1、固态发酵池温度场的建立方法与研究 刘艳超 杨平先 四川理工学院自动化与信息工程学院 摘 要： 在固态发酵中, 温度对发酵质量有很大影响, 实时了解发酵池中的温度很有必要。本论文提出了一种新型的固态发酵池温度场建立的方法, 本方法利用基于zigbee 的定位技术, 定点监测发酵池中多个位置的温度, 根据已知点的温度拟合出发酵池中所有点的温度, 并绘制出某时刻发酵池的三维温度场图。并且根据发酵池形状数据和测量装置坐标数据利用上位机模拟出发酵池温度测量的现场。通过本方法建立的温度场可以形象直观实时的了解发酵池中温度的变化情况。关键词： 固态发酵; zigbee; 温度拟合; 三维温度场图; 作者简介
2、：刘艳超, (1990-) , 男, 四川理工学院与自动化与信息工程学院硕士研究生, 研究方向:物联网技术及其应用。电话:13183937631 电子信箱: 联系地址:四川省自贡市四川理工学院与自动化与信息工程学院 刘艳超 (收) (643000) 作者简介：杨平先, (1961-) , 男, 四川理工学院与自动化与信息工程学院, 教授, 硕士生导师, 研究方向:信号与信息处理、图像处理等。基金：四川省科技厅重大科技专项项目 (2016SZ0074) Establishment and research of temperature field of solid-state fermenta
3、tionLiu Yan Chao Yang Ping Xian Institute of Automation and Information Engineering, Sichuan Polytechnic University; Abstract： In solid-state fermentation, temperature has a great influence on the quality of fermentation, so it is necessary to know the temperature of fermentation tank in real time.
4、A new type of temperature field establishment method in solid-state fermentation pool is presented. In this method, the positioning technology based on Zig Bee is used to monitor the temperatures in many positions, then temperatures of all the points of the fermentation pool temperature are fitted a
5、ccording to the fitting of known points, and the temperature of the fermentation pool at a certain time is drawed in three-dimensional graph and two-dimensional graph. According to the shape data of the fermentation tank and the coordinate data of the measuring device, the upper computer is used to
6、simulate the temperature field of the fermentation tank. The temperature field established by this method can visually and intuitively understand the change of temperature in the fermentation pond.Keyword： Fermenting; Zigbee; temperature Fit; 3D temperature map; 0 引言发酵工程来源丰富、价格低廉, 污染小, 而在医药工业、食品工业等得
7、到了广泛的应用, 逐步形成了规模宏大的发酵工业。带来了可观的经济效益。发酵过程中有很多参数需要控制, 如温度、水分、PH 值等, 这些参数是影响发酵过程的重要因素, 其中温度对是影响有机体生长繁殖最重要的因素之一。在发酵生产过程中, 及时的了解发酵池中温度可以更好的指导生产实践。目前我国大部分发酵产业的温度检测设备有着各种缺点, 如测量步骤繁琐、测量点单一等。近年来针对这些问题已有少量的研究, 虽然这些研究建立起了发酵池三维的动态温度场。但是这些研究同时存在着一定的缺点, 例如, 测量点太少, 不准确, 不直观。针对这些问题, 本研究提出利用 zigbee 定位技术定点测试发酵池中多点的温度,
8、 再利用已有点的温度拟合出未知点温度。绘制出发酵池中温度的三维图和二维图。并且利用 MATLAB 软件模拟出整个发酵池温度测量的现场这样可以更全面、更直观、更准确的观察发酵池中的温度。1 zigbee 技术1.1 zigbee 技术简述本研究采用无线的温度测量装置, 为了确定发酵池中温度测量装置的位置, 需要用 zigbee 定位技术。在本研究中, 主要利用 zigbee 定位技术定位出温度测量装置在发酵池中的位置, 利用这些位置信息和温度数据建立发酵池的温度场。无线定位技术是指通过对设备接收到的参数如传输时间、相位、信号强度及到达角等进行一些测量, 然后根据特定定位算法计算出被测物体的位置。
9、本研究基于成本的考虑采用了基于 RSSI 测距的定位方法。此方法是先求得目标节点到多个参考节点的距离, 然后用极大似然估计法求得目标节点的位置。1.2 信号传播模型基于 RSSI 测距是利用无线电信号在空中的传播损耗规律, 离信号发射源越远, 损耗越大, 通过信号损耗和距离之间的关系, 我们可以计算出距离。信号的传播模型对该方法的定位精度起着关键作用。常用无线信号的传播模型为自由空间模型、双径地面反射模型和阴影模型 Shadowing。经测试表明无线通信中的Shadowing 模型最为符合, 该模型中两点之间的距离与接收信号强度的关系公式如式 (1) 。公式 (1-1) 中 A 和 n 参数是
10、经验值, 对定位结果很重要, 不同环境有不同的 A和 n。A 和 n 取值范围如表 1。表 1 A 和 n 取值表 下载原表 本实验中, 经过反复实验后确定 A 为 37, n 为 2.8。A 和 n 确定后, 利用 1-1 式求得目标节点到参考节点的距离, 然后用定位算法求得目标节点的坐标。由于各种干扰, 求得的距离存在误差, 为了使定位结果更加准确, 我们先求得多次的 RSSI 值和, 然后再求平均值 , 利用公式 (1) , 求得的距离 d更准确。求平均值的公式如公式 (2) 。1.3 极大似然估计法该方法的原理如图 1 所示, 节点 1 到 n 的位置依次为是 , 它们与节点 O 的距
11、离分别为 d1、d 2、d 3dn, 目标点为 O 点, 坐标为 (x, y) 。图 1 极大似然估计法 下载原图则可得公式 (3) 。展开得到公式 (4) :用线性方程 AX=b 表示公式 (4) , 并使用最小二乘法可以得到公式 (5) :其中可以求得 的近似坐标 。1.4 定位结果由于各种干扰的影响以及硬件的影响, 定位结果与实际的结果存在着一定的误差, 为了使定位结果准确, 我们采用卡尔曼滤波法进行去燥。卡尔曼滤波在跟踪制导, 军事国防等高科技领域广泛应用, 卡尔曼滤波算法很复杂, 在此不做叙述。在实验中由于发酵池的长和宽大约为 3.8 米, 所以我们选取的参考坐标为 (0, 0) 、
12、 (0, 3.8) 、 (3.8, 3.8) 、 (3.8, 0) , 单位是米。实验中我们随机的部署了几个目标节点, 实际坐标为 (1, 1) 、 (3, 1) 、 (3, 3) 、 (1, 3) 。实际定位出的坐标为 (0.9, 0.95) 、 (3.07, 1.1) 、 (2.9, 2.9) 、 (0.9, 3.1) 。大约有不到 10CM 的误差, 在可接受范围内, 定位结果图如图 2 所示。图 2 定位结果图 下载原图2 模拟固态发酵池为了便于更形象直观的观察发酵池中的温度数据。我们可以利用 MATLAB 中的函数模拟出发酵池的形状、大小以及测量装置的形状和位置。先利用基于 zigb
13、ee的定位技术定位出测量装置的坐标, 并把发酵池的形状数据以及测量装置的坐标数据传到上位机, 利用上位机模拟出三维的发酵池温度的测量现场。发酵池温度测量现场的三维模拟图如图 3。图中我们可以看到发酵池的形状、测量装置的位置以及测量点的温度数据。图 3 三维图模拟图 下载原图3 三维动态温度场的建立为了更全面的了解发酵池中的温度数据, 建立发酵池的三维动态图。根据已有测量点的温度数据和坐标位置, 我们利用 MATLAB 中的插值函数预测发酵池中未知点的温度数据, 再利用 MATLAB 中的 s u r f 函数建立发酵池的三维动态温度场, 并用 MATLAB 中 colorbar 函数建立一个颜
14、色条, 颜色条对应着温度刻度值。我们观察温度时可以根据颜色来确定温度。建立的三维动态温度场图如图 4。图 4 温度场图 下载原图4 研究中存在的问题在研究中, 采用了定位技术求得温度测量点的坐标, 在定位过程中虽然采用减小定位误差的措施, 如卡尔曼滤波、均值滤波。但是定位结果仍存在着误差。在下一步的研究中使用改进后的卡尔曼滤波算法, 或者使用新型的定位方法或滤波算法, 如基于指纹库的定位方法, 从而减小定位结果的误差。在研究建立发酵池的温度场中, 采用了 MATLAB 中二维差值函数求得未测点的温度值, 这样得到的温度肯定存在误差, 在下一步的研究中可以采用新的拟合算法来求得未测点的温度或者结
15、合 MTALAB 中其他的函数或使用其他的算法。更加准确形象的建立发酵池的三维温度场。5 结论与总结本实验先利用无线定位技术求得测量点的坐标和温度数据, 然后把温度数据、坐标数据、传到由 MATLAB 编写的上位机, 在利用 MATLAB 中二维差值函数和surf 函数建立发酵池的三维动态温度场, 研究结果表明, 能够形象直观的反应出发窘池的中的某点的温度和温度变化的过程, 能够更好的指导生产实践。在进一步的研究中, 利用 MATLAB 中其他的函数、算法和公式建立发酵池的三维温度场。参考文献1李明村, 程铁辕等.酵池酒醅温度的三维结构图J.食品研究与开发 2012, 33 (2) :21-2
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