基于ZigBee技术的窖池固态发酵温度实时监测系统

张保华，吴 迪，产阿明，杨金玉

（安徽大学电子信息工程学院，安徽合肥 230601）

白酒是利用传统的发酵技术而制成的中国传统民族食品，蕴含着浓厚的历史气息[1]。近几年，国内白酒企业积极开展白酒制造自动化的研究。中国酿酒工业协会指出，酒业要实施“中国白酒158计划”[2]，即结合计算机信息处理技术，传感与检测技术，无线传感器网络通讯技术等[3]，实现白酒生产过程的全自动化。白酒生产需要经过一系列的工艺，其中包括固态发酵、蒸馏生产、酒体勾兑等。

白酒的发酵机理比较复杂，发酵期间各种成分含量检测困难，难以对其建立模型。目前，固态发酵未能实现全自动化，需要逐步实现。适宜的窖池温度等参数会大大的影响到白酒品质，因此提出一种基于ZigBee 技术的窖池固态发酵温度实时监测系统是非常有必要的。

1 系统总体结构设计

基于ZigBee 技术的窖池固态发酵温度实时监测系统主要由监测终端系统与上位机系统组成。监测终端系统由终端监测节点、路由器节点和协调器节点组成，各节点使用的主控芯片均是CC2530F256。终端监测节点将采集处理后的数据通过路由中继转发给协调器，协调器接收到数据后使用MODBUS-RTU 通讯协议发送给上位机系统，在上位机系统中监测不同时段内窖池的温度值，显示变化趋势。系统总体结构设计如图1所示。

2 系统硬件设计

基于ZigBee 技术的窖池固态发酵温度实时监测系统中最为重要的部分是终端监测系统的各个节点设计，我们可以根据各个节点所实现的功能不同，进行相应的软硬件配置。

2.1 核心控制模块与人机交互模块

监测终端系统主要由终端监测节点、路由器节点和协调器节点3 个部分组成，这3 个部分的核心控制模块与人机交互模块是相同的，可以进行独立设计后用于这3 个不同功能节点上。

核心控制模块是各个节点硬件电路设计中最为重要的部分，它就是各个节点的大脑，该模块选用的主控芯片是基于8051 CPU 内核的CC2530F256。它不仅内部集成了高性能的RF 收发器，而且还具有电源管理功能，可以实现低功耗的设计，这样大大的延长了终端设备的续航能力。核心控制模块电路设计如图2 所示。

图2 核心控制模块原理图

人机交互模块是用来查看各个节点信息以及设定参数的重要外设，根据设计需求，该模块选用了工业级LCD12864 液晶点阵屏。由于该系统是基于ZigBee 协议栈进行设计开发的，当各个节点的功能相同时，人机交互模块可以使用相同的端口，以利于程序的编写。由于CC2530F256 芯片的I/O 资源紧缺，因此LCD12864 显示模块使用了串行接口来传输数据，按键模块使用了一个具有ADC 功能的引脚，根据所采集的电压值来判断是哪个按键被按下。在LCD12864 显示模块中使用了一个电源控制引脚，控制LCD12864 显示模块在休眠模式时停止工作，以降低功耗。人机交互模块原理图如图3 所示。

图3 人机交互模块原理图

2.2 协调器节点与路由器节点

协调器先负责组建网络，之后协调器节点将接受到的数据通过RS485 通信总线发送给上位机系统。路由器节点主要负责将终端监测节点的数据进行中继转发，使数据传输的稳定性更好和数据传输的范围更广[4]。

协调器节点主要由CC2530 核心模块、存储模块、时钟模块、RS485 通信模块、LCD12864 显示模块、按键电路模块组成，其中CC2530 核心模块不仅可以进行组网，还可以进行相关数据的处理。路由器节点，仅仅保留协调器CC2530 核心模块、LCD12864 显示模块、按键电路模块即可，故只需对协调器硬件电路进行设计，然后对其进行裁剪，即可完成路由器的电路进行设计。根据设计需求，存储模块选用了外部铁电存储芯片FM24CL64，时钟模块选用DS3231 芯片，采用的均是典型电路，这里不再赘述。

RS485 通信模块采用了电源隔离设计，将主板电源与RS485 模块隔离开，并且主控芯片通过高速光耦发送和接受数据。由于酒厂环境复杂，RS485通信模块还使用了瞬态电压抑制器与正温度系数电阻组合模式来保护接口。RS485 通信模块原理图如图4 所示。

图4 RS485 通信模块原理图

2.3 终端监测节点

终端监测节点主要包括CC2530 核心模块、信号处理电路模块、LCD12864 显示模块、按键电路模块。

铂热电阻PT1000 温度传感器是由铂丝绕在云母骨架上经过比较复杂的工艺制作而成[5]，它的阻值和温度成一定的函数关系，精确地测出其电阻值就可以获得准确的温度值[6]。PT1000 具有测量精度高、稳定性好、耐腐蚀等特点，完全满足在窖池内发酵环境下进行温度采集。

PT1000 温度传感器需要通过信号处理电路将电阻值的变化转换为电压的变化。其中由电阻桥的形式输出的电压值可根据如下公式(1)进行计算。窖池温度信号处理模块电路如图5 所示。

图5 窖池温度信号处理模块电路图

由电阻桥的形式输出的电压值需要通过放大滤波电路处理，然后将处理后的电压值供给CC2530F256 核心模块的内部A/D 采集模块进行处理，然后将其转化为对应的温度值在LCD12864 显示模块上显示，其中按键电路模块可以方便操作人员进行相关设置。

2.4 电源模块

协调器与路由器的供电模块比较简单，先通过电源适配器将220V 转为5V，然后通过一个低压差稳压芯片HT7333 将5V 降为3.3V。协调器与路由器的供电模块原理图如图6 所示。

图6 协调器与路由器的供电模块

终端监测节点电源模块在正常工作模式时为整个节点提供电源，在休眠模式时除了为按键电路和CC2530F256 核心模块供电以外其余的均处于断电状态。该电源模块包括充电电路、降压电路、升压电路以及电荷泵电路，充电电路给3.7V 的锂电池充电，3.7V 的锂电池经过低压差稳压芯片HT7333 降为3.3V 给核心控制模块与人机交互模块供电。3.7V 电压经过升压电路升压到5.1V，再经过电荷泵电路得到-5.1V，供给温度信号处理电路使用。终端监测节点电源模块原理图如图7所示。

图7 终端监测节点电源模块原理图

3 系统软件设计

基于ZigBee 技术的窖池固态发酵温度实时监测系统的系统软件设计主要由监测终端系统软件设计和上位机系统软件设计组成。

3.1 ZigBee 协议栈

监测终端系统的各个节点选择的微控制器均是CC2530 核心模块，该模块支持ZigBee 协议栈，在进行监测终端系统节点程序的设计时，只需要在ZigBee 协议栈的应用层进行相关程序设计，然后在其他层进行相应修改即可。ZigBee 协议栈能够直接在IAR 集成开发环境使用，进行相关配置，实现监测终端系统各个节点程序的开发和调试。ZigBee 协议栈是将各个层定义的协议都集合在一起，以函数的形式实现，并给用户提供API(应用层)，用户可以直接调用。通过使用ZigBee 协议栈来使用这个ZigBee 协议，从而实现无线通信功能，即数据发送和接收[7]。ZigBee 协议栈的结构图如图8 所示。

图8 ZigBee 协议栈的结构图

3.2 监测终端系统软件设计

监测终端系统软件设计主要包括终端监测节点程序、路由器节点程序和协调器节点程序。监测终端系统是为了实现窖池温度值数据的采集、处理和传输，其中终端监测节点主要是完成窖池温度值的采集和处理，然后将数据上传给协调器。终端监测节点程序首先调用SampleApp_Init()函数进行初始化工作，然后判断是否达到采集周期设定值，如果达到了，则进入轮询模式，在轮询模式中需要在应用层(APL)调用SampleApp_ProcessEvent()函数处理相应的事件。由于窖池的环境比较复杂，该系统要求整个监测系统终端的续航能力强，并且锂电池组模块的容量有限，则需要考虑软件上的低功耗设计，因此在所有的事件都处理完成后进入PM2 休眠模式，从而达到降低功耗的目的，其中需要根据数据变化的实际情况和理论规律,配置不同的采样周期[8]，当程序设定的采集数据周期达到设定值时或者有外部中断产生则进行中断唤醒，进入正常工作状态，如果出现断电或者断网，终端监测节点需要进行重启。终端监测节点程序流程如图9 所示。

图9 终端监测节点程序流程图

铂热电阻PT1000 温度传感器的模拟输出信号与所检测的温度模拟量有很好的线性关系，采用“两点法”校准，即测定两种温度下对应的模拟输出值，从而得到模拟输出信号与所检测的温度模拟量的对应关系系数与偏移量。

协调器节点首先完成无线通信网络的建立，然后完成数据的接收、存储和上传给上位机系统，而路由器节点主要完成数据的转发，两者的程序设计比较简单，这里就不再叙述。

3.3 上位机系统软件设计

上位机系统软件使用的是南京新迪生软件技术有限公司的态神组态软件进行设计开发的，它主要负责接收使用MODBUS-RTU 通讯协议通过RS485 通信总线上传的数据，然后将数据进行存储和处理，最后将窖池的温度值进行实时显示出来，并且显示窖池温度的历史变化趋势曲线，酒厂窖池智能监测系统主界面如图10 所示。

图10 酒厂窖池智能监测系统主界面

通过将上位机进行P2P(点对点对等网络技术)配置，就可以使用云功能。这时候就可以将基于ZigBee 技术的窖池固态发酵温度实时监测系统置于云上，同时也将工程ID 和密码都将置于云上，用户就可以通过手机终端直接监控到现场。基于ZigBee 技术的窖池固态发酵温度实时监测系统的手机客户端总览图如图11 所示。

图11 基于ZigBee 技术的窖池固态发酵温度实时监测系统的手机客户端总览图

由于态神组态软件具有Modbus-RTU 驱动模块，因此在态神组态软件中需要新建一个进行Modbus-RTU 通信协议的通信IO 通信设备，再对该IO 设备通信进行基本配置，同时确定该设备的IO 通信信道。最后对创建IO 通信变量的寄存器类型、寄存器地址等参数进行配置即可。上位机系统Modbus-RTU 驱动的窖池1 终端的IO 通信变量主要参数配置表如表1 所示。

表1 上位机系统Modbus-RTU驱动的窖池1终端的IO通信变量主要参数配置表

4 系统测试与数据分析

基于ZigBee 技术的窖池固态发酵温度实时监测系统设计完成后，需要进行实地测试，测试该系统功能的实现情况,以及该系统在复杂的窖池环境中的实时性和稳定性。

进行实地测试时，首先将协调器通过RS485 转RS232 的接口模块与PC 电脑连接，启动协调器进行组建网络，然后将监测终端插入窖池中，启动监测终端和路由器，进行参数设置后，系统正常运行，监测终端和路由器入网成功，上位机系统接收到上传上来数据，进行实时显示并记录到事件表格中。

使用该系统与人工采集两种方式将某酒厂随机抽取的3 个不同窖池在90 d 发酵周期内同一时间的温度采集下来并记录到表格中，然后通过折线图显示出来，人工采集窖池历史温度趋势图如图12 所示。系统采集窖池历史温度趋势图如图13所示。

图12 某酒厂3 个不同窖池在人工采集下的温度趋势图

由于白酒的发酵周期一般在2～3 个月，故在本次实地测试中，该系统设置成以10 d 为一个采集周期，采集时段为90 d，由图12 和图13 分析可知，通过上位机接收到的窖池温度值与人工采样的温度值进行比较，两者保持基本一致，平均误差在0.5 ℃以内，满足实际使用的需求。通过与该厂车间的技术人员进行交流，该系统在发酵周期内所得的窖池温度监测结果能够准确反映白酒发酵的实际情况，数据可靠。在实地测试时段内，定期查看了该系统的运行情况，系统运行正常。

通过测试结果可知该系统满足系统的功能需求，并且在复杂的窖池环境中的实时性高，稳定性好。

5 结束语

本文针对国内窖池的温度监测仍然采用传统的人工监测的方式提出了一种基于ZigBee 技术的窖池固态发酵温度实时监测系统，该系统将Zig-Bee 无线通信技术设计、低功耗设计以及上位机系统设计结合在一起，解决了传统人工监测采集工作量大、数据统计和分析繁琐、窖池电缆进行供电布线复杂等各方面的不足，通过实地监测测试的结果表明，该在线监测系统的监测结果可靠，系统的稳定性好，实时性强，平均误差控制在0.5 ℃以内，满足实际使用的需求。实现了窖池温度在线监测自动化，能够在上位机实时直观的监测窖池温度值的变化和发酵趋势，如果将该系统与工厂的控制系统进行互联，能够大大的提高白酒生产的品质和效率。该系统的应用前景比较好，可扩展到其他应用领域。