基于多元感知技術的微環境異味氣體監測系統

劉甜甜 張永軍

摘要：鮮活牡蠣在保活運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。通過多元異味氣體感知技術構建面向牡蠣無水保活運輸的異味氣體監測系統，可實現保鮮箱內溫濕度、氨氣以及硫化氫氣體濃度變化的監測與預警功能，以規范管理牡蠣鮮活貯運的全過程，保證鮮食牡蠣的品質安全。該系統部署簡單，可實時連續地實現對微環境實施監測任務，針對超出指標的異味氣體濃度能及時預警提示并采取應對控制措施。實驗結果表明，基于多元感知技術的異味氣體濃度監測系統應用為鮮活牡蠣無水保活運輸的異味氣體監測提供了有效的技術支持，提升了同類甲殼類海產品的長時間貯運控制的管理水平。

關鍵詞：多元感知技術;無水保活運輸;異味氣體監測;氣體濃度監測系統;無線數據采集

中圖分類號：TP315? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）22-0105-04

1 引言

牡蠣營養價值高，富含蛋白質、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。但在其保活貯運過程中，因溫度控制不佳造成微生物滋生，有害微生物交叉感染，牡蠣成活率和品質大幅下降，嚴重影響了消費者食用安全;同時，運輸中因微生物滋生造成異味氣體累積嚴重影響了其鮮食品質[1-3]。然而，隨著人民生活水平的提高，消費者對于鮮食海產品品質以及其食用安全的需求也在不斷升高。近年來，基于多元感知技術的實時監測系統應用于不同場景的監測與預測任務，取得了較好的效果。楊斷利等[4]研究了基于IPSO優化BP神經網絡的蛋雞舍有害氣體監測系統，將不同類型的氨氣傳感器監測精度提高了約20%，為雞蛋養殖過程中有害氣體的精確監測提供了新方法。付瑞玲等[5]對化工園區有害氣體濃度進行了監測系統設計，手機發送報警短信可有效地實時監測CO、SO2的濃度，減少了事故的發生。肖軍等[6]研發了基于NB-IoT和云平臺的瓦斯濃度監測與預警系統，經過模擬實驗和實測檢驗，驗證了所設計的系統靈敏度高、響應速度快，適用于惡劣工況下的氣體濃度監測任務。孫繼平等[7]研發了礦井火災監測與趨勢預測方法，在分析溫度監測法、氣體監測法、煙霧監測法、可見光圖像監測法等礦井火災監測方法原理和特點的基礎上，提出了基于多參數融合的礦井火災監測與趨勢預測方法。孫艷萍等[8]基于以往的硫化氫監測系統，設計了有線監測網絡和無線監測網絡結合的硫化氫監測系統。該系統通過現場設計完成對系統的測試表明，該系統能更加有效地對硫化氫氣體進行實時監測，起到了預警保障作用。尹元躍等[9]對多元氣體進行連續自動檢測，運用計算機進行多點遠程監測，設計與實現了基于改進433M無線通信技術的遠程氣體環境參數監測及凈化系統。綜上所述，利用多元氣體濃度的無線感知技術，設計與實現精準穩定的微環境監測系統可以有效監測鮮活牡蠣在無水運輸過程中異味氣體變化，并采取及時有效的應對措施，實現對異味氣體濃度累積的精準監測與預警處理，進而提高了鮮食海產品的品質安全。

2 系統設計與實現

本文設計與實現了一套微環境異味氣體濃度監測裝置及系統，該系統包括微環境監測模塊、移動控制網關（移動控制端） 以及無線通訊模塊。微環境監測模塊可實現對運輸空間內異味氣體濃度的實時采集并上傳。該監測系統的具體架構如圖1所示。為達到對運輸保鮮箱內異味氣體監測及預測的目的，在保鮮箱內安裝了MMD3005氣體傳感器模組以隨時讀取多元傳感器數據并將數據整合后打包發送。一方面，通過在Zigbee（cc2530） 進行異味氣體濃度等信息進行無線數據傳輸，另一端通過無線串口接收數據，在移動端控制網關實現對數據解析與處理，實現了保鮮箱內微環境異味氣體濃度的實時監測與動態預警功能;同時，通過ZigBee（cc2530） 進行無線數據傳輸，并在移動控制網關進行基本數據趨勢的可視化展示。

2.1 硬件電路設計

系統主要由微環境監測模塊和無線通信模塊組成。微環境檢測模塊內各芯片將采集到的箱內氨氣、硫化氫、溫度以及濕度數據通過ZigBee（cc2530） 模塊，無線通信傳送到移動控制網關進行基本數據處理與可視化管理。

2.1.1 微環境監測模塊

為實現對保鮮箱內氣體的監測，選用蘇州慧聞納米科技有限公司生產的MMD3005多元氣體傳感器模塊作為主要微環境感知元件。MMD3005系列模組可同時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，使用壽命長。同時，該模組還提供了UART、模擬電壓信號、PWM波形等多種輸出方式，有高穩定性、優秀的抗干擾能力、溫度補償、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，使用特定的調理電路和精確的算法將響應電導率變化轉化成為與之相對應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 異味氣體無線收發數據格式

（1） 無線發送的數據格式

在數據采集過程中，軟件分別對通道進行采樣，采用中值濾波技術消除異味氣體濃度值含有的噪聲，獲取數據被拆分成多個字節裝入數組中發給ZigBee模塊（cc2530芯片），并進行數據幀的封裝處理。本模塊共需要向上位機發送兩類氣體濃度的16進制數據，分別保存在6個字節中，需要在向ZigBee（cc2530） 芯片發送之前封裝成28字節的數據幀。其中，幀頭（0xAA）+地址（1字節） +溫度（4字節） +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） +氣體類型1（2字節） +氣體類型1濃度（4字節） +氣體類型2（2字節） +氣體類型2濃度（4字節） +報警/等級（1字節） +第28字節固定為累加校驗碼。MMD3005傳感器十進制的輸出格式如表2所示。

（2） 無線接收處理

移動網關中數據獲取數據幀格式被轉化為十進制方式為：溫度（℃） +相對濕度（%） +硫化氫（ppm） +氨氣濃度（ppm） +報警/等級。通過無線串口接收指令數據，移動網關程序通過判斷起始幀標識0xAA來確定起始數據，并在處理程序中進行相關數據解析與處理。

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設計及IEE802.15.4（2.4GHz） 協議;該模塊為PCB板載天線，發射功率500mW，引腳間距1.27mm，采用cc2530射頻芯片，芯片內部集成了8051單片機及無線收發器，并內置PA+LNA模塊，極大地擴展通信距離、提升通信穩定性。

2.2 系統實現

2.2.1 微環境監測裝置與實現

微環境監測模塊實現與程序實現流程如圖2所示。系統初始化設定采樣時間間隔為10秒。首先模塊進行初始化，并進行讀取保鮮箱的id編號，記錄當前時間;若時間間隔為10秒時，讀取微環境多元傳感器數據并上傳移動終端暫存與處理。異味監測系統分別讀取NH3、H2S以及溫濕度的濃度數據信息，然后將讀取到的信息進行整合至數據幀結構內打包后上傳。隨后，實時發送至移動控制網關進行接收、分析與處理，完成異味氣體的預警管理功能。主控芯片通過cc2530模塊傳送數據到車載移動端的cc2530協調器進行數據采集，并由移動端口進行獲取與解析;被解析的數據，按照其發展趨勢進行短期預測與預警處理。其異味氣體獲取的Arduino關鍵程序如下所示：

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組comdata上。

comdata += char（mySerial.read（））;

delay（2）; } //延時一會，讓串口緩存準備好讀下一條數據

delay（3000）;延時3秒

getAbornalGas（comdata）;//獲取異味氣體數據幀

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

//通過cc2530無線串口無線傳輸數據至Android移動控制端（移動網關）

2.2.2 移動控制網關實現

移動網關異味氣體數據采集與報警處理流程如圖3所示， 相關的Android程序如下所述。接收程序首先對接收的程序進行解析處理，然后提取并保存保鮮箱的id以及發送時間，提取并保存數據中的NH3以及H2S的信息數據，判斷發送時間是否累計達到5min。

如果沒有達到5min便繼續進行數據的提取和保存;若達到5min便將這一段時間內的數據進行分析，判斷NH3或H2S兩項氣體數據超過閾值的次數。若其中一項超過次數達到20次便進行中級報警;若兩項都超過20便開始高級報警;若都沒超過閾值或超過的次數沒達到20次便不報警，再開始新的一輪接收數據。最后對接收的數據進行整合形成可視化的趨勢曲線以直觀展示運輸中微環境異味氣體的濃度變化。

String[] s2 = message.split（"#"）; //解析接受的數據幀

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、硫化氫以及氨氣數據

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警閾值設置不同異味氣體濃度指標的預警閾值。依據實驗對象表面的微生物數量，分為正常與異常兩個等級。通過實驗得到的聚類結果分別對應兩個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警閾值以劃分預警等級。

3 實驗與討論

試驗對象（牡蠣） 采購自本地水產市場，重量范圍95～142g，長度9.5～12.3cm。通過三個對照組進行試驗，每個對照組10只。牡蠣開口朝上擺放以方便判斷其存活狀態，其與保活容器體積比為1：3，試驗存儲微環境容器為恒溫保鮮箱，其溫控范圍為5～20℃;試驗對象放置于32cm×32cm×20cm的泡沫塑料保鮮盒內。保活冷鏈運輸試驗溫度為10℃、14℃以及18℃條件;同時，采用集成的多元傳感器（溫度、濕度、氨氣、硫化氫） 進行90h內的牡蠣異味氣體濃度監測實驗。實驗中按照實驗對象內微生物數量，設定氨氣與硫化氫報警的閾值分別為15.5ppm和0.43ppm。圖4和圖5分別是氨氣以及硫化氫在運輸過程中濃度累積的監測與預警示意圖。

通過不同運輸溫度的監測與預警實驗，借助查準率（Precision）和查全率（Recall）來衡量監測與預警效果，詳見表3。在10℃、14℃以及18℃保活運輸實驗過程中，對異味氣體濃度數據的監測結果進行了有效的報警提示。此外，不同運輸溫度條件下，氨氣的查準率和查全率平均為92.9%和92.2%;硫化氫的濃度監測與預警的查準率和查全率平均為92.1%和91.5%。

通過監測報警實驗結果分析發現，在10℃和14℃溫度條件下的監測與預警處理較為精準。而相對于10℃和14℃，18℃溫控條件下易導致微生物繁殖較快，進而造成異味氣體產生累積快，帶來了監測結果的不穩定性，導致監測與預警處理質量下降。70小時后，氨氣和硫化氫氣體濃度累積同時加劇。在14℃和18℃條件下，對照組內實驗對象的死亡率約為8～15%，而10℃的對照組未出現死亡現象。下一步研究工作要設計與實現更為精準的異味氣體濃度監測與預警處理系統，建立牡蠣死亡趨勢與其異味氣體濃度累積關聯的耦合模型，用以對其生存環境的異味氣體濃度進行精準監測與控制，以提高牡蠣的保活運輸質量，保證鮮食牡蠣的品質安全。

4 總結

基于多元感知技術，構建牡蠣無水保活運輸條件下的異味氣體監測系統可以精準地實施其保活監測任務。該系統具有低功耗、易部署的特點，其能精準監測運輸保鮮箱內的微環境狀態，實時掌握氨氣、硫化氫及溫濕度變化的趨勢，并通過監控氣體濃度的變化來達到精準報警提醒的效果，從而一定程度上延長了海產品的貨架期時間，保證了消費者的食用安全。最后，在鮮活海產品的無水運輸監測及預警研究上，該系統設計、構建與實現具有較高的應用價值。

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【通聯編輯：梁書】