陳 杭，王小剛，2，譚 飛，劉 丹，2

（1.四川輕化工大學(xué)，自動化與信息工程學(xué)院，四川宜賓643000；2四川輕化工大學(xué)，人工智能四川省重點實驗室，四川宜賓643000）

根據(jù)白酒行業(yè)的“十二五”規(guī)劃，用現(xiàn)代化技術(shù)改造白酒工藝過程中各生產(chǎn)單元的傳統(tǒng)操作模式，徹底將白酒生產(chǎn)從手工勞動生產(chǎn)方式中解脫出來，全面提高企業(yè)生產(chǎn)效益。與此同時，物聯(lián)網(wǎng)的崛起和推廣應(yīng)用極大地促進(jìn)了工業(yè)信息化進(jìn)程，為釀造白酒精確測量、精細(xì)生產(chǎn)、信息無縫共享、高效管理提供了強有力的手段，使之成為可能。

目前白酒窖池溫度采集方式主要有兩種：一種為人工采集方式，由酒廠工人向窖池中插入溫度計，頻繁的插拔溫度計不僅會浪費大量的人力和時間，而且窖池內(nèi)部處于全封閉狀態(tài)，溫度計的出入會導(dǎo)致發(fā)酵環(huán)境被破壞，影響發(fā)酵工藝，每次插入的深度位置不同以及工人的主觀讀取因素都會導(dǎo)致測溫數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確；另一種為布線自動測溫模式，將多根溫度計插入窖池位置固定不動后通過電纜傳送溫度至電腦中，這種方式需要電纜密布在窖池周圍，成本較高，且安全性不高，所以不適用。落后的測量裝置和測量方式以及額外測量勞動力的加入，這些因素都影響著白酒的質(zhì)量和產(chǎn)量，這種方式有三大弊端：一是測量范圍有限，只能測量窖池內(nèi)某點的溫度，無法反映發(fā)酵過程中不同部位的升溫變化；二是無法連續(xù)記錄，并存在主觀測量誤差；三是破壞發(fā)酵環(huán)境，測量時會破壞酒醅發(fā)酵的厭氧環(huán)境。

采用無線監(jiān)測技術(shù)不需要任何額外的布線，安裝簡單方便，穩(wěn)定可靠，可維護(hù)性和可擴(kuò)充性好[1-3]。在不改變現(xiàn)有的工作流程和方式的情況下，即可實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的自動采集、實現(xiàn)釀酒過程自動報警與查詢生產(chǎn)狀況。對于上述窖池溫度采集問題，如何設(shè)計低功耗高性能的智能監(jiān)測節(jié)點，準(zhǔn)確采集窖池溫度數(shù)據(jù)，是本文的設(shè)計重點和關(guān)鍵[4-6]。針對上述弊端，本文基于藍(lán)牙技術(shù)設(shè)計一種無線的固態(tài)發(fā)酵窖池溫度監(jiān)測節(jié)點，該節(jié)點是一種利用STC15單片機讀取溫度傳感器數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)發(fā)送至接收端顯示的設(shè)備。

1 節(jié)點模塊設(shè)計

本文設(shè)計的無線監(jiān)測節(jié)點的最終應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，其中以無線的感知Sink節(jié)點實現(xiàn)對所在窖池發(fā)酵信息的采集，通過無線射頻將信息上傳到區(qū)域匯聚節(jié)點或中繼，再由匯聚節(jié)點通過有線或者無線的方式傳送到基站Base，廠房監(jiān)測平臺處理來自基站的信息，進(jìn)而由車間技術(shù)人員得到窖池內(nèi)部發(fā)酵信息從而對其發(fā)酵設(shè)備的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，保證白酒的發(fā)酵質(zhì)量。

圖1 無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

對于圖1中的無線監(jiān)測節(jié)點，本文是基于無線藍(lán)牙技術(shù)設(shè)計的一種無線的固態(tài)發(fā)酵窖池溫度監(jiān)測節(jié)點，該節(jié)點是一種利用STC15單片機讀取溫度傳感器數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)發(fā)送至接收端顯示的設(shè)備，節(jié)點采用分辨率可達(dá)0.0625℃的溫度傳感器DS18B20，同時選用STC15W4K32S4單片機（圖3）來控制整個系統(tǒng)運行，實現(xiàn)溫度采集、發(fā)送與接收功能[7-8]。接收端節(jié)點的溫度顯示則選用LCD1602液晶模塊，管理人員和用戶不用就地測量即可實時查看所測窖池的溫度值。

通過對本設(shè)計需求及白酒發(fā)酵窖池環(huán)境的分析，無線的監(jiān)測節(jié)點擬采用圖2所示的設(shè)計方案。在該設(shè)計中利用數(shù)字化溫度傳感器模塊DS18B20對窖池內(nèi)的環(huán)境溫度進(jìn)行采集，并通過與STC15W4K32S4單片機相連的信號線將所測溫度數(shù)據(jù)傳送給控制芯片；獲取數(shù)據(jù)后，STC15W4K32S4單片機對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和整理，再經(jīng)過無線藍(lán)牙模塊發(fā)送至接收端；接收節(jié)點獲取數(shù)據(jù)后，通過LCD1602液晶模塊顯示出來，可供檢測人員實時查看。相對于傳統(tǒng)的白酒發(fā)酵窖池測溫方法，該系統(tǒng)能夠更準(zhǔn)確、更方便的實現(xiàn)測溫功能，同時，在很大程度上減少工作人員的勞動量。

圖2 節(jié)點模塊設(shè)計圖

圖3 STC15W4K32S4引腳示意圖

2 硬件設(shè)計

本設(shè)計中的硬件主要包括控制芯片、DS18B20溫度傳感器、藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸模塊、LCD1602液晶顯示模塊。通過各模塊協(xié)調(diào)工作實現(xiàn)溫度采集與顯示。

2.1 芯片選型

控制芯片是整個系統(tǒng)最核心的部分，就本設(shè)計而言，選用STC15W4K32S4這款單片機，因為其具有價格低廉、性能優(yōu)良的特點。在實現(xiàn)系統(tǒng)所需功能的同時，還可以在用戶不需要查看溫度的時候進(jìn)入低功耗模式，達(dá)到節(jié)約資源的效果。相對于傳統(tǒng)的8051單片機來說，該款芯片運行指令的速度要快8～12倍，可以更方便地實現(xiàn)實時監(jiān)測與顯示。其次，STC15W4K32S4的晶振電路與復(fù)位電路都集成在片內(nèi)，不需要外加。因此，選擇該款芯片使得整個系統(tǒng)更加穩(wěn)定，大大降低了故障率和系統(tǒng)成本。主控芯片引腳圖如圖3所示。

2.2 DS18B20溫度測量模塊

DS18B20是一種數(shù)字溫度傳感器，具有體積小、功耗低、工作電源寬泛的特點。其輸出的是數(shù)字信號，將它的信號線與單片機的引腳相連接，通過編寫程序即可控制該溫度模塊進(jìn)行測量并獲取溫度數(shù)據(jù)。

相對于直插式封裝而言，貼片式的封裝更具有模塊化的優(yōu)勢，在密封性及抗干擾能力方面的性能會更加優(yōu)異，而本設(shè)計面向的是白酒窖池中不穩(wěn)定的工作環(huán)境，因此貼片式的封裝應(yīng)當(dāng)是不二選擇。DS18B20引腳示意圖如圖4所示，該模塊共8個引腳，其中VDD引腳接電源輸入；GND為接地端；DQ是信號端，用于模塊和單片機之間的數(shù)據(jù)與控制信號傳輸；其余NC則為空引腳，使用時不需要做任何連接。

圖4 DS18B20引腳示意圖

DS18B20的工作電源為直流3.0～5.5 V，也可以使用數(shù)據(jù)線寄生電源，此時其電源引腳需接地處理。正常供電的情況下，將其信號線與控制芯片直接相連，另外在信號引腳接4.7～10 K的上拉電阻即可，不需要再接其他外圍原件。該模塊的測溫范圍為-55℃～+125℃，完全可以滿足商業(yè)級與大部分工業(yè)級測溫的需求。4種配置的分辨率分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可通過設(shè)置實現(xiàn)不同精度的溫度測量。

2.3 藍(lán)牙傳輸模塊

本設(shè)計中采用HC-05主從一體的藍(lán)牙模塊（圖5、圖6）來進(jìn)行窖池溫度數(shù)據(jù)的傳輸，當(dāng)STC15W4K32S4單片機將溫度傳感器所測的窖池溫度讀出來并經(jīng)過處理之后，再通過HC-05模塊發(fā)送至接收端進(jìn)行顯示。該模塊采用CSR主流藍(lán)牙芯片，藍(lán)牙V2.0協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，輸入電壓在3.6 V～6 V之間。模塊自帶連接狀態(tài)指示燈：LED快閃時無藍(lán)牙連接，LED慢閃時表示進(jìn)入AT命令模式。

圖5 HC-05引腳圖

HC-05藍(lán)牙模塊具有兩種工作模式：命令相應(yīng)工作模式和自動連接工作模式，通過控制模塊外部引腳輸入電平，可以實現(xiàn)兩種模式的動態(tài)轉(zhuǎn)換。當(dāng)發(fā)送端與接收端的兩個藍(lán)牙模塊配對成功后即可當(dāng)做一條有線串口使用，此時支持8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無奇偶效驗的全雙工通信格式，這種常用的通信格式完全滿足本設(shè)計的需求。值得注意的是兩個模塊必須設(shè)置為相同的波特率才可正常的傳輸數(shù)據(jù)。在與單片機相連時，HC-05模塊的RXD(接收端)與單片機的TXD（發(fā)送端）相連，其TXD與單片機的RXD相連。圖7所示為單片機與藍(lán)牙模塊的正確連接方式。

圖6 HC-05實物圖

圖7 單片機與藍(lán)牙模塊連接示意圖

2.4 LCD顯示模塊

系統(tǒng)在接收端收到溫度的數(shù)據(jù)后，應(yīng)當(dāng)通過顯示器將所測溫度顯示出來供檢測人員查看，此處采用LCD1602液晶顯示模塊來實現(xiàn)，該模塊是一種用5*7點陣圖形來顯示字符的液晶顯示器，將LCD控制器、驅(qū)動器、RAM、ROM和液晶顯示面板用PCB連接在一起，可顯示16x2個字符，工作電壓為直流4.5～5.5 V，模塊引腳包括8條數(shù)據(jù)線，控制線與電源線均為3條，如表1所示。通過控制芯片向模塊寫入命令和數(shù)據(jù)，就可選擇顯示方式和顯示內(nèi)容。最終窖池溫度將通過動態(tài)刷新的方式顯示在LCD模塊上，以確保溫度數(shù)據(jù)的實時更新。

2.5 硬件電路設(shè)計

整個系統(tǒng)的硬件分為接收端和發(fā)送端，其實現(xiàn)原理大同小異。以接收端為例，如圖8所示，STC15W4K32S4單片機的P0口與LCD1602模塊的8位數(shù)據(jù)端對應(yīng)相連，用于傳輸數(shù)據(jù)與命令字；P4.5口與LCD1602的使能端相連接，進(jìn)行讀操作時該使能端應(yīng)為高電平，進(jìn)行寫操作時應(yīng)輸入脈沖；單片機P2.7口與其讀/寫選擇端相連，用于對讀寫操作進(jìn)行選擇；P2.6口連接數(shù)據(jù)/命令選擇端，可進(jìn)行對數(shù)據(jù)/命令操作的切換。LCD1602的電源和接地端之間接一個可變電阻器，可用于調(diào)節(jié)顯示的對比度。在與HC-05藍(lán)牙模塊連接方面，單片機則使用P3.0和P3.1的第二功能，即串口的發(fā)送與接收端，分別連接藍(lán)牙模塊的接收和發(fā)送端。當(dāng)需要進(jìn)行溫度測量時，藍(lán)牙模塊將接受到的窖池溫度數(shù)據(jù)通過固定的波特率由其TXD引腳傳輸給單片機，再由單片機控制LCD1602模塊顯示出來。需要注意的是整個接收系統(tǒng)必須使用同一個接地端，這樣系統(tǒng)才可正常工作。

表1 LCD1602接口信號說明

圖8 節(jié)點硬件電路設(shè)計圖

3 軟件設(shè)計

節(jié)點軟件設(shè)計流程如圖9所示，由于本設(shè)計利用藍(lán)牙模塊來傳輸窖池溫度數(shù)據(jù)，所以在判斷需要進(jìn)行溫度采集之后應(yīng)進(jìn)行藍(lán)牙模塊的配對，只有在建立連接的前提下才能獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。

圖9 系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖

首先通過發(fā)送端的STC15W4K32S4單片機來控制傳感器DS18B20采集窖池內(nèi)溫度，初始化測溫模塊，并根據(jù)時序發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換命令，從模塊中獲取溫度值的字節(jié)，最終將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制形式的數(shù)據(jù)，以便處理和發(fā)送；其次是通過HC-05藍(lán)牙模塊發(fā)送窖池溫度數(shù)值，當(dāng)發(fā)送端與接收端配對成功（雙方指示燈常亮），并設(shè)置相同的波特率后即可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)送端單片機將要傳輸?shù)淖止?jié)放入特殊功能寄存器SBUF中，等待串口發(fā)送標(biāo)志位置1時即表示已成功發(fā)送一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，同樣，傳輸進(jìn)來的數(shù)據(jù)也是放在接收端的SBUF寄存器中，單片機從中獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行處理即可。

就本設(shè)計而言，將波特率設(shè)置為9600時便可達(dá)到實時顯示的目的。接收到數(shù)據(jù)后單片機控制LCD1602模塊將溫度顯示出來：首先對該模塊進(jìn)行初始化，此時即可設(shè)置需要顯示的模式以及光標(biāo)是否閃爍/顯示等，接下來便可對液晶模塊寫入數(shù)據(jù)，在對LCD1602模塊進(jìn)行寫操作的時候需要注意的是應(yīng)當(dāng)在程序中首先對其進(jìn)行“判忙”，即判斷模塊內(nèi)部是否還有沒完成的上一步操作，只有返回的參數(shù)表明模塊處于空閑狀態(tài)時才能寫入新的顯示數(shù)據(jù)，當(dāng)然，這個過程是很短暫的，一般情況下都可在微秒級的時間內(nèi)完成。因此，采用該顯示器不會對實時顯示的要求產(chǎn)生任何影響。當(dāng)用戶不需要查看溫度時，整個系統(tǒng)處于低功耗模式，直至下一次啟動工作時喚醒。

4 結(jié)論

本文設(shè)計的基于STC15W4K32S4單片機的無線溫度監(jiān)測節(jié)點，以單片機為主控芯片，通過與溫度傳感器、藍(lán)牙模塊、液晶顯示模塊的相互連接及程序控制實現(xiàn)溫度的實時檢測。極大地方便了用戶對溫度參數(shù)的測量。本設(shè)計根據(jù)實際需要充分考慮了功耗、測量精度、器件工作環(huán)境等因素，能夠解放人力，提高溫度監(jiān)測精度，能為搭建白酒生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集模塊。綜上可以看出，該設(shè)計具有很大的可行性和實際意義。