基于電子鼻的稻谷霉變在線檢測系統(tǒng)的研制

庫 晶 黃漢英 金 星 趙思明 李 路 童 康

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院1，武漢 430070)(農(nóng)業(yè)部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室2，武漢 430070)(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院3，武漢 430070)(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院4，武漢 430070)

稻谷不耐儲存且易受微生物侵染[1]。稻谷因米蟲侵蝕、霉變等不良因素造成的損失占總儲備量的2.0%左右[2]。目前，稻谷霉變的檢測方法主要有平板計數(shù)法測定霉菌含量[3]，通過測定霉菌毒素獲取稻谷霉變情況如：薄層層析法[4-5]、高效液相色譜法[6-7]、酶聯(lián)免疫吸附測定法[8]等。雖然這些方法檢測精度較高，但易受時間和條件制約，實驗操作繁瑣、時效性差且成本高，難以滿足現(xiàn)場快速實時檢測的需求。因此，開發(fā)稻谷霉變實時在線檢測裝置，及時監(jiān)測糧情，具有重大的實際意義。

由于霉菌在活動時會產(chǎn)生特殊的氣味，可采用電子鼻進行檢測。電子鼻具備快速、無損的氣味檢測的性能，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于食品工業(yè)、公安與軍事、化工等領(lǐng)域。在農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)檢測中，可實現(xiàn)定性與定量的檢測[9-15]。隨著無線通信技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用更加廣泛[16]，開發(fā)出功耗低、體積小、更智能且適合于遠程檢測的無線電子鼻系統(tǒng)，可克服傳統(tǒng)電子鼻的缺點，拓展其應(yīng)用領(lǐng)域[17-19]。

為滿足稻谷霉變在線檢測的需求，本研究開發(fā)了一套基于電子鼻的稻谷霉變在線檢測系統(tǒng)，并測試了其性能指標。

1 系統(tǒng)設(shè)計

稻谷霉變在線檢測系統(tǒng)，其主要由氣體檢測裝置、下位機系統(tǒng)、上位機遠程監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成[20]。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

注：O、P、Q、R為氣閥，M為氣泵，F(xiàn)為氣體反應(yīng)室，G為過濾網(wǎng)，H為模擬糧倉，I為安裝于F中的傳感器陣列。

1.1 下位機系統(tǒng)設(shè)計

下位機系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)由氣體傳感器陣列、微控制器、無線模塊、U盤、液晶顯示屏、氣路控制模塊等組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。下位機實現(xiàn)同步采集數(shù)據(jù)、顯示、存儲、發(fā)送功能。本系統(tǒng)采用可剝奪內(nèi)核的實時系統(tǒng)uC/OS-II，建立數(shù)據(jù)采集、處理、顯示、存儲及發(fā)送任務(wù)，通過時間輪轉(zhuǎn)調(diào)度，實現(xiàn)5個任務(wù)之間的快速切換，達到各任務(wù)同步的目的。

圖2 下位機系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

微控制器選用STM32F407ZGT6，內(nèi)部含有3個可以獨立使用的ADC，每個ADC有16個通道。本文根據(jù)4路氣體傳感器輸入模擬信號的特點，選用ADC1 中4 、5、7、11通道與氣體傳感器連接。采集的數(shù)據(jù)通過直接存儲器DMA以及OTG電路，經(jīng)由USB接口將數(shù)據(jù)存入U盤。無線通信模塊選用深聯(lián)致遠(北京)公司的DL-22模塊，該模塊以CC2530芯片為核心，芯片內(nèi)部集成了適應(yīng)2.4-GHz IEEE802.15.4的RF收發(fā)器。DL-22模塊與微控制器模塊通過串口連接，其TX(接PA9)與RX(接PA10)引腳分別用于數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

1.2 氣體傳感器陣列

稻谷在自然條件下霉變，其氣味物質(zhì)以烷烴類、烯炔類、烴類、苯環(huán)類物質(zhì)的種類居多，其次是醇醚類、醛類、酮類、酸酯類，其他雜環(huán)類最少[21]。另一方面，稻谷在霉變過程中，揮發(fā)性物質(zhì)濃度隨著霉菌含量的增加而增加[22]。因此通過氣體濃度來檢測霉菌含量是可行的。課題組前期采用Fox4000電子鼻與氣質(zhì)聯(lián)用儀[GC(7890B)-MS(5977A)]對接種亮白曲霉稻谷的氣味物質(zhì)進行了分析，結(jié)果表明，霉變稻谷在20 ℃、40 ℃、60 ℃條件下均會產(chǎn)生烷烴類、醇類、醛類等氣體，霉變初期(1 h～3 d)會開始產(chǎn)生烷烴類，且烷烴類的相對含量隨著霉菌含量的增加而呈上升趨勢；霉變中后期會產(chǎn)生苯環(huán)類、醇醚類、醛類[23]。根據(jù)前期試驗結(jié)果，本系統(tǒng)選擇MQ系列傳感器(MQ6、MQ138)、MS1100-P111傳感器、TGS813傳感器，其性能特點及參數(shù)見表1，包含稻谷自然霉變氣味物質(zhì)烷烴類、苯環(huán)類醇類、醛類、酮類。

表1 氣體傳感器型號及參數(shù)

1.3 氣路控制模塊

根據(jù)霉菌在線動態(tài)檢測要求，設(shè)計了氣路控制模塊電路，如圖3所示，為避免電磁閥開關(guān)動作對微處理器干擾，氣路控制模塊采用2路光耦隔離器驅(qū)動繼電器來KA1、KA2控制O、P、Q、R電磁閥工作，實現(xiàn)氣路切換，采用繼電器KA3對氣泵M進行控制，實現(xiàn)氣體循環(huán)采集和傳感器清洗。

圖3 氣路控制模塊電路

1.4 上位機遠程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

遠程監(jiān)測系統(tǒng)采用Qt Creator 5.9.2和MySQL開發(fā)，使用環(huán)境為Windows 10。該系統(tǒng)主要功能包括：以數(shù)字與圖形結(jié)合的方式顯示數(shù)據(jù)實時采集過程，數(shù)據(jù)文件的存儲、分析；通過設(shè)置欄以及設(shè)備編號欄，可手動查詢或自動輪詢128路下位機數(shù)據(jù)。

1.5 系統(tǒng)通信性能

在上位機、下位機端安裝無線通信模塊，并打開上位機端的串口調(diào)試助手，進行多次測試，主要測試其通信距離、傳輸速率與丟包率的性能[24]。測試結(jié)果表明，上位機(PC)與下位機在無建筑物遮擋時，最大通信距離為600 m；有建筑物遮擋時，最大通信距離為220 m。DL-22無線通信模塊數(shù)據(jù)最大傳輸速率3 300 B/s，實際傳輸速率為18 B/s，丟包率為0%。

2 材料與方法

2.1 實驗材料

稻谷：品種為“兩優(yōu)558”，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)實驗田，2016年。

霉菌：亮白曲霉(Aspergillus candidus)，中國工業(yè)微生物菌種保藏管理中心。

培養(yǎng)基：孟加拉紅培養(yǎng)基(Rose Bengal Medium)：青島高科園海博生物技術(shù)有限公司；察氏培養(yǎng)基(Czapek’s medium)：杭州百思生物技術(shù)有限公司。

2.2 實驗方法

2.2.1 樣品制備

由于本次選用新鮮稻谷中的霉菌含量為3.7×103cfu/g，當儲糧中霉菌含量低于104cfu/g時，稻谷未發(fā)生霉變，高于105cfu/g時，稻谷發(fā)生霉變，高于106cfu/g時，霉變嚴重[25]，故接種霉菌含量最高取為1.5×106cfu/g。

取130 g/份稻谷，共計21份，分為7組，每組3份，分別置于250 mL模擬糧倉中，接種10 mL不同濃度的菌懸液(如表2所示)，混合均勻。

表2 稻谷接種霉菌含量(cfu/g)

將模擬糧倉密封，置于30 ℃、80% RH培養(yǎng)箱中4 h[26]，收集樣品的代謝氣體，由于培養(yǎng)時間短，霉菌的增長可以忽略不計[27]。

將密封好的模擬糧倉置于4 ℃低溫培養(yǎng)箱備測[28]，在低溫條件霉菌生長代謝緩慢，霉菌的增長可以忽略不計，產(chǎn)生氣味物質(zhì)可忽略不計。

2.2.2 信號采集

設(shè)備預(yù)熱24 h后，待設(shè)備運行穩(wěn)定后，開始試驗，進行數(shù)據(jù)采集。在程序中設(shè)定1 s上傳一組氣體及溫濕度數(shù)據(jù)(連續(xù)采樣20次取平均值)，操作步驟：

系統(tǒng)連接：將裝有樣品的模擬糧倉與稻谷霉變在線檢測系統(tǒng)連接，確保無漏氣現(xiàn)象。

初始階段：利用氣泵把室外的新鮮空氣吸取到氣體反應(yīng)室中，將傳感器探頭清洗2 min(圖1中O、R關(guān)，P、Q開)，讀取氣體濃度值。

檢測階段：通過氣泵將模擬糧倉中的氣體吸入到氣體反應(yīng)室，氣體與傳感器接觸8 min(O、R開，P、Q關(guān))，讀取氣體濃度值。

清洗階段：在本次測量結(jié)束后，對傳感器再次進行清洗10 min(O、R關(guān)，P、Q開)；讀取氣體濃度值。

每份樣品測量三次后，更換模擬糧倉，完成測量。

2.2.3 數(shù)據(jù)處理方法

將采集的數(shù)據(jù)進行濾波處理，濾波方法采用SG (Savitzky-Golay)濾波算法，該算法是一種在時域內(nèi)基于多項式，通過移動窗口利用最小二乘法進行擬合的濾波方法，在濾除噪聲的同時，可以保留信號的細節(jié)特征[29]。將每份樣品中三次測量的氣體響應(yīng)值濾波后的值取平均，根據(jù)平均值繪制該份樣品的氣體響應(yīng)曲線。

根據(jù)氣體響應(yīng)曲線，提取初始階段51～100 s內(nèi)的50個氣體濃度值，取平均值，記為氣體濃度初始值(即室外新鮮空氣)，提取檢測階段氣體濃度峰值點附近100個數(shù)據(jù)，取平均值，記為氣體濃度峰值，氣體濃度峰值與初始值之差記為氣體濃度。測試組樣品(A～F組)的氣體濃度與對照組樣品(X組)氣體濃度之差記為氣體濃度增量。

2.2.4 稻谷霉菌含量預(yù)測模型

根據(jù)氣體濃度與接種霉菌含量的變化關(guān)系進行曲線擬合，選擇指數(shù)模型進行擬合，并采用粒子群算法進行參數(shù)優(yōu)化，建立稻谷霉菌含量預(yù)測模型，如式(1)所示。

(1)

式中：x為氣體濃度增量/mg/kg；y為接種霉菌含量/cfu/g。

2.2.5 檢測系統(tǒng)的性能指標

稻谷霉變在線檢測系統(tǒng)的性能指標包括霉菌含量最低檢測限、分辨率、靈敏度等。

本系統(tǒng)檢測所制備樣品氣體濃度，其傳感器響應(yīng)值所能區(qū)分的最低接種霉菌含量，即為最低檢測限，系統(tǒng)所能檢測的最小輸入量，即為分辨率。

在預(yù)測模型中，一定范圍內(nèi)，擬合曲線可近似為直線，根據(jù)式(2)計算預(yù)測模型的靈敏度。

(2)

式中：k為靈敏度；Δx為氣體濃度變化量；Δlgy為接種霉菌含量對數(shù)變化量。

3 結(jié)果與分析

3.1 氣體濃度特性曲線分析

TGS813氣體傳感器所測樣品A的氣體濃度曲線濾波前后對比如圖4所示，其中圖4b～圖4d表示經(jīng)過SG算法處理，選用不同窗寬值濾波后的氣體濃度曲線。

由圖4可知，窗寬值為51(圖4b)時，尚有大量脈沖干擾存在；窗寬值為151(圖4d)時，曲線的變化趨勢發(fā)生改變，存在過度平滑；窗寬值為101(圖4c)時，濃度曲線有明顯的峰值，平滑效果最好，既保留了原曲線的變化趨勢，又消除了尖峰脈沖對結(jié)果分析造成的影響。

圖4 樣品A氣體濃度曲線

結(jié)果表明，采用窗寬值為101(圖4c)能較好的區(qū)分新鮮空氣與稻谷霉變代謝氣體，可用來分析稻谷霉變狀況。

圖5 氣體濃度曲線

傳感器檢測的氣體濃度曲線如圖5所示，分別為TGS813、MQ6、MQ138、MS1100檢測的氣體濃度曲線。由圖5a和圖5b可知，不同霉菌含量的稻谷所產(chǎn)生的揮發(fā)性氣味物質(zhì)濃度不同，由圖5a可知，TGS813可以區(qū)分接種霉菌含量范圍為1.5×101～1.5×104cfu/g，由圖5b可知MQ6可以區(qū)分接種霉菌含量范圍為1.5×101～1.0×102cfu/g、1.5×105～1.5×106cfu/g，由圖5c和圖5d可知，傳感器MQ138與MS1100對稻谷霉變代謝氣味不敏感，無法區(qū)分接種不同霉菌含量的稻谷，表明在稻谷接種霉菌4小時內(nèi)，這兩個傳感器對稻谷揮發(fā)性物質(zhì)的響應(yīng)微弱。

3.2 稻谷霉菌含量預(yù)測模型

圖6為稻谷霉菌含量預(yù)測模型。由圖6可知，TGS813、MQ6氣體濃度增量與霉菌含量對數(shù)的變化呈指數(shù)上升趨勢，選擇式(1)建立稻谷霉菌含量預(yù)測模型。

基于TGS813傳感器的霉菌含量預(yù)測模型為：

圖6 稻谷霉菌含量預(yù)測模型

基于MQ6傳感器的霉菌含量預(yù)測模型為：

式中：x為氣體濃度增量/mg/kg；y為預(yù)測霉菌含量/cfu/g。

圖7為稻谷霉菌含量實際值與預(yù)測值比較。由圖7可知，TGS813、MQ6兩種傳感器霉菌含量預(yù)測精度較高，R2均大于0.98，均方根誤差均小于0.205 lg(cfu/g)，說明該模型用于霉菌含量的預(yù)測具有一定的可行性。

圖7 稻谷霉菌含量實際值與預(yù)測值比較

3.3 檢測系統(tǒng)的性能指標

由圖5知TGS813、MQ6能有效區(qū)分所接種最低霉菌含量的稻谷氣味，因此可以確定其最低檢測限及分辨率均為1.5×101cfu/g。

由圖6可知，在霉菌含量小于1.5×106cfu/g范圍內(nèi)，TGS813擬合曲線在(20,80)和(80,170)兩個區(qū)間上可近似為直線，MQ6曲線在可以(0,50)和(50,160)兩個區(qū)間上近似為直線，根據(jù)擬合曲線，采用式(2)計算稻谷霉菌含量預(yù)測靈敏度。其結(jié)果為：在氣體濃度增量20～80 mg/kg以及80～170 mg/kg時，TGS813預(yù)測模型靈敏度分別為0.052、0.026；在氣體濃度增量10～50 mg/kg以及50～160 mg/kg時，MQ6預(yù)測模型靈敏度分別為0.070、0.025。

4 結(jié)論

本研究設(shè)計了一套基于無線電子鼻的稻谷霉變在線檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由氣體檢測裝置、下位機系統(tǒng)、上位機遠程監(jiān)控系統(tǒng)等部分組成，本系統(tǒng)可進行氣體動態(tài)檢測及傳感器自動清洗，能夠?qū)臃N不同霉菌含量的稻谷進行有效區(qū)分，為稻谷霉菌含量檢測提供了新方法。

4.1 研制了稻谷霉變在線檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、存儲、顯示、傳輸?shù)裙δ堋＝Y(jié)果表明，上位機遠程監(jiān)控系統(tǒng)最大可實現(xiàn)輪詢接收128路數(shù)據(jù)，在空曠地帶數(shù)據(jù)有效傳輸距離為600 m，在30 cm墻壁遮擋條件下，傳輸距離為220 m，傳輸速率為18 B/s，丟包率為0%。

4.2 建立了稻谷霉菌含量預(yù)測模型。通過稻谷霉變檢測試驗，確定了系統(tǒng)霉菌檢出限為1.5×101cfu/g，分辨率為1.5×101cfu/g。采用指數(shù)曲線擬合，運用粒子群算法進行參數(shù)優(yōu)化，建立了稻谷霉菌含量預(yù)測模型，其中，基于TGS813氣體傳感器構(gòu)建的霉菌預(yù)測模型，擬合精度R2為0.983 9，預(yù)測均方根為0.203 5 lg(cfu/g)，靈敏度為0.052、基于MQ6氣體傳感器構(gòu)建的霉菌預(yù)測模型，R2為0.960，預(yù)測均方根為0.204 9 lg(cfu/g)，靈敏度為0.070。

稻谷在自然情況下霉變，產(chǎn)生的主要揮發(fā)性物質(zhì)與本實驗的基本相似，只是氣體濃度有所不同，如果運用本系統(tǒng)檢測自然情況下稻谷霉菌含量，其精度會有一定的影響，可以通過優(yōu)化模型來提高檢測精度。由于受篇幅所限，自然霉變測試結(jié)果將在后文分析。