基于Arduino的發(fā)酵尾氣檢測系統(tǒng)設(shè)計

肖乾坤+劉澤蒙+曹遜+張瑞+李暉+陳可泉

摘要： 通過對微生物發(fā)酵過程尾氣的在線監(jiān)測與分析，可以得到重要微生物的代謝參數(shù)。為了獲取這些參數(shù)，準確掌握和控制發(fā)酵過程、直觀地了解細胞代謝情況，設(shè)計了1個基于Arduino的生物發(fā)酵尾氣數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)以Arduino開發(fā)平臺為基礎(chǔ)，選用高精度、低功耗光學傳感器對尾氣中氧氣、二氧化碳的含量進行精確測量，采用射頻收發(fā)器件nRF24L01為數(shù)據(jù)的無線傳輸模塊，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集與在線顯示，適合應(yīng)用于發(fā)酵現(xiàn)場；同時，將系統(tǒng)制成樣機進行試驗，對采集系統(tǒng)的準確性、穩(wěn)定性進行分析驗證。結(jié)果表明，該系統(tǒng)在尾氣檢測中具有良好的準確性，在應(yīng)用試驗中數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、可靠；該系統(tǒng)具有方便易用、可移植性強、節(jié)能環(huán)保等特點，可在生產(chǎn)上推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞： 微生物發(fā)酵；發(fā)酵尾氣；在線監(jiān)測；呼吸商；Arduino

中圖分類號： TP274 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2016）03-0452-03

Arduino是一系列基于Atmel公司AVR單片機的人機交互產(chǎn)品的總稱，因其使用簡單、成本低、尺寸小等優(yōu)點而被用于許多控制系統(tǒng)中，開發(fā)者可在任何時間對Arduino進行編程操作，這使得其運用變得更為靈活[1]。Arduino具有簡單易用、高度模塊化的特點，被稱為“電子積木”[2]。Arduino擁有1個專屬的基于Eclipse的軟件集成開發(fā)環(huán)境（integratrd development environment，IDE），程序開發(fā)者可通過該IDE編寫適合自己所需功能的Arduino程序。由于Arduino的語言是1種類似C+ +、JAVA的編程語言，且Arduino將復雜的、帶有特定功能的C程序封裝成庫函數(shù)，在Arduino的編程過程中，程序開發(fā)者只需要考慮設(shè)計程序的邏輯結(jié)構(gòu)，而不必了解底層庫函數(shù)的具體設(shè)計內(nèi)容，這顯著降低了程序編寫的復雜程度[3]。在Arduino IDE中，只需要使用1根USB數(shù)據(jù)線，就可以很方便地將編寫好的程序下載（燒寫）至Arduino開發(fā)板中；如果編寫的程序有問題，編譯將不會通過，IDE會提示程序某個地方有錯誤，開發(fā)者可根據(jù)提示進行程序的修改。

生物發(fā)酵是極其復雜的生化反應(yīng)過程，同時也是生物工程領(lǐng)域一項最基礎(chǔ)的工程。發(fā)酵尾氣中的氧氣、二氧化碳作為重要的發(fā)酵工藝參數(shù)越來越受到發(fā)酵工業(yè)的重視，通過對發(fā)酵尾氣中氧氣、二氧化碳含量的在線檢測分析，可以獲得發(fā)酵過程中的微生物生理代謝參數(shù)，如二氧化碳釋放速率（carbon-dioxide evolution rate，CER）、攝氧率（oxygen uptake rate，OUR）、呼吸商（respiratory quotient，RQ）等[4]。這些參數(shù)能夠反映微生物發(fā)酵過程的代謝狀況，含有優(yōu)化發(fā)酵控制、指導生產(chǎn)、預測發(fā)酵趨勢和輔助建模的重要信息[5]。

Arduino在國內(nèi)的應(yīng)用已經(jīng)受到越來越多的重視，但是在生物發(fā)酵方面的應(yīng)用幾乎未見報道。本研究以生物發(fā)酵過程尾氣測量為例，展現(xiàn)開源硬件平臺在生物發(fā)酵中的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)工作原理與設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用開源硬件Arduino MEGA2560作為主控制板、Arduino UNO作為從控板；氧氣傳感器選用Lumin0x熒光氧光學傳感器，二氧化碳傳感器選用COZIR widerange非色散紅外二氧化碳傳感器，穩(wěn)壓模塊為筆者所在實驗室自制；氣體濃度數(shù)據(jù)通過nRF24L01進行無線收發(fā)，實時傳輸給計算機，從而實現(xiàn)對整個發(fā)酵過程的在線監(jiān)測（圖1）。

1.2 硬件組成及設(shè)計原理

1.2.1 Arduino控制板 Arduino系列采用Atmel公司的AVR微處理器的開源軟硬件開發(fā)平臺，Arduino Mega2560[6]具有54路數(shù)字輸入/輸出口（其中16路可作為PWM輸出），16路模擬輸入，4路UART接口，1個2 kb存儲空間的EEPROM，同時還有外接設(shè)備端口：USB口、SPI端口和ICSP header。

系統(tǒng)采用了C/C+ +語言進行底層硬件驅(qū)動的編寫，它將AVR單片機相關(guān)的寄存器參數(shù)設(shè)置打包成函數(shù)庫，在其自帶的Arduino IDE中采用類C+ +語言調(diào)用函數(shù)庫即可實現(xiàn)單片機系統(tǒng)的全部功能。

1.2.2 O2傳感器與CO2傳感器 氧氣的測量采用LuminOx熒光氧光學傳感器[7]，該傳感器具有功耗低、壽命長、精度高等優(yōu)點。LuminOx傳感器可同時測量氧分壓、溫度、大氣壓力、氧氣濃度，同時還帶有氧壓和溫度補償，使其可以精確工作于寬環(huán)境范圍而無需額外的補償系統(tǒng)，無需額外的信號調(diào)節(jié)電路即可與微控制器連接。二氧化碳的測量采用COZIR傳感器系列的Wide Range，該傳感器功耗低、壽命長、性能優(yōu)異，能較好用于便攜儀器和暖通空調(diào)等領(lǐng)域[8]。

1.2.3 無線通信模塊 無線通訊模塊由nRF24L01[9]芯片及射頻收發(fā)外圍電路構(gòu)成（含天線）。nRF24L01工作于2.4～2.5 GHz ISM 頻段，融合了增強型ShockBurst 技術(shù)，無線數(shù)據(jù)傳輸抗干擾能力強。增加天線后，傳輸距離可提高到 1 km。

其通信頻道和輸出功率可通過軟件進行初始化，即可進行1點對多點的數(shù)據(jù)無線傳輸；同時，nRF24L01功耗低，具有多種低功率工作模式。nRF24L01模塊采用SPI通信協(xié)議，可以方便地與Arduino系統(tǒng)進行通信。如有需要，可以擴展為多點無線傳輸數(shù)據(jù)。Arduino系統(tǒng)對nRF24L01初始化后，氧氣、二氧化碳傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)Arduino控制板處理后，上傳入nRF24L01模塊。當系統(tǒng)處于發(fā)送狀態(tài)時，接收端的nRF24L01 模塊自動接收數(shù)據(jù)，同時上傳至上位機。

1.3 系統(tǒng)程序設(shè)計

系統(tǒng)程序設(shè)計主要包括主程序、外部中斷子程序和校正子程序等，軟件流程如圖2所示。

下位機的氣體數(shù)據(jù)采集、處理，發(fā)送以及傳感器校正程序由Arduino 編程軟件完成。首先，Arduino系統(tǒng)復位后，程序?qū)Ω鞴δ苣K進行初始化，主要是氧氣傳感器、二氧化碳傳感器、nRF24L01模塊和EEPROM模塊。系統(tǒng)將傳感器采集到的數(shù)據(jù)代入EEPROM中的標準曲線計算出氣體濃度，所得結(jié)果代入式（1）中進行呼吸商的計算，同時通過無線傳輸?shù)絇C終端，呼吸商（RQ）[10]的計算公式如下：

RQ=CO2，out 20.9-O2，out。

（1）

式中：CO2，out為發(fā)酵罐尾氣排出口CO2濃度，%；O2，out為發(fā)酵罐尾氣排出口O2濃度，%。進氣口空氣中的CO2含量忽略不計。

當按下按鍵進入校準程序時，系統(tǒng)將把EEPROM中的參數(shù)刷新，存入校準之后的標準曲線，校準程序完成后，自動跳出，進入正常采集程序。整個數(shù)據(jù)采集程序通過Arduino 集成開發(fā)環(huán)境完成調(diào)試和下載，以下給出程序的部分代碼：

void setup（）

{

Serial.begin（9600）；

Mirf.spi=&MirfHardwareSpi；

Mirf.init（）；

Mirf.setTADDR（（byte *）“serv1”）；

Mirf.payload=sizeof（int）；

Mirf.config（）；

}

void loop（）

{

Serial2.begin（9600）；

Serial2.print（“M 1＼r＼n”）；

Serial2.print（“A＼r＼n”）；

while（Serial2.available（））

{

bufferA[indA]=Serial2.read（）；

char b=toascii（bufferA[indA]）；

valO2+=b；

indA+ +；

}

if（bufferA[1]==‘sp）

Serial2.end（）；

O2=（valO2.substring（2，6）+valO2.charAt（7））.toInt（） * 0.1；

}

上位機數(shù)據(jù)采集軟件采用PLX-DAQ軟件[11]，該軟件采用ActiveX技術(shù)，基于VBA語言的Excel調(diào)用PC系統(tǒng)資源，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示及存儲（圖3）。

2 結(jié)果與分析

本系統(tǒng)設(shè)計的目的是連續(xù)監(jiān)測生物發(fā)酵尾氣中氧氣、二氧化碳的濃度，通過公式計算得出發(fā)酵過程的呼吸代謝參數(shù)RQ，并將參數(shù)實時顯示在計算機上。為驗證本系統(tǒng)數(shù)據(jù)測量的準確性及穩(wěn)定性，現(xiàn)選用electrolab公司生產(chǎn)的Fermac368尾氣分析儀[12]與本系統(tǒng)進行比較試驗，得出對比結(jié)果。

為了檢驗本系統(tǒng)實際測量的準確度，開機校準系統(tǒng)，用本系統(tǒng)及Fermac368尾氣分析儀對3組標準混合氣體進行測量，結(jié)果見表1。

將本系統(tǒng)應(yīng)用于連續(xù)發(fā)酵過程的尾氣測量中，實時監(jiān)測生物發(fā)酵過程中的尾氣數(shù)據(jù)。在谷胱甘肽發(fā)酵過程尾氣的監(jiān)測中，采用釀酒酵母進行分批發(fā)酵（30 h），5 L發(fā)酵罐裝液體積2 L，整個發(fā)酵過程尾氣含量用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集，結(jié)果見圖4。由表1、圖4可見，本系統(tǒng)具有良好的準確度和穩(wěn)定性，能實時監(jiān)測尾氣含量，適合用于發(fā)酵監(jiān)控領(lǐng)域。

3 結(jié)論

本研究設(shè)計的基于Arduino低成本發(fā)酵尾氣的檢測系統(tǒng)實現(xiàn)了校正、無線傳輸、在線顯示、實時監(jiān)控等功能。本系統(tǒng)以Arduino開源硬件平臺為基礎(chǔ)，選用高精度、低功耗、長壽命光學氣體傳感器，增強型nRF24L01模塊負責數(shù)據(jù)無線傳輸，避免了發(fā)酵現(xiàn)場布線的麻煩，通過試驗驗證達到了預期的目的。本設(shè)計的鮮明特點是選用了靈活性高的開源硬件平臺Arduino和實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無線傳輸；完成了系統(tǒng)硬件的結(jié)構(gòu)設(shè)計和數(shù)據(jù)采集程序的編寫，保證了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集準確可靠，系統(tǒng)長時間運行穩(wěn)定，能完成對整個發(fā)酵過程的在線檢測和分析，為進一步實施發(fā)酵過程的在線控制提供了條件。

本系統(tǒng)可以進行額外的擴展進而拓展系統(tǒng)的適用范圍，如通過改變傳感器使系統(tǒng)具備檢測其他種類氣體的功能，使用WiFi擴展版實現(xiàn)數(shù)據(jù)的互聯(lián)網(wǎng)推送。

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