基于多元感知技術(shù)的微環(huán)境異味氣體監(jiān)測系統(tǒng)

劉甜甜 張永軍

摘要：鮮活牡蠣在保活運(yùn)輸過程中因其微生物繁殖造成不同程度的異味氣體累積，降低了其存活率及鮮活品質(zhì)。通過多元異味氣體感知技術(shù)構(gòu)建面向牡蠣無水?；钸\(yùn)輸?shù)漠愇稓怏w監(jiān)測系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)保鮮箱內(nèi)溫濕度、氨氣以及硫化氫氣體濃度變化的監(jiān)測與預(yù)警功能，以規(guī)范管理牡蠣鮮活貯運(yùn)的全過程，保證鮮食牡蠣的品質(zhì)安全。該系統(tǒng)部署簡單，可實(shí)時(shí)連續(xù)地實(shí)現(xiàn)對微環(huán)境實(shí)施監(jiān)測任務(wù)，針對超出指標(biāo)的異味氣體濃度能及時(shí)預(yù)警提示并采取應(yīng)對控制措施。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于多元感知技術(shù)的異味氣體濃度監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用為鮮活牡蠣無水?；钸\(yùn)輸?shù)漠愇稓怏w監(jiān)測提供了有效的技術(shù)支持，提升了同類甲殼類海產(chǎn)品的長時(shí)間貯運(yùn)控制的管理水平。

關(guān)鍵詞：多元感知技術(shù);無水?；钸\(yùn)輸;異味氣體監(jiān)測;氣體濃度監(jiān)測系統(tǒng);無線數(shù)據(jù)采集

中圖分類號：TP315? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）22-0105-04

1 引言

牡蠣營養(yǎng)價(jià)值高，富含蛋白質(zhì)、不飽和脂肪酸和多種微量元素等，其所含的不飽和脂肪酸有降低膽固醇等功效。但在其?；钯A運(yùn)過程中，因溫度控制不佳造成微生物滋生，有害微生物交叉感染，牡蠣成活率和品質(zhì)大幅下降，嚴(yán)重影響了消費(fèi)者食用安全;同時(shí)，運(yùn)輸中因微生物滋生造成異味氣體累積嚴(yán)重影響了其鮮食品質(zhì)[1-3]。然而，隨著人民生活水平的提高，消費(fèi)者對于鮮食海產(chǎn)品品質(zhì)以及其食用安全的需求也在不斷升高。近年來，基于多元感知技術(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用于不同場景的監(jiān)測與預(yù)測任務(wù)，取得了較好的效果。楊斷利等[4]研究了基于IPSO優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的蛋雞舍有害氣體監(jiān)測系統(tǒng)，將不同類型的氨氣傳感器監(jiān)測精度提高了約20%，為雞蛋養(yǎng)殖過程中有害氣體的精確監(jiān)測提供了新方法。付瑞玲等[5]對化工園區(qū)有害氣體濃度進(jìn)行了監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)，手機(jī)發(fā)送報(bào)警短信可有效地實(shí)時(shí)監(jiān)測CO、SO2的濃度，減少了事故的發(fā)生。肖軍等[6]研發(fā)了基于NB-IoT和云平臺(tái)的瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)，經(jīng)過模擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)測檢驗(yàn)，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)靈敏度高、響應(yīng)速度快，適用于惡劣工況下的氣體濃度監(jiān)測任務(wù)。孫繼平等[7]研發(fā)了礦井火災(zāi)監(jiān)測與趨勢預(yù)測方法，在分析溫度監(jiān)測法、氣體監(jiān)測法、煙霧監(jiān)測法、可見光圖像監(jiān)測法等礦井火災(zāi)監(jiān)測方法原理和特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了基于多參數(shù)融合的礦井火災(zāi)監(jiān)測與趨勢預(yù)測方法。孫艷萍等[8]基于以往的硫化氫監(jiān)測系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了有線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的硫化氫監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過現(xiàn)場設(shè)計(jì)完成對系統(tǒng)的測試表明，該系統(tǒng)能更加有效地對硫化氫氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，起到了預(yù)警保障作用。尹元躍等[9]對多元?dú)怏w進(jìn)行連續(xù)自動(dòng)檢測，運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行多點(diǎn)遠(yuǎn)程監(jiān)測，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了基于改進(jìn)433M無線通信技術(shù)的遠(yuǎn)程氣體環(huán)境參數(shù)監(jiān)測及凈化系統(tǒng)。綜上所述，利用多元?dú)怏w濃度的無線感知技術(shù)，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)穩(wěn)定的微環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)可以有效監(jiān)測鮮活牡蠣在無水運(yùn)輸過程中異味氣體變化，并采取及時(shí)有效的應(yīng)對措施，實(shí)現(xiàn)對異味氣體濃度累積的精準(zhǔn)監(jiān)測與預(yù)警處理，進(jìn)而提高了鮮食海產(chǎn)品的品質(zhì)安全。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了一套微環(huán)境異味氣體濃度監(jiān)測裝置及系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括微環(huán)境監(jiān)測模塊、移動(dòng)控制網(wǎng)關(guān)（移動(dòng)控制端） 以及無線通訊模塊。微環(huán)境監(jiān)測模塊可實(shí)現(xiàn)對運(yùn)輸空間內(nèi)異味氣體濃度的實(shí)時(shí)采集并上傳。該監(jiān)測系統(tǒng)的具體架構(gòu)如圖1所示。為達(dá)到對運(yùn)輸保鮮箱內(nèi)異味氣體監(jiān)測及預(yù)測的目的，在保鮮箱內(nèi)安裝了MMD3005氣體傳感器模組以隨時(shí)讀取多元傳感器數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)整合后打包發(fā)送。一方面，通過在Zigbee（cc2530） 進(jìn)行異味氣體濃度等信息進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸，另一端通過無線串口接收數(shù)據(jù)，在移動(dòng)端控制網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)解析與處理，實(shí)現(xiàn)了保鮮箱內(nèi)微環(huán)境異味氣體濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測與動(dòng)態(tài)預(yù)警功能;同時(shí)，通過ZigBee（cc2530） 進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸，并在移動(dòng)控制網(wǎng)關(guān)進(jìn)行基本數(shù)據(jù)趨勢的可視化展示。

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由微環(huán)境監(jiān)測模塊和無線通信模塊組成。微環(huán)境檢測模塊內(nèi)各芯片將采集到的箱內(nèi)氨氣、硫化氫、溫度以及濕度數(shù)據(jù)通過ZigBee（cc2530） 模塊，無線通信傳送到移動(dòng)控制網(wǎng)關(guān)進(jìn)行基本數(shù)據(jù)處理與可視化管理。

2.1.1 微環(huán)境監(jiān)測模塊

為實(shí)現(xiàn)對保鮮箱內(nèi)氣體的監(jiān)測，選用蘇州慧聞納米科技有限公司生產(chǎn)的MMD3005多元?dú)怏w傳感器模塊作為主要微環(huán)境感知元件。MMD3005系列模組可同時(shí)識別和檢測異味中的氨氣（檢測范圍0～300ppm），硫化氫（檢測范圍0-10ppm）含量，并且兼具溫濕度檢測的功能，模組具有高靈敏度、高分辨率、低功耗的特點(diǎn)，使用壽命長。同時(shí)，該模組還提供了UART、模擬電壓信號、PWM波形等多種輸出方式，有高穩(wěn)定性、優(yōu)秀的抗干擾能力、溫度補(bǔ)償、卓越的線性輸出。MMD3005系列模組的傳感器是不同材料體系組成的多通道氣體傳感器，使用特定的調(diào)理電路和精確的算法將響應(yīng)電導(dǎo)率變化轉(zhuǎn)化成為與之相對應(yīng)氣體種類和濃度的電信號。異味檢測模組MMD3005的電氣化特性如表1所示：

2.1.2 異味氣體無線收發(fā)數(shù)據(jù)格式

（1） 無線發(fā)送的數(shù)據(jù)格式

在數(shù)據(jù)采集過程中，軟件分別對通道進(jìn)行采樣，采用中值濾波技術(shù)消除異味氣體濃度值含有的噪聲，獲取數(shù)據(jù)被拆分成多個(gè)字節(jié)裝入數(shù)組中發(fā)給ZigBee模塊（cc2530芯片），并進(jìn)行數(shù)據(jù)幀的封裝處理。本模塊共需要向上位機(jī)發(fā)送兩類氣體濃度的16進(jìn)制數(shù)據(jù)，分別保存在6個(gè)字節(jié)中，需要在向ZigBee（cc2530） 芯片發(fā)送之前封裝成28字節(jié)的數(shù)據(jù)幀。其中，幀頭（0xAA）+地址（1字節(jié)） +溫度（4字節(jié)） +電壓1（硫化氫傳感器） +電壓值2（氨氣傳感器） （電壓都為4字節(jié)） +氣體類型1（2字節(jié)） +氣體類型1濃度（4字節(jié)） +氣體類型2（2字節(jié)） +氣體類型2濃度（4字節(jié)） +報(bào)警/等級（1字節(jié)） +第28字節(jié)固定為累加校驗(yàn)碼。MMD3005傳感器十進(jìn)制的輸出格式如表2所示。

（2） 無線接收處理

移動(dòng)網(wǎng)關(guān)中數(shù)據(jù)獲取數(shù)據(jù)幀格式被轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制方式為：溫度（℃） +相對濕度（%） +硫化氫（ppm） +氨氣濃度（ppm） +報(bào)警/等級。通過無線串口接收指令數(shù)據(jù)，移動(dòng)網(wǎng)關(guān)程序通過判斷起始幀標(biāo)識0xAA來確定起始數(shù)據(jù)，并在處理程序中進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)解析與處理。

2.1.3 無線通信模塊 （無線串口）

無線通信模塊采用的是一款小體積2.4GHz頻段的ZigBee無線模塊E18-2G4Z27SP，其呈貼片型，并適用于ZigBee設(shè)計(jì)及IEE802.15.4（2.4GHz） 協(xié)議;該模塊為PCB板載天線，發(fā)射功率500mW，引腳間距1.27mm，采用cc2530射頻芯片，芯片內(nèi)部集成了8051單片機(jī)及無線收發(fā)器，并內(nèi)置PA+LNA模塊，極大地?cái)U(kuò)展通信距離、提升通信穩(wěn)定性。

2.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.2.1 微環(huán)境監(jiān)測裝置與實(shí)現(xiàn)

微環(huán)境監(jiān)測模塊實(shí)現(xiàn)與程序?qū)崿F(xiàn)流程如圖2所示。系統(tǒng)初始化設(shè)定采樣時(shí)間間隔為10秒。首先模塊進(jìn)行初始化，并進(jìn)行讀取保鮮箱的id編號，記錄當(dāng)前時(shí)間;若時(shí)間間隔為10秒時(shí)，讀取微環(huán)境多元傳感器數(shù)據(jù)并上傳移動(dòng)終端暫存與處理。異味監(jiān)測系統(tǒng)分別讀取NH3、H2S以及溫濕度的濃度數(shù)據(jù)信息，然后將讀取到的信息進(jìn)行整合至數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)內(nèi)打包后上傳。隨后，實(shí)時(shí)發(fā)送至移動(dòng)控制網(wǎng)關(guān)進(jìn)行接收、分析與處理，完成異味氣體的預(yù)警管理功能。主控芯片通過cc2530模塊傳送數(shù)據(jù)到車載移動(dòng)端的cc2530協(xié)調(diào)器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并由移動(dòng)端口進(jìn)行獲取與解析;被解析的數(shù)據(jù)，按照其發(fā)展趨勢進(jìn)行短期預(yù)測與預(yù)警處理。其異味氣體獲取的Arduino關(guān)鍵程序如下所示：

String Temperature = ""; //溫度

String Humidity = ""; //濕度

String NH3 = "";//氨氣濃度

String H2S = "";// 硫化氫濃度

while （mySerial.available（））//讀取NH3， H2S氣體濃度

{ //讀入之后將字符串，串接到異味氣體幀數(shù)組comdata上。

comdata += char（mySerial.read（））;

delay（2）; } //延時(shí)一會(huì)，讓串口緩存準(zhǔn)備好讀下一條數(shù)據(jù)

delay（3000）;延時(shí)3秒

getAbornalGas（comdata）;//獲取異味氣體數(shù)據(jù)幀

Serial.print（Temperature + "#" + Humidity + "#" + NH3 + "#" + H2S）;

//通過cc2530無線串口無線傳輸數(shù)據(jù)至Android移動(dòng)控制端（移動(dòng)網(wǎng)關(guān)）

2.2.2 移動(dòng)控制網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)

移動(dòng)網(wǎng)關(guān)異味氣體數(shù)據(jù)采集與報(bào)警處理流程如圖3所示， 相關(guān)的Android程序如下所述。接收程序首先對接收的程序進(jìn)行解析處理，然后提取并保存保鮮箱的id以及發(fā)送時(shí)間，提取并保存數(shù)據(jù)中的NH3以及H2S的信息數(shù)據(jù)，判斷發(fā)送時(shí)間是否累計(jì)達(dá)到5min。

如果沒有達(dá)到5min便繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的提取和保存;若達(dá)到5min便將這一段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷NH3或H2S兩項(xiàng)氣體數(shù)據(jù)超過閾值的次數(shù)。若其中一項(xiàng)超過次數(shù)達(dá)到20次便進(jìn)行中級報(bào)警;若兩項(xiàng)都超過20便開始高級報(bào)警;若都沒超過閾值或超過的次數(shù)沒達(dá)到20次便不報(bào)警，再開始新的一輪接收數(shù)據(jù)。最后對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合形成可視化的趨勢曲線以直觀展示運(yùn)輸中微環(huán)境異味氣體的濃度變化。

String[] s2 = message.split（"#"）; //解析接受的數(shù)據(jù)幀

myMessage my = new myMessage（）;//接受消息

my.temp = s2[0];

my.humidity = s2[1];

my.NH3= s2[2];

my.H2S = s2[3];

//接受溫濕度、硫化氫以及氨氣數(shù)據(jù)

if （current_select.equals（"溫度"）） {

dates_temp.add（Float.valueOf（s2[0]））; }

else if （current_select.equals（"濕度"）） {

dates_temp.add（Float.valueOf（s2[1]））;? }

else if （current_select.equals（"NH3"）） {

dates_temp.add（Float.valueOf（s2[2]））; }

else if （current_select.equals（"H2S"）） {

dates_temp.add（Float.valueOf（s2[3]））;? }

該研究選用模糊聚類算法對氣體濃度的預(yù)警閾值設(shè)置不同異味氣體濃度指標(biāo)的預(yù)警閾值。依據(jù)實(shí)驗(yàn)對象表面的微生物數(shù)量，分為正常與異常兩個(gè)等級。通過實(shí)驗(yàn)得到的聚類結(jié)果分別對應(yīng)兩個(gè)異味氣體濃度的劃分，選取聚類的中心值作為異味氣體濃度的預(yù)警閾值以劃分預(yù)警等級。

3 實(shí)驗(yàn)與討論

試驗(yàn)對象（牡蠣） 采購自本地水產(chǎn)市場，重量范圍95～142g，長度9.5～12.3cm。通過三個(gè)對照組進(jìn)行試驗(yàn)，每個(gè)對照組10只。牡蠣開口朝上擺放以方便判斷其存活狀態(tài)，其與?；钊萜黧w積比為1：3，試驗(yàn)存儲(chǔ)微環(huán)境容器為恒溫保鮮箱，其溫控范圍為5～20℃;試驗(yàn)對象放置于32cm×32cm×20cm的泡沫塑料保鮮盒內(nèi)。?；罾滏溸\(yùn)輸試驗(yàn)溫度為10℃、14℃以及18℃條件;同時(shí)，采用集成的多元傳感器（溫度、濕度、氨氣、硫化氫） 進(jìn)行90h內(nèi)的牡蠣異味氣體濃度監(jiān)測實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中按照實(shí)驗(yàn)對象內(nèi)微生物數(shù)量，設(shè)定氨氣與硫化氫報(bào)警的閾值分別為15.5ppm和0.43ppm。圖4和圖5分別是氨氣以及硫化氫在運(yùn)輸過程中濃度累積的監(jiān)測與預(yù)警示意圖。

通過不同運(yùn)輸溫度的監(jiān)測與預(yù)警實(shí)驗(yàn)，借助查準(zhǔn)率（Precision）和查全率（Recall）來衡量監(jiān)測與預(yù)警效果，詳見表3。在10℃、14℃以及18℃?；钸\(yùn)輸實(shí)驗(yàn)過程中，對異味氣體濃度數(shù)據(jù)的監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行了有效的報(bào)警提示。此外，不同運(yùn)輸溫度條件下，氨氣的查準(zhǔn)率和查全率平均為92.9%和92.2%;硫化氫的濃度監(jiān)測與預(yù)警的查準(zhǔn)率和查全率平均為92.1%和91.5%。

通過監(jiān)測報(bào)警實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，在10℃和14℃溫度條件下的監(jiān)測與預(yù)警處理較為精準(zhǔn)。而相對于10℃和14℃，18℃溫控條件下易導(dǎo)致微生物繁殖較快，進(jìn)而造成異味氣體產(chǎn)生累積快，帶來了監(jiān)測結(jié)果的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致監(jiān)測與預(yù)警處理質(zhì)量下降。70小時(shí)后，氨氣和硫化氫氣體濃度累積同時(shí)加劇。在14℃和18℃條件下，對照組內(nèi)實(shí)驗(yàn)對象的死亡率約為8～15%，而10℃的對照組未出現(xiàn)死亡現(xiàn)象。下一步研究工作要設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)更為精準(zhǔn)的異味氣體濃度監(jiān)測與預(yù)警處理系統(tǒng)，建立牡蠣死亡趨勢與其異味氣體濃度累積關(guān)聯(lián)的耦合模型，用以對其生存環(huán)境的異味氣體濃度進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)測與控制，以提高牡蠣的保活運(yùn)輸質(zhì)量，保證鮮食牡蠣的品質(zhì)安全。

4 總結(jié)

基于多元感知技術(shù)，構(gòu)建牡蠣無水?；钸\(yùn)輸條件下的異味氣體監(jiān)測系統(tǒng)可以精準(zhǔn)地實(shí)施其保活監(jiān)測任務(wù)。該系統(tǒng)具有低功耗、易部署的特點(diǎn)，其能精準(zhǔn)監(jiān)測運(yùn)輸保鮮箱內(nèi)的微環(huán)境狀態(tài)，實(shí)時(shí)掌握氨氣、硫化氫及溫濕度變化的趨勢，并通過監(jiān)控氣體濃度的變化來達(dá)到精準(zhǔn)報(bào)警提醒的效果，從而一定程度上延長了海產(chǎn)品的貨架期時(shí)間，保證了消費(fèi)者的食用安全。最后，在鮮活海產(chǎn)品的無水運(yùn)輸監(jiān)測及預(yù)警研究上，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)、構(gòu)建與實(shí)現(xiàn)具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

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【通聯(lián)編輯：梁書】