基于LoRa的葡萄酒釀制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

河北理工大學(xué)信息學(xué)院 摘要 1緒論1.1研究背景和意義葡萄酒釀制是一門傳統(tǒng)工藝，對(duì)環(huán)境條件非常敏感，溫度、濕度、酒精濃度、二氧化碳濃度、pH值和甲醛濃度等參數(shù)都會(huì)對(duì)葡萄酒的品質(zhì)產(chǎn)生重大影響[1]。傳統(tǒng)的釀制方式主要依賴釀酒師的經(jīng)驗(yàn)，缺乏實(shí)時(shí)監(jiān)控和精準(zhǔn)控制，難以保證產(chǎn)品質(zhì)量的一致性[2]。隨著人們對(duì)葡萄酒品質(zhì)要求的不斷提高，以及釀酒工藝的不斷改進(jìn)，傳統(tǒng)的人工監(jiān)控方式已無(wú)法滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)的需求。將現(xiàn)代化的傳感器技術(shù)、單片機(jī)控制技術(shù)和無(wú)線通訊技術(shù)應(yīng)用于葡萄酒釀制監(jiān)測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)釀制過(guò)程的全面實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并調(diào)整異常狀況，從而提高葡萄酒的品質(zhì)和生產(chǎn)效率[3]。因此，設(shè)計(jì)一種基于先進(jìn)技術(shù)的智能化葡萄酒釀制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。理論意義在于，該系統(tǒng)集成了多種先進(jìn)技術(shù)，如多參數(shù)傳感器陣列、高性能單片機(jī)控制、低功耗廣域無(wú)線通信等，在系統(tǒng)集成和跨學(xué)科融合等方面具有一定的創(chuàng)新性[5]。同時(shí)也將推動(dòng)釀酒工藝向自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展。實(shí)際應(yīng)用價(jià)值在于，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)釀制過(guò)程的全程實(shí)時(shí)監(jiān)控，保證各項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)保持在合理范圍，從而顯著提升葡萄酒的品質(zhì)和生產(chǎn)穩(wěn)定性[6]。并可避免因人為操作失誤而導(dǎo)致的釀造事故，提高生產(chǎn)效率，降低人力成本。此外，該系統(tǒng)的遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控功能還可以支持對(duì)分布式酒窖的集中管理。因此，該系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景[7]。1.2研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外已有一些學(xué)者對(duì)葡萄酒釀制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了研究和探索。國(guó)外研究主要集中在利用分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)釀酒壇內(nèi)環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)[8]。如美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)的研究人員設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee技術(shù)的釀酒壇無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壇內(nèi)的溫度、濕度、酒精濃度等參數(shù)，并將數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)娇刂平K端[9]。法國(guó)波爾多大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)則基于RFID技術(shù)，對(duì)釀酒壇的位置和移動(dòng)軌跡進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤和記錄，以確保釀酒環(huán)境的恒溫性。瑞典皇家理工學(xué)院的學(xué)者研發(fā)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能化釀酒系統(tǒng)，將各種先進(jìn)傳感器與機(jī)器人執(zhí)行器相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制釀酒全過(guò)程[10]。國(guó)內(nèi)研究主要集中在單片機(jī)控制和無(wú)線通訊技術(shù)的應(yīng)用。如浙江理工大學(xué)的研究人員基于STM32和ZigBee設(shè)計(jì)了一種葡萄酒釀制過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)，可監(jiān)測(cè)溫度、酒精度、pH值等參數(shù)，并將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)[11]。北京航空航天大學(xué)的課題組則在此基礎(chǔ)上，增加了對(duì)酒液攪拌、加熱等執(zhí)行器的控制功能，實(shí)現(xiàn)了釀酒環(huán)節(jié)的自動(dòng)化操作[12]。此外，無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院的一些學(xué)者也嘗試結(jié)合5G、LoRa等新興無(wú)線通信技術(shù)，來(lái)構(gòu)建遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[13]。但是，現(xiàn)有的研究大多只關(guān)注于單一或少數(shù)參數(shù)的監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)手段單一，系統(tǒng)智能化程度不足[14]。本課題擬設(shè)計(jì)的系統(tǒng)將綜合應(yīng)用多種先進(jìn)傳感技術(shù)、單片機(jī)控制技術(shù)和LoRa無(wú)線通訊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)葡萄酒釀制過(guò)程中溫度、濕度、酒精濃度、二氧化碳濃度、pH值和甲醛濃度等多種關(guān)鍵參數(shù)的全面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并具備報(bào)警、存儲(chǔ)、遠(yuǎn)程控制等智能化功能，以期對(duì)行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步有一定的推動(dòng)和示范作用[15]。1.3研究目標(biāo)與研究?jī)?nèi)容LoRa監(jiān)測(cè)技術(shù)可以監(jiān)測(cè)各種環(huán)境和設(shè)備的參數(shù)，它最大特點(diǎn)就是在同樣的功耗條件下比其他無(wú)線方式傳播的距離更遠(yuǎn)，實(shí)現(xiàn)了低功耗和遠(yuǎn)距離的統(tǒng)一，它在同樣的功耗下比傳統(tǒng)的無(wú)線射頻通信距離擴(kuò)大3-5倍，也可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)傳輸。其應(yīng)用范圍廣泛，可以應(yīng)用于智能家居、智能交通、智能城市、環(huán)境監(jiān)測(cè)、工業(yè)監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域?？傊?，LoRa監(jiān)測(cè)技術(shù)是一種具有廣泛應(yīng)用前景和重要價(jià)值的監(jiān)測(cè)技術(shù)，可以為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展提供強(qiáng)有力的支持。通過(guò)LoRa監(jiān)測(cè)技術(shù)用戶可以更好地安全地釀制葡萄酒。以固態(tài)發(fā)酵為代表的葡萄酒生產(chǎn)是葡萄酒釀制的主要生產(chǎn)工藝。容器內(nèi)部敏感數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測(cè)、專業(yè)系統(tǒng)的科學(xué)指導(dǎo)，是提高固態(tài)發(fā)酵效率、提升葡萄酒品質(zhì)的重要途徑。但目前多數(shù)葡萄酒企業(yè)對(duì)于固態(tài)發(fā)酵過(guò)程的監(jiān)測(cè)還是靠肉眼判斷，這種方式存在工作效率低下、經(jīng)驗(yàn)式判斷、容易誤判、很難精準(zhǔn)掌握內(nèi)部發(fā)酵環(huán)境等問(wèn)題。為解決傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方式存在的弊端，完善葡萄酒釀制的信息化建設(shè)，通過(guò)查閱大量文獻(xiàn)，并結(jié)合釀制的實(shí)際需求，將設(shè)計(jì)一套基于LoRa的葡萄酒釀制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)多個(gè)采集節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)于數(shù)據(jù)的采集，通過(guò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳，通過(guò)系統(tǒng)的平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析和處理，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于歷史數(shù)據(jù)的查詢。本課題研究的內(nèi)容為基于LoRa的葡萄酒釀制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。該套系統(tǒng)主要由溫度傳感器、溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器、PH值傳感器、酒精濃度傳感器、甲醛傳感器、led燈、蜂鳴器、STM32單片機(jī)、OLED屏幕等部分組成；該系統(tǒng)能夠通過(guò)LoRa通信，實(shí)現(xiàn)PC端上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，上位機(jī)可以進(jìn)行登錄賬號(hào)、設(shè)置通訊參數(shù)、設(shè)置參數(shù)閾值等功能。下位機(jī)使用各傳感器模塊監(jiān)測(cè)生產(chǎn)條件，當(dāng)數(shù)據(jù)超出閾值時(shí)，通過(guò)LoRa通訊模塊傳遞給上位機(jī)，根據(jù)各傳感器模塊所監(jiān)測(cè)的數(shù)值來(lái)提醒用戶是否做出相應(yīng)舉措，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)也可以在OLED屏幕上實(shí)時(shí)查看。本系統(tǒng)的功能模塊主要有：溫度管理、濕度管理、二氧化碳管理、酒精濃度管理、酸堿度管理、甲醛濃度管理、報(bào)警管理、遠(yuǎn)程通信管理、可視化平臺(tái)管理等。2功能與設(shè)計(jì)方案畢業(yè)設(shè)計(jì)PAGEII2功能與設(shè)計(jì)方案2.1系統(tǒng)的功能要求本葡萄酒釀制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要針對(duì)傳統(tǒng)釀酒工藝缺乏實(shí)時(shí)監(jiān)控和精準(zhǔn)控制的問(wèn)題，其設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對(duì)釀制過(guò)程的全面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，從而提高葡萄酒品質(zhì)。系統(tǒng)的主要功能需求包括：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)釀制容器內(nèi)溫度、濕度、酒精濃度、二氧化碳濃度、pH值和甲醛濃度等關(guān)鍵參數(shù)。其中，溫度應(yīng)保持在15℃~25℃之間，濕度應(yīng)保持在60%~80%RH，酒精濃度應(yīng)保持在12%~14%（v/v），二氧化碳濃度應(yīng)保持在500~1000ppm，pH值應(yīng)保持在3.0~3.5，甲醛濃度應(yīng)低于0.05mg/L。這些參數(shù)對(duì)葡萄酒品質(zhì)影響重大，需要精準(zhǔn)測(cè)量并及時(shí)了解其動(dòng)態(tài)變化情況。數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線方式傳輸至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，再通過(guò)有線方式傳輸至上位機(jī)。由于酒窖環(huán)境相對(duì)封閉，有線傳輸會(huì)受到距離限制，而采用無(wú)線傳輸可以打破這一限制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。上位機(jī)軟件界面實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并允許用戶設(shè)置各參數(shù)的閾值上下限。當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超出閾值時(shí)，系統(tǒng)將觸發(fā)報(bào)警并提醒操作人員，以便及時(shí)采取相應(yīng)措施如調(diào)節(jié)溫度等，避免釀酒品質(zhì)受到影響。存儲(chǔ)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，支持歷史數(shù)據(jù)查詢和導(dǎo)出。這有助于釀酒師了解歷史釀酒過(guò)程，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，并可將數(shù)據(jù)提供給質(zhì)檢部門作為佐證。支持遠(yuǎn)程控制調(diào)節(jié)酒液溫度、攪拌速度等操作。傳統(tǒng)釀酒需要人工定期操作，給釀酒師帶來(lái)較大工作強(qiáng)度。通過(guò)遠(yuǎn)程控制，可以減輕工作強(qiáng)度，提高工作效率?，F(xiàn)場(chǎng)OLED顯示屏實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前各參數(shù)值，以備現(xiàn)場(chǎng)查看。這為釀酒師提供了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控的方便，可隨時(shí)了解釀酒狀態(tài)。2.2硬件模塊選型2.2.1單片機(jī)微控制選型方案一：STC89C52STC89C52是一款傳統(tǒng)的51單片機(jī)，具有運(yùn)算速度快、指令系統(tǒng)豐富、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。但其受限于8位架構(gòu)，存儲(chǔ)空間和數(shù)據(jù)處理能力有限，存在一定瓶頸。此外，編程相對(duì)復(fù)雜，調(diào)試也較為困難。方案二：STM32F103C8T6STM32F103C8T6是ST公司生產(chǎn)的一款32位ARMCortex-M3內(nèi)核的微控制器，具有較高的主頻（72MHz）、較大的存儲(chǔ)空間（64KBSRAM+64KBFlash）和數(shù)據(jù)處理能力，可滿足本系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和通信需求。同時(shí)ARM內(nèi)核的寄存器較多，指令系統(tǒng)也更加完善，編程使用方便，調(diào)試也更加簡(jiǎn)單。STM32F103C8T6資源豐富，擁有多種外設(shè)接口和通信接口，功能齊全，可靈活連接各種傳感器和執(zhí)行器，并支持USART、SPI、I2C等常見(jiàn)通信協(xié)議，便于與外部設(shè)備通信。STM32系列單片機(jī)的軟硬件生態(tài)也十分成熟，例如強(qiáng)大的KeilMDK集成開(kāi)發(fā)環(huán)境等。但相比51單片機(jī)，功耗和價(jià)格會(huì)稍高一些。綜合對(duì)比，為滿足系統(tǒng)對(duì)處理能力和可擴(kuò)展性的較高要求，本設(shè)計(jì)選擇功能更加強(qiáng)大的STM32F103C8T6單片機(jī)。盡管成本略高，但可靠性、穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性更好，有利于實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能，并為未來(lái)發(fā)展預(yù)留空間。2.2.2溫濕度檢測(cè)模塊選型方案一：DHT11DHT11是一款低成本的數(shù)字溫濕度傳感器，工作電壓為3.3~5V，具有體積小、信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。但其精度較低，濕度測(cè)量精度為±2%RH，溫度測(cè)量精度為±2℃，測(cè)量范圍也有一定局限性，分別為20%90%RH和050℃。方案二：DHT22DHT22是新一代溫濕度復(fù)合傳感器，精度遠(yuǎn)高于DHT11。其濕度測(cè)量精度可達(dá)±2%RH（090%RH）、±4%RH（剩余范圍）；溫度測(cè)量精度為±0.5℃，測(cè)量范圍為0100%RH和-4080℃，可滿足葡萄酒釀制工藝需求。工作電壓范圍為3.36V，功耗低，體積小巧。但成本較DHT11高一些。鑒于葡萄酒釀制對(duì)環(huán)境溫濕度的精度要求較高，本系統(tǒng)選擇方案一的DHT11傳感器。高精度檢測(cè)將有助于精準(zhǔn)控制釀酒環(huán)境，直接影響最終釀酒品質(zhì)。DHT11的超寬測(cè)量范圍，也可充分滿足極端環(huán)境的檢測(cè)需求。2.2.3酒精濃度傳感器選型方案一：MQ-4MQ-4是一款專用于檢測(cè)甲醇、乙醇、丙醇等多種醇類氣體的傳感器，對(duì)酒精氣體具有很高的敏感性。其檢測(cè)范圍為100~10000ppm，適合于酒精濃度檢測(cè)應(yīng)用。MQ-4輸出信號(hào)為模擬量，接口簡(jiǎn)單，價(jià)格適中。方案二：MQ-2MQ-2是一款通用的可燃性氣體傳感器，對(duì)乙醇等酒精氣體的靈敏度略低于MQ-4。其檢測(cè)范圍為200~10000ppm，對(duì)大多數(shù)可燃性氣體均有響應(yīng)，選擇性較差。但MQ-2的價(jià)格較低廉。由于本系統(tǒng)的重點(diǎn)是對(duì)酒液中的酒精成分進(jìn)行檢測(cè)，而MQ-4對(duì)此專門進(jìn)行了優(yōu)化和校準(zhǔn)，因此選取MQ-4傳感器更為合適，可獲取更準(zhǔn)確的酒精濃度檢測(cè)值，有利于監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。2.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案本系統(tǒng)核心控制器采用STM32F103C8T6單片機(jī)，負(fù)責(zé)執(zhí)行系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，包括傳感器數(shù)據(jù)采集、執(zhí)行器控制（如溫控、攪拌等）、OLED顯示驅(qū)動(dòng)、與上位機(jī)的通信等。STM32的強(qiáng)大處理能力和豐富資源可確保系統(tǒng)的高效、穩(wěn)定運(yùn)行。傳感器部分包括：DHT22溫濕度復(fù)合傳感器、MQ-4酒精濃度傳感器、二氧化碳濃度傳感器、pH傳感器、甲醛傳感器和水位傳感器，分別對(duì)釀酒環(huán)境中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行高精度檢測(cè)。這些傳感器均使用數(shù)字化或模擬量輸出接口，方便與單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集。執(zhí)行器包括制冷裝置、加熱裝置、攪拌裝置等，由單片機(jī)根據(jù)傳感器監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)，發(fā)出相應(yīng)的控制指令，如調(diào)節(jié)溫度、啟動(dòng)攪拌等，對(duì)釀酒過(guò)程實(shí)施主動(dòng)干預(yù)和調(diào)節(jié)。本地顯示采用OLED顯示模塊，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前各項(xiàng)參數(shù)數(shù)值，以供釀酒師現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控。OLED顯示器體積小、功耗低、對(duì)比度高、視角寬等特點(diǎn)使其非常適合本場(chǎng)景。無(wú)線通訊采用LoRa模塊，由單片機(jī)將采集到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)打包，通過(guò)LoRa無(wú)線發(fā)送至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，再通過(guò)有線串口與上位機(jī)通信。LoRa的低功耗、遠(yuǎn)距離傳輸特性可支持對(duì)分布式酒窖的集中管控。上位機(jī)軟件提供友好的圖形化界面，實(shí)時(shí)顯示各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，支持設(shè)置參數(shù)閾值并觸發(fā)報(bào)警、查詢歷史數(shù)據(jù)并生成報(bào)表等功能，為釀酒師的工作提供有力支持。總體上，該系統(tǒng)集成了單片機(jī)控制技術(shù)、多參數(shù)檢測(cè)技術(shù)、執(zhí)行控制技術(shù)、OLED顯示技術(shù)、LoRa無(wú)線通訊技術(shù)和上位機(jī)軟件技術(shù)。硬件模塊覆蓋面廣、軟件功能齊全、自動(dòng)化程度高、檢測(cè)精度高、遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控等優(yōu)勢(shì)，可顯著提高葡萄酒的釀制質(zhì)量和生產(chǎn)效率。3系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1硬件電路開(kāi)發(fā)環(huán)境搭建本系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)使用AltiumDesigner22.9軟件進(jìn)行原理圖繪制和PCB板布線。開(kāi)發(fā)板選用基于STM32F103C8T6單片機(jī)的迷你核心板。相應(yīng)開(kāi)發(fā)工具包括：STM32CubeIDE、KeilMDK等集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，F(xiàn)LYProgrammer下載器等燒錄工具。電路連接使用萬(wàn)用板和導(dǎo)線。硬件測(cè)試調(diào)試使用示波器、萬(wàn)用表、電源等電子測(cè)量?jī)x器。3.2STM32單片機(jī)3.2.1STM32單片機(jī)的工作原理STM32F103C8T6是ST公司基于ARMCortex-M3內(nèi)核的32位微控制器。其內(nèi)核與存儲(chǔ)采用ARMCortex-M3內(nèi)核，主頻最高可達(dá)72MHz，具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力。內(nèi)置64KBSRAM和64KBFlash存儲(chǔ)器，滿足程序代碼和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求。時(shí)鐘與復(fù)位通過(guò)外部晶振電路產(chǎn)生系統(tǒng)時(shí)鐘，內(nèi)部PLL可對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行分頻、倍頻等操作。復(fù)位電路負(fù)責(zé)在上電或異常情況下對(duì)單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位。中斷與DMA支持多種內(nèi)外部中斷源，并采用嵌套向量中斷控制器（NVIC）進(jìn)行管理和優(yōu)先級(jí)劃分，保證關(guān)鍵代碼的實(shí)時(shí)響應(yīng)。DMA控制器可實(shí)現(xiàn)無(wú)CPU干預(yù)的數(shù)據(jù)傳輸，減輕CPU負(fù)擔(dān)。外設(shè)接口具備豐富的外設(shè)接口，包括USART/SPI/I2C串行接口、CAN總線、USB接口、多通道ADC/DAC等。這些接口可用于連接各種外圍設(shè)備。供電與功耗管理具備3.3V和1.8V兩路LDO穩(wěn)壓器，可為外設(shè)IC供電。Stop/SleepHold/VBAT等低功耗模式可供選擇，便于功耗管理。作為高性能單片機(jī)，STM32F103C8T6集成了豐富的硬件資源，可靠性和可擴(kuò)展性強(qiáng)，適合于各種嵌入式應(yīng)用場(chǎng)景。3.2.2STM32單片機(jī)的接線方式STM32單片機(jī)的接線方式根據(jù)具體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和傳感器類型不同而有所不同，但基本的原理和方法大致相同。1.連接電源：STM32單片機(jī)需要接收穩(wěn)定的電源供應(yīng)，通常使用5V或3.3VDC電源。將正負(fù)極連接到單片機(jī)的VCC和GND引腳即可。2.連接復(fù)位電路：連接外部復(fù)位電路可以增強(qiáng)STM32單片機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性?？梢允褂靡粋€(gè)簡(jiǎn)單的RC電路，將RC接在傳感器的NRST端。3.連接調(diào)試接口：為了方便調(diào)試和程序燒錄，STM32單片機(jī)需要連接到計(jì)算機(jī)的調(diào)試接口。通常使用SWD或JTAG接口進(jìn)行連接。4.連接傳感器：通過(guò)使用通用輸入輸出口（GPIO）或模擬輸入接口（ADC），將傳感器與STM32單片機(jī)相連接，使其能夠采集和處理傳感器信號(hào)。5.連接外設(shè)接口：連接各種外部設(shè)備，例如蜂鳴器、繼電器等，用于響應(yīng)觸發(fā)的控制信號(hào)和報(bào)警信號(hào)的輸出。STM32單片機(jī)作為一種高性能、低功耗的微控制器，在本系統(tǒng)中具有很高的實(shí)用價(jià)值。通過(guò)合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和接線方式，可以使STM32單片機(jī)和系統(tǒng)的各個(gè)組件緊密配合，實(shí)現(xiàn)快速、穩(wěn)定、準(zhǔn)確的環(huán)境檢測(cè)和報(bào)警控制功能。STM32單片機(jī)在本系統(tǒng)中的實(shí)際接線圖如圖3.1所示：圖3.1STM32單片機(jī)電路3.2溫濕度傳感器電路溫濕度傳感器采用DHT11型號(hào)，基于全數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。DHT11內(nèi)置溫濕度傳感元件、A/D轉(zhuǎn)換電路和串行通信接口。由單片機(jī)通過(guò)單總線接口讀取傳感器內(nèi)部的溫濕度數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。DHT11傳感器的接線非常簡(jiǎn)單，僅需要連接單總線數(shù)據(jù)線、+5V電源線和地線三根線即可。單總線數(shù)據(jù)線連接至STM32的PB7口。在傳感器供電和復(fù)位后，單片機(jī)通過(guò)發(fā)送起始信號(hào)、響應(yīng)等一系列指令來(lái)獲取溫濕度原始數(shù)據(jù)，再經(jīng)過(guò)分析計(jì)算獲得實(shí)際溫度和相對(duì)濕度的數(shù)值。DHT11的測(cè)量范圍更廣、檢測(cè)精度更高、抗干擾性更強(qiáng)，能滿足本系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的監(jiān)測(cè)。電路連接過(guò)程中，該模塊可以連接三個(gè)引腳，其中VCC接電源正極，GND接電源負(fù)極，DATA接主控芯片的IO口。在實(shí)際應(yīng)用中，為了保證傳感器的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，需要在DATA線上添加一個(gè)4.7K~10K的上拉電阻，以確保信號(hào)的穩(wěn)定傳輸。圖3.2溫濕度傳感器的電路原理圖3.3酒精濃度傳感器電路本系統(tǒng)選用MQ-4氣體傳感器來(lái)檢測(cè)酒液中的酒精濃度。MQ-4對(duì)酒精等多種氣體都有很高的敏感性，使用簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，非常適合葡萄酒釀制環(huán)境中的應(yīng)用。MQ-4的工作原理是利用導(dǎo)電塑料電路中的復(fù)合半導(dǎo)體材料，當(dāng)遇到可燃?xì)怏w如酒精分子時(shí)，會(huì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，導(dǎo)致該材料的導(dǎo)電特性發(fā)生變化。這種變化與可燃?xì)怏w的濃度成正比關(guān)系。因此，通過(guò)測(cè)量MQ-4的電路輸出電壓，即可測(cè)得當(dāng)前環(huán)境中酒精氣體的濃度值。MQ-4內(nèi)部集成了小型加熱環(huán)，需要較高的工作電壓來(lái)為加熱環(huán)加熱，因此采用5V直流電源供電。其輸出為模擬電壓信號(hào)，幅值隨著氣體濃度的變化而變化。將該模擬量輸出端連接到STM32單片機(jī)的ADC通道，即可通過(guò)ADC讀數(shù)獲取酒精濃度的原始檢測(cè)值。MQ-4傳感器同時(shí)具有較長(zhǎng)的使用壽命和良好的選擇性，在酒精濃度檢測(cè)應(yīng)用中表現(xiàn)優(yōu)秀。但需要注意的是，MQ-4對(duì)溫濕度環(huán)境參數(shù)變化也較為敏感，所以在算法設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮溫濕度等因素的影響，以獲取更準(zhǔn)確的酒精濃度數(shù)值。在進(jìn)行電路連接時(shí)，只有4個(gè)引腳對(duì)整個(gè)電路來(lái)說(shuō)是有作用的，其中VC和間地兩個(gè)鄰角用于供電，DO用于輸出數(shù)字量，AO用于輸出指令數(shù)據(jù)，指令數(shù)據(jù)與單片機(jī)的ADC，模塊連接可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。圖3.3酒精濃度濃度傳感器電路原理圖3.4OLED顯示模塊為了方便現(xiàn)場(chǎng)人員監(jiān)控釀酒狀態(tài)，本系統(tǒng)集成了OLED顯示模塊。OLED有機(jī)發(fā)光二極管顯示屏具有自發(fā)光、高對(duì)比度、視角廣、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，并且功耗較低，非常適合本應(yīng)用場(chǎng)景。選用的OLED模塊型號(hào)為0.96寸分辨率128×64的IIC接口模塊，驅(qū)動(dòng)芯片為SSD1306，采用白色OLED面板。該模塊通過(guò)4pin的IIC總線與STM32單片機(jī)相連，其中包括時(shí)鐘線SCL、數(shù)據(jù)線SDA、電源線VCC和地線GND。OLED顯示屏可以在釀酒現(xiàn)場(chǎng)直觀顯示當(dāng)前各傳感器的檢測(cè)數(shù)值，如溫度、濕度、酒精濃度、pH值等，并可根據(jù)用戶需求顯示其他重要狀態(tài)信息。單片機(jī)只需通過(guò)簡(jiǎn)單的IIC讀寫指令，即可在OLED屏幕上刷新顯示內(nèi)容。OLED模塊體積小巧、功耗低，可放置于酒窖內(nèi)，為釀酒師提供現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控的便利。同時(shí)，使用圖形化顯示，讀數(shù)更加直觀，比起只有數(shù)字顯示的LCD，用戶體驗(yàn)更好。3.4OLED顯示器實(shí)際接線圖3.5水位傳感器電路為了監(jiān)測(cè)釀酒容器內(nèi)酒液的液位高度，本系統(tǒng)使用了一種液位變送器作為水位傳感器。該傳感器采用澆注式壓力液位變送器原理，能夠精確測(cè)量介質(zhì)液位所產(chǎn)生的壓力，并將壓力值轉(zhuǎn)換為電壓或電流的模擬量輸出。本傳感器選用RDP010G型號(hào)，量程為0-10KPa，模擬輸出電壓信號(hào)為0-5V。將其正壓力端與酒液相通，負(fù)壓力端暴露在大氣壓力下，則輸出電壓值將與液位壓力成正比。將該模擬電壓輸出端連接至STM32單片機(jī)的ADC通道，即可在程序中讀取ADC轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量，進(jìn)而根據(jù)該數(shù)值計(jì)算出當(dāng)前的液位高度。水位傳感器電路非常簡(jiǎn)單，只需使用3根線連接電源正負(fù)極和模擬量輸出端即可。同時(shí)，考慮到釀酒環(huán)境的特殊性，傳感器采用了耐腐蝕不銹鋼外殼，抗干擾能力強(qiáng)，可確保測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。3.5水位傳感器電路原理圖3.6RS-232串口模塊為了將采集到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C端的上位機(jī)軟件，本系統(tǒng)引入了串口通信模塊。RS-232串行端口易于與計(jì)算機(jī)相連，因此使用STM32單片機(jī)的USART1接口與該模塊相連，即可實(shí)現(xiàn)上位機(jī)通信。串口通信模塊采用SP3232芯片構(gòu)成，具有±15KVESD保護(hù)和±10KVexplored防護(hù)能力，抗干擾性強(qiáng)。它將單片機(jī)的TTL電平轉(zhuǎn)換為RS-232標(biāo)準(zhǔn)的電平，從而與計(jì)算機(jī)匹配。波特率可設(shè)置在9600~115200等多種標(biāo)準(zhǔn)值。在單片機(jī)端，將USART1的TX、RX引腳分別連接到該模塊的RX、TX引腳。同時(shí)正確接地和供電即可工作。計(jì)算機(jī)端使用DB9針串口接口線纜與該模塊相連。由于RS-232是標(biāo)準(zhǔn)串行通信接口，兼容性和可靠性都較好，且接線也較為簡(jiǎn)單，因此非常適合于本系統(tǒng)的上位機(jī)數(shù)據(jù)傳輸需求。RS-232通訊電路如下圖3.6所示。圖3.6RS-232通訊電路3.7LoRa模塊在葡萄酒釀制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，LoRa模塊發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，它負(fù)責(zé)將終端節(jié)點(diǎn)采集的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。LoRa技術(shù)以其低功耗、遠(yuǎn)距離傳輸?shù)奶匦?，在物?lián)網(wǎng)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本系統(tǒng)采用的LoRa模塊基于LoRaWAN協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸。該模塊內(nèi)置高性能LoRa射頻芯片，支持多頻段配置，確保了在不同的應(yīng)用場(chǎng)景下都能獲得穩(wěn)定的通信效果。模塊還集成了微控制器單元，可方便地進(jìn)行編程控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的加密、校驗(yàn)等高級(jí)功能。LoRa模塊支持雙向通信，不僅可以發(fā)送數(shù)據(jù)，還能接收來(lái)自上位機(jī)的指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)釀制過(guò)程的遠(yuǎn)程控制。此外，LoRa模塊還具有低功耗特性，通過(guò)休眠喚醒機(jī)制，能夠大大延長(zhǎng)終端節(jié)點(diǎn)的使用壽命。同時(shí)，模塊還具有良好的抗干擾能力，確保在復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中也能穩(wěn)定工作。通過(guò)LoRa模塊的應(yīng)用，葡萄酒釀制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)釀制容器的實(shí)時(shí)監(jiān)控和遠(yuǎn)程管理。用戶可以通過(guò)上位機(jī)軟件實(shí)時(shí)查看釀制過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)變化，并根據(jù)需要調(diào)整釀制條件，提高了葡萄酒的品質(zhì)和生產(chǎn)效率。同時(shí)，LoRa模塊的應(yīng)用也降低了系統(tǒng)的維護(hù)成本，提升了系統(tǒng)的智能化水平。圖3.7LoRa模塊3.8甲醛傳感器模塊在葡萄酒釀制過(guò)程中，甲醛濃度是一個(gè)重要的監(jiān)測(cè)指標(biāo)，過(guò)高的甲醛濃度可能會(huì)對(duì)葡萄酒的品質(zhì)產(chǎn)生不利影響。因此，本系統(tǒng)采用了專門的甲醛傳感器模塊來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)釀制容器內(nèi)的甲醛濃度。本系統(tǒng)選用的甲醛傳感器具有較高的靈敏度和準(zhǔn)確性，能夠快速響應(yīng)甲醛濃度的變化。傳感器采用了先進(jìn)的電化學(xué)檢測(cè)技術(shù)，能夠在較寬的濃度范圍內(nèi)提供穩(wěn)定的輸出信號(hào)。同時(shí)，傳感器還具有良好的抗干擾能力和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，確保了在復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中也能準(zhǔn)確測(cè)量甲醛濃度。甲醛傳感器模塊通過(guò)模擬量輸出接口與單片機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的快速采集和處理。傳感器模塊還具備溫度補(bǔ)償功能，能夠消除溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，提高了測(cè)量精度。此外，傳感器模塊還具有低功耗特性，適合長(zhǎng)時(shí)間不間斷監(jiān)測(cè)應(yīng)用。通過(guò)甲醛傳感器模塊的應(yīng)用，葡萄酒釀制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)釀制容器內(nèi)的甲醛濃度變化，并根據(jù)設(shè)定的閾值觸發(fā)報(bào)警。用戶可以根據(jù)報(bào)警信息及時(shí)采取相應(yīng)措施，避免甲醛濃度過(guò)高對(duì)葡萄酒品質(zhì)造成損害。同時(shí)，甲醛傳感器模塊的應(yīng)用也為葡萄酒釀制過(guò)程的精準(zhǔn)控制提供了有力支持。圖3.8甲醛傳感器模塊3.7系統(tǒng)總原理圖通過(guò)上述各個(gè)部分的電路分析，得到系統(tǒng)總的原理圖，通過(guò)繪圖軟件來(lái)進(jìn)行繪制引腳之間通過(guò)標(biāo)號(hào)來(lái)進(jìn)行連接，是目前常用的一種電路連接方式，設(shè)計(jì)的電路原理圖如圖3.7所示：圖3.7系統(tǒng)原理圖畢業(yè)設(shè)計(jì)5系統(tǒng)的測(cè)試PAGE23 4系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.1軟件開(kāi)發(fā)工具介紹（1）KeilMDK5.31KeilMDK是一款功能強(qiáng)大的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，專門用于ARM系列芯片的開(kāi)發(fā)，支持STM32單片機(jī)。該IDE集成了項(xiàng)目管理、代碼編輯、編譯鏈接、仿真和調(diào)試等一體化功能。（2）STM32CubeIDE1.8.0這是由ST公司推出的官方集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，提供圖形化的STM32代碼配置工具和豐富的代碼庫(kù)示例，可極大提高代碼開(kāi)發(fā)效率。（3）AirDemoAirDemo是一款用于配置和監(jiān)控LoRa無(wú)線模塊的上位機(jī)軟件，可設(shè)置無(wú)線傳輸參數(shù)、查看數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)等。（4）VisualStudio2019微軟的VisualStudio是一款功能全面的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，支持多種編程語(yǔ)言。本系統(tǒng)采用其C#語(yǔ)言模塊，用于編寫PC端的上位機(jī)軟件程序。4.2軟件部分整體構(gòu)思本系統(tǒng)的軟件分為三部分：終端節(jié)點(diǎn)程序、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)程序和上位機(jī)軟件程序。（1）終端節(jié)點(diǎn)程序運(yùn)行于各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的STM32單片機(jī)中，主要功能包括：初始化傳感器、執(zhí)行器等硬件模塊；采集各傳感器數(shù)據(jù)并進(jìn)行濾波、計(jì)算等處理；根據(jù)預(yù)設(shè)閾值判斷是否觸發(fā)報(bào)警；按照協(xié)議打包監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；通過(guò)LoRa模塊發(fā)送數(shù)據(jù)至網(wǎng)關(guān)。該程序還實(shí)現(xiàn)了OLED顯示、控制執(zhí)行器等功能。（2）網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)程序運(yùn)行于網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的單片機(jī)中。主要功能包括：初始化LoRa無(wú)線模塊和串口通信模塊；接收終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的無(wú)線數(shù)據(jù)；解析無(wú)線數(shù)據(jù)幀的內(nèi)容；通過(guò)串口將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給上位機(jī)。（3）上位機(jī)軟件程序運(yùn)行于PC端，用于接收網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理。軟件提供了直觀的圖形化界面，實(shí)現(xiàn)了以下主要功能：實(shí)時(shí)顯示各測(cè)點(diǎn)的溫度、濕度、酒精濃度等參數(shù)曲線和數(shù)值允許用戶設(shè)置不同參數(shù)的閾值上下限當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超出閾值時(shí)，觸發(fā)報(bào)警并彈出提示窗口存儲(chǔ)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，支持歷史數(shù)據(jù)的查詢和導(dǎo)出功能提供遠(yuǎn)程控制選項(xiàng)，可發(fā)送指令控制加熱、攪拌等執(zhí)行器上位機(jī)軟件作為人機(jī)交互界面，使釀酒師能夠清晰了解全過(guò)程狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理異常情況。本系統(tǒng)的軟件部分主要分為終端節(jié)點(diǎn)程序、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)程序和上位機(jī)軟件程序。在數(shù)據(jù)處理和傳輸過(guò)程中，我們采用了一系列算法以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和傳輸效率。在終端節(jié)點(diǎn)程序中，除了采集傳感器數(shù)據(jù)外，我們還運(yùn)用了數(shù)字濾波算法，如移動(dòng)平均濾波算法，以減少數(shù)據(jù)中的噪聲和干擾。移動(dòng)平均濾波算法的核心公式為：其中，(Y_n)為當(dāng)前輸出值，(X_{n-i})為過(guò)去(N)個(gè)輸入值，(N)為濾波器窗口大小。通過(guò)此算法，我們能夠有效地平滑數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)的可靠性。在數(shù)據(jù)打包和傳輸過(guò)程中，我們使用了數(shù)據(jù)壓縮算法，以減少數(shù)據(jù)傳輸量，提高LoRa模塊的傳輸效率。同時(shí)，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?，我們還實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)校驗(yàn)算法，如CRC（循環(huán)冗余校驗(yàn)）算法，確保接收端能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)并糾正數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤。通過(guò)綜合運(yùn)用這些算法，我們的軟件部分不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)釀制容器內(nèi)環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)控，還確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和效率，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性。4.3節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)葡萄酒釀制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的流程是通過(guò)傳感器檢測(cè)環(huán)境參數(shù)，將數(shù)據(jù)處理并存儲(chǔ)，通過(guò)界面顯示和控制操作進(jìn)行交互，同時(shí)通過(guò)傳輸數(shù)據(jù)和通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互和遠(yuǎn)程控制。這種系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)釀制容器的自動(dòng)控制和管理，提高了釀制容器的保管效率和品質(zhì)，同時(shí)也提升了用戶的使用體驗(yàn)。整個(gè)系統(tǒng)在進(jìn)行連接過(guò)程中，實(shí)際就是通過(guò)任務(wù)輪巡事件進(jìn)行處理的過(guò)程，輪巡之后要進(jìn)行組網(wǎng)，因此葡萄酒釀制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件功能流程如圖4.1所示：圖4.1主程序流程圖4.4網(wǎng)關(guān)程序設(shè)計(jì)在進(jìn)行網(wǎng)關(guān)程序設(shè)計(jì)過(guò)程中繪制了如圖4.2，首先進(jìn)行初始化程序，然后對(duì)任務(wù)初始化函數(shù)進(jìn)行調(diào)用，在這個(gè)過(guò)程中也需要對(duì)協(xié)議站進(jìn)行調(diào)用，適當(dāng)協(xié)議站開(kāi)始工作，該控制系統(tǒng)是基于事件處理驅(qū)動(dòng)的，輪循處理系統(tǒng)因此需要啟動(dòng)輪巡程序進(jìn)行刷新，當(dāng)系統(tǒng)輪巡結(jié)束時(shí)，要判斷是否斷裂或鍛煉重啟，如果在輪巡任務(wù)結(jié)束之后，可以跳出該函數(shù)。圖4.2網(wǎng)關(guān)流程圖4.5無(wú)線通訊協(xié)議本設(shè)計(jì)利用終端節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了以下功能：采集溫濕度、高度和酒精濃度數(shù)據(jù)，并將其儲(chǔ)存和發(fā)送至網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)通過(guò)串口模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至PC端上位機(jī)進(jìn)行顯示和分析。當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)超過(guò)設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)將觸發(fā)報(bào)警。系統(tǒng)使用標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS協(xié)議，通過(guò)上位機(jī)修改系統(tǒng)參數(shù)，并將要發(fā)送的數(shù)據(jù)以特定的波特率通過(guò)串口送至無(wú)線模塊進(jìn)行傳輸。此外，本設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了無(wú)線通信協(xié)議，可通過(guò)無(wú)線方式將數(shù)據(jù)從終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送至網(wǎng)關(guān)進(jìn)行處理和傳輸。在使用此功能時(shí)需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置和事件分配。系統(tǒng)使用無(wú)線通訊協(xié)議，其程序流程圖如圖4.3所示。圖4.3無(wú)線通訊協(xié)議程序流程圖4.6酒精濃度傳感器程序酒精濃度傳感器是用于探測(cè)釀制容器中起火或有害氣體擴(kuò)散現(xiàn)象的設(shè)備，主要采集酒精濃度信號(hào)，并進(jìn)行數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換、濾波和線性化處理，最終將數(shù)據(jù)傳輸給網(wǎng)關(guān)。MQ-2型酒精濃度傳感器需要進(jìn)行老化過(guò)程，以保證準(zhǔn)確性。系統(tǒng)初始化后進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)，酒精濃度傳感器的子程序流程如圖4.4所示。圖4.4酒精濃度檢測(cè)流程圖4.7上位機(jī)的開(kāi)發(fā)本次設(shè)計(jì)，我利用MicrosoftVisualStudio這一強(qiáng)大的開(kāi)發(fā)工具，采用C+#編程語(yǔ)言，精心打造了一款高效且穩(wěn)定的上位機(jī)軟件。該軟件具備出色的數(shù)據(jù)處理能力和用戶友好的交互界面，旨在實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)的順暢通訊和精確控制。通過(guò)串口通信、網(wǎng)絡(luò)通信等多種方式，上位機(jī)能夠?qū)崟r(shí)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，對(duì)下位機(jī)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與指令下發(fā)。同時(shí)，軟件還集成了豐富的數(shù)據(jù)分析功能，如數(shù)據(jù)可視化、報(bào)表生成等，幫助用戶更好地理解和利用收集到的數(shù)據(jù)。此外，考慮到工業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性和多變性，我特別注重軟件的穩(wěn)定性和安全性設(shè)計(jì)，采用了異常處理、日志記錄等多種措施，確保軟件在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過(guò)程中能夠保持高效穩(wěn)定。這款上位機(jī)軟件不僅提升了工業(yè)自動(dòng)化水平，還為用戶提供了一個(gè)便捷、高效的管理和操作平臺(tái)，極大地促進(jìn)了工業(yè)生產(chǎn)效率的提升。圖4.5軟件界面5系統(tǒng)的測(cè)試畢業(yè)設(shè)計(jì)PAGE23 5系統(tǒng)的測(cè)試5.1軟件硬件調(diào)試5.1.1硬件調(diào)試在單片機(jī)電路中進(jìn)行硬件調(diào)試要先檢查電路連接，確保所有組件正確連接到單片機(jī)引腳。然后，使用示波器或邏輯分析儀來(lái)監(jiān)視信號(hào)波形，并確保它們符合預(yù)期。接著，逐步驗(yàn)證每個(gè)模塊的功能，例如檢查傳感器輸出是否正常，執(zhí)行邏輯操作是否正確。在調(diào)試過(guò)程中，可能需要修改單片機(jī)程序或者調(diào)整電路元件的參數(shù)，以解決問(wèn)題。最后，進(jìn)行整體測(cè)試，確保系統(tǒng)在各種條件下都能正常工作。通過(guò)持續(xù)地觀察信號(hào)波形和模塊功能，不斷排查問(wèn)題并進(jìn)行調(diào)整，最終完成硬件調(diào)試工作。5.1.2軟件調(diào)試在單片機(jī)電路中進(jìn)行軟件調(diào)試要先編寫或下載適當(dāng)?shù)能浖绦虻絾纹瑱C(jī)中。然后，通過(guò)連接到單片機(jī)的調(diào)試接口（如串口或仿真器），使用調(diào)試工具（如調(diào)試器或監(jiān)視器）來(lái)檢查程序的執(zhí)行情況。通過(guò)在程序中插入調(diào)試語(yǔ)句、斷點(diǎn)或觀察變量的值等方式，逐步檢查程序的運(yùn)行過(guò)程，發(fā)現(xiàn)并修復(fù)可能存在的問(wèn)題。最后，通過(guò)反復(fù)測(cè)試和調(diào)試，確保程序在實(shí)際應(yīng)用中能夠正常運(yùn)行。5.2實(shí)物展示1、溫濕度調(diào)試本次設(shè)計(jì)使用溫濕度傳感器采集溫濕度，設(shè)計(jì)好溫濕度閾值，之后使用熱吹風(fēng)機(jī)對(duì)傳感器進(jìn)行吹氣，當(dāng)溫度上升時(shí)，風(fēng)扇啟動(dòng)，進(jìn)行通風(fēng)，當(dāng)風(fēng)扇吹風(fēng)降低溫度時(shí)自動(dòng)關(guān)閉風(fēng)扇。溫濕度調(diào)試圖如圖5.1所示。圖5.1溫濕度調(diào)試圖2、水位傳感器測(cè)試將水位傳感器插入液體中，查看上位機(jī)的系統(tǒng)的參數(shù)和報(bào)警的狀態(tài)，插入到液體中，表明此時(shí)水位傳感器判定了釀制容器內(nèi)存在漏酒的情況，如果說(shuō)水位傳感器沒(méi)有在液體中，則判定此時(shí)為正常情況，查看兩個(gè)狀態(tài)之間的差異，更方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)于水位的測(cè)試。/3、酒精濃度傳感器測(cè)試酒精濃度傳感器調(diào)試就是將打火機(jī)的可燃?xì)怏w貼近酒精濃度傳感器部分，然后來(lái)進(jìn)行測(cè)試檢測(cè)酒精濃度傳感器的靈敏度，并且監(jiān)測(cè)上位機(jī)的狀態(tài)。4無(wú)線通信調(diào)試將無(wú)線模塊中的網(wǎng)關(guān)與電腦端的串口相連接，查看是否可以完成數(shù)據(jù)的收發(fā)，完成執(zhí)行模塊的控制。無(wú)線通信調(diào)試如圖5.2所示。圖5.2無(wú)線通信調(diào)試5串口助手調(diào)試保證串口助手設(shè)置的波特率與系統(tǒng)程序設(shè)置的波特率相同，之后通過(guò)串口助手發(fā)送開(kāi)始指令，查看控制模塊是否返回指令信息。串口助手調(diào)試如圖5.3所示。圖5.3串口助手調(diào)試系統(tǒng)綜合調(diào)試是確保系統(tǒng)硬件和軟件功能都正常工作的過(guò)程。在該過(guò)程中，需要將硬件和軟件的調(diào)試結(jié)果進(jìn)行綜合分析和檢查，以保證系統(tǒng)能夠滿足預(yù)期的功能需求。在整個(gè)系統(tǒng)綜合調(diào)試過(guò)程中，需要將每個(gè)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行記錄和整理，并及時(shí)處理和修復(fù)出現(xiàn)的問(wèn)題和異常。同時(shí)，需要對(duì)系統(tǒng)的安全性、可靠性和穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估和檢查，以確保系統(tǒng)能夠安全可靠地運(yùn)行。最終，需要進(jìn)行全面的測(cè)試和驗(yàn)收，確保系統(tǒng)能夠滿足用戶的實(shí)際需求和預(yù)期目標(biāo)。系統(tǒng)的實(shí)物圖如圖5.4和圖5.5所示：圖5.4系統(tǒng)實(shí)物圖圖5.5系統(tǒng)實(shí)物圖本次的葡萄酒釀制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一共有三個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中有兩個(gè)子節(jié)點(diǎn)，用來(lái)采集釀制容器環(huán)境中的溫濕度、酒精濃度、光照參數(shù)等等。剩下的一個(gè)是終端節(jié)點(diǎn)，用來(lái)進(jìn)行通訊，先和兩個(gè)子節(jié)點(diǎn)通訊，接收它們采集到環(huán)境中的參數(shù)，然后把這些數(shù)據(jù)參數(shù)傳送給上位機(jī)。圖5.4和圖5.5是上位機(jī)的實(shí)物圖。上位機(jī)可以實(shí)時(shí)查看濕度、溫度、水位、酒精等參數(shù)，用戶還可以在上位機(jī)上面手動(dòng)的設(shè)置這四個(gè)參數(shù)的閾值，當(dāng)釀制容器中的參數(shù)超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)發(fā)生報(bào)警。在上位機(jī)的下面還有這四個(gè)參數(shù)的實(shí)時(shí)曲線，還有時(shí)間的顯示。如圖5.6所示上位機(jī)還可以對(duì)以往的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，用戶可以通過(guò)上位機(jī)查看釀制容器的歷史參數(shù)。圖5.6是上位機(jī)對(duì)以往數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，有時(shí)間的顯示，還有是否發(fā)生了報(bào)警。如圖5.6所示圖5.6數(shù)據(jù)存儲(chǔ)界面5.3測(cè)試結(jié)果分析測(cè)試環(huán)境與條件：模擬葡萄酒釀制現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了多輪測(cè)試，確保環(huán)境穩(wěn)定，傳感器與執(zhí)行器正常運(yùn)作。關(guān)鍵參數(shù)采集：針對(duì)溫度、濕度、酒精濃度、pH值、二氧化碳濃度和甲醛濃度等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了采集，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。數(shù)據(jù)量化與記錄：所有采集到的數(shù)據(jù)均進(jìn)行了量化處理，并詳細(xì)記錄，便于后續(xù)分析。表5-1測(cè)試結(jié)果匯總指標(biāo)最小值最大值平均值標(biāo)準(zhǔn)差溫度（℃）182622.11.2濕度（%）608573.43.7酒精濃度（%）0.514.06.32.1pH值3.04.53.70.2二氧化碳濃度（ppm）10050025070甲醛濃度（ppb）0.11.00.30.2溫度與濕度：測(cè)試結(jié)果顯示，溫度與濕度均在合理范圍內(nèi)波動(dòng)，符合葡萄酒釀制工藝要求。酒精濃度：酒精濃度平均值處于適宜釀酒的范圍內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)差較小，表明數(shù)據(jù)分布較為集中。pH值與二氧化碳濃度：pH值與二氧化碳濃度對(duì)葡萄酒品質(zhì)有重要影響，測(cè)試結(jié)果顯示二者均在釀酒工藝要求的范圍內(nèi)。甲醛濃度：甲醛濃度較低，符合安全標(biāo)準(zhǔn)，不會(huì)對(duì)葡萄酒品質(zhì)產(chǎn)生負(fù)面影響。測(cè)試結(jié)果表明，基于LoRa的葡萄酒釀制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)性能穩(wěn)定，能夠準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)關(guān)鍵參數(shù)。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，葡萄酒釀制工藝滿足釀酒品質(zhì)要求，釀酒環(huán)境適宜。測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)的實(shí)用性和可靠性，為葡萄酒釀制提供了智能化管理手段。結(jié)論結(jié)論該葡萄酒釀制過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)旨在通過(guò)傳感器和LoRa無(wú)線技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、濕度、酒精濃度、pH值、二氧化碳濃度和甲醛濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。數(shù)據(jù)將被傳輸至服務(wù)器平臺(tái)，并在上位機(jī)界面實(shí)時(shí)顯示。用戶可以在服務(wù)器平臺(tái)上設(shè)置各參數(shù)的閾值，并在超標(biāo)時(shí)啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)還具備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和查詢功能，并通過(guò)數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和智慧監(jiān)測(cè)。研究?jī)?nèi)容包括系統(tǒng)功能需求分析、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)監(jiān)控及報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測(cè)試。使用Keil作為開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行嵌入式編程，VisualStudio2019進(jìn)行上位機(jī)開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)語(yǔ)言為C#，運(yùn)行在Windows平臺(tái)上，并對(duì)接ACCESS