一种固态发酵窖池酸度在线监测系统的设计与实现

◎文/殷李敏 郝标

（安徽大学电子信息工程学院 安徽金种子酒业股份有限公司）

以固态发酵为基础的白酒酿造是我国传统的生产工艺[1]。固态发酵是微生物在基本没有游离水的固态基质上的发酵方式，利用微生物群落代谢过程将发酵粮醅中的糖类转化成酒精，是一个比较缓慢的生化反应过程[2,3]。目前固态发酵数据监测，尤其是酸度、酒精度数据，完全依靠“人工采样+理化测量统计”实现，操作过程繁琐，数据离散，无法满足发酵过程信息化监测需求。

调查发现，白酒窖池黄水酸度自动在线检测仪可以监测窖池内黄水的酸度值，进而估算发酵粮醅酸度变化，但存在一定误差。本系统可直接监测窖池发酵粮醅的酸度值变化情况，并通过无线传输方式上传至上位机监测处理平台，直观展示发酵周期内窖池的酸度变化趋势，实现高效数据处理，提高了发酵监测的信息化程度，为后续发酵工艺改进提供科学的数据支撑。

一、总体方案设计

固态发酵窖池酸度在线监测系统主要分为三大部分：采集数据的酸度值采集单元、接收并传输数据的协调器单元及人机交互的上位机显示平台。酸度值采集单元是以Zigbee技术的CC2530芯片为微控制器，通过酸度传感器实时采集酸度数据，经数据处理后，以无线方式传输到协调器单元；协调器单元组建网络，等待酸度采集单元加入网络；上位机显示平台通过组态软件，将采集的数据实时显示在屏幕上，能够直观反映发酵周期的酸度数据变化。系统总体结构见图1。

图1 系统总体结构

二、系统硬件设计

本系统硬件系统主要包括窖池酸度采集单元和协调器单元。

1.酸度采集单元

酸度采集单元主要负责窖池酸度数据采集与传输，由电源模块、酸度传感器、数据处理模块、CC2530核心控制模块和显示模块组成，其硬件系统见图2。电源模块包含3.7V电源电路、降压电路、升压电路等电源调理电路。数据处理模块包含信号放大电路、滤波电路等信号处理电路。显示模块包含LCD显示屏和按键处理电路，实现人机交互。工作时，通过电源模块给电路上电初始化。系统稳定工作后，酸度传感器负责采集窖池酸度值，经过数据处理模块进行信号放大、滤波等，再由CC2530核心控制模块进行数据传输并在显示模块中显示。

工业在线酸度传感器的检测范围是0～14，使用温度0～100℃，球泡耐压0.6MPa，具有耐高温、耐腐蚀、耐强酸强碱等特点。白酒生产的经验数据表明，发酵周期间窖池内的酸度范围是1～6，温度最高在40℃左右，所以此款传感器满足使用条件。以CC2530为核心的控制模块，可以对酸度采集单元实现整体控制，内置RF收发电路，可实现数据的无线传输。

2.协调器单元

协调器单元在本系统中主要功能是收集酸度采集单元的数据、存储并上传至上位机，其由电源模块、时钟模块、存储模块、RS485通信模块、CC2530核心控制模块和显示模块组成。其模块硬件框图与图2类似，工作时，通过电源模块给电路上电初始化。系统稳定工作后，将酸度采集单元的数据经过存储模块，经过CC2530核心控制模块将数据通过RS485通信模块上传至上位机。其中的时钟模块主要负责实时性，提供准确的时间数据，如年、月、日等。

图2 酸度采集单元硬件系统

三、系统软件设计

系统软件设计是基于TI公司Z-Stack协议栈进行相关的应用程序开发[4]。

1.酸度校准程序及设计

酸度传感器输出的模拟信号与被检测的酸度模拟量具有良好的线性关系，可以采用线性关系来校准[5]，酸度校准流程见图3。采用数学关系两点确定一条直线来进行校准，分别采集两个不同状态下的模拟量与对应的AD转换值，如计算酸度时分别测酸度值等于3.4和酸度值等于5.2的模拟转换值，采用公式（y=k*x+b）计算。式中，y表示模拟信号，x表示AD转换值，k表示关系比，b表示偏移量。

图3 酸度校准流程

2.通讯实现

酸度采集单元和协调器单元之间通过CC2530射频收发模块，在基于Zigbee协议通信基础下，采用无线方式进行数据收发。其工作过程为：上电初始化后系统进入工作状态，协调模块开始建立网络，等待酸度采集单元加入网络[6]。酸度采集单元上电初始化后进入工作状态，不断扫描，寻找网络，获取网络号并加入网络。成功加入网络后，酸度采集单元将采集处理后的数据以无线传输方式发送到协调器单元，实现酸度采集单元与协调器单元之间的通信。模块通信流程见图4。

图4 模块通信流程

上位机软件是基于南京辛迪生公司的态神组态软件开发的，其界面友好，能直观地观察到实时的酸度数据以及绘制发酵周期内的变化曲线[6]。协调器单元和上位机之间的通信是基于RS-485总线的Modbus通信协议。酸度采集模块将采集的数据无线传输到协调器单元后，协调器单元通过RS-485总线将接收到的数据传输到上位机显示平台。

四、系统测试与数据分析

为了测试整个系统装置的数据准确性和传输稳定性，采用实地环境进行测试，整个系统装置在安徽金种子酒业股份有限公司的固态发酵窖池实验车间进行周期两个月的全程在线测试[7]。

实验中选用的固态发酵窖池长4m，宽2m，高1.8m（包含发酵粮醅高出窖池面30cm）。酸度传感器放置在底部便于与发酵物接触，信号处理与传输单元放置在测试杆顶部，整个杆长2m（可根据不同窖池深度作调整）。

图5 窖池酸度变化曲线

白酒固态发酵是一个很缓慢的生化过程，窖池的酸度值不会突变，一般4～6天出现明显数值变化。考虑到不同窖池的不同环境，选取3个窖池同步测试，分别编号为1号、2号、3号，排除数据单一化的因素。安排一名技术人员同步进行人工取样采集数据，以备和酸度采集装置采集的数据进行对比。两个月的测试期间，以5天为一个数据采集周期，每个窖池总共采集12个数据。经过数据整理，组态软件绘制出窖池酸度值变化曲线（见图5）。

从图5可以直观地看出，窖池的酸度变化前期上升、中期上升到最高、后期出现下降趋势，最后趋于稳定状态。将酸度采集装置采集的数据和人工取样采集的数据进行对比，数据准确率在98.8%左右，整体发酵酸度变化趋势基本吻合，表明本系统满足设计的要求，能够准确、稳定地采集数据。

五、结论

这种固态发酵窑池酸度在线检测系统突破传统人工采集数据的缺点，能够全程在线监测数据。实地测试表明，本系统监测数据准确、稳定、可靠性高，且整体结构简单，便于安装维护，有利于白酒固态发酵智能化监测和管理。