李夢洋， 孫耀杰， 張 馨， 鄭文剛

(1.河北工業(yè)大學電子信息工程學院，天津 300401； 2. 北京農業(yè)智能裝備技術研究中心，北京 100097； 3.國家農業(yè)智能裝備工程技術研究中心，北京 100097； 4.農業(yè)部農業(yè)信息技術重點實驗室，北京 100097)

當前，我國農村生活、農業(yè)生產、畜禽養(yǎng)殖過程中排放廢棄物造成的污染和農作物秸稈焚燒導致的環(huán)境問題日益嚴峻，農業(yè)廢棄物中的養(yǎng)分含量較高，這些從土壤中帶走的營養(yǎng)物質只靠化肥是不足以返還的[1-2]。好氧發(fā)酵堆肥以其穩(wěn)定性和無害性成為當前最主要且較有效處理農業(yè)廢棄物的方法之一。2013年國務院頒布的《畜禽規(guī)模養(yǎng)殖污染防治條例》中指出，鼓勵和支持采取糞肥還田、制造沼氣及有機肥等方法，對畜禽養(yǎng)殖廢棄物進行綜合利用[3]。中國共產黨第十六屆中央委員會第五次全體會議以來，國家提出要建立資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會，其核心目標是降低生產過程中產生的污染。對好氧發(fā)酵核心技術深入研究是加快我國資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會建設的重要方式，是實現農業(yè)現代化、自動化的重要途徑。

堆肥過程中在線自動監(jiān)測堆體環(huán)境參數，實現堆肥管控一體化，能夠減少人力成本，加快發(fā)酵過程，提高發(fā)酵效率，符合密閉、環(huán)保的反應器堆肥系統(tǒng)發(fā)展趨勢，有利于減緩環(huán)境壓力，完成了從自然堆制、污染嚴重的傳統(tǒng)堆肥方式到傳感器監(jiān)測、機器控制的智能化生產過程的轉變，對于進一步提高堆肥效率和質量、實現我國智能化堆肥有著重要的實際意義。堆肥成功的關鍵是使微生物生活在一個較為適宜的環(huán)境中，目前，美國、德國、澳大利亞在商業(yè)應用和科學研究等方面取得較大的進展，具體的無線監(jiān)測網絡與云服務技術已經得以應用并形成標準，同時在臭氣濃度、含水量、pH值等測量分析與處理方面取得了突破。但我國在堆肥監(jiān)測方面的研究還處于起步階段，監(jiān)測傳感器感知參數少，環(huán)境適應性差，準確度不夠，測量方式較為傳統(tǒng)，缺少有效的測量辦法，未能充分利用信息與物聯網技術提升堆肥環(huán)境監(jiān)測水平，難以實現系統(tǒng)智能化、標準化，相對其他行業(yè)處于滯后狀態(tài)，導致資源浪費、堆肥產物質量下降，對堆肥過程智能化生產產生不利影響，也影響了我國環(huán)境資源循環(huán)再利用的進程。

本文在綜合分析堆肥環(huán)境監(jiān)測需求的基礎上，介紹堆體溫度、含水量、氧氣濃度、臭氣值等參數的監(jiān)測原理和方法及國內外研究現狀，并介紹堆肥探桿封裝結構、監(jiān)測系統(tǒng)數據傳輸方式及監(jiān)測平臺應用現狀，最后分析提出該領域存在的問題和今后發(fā)展趨勢，以期為智能化監(jiān)測堆肥環(huán)境提供參考。

1 堆肥環(huán)境監(jiān)測需求分析

目前堆肥方式分為開放式和密閉式[4-5]，開放條垛式和室外靜態(tài)堆肥采用原料簡單的堆積，在自然好氧條件下進行物料堆制的方法，并加以定時的翻堆或通風以保持堆體環(huán)境最佳，由于堆體較高，環(huán)境測量需要>1 m的探桿，當不需要拋翻時，可以長時間在線監(jiān)測，如需拋翻堆體時，固定在線監(jiān)測會影響拋翻過程，須定時拔掉測量探頭。密閉式堆肥是指將物料投放在密閉空間中，通過監(jiān)測堆體溫度、氧氣濃度等參數控制其通風并攪拌，使物料進行生物降解和轉化[6]，溫度、氧氣濃度測量探桿需要長時間固定在反應器壁上，且其探頭不能影響反應器中攪拌工作。圖1為不同場景傳感器的應用。

盡管堆肥的物料來源有多種，但是適合微生物生存的環(huán)境是固定的，在配比物料時，配制質量含水率45%～65%，C ∶N (質量比)為20 ∶1～30 ∶1，pH值為5～8[7-14]。好氧微生物的新陳代謝釋放大量能量，產生水，消耗氧氣，在堆肥初期，溫度從室溫逐步上升到45 ℃，產生大量酸，pH值下降到5左右，之后進入高溫階段(45～65 ℃)，pH值恢復到6～8，釋放氨氣，前2個階段耗氧速率很快，氧氣濃度降低，應保持氧濃度>8%；最后是降溫階段，有機物趨于穩(wěn)定，氧氣含量趨于平緩。由此可見，堆肥過程中高溫(50～70 ℃)、高濕(含水率 45%～65%，部分雞糞原料更高)、堆體腐蝕性(pH值5～8)的環(huán)境，要求傳感器能工作在高溫高濕環(huán)境下，溫度測量范圍30～80 ℃，精度應達到至少1 ℃；氧氣濃度監(jiān)測范圍為0～25%即可，精度應為0.1%；濕度應該可以監(jiān)測20%～80%，精度最好為0.1%。傳感器封裝采用耐腐蝕材料，在監(jiān)測氣體時，須要對被測氣體進行預處理，避免影響氣體測量元件，如堆體中氨氣濃度一般為500～1 000 μmol/mol，測量時采用擴散或氣泵抽氣方式，且須快速濾除水分，以避免氣體溶于水中，同時須將氣體溫度調整為感知元件可接受范圍。

堆肥過程中一般測量堆體溫度、含水量、氧氣濃度、pH值、電導率等以及堆制產生的氨氣、硫化氫、含氮有機物、含硫有機物等參數的濃度，過程監(jiān)測有在線、離線的需求且設備須適應室外操作環(huán)境，同時由于堆體內部環(huán)境惡劣，對傳感器穩(wěn)定性、可靠性、安全性、可維護性提出較高的要求。

2 堆肥過程環(huán)境參數感知原理研究與應用

2.1 堆體溫度感知

傳統(tǒng)的溫度監(jiān)測方法有熱電偶、熱電阻、熱敏電阻、集成溫度傳感器、紅外測溫等。熱電偶、熱電阻和集成數字式溫度傳感器在堆體溫度測量中的應用較多。其中，熱電阻的結構簡單、體積小，經過信號調理能獲得較高測量精度，是目前應用與研究的主流。德國LOGIDATATECH公司生產的溫度探桿使用5個Pt100傳感器，具有低功耗、多點多層測溫的特點，實現了堆肥過程中溫度的自動化監(jiān)測；de Guardia等在好氧堆肥反應堆中使用3個Pt100溫度傳感器監(jiān)測堆體上、中、下3層溫度[15]；李鑒明采用Pt100溫度傳感器采集堆肥過程的溫度，熱響應時間<2 s，實現了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性[16]。熱電偶具有測溫范圍廣、成本低等特點，但其調理電路相對其他傳感器復雜，堆體溫度測量相對較少。美國REOTEMP公司生產的溫度探桿，采用K型熱電偶，測量范圍為-46～538 ℃，分辨率為1 ℃[17]，能夠較方便地測量出堆肥溫度，如圖2所示，該公司生產的無線溫度探桿，設計上、下2個溫度傳感器，從堆體內部測量溫度，探桿上部的3層密閉外殼可保護電子元件，防止水汽和腐蝕性氣體的損壞，尖鞘部分采用非金屬材料，既保證了傳熱還防止腐蝕。隨著數字集成電路的發(fā)展，集成式數字溫度傳感器具有集成度高、免校準、能耗低、成本低等優(yōu)點，目前最高精度已經達到±0.2 ℃，符合堆體溫度測量精度要求，是今后應用的主要趨勢。張海波等設計了以STC89C52單片機為主控單元、DS18B20為溫度傳感器的時間-溫度控制系統(tǒng)，將該系統(tǒng)安裝在某堆肥廠中，結果證明，該系統(tǒng)操作簡便，運行較穩(wěn)定[18]。其他如紅外測溫儀更多地被用在表面溫度測量方面，測量精度在±1 ℃以上，應用較少。

2.2 堆體含水量測量

對于堆體含水量的監(jiān)測，有取樣監(jiān)測和原位監(jiān)測2種方法[19]。取樣監(jiān)測就是從堆體上取出樣品進行測試，常見的是捏擠法和稱質量法。捏擠法就是抓取一定的堆肥物料用力擠壓，憑借測試人員的感官判斷當前物料的濕度情況，該方法測量快速，但受人主觀意識的影響較大，準確性低[20]。稱質量法是對比堆肥物料去除水分前后的質量或體積，從而計算出質量含水率或者體積含水率，該方法操作比較簡便，使用設備價格較低，是目前在測量堆肥含水率時最常用的方法，但是在去除水分的加熱時，會使得一些易揮發(fā)的固體揮發(fā)掉[21]，如甲硫醚(沸點37.5 ℃)、丙醛(沸點48.0 ℃)等[22]，稱質量測量一般須要將樣本帶回實驗室，不能夠實現實時監(jiān)測，且取出樣本后破壞堆體，影響堆體微生物的生長環(huán)境[23]。原位監(jiān)測主要是直接在堆體上測量，常采用電導法、電容法、紅外法、微波法等，REOTEMP公司生產的水分監(jiān)測儀通過測量堆肥物料的導電性判斷含水率，Morgan Scientific公司的監(jiān)測設備可以同時監(jiān)測溫度、氧氣濃度和含水率，通過測量堆體小孔中的空氣濕度得出含水率。時域反射法(TDR)使用電脈沖測量電信號在介質中的傳輸時間，測量出堆體的介電常數再轉換成含水率，該方法更加精確，對堆體的影響較小，可實現在線監(jiān)測，但受土壤酸性、鹽度等的影響較大[24]，德國ESI環(huán)境傳感器公司將TDR水分傳感器應用到堆肥含水量測量上。

2.3 堆體氧氣濃度測量

當前堆肥過程對于氧氣濃度的測量，一般是測定堆層中的氧濃度或者耗氧速率。常用的氧氣傳感器有3種，分別為電化學氧氣傳感器、氧化鋯傳感器和光纖氧氣傳感器，3種測氧方式比較如表1所示。

氧化鋯傳感器具有耐高溫的特性，適用于環(huán)境比較惡劣的氧氣濃度監(jiān)測。當附著有多孔鉑膜的氧化鋯陶瓷層兩側存在氧濃度差時，氧離子就會從濃度高一側向濃度低一側遷移，在2個鉑電極之間產生電動勢，輸出的電動勢與電池工作溫度和兩側氧濃度具有一定關系，利用這種方式即可測量出氧氣濃度。相比其他氧氣傳感器，它具有壽命長、精度高、穩(wěn)定性強的特點，但是由于傳感器內部氣泵需要加壓抽氣， 功耗較大，需要持續(xù)供電。曾劍飛等選用氧化鋯型氧體積分數傳感器(Honeywell GMS10-RVS型，美國)監(jiān)測堆體氧體積分數，其氧分壓測量范圍為0.2～300.0 kPa，精度<500 Pa，靈敏度 0.010 5 ms/Pa，具有較高測量精度和穩(wěn)定性，使用前須預熱30 s[25]。北京瑞陽恒興科技有限公司開發(fā)的數顯氧氣濃度探桿(BRET-O500-P)，具有1個測氧點，采用英國SST雙氧化鋯氧傳感器，精度為2% Fs，測氧范圍可選0～25%或0～100%，且線性輸出。圖3為該氧氣探桿外觀結構示意，敏感頭通過一個不銹鋼桿體安裝在探頭的一端，下方的進氣孔采集氣體進入桿體并從上方排出，以保持內部氣壓平衡。德國LOGIDATATECH公司也設計生產了核心為氧化鋯的氧氣傳感器。

表1 氧氣濃度測量方法比較

光纖氧氣傳感器，一般以熒光物質作為指示劑，利用氧氣對熒光具有淬滅作用的原理，通過一定波長的光激發(fā)熒光物質產生熒光，根據熒光被淬滅程度，可監(jiān)測氧氣濃度。光纖氧氣傳感器無需標定，內置壓強傳感器，通過測量環(huán)境壓強和氧分壓的大小來判斷氧氣濃度；具有傳統(tǒng)電化學傳感器低功耗的特點，非消耗的傳感原理使其擁有更長的壽命；傳感器自身有氧壓和溫度補償，使其可以精確工作在較寬環(huán)境范圍內而不需額外的補償電路；非常穩(wěn)定、環(huán)保，不含鉛或其他任何有毒材料，并且不受其他氣體交叉干擾的影響。Chen等對光纖氧氣傳感器的研究證明，光纖氧傳感器具有響應時間短、靈敏度高、測量范圍廣、使用壽命長、對環(huán)境適應性好的特點[26-27]。

2.4 臭氣濃度監(jiān)測

堆肥過程中產生的臭氣中除了氮化物、硫化物以外，還有一些揮發(fā)性有機物，如含氮有機物、含硫有機物、胺類、揮發(fā)性脂肪酸等[28-30]。目前常見的用于監(jiān)測臭氣濃度的方法有化學法、嗅覺測試法、光譜儀分析法和傳感器監(jiān)測法。

化學法就是利用氣體與化學試劑產生化學反應，根據發(fā)生的顏色變化等現象來判斷氣體濃度。該法通常是抽取一定的氣體進行試驗，簡單易行，所用試劑價格低廉，但得出的結果不是實時的，且只能得出大致結果，不適于實時、精確測量。

嗅覺監(jiān)測法是一些比較有經驗的技術人員，通過感官直接估計有味氣體的含量值，方法簡便，但是存在估計不準確、依賴于經驗且容易對技術人員的身體健康產生影響的缺點[31]，一般用來與其他測臭氣濃度的方法進行比較。Hamacher等針對接近濃度閾值的臭氣使用嗅覺監(jiān)測法測量困難的問題，引出電子鼻測量方法[32]。

光譜分析法測臭氣濃度一般使用氣相色譜-質譜聯用(gas chromatography-mass spetronmetry，GC-MS)法，這是用氣相色譜法分離并定性與用質譜法定性相聯用的分析方法，具有高分辨率、高靈敏度、重復性好等特點，一直以來被用作復雜成分的分離和鑒定，但是與此同時，由于氣相色譜-質譜儀的價格較為昂貴，體積較大，不易于搬動，不能夠實現實時監(jiān)測而受到了一定的限制，由于其精確度高，一般被作為其他方法的準確性參考。Dickert等使用其設計的電子鼻監(jiān)測堆肥逸出的乙酸乙酯、檸檬烯等氣體濃度，并與用HP 5890系列氣相色譜儀進行的GC-MS法得到的數據進行比較[33-34]；Romain等在監(jiān)測堆肥逸出氣體時，將電子鼻測得的數據與氣相色譜-質譜分析法測量的結果進行對比[35-36]，均得出2種方法監(jiān)測結果一致的結論。Delgado-Rodriguez等利用GC-MS方法監(jiān)測一些揮發(fā)性有機物含量，將安捷倫6890氣相色譜儀和四極安捷倫5973電子電離質譜探測儀結合起來，通過主成分分析(PCA)法得出與電子鼻方法測得的數據在統(tǒng)計學上相似的結論[37]。

傳感器測臭氣濃度主要包括金屬氧化物半導體式傳感器、電化學傳感器、催化燃燒式傳感器等監(jiān)測方式，具有體積小、實時監(jiān)測、價格便宜等特點，表2為幾種傳感器原理性能比較。電子鼻是近幾年發(fā)展起來的一種模仿動物嗅覺器官的高科技產品，是由有選擇性的電化學傳感器陣列和適當的識別方法組成的儀器，能夠識別混合的氣體，具有強大的信息處理能力和較高的分辨率，并且對惡劣環(huán)境的耐受性強，體積小巧，便于攜帶與安放。電子鼻的工作原理可以分為3部分：氣體傳感器陣列、信號處理單元和模式識別部分，圖4為Li等設計的電子鼻陣列[38]，從上到下依次對應這3部分。氣體傳感器陣列是多個具有不同選擇性氣敏元件的組合，信號處理單元是將各傳感器數據歸一化處理，并對數據進行濾波，模式識別部分對處理后的數據進行特征提取，并使用模式識別算法進行數據處理。Delgado-Rodriguez等利用電子鼻監(jiān)測城市固體廢棄物堆肥揮發(fā)出的揮發(fā)性有機物濃度，采用10個金屬氧化物半導體傳感器組成的陣列監(jiān)測檸檬烯、β-蒎烯、2-丁酮等氣體濃度，利用PCA精簡了數據集，可以將幾種氣體進行很好的分類[37]。Romain等使用由4個金屬氧化物傳感器(TGS880、TGS822、TGS2610、TGS842)陣列組成的電子鼻測量堆肥產生的臭氣濃度，試驗說明，可以使用同一種電子鼻儀器監(jiān)測不同原料堆肥過程中相同時期的不同參數[36]。一些質量敏感型氣體傳感器也能夠更好地作為電子鼻的一部分滿足工業(yè)上的不同要求。Dickert等設計了一個具有6個石英晶體微量天平(QCM)陣列，用于堆肥過程的在線監(jiān)測，得出檸檬烯等物質的濃度變化過程曲線，之后在實際中應用這一電子鼻，證明了其能夠定量測量不同的有機物濃度[33-34]。Hamacher等提出，使用石英微量天平(QMB)傳感器陣列設計電子鼻來監(jiān)測低于臭氣濃度閾值的臭氣，試驗證明，該傳感器系統(tǒng)具有良好的性能，運用主成分分析法(PCA)之后，還能夠預測堆肥的變化過程[32]。

表2 幾種臭氣傳感器測量方法比較

2.5 其他

2.5.1 堆體pH值測量方面 pH值是影響微生物生長繁殖的重要因素之一，一般在堆肥初期進行pH值的調節(jié)，在堆肥過程中監(jiān)測pH值以了解其變化情況。常見的pH值測量使用的是電位測定法，把對pH值敏感的玻璃電極和電位穩(wěn)定的參比電極放在同一溶液中，構成一個測量電池，其電動勢和溶液的pH值之間符合能斯特方程，從而測得其溶液pH值。秦莉等在對于生活垃圾堆肥理化性質的研究中，使用pH S-3C 型pH值計測量pH值[39]；Chikae等使用日本HORIBA公司生產的pH值測量儀測量樣本pH值，以觀察整體堆肥腐熟度情況[40]。新近研發(fā)出并應用于工業(yè)領域的pH值離子敏感場效應晶體管(ISFET)測量技術，具有壽命長、精度和準確度高、響應速度快的特點。ISFET與傳統(tǒng)的場效應管(MOSFET)結構相似，區(qū)別是氫離子敏感膜代替了MOSFET的金屬柵極，當氫離子存在時，ISFET就會產生對其敏感的能斯特電位，使漏極電流發(fā)生變化。目前被廣泛應用于土壤和水質的pH值測量上，美國Spectrum pH400/600土壤pH值測量儀使用ISFET電極，可以用在堆體pH值監(jiān)測中。

2.5.2 生物傳感器方面 堆肥過程中微生物的濃度和分布、酶的活性和變化及各種有機物的濃度等的原位、實時監(jiān)測是當前研究熱點。生物傳感器是生物化學技術和傳感器技術的結合，在堆肥過程的各種參數監(jiān)測中起著越來越重要的作用。周雯婧等分析了生物傳感器在堆肥過程中動態(tài)監(jiān)測的應用，得出酶傳感器、微生物傳感器、免疫傳感器等可用于堆肥過程中酶濃度、微生物濃度、有毒有害物質濃度監(jiān)測的結論，因此適當的運用生物傳感器可以有效幫助人們判斷堆肥腐熟情況[41]。章毅等將生物傳感器中的免疫傳感器進行細化，闡述了免疫傳感器在堆肥物料固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)參數監(jiān)測中的應用，指出免疫傳感器為進一步細化堆肥產物提供了技術支持，并提出了當前與監(jiān)測物質對應的抗體有限并且難以穩(wěn)定的問題[42]。劉燦等闡述了基因傳感器的應用，指出將基因傳感器用于堆肥中微生物功能基因檢測是今后的主要研究方向[43]。

2.5.3 堆體腐熟度監(jiān)測方面 采用光學儀器對堆肥腐熟度監(jiān)測是一種很好的分析方法，基于原子團的振動產生的光譜可提供有關原子團組成方面的信息，得到堆肥過程中產生物質的情況，一般使用的有近紅外光譜、紅外光譜和紫外光譜等。黃光群等采用美國Perkin Elmer公司生產的Spectrum one NTS基于傅里葉變換近紅外光譜儀進行腐熟度分析，光譜采集范圍為10 000～4 000 cm-1，使用數學方法建立近紅外校正模型，得出近紅外漫反射光譜可以快速準確測定堆肥中水分、揮發(fā)性固體、總有機碳、總氮含量和電導率的結論[44]。段旭光等也進行了類似的研究，得出紅外光譜分析法有助于堆肥腐熟度監(jiān)測的結論[45]。Domeizel等通過紫外線光譜去卷積的方法來判斷堆肥成熟度并指出，這種指示方法比成熟度指數使用更頻繁，且可簡單快速得出結果[46]。郭峰等使用熒光光譜對堆肥過程進行監(jiān)測分析并指出，相關參數可以較好地表征堆肥腐熟度[47]。祝虹煜等介紹了熒光光譜在堆肥腐熟度中的應用并指出，該技術可以為堆肥腐熟度評價提供參考，在堆肥研究中具有廣闊的應用前景[48]。

3 堆肥環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究與應用

傳統(tǒng)的數據傳輸通過數據采集卡(傳感器采用4～20 mA或0～5 V等模擬信號)或者RS232/485接口向電腦傳輸數據，這種有線的傳輸方式易受到距離的限制，且線纜易腐蝕或被人為破壞，維護困難。曾劍飛等設計的好氧堆肥溫氧監(jiān)測系統(tǒng)，可顯示單片機采集到的溫氧值，并可利用數據采集器將數據傳到電腦上[25]。Sironi等針對堆肥廠臭氣的產生情況，使用RS232或者USB接口連接電腦實現數據采集、存儲和遠程控制[49]。

隨著工業(yè)現場總線、物聯網及云服務等通信信息技術的發(fā)展，無線傳感器網絡開始與監(jiān)控設備系統(tǒng)結合，擺脫了傳統(tǒng)堆肥參數監(jiān)測時線纜的約束，藍牙、Wi-Fi、Sub-GHz等在堆肥監(jiān)測系統(tǒng)中都有應用，圖5為澳大利亞OneTemp公司的智能化堆肥環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)示意，堆肥探桿監(jiān)測到相關參數后無線傳輸到云端，然后云端發(fā)送數據到電腦上進行記錄和監(jiān)測，預警數據發(fā)送給手機端以通知用戶。Casas等設計無線傳感網絡用于堆肥監(jiān)測和控制，將節(jié)點測得的數據匯集在網關處，然后通過無線傳到電腦上保存，并上傳到云服務器，服務器保存節(jié)點的狀態(tài)并自動更新；節(jié)點使用美國德州儀器公司生產的CC430，在60 ℃條件下工作良好，無線傳輸在 433 MHz 頻率；該系統(tǒng)在新西蘭、澳大利亞和西班牙進行了試驗，傳感器具有一定的魯棒性，低能耗、精度高、量程范圍廣、充電時間較短[50]。隨后，López等對上述監(jiān)測控制系統(tǒng)進行了改進，實現了對于溫度和水分含量等參數的實時多點監(jiān)測[51]。美國的REOTEMP公司設計了ECOPROBE智能堆肥系統(tǒng)，采用 902～928 MHz頻段進行數據無線傳輸，傳輸距離約300 m，開發(fā)的Compost Watch軟件可以實時監(jiān)測當前堆體情況并存儲歷史數據。陳朝旭等研究設計基于ZigBee技術的堆肥控制系統(tǒng)，傳感器節(jié)點分布在堆肥車間，對堆體參數進行實時采集并傳輸到協調器節(jié)點，計算機接收、顯示并存儲協調器發(fā)來的數據[52]。除了通過無線模塊傳輸數據外，還可以使用藍牙進行通信，不過傳輸距離有限，多用于實驗室研究。鄧志輝等為監(jiān)測發(fā)酵倉參數，設計了以C8051F020單片機為核心的無線參數監(jiān)測系統(tǒng)，采集溫度、發(fā)酵速率、pH值、電導率及含氧量，通過BF10-1型藍牙模塊進行數據傳送，計算機上的藍牙適配器接收數據后傳到計算機上[53]。

針對好氧堆肥過程建立相關的數學模型，有利于實現對堆肥相關參數的預估，闡釋堆肥動態(tài)變化過程，更有效控制堆肥過程。一般通過研究有機物降解過程來推算溫度、含水率、氧氣濃度等堆肥參數的變化情況。利用質量或者能量守恒原則，建立固相、水相、氣相平衡以及能量熱平衡的數學公式，除所求值的其他參數采用經驗公式、一級反應動力學公式或Monod降解動力學方程表示外，聯合求出所需要的關鍵參數表達式。這種方法一般建立模型簡單，參數較少，運算速度快，但是在參數選擇上須要考慮堆肥物料性狀、堆體均一性等諸多因素，須要對模型方程和參數進行優(yōu)化，以獲得更加準確的預測結果。王永江等通過建立水分蒸發(fā)一級動力學模型及等式，得出水分隨時間變化模擬曲線[54]。Petric等建立基于有機質降解的一級動力學反應模型，將其與溫度變化相聯系，得出溫度模擬值[55]。在氧氣參數預測方面，Sole-Mauri等利用Monod微生物反應方程模擬微生物生長速率，并建立其與氧氣消耗速率(OUR)的關系，得到OUR的動態(tài)變化情況[56]。Higgins等則通過建立一級反應模型來計算氧氣的消耗速率[57-58]。

4 存在問題與發(fā)展方向

4.1 存在問題

隨著半導體技術、傳感器技術、計算機技術及通信技術的發(fā)展，國內外對于堆肥監(jiān)測方法的技術研究有了很大的提升。但在研究應用過程中存在以下問題：(1)傳統(tǒng)工業(yè)監(jiān)測模式影響堆肥環(huán)境監(jiān)測，很多傳感器直接采用工業(yè)領域產品，導致傳感器針對性不足，部分參數難以在線測量，傳感器穩(wěn)定性、可靠性有待提高；(2)監(jiān)測傳感器以模擬信號輸出為主，且測量參數單一，不具備智能傳感器特點，存在能耗高，測量誤差大等問題，難以實現多參數、多點測量；(3)有線測量方式占有較大比重，現場布線對施工、維護帶來不便，同時堆肥現場具有較強的腐蝕性會對傳輸線纜產生較大影響，且過多線纜對機械自動化作業(yè)產生阻礙；(4)先進的感知原理、物聯網、云服務技術在堆肥監(jiān)測系統(tǒng)中應用較少，導致在測量手段、通信方式、服務模式等方面落后于其他行業(yè)。

4.2 發(fā)展方向

針對目前行業(yè)中存在的問題，堆肥環(huán)境參數監(jiān)測要朝著成本低、穩(wěn)定性好、可靠性強以及多點監(jiān)測、無線監(jiān)測、綜合參數監(jiān)測的方向發(fā)展。

(1)整個堆肥感知系統(tǒng)的中心，能夠適應高溫、髙濕、高腐蝕性的工作環(huán)境，低功耗、穩(wěn)定性強、可靠性好的傳感器監(jiān)測是將來的重要研究方向之一。

(2)精度高、成本低、能夠區(qū)分相似氣體的電子鼻將成為堆肥行業(yè)氣體監(jiān)測發(fā)展的趨勢。

(3)低成本、低功耗、穩(wěn)定性強的無線化數據傳輸方式是通信技術的研究重點。

(4)包括堆肥參數的實時監(jiān)測、數據的采集、傳輸并保存以及軟件建立堆肥過程模型、判斷堆體狀態(tài)、實現相關控制在內的綜合監(jiān)測方式，將不斷促進堆肥過程參數的集中分析管理和統(tǒng)一控制，是未來的發(fā)展方向。

(5)隨著信息技術的發(fā)展、網絡時代的到來，堆肥環(huán)境參數感知系統(tǒng)也應該向著便捷式的方向發(fā)展，控制平臺可以逐漸的從電腦終端發(fā)展到嵌入式平臺，手機、平板電腦等編寫設備應成為重要的一環(huán)。

5 結論

本文首先介紹了好氧堆肥環(huán)境的惡劣性、國內外關鍵參數監(jiān)測儀器使用情況及堆肥監(jiān)測系統(tǒng)研究、應用現狀，之后提出存在的問題和發(fā)展方向，得出堆肥過程環(huán)境參數感知系統(tǒng)是智能堆肥發(fā)展必然趨勢的結論。前人研究表明，將監(jiān)測到的全部參數進行集中管理，可減少人力成本，加快發(fā)酵過程，提高發(fā)酵效率。對于堆肥過程環(huán)境感知的關鍵參數進行深入研究，應致力于開發(fā)堆肥過程參數的高智能、高精確度、低能耗監(jiān)測方式，建立堆肥過程參數監(jiān)測通用模式。解決現有的問題，對堆肥參數監(jiān)測方法進行研究，對于我國堆肥過程自動化、智能化發(fā)展具有重要的意義。