基于物聯網的醬油智能生產監控系統的研究

符志軍，王景景

(江西工程學院，江西 新余 338029)

醬油是一種常用的調味品，其生產工藝過程中的相關物理參數直接影響醬油的品質及風味[1]。傳統的醬油生產工藝過程通過人工方式進行工藝參數調節，具有一定的盲目性及不確定性，因此一種智能生產工藝過程監控系統的研制顯得更加重要[2]。本文在醬油傳統生產工藝參數技術上，以物聯網技術為基礎，設計一套醬油智能生產監控系統，對生產過程相關工藝參數進行實時調控，保障醬油的風味及品質。

1 醬油生產過程因素

在醬油的生產發酵過程中，在培養基中加入鹽水和豆類、谷類等原料，微生物在其中進行代謝，使蛋白質和淀粉發生分解。在以上過程中，鹽水濃度、鹽水與原料的配比、發酵過程溫度、發酵時間以及培養基中的酸堿度都會對醬油的生產過程產生影響[3-4]。

食鹽不僅可以改善醬油的鮮味，同時可以在醬油生產發酵過程中進行殺菌，降低雜菌對生產發酵環境的污染，改善微生物代謝環境。在醬油的生產過程中，當鹽水濃度較低時，蛋白酶活性增強，但是較低的鹽水濃度會導致細菌抑制功能相對降低。鹽水與醬油原料的比例直接影響醬油的外觀色澤，當鹽水與原料比例較高時，醬油顏色暗淡，當鹽水與原料比例較低時，醬油顏色較深[5-7]。但是較高的鹽水與原料比例會造成生產過程中氨基酸轉化率降低，影響醬油風味物質的形成，進而影響醬油的口感。醬油生產過程溫度及生產環境的酸堿度隨著生產過程的進行而不斷地發生變化，酸堿度的高低直接影響酶活性，進而影響醬油生產過程中微生物的代謝過程，同時對醬油風味物質的形成帶來不同程度的影響。溫度與酶的代謝速率在一定范圍內具有線性關系，在此范圍內，隨著溫度的升高，酶活性增強，溫度降低時，酶活性減弱[8]。過高或者過低的溫度均會造成酶活性降低，生產過程時間變長。為保證醬油的風味物質種類及含量，醬油的生產過程必須在有效的時間內進行，保證微生物能夠充分代謝，提高微生物代謝過程效率，改善醬油風味物質[9]。

綜上所述，醬油生產過程中，溫度是決定醬油質量及生產效率的關鍵因素，因此本文以醬油生產過程中各環節的溫度為主要監控對象，利用物聯網技術設計醬油智能生產監控系統。

2 監控系統總體方案設計

醬油生產過程中，溫度對其品質和產量的影響程度最大，本文根據醬油生產過程工藝特點，基于物聯網技術、無線網絡技術以及自動控制技術，建立醬油智能生產監控系統。醬油智能生產監控系統總體方案框架見圖1。

圖1 醬油智能生產監控系統總體方案Fig.1 The overall scheme of intelligent monitoring system for soy sauce production

在智能生產監控系統中，傳感器采集節點主要分為醬油生產容器溫度采集節點和生產車間環境溫度采集節點，溫度參數信息通過無線網絡傳輸至終端顯示節點和服務器。終端顯示節點用于查看醬油生產過程參數，服務器用于對環境參數信息進行比對分析、控制策略制定以及信息存儲等，服務器制定的控制策略通過指令形式發送至生產過程執行機構，實現醬油的智能自動化生產，提高醬油的品質及生產穩定性。無線傳感網絡是智能監控系統中關鍵的網絡傳輸途徑，將采集節點、控制節點以及服務器終端組成復雜的信息交互系統。無線傳感網絡能夠靈活進行節點設置，耗能低[10]。

3 監控系統節點與網關設計

醬油容器內溫度采集節點見圖2，包含溫度傳感器、控制芯片以及傳輸天線。溫度傳感器對容器內的溫度進行采集，控制芯片將溫度信息通過傳輸天線進行發射，并通過無線傳感網絡節點進行傳輸[11]。發酵容器內的溫度傳感器與醬油原料必須充分接觸，要求傳感器體積小、精度高、耐腐蝕并能夠長時間工作，因此選用封裝型溫度傳感器。

圖2 醬油容器內溫度采集節點結構框圖Fig.2 The structure diagram of temperature collection node in soy sauce container

環境溫度采集節點與醬油容器溫度采集節點結構類似，需要將生產環境內的溫度及濕度信息進行采集并傳輸，因此環境溫度采集節點選用一種高精度型溫濕度傳感器作為環境參數采集傳感器，并通過控制芯片和傳輸天線進行環境參數信息傳輸。溫度采集節點電路圖見圖3。

圖3 溫度采集節點電路圖Fig.3 The circuit diagram of temperature collection node

顯示終端節點一般布置在醬油生產現場，對采集到的參數信息進行實時顯示，便于生產過程對環境參數的查看，無需進行醬油容器內溫度的手工采集，有利于醬油質量的提高，同時提高醬油的生產效率。醬油生產監控系統顯示終端節點設計框圖見圖4，主要包括控制芯片、數碼顯像管、信息傳輸電路、數碼驅動電路以及輸入輸出接口。

圖4 顯示終端節點設計框圖Fig.4 The design block diagram of display terminal node

醬油的生產過程是一系列復雜的微生物代謝過程，因此醬油生產容器中的溫度不斷升高，為達到工藝要求生產溫度，需要對生產容器進行降溫，使其維持在最佳生產工藝溫度[12]。本文設計的基于物聯網醬油生產監控系統采用水循環方式進行降溫，控制節點電路圖見圖5。控制芯片通過接收控制指令，并對水泵驅動電路進行脈沖指令輸出，實現冷卻水循環泵的動作控制。

圖5 控制節點電路圖Fig.5 The circuit diagram of control node

醬油智能生產監控系統中數據信息的傳輸調度以及數據格式轉換是依靠網關實現的，對采集節點采集到的環境參數物理變量進行解析，并傳輸至上位機控制系統。控制系統根據設定的數據庫知識信息進行控制指令的發出，驅動電路根據控制指令實現智能生產監控。監控系統網關功能結構圖見圖6。

圖6 監控系統網關功能結構圖Fig.6 The function structure diagram of monitoring system gateway

4 系統控制算法

在醬油生產過程中，容器內溫度具有一定的時滯性和時變性，各區域溫度及不同生產階段的溫度具有較大的耦合性，在很大程度上影響醬油的生產品質。為確保醬油生產過程中環境溫度及容器內溫度能夠得到有效的控制，本文采用PID控制算法來進行溫度實時監測比對，并對冷卻循環水泵進行驅動。醬油智能生產監控系統溫度調控過程流程圖見圖7。

圖7 醬油智能生產監控系統溫度調控流程圖Fig.7 The temperature control flow chart of soy sauce intelligent production monitoring system

5 實驗與測試

為驗證醬油智能生產監控系統進行溫度自動監測控制的可靠性，本文設計在生產車間不同位置布置溫度采集節點6個，濕度采集節點6個，同時在每個醬油生產容器中布置溫度采集節點3個，單個生產車間內共16個生產容器，容器內溫度傳感器與醬油原料及醬汁充分接觸。智能生產監控系統實時采集記錄生產過程中的環境參數信息，并傳輸至控制節點，與醬油生產的最佳工藝參數35 ℃進行比對，控制系統根據比對數據差異發出控制指令，驅動執行結構動作，實現環境參數的實時監測控制。車間內實時監控平均數據及執行機構動作平均時間見表1。容器內溫度實時監測數據見圖8，本文任意挑選1個容器的3條監測曲線進行分析。

表1 醬油智能生產車間監控系統采集數據Table 1 The data acquisition by monitoring system of soy sauce intelligent production workshop

由表1可知，監控系統監測到生產車間溫度后，與環境溫度標準值26 ℃進行對比，并計算出與標準溫度之間的差異，隨后發出控制指令，冷卻水循環泵開啟，對生產車間進行降溫，并在不同的時間后，使車間不同監測點的平均溫度達到工藝標準值。

圖8 容器內溫度實時監測曲線Fig.8 The real time monitoring curves of temperature in container

由圖8可知，容器內3個不同位置的溫度變化趨勢基本相同，隨著生產過程的進行，容器內溫度逐漸上升，監控系統根據監測值控制驅動電路，隨著冷卻水循環泵的工作，容器內溫度逐漸降低，并保持在最佳生產溫度35 ℃。

6 結論

本文基于物聯網技術即無線傳感技術建立醬油智能生產監控系統，對生產車間及醬油生產容器內不同位置分別布置采集節點。實現醬油生產過程中車間環境溫度和醬油容器內溫度的實時監測與控制，同時通過容器內不同位置的溫度采集節點數據可以看出，隨著醬油容器深度的增加，溫度的上升速度明顯加快，隨著冷卻水泵的工作，其溫度降低幅度及速率基本相同。通過數據比對，表明基于物聯網建立的該監測系統對于醬油生產過程的溫度變化過程監控具有一定的可靠性。