基于LoRa的葡萄酒酿制监测系统的设计与实现

河北理工大学信息学院 摘要 1绪论1.1研究背景和意义葡萄酒酿制是一门传统工艺，对环境条件非常敏感，温度、湿度、酒精浓度、二氧化碳浓度、pH值和甲醛浓度等参数都会对葡萄酒的品质产生重大影响[1]。传统的酿制方式主要依赖酿酒师的经验，缺乏实时监控和精准控制，难以保证产品质量的一致性[2]。随着人们对葡萄酒品质要求的不断提高，以及酿酒工艺的不断改进，传统的人工监控方式已无法满足现代化生产的需求。将现代化的传感器技术、单片机控制技术和无线通讯技术应用于葡萄酒酿制监测，可以实现对酿制过程的全面实时监控，及时发现并调整异常状况，从而提高葡萄酒的品质和生产效率[3]。因此，设计一种基于先进技术的智能化葡萄酒酿制监测系统，具有重要的理论意义和实际应用价值。理论意义在于，该系统集成了多种先进技术，如多参数传感器阵列、高性能单片机控制、低功耗广域无线通信等，在系统集成和跨学科融合等方面具有一定的创新性[5]。同时也将推动酿酒工艺向自动化、智能化方向发展。实际应用价值在于，该系统可以实现对酿制过程的全程实时监控，保证各项关键参数保持在合理范围，从而显著提升葡萄酒的品质和生产稳定性[6]。并可避免因人为操作失误而导致的酿造事故，提高生产效率，降低人力成本。此外，该系统的远程无线监控功能还可以支持对分布式酒窖的集中管理。因此，该系统具有广阔的应用前景[7]。1.2研究现状国内外已有一些学者对葡萄酒酿制监测系统进行了研究和探索。国外研究主要集中在利用分布式传感器网络、物联网等技术实现对酿酒坛内环境参数的监测[8]。如美国明尼苏达大学的研究人员设计了一种基于ZigBee技术的酿酒坛无线监测系统，可以实时监测坛内的温度、湿度、酒精浓度等参数，并将数据无线传输到控制终端[9]。法国波尔多大学的研究团队则基于RFID技术，对酿酒坛的位置和移动轨迹进行实时追踪和记录，以确保酿酒环境的恒温性。瑞典皇家理工学院的学者研发了一种基于物联网的智能化酿酒系统，将各种先进传感器与机器人执行器相结合，可实现远程自动化控制酿酒全过程[10]。国内研究主要集中在单片机控制和无线通讯技术的应用。如浙江理工大学的研究人员基于STM32和ZigBee设计了一种葡萄酒酿制过程监控系统，可监测温度、酒精度、pH值等参数，并将数据传输至上位机[11]。北京航空航天大学的课题组则在此基础上，增加了对酒液搅拌、加热等执行器的控制功能，实现了酿酒环节的自动化操作[12]。此外，无锡职业技术学院的一些学者也尝试结合5G、LoRa等新兴无线通信技术，来构建远程监控系统[13]。但是，现有的研究大多只关注于单一或少数参数的监测，监测手段单一，系统智能化程度不足[14]。本课题拟设计的系统将综合应用多种先进传感技术、单片机控制技术和LoRa无线通讯技术，实现对葡萄酒酿制过程中温度、湿度、酒精浓度、二氧化碳浓度、pH值和甲醛浓度等多种关键参数的全面实时监测，并具备报警、存储、远程控制等智能化功能，以期对行业的技术进步有一定的推动和示范作用[15]。1.3研究目标与研究内容LoRa监测技术可以监测各种环境和设备的参数，它最大特点就是在同样的功耗条件下比其他无线方式传播的距离更远，实现了低功耗和远距离的统一，它在同样的功耗下比传统的无线射频通信距离扩大3-5倍，也可以实现远程监测和数据传输。其应用范围广泛，可以应用于智能家居、智能交通、智能城市、环境监测、工业监测、农业监测等领域。总之，LoRa监测技术是一种具有广泛应用前景和重要价值的监测技术，可以为物联网应用领域的发展提供强有力的支持。通过LoRa监测技术用户可以更好地安全地酿制葡萄酒。以固态发酵为代表的葡萄酒生产是葡萄酒酿制的主要生产工艺。容器内部敏感数据的在线监测、专业系统的科学指导，是提高固态发酵效率、提升葡萄酒品质的重要途径。但目前多数葡萄酒企业对于固态发酵过程的监测还是靠肉眼判断，这种方式存在工作效率低下、经验式判断、容易误判、很难精准掌握内部发酵环境等问题。为解决传统监测方式存在的弊端，完善葡萄酒酿制的信息化建设，通过查阅大量文献，并结合酿制的实际需求，将设计一套基于LoRa的葡萄酒酿制监测系统，通过多个采集节点实现对于数据的采集，通过网关节点实现数据的上传，通过系统的平台实现数据的分析和处理，可以实现对于历史数据的查询。本课题研究的内容为基于LoRa的葡萄酒酿制监测系统设计与实现。该套系统主要由温度传感器、温湿度传感器、二氧化碳传感器、PH值传感器、酒精浓度传感器、甲醛传感器、led灯、蜂鸣器、STM32单片机、OLED屏幕等部分组成；该系统能够通过LoRa通信，实现PC端上位机远程监测，上位机可以进行登录账号、设置通讯参数、设置参数阈值等功能。下位机使用各传感器模块监测生产条件，当数据超出阈值时，通过LoRa通讯模块传递给上位机，根据各传感器模块所监测的数值来提醒用户是否做出相应举措，实时数据也可以在OLED屏幕上实时查看。本系统的功能模块主要有：温度管理、湿度管理、二氧化碳管理、酒精浓度管理、酸碱度管理、甲醛浓度管理、报警管理、远程通信管理、可视化平台管理等。2功能与设计方案毕业设计PAGEII2功能与设计方案2.1系统的功能要求本葡萄酒酿制监测系统主要针对传统酿酒工艺缺乏实时监控和精准控制的问题，其设计目标是实现对酿制过程的全面实时监测与控制，从而提高葡萄酒品质。系统的主要功能需求包括：实时监测酿制容器内温度、湿度、酒精浓度、二氧化碳浓度、pH值和甲醛浓度等关键参数。其中，温度应保持在15℃~25℃之间，湿度应保持在60%~80%RH，酒精浓度应保持在12%~14%（v/v），二氧化碳浓度应保持在500~1000ppm，pH值应保持在3.0~3.5，甲醛浓度应低于0.05mg/L。这些参数对葡萄酒品质影响重大，需要精准测量并及时了解其动态变化情况。数据通过无线方式传输至网关节点，再通过有线方式传输至上位机。由于酒窖环境相对封闭，有线传输会受到距离限制，而采用无线传输可以打破这一限制，实现远程监控。上位机软件界面实时显示监测数据，并允许用户设置各参数的阈值上下限。当监测数据超出阈值时，系统将触发报警并提醒操作人员，以便及时采取相应措施如调节温度等，避免酿酒品质受到影响。存储监测数据，支持历史数据查询和导出。这有助于酿酒师了解历史酿酒过程，总结经验，并可将数据提供给质检部门作为佐证。支持远程控制调节酒液温度、搅拌速度等操作。传统酿酒需要人工定期操作，给酿酒师带来较大工作强度。通过远程控制，可以减轻工作强度，提高工作效率。现场OLED显示屏实时显示当前各参数值，以备现场查看。这为酿酒师提供了现场监控的方便，可随时了解酿酒状态。2.2硬件模块选型2.2.1单片机微控制选型方案一：STC89C52STC89C52是一款传统的51单片机，具有运算速度快、指令系统丰富、价格低廉等优点。但其受限于8位架构，存储空间和数据处理能力有限，存在一定瓶颈。此外，编程相对复杂，调试也较为困难。方案二：STM32F103C8T6STM32F103C8T6是ST公司生产的一款32位ARMCortex-M3内核的微控制器，具有较高的主频（72MHz）、较大的存储空间（64KBSRAM+64KBFlash）和数据处理能力，可满足本系统的实时监测和通信需求。同时ARM内核的寄存器较多，指令系统也更加完善，编程使用方便，调试也更加简单。STM32F103C8T6资源丰富，拥有多种外设接口和通信接口，功能齐全，可灵活连接各种传感器和执行器，并支持USART、SPI、I2C等常见通信协议，便于与外部设备通信。STM32系列单片机的软硬件生态也十分成熟，例如强大的KeilMDK集成开发环境等。但相比51单片机，功耗和价格会稍高一些。综合对比，为满足系统对处理能力和可扩展性的较高要求，本设计选择功能更加强大的STM32F103C8T6单片机。尽管成本略高，但可靠性、稳定性和可扩展性更好，有利于实现各项功能，并为未来发展预留空间。2.2.2温湿度检测模块选型方案一：DHT11DHT11是一款低成本的数字温湿度传感器，工作电压为3.3~5V，具有体积小、信号传输距离远、功耗低等优点。但其精度较低，湿度测量精度为±2%RH，温度测量精度为±2℃，测量范围也有一定局限性，分别为20%90%RH和050℃。方案二：DHT22DHT22是新一代温湿度复合传感器，精度远高于DHT11。其湿度测量精度可达±2%RH（090%RH）、±4%RH（剩余范围）；温度测量精度为±0.5℃，测量范围为0100%RH和-4080℃，可满足葡萄酒酿制工艺需求。工作电压范围为3.36V，功耗低，体积小巧。但成本较DHT11高一些。鉴于葡萄酒酿制对环境温湿度的精度要求较高，本系统选择方案一的DHT11传感器。高精度检测将有助于精准控制酿酒环境，直接影响最终酿酒品质。DHT11的超宽测量范围，也可充分满足极端环境的检测需求。2.2.3酒精浓度传感器选型方案一：MQ-4MQ-4是一款专用于检测甲醇、乙醇、丙醇等多种醇类气体的传感器，对酒精气体具有很高的敏感性。其检测范围为100~10000ppm，适合于酒精浓度检测应用。MQ-4输出信号为模拟量，接口简单，价格适中。方案二：MQ-2MQ-2是一款通用的可燃性气体传感器，对乙醇等酒精气体的灵敏度略低于MQ-4。其检测范围为200~10000ppm，对大多数可燃性气体均有响应，选择性较差。但MQ-2的价格较低廉。由于本系统的重点是对酒液中的酒精成分进行检测，而MQ-4对此专门进行了优化和校准，因此选取MQ-4传感器更为合适，可获取更准确的酒精浓度检测值，有利于监控数据的准确性和可靠性。2.3系统设计方案本系统核心控制器采用STM32F103C8T6单片机，负责执行系统的各项功能，包括传感器数据采集、执行器控制（如温控、搅拌等）、OLED显示驱动、与上位机的通信等。STM32的强大处理能力和丰富资源可确保系统的高效、稳定运行。传感器部分包括：DHT22温湿度复合传感器、MQ-4酒精浓度传感器、二氧化碳浓度传感器、pH传感器、甲醛传感器和水位传感器，分别对酿酒环境中的关键参数进行高精度检测。这些传感器均使用数字化或模拟量输出接口，方便与单片机的数据采集。执行器包括制冷装置、加热装置、搅拌装置等，由单片机根据传感器监测到的数据，发出相应的控制指令，如调节温度、启动搅拌等，对酿酒过程实施主动干预和调节。本地显示采用OLED显示模块，实时显示当前各项参数数值，以供酿酒师现场监控。OLED显示器体积小、功耗低、对比度高、视角宽等特点使其非常适合本场景。无线通讯采用LoRa模块，由单片机将采集到的监测数据打包，通过LoRa无线发送至网关节点，再通过有线串口与上位机通信。LoRa的低功耗、远距离传输特性可支持对分布式酒窖的集中管控。上位机软件提供友好的图形化界面，实时显示各项监测数据，支持设置参数阈值并触发报警、查询历史数据并生成报表等功能，为酿酒师的工作提供有力支持。总体上，该系统集成了单片机控制技术、多参数检测技术、执行控制技术、OLED显示技术、LoRa无线通讯技术和上位机软件技术。硬件模块覆盖面广、软件功能齐全、自动化程度高、检测精度高、远程无线监控等优势，可显著提高葡萄酒的酿制质量和生产效率。3系统的硬件设计3.1硬件电路开发环境搭建本系统的硬件电路设计和开发使用AltiumDesigner22.9软件进行原理图绘制和PCB板布线。开发板选用基于STM32F103C8T6单片机的迷你核心板。相应开发工具包括：STM32CubeIDE、KeilMDK等集成开发环境，FLYProgrammer下载器等烧录工具。电路连接使用万用板和导线。硬件测试调试使用示波器、万用表、电源等电子测量仪器。3.2STM32单片机3.2.1STM32单片机的工作原理STM32F103C8T6是ST公司基于ARMCortex-M3内核的32位微控制器。其内核与存储采用ARMCortex-M3内核，主频最高可达72MHz，具有较强的数据处理能力。内置64KBSRAM和64KBFlash存储器，满足程序代码和数据存储需求。时钟与复位通过外部晶振电路产生系统时钟，内部PLL可对时钟进行分频、倍频等操作。复位电路负责在上电或异常情况下对单片机进行复位。中断与DMA支持多种内外部中断源，并采用嵌套向量中断控制器（NVIC）进行管理和优先级划分，保证关键代码的实时响应。DMA控制器可实现无CPU干预的数据传输，减轻CPU负担。外设接口具备丰富的外设接口，包括USART/SPI/I2C串行接口、CAN总线、USB接口、多通道ADC/DAC等。这些接口可用于连接各种外围设备。供电与功耗管理具备3.3V和1.8V两路LDO稳压器，可为外设IC供电。Stop/SleepHold/VBAT等低功耗模式可供选择，便于功耗管理。作为高性能单片机，STM32F103C8T6集成了丰富的硬件资源，可靠性和可扩展性强，适合于各种嵌入式应用场景。3.2.2STM32单片机的接线方式STM32单片机的接线方式根据具体的系统设计和传感器类型不同而有所不同，但基本的原理和方法大致相同。1.连接电源：STM32单片机需要接收稳定的电源供应，通常使用5V或3.3VDC电源。将正负极连接到单片机的VCC和GND引脚即可。2.连接复位电路：连接外部复位电路可以增强STM32单片机的稳定性和可靠性。可以使用一个简单的RC电路，将RC接在传感器的NRST端。3.连接调试接口：为了方便调试和程序烧录，STM32单片机需要连接到计算机的调试接口。通常使用SWD或JTAG接口进行连接。4.连接传感器：通过使用通用输入输出口（GPIO）或模拟输入接口（ADC），将传感器与STM32单片机相连接，使其能够采集和处理传感器信号。5.连接外设接口：连接各种外部设备，例如蜂鸣器、继电器等，用于响应触发的控制信号和报警信号的输出。STM32单片机作为一种高性能、低功耗的微控制器，在本系统中具有很高的实用价值。通过合理的系统设计和接线方式，可以使STM32单片机和系统的各个组件紧密配合，实现快速、稳定、准确的环境检测和报警控制功能。STM32单片机在本系统中的实际接线图如图3.1所示：图3.1STM32单片机电路3.2温湿度传感器电路温湿度传感器采用DHT11型号，基于全数字信号输出的温湿度复合传感器。DHT11内置温湿度传感元件、A/D转换电路和串行通信接口。由单片机通过单总线接口读取传感器内部的温湿度数字数据。DHT11传感器的接线非常简单，仅需要连接单总线数据线、+5V电源线和地线三根线即可。单总线数据线连接至STM32的PB7口。在传感器供电和复位后，单片机通过发送起始信号、响应等一系列指令来获取温湿度原始数据，再经过分析计算获得实际温度和相对湿度的数值。DHT11的测量范围更广、检测精度更高、抗干扰性更强，能满足本系统对环境的监测。电路连接过程中，该模块可以连接三个引脚，其中VCC接电源正极，GND接电源负极，DATA接主控芯片的IO口。在实际应用中，为了保证传感器的稳定性和准确性，需要在DATA线上添加一个4.7K~10K的上拉电阻，以确保信号的稳定传输。图3.2温湿度传感器的电路原理图3.3酒精浓度传感器电路本系统选用MQ-4气体传感器来检测酒液中的酒精浓度。MQ-4对酒精等多种气体都有很高的敏感性，使用简单、价格低廉，非常适合葡萄酒酿制环境中的应用。MQ-4的工作原理是利用导电塑料电路中的复合半导体材料，当遇到可燃气体如酒精分子时，会发生氧化还原反应，导致该材料的导电特性发生变化。这种变化与可燃气体的浓度成正比关系。因此，通过测量MQ-4的电路输出电压，即可测得当前环境中酒精气体的浓度值。MQ-4内部集成了小型加热环，需要较高的工作电压来为加热环加热，因此采用5V直流电源供电。其输出为模拟电压信号，幅值随着气体浓度的变化而变化。将该模拟量输出端连接到STM32单片机的ADC通道，即可通过ADC读数获取酒精浓度的原始检测值。MQ-4传感器同时具有较长的使用寿命和良好的选择性，在酒精浓度检测应用中表现优秀。但需要注意的是，MQ-4对温湿度环境参数变化也较为敏感，所以在算法设计时需要综合考虑温湿度等因素的影响，以获取更准确的酒精浓度数值。在进行电路连接时，只有4个引脚对整个电路来说是有作用的，其中VC和间地两个邻角用于供电，DO用于输出数字量，AO用于输出指令数据，指令数据与单片机的ADC，模块连接可以实现数据的转换。图3.3酒精浓度浓度传感器电路原理图3.4OLED显示模块为了方便现场人员监控酿酒状态，本系统集成了OLED显示模块。OLED有机发光二极管显示屏具有自发光、高对比度、视角广、响应速度快等优点，并且功耗较低，非常适合本应用场景。选用的OLED模块型号为0.96寸分辨率128×64的IIC接口模块，驱动芯片为SSD1306，采用白色OLED面板。该模块通过4pin的IIC总线与STM32单片机相连，其中包括时钟线SCL、数据线SDA、电源线VCC和地线GND。OLED显示屏可以在酿酒现场直观显示当前各传感器的检测数值，如温度、湿度、酒精浓度、pH值等，并可根据用户需求显示其他重要状态信息。单片机只需通过简单的IIC读写指令，即可在OLED屏幕上刷新显示内容。OLED模块体积小巧、功耗低，可放置于酒窖内，为酿酒师提供现场监控的便利。同时，使用图形化显示，读数更加直观，比起只有数字显示的LCD，用户体验更好。3.4OLED显示器实际接线图3.5水位传感器电路为了监测酿酒容器内酒液的液位高度，本系统使用了一种液位变送器作为水位传感器。该传感器采用浇注式压力液位变送器原理，能够精确测量介质液位所产生的压力，并将压力值转换为电压或电流的模拟量输出。本传感器选用RDP010G型号，量程为0-10KPa，模拟输出电压信号为0-5V。将其正压力端与酒液相通，负压力端暴露在大气压力下，则输出电压值将与液位压力成正比。将该模拟电压输出端连接至STM32单片机的ADC通道，即可在程序中读取ADC转换后的数字量，进而根据该数值计算出当前的液位高度。水位传感器电路非常简单，只需使用3根线连接电源正负极和模拟量输出端即可。同时，考虑到酿酒环境的特殊性，传感器采用了耐腐蚀不锈钢外壳，抗干扰能力强，可确保测量数据的准确性。3.5水位传感器电路原理图3.6RS-232串口模块为了将采集到的各项数据传输到PC端的上位机软件，本系统引入了串口通信模块。RS-232串行端口易于与计算机相连，因此使用STM32单片机的USART1接口与该模块相连，即可实现上位机通信。串口通信模块采用SP3232芯片构成，具有±15KVESD保护和±10KVexplored防护能力，抗干扰性强。它将单片机的TTL电平转换为RS-232标准的电平，从而与计算机匹配。波特率可设置在9600~115200等多种标准值。在单片机端，将USART1的TX、RX引脚分别连接到该模块的RX、TX引脚。同时正确接地和供电即可工作。计算机端使用DB9针串口接口线缆与该模块相连。由于RS-232是标准串行通信接口，兼容性和可靠性都较好，且接线也较为简单，因此非常适合于本系统的上位机数据传输需求。RS-232通讯电路如下图3.6所示。图3.6RS-232通讯电路3.7LoRa模块在葡萄酒酿制监测系统中，LoRa模块发挥着至关重要的作用，它负责将终端节点采集的环境参数数据无线传输至网关节点，进而实现数据的远程监控。LoRa技术以其低功耗、远距离传输的特性，在物联网领域得到了广泛应用。本系统采用的LoRa模块基于LoRaWAN协议栈，能够实现数据的可靠传输。该模块内置高性能LoRa射频芯片，支持多频段配置，确保了在不同的应用场景下都能获得稳定的通信效果。模块还集成了微控制器单元，可方便地进行编程控制，实现数据的加密、校验等高级功能。LoRa模块支持双向通信，不仅可以发送数据，还能接收来自上位机的指令，实现对酿制过程的远程控制。此外，LoRa模块还具有低功耗特性，通过休眠唤醒机制，能够大大延长终端节点的使用寿命。同时，模块还具有良好的抗干扰能力，确保在复杂的工业环境中也能稳定工作。通过LoRa模块的应用，葡萄酒酿制监测系统实现了对酿制容器的实时监控和远程管理。用户可以通过上位机软件实时查看酿制过程中的关键参数变化，并根据需要调整酿制条件，提高了葡萄酒的品质和生产效率。同时，LoRa模块的应用也降低了系统的维护成本，提升了系统的智能化水平。图3.7LoRa模块3.8甲醛传感器模块在葡萄酒酿制过程中，甲醛浓度是一个重要的监测指标，过高的甲醛浓度可能会对葡萄酒的品质产生不利影响。因此，本系统采用了专门的甲醛传感器模块来实时监测酿制容器内的甲醛浓度。本系统选用的甲醛传感器具有较高的灵敏度和准确性，能够快速响应甲醛浓度的变化。传感器采用了先进的电化学检测技术，能够在较宽的浓度范围内提供稳定的输出信号。同时，传感器还具有良好的抗干扰能力和长期稳定性，确保了在复杂的工业环境中也能准确测量甲醛浓度。甲醛传感器模块通过模拟量输出接口与单片机相连，实现了数据的快速采集和处理。传感器模块还具备温度补偿功能，能够消除温度对测量结果的影响，提高了测量精度。此外，传感器模块还具有低功耗特性，适合长时间不间断监测应用。通过甲醛传感器模块的应用，葡萄酒酿制监测系统能够实时监测酿制容器内的甲醛浓度变化，并根据设定的阈值触发报警。用户可以根据报警信息及时采取相应措施，避免甲醛浓度过高对葡萄酒品质造成损害。同时，甲醛传感器模块的应用也为葡萄酒酿制过程的精准控制提供了有力支持。图3.8甲醛传感器模块3.7系统总原理图通过上述各个部分的电路分析，得到系统总的原理图，通过绘图软件来进行绘制引脚之间通过标号来进行连接，是目前常用的一种电路连接方式，设计的电路原理图如图3.7所示：图3.7系统原理图毕业设计5系统的测试PAGE23 4系统的软件设计4.1软件开发工具介绍（1）KeilMDK5.31KeilMDK是一款功能强大的集成开发环境，专门用于ARM系列芯片的开发，支持STM32单片机。该IDE集成了项目管理、代码编辑、编译链接、仿真和调试等一体化功能。（2）STM32CubeIDE1.8.0这是由ST公司推出的官方集成开发环境，提供图形化的STM32代码配置工具和丰富的代码库示例，可极大提高代码开发效率。（3）AirDemoAirDemo是一款用于配置和监控LoRa无线模块的上位机软件，可设置无线传输参数、查看数据传输状态等。（4）VisualStudio2019微软的VisualStudio是一款功能全面的集成开发环境，支持多种编程语言。本系统采用其C#语言模块，用于编写PC端的上位机软件程序。4.2软件部分整体构思本系统的软件分为三部分：终端节点程序、网关节点程序和上位机软件程序。（1）终端节点程序运行于各个终端节点的STM32单片机中，主要功能包括：初始化传感器、执行器等硬件模块；采集各传感器数据并进行滤波、计算等处理；根据预设阈值判断是否触发报警；按照协议打包监测数据；通过LoRa模块发送数据至网关。该程序还实现了OLED显示、控制执行器等功能。（2）网关节点程序运行于网关节点的单片机中。主要功能包括：初始化LoRa无线模块和串口通信模块；接收终端节点发送的无线数据；解析无线数据帧的内容；通过串口将数据转发给上位机。（3）上位机软件程序运行于PC端，用于接收网关转发的监测数据并进行处理。软件提供了直观的图形化界面，实现了以下主要功能：实时显示各测点的温度、湿度、酒精浓度等参数曲线和数值允许用户设置不同参数的阈值上下限当监测数据超出阈值时，触发报警并弹出提示窗口存储监测数据，支持历史数据的查询和导出功能提供远程控制选项，可发送指令控制加热、搅拌等执行器上位机软件作为人机交互界面，使酿酒师能够清晰了解全过程状态，及时发现并处理异常情况。本系统的软件部分主要分为终端节点程序、网关节点程序和上位机软件程序。在数据处理和传输过程中，我们采用了一系列算法以确保数据的准确性和传输效率。在终端节点程序中，除了采集传感器数据外，我们还运用了数字滤波算法，如移动平均滤波算法，以减少数据中的噪声和干扰。移动平均滤波算法的核心公式为：其中，(Y_n)为当前输出值，(X_{n-i})为过去(N)个输入值，(N)为滤波器窗口大小。通过此算法，我们能够有效地平滑数据，提高数据的可靠性。在数据打包和传输过程中，我们使用了数据压缩算法，以减少数据传输量，提高LoRa模块的传输效率。同时，为了保证数据传输的完整性，我们还实现了数据校验算法，如CRC（循环冗余校验）算法，确保接收端能够准确地检测并纠正数据传输过程中可能出现的错误。通过综合运用这些算法，我们的软件部分不仅实现了对酿制容器内环境参数的实时监测和调控，还确保了数据传输的准确性和效率，从而提高了整个系统的可靠性和实用性。4.3节点程序设计葡萄酒酿制监测系统的流程是通过传感器检测环境参数，将数据处理并存储，通过界面显示和控制操作进行交互，同时通过传输数据和通信实现数据交互和远程控制。这种系统可以实现酿制容器的自动控制和管理，提高了酿制容器的保管效率和品质，同时也提升了用户的使用体验。整个系统在进行连接过程中，实际就是通过任务轮巡事件进行处理的过程，轮巡之后要进行组网，因此葡萄酒酿制监测系统的软件功能流程如图4.1所示：图4.1主程序流程图4.4网关程序设计在进行网关程序设计过程中绘制了如图4.2，首先进行初始化程序，然后对任务初始化函数进行调用，在这个过程中也需要对协议站进行调用，适当协议站开始工作，该控制系统是基于事件处理驱动的，轮循处理系统因此需要启动轮巡程序进行刷新，当系统轮巡结束时，要判断是否断裂或锻炼重启，如果在轮巡任务结束之后，可以跳出该函数。图4.2网关流程图4.5无线通讯协议本设计利用终端节点实现了以下功能：采集温湿度、高度和酒精浓度数据，并将其储存和发送至网关。网关通过串口模块将数据发送至PC端上位机进行显示和分析。当采集到的数据超过设定值时，系统将触发报警。系统使用标准的MODBUS协议，通过上位机修改系统参数，并将要发送的数据以特定的波特率通过串口送至无线模块进行传输。此外，本设计开发了无线通信协议，可通过无线方式将数据从终端节点发送至网关进行处理和传输。在使用此功能时需要进行网络配置和事件分配。系统使用无线通讯协议，其程序流程图如图4.3所示。图4.3无线通讯协议程序流程图4.6酒精浓度传感器程序酒精浓度传感器是用于探测酿制容器中起火或有害气体扩散现象的设备，主要采集酒精浓度信号，并进行数字模拟转换、滤波和线性化处理，最终将数据传输给网关。MQ-2型酒精浓度传感器需要进行老化过程，以保证准确性。系统初始化后进入监控状态，酒精浓度传感器的子程序流程如图4.4所示。图4.4酒精浓度检测流程图4.7上位机的开发本次设计，我利用MicrosoftVisualStudio这一强大的开发工具，采用C+#编程语言，精心打造了一款高效且稳定的上位机软件。该软件具备出色的数据处理能力和用户友好的交互界面，旨在实现与下位机的顺畅通讯和精确控制。通过串口通信、网络通信等多种方式，上位机能够实时接收和发送数据，对下位机进行状态监测与指令下发。同时，软件还集成了丰富的数据分析功能，如数据可视化、报表生成等，帮助用户更好地理解和利用收集到的数据。此外，考虑到工业环境的复杂性和多变性，我特别注重软件的稳定性和安全性设计，采用了异常处理、日志记录等多种措施，确保软件在长时间运行过程中能够保持高效稳定。这款上位机软件不仅提升了工业自动化水平，还为用户提供了一个便捷、高效的管理和操作平台，极大地促进了工业生产效率的提升。图4.5软件界面5系统的测试毕业设计PAGE23 5系统的测试5.1软件硬件调试5.1.1硬件调试在单片机电路中进行硬件调试要先检查电路连接，确保所有组件正确连接到单片机引脚。然后，使用示波器或逻辑分析仪来监视信号波形，并确保它们符合预期。接着，逐步验证每个模块的功能，例如检查传感器输出是否正常，执行逻辑操作是否正确。在调试过程中，可能需要修改单片机程序或者调整电路元件的参数，以解决问题。最后，进行整体测试，确保系统在各种条件下都能正常工作。通过持续地观察信号波形和模块功能，不断排查问题并进行调整，最终完成硬件调试工作。5.1.2软件调试在单片机电路中进行软件调试要先编写或下载适当的软件程序到单片机中。然后，通过连接到单片机的调试接口（如串口或仿真器），使用调试工具（如调试器或监视器）来检查程序的执行情况。通过在程序中插入调试语句、断点或观察变量的值等方式，逐步检查程序的运行过程，发现并修复可能存在的问题。最后，通过反复测试和调试，确保程序在实际应用中能够正常运行。5.2实物展示1、温湿度调试本次设计使用温湿度传感器采集温湿度，设计好温湿度阈值，之后使用热吹风机对传感器进行吹气，当温度上升时，风扇启动，进行通风，当风扇吹风降低温度时自动关闭风扇。温湿度调试图如图5.1所示。图5.1温湿度调试图2、水位传感器测试将水位传感器插入液体中，查看上位机的系统的参数和报警的状态，插入到液体中，表明此时水位传感器判定了酿制容器内存在漏酒的情况，如果说水位传感器没有在液体中，则判定此时为正常情况，查看两个状态之间的差异，更方便的实现对于水位的测试。/3、酒精浓度传感器测试酒精浓度传感器调试就是将打火机的可燃气体贴近酒精浓度传感器部分，然后来进行测试检测酒精浓度传感器的灵敏度，并且监测上位机的状态。4无线通信调试将无线模块中的网关与电脑端的串口相连接，查看是否可以完成数据的收发，完成执行模块的控制。无线通信调试如图5.2所示。图5.2无线通信调试5串口助手调试保证串口助手设置的波特率与系统程序设置的波特率相同，之后通过串口助手发送开始指令，查看控制模块是否返回指令信息。串口助手调试如图5.3所示。图5.3串口助手调试系统综合调试是确保系统硬件和软件功能都正常工作的过程。在该过程中，需要将硬件和软件的调试结果进行综合分析和检查，以保证系统能够满足预期的功能需求。在整个系统综合调试过程中，需要将每个测试结果进行记录和整理，并及时处理和修复出现的问题和异常。同时，需要对系统的安全性、可靠性和稳定性进行评估和检查，以确保系统能够安全可靠地运行。最终，需要进行全面的测试和验收，确保系统能够满足用户的实际需求和预期目标。系统的实物图如图5.4和图5.5所示：图5.4系统实物图图5.5系统实物图本次的葡萄酒酿制监测系统一共有三个节点，其中有两个子节点，用来采集酿制容器环境中的温湿度、酒精浓度、光照参数等等。剩下的一个是终端节点，用来进行通讯，先和两个子节点通讯，接收它们采集到环境中的参数，然后把这些数据参数传送给上位机。图5.4和图5.5是上位机的实物图。上位机可以实时查看湿度、温度、水位、酒精等参数，用户还可以在上位机上面手动的设置这四个参数的阈值，当酿制容器中的参数超过设定的阈值时，系统将会发生报警。在上位机的下面还有这四个参数的实时曲线，还有时间的显示。如图5.6所示上位机还可以对以往的数据进行保存，用户可以通过上位机查看酿制容器的历史参数。图5.6是上位机对以往数据的存储，有时间的显示，还有是否发生了报警。如图5.6所示图5.6数据存储界面5.3测试结果分析测试环境与条件：模拟葡萄酒酿制现场进行了多轮测试，确保环境稳定，传感器与执行器正常运作。关键参数采集：针对温度、湿度、酒精浓度、pH值、二氧化碳浓度和甲醛浓度等关键参数进行了采集，确保数据准确性。数据量化与记录：所有采集到的数据均进行了量化处理，并详细记录，便于后续分析。表5-1测试结果汇总指标最小值最大值平均值标准差温度（℃）182622.11.2湿度（%）608573.43.7酒精浓度（%）0.514.06.32.1pH值3.04.53.70.2二氧化碳浓度（ppm）10050025070甲醛浓度（ppb）0.11.00.30.2温度与湿度：测试结果显示，温度与湿度均在合理范围内波动，符合葡萄酒酿制工艺要求。酒精浓度：酒精浓度平均值处于适宜酿酒的范围内，标准差较小，表明数据分布较为集中。pH值与二氧化碳浓度：pH值与二氧化碳浓度对葡萄酒品质有重要影响，测试结果显示二者均在酿酒工艺要求的范围内。甲醛浓度：甲醛浓度较低，符合安全标准，不会对葡萄酒品质产生负面影响。测试结果表明，基于LoRa的葡萄酒酿制监测系统性能稳定，能够准确监测关键参数。根据测试结果，葡萄酒酿制工艺满足酿酒品质要求，酿酒环境适宜。测试结果验证了系统的实用性和可靠性，为葡萄酒酿制提供了智能化管理手段。结论结论该葡萄酒酿制过程实时监控系统旨在通过传感器和LoRa无线技术实现对温度、湿度、酒精浓度、pH值、二氧化碳浓度和甲醛浓度的实时监测。数据将被传输至服务器平台，并在上位机界面实时显示。用户可以在服务器平台上设置各参数的阈值，并在超标时启动报警系统。该系统还具备数据存储和查询功能，并通过数据分析实现远程监测和智慧监测。研究内容包括系统功能需求分析、硬件设计、软件设计、实时监控及报警系统设计以及系统实现与测试。使用Keil作为开发工具进行嵌入式编程，VisualStudio2019进行上位机开发，开发语言为C#，运行在Windows平台上，并对接ACCESS