白酒固态发酵温度可视化分析系统研究

李随群，高 祥，居锦武，王文杰

（1.四川轻化工大学计算机科学与工程学院，四川自贡 643000；2.四川轻化工大学机械工程学院，四川自贡 643000）

白酒固态发酵是一个微妙的过程，影响因素很多，研究表明，影响发酵的主要因素之一是温度[1-2]。发酵温度改变微生物的生长代谢的环境，从而影响微生物的数量及代谢物的质量[3]，因此，及时准确的掌握温度变化对白酒发酵过程极其重要。陈丙友等[4]发现发酵温度及其变化趋势对微生物群落生长和代谢产生显著影响；游玲等[5]研究发现，温度变化会对白酒发酵过程中酒醅理化指标、典型微生物数量、主要挥发性风味物质有影响。蒲岚等[6]认为，调控发酵温度有助于控制对酒醅香味变化规律和基酒质量的控制。由此可知，发酵温度是影响白酒发酵品质的主要因素。

目前大多数酒厂对白酒发酵过程中温度的监测采用人工操作仪表和有线自动测量两种方式。人工测量温度每次插入窖池的深度和位置不准确，会增大人为测量数据误差，插入酒糟测量温度会改变发酵环境，影响微生物的发酵状态。另外，人工测量同一时段单次只能获取少量窖池的温度值，不能快速测出同时段所有窖池不同层次的发酵温度，同时也不能直观地分析对比酒醅的发酵状况。根据白酒固态发酵的需求，设计了白酒发酵温度可视化系统。该系统集成嵌入式技术、无线传感器网络技术，实现了窖池内酒醅发酵温度的上、中、下三层智能采集[7-8]，测温模块使用方便，可以快捷的安装在窖池内实现窖池温度的采集。本文设计的白酒固态发酵温度可视化系统具有数据可视化分析准确、通信稳定、无线传输速度快、低功耗等优点，适合白酒发酵窖池的温度监测。

1 材料与方法

1.1 实验场地

四川省自贡市某酒厂发酵车间，选取产量、品质比较稳定的窖池作为数据采集对象。

1.2 实验工具

白酒固态发酵温度可视化系统主要由两大部分构成：温度采集模块和数据可视化模块。温度采集模块包含MCU主控单元、融合测温传感器、无线传输单元、供电电源、4G-DTU 单元、电压监测模块等组成[9-10]，温度采集模块电路设计如图1 所示。MCU 主控单元采用高性能、嵌入式开发的STM32F101C8 控制器；数据可视化模块由数据服务器和显示装置构成；测温模块由融合温度传感器构成，以测温杆的形式对酒醅上、中、下三层的温度进行采集[11]，然后将采集的数据传送给主控单元，主控单元对原始数据进行处理和存储，通过无线传输单元将数据发送给可视化处理中心，可视化中心对数据进行可视化处理和分析。数据服务中心通过4G-DTU模块将数据发送给远程监控用户。

融合测温传感器采用数字式温度传感器DS18B20，传感器的测温范围为-55～125 ℃，精确度为±0.5 ℃，融合测温传感器设计如图2 所示。测温传感器分别安装在测量杆的上层、中层、下层3个温度采集固定位置上（具体安装位置根据窖池的实际深度而定），每层传感器之间采用玻璃棉作为填充物进行隔热处理，隔热处理为了确保每层传感器能较为精确地测量窖池每层的温度。测温杆的顶端和底端分别填充干燥剂，防止水汽渗透到测温杆内部干扰温度传感器对温度采集的精确度。温度采集模块安装在融合传感器测量杆顶端的铝盒子里，测量杆和铝盒采用螺纹连接。

1.3 温度采集方法

启动温度采集系统，首先对测温模块和无线传输模块的参数进行初始化，初始化完成后，STM32控制单元和CC2530 无线模块进入休眠模式，等待外部射频信号触发无线模块。当CC2530接收到外部采集温度触发信号时，唤醒STM32 控制单元，利用中断激活STM32 控制器，采集融合传感器测量温度，无线模块将温度数据传输给数据终端。电压监测电路负责监测蓄电池的电压状态，详细监测过程如图3所示。

2 结果与分析

本系统以浓香型的发酵窖池为实验点，把发酵窖池分为上、中、下3个层面，每个层面9个采温点，共计27 个采温点作为发酵温度进行测温实验，测温周期共计30 d，可视化系统每天对3 个层面的每个测温点进行可视化显示，根据每个层面所测温度数据，取同时段、同层面温度的平均值，并绘制该层面相应发酵温度趋势曲线。利用专业数据分析软件Origin 对各层次发酵温度变化进行可视化分析，如图4、图5、图6、图7所示。

由图4 可知，上层酒醅发酵温度变化趋势为先降后升，又缓降，入窖8 d 温度从28.5 ℃降至25.1 ℃，发酵至16 d 温度升至27.3 ℃，随后发酵温度缓慢下降；由图5 可知，中层酒醅发酵温度变化趋势为先升后降，入窖10 d 温度从21.5 ℃升至32.5 ℃，随后发酵温度下降至27.3 ℃，降幅5.2 ℃；由图6 可知，下层酒醅发酵温度变化趋势为先升后降，入窖11 d 温度从18.4 ℃升至31 ℃，升温幅度12.6 ℃，随后发酵温度平缓下降至28.4 ℃。

酒醅发酵过程随时间延长温度可视化系统可以精确地显示每个测温点的温度状态，用不同颜色区分温度区间，如图4(a)、图5(a)、图6(a)，可视化系统累计显示每个测温点随时间的温度变化，方便观测和对比。以每层9 个测温点每天的平均温度作为该层发酵温度，绘制窖池3 个层面发酵温度变化曲线，如图7所示。

经可视化数据分析，上层酒醅发酵温度变化曲线符合“先急落、后快升、再缓降”的发酵模型，中层和下层酒醅发酵温度变化曲线符合“前缓、中挺、后缓落”的发酵趋势，中层和下层的温度变化曲线模型与传统酿造经验相吻合。

3 结束语

白酒固态发酵是一个随温度变化微生物种类和数量都处在动态变化的发酵过程，温度的监测对发酵过程至关重要，基于嵌入式技术和无线传感网络技术的窖池发酵温度可视化系统可实时地监测窖池的发酵状态，融合温度传感器实现了窖池上、中、下层温度的立体感知，工艺师傅可根据可视化的发酵温度状态及变化趋势，及时、准确地控制工艺参数，为提高白酒固态发酵质量提供了数据支持。系统还有待完善建立白酒固态发酵的标准温度模型及不同香型白酒专家曲线，未来结合大数据和人工智能技术实现白酒固态发酵可视化的标准化和数字化。