徐向麗

鄂爾多斯職業(yè)學院（鄂爾多斯 017010）

隨著國家經(jīng)濟不斷發(fā)展，冷鏈物流[1-3]在食品運輸領域扮演著越來越重要的角色，因此必須加強冷鏈物流的食品質(zhì)量監(jiān)控，保證食品營養(yǎng)價值和商業(yè)價值。業(yè)內(nèi)普遍使用的一類方法是通過電子鼻測定食物各類指標以達到食品監(jiān)測目的。應曉國等[4]使用電子鼻檢測277 K溫度下梅童魚的新鮮度，并建立起預測模型，預測準確度可達95%以上。萬賜暉等[5]將人工神經(jīng)網(wǎng)絡算法與電子鼻系統(tǒng)結(jié)合，分析電子鼻在食品檢測中的應用，研究表明電子鼻在食物質(zhì)量監(jiān)測中具有響應速度快、檢測時間短等優(yōu)點。因此，以肉類為研究對象，將電子鼻應用于冷鏈物流的在線動態(tài)監(jiān)控，利用無線設備將冷鏈物流的品質(zhì)信息實時發(fā)送至數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)肉類食品在冷鏈運輸過程中的全程質(zhì)量監(jiān)測。

1 電子鼻系統(tǒng)總體設計

電子鼻系統(tǒng)主要針對冷鏈物流中的運輸車輛設計，用于運輸過程中肉類品質(zhì)的實時檢測。電子鼻檢測結(jié)果通過GPRS/SIM模塊發(fā)送到遠程數(shù)據(jù)中心，進一步進行遠程數(shù)據(jù)分析處理。電子鼻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。肉類品質(zhì)檢測通過氣敏傳感器陣列測量，經(jīng)過電路轉(zhuǎn)換，利用輸出電壓值計算得出相關氣體濃度。

圖1 電子鼻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 檢測氣室結(jié)構(gòu)及設計

氣敏傳感器工作溫度200～300 ℃，氣敏傳感器在啟動之后，驟然通入運輸車冷倉內(nèi)空氣，將嚴重影響氣敏傳感器工作性能[6-8]，導致較大測量偏差。專門設計檢測氣室，將冷鏈物流的運輸車冷倉空氣迅速加熱到預定溫度，利用氣敏傳感器檢測。檢測氣室的安裝位置如圖2（a）所示，安裝在冷倉上方。檢測氣室內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2（b）所示。檢測氣室利用加熱裝置將進氣口流入的空氣加熱到預定溫度，整個過程由溫度傳感器將溫度實時上傳給控制器，控制器自動調(diào)節(jié)加熱裝置完成?？刂破鞔蜷_進氣閥將氣體吸入，并啟動保溫裝置，氣敏傳感器進行成分分析，檢測完成后控制器打開排氣閥將氣體排出，準備下一次檢測。食品檢測氣室工作流程如圖3所示。該結(jié)構(gòu)設計通過隔離，有效避免低溫對氣敏傳感器陣列的不良影響，可保證氣體檢測的準確度。肉類在運輸過程中，伴隨著不確定因素，因此將檢測周期設置為1 h。

圖2 檢測氣室安裝位置與內(nèi)部構(gòu)造

1.2 氣敏傳感器選擇

肉類在冷鏈運輸過程中，在微生物和酶的共同作用下，相關成分會在化學作用下逐漸發(fā)生分解，進而產(chǎn)生各類氣體。肉類的分解內(nèi)容主要有3類[9-10]。

1) 脂肪分解為脂肪酸類，進一步分解為醛酸類和醛類氣體，產(chǎn)生肉類臭氣。

2) 蛋白質(zhì)分解為胺類，進一步分解為氨、硫化氫、乙硫醇等。

3) 碳水化合物分解成醛類、酮類、醇類和羧酸類氣體等。

選擇MQ135、MQ138、TGS822、MS1100這4種傳感器，用于檢測肉類品質(zhì)變化過程中產(chǎn)生的氣體。MQ135主要用于檢測氨氣、苯系物、硫化物等氣體；MQ138主要用于檢測醇類、醛類、酮類等氣體；TGS822主要用于檢測酒精；MS1100主要用于檢測甲醛、苯化物等氣體。傳感器及對應敏感氣體如表1所示，在氣體檢測過程中4種傳感器組成傳感器陣列使用。

圖3 食品檢測氣室工作流程

表1 傳感器及對應敏感氣體

1.3 檢測電路

為保證測量的準確性和系統(tǒng)的靈敏度，傳感器檢測電路由惠斯登電橋和運算放大器OPA2333共同組成，它們可有效抑制基線偏移引起的誤差。電子鼻傳感器電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 電子鼻傳感器檢測電路

觀察圖4可得，通過調(diào)節(jié)電阻R1，可在Vout中有效濾除分壓引起的基線電壓，增加電子鼻系統(tǒng)的檢測范圍，確保系統(tǒng)的檢測準確度。當R1=0，Vout、V1、Vs的數(shù)學關系為：

式中：V1為R1的輸入電壓，Vs為傳感器的輸入電壓，Rs為傳感器電阻值。

Rs與氣體濃度C之間的關系為：

式中：A與α為常數(shù)，由各氣體自身特性決定。利用式（1）和（2），可根據(jù)輸出電壓計算得出對應氣體濃度。

2 軟件設計

遠程數(shù)據(jù)中心接收到冷鏈物流運輸車通過GPRS/SIM模塊發(fā)送的傳感器檢測信息之后，對其進行存儲、分析、判斷、顯示。電子鼻系統(tǒng)和遠程數(shù)據(jù)中心的通信程序使用VC++編寫，利用PCA和LDA算法對肉類品質(zhì)進行分析。檢測氣室默認設定每1 h自動發(fā)送1次數(shù)據(jù)到遠程數(shù)據(jù)中心，遠程數(shù)據(jù)中心也可根據(jù)運輸肉類改變檢測間隔時長，或根據(jù)需要發(fā)送指令立刻檢測。

3 系統(tǒng)測試

為驗證系統(tǒng)的可靠性和準確性，測試電子鼻系統(tǒng)的檢測性能和通信性能。

3.1 系統(tǒng)檢測性能

購買100 g新鮮豬肉進行試驗，使用小型冷倉并放置在室內(nèi)，將檢測間隔設置為8 h，記錄4 d的檢測數(shù)據(jù)，圖5為電子鼻的峰值響應記錄。對照豬肉的實際情況，在前56 h，豬肉保持在新鮮狀態(tài)；56～72 h豬肉進入次新鮮狀態(tài)，色澤變暗，手指按壓后不能迅速恢復，彈性變差且有較輕微氨味，72 h以后豬肉肉質(zhì)迅速變差，轉(zhuǎn)為嚴重腐敗。電子鼻檢測結(jié)果與人現(xiàn)場識別結(jié)果保持一致。

圖5 電子鼻系統(tǒng)峰值響應

3.2 系統(tǒng)通信性能

傳感器陣列檢測數(shù)據(jù)長度為48 B，每次發(fā)送100組，將冷鏈物流運輸車分別行駛至離遠程數(shù)據(jù)中心10～100 km的地點，丟包率結(jié)果如表2所示。除了40 km位置，其他位置的丟包率基本為0。40 km位置位于樹林濃密地區(qū)，收發(fā)信號較弱。遠程中心通過指令可以設置丟包信號再次發(fā)送，最終實現(xiàn)所有數(shù)據(jù)接收。經(jīng)過再次測試，所有數(shù)據(jù)包均能完整收到。

表2 電子鼻系統(tǒng)丟包率

4 結(jié)論

融合電子鼻系統(tǒng)和GPRS/SIM模塊，設計用于冷鏈物流肉類品質(zhì)在線檢測的電子鼻系統(tǒng)，其檢測性能和通信性能均可滿足冷鏈物流相關要求，為冷鏈物流的肉類食品實時狀態(tài)監(jiān)控提供一種新途徑。系統(tǒng)可將冷鏈物流車的肉類品質(zhì)信息傳遞至遠程數(shù)據(jù)中心，檢測頻率可根據(jù)遠程數(shù)據(jù)中心需求動態(tài)調(diào)節(jié)。系統(tǒng)雖然針對肉類設計，但通過更換傳感器組成新的傳感器陣列，調(diào)整電路后同樣可用于蔬菜、水果等食品的檢測，是一種擴展性較強的硬件系統(tǒng)。