基于傳感器技術(shù)對(duì)農(nóng)業(yè)和食品質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的研究

裘進(jìn) 顧志豐

摘 要 本文討論了主要用于二氧化碳或氧氣傳感的不同傳感器的細(xì)節(jié)，以及它們可能被納入農(nóng)產(chǎn)品和食品包裝以進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測(cè)的可能性。信號(hào)傳感器通過(guò)將一種能量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成另一種形式的數(shù)據(jù)。例如RFID傳感器，它有助于在智能包裝系統(tǒng)中建立產(chǎn)品質(zhì)量傳感器和通信組件之間的通信。

關(guān)鍵詞 二氧化碳傳感器 智能農(nóng)業(yè)和食品包裝 氧氣傳感器 農(nóng)業(yè) 信號(hào)轉(zhuǎn)換

中圖分類(lèi)號(hào)：TP212.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2018.06.020

Abstract This article discusses the details of the different sensors used primarily for carbon dioxide or oxygen sensing， and the possibility that they may be included in agricultural products and food packaging for product quality monitoring. The signal sensor converts one type of energy data into another type of data. RFID sensors， for example， help to establish communication between product quality sensors and communication components in smart packaging systems.

Keywords Carbon dioxide sensor； smart agriculture and food packaging； Oxygen sensor； agriculture； signal conversion

智能包裝被定義為包含內(nèi)部、外部傳感器或指示器的包裝，以提供包裝歷史和/或其內(nèi)部農(nóng)業(yè)和食品質(zhì)量的信息。包裝有助于延長(zhǎng)保質(zhì)期，并保護(hù)農(nóng)業(yè)和食品免受因內(nèi)部和外部因素造成的腐敗。包裝農(nóng)業(yè)和食品主要是為了保護(hù)農(nóng)產(chǎn)品和食品不受環(huán)境因素和其他外在因素的影響，保存并容納加工過(guò)的農(nóng)產(chǎn)品和食品，并向消費(fèi)者提供與成分和營(yíng)養(yǎng)有關(guān)的信息。易腐農(nóng)業(yè)和食品如畜產(chǎn)品，水果，蔬菜和烘焙食品的保質(zhì)期受到三個(gè)主要因素的影響：與大氣中的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，好氧性腐敗微生物的生長(zhǎng)以及發(fā)生蟲(chóng)害。近幾十年來(lái)，農(nóng)業(yè)和食品工業(yè)在包裝技術(shù)方面發(fā)展迅速，尤其是包裝材料、包裝方法、包裝設(shè)備和輔助設(shè)備。

目前食品安全和質(zhì)量已成為重要問(wèn)題。消費(fèi)者不僅更關(guān)注保持農(nóng)產(chǎn)品和食品長(zhǎng)期保鮮和安全的新方法，而且還熱衷于了解農(nóng)產(chǎn)品和食品在整個(gè)分銷(xiāo)周期中的新鮮狀況。因此，農(nóng)業(yè)和食品包裝在整個(gè)生產(chǎn)，儲(chǔ)存和銷(xiāo)售的食品保護(hù)中發(fā)揮著重要作用。盡管無(wú)裝飾的包裝系統(tǒng)對(duì)促進(jìn)農(nóng)產(chǎn)品和食品分銷(xiāo)系統(tǒng)的早期發(fā)展作出了很大貢獻(xiàn)，但目前這種系統(tǒng)還不夠充足，因?yàn)槟壳暗募夹g(shù)已變得越來(lái)越復(fù)雜。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)和食品包裝不能滿(mǎn)足顧客的需求變化，他們正在積極地尋求農(nóng)產(chǎn)品和食品的質(zhì)量，新鮮度和安全性。為了滿(mǎn)足這些要求并提高整體包裝性能，創(chuàng)新主動(dòng)和智能包裝的概念已經(jīng)提出并成功應(yīng)用。Yam將智能包裝定義為能夠執(zhí)行智能功能（如檢測(cè)，傳感，記錄，追蹤，通信和應(yīng)用科學(xué)邏輯）的包裝系統(tǒng)，以便于決策制定以延長(zhǎng)保質(zhì)期，增強(qiáng)安全性，提高質(zhì)量，提供信息并警告可能出現(xiàn)的問(wèn)題。根據(jù)最新的定義，智能包裝被定義為包含外部或內(nèi)部指標(biāo)的包裝，以提供有關(guān)包裝進(jìn)程方面或農(nóng)產(chǎn)品和食品質(zhì)量方面的信息。創(chuàng)新農(nóng)業(yè)和食品包裝的例子包括抗菌包裝，氣調(diào)包裝，食用和生物可降解包裝，以及包裝中的新鮮度指標(biāo)。農(nóng)業(yè)和食品包裝的功能超出其習(xí)慣用途。創(chuàng)新的包裝系統(tǒng)增加了安全性，便利性，尤其是向最終用戶(hù)提供信息。

1 農(nóng)業(yè)和食品質(zhì)量指示傳感器

在新時(shí)代，化學(xué)傳感器和生物傳感器新材料的發(fā)展和加工技術(shù)的進(jìn)步迅速發(fā)展。傳感器技術(shù)已成為一個(gè)復(fù)雜而全面的課題。根據(jù)Ramamoorthy的定義，傳感器通?；谌齻€(gè)方面進(jìn)行分類(lèi)：靈敏度，選擇性和響應(yīng)時(shí)間。靈敏度用于描述在預(yù)設(shè)條件下定量測(cè)量測(cè)試氣體的能力，這取決于所用材料的固有物理和化學(xué)性質(zhì)。傳感器的選擇性被定義為除了干擾之外分離感興趣的氣體的能力。響應(yīng)時(shí)間用于評(píng)估氣體濃度變化過(guò)程中最大信號(hào)變化的速度。另外，不可逆性也是評(píng)估傳感器性能的一個(gè)顯著因素。氧氣和二氧化碳傳感器的組裝已經(jīng)開(kāi)發(fā)用于農(nóng)業(yè)和食品包裝。近年來(lái)，科學(xué)家們一直在試圖將生物傳感器納米技術(shù)整合在一起，以提高響應(yīng)速度，準(zhǔn)確性和靈敏度。因此，納米生物傳感器正在成為檢測(cè)農(nóng)產(chǎn)品和食品質(zhì)量和安全的常規(guī)解決方案的顯著替代品。本文主要關(guān)注二氧化碳傳感器和氧傳感器，因?yàn)檫@些氣體在包裝農(nóng)業(yè)和食品的頂部空間中也是預(yù)測(cè)其質(zhì)量，成熟度或腐敗變化的重要因素。

2 二氧化碳傳感器

由微生物引起的食品是否發(fā)酵或腐敗是指示農(nóng)產(chǎn)品和食品質(zhì)量和安全性的主要因素。在農(nóng)業(yè)和食品的發(fā)酵或腐敗過(guò)程中，氧氣減少，二氧化碳積聚。已經(jīng)開(kāi)發(fā)了許多主要用于傳感器開(kāi)發(fā)的二氧化碳檢測(cè)技術(shù)，并且這種傳感器包括熒光二氧化碳傳感器，干式光學(xué)二氧化碳傳感器，基于溶膠—凝膠的光學(xué)二氧化碳傳感器，光子晶體傳感器和pH基于濕法光學(xué)二氧化碳的指標(biāo)。研究人員對(duì)光學(xué)二氧化碳傳感器特別感興趣，因?yàn)樗鼈兊幕瘜W(xué)和機(jī)械穩(wěn)定性比其他化學(xué)傳感器要高。熒光或比色指示劑可以安裝在可滲透膜內(nèi)；盡管如此，這種類(lèi)型的傳感器存在局限性，即對(duì)暴露于環(huán)境干擾的應(yīng)用的精度和靈敏度的影響。

以前的研究已經(jīng)引入了幾種二氧化碳傳感器，根據(jù)其內(nèi)在的化學(xué)或物理性質(zhì)主要分為兩類(lèi)，即光學(xué)傳感器和電化學(xué)傳感器。二氧化碳傳感器在智能農(nóng)業(yè)和食品包裝工業(yè)中的潛在應(yīng)用已在之前的評(píng)論中進(jìn)行了討論。Severinghaus二氧化碳傳感器。Severinghaus二氧化碳傳感器完全基于電化學(xué)原理，被認(rèn)為是二氧化碳檢測(cè)最經(jīng)典和最基本的原型。這種類(lèi)型的傳感器通常由pH電極，選擇性參比電極和二氧化碳?xì)怏w可滲透膜組成。潛在的變化是由積聚的二氧化碳?xì)怏w在水中的溶解以及隨后電極中碳酸分子解離釋放的氫離子引起的。獲得潛在的變化以發(fā)現(xiàn)電極吸收的二氧化碳?xì)怏w量的量變。

基于聚合物基質(zhì)的低成本柔性pH傳感器可用于監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)和食品的質(zhì)量。聚合物pH傳感器中的柔性傳感膜是通過(guò)氧化銥的溶膠—凝膠制造工藝開(kāi)發(fā)的，并在其上安裝了一對(duì)小型化的IrOx/AgCl電極；由柔性傳感膜產(chǎn)生的電勢(shì)作為系統(tǒng)中的pH值。該pH傳感器克服了傳統(tǒng)的玻璃型電極的實(shí)際問(wèn)題，其具有玻璃脆性，大尺寸限制以及缺乏變形性等限制。

3 氧氣傳感器

眾所周知，氧氣對(duì)農(nóng)產(chǎn)品和食品的質(zhì)量，特別是在農(nóng)業(yè)和食品加工，分銷(xiāo)和銷(xiāo)售階段由微生物生長(zhǎng)引起的內(nèi)部組分的氧化影響很大。氧氣濃度是包裝農(nóng)產(chǎn)品和食品的重要因素；因此，包裝中的氣體被認(rèn)為是農(nóng)產(chǎn)品和食品質(zhì)量指標(biāo)的理想物質(zhì)。內(nèi)部大氣中的氧氣濃度影響在高氧含量下變質(zhì)的農(nóng)產(chǎn)品和食品的質(zhì)量和保質(zhì)期；因此，氧氣傳感器已經(jīng)被引入到農(nóng)業(yè)和食品包裝系統(tǒng)中，以指示氧氣的存在并且在溶解狀態(tài)和氣相中對(duì)其進(jìn)行量化。

體傳感器分為三種類(lèi)型，即物理傳感器，化學(xué)傳感器和生物傳感器。大體上，根據(jù)傳感器的類(lèi)型，氧傳感器可以分為熱磁，光學(xué)和電化學(xué)三種類(lèi)型?；瘜W(xué)傳感器或生物傳感器的典型響應(yīng)機(jī)制如圖1所示。當(dāng)組裝在傳感器上的接收器感測(cè)到?jīng)Q定簇時(shí)，發(fā)生化學(xué)或生物化學(xué)反應(yīng)。然后，換能器將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能以獲得電勢(shì)或伏安信號(hào)以監(jiān)測(cè)氣體濃度的變化。電化學(xué)傳感器可以分為電位計(jì)，伏安和電流傳感器。熱磁式氧傳感器是基于氧的物理特性，并且相當(dāng)大的努力一直致力于光纖氧傳感器的開(kāi)發(fā)。相反，電化學(xué)傳感器開(kāi)發(fā)的研究尚未受到相當(dāng)?shù)年P(guān)注。

熱磁氧傳感器（物理特性）。眾所周知，物質(zhì)具有固有的物理特性，如磁化率。有一系列氣體，如氧氣，二氧化氮和二氧化氯，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的順磁效應(yīng)。可以被磁場(chǎng)吸引的氣體被稱(chēng)為順磁性氣體。

熱磁氧傳感器是根據(jù)磁化率原理制造的；進(jìn)入傳感器非均勻磁場(chǎng)的分子氧氣被迫沿著強(qiáng)磁場(chǎng)流動(dòng)，在強(qiáng)磁場(chǎng)中溫度被加熱的電線升高。隨后，磁化率降低，因?yàn)榉肿釉跓嵛蘸箝_(kāi)始失去其磁性，導(dǎo)致磁場(chǎng)吸引力減弱。然后，磁場(chǎng)的損失由具有較高磁化率的未加熱的氧氣補(bǔ)償，這被稱(chēng)為熱對(duì)流現(xiàn)象。熱磁氧傳感器具有有趣的特征，例如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并且易于制造。然而，熱磁氧傳感器的發(fā)展受到了阻礙，因?yàn)樗鼈冺憫?yīng)慢，測(cè)量誤差明顯，熱元件腐蝕?；瘜W(xué)氧氣傳感器?；瘜W(xué)傳感表示由基板反應(yīng)引起的實(shí)時(shí)信息獲取過(guò)程，其中電信號(hào)來(lái)自相互作用。大多數(shù)化學(xué)氧氣傳感器都是基于電位或電壓表-電流表電化學(xué)反應(yīng)方法。電勢(shì)平衡傳感器，也被視為固態(tài)電位氧傳感器，在電位模式下工作。它們基于氧離子傳導(dǎo)固體電解質(zhì)，并在工業(yè)中用于各種應(yīng)用。氧化物半導(dǎo)體氧傳感器基于氧化物半導(dǎo)體如TiO2，Nb 2 O5和CeO2的電阻變化，這是由于氧化物半導(dǎo)體本身根據(jù)周?chē)髿獾难醴謮貉趸蜻€原所致。在極限電流安培傳感器中，氧氣通過(guò)施加外部電勢(shì)從電解質(zhì)的一側(cè)被驅(qū)動(dòng)到另一側(cè)，類(lèi)似于熱磁氧傳感器。這些類(lèi)型的化學(xué)傳感器依賴(lài)于300～1000℃的高溫，并可用于極端環(huán)境。但是，高溫氧傳感器主要針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)等高級(jí)應(yīng)用開(kāi)發(fā)。由于能源消耗和設(shè)備尺寸的原因，加熱設(shè)備不可行，而且對(duì)于農(nóng)業(yè)和食品包裝系統(tǒng)的引入來(lái)說(shuō)過(guò)于奢侈。與熱電式氧傳感器相比，常溫氧傳感器更適用于生物技術(shù)，醫(yī)藥，環(huán)境以及農(nóng)業(yè)和食品包裝工業(yè)。在正常環(huán)境條件下用于這種應(yīng)用的傳感器包括Clark電極，含水電化學(xué)電池，光學(xué)傳感器以及其他濕式或固體形式的傳感器。

參考文獻(xiàn)

[1] 張春峰，朱玉玉，陳永輝.基于ZigBee的溫室無(wú)線CO2傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2009（10）.

[2] 黃欣榮.從復(fù)雜性科學(xué)到大數(shù)據(jù)技術(shù)[J].長(zhǎng)沙理工大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2014（2）.

[3] 任豐原，黃海寧，林闖.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)[J].軟件學(xué)報(bào)，2003（7）.