基于无线传感的固态发酵温湿度智能实时监测系统及方法与流程

[0001]
本发明属于发酵监测及无线传感技术领域，具体涉及一种基于无线传感的固态发酵温湿度智能实时监测系统及方法。


背景技术：

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固态发酵是指在含有极少量甚至是不含自由水的情况下，相应的微生物在具有适当湿度的谷物类等农作物上发生代谢，从而对物料中的有机物进行分解的过程。微生物对其所处的环境因素要求十分苛刻，尤其是温度的变化，较小的温度变化可能会严重影响微生物的繁殖和代谢进程，因此对发酵过程的各项环境因素进行监测是十分有必要的。
[0003]
传统的固态发酵法缺乏行之有效的高质量监测及控制发酵环境因素的手段，例如对温湿度的监测，微生物的新陈代谢以及他们的繁殖生长过程中，释放出大量的热量使得环境的温湿度产生一定的变化，而微生物又对所处环境的温湿度极其敏感，过高及过低的温度都会严重影响微生物与物料之间发生的生物反应，导致发酵存在缺陷，因此需对温湿度进行严格监测。而现在的大多数传统工厂获取发酵过程的信息的方式主要有两种：（1）有经验的工人通过触摸来判断温度是否达到需求；（2）使用温度计来获取发酵室内的温度信息。
[0004]
显然上述两种方法所获取的温度信息是不准确的，而且也无法得到连续的温度变化情况，无法反应微生物的实时繁殖代谢状况，这就导致了工人们不能合理完善的安排固态发酵各阶段的进度。因此为了保证固态发酵的正常进行，对发酵过程的各项环境因素进行监测是十分有必要的。市面可见的改进装置（cn201410572750.6）是将测量器件进行封装，将管件插入发酵物中，进入盒体内的离线检测系统，且只能在现场依靠人工得到发酵状态参数。利用现有传感器技术，采用有线传输的方式（cn201510673561.2）进行发酵过程中的在线参数监测。基于上述情况我们提出了一种基于无线传感的固态发酵温湿度智能实时监测系统和方法，利用zigbee技术实现固态发酵过程中参数的实时在线监测。


技术实现要素：

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本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种基于无线传感的固态发酵温湿度智能实时监测系统及方法，以实现固态发酵温湿度智能实时监测。
[0006]
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于无线传感的固态发酵温湿度智能实时监测系统，包括温湿度传感器、温度传感器、多个终端模块、路由器模块、协调器模块和无线监测系统主机，所述终端模块设置在发酵室内，包括通用i/o接口、ad转换电路、射频收发模块、电源管理模块和中央控制单元；所述温湿度传感器设置在发酵室内壁，所述温度传感器设置发酵罐内；所述温湿度传感器和温度传感器通过通用i/o接口与ad转换电路连接，所述ad转换电路和射频收发模块与中央控制单元连接，所述终端模块通过射频收发模块与路由器模块无线连接，路由器模块与协调器模块无线连接，终端模块、路由器模块、协调器模块分别作为
终端节点、子节点和中心节点建成zigbee无线传感网络，协调器模块和无线监测系统主机通过串口连接。
[0007]
所述终端模块与发酵罐一一对应设置，所述路由器模块与所述发酵室一一对应设置。
[0008]
所述终端模块还包括lcd屏幕，所述lcd屏幕与所述中央控制单元连接，用于显示终端模块采集的温度。
[0009]
所述温湿度传感器为dht11温湿度传感器，所述温度传感器为pt100温度传感器，每个发酵罐内设置三个温度传感器。
[0010]
本发明还提供了一种基于无线传感的固态发酵温湿度智能实时监测方法，基于所述的一种基于无线传感的固态发酵温湿度智能实时监测系统实现，其特征在于，包括以下步骤：s1、协调器模块作为网络的中心节点上电初始化；s2、协调器模块根据信道能量扫描的结果选择一个合适的信道建立一个无信标的网络、设置网络的pan标识符和网络短地址；s3、协调器模块成功建立网络后，等待路由器模块发送子节点入网请求信号；s4、路由器模块作为子节点上电初始化后，检测pan协调器信道、协调器的pan标识符后加入网络；s5、终端模块作为终端节点上电初始化后，检测pan协调器信道、协调器的pan标识符后加入网络；s6、终端节点入网成功后，其计时器根据预先设置的数据采集时间间隔进入中断函数，唤醒系统；然后中央控制单元与温湿度传感器和温度传感器与通信完成对温度信息和湿度信息的初步采集，并选择最佳信道将采集的温度数据和湿度数据发送给路由器模块后进入休眠，等待下一次唤醒；s7、路由器模块接收各个终端节点发送的数据后打包发送给协调器模块；s8、协调器模块通过串口向无线监测系统主机实时传输环境的温湿度信息；s9、无线监测系统主机对数据进行处理，过滤无效数据，并发送到主页面进行显示，所述主页面提供实时数据图形化显示、历史数据查询、预警提示和当前网络拓扑结构查看功能。
[0011]
所述无线监测系统主机的交互界面为labview开发环境中采用图形化编辑语言编写。
[0012]
所述无线监测系统主机采用模块化设计思想分为数据采集模块、数据显示模块、数据库存储模块、参数设置模块和数据查询模块。
[0013]
所述无线监测系统主机的数据库存储模块用于将接收到的数据帧按照“c:%2s:%d-%d”的格式简化后利用labsql工具包访问access数据库并分类存储在各节点表中。
[0014]
无线监测系统主机的工作流程具体包括以下步骤：无线监测系统主机首先加载动态链接库，为打开数据库链接做准备；用户首次登录时注册账号，若已有账号则打开登录界面；无线监测系统主机对用于输入的信息与数据库中的用户信息预留表对比，若一致则登录成功，用户进行参数设置开始采集远程数据；
无线监测系统主机对采集到的数据分类预处理后实时显示在交互界面中，同时调用labsql工具包打开access打开数据库执行数据存储功能。
[0015]
10、根据权利要求5所述的一种基于无线传感的固态发酵温湿度智能实时监测方法，其特征在于，所述步骤s1中，协调器模块作为网络的中心节点上电初始化包括zigbee 协议栈初始化、事件任务初始化、时钟初始化、串口初始化、设置协调器64bit 长地址、寄存器初始化、管脚初始化和使能中断。
[0016]
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：1.本发明基于无线传感的固态发酵温湿度智能实时监测系统使用zigbee技术，建立了zigbee无线传感网络，使用dht11温湿度传感器、pt100温度传感器分别对发酵室和发酵罐内进行多点多参量监测，并且可以根据具体需求增加传感器的种类和数量。
[0017]
2.本发明基于无线传感的固态发酵温湿度智能实时监测系统利用labview软件开发了可视化实时监测系统，提高了监测效率和实时性，无需布线，低成本，易于维护，更容易在实际应用中进行推广。
[0018]
3.本发明利用无线传感技术，实现了实时连续监控不同阶段的参数信息，在实际生产应用中为制订不同季节的操作标准提供了科学数据。
附图说明
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图1是基于无线传感的固态发酵温湿度智能实时监测系统的组成示意图。
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图2是zigbee终端节点的组成结构示意图。
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图3 是zigbee路由器模块的工作流程图。
[0022]
图4是基于无线传感的固态发酵温湿度智能实时监测系统主机的工作流程图。
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图5是基于无线传感的固态发酵温湿度智能实时监测系统的单点温度测量曲线图。
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图2中，1-dht11温湿度传感器、2-pt100温度传感器、3-lcd屏幕、4-通用i/o接口、5-a/d转换电路、6-射频收发模块、7-电源管理模块、8-中央控制单元、9-发酵室、10
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发酵罐。
具体实施方式
[0025]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0026]
如图1~2所示，本发明实施例提供了一种基于无线传感的固态发酵温湿度智能实时监测系统，包括温湿度传感器1、温度传感器2、多个终端模块、路由器模块、协调器模块和无线监测系统主机，所述终端模块设置在发酵室内，包括通用i/o接口4、ad转换电路5、射频收发模块6、电源管理模块7和中央控制单元8；所述温湿度传感器1设置在发酵室内壁，所述温度传感器2设置发酵罐内；所述温湿度传感器1和温度传感器2通过通用i/o接口4与ad转换电路5连接，所述ad转换电路5和射频收发模块6与中央控制单元8连接，所述终端模块通过射频收发模块6与路由
器模块无线连接，路由器模块与协调器模块无线连接，终端模块、路由器模块、协调器模块分别作为终端节点、子节点和中心节点建成zigbee无线传感网络，协调器模块和无线监测系统主机通过串口连接。
[0027]
具体地，本实施例中，所述终端模块与发酵罐一一对应设置，所述路由器模块与所述发酵室一一对应设置。也就是说，每个发酵罐上设置一个终端模块，每个发酵室外设置一个路由器模块，每个发酵室内的多个终端模块通过发酵室外的对应路由器模块将采集数据上传给协调器模块。
[0028]
具体地，本实施例中，所述终端模块还包括lcd屏幕3，所述lcd屏幕3与所述中央控制单元8连接，用于显示终端模块采集的温度。
[0029]
具体地，本实施例中，所述温湿度传感器为dht11温湿度传感器，其用于测量发酵室内的温湿度，所述温度传感器为pt100温度传感器，每个发酵罐内设置三个温度传感器，分别测量发酵罐内三个不同地方的温度。
[0030]
进一步地，本实施例还提供了一种基于无线传感的固态发酵温湿度智能实时监测方法，基于所述的一种基于无线传感的固态发酵温湿度智能实时监测系统实现，其通过将zigbee技术应用于基于无线传感的固态发酵温湿度智能实时监测系统，在线实时监测固态发酵过程中的温度信息和湿度信息；包括以下步骤：s1、协调器模块作为网络的中心节点上电初始化。协调器模块作为网络的中心节点最先启动，设备上电后首先进行系统的初始化，包括zigbee 协议栈初始化、事件任务初始化、时钟初始化、串口初始化、设置协调器64bit 长地址、寄存器初始化、管脚初始化和使能中断等。
[0031]
s2、协调器模块的系统初始化完成后，根据信道能量扫描的结果选择一个合适的信道建立一个无信标的网络、设置网络的pan标识符和网络短地址。
[0032]
s3、协调器模块成功建立网络后，等待作为子节点的路由器模块发送子节点入网请求信号。子节点通过协议栈的一系列服务原语来请求加入网络。子节点入网成功后，协调器开始接收数据。
[0033]
s4、路由器模块作为子节点上电初始化后，检测pan协调器信道、协调器的pan标识符后加入网络；路由器模块的工作流程图如图3所示。
[0034]
s5、终端模块作为终端节点上电初始化后，检测pan协调器信道、协调器的pan标识符后加入网络；终端节点入网流程与子节点相同。
[0035]
s6、终端节点入网成功后，其计时器根据预先设置的数据采集时间间隔进入中断函数，唤醒系统；然后中央控制单元与温湿度传感器和温度传感器与通信完成对温度信息和湿度信息的初步采集，并选择最佳信道将采集的温度数据和湿度数据发送给路由器模块后进入休眠，等待下一次唤醒。安装在发酵室内dht11温湿度传感器和发酵罐中的pt100温度传感器与中央控制单元通信完成对温度信息和湿度信息的初步采集。
[0036]
s7、路由器模块接收各个终端节点发送的数据后打包发送给协调器模块。
[0037]
s8、协调器模块通过串口向无线监测系统主机实时传输环境的温湿度信息。
[0038]
s9、无线监测系统主机对数据进行处理，过滤无效数据，并发送到主页面进行显示，所述主页面提供实时数据图形化显示、历史数据查询、预警提示和当前网络拓扑结构查看功能，实现了动态实时测量和在线监测。
[0039]
其中终端模块、路由器模块和协调器模块中的硬件（中央处理器和通信模块）结构相同，通过更改其中的程序来实现不同的功能。终端模块、路由器模块和协调器模块分别作为zigbee终端节点、zigbee路由节点和zigbee中心节点组建成zigbee无线传感网络，协调器模块通过串口与无线监测系统主机相连。协调器模块作用可分为两个：1. 组建传感器网络，对基于无线传感的固态发酵温湿度智能实时监测装置各个子节点的信息进行监测和管理；2. 接收路由器或者终端模块发送的无线数据包，并通过串口传递信息。路由器模块的作用：作为基于无线传感的固态发酵温湿度智能实时监测装置的中继转发器，以此来保证整个监测系统的通信传输范围足够大。终端模块作用：采集发酵室内和发酵罐中dht11温湿度传感器数据、pt100温度传感器数据后打包成无线数据包通过射频收发实时的传输到路由器模块。设备中传输的目的地址采用的都是64bit扩展地址，而源地址采用的都是16bit短地址。
[0040]
终端节点（终端模块）的激活方式：dht11温湿度传感器、pt100温度传感器传采集数据，经过ad转换模块产生定时器中断向量，设备激活。终端节点（终端模块）的休眠方式：定时器完成计时，并且没有接收到其他设备的激活信号，设备休眠。
[0041]
基于无线传感的固态发酵温湿度智能实时监测系统的无线监测系统主机采用模块化设计思想，将系统分为数据采集模块、数据显示模块、数据库存储模块、参数设置模块和数据查询模块，提高了系统的可靠性和灵活性。
[0042]
如图4所示，本实施例中，无线监测系统主机的工作流程具体包括以下步骤：无线监测系统主机首先加载动态链接库，为打开数据库链接做准备；用户首次登录时注册账号，若已有账号则打开登录界面；无线监测系统主机对用于输入的信息与数据库中的用户信息预留表对比，若一致则登录成功，用户进行参数设置开始采集远程数据；无线监测系统主机对采集到的数据分类预处理后实时显示在交互界面中，同时调用labsql工具包打开access打开数据库执行数据存储功能。
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具体实施时，zigbee协调器节点发出建立网络请求后，zigbee路由节点和zigbee终端节点加入网络，总共耗时约7s。传感网络组建成功后zigbee终端节点开始进行现场数据采集，采集数据实时更新并以曲线形式显示的同时自动将采集到的数据分节点存储到数据库中，基于无线传感的固态发酵温湿度智能实时监测系统的单点温度测量曲线图如图5所示，可选择不同选项卡查看各节点信息。
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本发明通过zigbee技术实现对固态发酵过程中温湿度进行准确实时采集，并在labview开发环境中采用图形化编辑语言模块化的编程思想编写交互界面。该系统是一个比较完整的固态发酵过程中温湿度在线实时监测的系统，解决了传统温湿度检测方式误差大、非连续、滞后性等一系列的明显缺陷，有效避免了布线供电困难的问题，具有较大的实用意义。
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最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。