一種固態發酵窖池酸度在線監測系統的設計與實現

◎文/殷李敏 郝標

（安徽大學電子信息工程學院 安徽金種子酒業股份有限公司）

以固態發酵為基礎的白酒釀造是我國傳統的生產工藝[1]。固態發酵是微生物在基本沒有游離水的固態基質上的發酵方式，利用微生物群落代謝過程將發酵糧醅中的糖類轉化成酒精，是一個比較緩慢的生化反應過程[2,3]。目前固態發酵數據監測，尤其是酸度、酒精度數據，完全依靠“人工采樣+理化測量統計”實現，操作過程繁瑣，數據離散，無法滿足發酵過程信息化監測需求。

調查發現，白酒窖池黃水酸度自動在線檢測儀可以監測窖池內黃水的酸度值，進而估算發酵糧醅酸度變化，但存在一定誤差。本系統可直接監測窖池發酵糧醅的酸度值變化情況，并通過無線傳輸方式上傳至上位機監測處理平臺，直觀展示發酵周期內窖池的酸度變化趨勢，實現高效數據處理，提高了發酵監測的信息化程度，為后續發酵工藝改進提供科學的數據支撐。

一、總體方案設計

固態發酵窖池酸度在線監測系統主要分為三大部分：采集數據的酸度值采集單元、接收并傳輸數據的協調器單元及人機交互的上位機顯示平臺。酸度值采集單元是以Zigbee技術的CC2530芯片為微控制器，通過酸度傳感器實時采集酸度數據，經數據處理后，以無線方式傳輸到協調器單元；協調器單元組建網絡，等待酸度采集單元加入網絡；上位機顯示平臺通過組態軟件，將采集的數據實時顯示在屏幕上，能夠直觀反映發酵周期的酸度數據變化。系統總體結構見圖1。

圖1 系統總體結構

二、系統硬件設計

本系統硬件系統主要包括窖池酸度采集單元和協調器單元。

1.酸度采集單元

酸度采集單元主要負責窖池酸度數據采集與傳輸，由電源模塊、酸度傳感器、數據處理模塊、CC2530核心控制模塊和顯示模塊組成，其硬件系統見圖2。電源模塊包含3.7V電源電路、降壓電路、升壓電路等電源調理電路。數據處理模塊包含信號放大電路、濾波電路等信號處理電路。顯示模塊包含LCD顯示屏和按鍵處理電路，實現人機交互。工作時，通過電源模塊給電路上電初始化。系統穩定工作后，酸度傳感器負責采集窖池酸度值，經過數據處理模塊進行信號放大、濾波等，再由CC2530核心控制模塊進行數據傳輸并在顯示模塊中顯示。

工業在線酸度傳感器的檢測范圍是0～14，使用溫度0～100℃，球泡耐壓0.6MPa，具有耐高溫、耐腐蝕、耐強酸強堿等特點。白酒生產的經驗數據表明，發酵周期間窖池內的酸度范圍是1～6，溫度最高在40℃左右，所以此款傳感器滿足使用條件。以CC2530為核心的控制模塊，可以對酸度采集單元實現整體控制，內置RF收發電路，可實現數據的無線傳輸。

2.協調器單元

協調器單元在本系統中主要功能是收集酸度采集單元的數據、存儲并上傳至上位機，其由電源模塊、時鐘模塊、存儲模塊、RS485通信模塊、CC2530核心控制模塊和顯示模塊組成。其模塊硬件框圖與圖2類似，工作時，通過電源模塊給電路上電初始化。系統穩定工作后，將酸度采集單元的數據經過存儲模塊，經過CC2530核心控制模塊將數據通過RS485通信模塊上傳至上位機。其中的時鐘模塊主要負責實時性，提供準確的時間數據，如年、月、日等。

圖2 酸度采集單元硬件系統

三、系統軟件設計

系統軟件設計是基于TI公司Z-Stack協議棧進行相關的應用程序開發[4]。

1.酸度校準程序及設計

酸度傳感器輸出的模擬信號與被檢測的酸度模擬量具有良好的線性關系，可以采用線性關系來校準[5]，酸度校準流程見圖3。采用數學關系兩點確定一條直線來進行校準，分別采集兩個不同狀態下的模擬量與對應的AD轉換值，如計算酸度時分別測酸度值等于3.4和酸度值等于5.2的模擬轉換值，采用公式（y=k*x+b）計算。式中，y表示模擬信號，x表示AD轉換值，k表示關系比，b表示偏移量。

圖3 酸度校準流程

2.通訊實現

酸度采集單元和協調器單元之間通過CC2530射頻收發模塊，在基于Zigbee協議通信基礎下，采用無線方式進行數據收發。其工作過程為：上電初始化后系統進入工作狀態，協調模塊開始建立網絡，等待酸度采集單元加入網絡[6]。酸度采集單元上電初始化后進入工作狀態，不斷掃描，尋找網絡，獲取網絡號并加入網絡。成功加入網絡后，酸度采集單元將采集處理后的數據以無線傳輸方式發送到協調器單元，實現酸度采集單元與協調器單元之間的通信。模塊通信流程見圖4。

圖4 模塊通信流程

上位機軟件是基于南京辛迪生公司的態神組態軟件開發的，其界面友好，能直觀地觀察到實時的酸度數據以及繪制發酵周期內的變化曲線[6]。協調器單元和上位機之間的通信是基于RS-485總線的Modbus通信協議。酸度采集模塊將采集的數據無線傳輸到協調器單元后，協調器單元通過RS-485總線將接收到的數據傳輸到上位機顯示平臺。

四、系統測試與數據分析

為了測試整個系統裝置的數據準確性和傳輸穩定性，采用實地環境進行測試，整個系統裝置在安徽金種子酒業股份有限公司的固態發酵窖池實驗車間進行周期兩個月的全程在線測試[7]。

實驗中選用的固態發酵窖池長4m，寬2m，高1.8m（包含發酵糧醅高出窖池面30cm）。酸度傳感器放置在底部便于與發酵物接觸，信號處理與傳輸單元放置在測試桿頂部，整個桿長2m（可根據不同窖池深度作調整）。

圖5 窖池酸度變化曲線

白酒固態發酵是一個很緩慢的生化過程，窖池的酸度值不會突變，一般4～6天出現明顯數值變化。考慮到不同窖池的不同環境，選取3個窖池同步測試，分別編號為1號、2號、3號，排除數據單一化的因素。安排一名技術人員同步進行人工取樣采集數據，以備和酸度采集裝置采集的數據進行對比。兩個月的測試期間，以5天為一個數據采集周期，每個窖池總共采集12個數據。經過數據整理，組態軟件繪制出窖池酸度值變化曲線（見圖5）。

從圖5可以直觀地看出，窖池的酸度變化前期上升、中期上升到最高、后期出現下降趨勢，最后趨于穩定狀態。將酸度采集裝置采集的數據和人工取樣采集的數據進行對比，數據準確率在98.8%左右，整體發酵酸度變化趨勢基本吻合，表明本系統滿足設計的要求，能夠準確、穩定地采集數據。

五、結論

這種固態發酵窯池酸度在線檢測系統突破傳統人工采集數據的缺點，能夠全程在線監測數據。實地測試表明，本系統監測數據準確、穩定、可靠性高，且整體結構簡單，便于安裝維護，有利于白酒固態發酵智能化監測和管理。