃溫區24.5℃、時間5.1min。每個溫度區域一個DS18B20，共需8個，其電路圖見圖2。8個溫度傳感器采用單線結構共同占用了單片機的P2.2口。本系統溫度傳感器內部的A/D設置為12位，從而使溫度分辨率達到0.062 5℃，滿足±0.1℃的精度設計要求，本系統的溫度范圍為20～90℃。

2.3 控制裝置主要外圍單元設計

各個溫度區域的溫度設定采用按鍵設置，本裝置設計了4個獨立按鍵，其功能分別為增加、減少、設置和確定，以0.1℃步進，4個按鍵分別占用了單片機的P1.0～P1.3。

報警單元的功能是當某個測溫區溫度出現異常時發出聲光報警以提示管理員做出及時的處理，燈光報警接在單片機的P1.4口，聲音報警接在單片機的P2.1口。

圖1 控制系統整體結構框圖Figure 1 Control system overall block diagram

圖2 多點測溫電路Figure 2 Multi－point temperature measurement circuit

時鐘單元采用了常用的DS1302時鐘芯片，該芯片使用方便，功耗低，具有優越的性能和低廉的價格等性能，其內部自帶RAM 可完成年、月、日、周、時、分、秒的計時［6］，本設計的時鐘可對故障、溫度異常的準確時間作記錄以供查詢，占用P2.5、P2.6、P2.7口。

顯示單元的功能是實時顯示各個測溫區的溫度，以便管理員直觀地掌控各個點的溫度情況，本設計采用液晶顯示方式，選用LCD12864，該液晶塊具有低功耗、低工作電壓、電路設計和軟件編程簡單、使用方便等優點。軟件采用的是掃描輪流顯示各個測溫點的溫度、故障點的信息的方式，占用P4和P5口。電路圖見圖3。

2.4 GSM無線通訊電路設計

目前的啤酒巴氏殺菌生產線基本沒有實現集中遠程監控，這無疑需要技術人員不斷地巡視以掌握巴氏殺菌機的工作情況，費時費力，增加了生產成本。本設計采用公用的GSM無線通訊網絡作為數據傳輸的通道，其傳輸距離不受限制。TC35i是本設計的GSM無線通訊模塊，也是西門子公司的工業級GSM模塊，可傳輸中文短信息，可在900和1 800兩個頻段正常工作，可以傳輸語音和數據信息，支持Text和PDU格式的短信息，本設計主要傳輸數據信息。其工作電源為直流3.3～4.8V，功耗極低。TC35i由供電模塊、ZIF（zero insertion force，零阻力插座）連接器、天線接口、閃存等6部分組成［6］，共有40個引腳，本設計用到的引腳見圖4。通過ZIF連接器引出和外部電路連接［7］。單片機通過I/O口控制TC35i的啟動和停止以及故障恢復。由于單片機輸出為TTL電平，而TC35i為CMOS電平，設計中采用74F07進行電平轉換。控制裝置和TC35iGSM模塊之間的數據傳輸通過串口URXD0和UTXD0進行。控制裝置檢測到的各溫區的溫度、現場控制裝置故障等信息，通過串口驅動TC35i模塊上的SIM卡1將信息發送至與SIM卡2連接的上位機，并在上位機軟件實時顯示，同時發送到管理員手機SIM卡3。其連接電路圖見圖4。

圖3 設定、顯示、時鐘及報警電路Figure 3 Settings，display，clock and alarm circuit

圖4 通訊系統電路圖Figure 4 Communication system circuit diagram

為簡化設計，降低成本，本裝置采用PC機內部的5V電源為TC35i模塊供電，二者之間的通信通過串口的RXD、TXD和GND三線制實現，線路連接簡單、使用方便。

3 系統軟件設計

3.1 單片機檢測控制中心的軟件設計

啤酒巴氏殺菌機溫度檢測控制中心軟件的開發，是在MSP430單片機的軟件開發環境中用C＋＋語言編寫的，軟件系統主要包括溫度采集和處理子程序、單片機初始化程序、按鍵子程序、液晶顯示程序、故障及溫度異常報警子程序和時鐘等程序模塊。由于本系統的溫度變化曲線無特定規律且是非線性的、大滯后的系統，因此，各個測溫區域的溫度控制采用了模糊控制算法。控制裝置主程序流程圖見圖5。

圖5 控制裝置主程序流程圖Figure 5 Main program flow chart of control device

3.2 監控中心軟件設計

采用VC＋＋語言開發了監控軟件，軟件人機界面友好，操作方便，控制中心和監控中心通過GSM模塊TC35i連接的無線通訊電路完成信息的傳輸。監控中心軟件設有各監控點溫度顯示功能、溫度異常提示、溫度查詢、遠程溫度設置、系統配置等功能、幫助菜單、打印、溫度曲線繪制并顯示、歷史數據查詢等功能。在系統配置中可以設置通訊端口號、波特率等通訊參數，監控軟件中設有數據庫，生產線所有的溫度數據都可查詢。上位機監控軟件主界面圖見圖6。

圖6 上位機監控軟件主界面Figure 6 Main interface of PC monitoring software

4 結論

本設計實現了啤酒巴氏殺菌機多溫區溫度的自動控制和不受距離限制的遠程集中監控，大大降低了成本。由于溫度控制具有較大的滯后性，在軟件設計上采用了模糊控制策略，基本實現了巴氏殺菌機各個溫區溫度的精確控制，從而使啤酒的口味和質量得到保障，本設計在啤酒生產企業將具有廣泛的應用前景和價值。

1 樊軍慶.啤酒巴氏滅菌機溫度控制系統設計［D］.海南：海南大學，2008.

2 沈建華，楊艷琴.MSP430系列16位超低功耗單片機原理與實踐［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2008.

3 莫愁，陳霖，陳懿，等.微波干燥恒溫控制系統的設計［J］.食品與機械，2011，27（2）：77～79.

4 趙方，吳必瑞，盧青波.基于MSP4309的溫室大棚遠程監控系統［J］.農機化研究，2012，34（5）：182～184.

5 關世榮.家庭智能監護報警裝置的研制［D］.吉林：吉林大學，2011.

6 莊建清，徐瑋.西門子Siemens TC35GSM開發板［J］.電子制作，2009（3）：16～17.

7 吳青，忤博.基于TC35i的GSM報警器的設計與實現 ［J］.微計算機信息，2009，25（2）：307～309.