一种窖池发酵监测系统的制作方法

本实用新型属于工业监测技术领域，涉及一种窖池发酵监测系统。

背景技术：

目前国内大型白酒企业基本完成了白酒勾储车间、自动灌装车间的信息化建设，但对固态发酵车间整体管理水平较低，停留在排产计划纸质化、发酵管理经验化、人员轮班程式化的初级阶段。

本实用新型以Zigbee为核心，对窖池内的温度、PH值和酒精度等参数进行实时监控。监测终端对车间内各窖池进行实时监测，监测数据由本地服务器或上传云端服务器分析处理，实现包括移动终端在内的多终端显示，全面展示发酵过程中敏感参数变化趋势；同时，车间监测系统与车间环境控制系统联动，有效干预发酵过程，提升发酵品质，完善固态发酵车间信息化管理水平，科学利用现有窖池资源，提高企业产能及生产效率。

技术实现要素：

本实用新型以Zigbee为核心，对窖池内的温度、PH值和酒精度等参数进行实时监控。对车间内各窖池进行实时监测，车间监测系统与车间环境控制系统联动，有效干预发酵过程，提升发酵品质，完善固态发酵车间信息化管理水平，科学利用现有窖池资源，提高企业产能及生产效率。

本实用新型的技术方案如下：

一种窖池发酵监测系统，包括上位机系统、协调器、路由器和终端设备，协调器、路由器和终端设备是基于Zigbee协议栈组网通信的。终端设备将采集的信息经过路由器传递给协调器，经协调器处理后发送给位机系统。

酒厂的发酵车间有100到几百不等的窖池数量，同时发酵的窖池数目也是不定的，因此一个发酵车间配备不止一个协调器，保证发酵车间内每一个窖池数据都能传送到上位机系统。一个协调器最多连接200个窖池监测终端设备，协调器与终端设备之间通过RS485总线进行通信。

RS485总线是半双工通信方式，通过一对差分信号线进行信息传递。总线上任何一个设备都可以发送数据和接收数据，但是总线上同时只能有只一个设备发送数据。RS485有非常良好的抗干扰能力。工业中通常采用屏蔽双绞线通信，抗干扰强。在恶劣的工业环境中，RS485总线通信距离可达1200米，通信速率可达115kbp。RS485总线应用范围非常广泛，例如工业自动化、终端检测等。

进一步的，所述的协调器内部含有存储芯片实现存储终端设备上传的数据，存储芯片选用铁电存储芯片FM24CL64。

所述的终端设备包括电源模块、传感器采集模块、人机接口、MCU模块和RF模块。终端设备是白酒固态发酵监测平台终端，用来监测酒窖窖池在整个发酵过程中温度、PH和酒精度的变化趋势。

所述的电源模块分别与传感器采集模块、人机接口、MCU模块和RF模块相连，电源模块内部采用3.7V锂电池和升压电路和降压电路连接，为终端设备提供不同的电压，除提供必需的电压外，在休眠期要尽可能的降低功耗。

所述的传感器采集模块包括温度传感器、PH传感器和酒精传感器；温度传感器、PH传感器和酒精传感器采集的数据通过RF模块传输给MCU模块，M CU模块处理后将信息一路发送给人机接口，另一路信息通过路由器传递给协调器。

终端设备需要插入发酵窖池内，因此限制了测量PH传感器的形状和体积，本实用新型对曲坯发酵过程中的PH测量采用PH复合电极。

本实用新型利用这个酒精的这个特性，利用酒精气体传感器间接的测量发酵曲坯中的酒精含量。利用酒精气体传感器测量一定空间范围挥发在空气中酒精气体的浓度，采集一定量的样品数据分析与数据拟合，然后计算出一定环境条件气体酒精浓度与曲坯中酒精含量关系。

酒精传感器选用费加罗TGS2620。该传感器具有低功耗，对酒精、有机溶剂有高度的灵敏度，使用寿命长、成本低，应用电路简单等特点。

窖池在发酵过程中，温度直接影响微生物的活性，直接导致窖池的出酒率。因此实时监测窖池内部温度是十分必要的。本实用新型采用PT热电阻，PT热电阻是采用铂电阻制成的。

窖池在发酵过程中，窖池内部温度在变化范围是10～40摄氏度，因此将测温范围设定在0～50摄氏度，可以在有效量程内获得最大测量精度。CC2530控制模块的内部AD参考电压是1.15V，有效位数(ENOB)是10.8位。PT 1000热电阻的分度表可知，外界温度在0～50摄氏度变化时，对应PT1000阻值变化范围是1000～1194欧姆。

所述的MCU模块采用CC2530控制模块，CC2530控制模块的内核采用了增强型适用于工业标准的8051MCU，在片上有256KB的可编程的Flash存储器，8KB RAM随机存储器以及其他功能强大的外设。CC2530控制模块有三种运行模式，非常适合低功耗应用的场合。

所述的人机接口包括LCD显示模块、按键和LED指示模块。通过按键实现对MCU模块进行输入控制，MCU模块控制LCD显示模块和LED指示模块显示相应的信息。

本实用新型的有益效果：

1.基于ZigBee无线通讯技术。系统稳定可靠、处理速度快、实时性好。

2.ZigBee技术网络功能强大，能够应用于多种民用、工业控制与监测系统。

3.可实现对各发酵窖池发酵过程中PH值、酒精度等重要参数在线实时监测，具体判断生产过程优劣；发酵时间判断不再完全经验化，更加科学化。

4.监测终端对车间内各窖池进行实时监测，监测数据由本地服务器或上传云端服务器分析处理，实现包括移动终端在内的多终端显示，全面展示发酵过程中敏感参数变化趋势；同时，车间监测系统与车间环境控制系统联动，有效干预发酵过程，提升发酵品质，完善固态发酵车间信息化管理水平，科学利用现有窖池资源，提高企业产能及生产效率。

附图说明

图1为窖池监测系统结构图。

图2为采集终端硬件示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本实用新型进一步详细说明。

窖池发酵监测系统是由无线传感器网络组成，采集数据并上传。信息管理系统主要包括数据管理、数据库、web发布。两个系统通过RS485转以太网或其他网络方式实现全园区信息的汇总，如图1所示。

无线传感器网络中重要的组成部分是传感器网络节点。传感器网络中每个节点都是一个微型系统，可以根据不同的应用场合，进行不同的软硬件配置。终端设备主要功能是定时采集数据，并尽可能降低功耗。

一种窖池发酵监测系统，包括上位机系统、协调器、路由器和终端设备，协调器、路由器和终端设备是基于Zigbee协议栈组网通信的。终端设备将采集的信息经过路由器传递给协调器，经协调器处理后发送给位机系统。

酒厂的发酵车间有100到几百不等的窖池数量，同时发酵的窖池数目也是不定的，因此一个发酵车间配备不止一个协调器，保证发酵车间内每一个窖池数据都能传送到上位机系统。一个协调器最多连接200个窖池监测终端设备，协调器与终端设备之间通过RS485总线进行通信。

例如古井的一个发酵车间有50米宽，100米厂，大约600个窖池，同时需要三个协调器同时检测。

RS485总线是半双工通信方式，通过一对差分信号线进行信息传递。总线上任何一个设备都可以发送数据和接收数据，但是总线上同时只能有只一个设备发送数据。RS485有非常良好的抗干扰能力。工业中通常采用屏蔽双绞线通信，抗干扰强。在恶劣的工业环境中，RS485总线通信距离可达1200米，通信速率可达115kbp。RS485总线应用范围非常广泛，例如工业自动化、终端检测等。

进一步的，所述的协调器内部含有存储芯片实现存储终端设备上传的数据，存储芯片选用铁电存储芯片FM24CL64，有这两方面原因:

(1)终端设备定时采集了数据后，主动上传的协调器，由协调器存储，再由协调器通过总线上传到上位机。因此，协调器需要记录数据，保持掉电不丢失，需要记录200*21共4200个字节的数据CC2530内部RAM不仅不够，掉电会丢失数据；

(2)CC2530内部有可编程flash，但擦写次数一般为10000次。终端设备传来的数据每次都是存在同一个存储地址中，按照每个终端设备每24小时上传10次数据，那么一年该块存储区域将会擦写3600次左右，因此CC2530内部flash不适合用作存储数据。

FM24CL64铁电存储芯片是采用了领先的高可靠性的铁电材料制成的64Kb铁电非易失性存储器，读写速度快、可靠性高。掉电后，数据可以保持10年之久，结构简单，功耗低。相对EEPROM来说，最重要的一点是擦写次数无限制。FM24GL64与EEPROM一样都是采用IIC总线，无写数据延时。即将要执行下一个总线操作时无需查询数据状态，这一特性使得FM24CL64可应用于系统操作频率或者读写速度高的场合。

所述的终端设备包括电源模块、传感器采集模块、人机接口、MCU模块和RF模块。终端设备是白酒固态发酵监测平台终端，用来监测酒窖窖池在整个发酵过程中温度、PH和酒精度的变化趋势。终端设备正常工作与否，关系到整个平台正常运行。由于白酒发酵车间中，窖池之间不能拖拉电线，终端设备在监测约3个月的发酵周期器件，只能依靠电池供电。所述的电源模块分别与传感器采集模块、人机接口、MCU模块和RF模块相连，电源模块内部采用3.7V锂电池和升压电路和降压电路连接，为终端设备提供不同的电压，除提供必需的电压外，在休眠期要尽可能的降低功耗。

所述的传感器采集模块包括温度传感器、PH传感器和酒精传感器；温度传感器、PH传感器和酒精传感器；通过RF模块传输给MCU模块，MCU模块处理后发送给人机接口。

终端设备需要插入发酵窖池内，因此限制了测量PH传感器的形状和体积，本实用新型对曲坯发酵过程中的PH测量采用PH复合电极。PH复合电极采用极低敏感阻抗玻璃膜制成，能够应用各种条件的PH测量，具有回应快，热稳定性好；同时又良好的再现特性，不易水解，基本消除误差，在0～14PH值范围内呈线性电位。玻璃膜采用环聚四氟乙烯膜，不易阻塞，可长时间在线监测。

曲坯在微生物的作用下，慢慢将谷物内的淀粉转化为酒精。发酵曲坯中的酒精含量，直接关系到白酒产量。目前测量发酵液中酒精的含量的传统方法有气相色谱法、酒精计、重铬酸钾氧化法以及高效液相色谱法。酒精计测量法是检测酒精的标准方法，原理是利用酒精含量和密度成反比的关系，靠被测液体对酒精计产生浮力大小，后根据查表得出酒精度。目前，国内外采用近红外光谱分析技术检测是检测酒类中酒精度的方法较多，但是对于发酵曲坯中检测检测较少，大多采用传统方法检测。这些方法都己经在实验室操作时，非常成熟。但是不能做到是实时在线检测，操作繁琐，工作量大。在整个酒窖发酵过程中，酒精的产生主要集中在前30天。前8天中，酵母菌处于生长繁殖期间，酒精几乎还没有生成。在酵母菌生长繁殖到一定程度后，窖池内部的氧气也被消耗完了，酵母菌进行无氧呼吸，开始酒精产生。在接下来的20多天中，酒精含量持续上升，并达到最高值。之后的2个月中，主要是一些酯化反应，因此，酒精含量会有所下降。

由酒精的挥发特性可知，在一定环境条件下，曲坯中酒精含量越高，酒精就挥发的越多，一定空间中酒精的气体浓度就越高。因此本实用新型利用这个酒精的这个特性，利用酒精气体传感器间接的测量发酵曲坯中的酒精含量。利用酒精气体传感器测量一定空间范围挥发在空气中酒精气体的浓度，采集一定量的样品数据分析与数据拟合，然后计算出一定环境条件气体酒精浓度与曲坯中酒精含量关系。

酒精传感器选用费加罗TGS2620。该传感器具有低功耗，对酒精、有机溶剂有高度的灵敏度，使用寿命长、成本低，应用电路简单等特点。广泛应用于酒精检测、有机溶剂探测器等。传感器中敏感材料由集成在的加热器以及在氧化铝基板上形成的金属氧化物半导体构成。当可检知的气体存在时，空气中该气体浓度越高，传感器的电导率就越高。由于敏感材料的敏感素子很小，所以TGS2620只需要42mA的加热电流。气体浓度在该传感器的应用范围内(从几个ppm～几千ppm)，传感器的阻值同气体浓度呈对数线性关系。

窖池在发酵过程中，温度直接影响微生物的活性，直接导致窖池的出酒率。因此实时监测窖池内部温度是十分必要的。本实用新型采用PT热电阻，PT热电阻是采用铂电阻制成的。用很细的铂丝绕在特定的云母支架上，是目前国际上公认的高精度测温标准传感器。铂电阻在氧化性介质中，甚至在高温环境中的物理和化学特性都非常稳定，而且，PT热电阻的电阻值与温度关系的线性度非常好，所以它具有稳定性好、高精度、性能非常高。窖池中的曲坯在发酵过程中是潮湿状态，采用PT热电阻作为温度传感器是十分合适的。在测量温度时，PT接入方法采用惠斯顿电桥。惠斯顿电桥原理是电桥中的四个电阻值固定，另一个桥臂接入PT热电阻。当温度变化时，PT热电阻阻值也会相应的变化变化，那么测试端就可以获得电势差，由此电势差换算出温度。

窖池在发酵过程中，窖池内部温度在变化范围是10～40摄氏度，因此将测温范围设定在0～50摄氏度，可以在有效量程内获得最大测量精度。CC2530控制模块的内部AD参考电压是1.15V，有效位数(ENOB)是10.8位。PT 1000热电阻的分度表可知，外界温度在0～50摄氏度变化时，对应PT1000阻值变化范围是1000～1194欧姆。

固态发酵中，PH值是微生物代谢活性变化的综合指标。PH值过高过低都会影响某些化合物形成，从而抑制或者促进微生物的生长，会影响白酒发酵过程中目标产物的积累。因此监测固态发酵过程中PH值变化是具有重要意义的。在白酒行业标准中，关于测定发酵曲坯的酸碱度的常用方式有酸碱滴定的离线式理化实验方法。理化实验方式特点是测量结果可观，是标准的测量方式，但是步骤繁琐，耗时长，且离线式测量给发酵过程的控制带来很多不便因素。此外，有学者研究也开发出近红外光谱等等先进科技测量方法使用近红外光谱分析。不仅设备成本高，而且不便于携带，体积较大，不便于将装置插入发酵窖池内部实时分析，同时装置功耗大，不便于长时间在线监测。

当终端设备需要采集酒精传感器数据时，通过三极管打开TGS2620的加热回路，TGS2620的内部构成分压电路，有效信号构成低通滤波电路，带宽为1.6Hz，再进过电压跟随器输入到CC2530的AD输入IO

所述的MCU模块采用CC2530控制模块，CC2530控制模块的内核采用了增强型适用于工业标准的8051MCU，在片上有256KB的可编程的Flash存储器，8KB RAM随机存储器以及其他功能强大的外设。CC2530控制模块有三种运行模式，非常适合低功耗应用的场合。

处所述的人机接口包括LCD显示模块、按键和LED指示模块。通过按键实现对MCU模块进行输入控制，MCU模块控制LCD显示模块和LED指示模块显示相应的信息。