徐　璐，吳　軼，王連英

（江西現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程分院，南昌33009）

冷鏈物流中遠(yuǎn)程食品新鮮度檢測的電子鼻系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

徐璐*，吳軼，王連英

（江西現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程分院，南昌33009）

為了有效監(jiān)測冷鏈物流各環(huán)節(jié)中食品新鮮度，設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程電子鼻系統(tǒng)。以與豬肉新鮮度關(guān)聯(lián)的特定氣體為檢測目標(biāo)，使用單片機(jī)技術(shù)針對(duì)性地設(shè)計(jì)了檢測氣室和氣體傳感陣列，實(shí)現(xiàn)了冷庫內(nèi)的豬肉氣味信息的采集、預(yù)處理、特征生成、降維和線性判別式分析，并以傳感器相對(duì)電導(dǎo)率變化微分值為主成分變量進(jìn)行豬肉新鮮度分類依據(jù)，并通過GPRS將檢測結(jié)果傳輸?shù)竭h(yuǎn)程控制中心。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)檢測準(zhǔn)確度高、丟包率小，滿足應(yīng)用需求。

自動(dòng)化器件；新鮮度檢測；線性判別式分析；冷鏈物流；電子鼻

近年來隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，冷鏈物流被關(guān)注程度日趨增強(qiáng)，但“重生產(chǎn)、輕流通”的觀點(diǎn)仍根深蒂固［1］，制約著冷鏈物流產(chǎn)業(yè)的快速健康發(fā)展，因此越來越多的學(xué)者研究建立冷鏈物流產(chǎn)品的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警體系，以控制質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，郝書池、周燕等人［2］建立了較為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)馁|(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)管理的模式，但對(duì)冷鏈物流產(chǎn)品的實(shí)時(shí)質(zhì)量監(jiān)控較少，而國內(nèi)將電子鼻技術(shù)應(yīng)用于冷藏食品的研究較為成熟，陳辰星、吳瓊等人［3-4］運(yùn)用氣敏傳感器、光譜成像等手段檢測冷藏肉蔬新鮮度。本文使用基于氣敏傳感器的檢測陣列并結(jié)合冷庫低溫運(yùn)動(dòng)環(huán)境設(shè)計(jì)了檢測冷鏈物流中肉類新鮮度的電子鼻，并結(jié)合無線傳輸技術(shù)將檢測數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)冷鏈物流易腐肉類的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文的電子鼻系統(tǒng)主要安裝于冷鏈物流中各種運(yùn)輸車輛，對(duì)物流系統(tǒng)中運(yùn)輸?shù)娜忸惖男迈r度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，并將檢測結(jié)果通過GPRS模塊發(fā)往遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示，其中對(duì)肉類新鮮度檢測的原理是利用氣敏傳感陣列對(duì)肉料氣味的響應(yīng)值實(shí)現(xiàn)對(duì)物流車輛冷庫內(nèi)氣味狀態(tài)的實(shí)時(shí)且連續(xù)的監(jiān)測。

圖1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1檢測氣室及設(shè)計(jì)

氣敏傳感器的工作溫度高達(dá)300℃，為避免電子鼻在預(yù)熱或者工作階段時(shí)冷鏈物流倉冷氣涌入抑制傳感器狀態(tài)和影響工作性能［5］，需要對(duì)檢測氣室進(jìn)行專門設(shè)計(jì)，對(duì)抽入檢測氣室的低溫氣體快速加熱至較高溫度并進(jìn)行檢測。檢測氣室設(shè)計(jì)方案如圖2（a）所示。檢測氣室懸于冷倉頂部，在氣敏傳感陣列檢測冷倉氣體之前在隔離空間先對(duì)泵入的冷倉氣體進(jìn)行加熱到25℃，自動(dòng)控制系統(tǒng)通過溫度傳感器監(jiān)測氣體溫度，在達(dá)到設(shè)定溫度后打開單向進(jìn)氣閥將加熱后的氣體引入傳感器陣列所在空間進(jìn)行檢測，同時(shí)控制保溫裝置維持氣室溫度，檢測完畢后保溫裝置關(guān)閉，待氣體冷卻后通過排氣閥排出，工作流程如圖2（b）所示。通過這種檢測氣室空間隔離的設(shè)置，使與傳感陣列接觸的檢測氣體為25℃，防止低溫對(duì)傳感器陣列的工作狀態(tài)和使用壽命造成影響。由于生鮮產(chǎn)品在運(yùn)輸途中出現(xiàn)變質(zhì)的風(fēng)險(xiǎn)更大，因此在物流運(yùn)輸途中設(shè)置檢測周期為30 min，而在相對(duì)安全的冷藏儲(chǔ)存階段設(shè)置檢測周期為8 h，在保證生鮮質(zhì)量安全的同時(shí)減少檢測消耗。

圖2　檢測氣室設(shè)計(jì)方案及工作流程

1.2氣敏傳感器設(shè)計(jì)

研究發(fā)現(xiàn)，在豬肉的運(yùn)輸和貯存過程中，在細(xì)菌和酶的作用下會(huì)變化分解從而生成氣味。豬肉的分解過程［6］主要包括：（1）脂肪第一步分解成脂肪酸類，然后分解成醛酸類和醛類臭氣；（2）蛋白質(zhì)第一步分解成胺類，然后分解乙硫醇、硫化氫、氨等；（3）碳水化合物分解成醛類、酮類、醇類和羧酸類氣體等。

針對(duì)豬肉分解的主要過程，選擇了MQ138、MQ135、MS1100、TGS822等4種氣敏傳感器組成對(duì)豬肉的傳感器陣列，其主要識(shí)別對(duì)象如表1所示。

表1　氣敏傳感器選擇

1.3硬件設(shè)計(jì)

冷鏈物流中豬肉的新鮮度檢測使用4個(gè)氣敏傳感器組成的陣列對(duì)運(yùn)動(dòng)物流倉中的豬肉進(jìn)行新鮮度檢測，相關(guān)的氣路通斷、檢測陣列控制、模數(shù)轉(zhuǎn)換和GPRS無線傳輸使用C語言編程通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)選用國內(nèi)宏晶科技公司STC12C5A60S2單片機(jī)，該單片機(jī)開發(fā)要求低、可加密且有8路調(diào)整模數(shù)轉(zhuǎn)換接口，能夠滿足本系統(tǒng)使用需求；時(shí)鐘芯片選擇美國DALLAS公司生產(chǎn)的DS1302芯片，該芯片功耗低、實(shí)時(shí)性好；串口轉(zhuǎn)換芯片選擇美信公司的MAX232芯片，該芯片是適應(yīng)RS232標(biāo)準(zhǔn)串口的單電源轉(zhuǎn)換芯片，由+5 V電源供電；GPRS模塊選擇德國西門子公司的TC35i，該模塊成本較低且易于集成。系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)示意圖如圖3所示，在STC12C5A60S2復(fù)位后，程序設(shè)置其1-4管腳為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，通過與這4個(gè)管腳相連的氣敏傳感器將4路氣敏傳感器信號(hào)送入STC12C5A60S2進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將傳感器傳入的數(shù)字化信號(hào)進(jìn)行打包發(fā)送至TC35i模塊進(jìn)行GPRS遠(yuǎn)程無線傳輸至監(jiān)控中心。

圖3　系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

1.4軟件設(shè)計(jì)

在監(jiān)控中心接收冷鏈物流傳輸?shù)膫鞲衅鲾?shù)字化數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并對(duì)其進(jìn)行處理分析以判斷豬肉新鮮度狀態(tài)，冷鏈物流中電子鼻系統(tǒng)和監(jiān)控中心的通信與控制使用客戶端/服務(wù)器模式構(gòu)設(shè)，使用VC++編程。

監(jiān)控中心主要記錄各傳感器的峰值數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，主要使用主成分分析PCA（Principal Component Analysis）方法［8］作為新鮮度檢測算法。該方法基于數(shù)學(xué)降維的原理，通過篩選得到綜合變量，從而降低變量的數(shù)目，但代表的原來眾多變量的信息量，而且各變量之間彼此不相關(guān)。

2　數(shù)據(jù)處理

對(duì)傳感器檢測的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析實(shí)際是進(jìn)行模式識(shí)別的過程，其過程主要分為數(shù)據(jù)預(yù)處理和特征生成、線性判別式分析。

2.1數(shù)據(jù)預(yù)處理

為了提高檢測精度需要消除基線漂移造成的不利影響，因此系統(tǒng)檢測電路使用運(yùn)算放大器OPA2333和惠斯登電橋共同組成差分放大電路［7］作為核心檢測電路以消除基線漂移帶來的不利影響，設(shè)傳感器輸入為Vin，通過輸入端可調(diào)電阻RI和輸出前端可調(diào)電阻RO，可得該差分放大電路的輸出電壓Vout為：

式中Vzero為RI值為0時(shí)對(duì)應(yīng)傳感器輸入電壓為VS時(shí)的電路輸入電壓Vzero，

而RC是傳感器電阻值，與氣體濃度C相關(guān)，計(jì)算方法為：

式中，A與α均是由氣體種類決定的常數(shù)，通過式（1）～式（3）可得整個(gè)差分放大電路的輸出電壓，通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻RI，可有效增大檢測動(dòng)態(tài)范圍，在輸出Vout中有效濾除分壓產(chǎn)生的基線電壓值，從而提高檢測精度。

消除分壓產(chǎn)生的基線電壓后還需使用小波變換進(jìn)行進(jìn)一步的濾波降噪，使用db4小波有效分離出突變部分和噪聲部分后保留信號(hào)的低頻部分，可有效地保留有用信號(hào)［10］。選擇傳感器電導(dǎo)變化率［11］表征傳感器與樣品的反應(yīng)信息，在相對(duì)差分法的基礎(chǔ)上定義相對(duì)電導(dǎo)變化率S，其計(jì)算方法如式（4）、式（5）所示。

2.2特征生成

對(duì)相對(duì)電導(dǎo)變化率的積分、微分分別使用辛普森積分公式、梯度法［12］等方法求解，如式（6）、式（7）所示

為獲得傳感器響應(yīng)曲線的特征，先需確定曲線初始點(diǎn)，即曲線上升趨勢的初始點(diǎn)，一般情況下由于存在響應(yīng)基線的波動(dòng)較難尋找初始點(diǎn)，但通過式（7）對(duì)其進(jìn)行微分運(yùn)算，可以得到微分零點(diǎn)附近的波動(dòng)量，而且微分結(jié)果有一個(gè)極大值波峰，基于這條推論，首先找到微分極大值波峰，再使用變步長以微分值大于0為標(biāo)準(zhǔn)反推初始點(diǎn)。

由此可得到各傳感器的主特征值：（1）St的微分值；（2）St的平均數(shù)；（3）St達(dá)到微分最大值時(shí)所用時(shí)間；（4）St的曲率；（5）St的一階微分最大值；（6）St積分；（7）溫度；（8）濕度。其中溫度和濕度［13］用于進(jìn)行溫濕度補(bǔ)償。

2.3分類識(shí)別

通過特征生成對(duì)應(yīng)一個(gè)傳感器有8個(gè)特征值。此時(shí)再利用線性判別式分析對(duì)8個(gè)特征值進(jìn)行降維，算法通過SPSS軟件實(shí)現(xiàn)。其基本思想是投影降維，將高維度的特征向量通過投影集成到低維的方向上，投影之后不同類型的數(shù)據(jù)組盡可能地分開，而同組數(shù)據(jù)的距離更小，然后在新的低維空間中進(jìn)行樣本分類識(shí)別。

以豬肉為例，豬肉在貯藏的過程中，揮發(fā)性成份會(huì)隨著時(shí)間流逝而減少。實(shí)踐證明，隨著時(shí)間增加，豬肉的光澤會(huì)由亮變暗、顏色會(huì)從均勻的紅色變?yōu)榘导t色甚至綠色、堅(jiān)韌性降低、異味增強(qiáng)甚至有刺鼻的氣味。通過研究發(fā)現(xiàn)，豬肉在新鮮狀態(tài)下色澤鮮紅且復(fù)有彈性；經(jīng)過一段時(shí)間后肉色變暗，彈性變差且略帶氨味，此時(shí)為次新鮮狀態(tài)；最后是水分丟失嚴(yán)重且臭味明顯。這樣逐漸腐敗的過程對(duì)應(yīng)相對(duì)電導(dǎo)變化率微分變化［14］，在新鮮狀態(tài)下相對(duì)電導(dǎo)率的微分值為正數(shù)且緩慢增大，此時(shí)設(shè)新鮮豬肉相對(duì)電導(dǎo)率微分值為，在次新鮮狀態(tài)下相對(duì)電導(dǎo)率的微分值快速增大，設(shè)次新鮮狀態(tài)下豬肉的相對(duì)電導(dǎo)率微分值為，而豬肉腐敗狀態(tài)下相對(duì)電導(dǎo)率的微分值累積到較大的值，而增速也逐漸變緩，設(shè)腐敗狀態(tài)下豬肉的相對(duì)電導(dǎo)率微分值為。為便于進(jìn)行定量分類，設(shè)豬肉相對(duì)電導(dǎo)率最大值為，在分屬于判定豬肉狀態(tài)分別為新鮮、次新鮮和腐敗，以相對(duì)電導(dǎo)率微分值為首要因素判定豬肉新鮮度，這只是初步的判識(shí)，后續(xù)以線性判別式分析進(jìn)行進(jìn)一步的分類識(shí)別以提高差別準(zhǔn)確度。

3　性能測試

為了驗(yàn)證該系統(tǒng)的可靠性和正確性，分別對(duì)其新鮮度檢測性能和通信性能進(jìn)行測試。

3.1檢測性能測試

為了提高檢測效率，新鮮度檢測性能測試使用定點(diǎn)測試，將冷鏈物流倉放置于室內(nèi)，并將溫度置于2℃，將新鮮豬肉放入倉內(nèi)，每8個(gè)小時(shí)測試一次并將數(shù)據(jù)通過GPRS發(fā)送至監(jiān)測中心。

對(duì)保存的豬肉進(jìn)行電子鼻檢測并發(fā)送到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析和保存，得到傳感器峰值響應(yīng)隨時(shí)間變化關(guān)系如圖4所示。

圖4　傳感器峰值響應(yīng)的時(shí)間曲線

通過分析圖4的傳感器峰值響應(yīng)并對(duì)照豬肉實(shí)際情況，可認(rèn)定在48 h前豬肉處于較為新鮮的狀態(tài)，從48 h后豬肉新鮮度快速降低，至72 h以后豬肉嚴(yán)重腐敗。

由于在新鮮度檢驗(yàn)過程中氣敏傳感器受溫度和濕度影響較大，而豬肉新鮮度變化過程中物流倉內(nèi)的溫度變化較小，但濕度變化范圍較大，因此需要針對(duì)性地進(jìn)行濕度補(bǔ)償。目前常用的補(bǔ)償方法有濕敏電阻硬件補(bǔ)償、恒濕測試和軟件補(bǔ)償［9］，3種方法比較軟件補(bǔ)償可行性較高且效果更好，因此使用軟件補(bǔ)償方法，補(bǔ)償公式為：

式中R0為電阻實(shí)際測量值，R為電阻補(bǔ)償后的真值，H0為基準(zhǔn)濕度（此處取為0），H為濕度實(shí)測值，a為濕度系數(shù)。通過式（4）在已知?dú)饷魝鞲衅鳚穸认禂?shù)的情況下把物流倉中的濕度值進(jìn)行直接補(bǔ)償。最后得到豬肉新鮮度的判別結(jié)果如圖5所示。

圖5　豬肉新鮮度判別結(jié)果

圖5中兩個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率分別為85.2%和10.3%，能夠明顯地區(qū)分出豬肉新鮮狀態(tài)、次新鮮狀態(tài)和腐敗狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了新鮮度檢測識(shí)別的功能。

3.2通信性能測試

通信性能測試主要考察該系統(tǒng)的遠(yuǎn)程無線傳輸性能是否達(dá)到要求，由于系統(tǒng)一般情況下4 h～8 h檢測一次，及時(shí)性要求不高，但對(duì)準(zhǔn)確性要求較高，因此通信性能測試主要檢測不同發(fā)送周期下的累計(jì)丟包率［15］。使用冷鏈物流車攜帶系統(tǒng)以較快速度行駛，每次傳輸數(shù)據(jù)包括物流倉內(nèi)溫度、濕度及4路氣敏傳感器數(shù)據(jù)，包括結(jié)束符位在內(nèi)每組數(shù)據(jù)包含42 byte，共發(fā)送500組數(shù)據(jù)，發(fā)送周期范圍為50 ms～2 000 ms，冷鏈物流車距離實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控中心的距離范圍為100 m～50 km，最后測得系統(tǒng)丟包率基本為0，但在31 km附近的20組數(shù)據(jù)丟包率有一定起伏，最大丟包率為7.14%，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)當(dāng)時(shí)車行駛至群山之中、GPRS信號(hào)較差導(dǎo)致丟包率變化，針對(duì)這種不利狀況，通過修改軟件，在監(jiān)控中心監(jiān)測到數(shù)據(jù)字節(jié)不全的情況下控制電子鼻系統(tǒng)再次發(fā)送數(shù)據(jù)，直至收到數(shù)據(jù)包完整為止。修改軟件后物流車在丟包率區(qū)域行駛并再次傳輸數(shù)據(jù)，經(jīng)系統(tǒng)校正未發(fā)生丟包情況。

4　結(jié)論

本文基于電子鼻技術(shù)和GPRS技術(shù)設(shè)計(jì)了一套冷鏈物流電子鼻系統(tǒng)用于遠(yuǎn)程地對(duì)物流冷鏈環(huán)節(jié)中的豬肉進(jìn)行新鮮度檢測，具備檢測精度高、通信可靠性高的優(yōu)勢，同時(shí)電子鼻系統(tǒng)與指定冷庫配對(duì)綁定，針對(duì)指定物品進(jìn)行新鮮度檢測，省去了檢測對(duì)象識(shí)別的過程，在降低硬件復(fù)雜度的同時(shí)也便于擴(kuò)展完善。但系統(tǒng)僅做了豬肉的檢測系統(tǒng)，不利于實(shí)際應(yīng)用推廣，下一步的工作是增加針對(duì)牛羊肉、雞肉、魚肉等肉類的新鮮度檢測軟硬件系統(tǒng)。

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徐璐（1983-），女，碩士，漢族，江西南昌人，江西現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程分院電子系講師，主要研究領(lǐng)域?yàn)閱纹瑱C(jī)與嵌入式系統(tǒng)，xulu__1983@sina.com。

Design of Electronic Nose System for Remote Freshness Detection of Food in Cold Chain Logistics*

XU Lu*，WU Yi，WANG Lianying
（Institute of Information Engineering，Jiangxi Modern Polytechnic College，Nanchang 330095，China）

The remote electronic nose system was designed for the effectively monitoring of the food freshness in the various links of the cold chain logistics.In the system the associated gas with the pork freshness was set as the detection target，and the gas chamber and the gas sensor array were designed by the single-chip technology for the data collection and processing of the pork in the cold storage.At last the principal component analysis method was used to execute the freshness detection and the results were transferred via GPRS.The test results show that the system has advantages such as high detection accuracy and low loss rate，and meets the application requirements.

automation device；freshness detection；linear discriminant analysis；cold chain logistics；electronic nose

TP212

A

1005-9490（2016）05-1170-05

項(xiàng)目來源：江西省高等學(xué)校教學(xué)改革研究課題“基于工學(xué)結(jié)合、校企合作理念電子信息專業(yè)人才培養(yǎng)模式的探索”項(xiàng)目（JXJG-10-30-3）

2015-09-29修改日期：2015-12-20

EEACC:723010.3969/j.issn.1005-9490.2016.05.030