酒醅發酵過程的多參數自動監測系統

張國奇，田彥婷

（1.太原理工大學物理與光電工程學院，山西太原030600；2.太原理工大學測控技術研究所，山西太原030600）

酒醅發酵過程的多參數自動監測系統

張國奇1，田彥婷2

（1.太原理工大學物理與光電工程學院，山西太原030600；2.太原理工大學測控技術研究所，山西太原030600）

為了監測酒醅發酵過程中的溫度、濕度、酸堿度、含氧量，設計一個實時自動監測系統包括測控計算機子系統、無線數據接收轉發及接收器、多路多參數子系統、發酵參數測量傳感器組。該過程主要由傳感器組檢測，經由導線到信號變送器，再由多路多參數智能子系統相應信息輸入無線信號發送器發送，在接收端有無線信號接收器送至計算機控制系統。傳感器的使用使得多路多參數系統的工作情況通過模擬信號由模數轉換器完成翻譯、時序等工作，由單片機進行控制最終輸入。

酒醅發酵；多路多參數；自動監測

ZHANG Guoqi1,TIAN Yanting2
(1.School of Physics and Optoelectronic Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030600,China; 2.Institute of Measurement and Control Technology,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030600,China)

目前多數酒廠的酒醅發酵還是傳統式的作業方式。所以，采用計算機技術、多傳感器融合自動檢測技術實現酒醅發酵過程中的各種參數的監測與分析不僅顯得異常重要，更是發酵工程的自動化檢測控制發展的必然趨勢。其主要優勢體現在以下幾方面：（1）精確測量各發酵參數，提高、穩定產品質量，降低原料消耗；（2）減少人工參與，實現無污染生產，減少質量風險；（3）替代人工，降低生產成本；（4）測、管、控一體化，滿足信息化需求，提高企業管理水平與綜合競爭力[1]。如果傳統酒釀行業中，酒醅發酵過程能實現多參數的自動測量、傳輸、監測、分析等一系列功能，將是國內傳統釀酒行業的一項重大革新，具有深遠的意義[2]。

1 自動監、檢測系統主要功能特點、技術要求、具體指標

1.1 主要功能

系統主要功能是實現酒醅發酵過程控制的傳統作業方式向信息化方式轉變，主要完成酒醅發酵過程中各基本參數的自動測量、無線傳輸、實時監控、分類記錄存儲。其主要功能特點如下：（1）采用先進的計算機技術、多傳感器適配技術、無線數據傳輸技術，實現酒醅發酵過程的自動化控制、監測、管理；（2）遠程控制計算機實時顯示監測參數，并對各類參數分類編號記錄存儲，形成數據文件，用于離線數據分析比對，提高酒的品質；（3）單臺計算機實時監控一個或幾個車間內抽樣酒池發酵參數；（4）采用無線與有線相結合的方式，完成酒醅發酵過程的參數自動測量、傳輸，既可以實現參數測量結果的本地數字顯示（將參數在酒池附近的測量模塊中顯示，此功能是否需要，應與用戶協商），又可通過無線方式傳輸給遠程控制計算機，實現遠程界面監控；（5）采用遠程計算機和智能控制系統控制酒池內多路發酵參數測量傳感器以及無線數據傳輸子系統的工作狀態，滿足其長時間工作需求[3]。

1.2 主要技術要求

（1）完成酒醅發酵的溫度、水分、酸度、含氧量基本參數的測量；（2）系統連續工作時間為一個發酵周期，約70 d；（3）系統各測量傳感器工作溫度范圍在0～50℃，應能耐腐蝕并具有防水性能；（4）每個發酵酒池內分三層進行參數測量，并分別監控記錄存儲；（5）每臺計算機監控一個酒醅發酵車間抽樣酒池發酵參數，初步估計約30個；（6）采用無線傳輸技術，將各酒池內測量的發酵參數傳輸給計算機；（7）監控計算機除實時顯示監測參數外，應對各參數進行分類記錄存儲形成數據文件，并能經網絡傳輸至其他用于數據分析的專用計算機；（8）各參數測量子機的供電采用鋰電池供電；（9）計算機監控界面中有相應的異常數據報警顯示；（10）各測量子機應留有工作狀態指示燈（如故障、電池電量、正常等工作狀態的指示）[4]。

1.3 具體指標

（1）溫度測量范圍：0～50℃，測量精度：±0.5℃（0～50℃）。

（2）濕度測量范圍：相對濕度（relative humidity，RH）5%～95%，測量精度：±2%。

（3）酸度測量范圍：pH值0～14，測量精度≤0.02（視標定精度而定）。

（4）含氧量測量范圍：0～30%，測量精度：±1%。

2 系統組成與工作原理

2.1 系統組成

圖1 酒醅發酵過程參數自動監測系統Fig.1 Automatic monitoring system for parameters during fermented grains fermentation

如圖1所示，以一個發酵車間內各酒池發酵參數監測為例，本系統主要由以下各系統子系統成：測控計算機子系統（控制各子系統工作，完成酒醅發酵各測量參數的實時顯示、記錄并分類存儲形成文件）；無線數據收發轉接器（完成上位監控計算機與各測量模塊之間的數據轉發，一方面收上位計算機的操作命令字，傳送給各測量模塊，執行相關的測量任務，另一方面接收無線數據收發子系統傳來的各類測量參數并實時傳送給上位監控計算機）；無線數據收發子系統（在智能采集子系統的控制下將各類測量參數實時有序的無線傳送給無線數據收發轉接器）；多路多參數智能采集子系統（在智能處理器的控制下，完成各酒池內發酵參數的測量，控制無線數據發射子系統進行數據傳輸）；發酵參數測量傳感器組（傳送各發酵參數的模擬或數字量給智能采集子系統）。圖1中m是對應第m個發酵酒池的多路智能采集子系統，n對應每個發酵酒池中第n個需測量的參數，目前先按前面提到的溫度、水分、酸度、含氧量考慮[5]。

2.2 工作原理

如圖1所示，各系統上電工作后，首先在監測控制計算機的控制下，逐一查詢各酒池的測量節點，確保各節點中的各子系統通信正常，有故障的節點鏈路在控制界面中顯示。待各模塊經過初步測試后，由監測控制計算機發送各節點鏈路中各測量子系統的工作命令，整個系統進入工作狀態。之后，各智能測量子系統按監測控制計算機發送的命令周期性的進行各自的參數測量，并經過無線發射子系統、無線數據轉發器最終將各酒池的各發酵參數實時有序的傳送給監測控制計算機，并進行實時顯示存儲，直至完成整個發酵周期的自動控制監測工作[6]。

3 各子系統的實現原理

按從底層到上層順序本系統主要包括：發酵參數測量傳感器組、多路多參數智能采集子系統、無線數據收發子系統、無線數據收發轉接器、智監測控制計算機子系統。以一個發酵池為例，其相互關系如圖2所示。

圖2 單個發酵池測量組成圖Fig.2 Constitutional diagram of single fermentation tank

3.1 發酵參數測量傳感器組

發酵參數測量傳感器組，前期主要包括溫度、濕度、酸度、含氧量4個測量參數，其中，溫、濕度可用一個測量傳感器實現。其每路參數測量組成主要包括：測量探頭、傳輸導線，信號變送器。

（1）測量探頭：需分三層埋入發酵酒池的酒醅中，要有防腐蝕、防水措施；

（2）傳輸導線：將測量信號從探頭引出，接入信號變送器，長度初步考慮5 m左右（實際現場確定，更長時，需要采用特殊要求的傳輸電纜），另外需將測量導線裝與特制的防腐蝕的管內；

（3）信號變送器：傳輸導線將測量信號引入信號變送器，經適當放大調理變換成4～20 mA的電流信號，送入采集子系統。

3.2 多參數智能測量子系統

多參數智能測量子系統的主要由智能處理器CPU以及復雜可編程邏輯器件/現場可編程門陣列（complex programmable logic device/field-programmable gate array，CPLD/FPGA）、存儲器、模數轉換（analogue-to-digital，AD）、數據接口等外圍電路組成，其組成框圖如圖3所示[8]。

圖3 多參數智能測量子系統Fig.3 Subsystem of multi-parameter intelligent measurement

其主要功能是控制各路參數的采集，完成與無線收發模塊的數據通信，同時控制無線收發模塊的數據發送接收。具體完成功能如下：

主要功能指標：一個多參數智能測量子系統完成一個發酵池的各參數測量，考慮到后期測量參數增加的可能性，按每個發酵池分三層測量考慮，如果能實現6個參數的測量，則需18路AD完成參數的采集測量；控制AD完成數據采集后，經數據處理運算，實時計算出各路測量值；通過USB接口與無線收發模塊進行數據通信，接收收發模塊送來的上位計算機的工作命令，完成數據采集測量后將各路測量參數送入收發模塊，并控制其數據發送；每路多參數智能測量子系統，通過無線方式受遠程上位計算機的控制，完成參數測量傳輸工作；智能測量子系統應充分考慮電磁兼容性、可靠性、成本、功耗等設計因素，保證系統的穩定可靠[9]。

4 上位監控計算機的軟件設計

上位監控計算機的軟件設計切實關系到用戶的實際操作應用，所以顯得至關重要。在實現所需功能的前提下，如何最大程度的方便用戶使用操作是其軟件設計的關鍵。下面對軟件設計做詳細介紹。

4.1 任務分析

軟件系統的開發應充分滿足用戶的使用要求，即按照軟件工程化的要求，對軟件的開發過程進行管理，完成軟件定義、軟件需求分析、軟件設計、軟件編碼、軟件測試等工作。

4.2 軟件功能組成

因為一臺上位計算機需監控一個發酵車間內抽樣發酵池的各測量參數，根據初步調研，按每個發酵車間5%的發酵池抽樣監測計算同時最大監控50個發酵池能滿足要求。在此，定義每個發酵池對監控軟件來說為一個監控節點。下面一個監控節點代表一個發酵池。

監控軟件按功能可分為三大部分：預案數據分發、監測數據實時采集與報警以及事后數據信息分析與統計。應用軟件每次重新加載運行后，需要系統管理員進行身份驗證登錄，其功能模型如圖4所示。

圖4 軟件系統功能模型Fig.4 Function model of software system

（1）預案數據分發功能：所謂預案數據分發是指，所有受此上位計算機控制的各多參數智能測量子系統即各節點，在第一次使用前，都需經上位計算機對其進行初始化，通過參數設置界面，對各節點進行參數預分發，諸如發酵池編號、需測量的參數個數、種類等信息[20]。預案數據分發功能，不僅便于第一次使用，當某個發酵池的測量設備需要更換使用時，也需要對更換后的測量設備進行重新編號，分配初始任務。進行預案數據分發時，需通過USB接口，將各測量子系統與計算機連接，完成預案數據寫入。

（2）監測數據實時采集、報警功能：監測數據實時采集、報警功能主要指，在對各發酵池進行參數測量時，上位監控計算機對各測量節點傳來的各測量值進行實時顯示，對異常數據進行報警處理顯示，同時，將各測量數據按各節點編號分類進行記錄存儲，以便于事后進行數據統計分析處理。

（3）事后數據信息分析與統計功能，事后數據信息分析與統計功能，主要用于將實時監測過程中存儲記錄的大量測量數據進行統計分析，建立相應的經驗數據庫，以用于為以后發酵過程提供依據，最終達到提高產品質量，控制成本的目的。需說明的是：在本系統第一階段的實現過程中，事后數據信息分析與統計功能暫不進行開發，當系統得到測試驗證后，需在用戶提供相應的幫助下，進行開發。該部分亦可以單獨開發軟件完成此功能。

4.3 軟件界面設計

用戶采用圖形化人機界面進行交互操作，由于使用了菜單、按鈕、多選框、單選框等圖形組件，用戶無需記憶操作命令，使用起來簡單、直觀。這就要求在設計用戶接口時，必須充分考慮到用戶的操作習慣，科學、合理地進行界面布局，選用合適的程序圖形組件，并使它們排列整齊、大小協調[13]。整個顯控系統軟件的人機界面應美觀、友好，各狀態參數、測量參數、監控信息的顯示整潔、直觀，各項控制操作簡便快捷、容錯性強，并提供完整、實用的在線幫助信息。對不能編輯和使用的數據項用灰色顯示。在軟件中提供必要的提示信息，幫助用戶理解軟件的相關功能。在做一些有破壞性的操作（如刪除、整理等）前，應有必要的提示窗口，使用戶可以取消該操作命令。

操作界面以下拉菜單、工具條、網格以及樹形圖控制為主，界面由菜單、工具條、工作區和狀態欄組成。菜單用于控制主要的功能和進行窗口顯示；工具條是主要菜單功能的快捷鍵按鈕集成區；工作區用于顯示當前的工作窗口；在切換不同的顯示任務時，通過樹形圖控制進行切換顯示。對于所有控制指令的輸入可由樹形圖根據節點下屬各節點的展開來選中，當某一個特定的控制功能被選定后，應顯示該控制功能相應的控制參數輸入界面，其輸入參數的數量和對應參數名稱均應與該控制功能相對應。圖5為一簡單的參考界面：

圖5 軟件操作界面示意圖Fig.5 Schematic diagram of the software operation interface

5 總結

酒醅發酵過程的多參數自動監測系統由于其測量節點多，測量參數多，且酒醅發酵池的介質環境很復雜，此外，據調研，目前國內釀酒行業在酒醅發酵過程的信息化管理方面還是空白，所以該系統的實現有一定的復雜性，要形成規模性的信息化管理，需要經過較長周期的努力[14]。也正因為如此，才凸顯出該項目實施的重大意義。相信通過共同努力，最終能夠實現酒醅發酵過程的信息化管理[15]，為國內傳統釀酒行業向信息化管理的轉變邁出實質性的一步。

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TS26

0254-5071（2017）05-0179-04

10.11882/j.issn.0254-5071.2017.05.038

2017-02-28

張國奇（1990-），男，碩士研究生，研究方向為新型傳感器與智能控制。

*通訊作者：田彥婷（1982-），女，講師，博士，研究方向為氧化石墨烯功能器件設計制備及測量。