基于LoRa的濃香型白酒固態(tài)發(fā)酵參數(shù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

趙痛快，張 力,2，張保華，史浩東，楊開放

（1.安徽大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.安徽大學(xué) 集成電路學(xué)院，安徽 合肥 230601）

0 引 言

隨著人們消費(fèi)水平的提升，消費(fèi)者對(duì)優(yōu)質(zhì)白酒的需求日趨增長(zhǎng)，從而促使白酒生產(chǎn)企業(yè)不斷通過技術(shù)升級(jí)改進(jìn)生產(chǎn)工藝、提高生產(chǎn)效率。固態(tài)發(fā)酵是白酒生產(chǎn)的核心環(huán)節(jié)，在這一環(huán)節(jié)快速準(zhǔn)確地獲取窖池溫度、水分等敏感數(shù)據(jù)對(duì)于原酒生產(chǎn)尤為必要，控制好窖池內(nèi)部的溫度和水分是生產(chǎn)高品質(zhì)白酒的關(guān)鍵。白酒生產(chǎn)企業(yè)的勾調(diào)、灌裝等環(huán)節(jié)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化作業(yè)，但對(duì)發(fā)酵環(huán)境參數(shù)的測(cè)量仍停留在人工取樣的理化測(cè)量階段，這種方式容易破壞窖池發(fā)酵環(huán)境的完整性、工作效率低下，且無法兼顧窖池發(fā)酵的全周期參數(shù)監(jiān)測(cè)[1-2]，因此研發(fā)一種窖池發(fā)酵溫度和水分智能在線監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)極為必要。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要包括三個(gè)模塊：終端采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和上位機(jī)顯示模塊。終端采集模塊以STM32L152RCT6單片機(jī)作為主控芯片，利用其內(nèi)部的AD模塊讀取溫度水分傳感器（BND-WSD）所采集到溫度和水分?jǐn)?shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)傳輸；數(shù)據(jù)傳輸模塊為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕罱K選擇了“無線傳輸+有線傳輸”的方式，終端將采集的數(shù)據(jù)通過LoRa通信發(fā)送給LoRa網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)完成數(shù)據(jù)匯總的工作之后將接收的數(shù)據(jù)通過RS 485總線發(fā)送到上位機(jī)[3]。上位機(jī)顯示模塊的功能主要是將接收數(shù)據(jù)還原為溫度、水分參數(shù)并自動(dòng)存儲(chǔ)，繪制數(shù)據(jù)曲線，同時(shí)將數(shù)據(jù)傳至云平臺(tái)，客戶可以通過手機(jī)或者電腦直接讀取窖池內(nèi)部的數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 需求分析

通過對(duì)國(guó)內(nèi)某濃香型白酒生產(chǎn)企業(yè)的發(fā)酵車間進(jìn)行實(shí)地考察發(fā)現(xiàn)：（1）車間內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜，存在大量大型器械作業(yè)，無線信號(hào)傳輸可能存在干擾或信號(hào)衰減。（2）發(fā)酵車間的窖池不允許通過拉線為終端設(shè)備持續(xù)供電。濃香型白酒發(fā)酵周期較長(zhǎng)，為了避免對(duì)窖池內(nèi)部環(huán)境的破壞，終端設(shè)備一旦插入窖池內(nèi)部之后就不能拔出，所以終端設(shè)備低功耗運(yùn)行和電源續(xù)航能力需要重點(diǎn)考慮。（3）窖池溫度和水分傳感器模塊需要快速、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)酒醅參數(shù)，并注意防腐蝕。

綜合上述因素，傳輸模塊需具備穿透性強(qiáng)、功耗低、穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)，以此保證數(shù)據(jù)在復(fù)雜的車間環(huán)境中能夠得到可靠傳輸。現(xiàn)在常用的短距離通信技術(shù)有WiFi、藍(lán)牙、ZigBee、LoRa等，四種無線通信技術(shù)的比較見表1所列。

表1 無線通信技術(shù)對(duì)比

經(jīng)過對(duì)表1的分析可知，LoRa通信在功耗、傳輸距離、傳輸速率、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)等方面都具有優(yōu)勢(shì)，所以本設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)傳輸模塊選擇了基于LoRa傳輸。在設(shè)備研發(fā)中，需要結(jié)合發(fā)酵規(guī)律靈活設(shè)置設(shè)備工作狀態(tài)，對(duì)核心主控器件、電路運(yùn)行功耗、電源續(xù)航能力等因素需要綜合考慮。

2.1.1 核心控制模塊

經(jīng)過對(duì)市場(chǎng)上的芯片進(jìn)行綜合考慮之后，最終選擇STM32L152RCT6單片機(jī)作為主控芯片，此芯片屬于超低功耗芯片，具有功耗低、高效、可靠、性能極為穩(wěn)定的特點(diǎn)。該芯片工作電壓為1.8～3.6 V，有51個(gè)I/O口以及I2C、SPI、UART等多種連接能力，完全能夠滿足設(shè)計(jì)需求。核心控制模塊的電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 控制模塊的電路設(shè)計(jì)

2.1.2 終端采集電路

終端采集的傳感器使用的是溫濕度傳感器（BND-WSD），傳感器內(nèi)部由溫度采集模塊和水分采集模塊兩部分組成，此傳感器自身硬度高、穩(wěn)定性好、抗腐蝕性強(qiáng)，能夠很好地應(yīng)用在窖池內(nèi)部的復(fù)雜環(huán)境中。傳感器內(nèi)部有自己的信號(hào)處理電路，在采集的過程中會(huì)產(chǎn)生0～2 V電壓，分別對(duì)應(yīng)溫度-40～80 ℃，水分0～100%，將傳感器輸出的電壓信號(hào)接到STM32的I/O上，對(duì)此I/O口進(jìn)行檢測(cè)，通過A/D采集電壓信號(hào)，采集電路如圖3所示。

圖3 采集電路

將采集到的電壓信號(hào)通過公式計(jì)算，得到相應(yīng)的溫度、水分?jǐn)?shù)據(jù)，公式分別為：

其中：V采指的是I/O口讀到的電壓信號(hào)；V總指的是2 V電壓。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸模塊

2.2.1 LoRa通信電路配置

在對(duì)車間進(jìn)行實(shí)地勘察之后，發(fā)現(xiàn)進(jìn)行通信模塊選型的要求包括：通信距離遠(yuǎn)、抗干擾強(qiáng)、易擴(kuò)展。本系統(tǒng)選用SX1278芯片作為通信模塊的主控芯片，SX1278芯片是以LoRa技術(shù)為基礎(chǔ)開發(fā)的，具有低功耗、免調(diào)試、靈敏度高、抗干擾強(qiáng)、穿透力強(qiáng)、發(fā)射功率低以及較寬的電壓范圍（2.1～3.6 V）等特點(diǎn)。傳輸距離最高可達(dá)5 km，通信接口為SPI。SX1278外部電路的設(shè)計(jì)主要包括主控芯片、射頻芯片、天線部分、開關(guān)電路、接收電路、發(fā)送電路。

SX1278芯片的通信接口為SPI，在硬件電路上，NRESET（復(fù)位）腳連接STM32的PA1腳，低電平有效；芯片的NSS（使能）腳連接STM32的PB12腳，低電平有效；SPI接口的SCK（時(shí)鐘）腳與STM32的PB13相連、MISO腳與PB14相連、MOSI腳與 PB15相連。硬件完成連接后，就可以通過軟件層實(shí)現(xiàn)STM32與SX1278的通信。

SX1278芯片有接收狀態(tài)和發(fā)送狀態(tài)兩種工作狀態(tài)，但是同一時(shí)間，SX1278 芯片只能處于一種工作狀態(tài)，所以實(shí)際工作時(shí)芯片要根據(jù)需要進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。在設(shè)計(jì)中增加了一個(gè)狀態(tài)開關(guān)U3（RF Switch），它可以控制RFC與RF1或者RF2相連。當(dāng)RF1與RFC相連時(shí)，芯片狀態(tài)為接收狀態(tài)；當(dāng)RF2與RFC相連時(shí)，芯片狀態(tài)為發(fā)射狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換。SX1278外部電路的原理如圖4所示。

圖4 SX1278外部電路原理

2.2.2 LoRa通信方式設(shè)置

LoRa通信模塊分為發(fā)送模式和接收模式，由于SX1278芯片屬于半雙工通信方式[4-6]，所以在同一時(shí)刻下只能處于一種狀態(tài)。處于發(fā)送模式時(shí)，在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，要先進(jìn)行相關(guān)程序初始化才能發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送模式初始化的流程如圖5所示。

圖5 發(fā)送模式初始化的流程

STM32單片機(jī)將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)通過SPI接口寫到射頻芯片的FITFO寄存器中，再通過寄存器RegOpMode設(shè)置射頻芯片的狀態(tài)為發(fā)送狀態(tài)，然后將FITFO寄存器中的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。寄存器RegIrqFlags的TxDone位能夠確定數(shù)據(jù)是否發(fā)送成功。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束后，可以選擇繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，也可以選擇切換芯片的工作模式。

數(shù)據(jù)接收模式的流程如圖6所示。接收初始化后，判斷接收模式狀態(tài)。單一接收模式：周期性查詢通道，檢查通道內(nèi)是否有需求的前導(dǎo)碼。當(dāng)檢查到需求的前導(dǎo)碼后就進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，不然就會(huì)生成中斷超時(shí)信號(hào)；連續(xù)接收模式：持續(xù)性查詢通道，當(dāng)接收到前導(dǎo)碼時(shí)，檢查其長(zhǎng)度和初始設(shè)定的長(zhǎng)度是否相同，長(zhǎng)度相同就進(jìn)行數(shù)據(jù)接收。

圖6 數(shù)據(jù)接收模式的流程

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 采集節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

采集節(jié)點(diǎn)主要任務(wù)有發(fā)送指令、處理數(shù)據(jù)（接收并上傳）等，采集節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計(jì)是基于μC/OS-III系統(tǒng)完成的[7-8]，主程序流程如圖7所示。首先要對(duì)相關(guān)的硬件進(jìn)行初始化，再根據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的功能需求，為各個(gè)功能模塊創(chuàng)建相對(duì)應(yīng)的任務(wù)；然后由系統(tǒng)完成任務(wù)的調(diào)度。系統(tǒng)需要?jiǎng)?chuàng)建的任務(wù)主要有：?jiǎn)?dòng)、LoRa通信[9]、人機(jī)交互、ModBus通信、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。

圖7 主程序流程

系統(tǒng)的任務(wù)創(chuàng)建與調(diào)度的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖8所示。系統(tǒng)初始化后開始創(chuàng)建主任務(wù)，在主任務(wù)中完成其他子任務(wù)的創(chuàng)建。人機(jī)交互任務(wù)的功能是便于工作人員操作設(shè)備，主要有按鍵模塊和LCD顯示模塊，員工通過按鍵和LCD顯示就可以對(duì)終端進(jìn)行相關(guān)操作；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)的主要功能是將終端采集的數(shù)據(jù)和采集時(shí)間存入對(duì)應(yīng)的寄存器中；數(shù)據(jù)通信任務(wù)的主要功能是使節(jié)點(diǎn)之間建立通信，進(jìn)而完成數(shù)據(jù)的傳輸；ModBus通信任務(wù)的功能是與上位機(jī)進(jìn)行通信，上位機(jī)通過ModBus協(xié)議讀取網(wǎng)關(guān)內(nèi)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。

圖8 系統(tǒng)的任務(wù)創(chuàng)建與調(diào)度設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

3.2 采集值的濾波處理算法設(shè)計(jì)

由于在采集過程中可能受到窖池內(nèi)部復(fù)雜環(huán)境的影響，會(huì)有一些異常值，所以需要對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，將異常值篩選掉，本系統(tǒng)采用的濾波方法是中值平均濾波算法[10]，將采集值放入一個(gè)大小為128的數(shù)組中，將數(shù)組中的數(shù)據(jù)按照從小到大排列，去除前后各20組數(shù)據(jù)，取中間的88組數(shù)據(jù)，并取其平均值作為最后采集值，這樣可以有效避免偶然因素產(chǎn)生的異常值，流程如圖9所示。

圖9 信號(hào)采集值的濾波流程

3.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件采用的是南京新迪生軟件技術(shù)有限公司的組態(tài)軟件，該軟件在本系統(tǒng)中的主要功能包括：數(shù)據(jù)處理和分析，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每一個(gè)終端設(shè)備狀況，存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)和繪制趨勢(shì)圖，對(duì)窖池內(nèi)部溫度和水分?jǐn)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，客戶端遠(yuǎn)程監(jiān)控。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)界面和客戶端界面分別如圖10和圖11所示。

圖10 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)界面

圖11 客戶端界面

4 系統(tǒng)測(cè)試與數(shù)據(jù)分析

4.1 LoRa無線通信模塊測(cè)試

由于廠區(qū)內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜，為了保證傳輸?shù)姆€(wěn)定性，在車間內(nèi)部和廠區(qū)做了LoRa無線通信傳輸距離測(cè)試和通信數(shù)據(jù)丟包率測(cè)試，以此來測(cè)定LoRa傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

4.1.1 LoRa無線通信傳輸距離測(cè)試

為了驗(yàn)證傳輸距離對(duì)無線傳輸?shù)挠绊懀謩e在空曠無遮擋區(qū)域和有建筑物遮擋區(qū)域進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試方法是將網(wǎng)關(guān)匯聚節(jié)點(diǎn)放在一個(gè)固定的位置，通過改變采集節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)匯聚節(jié)點(diǎn)的距離，測(cè)試采集節(jié)點(diǎn)能否組網(wǎng)成功，測(cè)試結(jié)果見表2所列。由表2可知，隨著采集節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)匯聚節(jié)點(diǎn)的距離變大，組網(wǎng)成功率也會(huì)逐漸降低。當(dāng)二者距離在1 000 m以內(nèi)時(shí)，成功率可達(dá)95%以上。

4.1.2 LoRa無線通信數(shù)據(jù)丟包率測(cè)試

根據(jù)LoRa無線通信數(shù)據(jù)丟包率可以直觀地判斷出傳輸性能，數(shù)據(jù)包的大小和傳輸距離對(duì)傳輸性能都有影響，發(fā)送端每隔30 s發(fā)送給接收端1 000個(gè)數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包大小設(shè)置為10 B，測(cè)試結(jié)果見表3所列。

表3 無線通信數(shù)據(jù)丟包率測(cè)試

由表3可知，丟包率大小與傳輸距離成正比，當(dāng)傳輸距離為1 000 m時(shí)，丟包率可以保持在1%以下。經(jīng)過測(cè)量可知，車間的長(zhǎng)度一般不會(huì)超過200 m，寬度不會(huì)超過50 m，所以LoRa無線通信模塊完全能夠滿足系統(tǒng)需求。

4.2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性分析

4.2.1 溫度分析

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性，需要對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，先將監(jiān)測(cè)終端插入窖池內(nèi)部，通過上位機(jī)記錄終端測(cè)量的數(shù)據(jù)；然后在窖池內(nèi)部相同的地方插入窖池專用測(cè)溫桿；使用這兩種方法分別測(cè)量20組數(shù)據(jù)，再對(duì)20組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，繪制折線圖如圖12所示。

圖12 溫度數(shù)據(jù)對(duì)比

由圖2分析可知：誤差的范圍普遍保持在0.5 ℃以內(nèi)，平均誤差是0.23 ℃，企業(yè)對(duì)溫度的要求是保持±0.5 ℃。根據(jù)結(jié)果分析，該系統(tǒng)對(duì)窖池溫度的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)非常可靠。

4.2.2 水分分析

將監(jiān)測(cè)終端插入窖池內(nèi)部，通過上位機(jī)記錄測(cè)量到的水分值，測(cè)量完畢之后，用人工取樣的方式在終端測(cè)試區(qū)域采樣，記錄樣品的質(zhì)量并將樣品放入烘干機(jī)，將樣品完全烘干之后記錄下此時(shí)的質(zhì)量，最后用烘干后的質(zhì)量除以烘干前的質(zhì)量乘以100%得到的就是水分值。分別對(duì)終端測(cè)量和人工測(cè)量記錄20組數(shù)據(jù)，對(duì)這20組數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析，繪制折線圖如圖13所示。

圖13 水分?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)比

通過實(shí)驗(yàn)可得出二者誤差范圍普遍在1%以內(nèi)，平均誤差是0.65%。根據(jù)國(guó)家規(guī)定，工業(yè)水分標(biāo)準(zhǔn)誤差是2%[7]，由此可知本系統(tǒng)完全滿足此要求，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度很高。

通過實(shí)驗(yàn)比對(duì)可知，本系統(tǒng)在車間內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜的條件下，測(cè)試成功率超過95%以上，測(cè)量的數(shù)據(jù)與人工取樣得到的數(shù)據(jù)之間的誤差也在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，并且系統(tǒng)穩(wěn)定性高、實(shí)時(shí)性好、續(xù)航能力強(qiáng)，完全滿足企業(yè)的需求，具有很強(qiáng)的應(yīng)用推廣價(jià)值。

5 結(jié) 語

本文針對(duì)國(guó)內(nèi)白酒生產(chǎn)企業(yè)窖池敏感數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的不足，設(shè)計(jì)了一種基于LoRa技術(shù)的酒醅發(fā)酵溫度和水分監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過多輪實(shí)驗(yàn)，將測(cè)量值與理化分析值進(jìn)行比對(duì)，測(cè)試精度滿足實(shí)際需求，有效彌補(bǔ)了現(xiàn)有人工采樣監(jiān)測(cè)固態(tài)發(fā)酵狀態(tài)的缺陷[9]。對(duì)窖池內(nèi)部發(fā)酵溫度和水分進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，結(jié)合上位機(jī)繪制的發(fā)酵曲線，工作人員可以很直觀地掌握全程發(fā)酵狀態(tài)，分析發(fā)酵過程，并對(duì)發(fā)酵異常的窖池及時(shí)進(jìn)行人為干預(yù)，從而保證固態(tài)發(fā)酵的品質(zhì)提升。本系統(tǒng)可以為白酒生產(chǎn)企業(yè)的固態(tài)發(fā)酵工藝改進(jìn)提供有力的數(shù)據(jù)支撐，更好地推動(dòng)白酒微生物發(fā)酵理論研究。系統(tǒng)的軟硬件產(chǎn)品擴(kuò)展性好[10]、適應(yīng)性強(qiáng)，可廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)濃香型、清香型等白酒生產(chǎn)企業(yè)。