基于Arduino的发酵尾气检测系统设计

肖乾坤+刘泽蒙+曹逊+张瑞+李晖+陈可泉

摘要： 通过对微生物发酵过程尾气的在线监测与分析，可以得到重要微生物的代谢参数。为了获取这些参数，准确掌握和控制发酵过程、直观地了解细胞代谢情况，设计了1个基于Arduino的生物发酵尾气数据采集系统。该系统以Arduino开发平台为基础，选用高精度、低功耗光学传感器对尾气中氧气、二氧化碳的含量进行精确测量，采用射频收发器件nRF24L01为数据的无线传输模块，实现了数据采集与在线显示，适合应用于发酵现场；同时，将系统制成样机进行试验，对采集系统的准确性、稳定性进行分析验证。结果表明，该系统在尾气检测中具有良好的准确性，在应用试验中数据传输稳定、可靠；该系统具有方便易用、可移植性强、节能环保等特点，可在生产上推广应用。

关键词： 微生物发酵；发酵尾气；在线监测；呼吸商；Arduino

中图分类号： TP274 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2016）03-0452-03

Arduino是一系列基于Atmel公司AVR单片机的人机交互产品的总称，因其使用简单、成本低、尺寸小等优点而被用于许多控制系统中，开发者可在任何时间对Arduino进行编程操作，这使得其运用变得更为灵活[1]。Arduino具有简单易用、高度模块化的特点，被称为“电子积木”[2]。Arduino拥有1个专属的基于Eclipse的软件集成开发环境（integratrd development environment，IDE），程序开发者可通过该IDE编写适合自己所需功能的Arduino程序。由于Arduino的语言是1种类似C+ +、JAVA的编程语言，且Arduino将复杂的、带有特定功能的C程序封装成库函数，在Arduino的编程过程中，程序开发者只需要考虑设计程序的逻辑结构，而不必了解底层库函数的具体设计内容，这显著降低了程序编写的复杂程度[3]。在Arduino IDE中，只需要使用1根USB数据线，就可以很方便地将编写好的程序下载（烧写）至Arduino开发板中；如果编写的程序有问题，编译将不会通过，IDE会提示程序某个地方有错误，开发者可根据提示进行程序的修改。

生物发酵是极其复杂的生化反应过程，同时也是生物工程领域一项最基础的工程。发酵尾气中的氧气、二氧化碳作为重要的发酵工艺参数越来越受到发酵工业的重视，通过对发酵尾气中氧气、二氧化碳含量的在线检测分析，可以获得发酵过程中的微生物生理代谢参数，如二氧化碳释放速率（carbon-dioxide evolution rate，CER）、摄氧率（oxygen uptake rate，OUR）、呼吸商（respiratory quotient，RQ）等[4]。这些参数能够反映微生物发酵过程的代谢状况，含有优化发酵控制、指导生产、预测发酵趋势和辅助建模的重要信息[5]。

Arduino在国内的应用已经受到越来越多的重视，但是在生物发酵方面的应用几乎未见报道。本研究以生物发酵过程尾气测量为例，展现开源硬件平台在生物发酵中的应用前景。

1 系统工作原理与设计

1.1 系统总体结构

本系统采用开源硬件Arduino MEGA2560作为主控制板、Arduino UNO作为从控板；氧气传感器选用Lumin0x荧光氧光学传感器，二氧化碳传感器选用COZIR widerange非色散红外二氧化碳传感器，稳压模块为笔者所在实验室自制；气体浓度数据通过nRF24L01进行无线收发，实时传输给计算机，从而实现对整个发酵过程的在线监测（图1）。

1.2 硬件组成及设计原理

1.2.1 Arduino控制板 Arduino系列采用Atmel公司的AVR微处理器的开源软硬件开发平台，Arduino Mega2560[6]具有54路数字输入/输出口（其中16路可作为PWM输出），16路模拟输入，4路UART接口，1个2 kb存储空间的EEPROM，同时还有外接设备端口：USB口、SPI端口和ICSP header。

系统采用了C/C+ +语言进行底层硬件驱动的编写，它将AVR单片机相关的寄存器参数设置打包成函数库，在其自带的Arduino IDE中采用类C+ +语言调用函数库即可实现单片机系统的全部功能。

1.2.2 O2传感器与CO2传感器 氧气的测量采用LuminOx荧光氧光学传感器[7]，该传感器具有功耗低、寿命长、精度高等优点。LuminOx传感器可同时测量氧分压、温度、大气压力、氧气浓度，同时还带有氧压和温度补偿，使其可以精确工作于宽环境范围而无需额外的补偿系统，无需额外的信号调节电路即可与微控制器连接。二氧化碳的测量采用COZIR传感器系列的Wide Range，该传感器功耗低、寿命长、性能优异，能较好用于便携仪器和暖通空调等领域[8]。

1.2.3 无线通信模块 无线通讯模块由nRF24L01[9]芯片及射频收发外围电路构成（含天线）。nRF24L01工作于2.4～2.5 GHz ISM 频段，融合了增强型ShockBurst 技术，无线数据传输抗干扰能力强。增加天线后，传输距离可提高到 1 km。

其通信频道和输出功率可通过软件进行初始化，即可进行1点对多点的数据无线传输；同时，nRF24L01功耗低，具有多种低功率工作模式。nRF24L01模块采用SPI通信协议，可以方便地与Arduino系统进行通信。如有需要，可以扩展为多点无线传输数据。Arduino系统对nRF24L01初始化后，氧气、二氧化碳传感器数据经Arduino控制板处理后，上传入nRF24L01模块。当系统处于发送状态时，接收端的nRF24L01 模块自动接收数据，同时上传至上位机。

1.3 系统程序设计

系统程序设计主要包括主程序、外部中断子程序和校正子程序等，软件流程如图2所示。

下位机的气体数据采集、处理，发送以及传感器校正程序由Arduino 编程软件完成。首先，Arduino系统复位后，程序对各功能模块进行初始化，主要是氧气传感器、二氧化碳传感器、nRF24L01模块和EEPROM模块。系统将传感器采集到的数据代入EEPROM中的标准曲线计算出气体浓度，所得结果代入式（1）中进行呼吸商的计算，同时通过无线传输到PC终端，呼吸商（RQ）[10]的计算公式如下：

RQ=CO2，out 20.9-O2，out。

（1）

式中：CO2，out为发酵罐尾气排出口CO2浓度，%；O2，out为发酵罐尾气排出口O2浓度，%。进气口空气中的CO2含量忽略不计。

当按下按键进入校准程序时，系统将把EEPROM中的参数刷新，存入校准之后的标准曲线，校准程序完成后，自动跳出，进入正常采集程序。整个数据采集程序通过Arduino 集成开发环境完成调试和下载，以下给出程序的部分代码：

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；

}

上位机数据采集软件采用PLX-DAQ软件[11]，该软件采用ActiveX技术，基于VBA语言的Excel调用PC系统资源，实现数据的实时显示及存储（图3）。

2 结果与分析

本系统设计的目的是连续监测生物发酵尾气中氧气、二氧化碳的浓度，通过公式计算得出发酵过程的呼吸代谢参数RQ，并将参数实时显示在计算机上。为验证本系统数据测量的准确性及稳定性，现选用electrolab公司生产的Fermac368尾气分析仪[12]与本系统进行比较试验，得出对比结果。

为了检验本系统实际测量的准确度，开机校准系统，用本系统及Fermac368尾气分析仪对3组标准混合气体进行测量，结果见表1。

将本系统应用于连续发酵过程的尾气测量中，实时监测生物发酵过程中的尾气数据。在谷胱甘肽发酵过程尾气的监测中，采用酿酒酵母进行分批发酵（30 h），5 L发酵罐装液体积2 L，整个发酵过程尾气含量用数据采集系统采集，结果见图4。由表1、图4可见，本系统具有良好的准确度和稳定性，能实时监测尾气含量，适合用于发酵监控领域。

3 结论

本研究设计的基于Arduino低成本发酵尾气的检测系统实现了校正、无线传输、在线显示、实时监控等功能。本系统以Arduino开源硬件平台为基础，选用高精度、低功耗、长寿命光学气体传感器，增强型nRF24L01模块负责数据无线传输，避免了发酵现场布线的麻烦，通过试验验证达到了预期的目的。本设计的鲜明特点是选用了灵活性高的开源硬件平台Arduino和实现了数据的无线传输；完成了系统硬件的结构设计和数据采集程序的编写，保证了系统的数据采集准确可靠，系统长时间运行稳定，能完成对整个发酵过程的在线检测和分析，为进一步实施发酵过程的在线控制提供了条件。

本系统可以进行额外的扩展进而拓展系统的适用范围，如通过改变传感器使系统具备检测其他种类气体的功能，使用WiFi扩展版实现数据的互联网推送。

参考文献：

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[4]刘仲汇，史建国，朱思荣，等. 尾气在线检测分析在发酵中的应用[J]. 发酵科技通讯，2012（4）：32-35.

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[9]王 玲，王中训，王 恒. 基于MSP430单片机的多路无线温度检测系统[J]. 现代电子技术，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]韦青燕，徐爱民. 基于Labview和myDAQ的自动控制原理实验软件平台开发[J]. 实验室研究与探索，2014（11）：132-135.

[12]董克武，黎 路. 尾气分析在发酵食品行业中的应用[J]. 食品与机械，2015（1）：235-237.