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1、.基于蓝牙技术的生物发酵控制系统研究摘要:生物发酵是一个多控制参数、非线性、强耦合的复杂控制系统;深入分析生物发酵过程,构建了基于蓝牙无线通讯技术的数据采集通讯网络系统,并采用C++编程技术开发上位机监控界面,实现了控制系统各设备间的无线通信,解决了传统生物发酵控制系统中设备间搭建诸多电缆的复杂现场连线的问题,为生物发酵工业现场的数据采集与控制提供了一套可行的蓝牙多机通讯方案;实验表明,系统稳定可靠,各项参数满足控制要求,实现了对发酵过程的远程实时监控。...0引言工业生产过程中的生物发酵一般是在多个发酵罐中同时进行的,而且发酵过程是一个动态的、非线性、多变量、强
2、耦合的复杂系统。多级发酵罐的数据传输传统上是用现场总线来完成通讯过程,而太多的电缆线路在工业生产的现场中存在着诸多困难,如现场线路复杂、故障检修困难、线路在温度过高的生产环境中老化速度快以及太多的线路造成生产交通不便等。近几年发展起来的基于蓝牙技术的无线传感网络技术由于应用成本低、网络结构灵活、安全性好、功耗小等优点,已经在很多领域得到了应用。但是,将蓝牙无线传感网络真正应用于生物发酵系统中尚不多见。本文根据实际发酵过程中多发酵罐的情况,采用蓝牙无线传感网络技术,研究设计了基于蓝牙技术的生物发酵无线传感网络系统,解决了生物发酵过程中多级发酵罐无线实时数据采集通讯的
3、难题。用蓝牙技术代替工业生产过程中的现场总线,使得原先单独的各级发酵设备可以相互连接成无线网络。发酵罐与下位机、发酵罐与发酵罐、上位机与下位机之间实现无线数据传输,使控制过程更为迅速、便捷。系统采用C++实现对下位机进行的数据采集、分析、存盘、打印、报警以及显示等功能,并对发酵系统生产过程进行实时远程监控,既优化了生产工艺又提高了设备的利用率,使得系统自动化程度高,可靠性好,实用性强,该系统有着很好的市场应用前景。1系统总体设计系统采用单片机作为下位机,并设计成能自动选择脱机(脱离上位机)或并机两种运行方式。由于单片机具有存储功能,在突然由于某种原因使上位机和下位
4、机失去控制之后,仍能保持对发酵罐数据的采集与临时存储,而不至对于数据造成灾难性丢失。上位机软件系统采用C++来编写,基于Windows的窗口化程序设计MFC使人机界面生动直观,操作简单。另外,利用无线通信蓝牙模块实现多级发酵罐之间、上位机和下位机之间的通信,使系统具有高精度、高可靠性、远距离、低功耗、自动化程度高、方便灵活的特点。下位机同现场的发酵罐无线相连,按照温度、PH值、溶氧、泡沫高度等顺序分回路单片机进行数据采集、处理和控制,再通过蓝牙模块将数据传送到控制中心室的上位机,上位机对数据进行显示、处理和绘制成曲线,从而实现了发酵罐的实时数据采集和控制。本系统的
5、基本结构框图如图1所示。由于发酵过程较为复杂,涉及到微生物细胞的生长和代谢,是一个具有时变性、随机性和多变量输入输出的动态过程。有些变量(菌体浓度、基质浓度、产物得率等)在线检测困难,且不能直接作为被控变量,因此在发酵过程中主要采用能直接测量有关变量,如温度、搅拌转速、pH值、溶解氧、通气量、泡沫等作为被控变量。由于温度、pH...、溶解氧和泡沫高度是发酵过程中影响微生物代谢的最重要的环境参数,所以系统只对这些参数进行采样和控制。2系统硬件设计从硬件角度看,系统可以分为检测模块、蓝牙无线传输模块、下位机模块、控制模块和上位机模块等几部分。2.1检测模块检测模块是发
6、酵系统设计中的一个关键部分,要求具有较好的灵敏度和抗干扰能力。系统选用多通道12位CMOSA/D转换器AD574A[2],可进行12位转换,也可进行8位转换,价格适中,转换时间为25?s,线性误差为?1/2LSB,并符合系统温度要求。系统通过4个传感器分别对温度、pH、溶解氧和泡沫高度进行实时采集,由于各个传感器的输出均为模拟信号,A/D转换器采集接收的是伏信号,所以各传感器输出模拟信号经过变送器进行信号变换,输出的电压信号为0~5V,这样A/D采集模块的模拟量的输入量的选择也为0~5V,其硬件结构图如图2所示。单片机集中管理传感器检测信号,并将其通过蓝牙模块发送
7、到下位机。...2.2蓝牙无线传输模块蓝牙技术是一种解决短距离无线通信的技术,它的优势在于可摆脱设备间的电缆连接的束缚,并且能使10~100m距离内具有蓝牙接口的不同设备之间实现互连。由于它采用一种开放的标准,不需申请频率,因此蓝牙无线传输网络能实现多级生物发酵罐之间的多机通讯要求。蓝牙技术支持点到点和点到多点的连接。蓝牙系统的拓扑结最多由8台独立的设备单元连成微网(Piconet),再有多个独立的、非同步的Piconet组成一个独立的散网(Scatternet)。使得近距离的各种信息设备能够实现无缝资源共享。蓝牙通讯协议采用TDD(时分双工),其设备采用的是GF
8、SK调制技
