独立通风笼具环境指标监测系统关键技术与产品研制*

中国农业科学院哈尔滨兽医研究所 中国电子科技集团公司 张 宁

中国农业科学院哈尔滨兽医研究所 王 伟

中国电子科技集团公司 乔 路

中国农业科学院哈尔滨兽医研究所 李昌文 刘怀然

中国电子科技集团公司 唐胜武

中国农业科学院哈尔滨兽医研究所 王 梓 司昌德 陈洪岩△

0 引言

在20世纪50年代末期，病毒学家Lisbeth Kraft进行轮状病毒研究时，为防止病毒扩散及污染环境，应用玻璃纤维包裹带网孔的金属圆筒，形成一个隔离的小鼠饲养笼，是独立通风笼具(individually ventilated cage， IVC)的雏形[1]。70年代，意大利某公司根据微生物实验的原理和类似隔离器的方式研制出独立通风笼具。IVC是由笼盒、通风净化系统(送/排风机、空气过滤器、静压箱、密闭通道、笼架)和各种控制电器组成的小型啮齿类实验动物饲育设备。随着材料学、微电子技术等综合学科的不断发展，IVC等整体性能日臻完善，目前已广泛用于啮齿类实验动物的生产和实验，负压IVC是实验室生物安全的重要装备之一。

对于IVC，通常的环境监测及检测指标包括：温度、相对湿度、微压差、气流速度、换气次数、尘埃粒子浓度、噪声、照度、NH3(或CO2)浓度、气密性等。在环境指标在线监测方面，有的设备通过设置监测笼盒进行压差、换气次数等单一指标的监测，尚未见综合环境指标监测系统服务于IVC。在设备的检测评价方面，均是采用GB 14925—2010《实验动物 环境及设施》[2]、CNAS-CL05-A002—2018《实验室生物安全认可准则对关键防护设备评价的应用说明》[3]、DB32/T 972—2006《实验动物笼器具 独立通气笼盒(IVC)系统》[4]、DB23/T 2057.1—2017《实验动物 生物安全型小鼠、大鼠独立通风笼具通用技术要求》[5]、RB/T 199—2015《实验室设备生物安全性能评价技术规范》[6]、RB/T 010—2019《实验动物屏障和隔离装置评价通用要求》[7]规定的检测评价方法，对于小鼠IVC，因笼盒空间较小，检测难度较大。

因此，开发能够集成并整合温度、相对湿度、微压差、气流、换气次数、尘埃粒子浓度、NH3(或CO2)浓度等参数的IVC环境指标监测系统，通过设置监测笼盒实现综合指标的在线监测，进一步通过对监测笼盒的优化实现环境指标检测的便捷化，具有重要意义。本文提到的IVC环境指标监测系统的开发旨在实现笼盒环境指标多参数远程监测。

1 系统整体功能设计

IVC环境指标监测系统是满足IVC使用、监测的必要条件之一，主要监测的参数包括温度、相对湿度、微压差、气流、换气次数、尘埃粒子浓度、CO2浓度等参数。基于对以上IVC环境指标监测需求，IVC环境指标监测系统由传感探头模块、信号采集与处理模块、电源管理模块及无线通信模块等几部分组成。其中传感探头模块包括温湿度探头、微压差探头、气体流速探头、尘埃粒子浓度探头和CO2浓度探头，负责检测笼盒中的各环境参数；信号采集与处理模块对传感探头的输出信号进行采集与数字信号处理；电源管理模块负责给各传感器探头提供激励电源；无线通信模块将处理后的信号统一通过无线传输的方式发送给终端系统；终端系统将各环境参数进行归类处理与分析并显示。系统整体外形图、设计框图见图1、2。

图1 系统整体外形图

图2 系统整体设计框图

2 系统总体构成及各部分功能模块原理指标说明

IVC环境参数感知单元采用模块化组件形式设计，各参数监测模块各自独立工作互不干扰，可实现功能灵活配置，便于安装、维修、升级。系统实物照片及内部结构图见图3、4。

图3 系统实物图

图4 参数采集模块内部结构图

2.1 温度、相对湿度监测技术

小鼠的环境温度临界值为低温10 ℃、高温37 ℃，适宜温度范围为20～27 ℃。饲养环境温度应控制在18～29 ℃，相对湿度40%～70%(最好控制在50%～60%)。一般小鼠饲养笼盒内温度比环境温度高1～2 ℃，相对湿度比环境相对湿度高5%～10%。本IVC环境指标监测系统的温度、相对湿度检测采用小型集成化温度、相对湿度SHT35型传感芯片，其建立在全新优化的CMOS芯片之上，以提高产品可靠性和精度。在10～60 ℃区间内，温度检测精度高达0.1 ℃，相对湿度检测精度可达±1.5%，符合GB 14925、RB/T 199、RB/T 010、CNAS-CL05-A002的规定。

2.2 微压差监测技术

根据GB 14925、RB/T 199、RB/T 010、CNAS-CL05-A002规定，IVC笼盒的气密性测试至少需要达到-100 Pa，因此压差设定应≥100 Pa，该IVC环境指标监测系统选用微压差探头，其量程范围为-125～125 Pa，压差测量精度≤1 Pa，符合标准规定。该探头采用流通原理的热式传感器元件来测量压差，其具有2只标准级的热敏电阻，一只用来作热源，一只用来测量流体温度，当流体流过时，两者之间的温差与压力的大小呈非线性关系，且由于其测量的是温度差，因此外界环境温度变化不会对传感器的监测精度产生影响，通过信号处理电路就可以把这种关系转换为压差信号输出。得益于此，在低压差灵敏度、零点漂移和滞后、位置敏感、抗冲击和温度变化等方面，优于传统压阻式压力传感器。而且其在较宽的动态测量范围提供线性输出，具有更快速的响应时间，因此微压差传感器经常被应用在呼吸设备和时序要求严格的自动化应用领域。其主要技术指标包括：压差测量范围±125 Pa；压差测量精度≤1 Pa；工作温度范围-40～85 ℃；零点年漂移量≤0.01 Pa/a。

2.3 气体流速监测技术

根据GB 14925、RB/T 199、RB/T 010、CNAS-CL05-A002规定，实验动物生活空间气流速度应不大于0.2 m/s，因此气体流速探头采用MEMS热式质量流量传感器(CAFS4000系列产品)，其流速测量范围0～0.4 m/s，流速精度≤0.02 m/s，符合标准规定。该系列产品适用于各种用途的清洁、相对干燥性气体的测量，具有高灵敏度、高可靠性、高稳定性和低成本的性能特点。其原理是利用流动气体传热传质的依存关系，在其上、下游产生温度变化而得到气体的质量流量。当芯片处于工作状态时，在传感器的周边形成稳定的温度场分布。在使用时可将气体流速探头放置在笼盒进气孔或出气孔位置，一旦一定质量的气体流过传感器时，气体的流动将破坏该温度场的分布，形成特定的、取决于该气体的质量和速度的温度场分布，且由于该传感器内部是一个闭环的温度监测体系，故外界环境温度的变化不会对传感器的监测结果产生影响。流量计芯片上的传感器将测量这一变化并把这一变化转换为电信号，由一个专门的电路对此信号进行放大、调理并作线性化处理。其主要技术指标：流速测量范围0～0.4 m/s，流速测量精度≤0.02 m/s；工作温度范围-25～85 ℃；信号输出1～5 V；供电电源10V(DC)。

2.4 尘埃粒子监测技术

根据GB 14925、RB/T 199、RB/T 010、CNAS-CL05-A002规定，空气洁净度要求达到5级或7级，故本IVC环境指标监测系统选用SPS30型尘埃粒子传感器，采用激光散射原理主动采样检测技术，该技术的基本原理是光学传感器的探测激光经尘埃粒子散射后被光敏元件接收并产生脉冲信号，该脉冲信号被输出并放大，然后进行数字信号处理，通过与标准粒子信号进行比较，将对比结果用不同的参数表示出来。检测范围为：0.3～10 μm，其最小采样粒子尺寸可达0.3 μm，符合空气洁净度5级或7级(最小粒子尺寸0.5 μm)的规定。该传感器采用精确高分辨率的粒度分级，基于监测到的粒子成分组成，不仅可以监测尘埃粒子质量浓度，还可以监测不同粒径大小尘埃粒子，可以检测的尘埃粒子粒径挡位也较多。主要技术指标：尘埃粒子计数分辨率1个/cm3；质量浓度范围1～1 000 μg/m3；质量浓度分辨率1 μg/m3；尘埃粒子监测1.0、2.5、4.0、10.0 μm粒子质量浓度，0.5、1.0、2.5、4.0、10.0 μm粒子计数浓度；监测下限0.3 μm；计数范围0～3 000个/cm3(注：计数范围大小不影响系统监测下限)；尺寸40.6 mm×40.6 mm×12.2 mm(长×宽×高)。主要技术指标均符合标准规定。此外，SPS30型尘埃粒子传感器还具有自清洁功能，当其内部敏感元件性能下降时，可自动执行清洁操作或由人工指令进行清洁，从而保证了该系统的长期稳定性。

2.5 CO2浓度监测技术

CO2浓度监测传感器模块采用非分散红外(non-dispersive infrared，NDIR)传感器技术的SCD30模块，并配有集成式温度和相对湿度传感器，环境相对湿度和温度可通过监测和补偿外部热源来测量而无需额外的元件。目前，市售的CO2浓度监测传感器基本上使用单通道原理，相对而言SCD30模块设计采用了高稳定性的双通道监测，使其具有较高的精度，主要技术指标：外形尺寸35 mm×23 mm×7 mm(长×宽×高)；测量范围0～40 000×10-6；精度±(30×10-6)；电流消耗19 mA(每2 s测量1次)；数字接口UART或I2C。

2.6 信号采集与处理技术

采用传感模块与信号处理电路一体式设计，处理电路选用ARM系列高性能32位微处理器，支持多个I/O口并行传输数据，可同时采集温度、相对湿度、微压差、气体流速、尘埃粒子浓度及CO2浓度等多个传感模块所上传的数据，具有高速传输、低延时及低功耗等优点，其具有统一和固定长度的指令域，使指令集和指令译码都大大简化，同时具有一个大而统一的寄存器文件，大多数数据操作都在寄存器中完成，使指令执行速度更快，采用加载/存储结构，使数据处理时只对寄存器操作，而不直接对存储器操作，以最大限度提高算术逻辑单元和移存器的利用率，引入多寄存器加载/存储指令，有利于实现数据吞吐量的最大化。

传感器指标对比见表1。

表1 IVC环境指标监测系统传感器各项指标对比

3 软件

3.1 系统软件平台

系统软件采用LabVIEW图形化开发环境，它内置信号采集、测量分析与数据显示功能，采用可视化的图形编程语言平台，以在计算机屏幕上建立图形化的虚拟面板来替代常规的传统仪器面板。在虚拟仪器界面可集中实时显示箱内各环境监测参数的变化，同时通过嵌入式分析软件包，可根据需要实时、直接地对测试数据进行各种分析、处理及存储。

3.2 软件功能

系统软件主要实现信息通信、数据采集、实时显示、生成报表、数据存储等功能，具体功能框图见图5。系统终端的核心部分是管理层，管理层分为资源管理和实时操作2个主要模块。其中资源管理是试验运行的必要条件。在项目配置管理模块中可以对系统进行配置，主要包括通道标定和通道配置。只有这些信息完备后系统方可运行。运行过程中的实时操作包含2个重要模块：数据处理和数据保存。数据处理模块按照用户需求进行数据处理。数据保存模块负责将处理后的数据进行保存以便今后查询。通信层提供系统终端和实时采集系统之间的数据通信接口，包含通信数据引擎和串口通信模块。驱动层包括数据采集、数据处理2个基本模块。

图5 软件功能框图

4 实测数据

系统研制过程中编制了相应的产品监测详细规范，对各功能模块的监测方法及合格判据进行了严格规定，选取同一批次的3只产品进行了各项性能指标的监测，监测场景为人工模拟的上下限值条件，比对监测仪器采用农业农村部实验动物质量监督检验测试中心(哈尔滨)的检测仪器(邀请共同监测)。

比对监测仪器：风速仪，量程0.15～30 m/s，精度0.01 m/s；微压差手持计，量程0.249～1 034 kPa，精度1 Pa；温湿度检测仪，量程-20～80 ℃、0～100%，精度0.1 ℃、0.10%；粒子计数器，流量100 L/min，流量误差<5%，最小通道0.5 μm，示值误差≤30%。均经过计量校准，在有效期内。

实测数据见表2、3。监测结果表明，温度、相对湿度、气流速度、微压差、尘埃粒子、CO2浓度等指标的最小、最大测量值和测量精度均达到了设计要求，整机使用性能稳定，系统各传感器间信号干扰小。表明该系统功能基本达到了设计初衷，各功能模块工作基本正常，能够满足设计指标要求。

表2 IVC环境指标监测系统各项指标额定输出实测数据

表3 IVC环境指标监测系统各项指标精度实测数据

5 讨论

IVC笼盒是实验动物生活的小环境，是实现IVC功能的重要载体，其性能的优劣对动物实验的安全和实验结果的准确性、可靠性起着决定性的作用。而笼盒密封性能是其实现防护性能的重要保障，曹冠朋等人对国内使用的IVC笼盒进行了密封性测试，结果显示，从笼架取下笼盒5 min后压差从-55～-40 Pa回归0 Pa的占4%，表明IVC笼盒的密闭性存在生物安全隐患[8]。闵凡贵等人对20台正压IVC进行测试，分别使用风速仪法和流量计法对IVC笼盒内的换气次数进行测定，结果差异巨大，这给科学的判定带来了困扰[9]。不同位置的IVC笼盒，个别参数相差显著，IVC笼盒内小环境的均一性也有待提高。目前国内有关IVC笼盒检测的标准，包括：GB 14925、GB 50447、GB 19489、RB/T 199、RB/T 010、DB32/T 972、DB23/T 2057.1等，均是使用单一设备、对单一指标进行检测。SARS疫情后，生物安全型小鼠IVC(负压小鼠IVC)在高级别动物生物安全实验室得到了应用。然而，对于笼盒环境指标的检测、监测一直是没有很好地解决的技术难题。目前，对于小鼠IVC笼盒的检测，国内外均采用单台检测仪器检测单一指标，烦琐、检测结果波动大，对于气流速度、微压差、洁净度、温度、相对湿度等指标的检测受仪器或传感器本身影响致使检测难度大。

针对上述问题，笔者开展了IVC环境指标监测系统关键技术与产品研究，开发出能够监测小鼠IVC笼盒多项环境指标的小鼠IVC环境指标监测系统。

在饲养动物过程中，IVC笼盒内有动物活动，笼盒内的尘埃粒子浓度会比较高，一般不对尘埃粒子浓度进行实时监测，而只在监测笼盒内对尘埃粒子浓度进行静态监测。CO2和NH3浓度的监测也是一样的。

IVC笼盒内的气流监测有两方面：一是笼盒送、排气口的气流速度，根据气流、风口截面积，以及IVC笼盒的形状、规格，可以计算出IVC笼盒的换气次数，还可以根据流场模型，计算分析IVC笼盒内气流流场状态，以评价小鼠生活的小环境的优劣；二是IVC笼盒内小鼠主要生活截面的气流速度，用以评价小鼠生活空间的舒适性。该IVC环境指标监测系统暂时设置一个气体流速探头，有关送、排气口的气流速度，以及流场分析等另撰文探讨。

在GB 14925、RB/T 199、RB/T 010、CNAS-CL05-A002等有关实验动物环境及设施、设备的标准中，主要通过监测NH3浓度来评价动物生活小环境的空气质量。但是，有研究证明通过监测CO2浓度来评价动物生活小环境的空气质量也是可行的[10]，该IVC环境指标监测系统只配置了CO2监测探头，研究组将继续进行有关NH3和CO2监测与动物小环境关系的研究，以完善这方面的监测技术。

在各参数设定上，温度传感器测量范围-40～125 ℃(偏宽)，精度≤0.1 ℃；相对湿度测量范围0～100%，精度≤1.5%；微压差传感器测量范围-125～125 Pa，精度≤1 Pa；尘埃粒子浓度传感器测量粒径范围0.3～10 μm。在进一步的研究中应根据有关标准规定及实际情况进行调整，以使之更合理。

本研究旨在实现IVC笼盒环境指标多参数远程监测系统的开发。通过设置监测笼盒实现综合指标的在线监测，进一步的研究包括：IVC环境指标监测系统的比对测试及第三方计量机构进行的校准测试；负压IVC环境指标监测系统；通过对监测笼盒的优化实现环境指标检测的便捷化，开发出便携式环境指标检测仪器；其他动物IVC环境指标监测系统；屏障环境动物房环境指标监测系统等。

该IVC环境指标监测系统在应用于负压环境下，即饲养病原感染动物时，仪器部件的选型必须考虑生物安全风险，例如：使用基于流通原理的热式差压传感器元件来测量差压，传感器两端是连通的且有气流通过，此类压差传感器并不能对传感器所测的2个相邻环境起到严格的隔离作用；尘埃粒子浓度传感器会抽吸笼盒内空气，病原微生物会进入传感器内部，如何消毒处理需要认真考虑。同时，还需考虑日常及终末消毒的彻底性、耐消毒腐蚀性，以及使用消毒剂的种类等。