基于Arduino的發酵尾氣檢測系統設計

肖乾坤+劉澤蒙+曹遜+張瑞+李暉+陳可泉

摘要： 通過對微生物發酵過程尾氣的在線監測與分析，可以得到重要微生物的代謝參數。為了獲取這些參數，準確掌握和控制發酵過程、直觀地了解細胞代謝情況，設計了1個基于Arduino的生物發酵尾氣數據采集系統。該系統以Arduino開發平臺為基礎，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，采用射頻收發器件nRF24L01為數據的無線傳輸模塊，實現了數據采集與在線顯示，適合應用于發酵現場；同時，將系統制成樣機進行試驗，對采集系統的準確性、穩定性進行分析驗證。結果表明，該系統在尾氣檢測中具有良好的準確性，在應用試驗中數據傳輸穩定、可靠；該系統具有方便易用、可移植性強、節能環保等特點，可在生產上推廣應用。

關鍵詞： 微生物發酵；發酵尾氣；在線監測；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品的總稱，因其使用簡單、成本低、尺寸小等優點而被用于許多控制系統中，開發者可在任何時間對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的軟件集成開發環境（integratrd development environment，IDE），程序開發者可通過該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，在Arduino的編程過程中，程序開發者只需要考慮設計程序的邏輯結構，而不必了解底層庫函數的具體設計內容，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數據線，就可以很方便地將編寫好的程序下載（燒寫）至Arduino開發板中；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，開發者可根據提示進行程序的修改。

生物發酵是極其復雜的生化反應過程，同時也是生物工程領域一項最基礎的工程。發酵尾氣中的氧氣、二氧化碳作為重要的發酵工藝參數越來越受到發酵工業的重視，通過對發酵尾氣中氧氣、二氧化碳含量的在線檢測分析，可以獲得發酵過程中的微生物生理代謝參數，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]。這些參數能夠反映微生物發酵過程的代謝狀況，含有優化發酵控制、指導生產、預測發酵趨勢和輔助建模的重要信息[5]。

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

1 系統工作原理與設計

1.1 系統總體結構

本系統采用開源硬件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，穩壓模塊為筆者所在實驗室自制；氣體濃度數據通過nRF24L01進行無線收發，實時傳輸給計算機，從而實現對整個發酵過程的在線監測（圖1）。

1.2 硬件組成及設計原理

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平臺，Arduino Mega2560[6]具有54路數字輸入/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，同時還有外接設備端口：USB口、SPI端口和ICSP header。

系統采用了C/C+ +語言進行底層硬件驅動的編寫，它將AVR單片機相關的寄存器參數設置打包成函數庫，在其自帶的Arduino IDE中采用類C+ +語言調用函數庫即可實現單片機系統的全部功能。

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境范圍而無需額外的補償系統，無需額外的信號調節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、性能優異，能較好用于便攜儀器和暖通空調等領域[8]。

1.2.3 無線通信模塊 無線通訊模塊由nRF24L01[9]芯片及射頻收發外圍電路構成（含天線）。nRF24L01工作于2.4～2.5 GHz ISM 頻段，融合了增強型ShockBurst 技術，無線數據傳輸抗干擾能力強。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點對多點的數據無線傳輸；同時，nRF24L01功耗低，具有多種低功率工作模式。nRF24L01模塊采用SPI通信協議，可以方便地與Arduino系統進行通信。如有需要，可以擴展為多點無線傳輸數據。Arduino系統對nRF24L01初始化后，氧氣、二氧化碳傳感器數據經Arduino控制板處理后，上傳入nRF24L01模塊。當系統處于發送狀態時，接收端的nRF24L01 模塊自動接收數據，同時上傳至上位機。

1.3 系統程序設計

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

下位機的氣體數據采集、處理，發送以及傳感器校正程序由Arduino 編程軟件完成。首先，Arduino系統復位后，程序對各功能模塊進行初始化，主要是氧氣傳感器、二氧化碳傳感器、nRF24L01模塊和EEPROM模塊。系統將傳感器采集到的數據代入EEPROM中的標準曲線計算出氣體濃度，所得結果代入式（1）中進行呼吸商的計算，同時通過無線傳輸到PC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為發酵罐尾氣排出口CO2濃度，%；O2，out為發酵罐尾氣排出口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，系統將把EEPROM中的參數刷新，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。整個數據采集程序通過Arduino 集成開發環境完成調試和下載，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；

}

上位機數據采集軟件采用PLX-DAQ軟件[11]，該軟件采用ActiveX技術，基于VBA語言的Excel調用PC系統資源，實現數據的實時顯示及存儲（圖3）。

2 結果與分析

本系統設計的目的是連續監測生物發酵尾氣中氧氣、二氧化碳的濃度，通過公式計算得出發酵過程的呼吸代謝參數RQ，并將參數實時顯示在計算機上。為驗證本系統數據測量的準確性及穩定性，現選用electrolab公司生產的Fermac368尾氣分析儀[12]與本系統進行比較試驗，得出對比結果。

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

將本系統應用于連續發酵過程的尾氣測量中，實時監測生物發酵過程中的尾氣數據。在谷胱甘肽發酵過程尾氣的監測中，采用釀酒酵母進行分批發酵（30 h），5 L發酵罐裝液體積2 L，整個發酵過程尾氣含量用數據采集系統采集，結果見圖4。由表1、圖4可見，本系統具有良好的準確度和穩定性，能實時監測尾氣含量，適合用于發酵監控領域。

3 結論

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

本系統可以進行額外的擴展進而拓展系統的適用范圍，如通過改變傳感器使系統具備檢測其他種類氣體的功能，使用WiFi擴展版實現數據的互聯網推送。

參考文獻：

[1]Arduino Manual. Arduino microcontroller arduinowebsite[EB/OL]. [2014-12-12]. www.arduino.cc.

[2]楊繼志，郭 敬. Arduino的互動產品平臺創新設計[J]. 單片機與嵌入式系統應用，2012（4）：39-41.

[3]紀欣然. 基于Arduino開發環境的智能尋光小車設計[J]. 現代電子技術，2012（15）：161-163.

[4]劉仲匯，史建國，朱思榮，等. 尾氣在線檢測分析在發酵中的應用[J]. 發酵科技通訊，2012（4）：32-35.

[5]姜長洪，鐘權龍，侯 莉，等. 溶解氧和尾氣CO2在發酵控制中的作用[J]. 沈陽化工學院學報，2000，14（1）：41-44.

[6]Mega2560. Compare board specs. arduinowebsite[EB/OL]. [2014-12-12]. http：//arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardMega2560.

[7]楊建華，侯 宏，王 磊. 光學氧傳感器氧敏感膜的光降解[J]. 傳感器與微系統，2001（12）：5-7.

[8]陳 放，吳麗萍. 二氧化碳傳感器節點的設計[J]. 杭州電子科技大學學報，2011，31（2）：50-53.

[9]王 玲，王中訓，王 恒. 基于MSP430單片機的多路無線溫度檢測系統[J]. 現代電子技術，2011，34（1）：125-127.

[10]Gea T，Barrena R，Artola A，et al. Monitoring the biological activity of the composting process：oxygen uptake rate （OUR），respirometric index （RI），and respiratory quotient （RQ）[J]. Biotechnology and Bioengineering，2004，88（4）：520-527.

[11]韋青燕，徐愛民. 基于Labview和myDAQ的自動控制原理實驗軟件平臺開發[J]. 實驗室研究與探索，2014（11）：132-135.

[12]董克武，黎 路. 尾氣分析在發酵食品行業中的應用[J]. 食品與機械，2015（1）：235-237.