路奇，張煜，孫宇馳，徐迎慶

智能家居氣味識(shí)別裝置產(chǎn)品設(shè)計(jì)研究及實(shí)踐

路奇a,b，張煜a,b，孫宇馳b，徐迎慶a,b

（清華大學(xué) a.美術(shù)學(xué)院 b.未來(lái)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

探究不同結(jié)構(gòu)的氣路和氣室設(shè)計(jì)，對(duì)于氣味識(shí)別裝置的性能影響，以及總結(jié)歸納關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，為氣味識(shí)別產(chǎn)品在居家環(huán)境的實(shí)際應(yīng)用提供參考。基于模塊化的設(shè)計(jì)方法，面向電子鼻家居應(yīng)用設(shè)計(jì)了6種不同的氣路結(jié)構(gòu)，之后開展電子鼻響應(yīng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，對(duì)比6種結(jié)構(gòu)的性能差異，并在實(shí)驗(yàn)結(jié)論基礎(chǔ)上討論電子鼻在不同家居應(yīng)用場(chǎng)景下的部署模式和使用方式，以及實(shí)驗(yàn)結(jié)論如何應(yīng)用于實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中。實(shí)驗(yàn)表明，不同氣室結(jié)構(gòu)對(duì)電子鼻的響應(yīng)性能有著顯著的影響，對(duì)家居場(chǎng)景中氣味采集應(yīng)用的氣路設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義，從而幫助提升氣味識(shí)別能力，賦能家居功能創(chuàng)新和服務(wù)創(chuàng)新，提升用戶體驗(yàn)。

氣味識(shí)別；電子鼻；穩(wěn)流結(jié)構(gòu)；智能家居

在信息技術(shù)高速發(fā)展的時(shí)代背景下，穩(wěn)定高效的環(huán)境信息采集技術(shù)為智能家居功能創(chuàng)新提供了可能。在眾多類型的物理信息（如光、聲、電磁波等）被廣泛探測(cè)和利用的同時(shí)，氣味作為一種空間化學(xué)信息，較少受到關(guān)注。實(shí)際上氣味信息在家居環(huán)境中廣泛存在，例如食物與烹調(diào)氣味、家居裝潢氣味、洗手間氣味等。從這些例子中可以看到，氣味是家居安全、健康、舒適的風(fēng)向標(biāo)；另一方面，用戶嗅覺感知與個(gè)人喜好、情緒和記憶有著密切的聯(lián)系[1-2]，設(shè)計(jì)家居氣味空間對(duì)于滿足用戶更高層級(jí)的需求和提供更貼心的用戶體驗(yàn)都至關(guān)重要。綜上所述，氣味識(shí)別技術(shù)在智能家居中具有巨大的應(yīng)用潛力。

同時(shí)人們也應(yīng)認(rèn)識(shí)到氣味識(shí)別的機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存，其中一個(gè)重點(diǎn)問題是家居的氣味環(huán)境復(fù)雜多變，用戶行為與住宅空間、設(shè)備、物品的相互作用導(dǎo)致氣味的性質(zhì)、傳播狀態(tài)等都在時(shí)刻變化，這給氣味識(shí)別的準(zhǔn)確率、識(shí)別速度、魯棒性等技術(shù)指標(biāo)帶來(lái)了非常大的考驗(yàn)。相關(guān)研究表明，氣味識(shí)別裝置中的氣路設(shè)計(jì)可以在該問題上發(fā)揮重要作用，本研究基于模塊化的設(shè)計(jì)方法，面向電子鼻家居應(yīng)用設(shè)計(jì)了6種不同的氣路結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)并開展電子鼻響應(yīng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)對(duì)比這些結(jié)構(gòu)的性能差異，在實(shí)驗(yàn)結(jié)論基礎(chǔ)上討論不同結(jié)構(gòu)在家居氣味識(shí)別應(yīng)用設(shè)計(jì)中的不同適用性，為氣味識(shí)別在智能家居場(chǎng)景中的應(yīng)用提供參考。

1 研究背景與設(shè)計(jì)價(jià)值

1.1 氣味識(shí)別家居應(yīng)用

隨著家居智能化程度的不斷提高，具備感知能力、通信能力和智能信息處理能力的智能家居設(shè)備，開拓了室內(nèi)普適計(jì)算與人機(jī)交互的許多新場(chǎng)景。氣味作為一種化學(xué)信息，在智能家居設(shè)計(jì)中正在受到關(guān)注，目前主要的應(yīng)用研究涉及以下幾個(gè)方面。

1）空氣質(zhì)量。室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)主要包含PM2.5、CO2濃度、揮發(fā)性有機(jī)物（TVOCs）等指標(biāo)，同時(shí)室內(nèi)的各種異味，如垃圾異味、廁所異味、裝修異味等，也非常影響人們的居住健康和體驗(yàn)。對(duì)這些氣味進(jìn)行監(jiān)測(cè)和凈化是家居基本的用戶需求，目前已有相關(guān)研究使用氣體傳感器網(wǎng)絡(luò)或電子鼻等技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)[3-4]，也有研究人員專注于研究室內(nèi)空氣質(zhì)量的可視化體驗(yàn)設(shè)計(jì)[5]。此外，Amores等[6]開發(fā)了簡(jiǎn)易電子鼻以檢測(cè)揮發(fā)性垃圾異味，可以部署在垃圾桶上。

2）食品相關(guān)鑒定和檢測(cè)。氣味識(shí)別是食品科學(xué)中的傳統(tǒng)研究方法，例如使用電子鼻識(shí)別蔬果蛋肉等食材的新鮮程度[7-9]，對(duì)食用油、紅酒、果汁等液態(tài)食品進(jìn)行品質(zhì)檢測(cè)[10-12]，分析菜肴風(fēng)味的影響因素等[13-14]?，F(xiàn)代人越來(lái)越重視飲食健康，包括食材選擇、營(yíng)養(yǎng)搭配和烹調(diào)方式等，因此食品氣味識(shí)別在家居中具有廣泛的應(yīng)用前景。

3）醫(yī)療健康診斷。中醫(yī)診察疾病的手法講究“望聞問切”四診，其中“聞”是指聽聲音+聞味道[15]，古希臘也有通過排泄物（呼吸、尿液、汗水）氣味來(lái)判斷患者健康狀況的原始診斷手法流傳下來(lái)[16]。有很多病癥會(huì)讓患者散發(fā)不同的氣味，它們可能通過各類排泄物排出從而被聞到或檢測(cè)到。目前已有很多研究使用電子鼻對(duì)這些VOCs進(jìn)行檢測(cè)，以實(shí)現(xiàn)疾病粗篩或預(yù)防工作[17]。

4）場(chǎng)景和活動(dòng)理解。家居活動(dòng)的監(jiān)測(cè)和理解可以讓智能家電、服務(wù)機(jī)器人為用戶提供更高級(jí)的功能和更貼心的服務(wù)，同時(shí)持續(xù)監(jiān)測(cè)家庭活動(dòng)還可以自動(dòng)檢測(cè)緊急情況，例如老年人的異常狀況或身體變化，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。然而已有的活動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)通?；谝曨l監(jiān)測(cè)，或需要用戶佩戴加速度計(jì)、陀螺儀等監(jiān)測(cè)設(shè)備。這些技術(shù)的主要問題是具有侵入性，前者侵犯用戶隱私，后者增加身體負(fù)擔(dān)，導(dǎo)致用戶不愿在家中使用這些技術(shù)。相比之下，通過氣味感知技術(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)人類活動(dòng)可以在一定程度上消解這種侵入性問題，因?yàn)闅馕蹲R(shí)別裝置通常是固定在某一位置，且即便獲取了氣味感知數(shù)字信號(hào)也無(wú)法從中“看”到或“聽”到家庭中發(fā)生的事件。目前基于氣味信息的家居活動(dòng)理解已經(jīng)可以識(shí)別單空間中活動(dòng)人數(shù)[18]、判斷與氣味有相關(guān)性的活動(dòng)內(nèi)容等（如沐浴、如廁、烹飪、鍛煉等）[19-20]。

傳統(tǒng)氣味識(shí)別與分析一般在化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中使用專業(yè)分析儀器進(jìn)行，對(duì)于家居場(chǎng)景，氣味識(shí)別首先需要做到小型化、廉價(jià)化、便捷化，電子鼻技術(shù)為這一應(yīng)用場(chǎng)景提供了可能性。目前市場(chǎng)上電子鼻產(chǎn)品的技術(shù)形態(tài)以金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器陣列為主，利用陣列對(duì)氣味的交叉響應(yīng)特性，能夠?qū)崿F(xiàn)多種氣味檢測(cè)[21]。這類電子鼻主要由傳感器陣列與信號(hào)采集處理系統(tǒng)構(gòu)成，具有布局靈活、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足家居場(chǎng)景中的多種氣味采集和識(shí)別需求。

1.2 室內(nèi)氣體環(huán)境與電子鼻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

世界現(xiàn)存的有氣味分子數(shù)量龐大，能被人類嗅聞的絕大多數(shù)氣味是多種物質(zhì)的混合物，且不同組分的濃度都會(huì)對(duì)最終嗅覺感受造成影響，也就意味著實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的氣味識(shí)別本身就是極困難的任務(wù)。同時(shí)，氣味的揮發(fā)受到溫濕度、擴(kuò)散空間、用戶行為的廣泛影響；氣味的擴(kuò)散則遵循流體力學(xué)定律，在家庭環(huán)境中會(huì)受到各種動(dòng)力條件如自然風(fēng)、電器風(fēng)（風(fēng)扇、空調(diào)、抽油煙機(jī)等）、人為動(dòng)作等的影響?？紤]以上這些因素，在家居中保證穩(wěn)定的氣味識(shí)別條件對(duì)于其落地應(yīng)用非常關(guān)鍵。因此，對(duì)于電子鼻等氣味識(shí)別技術(shù)，優(yōu)秀的進(jìn)出氣采樣系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定采樣、減輕干擾和加快采樣速度都有重要作用。

此外，由于電子鼻的應(yīng)用場(chǎng)景豐富，其產(chǎn)品或模組經(jīng)常需要被部署到不同的應(yīng)用環(huán)境中。在實(shí)際應(yīng)用中，為了排除環(huán)境干擾，實(shí)現(xiàn)更快的氣味收集以及脫吸附，通常會(huì)使用氣泵（或風(fēng)扇）來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電子鼻的主動(dòng)供氣，將待測(cè)氣體抽進(jìn)部署了氣體傳感器的氣室當(dāng)中實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，并通過氣泵（或風(fēng)扇）更新氣室內(nèi)的氣體環(huán)境，使氣體傳感器回復(fù)待檢測(cè)狀態(tài)。不同的氣室結(jié)構(gòu)會(huì)影響氣體傳感器表面的氣流環(huán)境，進(jìn)而決定氣體傳感器的使用表現(xiàn)。當(dāng)前的研究認(rèn)為氣體傳感器的響應(yīng)會(huì)受到氣流速度、傳感器與進(jìn)氣口夾角、腔室體積的影響[22-26]。因此氣室結(jié)構(gòu)是影響電子鼻實(shí)際測(cè)試性能表現(xiàn)的重要因素。它是直接接觸、貯存待測(cè)物的部件，易被污染。并且不同應(yīng)用場(chǎng)景的結(jié)構(gòu)需求存在差異，如快速采樣、快速脫附等。

1.3 研究?jī)?nèi)容與價(jià)值

本文的主要研究問題是氣路和腔室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)對(duì)電子鼻的各項(xiàng)性能指標(biāo)產(chǎn)生怎樣的影響。基于模塊化設(shè)計(jì)方法，構(gòu)建6種氣路結(jié)構(gòu)，用于對(duì)比測(cè)試進(jìn)出氣方向、氣體流速、均勻性等參數(shù)與電子鼻各項(xiàng)性能指標(biāo)的相關(guān)性，了解結(jié)構(gòu)與氣流對(duì)于電子鼻的響應(yīng)特性影響，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)原則提供參考。在實(shí)驗(yàn)結(jié)論總結(jié)基礎(chǔ)上，討論了智能家居中電子鼻在不同應(yīng)用場(chǎng)景下的部署方式和使用方式，并且討論實(shí)驗(yàn)結(jié)論如何應(yīng)用于實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中。

以上實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)討論能夠在外形、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面為電子鼻在智能家居中的應(yīng)用前景提供有力支持。設(shè)計(jì)師和產(chǎn)品開發(fā)人員可以參考本文提供的模塊化氣路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制作相關(guān)產(chǎn)品；實(shí)驗(yàn)中得出的各種數(shù)據(jù)和分析結(jié)論，可以幫助設(shè)計(jì)師或用戶根據(jù)實(shí)地場(chǎng)景的空間、應(yīng)用形態(tài)快速?zèng)Q策，設(shè)計(jì)最適合的氣路結(jié)構(gòu)。提升氣味識(shí)別在家居應(yīng)用中的可靠性、準(zhǔn)確性和便捷性，從而賦能家居功能創(chuàng)新和服務(wù)創(chuàng)新，提升用戶體驗(yàn)。

2 模塊化電子鼻穩(wěn)流結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在氣味采集領(lǐng)域，電子鼻方案越來(lái)越受到重視。電子鼻通常指集成了若干不同種類的氣體傳感器與信號(hào)采集處理模塊的集成氣味采集裝置，它利用單一氣體傳感器對(duì)不同氣體會(huì)產(chǎn)生差異化的響應(yīng)信號(hào)這一特點(diǎn)，使每個(gè)氣體傳感器成為一個(gè)氣味檢測(cè)的“維度”，得到一個(gè)氣味數(shù)據(jù)多維空間，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)不同氣味的“指紋譜”檢測(cè)。文中使用由嗅場(chǎng)科技提供的電子鼻開發(fā)板進(jìn)行穩(wěn)流結(jié)構(gòu)方案測(cè)試實(shí)驗(yàn)（見圖1），其共搭載21通道各類型氣體傳感器，這些傳感器通道具有不同的氣體響應(yīng)特性，工作相互獨(dú)立，為平行關(guān)系。

圖1 電子鼻開發(fā)板

文中設(shè)計(jì)了如圖2所示的幾種構(gòu)成氣室的模塊。氣室的結(jié)構(gòu)包括以下幾個(gè)維度：空間大小、進(jìn)氣位置、出氣位置、內(nèi)部結(jié)構(gòu)。其中，氣室空間大小與氣室換氣速度相關(guān)，通過使用圖2中的支撐結(jié)構(gòu)件，可以調(diào)整氣室體積。進(jìn)氣與出氣位置極大地影響了氣室內(nèi)部的氣流環(huán)境，有頂部和側(cè)面開孔兩種選擇。而氣室空間內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了氣室內(nèi)部氣流的再分布，因此設(shè)計(jì)了導(dǎo)氣框與遮擋框2種模塊來(lái)使氣室內(nèi)部的氣流分布更為均勻。這2種模塊可以配合支撐件，根據(jù)需要放入氣室的不同高度。

圖2 氣室模塊組件模型示意

根據(jù)所設(shè)計(jì)的模塊，構(gòu)建了6種氣室結(jié)構(gòu)方案。方案1：頂端進(jìn)氣，側(cè)面出氣氣室，內(nèi)部沒有部署結(jié)構(gòu)。方案2：側(cè)面進(jìn)氣，頂端出氣，內(nèi)部沒有部署結(jié)構(gòu)。方案3：頂端進(jìn)氣，側(cè)面出氣氣室，內(nèi)部部署導(dǎo)氣框。方案4：側(cè)面進(jìn)氣，頂端出氣氣室，內(nèi)部部署導(dǎo)氣框。方案5：頂端進(jìn)氣，側(cè)面出氣氣室，內(nèi)部部署導(dǎo)氣框和遮擋框。方案6：側(cè)面進(jìn)氣，頂端出氣氣室，內(nèi)部部署導(dǎo)氣框和遮擋框，見圖3。

圖3 6種氣室結(jié)構(gòu)及氣流方向

在不同的氣室結(jié)構(gòu)與進(jìn)出氣位置下，氣室內(nèi)部氣體流場(chǎng)存在差異，造成了待測(cè)氣體分子在氣室內(nèi)部輸運(yùn)情況存在空間分布差異，影響電子鼻中不同位置氣體傳感器的響應(yīng)速度與靈敏度，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)一步分析了這種影響。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與數(shù)據(jù)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

測(cè)試裝置包括電子鼻開發(fā)板、氣室和隔膜氣泵3部分構(gòu)成，見圖4。除電子鼻開發(fā)板外，氣室主體結(jié)構(gòu)和導(dǎo)氣框使用光敏樹脂材料3D打印制作而成，內(nèi)部遮擋框和支撐件使用1 mm厚的亞克力板經(jīng)過激光切割制作而成。為減少測(cè)試氣味樣品在氣室結(jié)構(gòu)上的殘余，使用1 mm厚的聚四氟乙烯板制作頂蓋，并使用3 mm的鍍鎳螺絲與電子鼻緊密連接。氣泵為卡默爾KVP04-1.1-12微型真空泵，其泵氣速度為1.2 L/min。為避免氣泵中殘留氣體影響重復(fù)測(cè)試的結(jié)果，通常選擇將氣泵置于整個(gè)氣路的后端，作為抽氣泵使用。

圖4 測(cè)試裝置

3.2 測(cè)試流程

測(cè)試過程選取無(wú)水乙醇作為氣味源，主要原因包括：電子鼻所采用的氣體傳感器陣列的大部分傳感器均對(duì)乙醇分子有響應(yīng)，可在同一組實(shí)驗(yàn)中獲得更多傳感器的響應(yīng)值；無(wú)水乙醇是一種揮發(fā)性很強(qiáng)的有機(jī)溶劑，并且附著性較低，能夠保證多輪數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。此次實(shí)驗(yàn)操作均在通風(fēng)櫥內(nèi)完成，保證環(huán)境清潔，見圖5。

在開始測(cè)試前，將傳感器陣列置于通風(fēng)柜內(nèi)，確保環(huán)境基本保持恒溫，空氣清潔，并對(duì)傳感器陣列通電預(yù)熱24 h，保證預(yù)熱穩(wěn)定有效，使傳感器處于活化狀態(tài)。數(shù)據(jù)采樣頻率為3 Hz，整個(gè)過程可以分為3個(gè)階段：首先穩(wěn)定基線，在上位機(jī)電腦上開始采集數(shù)據(jù)，在不接觸樣品、環(huán)境清潔的情況下持續(xù)收集60 s數(shù)據(jù)，獲得穩(wěn)定的傳感器基線；之后點(diǎn)涂氣味源，在氣室進(jìn)氣口固定位置處使用微量進(jìn)樣器點(diǎn)涂0.4 μL無(wú)水乙醇，使無(wú)水乙醇自然揮發(fā)并被氣泵吸入氣室，過程持續(xù)約120 s，針對(duì)側(cè)面進(jìn)氣頂端出氣的氣室結(jié)構(gòu)，用空置頂蓋在進(jìn)氣口旁搭建進(jìn)樣平臺(tái)，保證與樣品直接接觸的材質(zhì)為聚四氟乙烯，減少干擾，見圖5；最后是脫附階段，在保證通風(fēng)的情況下持續(xù)720 s，使傳感器恢復(fù)到初始基線狀態(tài)，以進(jìn)行下一次檢測(cè)。對(duì)應(yīng)用6種不同氣室結(jié)構(gòu)的電子鼻氣味采集情況分別進(jìn)行了5輪測(cè)試，以排除基線微弱漂移的影響。

3.3 數(shù)據(jù)分析

為了準(zhǔn)確衡量不同氣室結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)，選取了5個(gè)參數(shù)來(lái)進(jìn)行表征，分別是響應(yīng)率、響應(yīng)信號(hào)上升沿最大斜率、最大響應(yīng)電壓與加入乙醇的時(shí)間差、基線回復(fù)速率、回復(fù)到基線電壓與加入乙醇的時(shí)間差。通道2、9、10、13、19、20、21對(duì)乙醇的響應(yīng)率低于10%，表明其對(duì)乙醇敏感程度有限，同時(shí)還有可能對(duì)其他非目標(biāo)氣體產(chǎn)生響應(yīng)從而引入干擾，因此將這7個(gè)通道的數(shù)據(jù)剔除以優(yōu)化結(jié)果分析的魯棒性。剩余通道1、3、4、5、6、7、8、11、12、14、15、16、17、18測(cè)試結(jié)果見圖6—10，其中CH為Channel縮寫，用于編號(hào)不同通道。其中響應(yīng)率與基線回復(fù)速率采用計(jì)算公式如下。

圖5 檢測(cè)環(huán)境及檢測(cè)流程（頂部和側(cè)方進(jìn)樣）

圖6 響應(yīng)率

圖7 響應(yīng)信號(hào)上升沿最大斜率

圖8 最大響應(yīng)電壓與加入乙醇的時(shí)間差

圖9 基線回復(fù)速率

圖6展示了應(yīng)用6種氣室結(jié)構(gòu)的電子鼻相對(duì)乙醇的響應(yīng)率，可以看出方案4的響應(yīng)率最為突出。方案6的響應(yīng)率同樣很高，除了導(dǎo)氣框還具有遮擋框結(jié)構(gòu)。方案4和方案6都是側(cè)面進(jìn)氣，頂端出氣，方案2雖然也是側(cè)面進(jìn)氣頂端出氣，但是響應(yīng)率表現(xiàn)并不好。顯然導(dǎo)氣框?qū)﹄娮颖钦w響應(yīng)率的提升很有幫助。

從圖7—8可以看出應(yīng)用氣室結(jié)構(gòu)方案4的電子鼻響應(yīng)率信號(hào)上升得最快，也能使電子鼻最快達(dá)到最大響應(yīng)電壓。而應(yīng)用方案6的電子鼻雖然其響應(yīng)率信號(hào)開始上升的也很快，但是需要較長(zhǎng)的時(shí)間才能達(dá)到最大響應(yīng)電壓。因此在側(cè)面進(jìn)氣頂端出氣的情況下，遮擋板對(duì)氣味信號(hào)響應(yīng)速率有一定的負(fù)面影響。方案1進(jìn)氣方向與方案2和方案6相反，但是氣味源可以直接散布在氣體傳感器正面，在響應(yīng)信號(hào)的上升速率和達(dá)到最大響應(yīng)電壓的時(shí)間這2項(xiàng)指標(biāo)上表現(xiàn)也很突出。

從圖9-—10中，在基線回復(fù)的速度上，可以看出應(yīng)用了氣室結(jié)構(gòu)方案2、4、6的電子鼻，其基線回復(fù)速度比較快，用時(shí)較少。尤其是方案6（即側(cè)面進(jìn)氣，頂端出氣氣室，內(nèi)部部署導(dǎo)氣框和遮擋框的方案）能夠使電子鼻最快回復(fù)到基線水平。方案2、4、6的共性是側(cè)面進(jìn)氣頂端出氣，顯然這種進(jìn)氣方式對(duì)于氣室的換氣來(lái)說非常有幫助，同時(shí)配合遮擋板的方案對(duì)基線的回復(fù)最有利。

導(dǎo)氣框的作用在于將進(jìn)出氣口處直徑幾毫米的氣流盡可能散布開來(lái)，使氣流盡可能均勻分布在氣室各處。從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，需要配合側(cè)面進(jìn)氣頂端出氣的方式才能使電子鼻的工作效果更好，更有利于提高對(duì)氣味信號(hào)的收集。對(duì)比氣室結(jié)構(gòu)方案1，雖然能夠提高最大信號(hào)響應(yīng)速率，但是從達(dá)到響應(yīng)峰值的時(shí)間來(lái)看，不同通道氣體傳感器的響應(yīng)并不均勻。因此盡可能使氣室內(nèi)氣流分布均勻作為主動(dòng)進(jìn)氣式電子鼻氣室的設(shè)計(jì)原則，既可以提高電子鼻的各項(xiàng)響應(yīng)性能，又因?yàn)闅饬鞣植季鶆蚩梢垣@得更可靠的各通道響應(yīng)數(shù)據(jù)。而遮擋板給氣室內(nèi)部帶來(lái)了擾動(dòng)，在側(cè)面進(jìn)氣頂端出氣的情況下，能夠加快氣體傳感器表面附近的氣體迭代，基線回復(fù)效率更高。

對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行方差分析以準(zhǔn)確表征應(yīng)用不同氣路結(jié)構(gòu)的差異性。因?yàn)槎鄠€(gè)不同通道的氣體傳感器不屬于同一類別，所以對(duì)酒精的響應(yīng)值有所差異，但是在氣路結(jié)構(gòu)改變的影響下仍應(yīng)服從同樣的規(guī)律。為了量化地體現(xiàn)不同氣路結(jié)構(gòu)對(duì)電子鼻性能參數(shù)的影響，將每一個(gè)氣體傳感器通道在不同氣路結(jié)構(gòu)影響下的性能參數(shù)值以最大值為基準(zhǔn)進(jìn)行歸一化，利用歸一化數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表1。

表1 方差分析結(jié)果

Tab.1 ANOVA results

結(jié)果顯示，對(duì)所選取的5個(gè)關(guān)鍵性能參數(shù)指標(biāo)，均有<0.05，且值均處于顯著水平，體現(xiàn)了不同氣路結(jié)構(gòu)確實(shí)對(duì)電子鼻性能有著顯著影響，并且均值數(shù)據(jù)符合前述分析結(jié)果。

4 基于模塊化穩(wěn)流裝置的電子鼻設(shè)計(jì)探索

4.1 電子鼻適用場(chǎng)景及使用方式

氣室結(jié)構(gòu)方案2、4、6的優(yōu)勢(shì)在于氣體置換效率更高，有效降低單次檢測(cè)時(shí)間，讓檢測(cè)流程更快速、便捷，提升產(chǎn)品的使用體驗(yàn)；針對(duì)家居環(huán)境中不同功能區(qū)、用戶需求可模塊化替換配件，針對(duì)不同濃度、附著性的氣體環(huán)境選擇適宜的匹配方案，符合家居復(fù)雜環(huán)境下氣體檢測(cè)的功能需求，拓寬電子鼻的適用場(chǎng)景。

綜合考慮家居特性、用戶需求，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析選用方案4、方案6進(jìn)行設(shè)計(jì)深化，提出可能的應(yīng)用場(chǎng)景?？蛷d茶幾、燃?xì)饪诘劝腴_放空間，采用固定、擺放式部署電子鼻，長(zhǎng)期、定時(shí)地自動(dòng)檢測(cè)氣體數(shù)據(jù)，防止食品腐敗變質(zhì)或易燃?xì)怏w泄漏，適用方案4；灶臺(tái)、電烤箱等氣味重、污染性強(qiáng)的空間，采用固定、擺放式使用電子鼻，快速、短期檢測(cè)，防止糊鍋等安全問題，適用方案6；新買的家具或剛裝修好的房屋，手持式使用電子鼻，快速、即時(shí)檢測(cè)，及時(shí)獲取污染物信息，保障用戶安全，適用方案4；口氣、人體排泄物等實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)場(chǎng)景，手持式使用電子鼻，快速、即時(shí)獲取用戶健康數(shù)據(jù)，預(yù)防疾病。詳細(xì)對(duì)應(yīng)關(guān)系見表2。

根據(jù)不同適用場(chǎng)景和檢測(cè)對(duì)象，用戶可自行選擇最適配使用習(xí)慣的部署模式，根據(jù)產(chǎn)品特性可歸納3種主要方式：擺放、固定和手持式。

1）擺放式。適用于茶幾或廚房等食品短期儲(chǔ)存、使用微波爐或烤箱等不便于觀察食物實(shí)時(shí)狀態(tài)等短期使用場(chǎng)景，將電子鼻放在靠近氣味源的地方，通過產(chǎn)品上的指示燈或屏幕等交互配件獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，確保能準(zhǔn)確地采集到數(shù)據(jù)，定時(shí)查看或通過手機(jī)APP提示，掌握食品新鮮度和烹飪進(jìn)度。

2）固定式。適用于燃?xì)夤苈贰⒃钆_(tái)等有易燃?xì)怏w泄露風(fēng)險(xiǎn)的使用場(chǎng)景，可將電子鼻固定在氣體易泄露區(qū)域，如管道連接處、灶臺(tái)上方，定時(shí)查看或設(shè)置報(bào)警功能，保障家居環(huán)境安全。

3）手持式。適用于新家具、新家等快速監(jiān)測(cè)使用場(chǎng)景，將電子鼻貼近家具或手持在新家每間屋中進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集，確保污染氣體濃度不會(huì)超標(biāo)，保障用戶健康；甚至在烹飪過程中靠近廚具，檢測(cè)調(diào)料劑量，為新手廚師做飯?zhí)峁┲笇?dǎo)；同時(shí)適用于用戶身體健康檢測(cè)，在進(jìn)氣口呼氣或在運(yùn)動(dòng)、排泄后靠近氣味源快速監(jiān)測(cè)，預(yù)警疾病信號(hào)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)中需更多考慮使用體驗(yàn)，如進(jìn)氣面平整便于清潔，氣口外加一次性過濾裝置，保障數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的同時(shí)，提升短時(shí)間內(nèi)不同使用者的滿意度。

4.2 多模式產(chǎn)品設(shè)計(jì)構(gòu)想

本研究提出了不同模塊組合的適用場(chǎng)景和具體使用方法，更便于設(shè)計(jì)師根據(jù)目標(biāo)用戶群的生活習(xí)慣或家居場(chǎng)景選用配件，設(shè)計(jì)產(chǎn)品。氣室空間結(jié)構(gòu)緊湊，相對(duì)于可能使用的電池、屏幕等配件重量更大，便于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師確定重心位置，排布產(chǎn)品的內(nèi)部構(gòu)造；傳感器陣列電路板和全套氣路配件均可通過螺絲固定在任意產(chǎn)品外殼上，拆卸用外殼配件可設(shè)計(jì)成滑軌、卡扣等不同裝配方式，保證拆卸替換的便捷性。電子鼻氣室是一種易污染的配件，沒有及時(shí)、有效地清潔可能會(huì)給未來(lái)的檢測(cè)增加干擾，影響數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，模塊化、易拆卸、成本低的氣室結(jié)構(gòu)便于更換，在傳感器本體未損壞的情況下延長(zhǎng)產(chǎn)品的使用壽命，增加產(chǎn)品的利用率；模塊配件的設(shè)計(jì)方式適用于多種加工途徑，為需要特種材料的采集場(chǎng)景，拓展了更多應(yīng)用的可能。

根據(jù)4.1中歸納的使用方式，電子鼻產(chǎn)品除了氣味采集功能外，還應(yīng)具有屏幕或指示燈交互模塊，即時(shí)顯示采集狀態(tài)，設(shè)計(jì)方案中使用帶指示燈效果的按鈕模塊，簡(jiǎn)化操作，為了更便于用戶遠(yuǎn)程查看采集情況、家居狀態(tài)、記錄數(shù)據(jù)并及時(shí)警報(bào)危險(xiǎn)氣體，最好有APP聯(lián)動(dòng)手機(jī)，拓寬電子鼻使用的物理空間，給用戶帶來(lái)更便捷的使用體驗(yàn)，在進(jìn)氣口處設(shè)置拆卸便捷、造價(jià)低的過濾裝置，設(shè)計(jì)模擬方案尺寸及爆炸圖，見圖11。氣體流動(dòng)方向見圖11（b），通過氣泵將待測(cè)氣體抽入檢測(cè)腔，完成檢測(cè)后在頂部的格柵處排出。

表2 模塊功能分析

Tab.2 Module functional analysis

圖11 外殼尺寸三視圖及爆炸圖

針對(duì)家具場(chǎng)景設(shè)計(jì)的電子鼻需適配更多的部署模式，在不增加產(chǎn)品數(shù)量的前提下，同一個(gè)電子鼻需要具備手持、固定、半固定等多種使用方式。中扁平化的氣室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，更易適配方形的外殼結(jié)構(gòu)，適配的外殼設(shè)計(jì)方式更廣，結(jié)合前文提出的使用場(chǎng)景，模擬手持式、擺放式產(chǎn)品使用方式，見圖12；同時(shí)為適配非專業(yè)的使用者，在快速、明確地響應(yīng)主動(dòng)進(jìn)氣方式有效提升檢測(cè)效率的同時(shí)，本身也可作為一種交互信號(hào)，進(jìn)一步降低使用門檻，減少學(xué)習(xí)新產(chǎn)品的時(shí)間。

圖12 氣味采集模塊部署方式（手持式和擺放式）

對(duì)手持式口氣檢測(cè)進(jìn)行交互設(shè)計(jì)深化，設(shè)計(jì)手機(jī)APP，進(jìn)一步探索人機(jī)交互模式，APP由智能檢測(cè)、信息檢索和個(gè)人中心3個(gè)主要功能組成，交互層級(jí)少，操作簡(jiǎn)單，見圖13。用戶可選擇用APP或產(chǎn)品上的指示燈按鈕開始檢測(cè)，向進(jìn)氣口吹氣3～5 s，產(chǎn)品上的指示燈和屏幕會(huì)提醒用戶檢測(cè)完成。在APP上查看結(jié)果，如檢測(cè)到疾病相關(guān)氣體濃度超標(biāo)，提示用戶體檢，及時(shí)檢查健康狀況；信息檢索功能會(huì)根據(jù)檢測(cè)結(jié)果推薦相關(guān)文章；個(gè)人主頁(yè)中記錄歷史檢測(cè)結(jié)果和收藏文章，便于用戶查看自己健康狀況的變化，改善生活習(xí)慣，見圖14。

圖13 APP交互界面

圖14 吹氣方式

5 結(jié)語(yǔ)

氣味識(shí)別在智能家居中具有廣泛的應(yīng)用潛力，考慮到家居氣味環(huán)境的復(fù)雜性，相關(guān)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和部署方法對(duì)其性能表現(xiàn)和應(yīng)用可靠性有較大影響。結(jié)合智能家居場(chǎng)景中氣味識(shí)別裝置使用需求，基于模塊化設(shè)計(jì)思想構(gòu)建了幾種氣路配件，可以對(duì)氣室結(jié)構(gòu)的尺寸、開口位置、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等維度進(jìn)行自由調(diào)整。使用所設(shè)計(jì)的幾種氣路配件構(gòu)造了6種氣室結(jié)構(gòu)樣例，并對(duì)應(yīng)用不同氣室結(jié)構(gòu)的電子鼻響應(yīng)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)了不同氣室結(jié)構(gòu)對(duì)電子鼻的響應(yīng)性能有著顯著的影響。對(duì)家居場(chǎng)景中不同功能區(qū)內(nèi)氣味采集設(shè)備的氣室設(shè)計(jì)方案具有指導(dǎo)意義。預(yù)期可以在已有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，通過增加曲面造型，或?qū)馐以O(shè)計(jì)成圓形、橢圓形，減少氣室中的死角，進(jìn)一步探究氣室結(jié)構(gòu)對(duì)電子鼻數(shù)據(jù)的影響，豐富氣室結(jié)構(gòu)相關(guān)的設(shè)計(jì)理論。

此外，本研究基于以上實(shí)驗(yàn)結(jié)論進(jìn)行了氣味識(shí)別適用場(chǎng)景和產(chǎn)品設(shè)計(jì)構(gòu)想等方面的討論，并針對(duì)呼氣健康檢測(cè)應(yīng)用提供了產(chǎn)品設(shè)計(jì)案例參考。獲得的若干結(jié)論可以拓寬電子鼻產(chǎn)品在智能家居中的應(yīng)用范圍，使電子鼻能夠適用更豐富的氣味識(shí)別場(chǎng)景，應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的氣體環(huán)境狀況，通過簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)拆卸、替換采集結(jié)構(gòu)，在外觀造型、尺寸不變的前提下，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同流動(dòng)狀況氣味源信息的采集分析，為電子鼻產(chǎn)品融入未來(lái)智能家居生態(tài)提供了更多可能。

[1] ALAOUI-ISMA?LI O, ROBIN O, RADA H, et al. Basic Emotions Evoked by Odorants[J]. Physiology & Behavior, 1997, 62(4): 713-720.

[2] CHANES L, BARRETT L F. Redefining the Role of Limbic Areas in Cortical Processing[J]. Trends in Cognitive Sciences, 2016, 20(2): 96-106.

[3] TA?TAN M, G?KOZAN H. Real-Time Monitoring of Indoor Air Quality with Internet of Things-Based E- Nose[J]. Applied Sciences, 2019, 9(16): 3435.

[4] POSTOLACHE O A, DIAS PEREIRA J M, SILVA GIRAO P M B. Smart Sensors Network for Air Quality Monitoring Applications[J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2009, 58(9): 3253- 3262.

[5] KIM S, LI Mu-yang. Awareness, Understanding, and Action: A Conceptual Framework of User Experiences and Expectations about Indoor Air Quality Visualizations[C]// Proceedings of the 2020 CHI Conference on Human Factors in Computing Systems. New York: ACM, 2020: 1-12.

[6] AMORES J, MAES P, PARADISO J. Bin-Ary: Detecting the State of Organic Trash to Prevent Insalubrity[C]// Proceedings of the 2015 ACM International Joint Conference on Pervasive and Ubiquitous Computing and Proceedings of the 2015 ACM International Symposium on Wearable Computers. New York: ACM, 2015: 313- 316.

[7] GREEN G C, CHAN A D C, GOUBRAN R A. Monitoring of Food Spoilage with Electronic Nose: Potential Applications for Smart Homes[C]// 2009 3rd International Conference on Pervasive Computing Technologies for Healthcare. London: IEEE, 2009: 1-7.

[8] 李佳婷, 王俊, 李園, 等. 基于電子鼻的雞蛋新鮮度檢測(cè)[J]. 現(xiàn)代食品科技, 2017, 33(4): 300-305, 188.

LI Jia-ting, WANG Jun, LI Yuan, et al. Detection of Egg Freshness Using Electronic Nose[J]. Modern Food Science and Technology, 2017, 33(4): 300-305, 188.

[9] 惠國(guó)華, 厲鵬, 吳玉玲, 等. 基于電子鼻系統(tǒng)的水果腐敗過程表征方法[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2012, 28(6): 264-268.

HUI Guo-hua, LI Peng, WU Yu-ling, et al. Characterization Method of Fruit Decay Procedure Using Electronic Nose System[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2012, 28(6): 264-268.

[10] SIHOMBING Y A, ALFARANDI RITONGA M. Detection of the Cooking Oil Aroma by Using a Gas Sensor in an Electronic Nose System[J]. Journal of Physics: Conference Series, 2021, 1811(1): 012105.

[11] LOZANO J, ARROYO T, SANTOS J P, et al. Electronic Nose for Wine Ageing Detection[J]. Sensors and Actuators B: Chemical, 2008, 133(1): 180-186.

[12] RASEKH M, KARAMI H. E-Nose Coupled with an Artificial Neural Network to Detection of Fraud in Pure and Industrial Fruit Juices[J]. International Journal of Food Properties, 2021, 24(1): 592-602.

[13] 潘治利, 于如夢(mèng), 黃忠民, 等. 不同部位牛肉對(duì)杏鮑菇牛肉菜肴品質(zhì)的比較分析[J]. 現(xiàn)代食品科技, 2020, 36(6): 264-273.

PAN Zhi-li, YU Ru-meng, HUANG Zhong-min, et al. Comparative Analysis of Quality of Pleurotus Eryngii Beef Dishes Treated by Different Parts of Beef[J]. Modern Food Science and Technology, 2020, 36(6): 264-273.

[14] 步營(yíng), 李月, 朱文慧, 等. 不同烹飪方式對(duì)海鱸魚品質(zhì)和風(fēng)味的影響[J]. 中國(guó)調(diào)味品, 2020, 45(1): 26-30.

BU Ying, LI Yue, ZHU Wen-hui, et al. Effects of Different Cooking Methods on Quality and Flavor of Sea Bass[J]. China Condiment, 2020, 45(1): 26-30.

[15] 張華敏, 劉寨華. “聞診”命名源流考[J]. 中醫(yī)藥學(xué)報(bào), 2017, 45(1): 6-8.

ZHANG Hua-min, LIU Zhai-hua. A Textual Research on the Naming Origin of "Smell Diagnosis"[J]. Acta Chinese Medicine and Pharmacology, 2017, 45(1): 6-8.

[16] WILSON A D. Future Applications of Electronic-Nose Technologies in Healthcare and Biomedicine[M]. London: IntechOpen, 2011.

[17] 范蘊(yùn)非, 陳曦. 呼出氣揮發(fā)性有機(jī)物傳感器在疾病診斷中的研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)公共衛(wèi)生, 2019, 35(8): 1099- 1104.

FAN Yun-fei, CHEN Xi. Progress in Researches on Application of Exhaled Volatile Organic Compound Sensors in Disease Diagnosis[J]. Chinese Journal of Public Health, 2019, 35(8): 1099-1104.

[18] FONOLLOSA J, RODRIGUEZ-LUJAN I, SHEVADE A V, et al. Human Activity Monitoring Using Gas Sensor Arrays[J]. Sensors and Actuators B: Chemical, 2014, 199: 398-402.

[19] OYABU T, NANTO H, ONODERA T. Odor Sensing Characteristics of a Lavatory in a General Domicile[J]. Sensors and Actuators B: Chemical, 2001, 77(1-2): 1-6.

[20] DANG Chi tai, SEIDERER A, ANDRé E. Theodor: A Step towards Smart Home Applications with Electronic Noses[C]// Proceedings of the 5th international Workshop on Sensor-based Activity Recognition and Interaction. New York: ACM, 2018: 1-7.

[21] R?CK F, BARSAN N, WEIMAR U. Electronic Nose: Current Status and Future Trends[J]. Chemical Reviews, 2008, 108(2): 705-725.

[22] TAN S L, COVINGTON J, GARDNER J W. Velocity-Optimized Diffusion for Ultra-Fast Polymer-Based Resistive Gas Sensors[J]. IEE Proceedings - Science Measurement and Technology, 2006, 153(3): 94-100.

[23] 童敏明, 吳國(guó)慶, 劉曉文, 等. 風(fēng)流對(duì)催化傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響[J]. 工礦自動(dòng)化, 2010, 36(3): 34-38.

TONG Min-ming, WU Guo-qing, LIU Xiao-wen, et al. Influence of Air Flow on Dynamic Response of Catalytic Sensor[J]. Industry and Mine Automation, 2010, 36(3): 34-38.

[24] SEDLáK P, KUBERSKY P, MíVALT F. Effect of Various Flow Rate on Current Fluctuations of Amperometric Gas Sensors[J]. Sensors and Actuators B: Chemical, 2019, 283: 321-328.

[25] HIRANO S H, HAYES G R, TRUONG K N. USmell: Exploring the Potential for Gas Sensors to Classify Odors in Ubicomp Applications Relative to Airflow and Distance[J]. Personal and Ubiquitous Computing, 2015, 19(1): 189-202.

[26] 馬宏偉, 徐武德, 楊旭輝, 等. 基于Fluent的氣敏特性測(cè)試室設(shè)計(jì)與流場(chǎng)分析[J]. 自動(dòng)化與儀器儀表, 2018(11): 168-171.

MA Hong-wei, XU Wu-de, YANG Xu-hui, et al. Design and Flow Field Analysis of Test-Room for Gas Sensing Characteristics Based on Fluent[J]. Automation & Instrumentation, 2018(11): 168-171.

[27] 梁宏增. 流速和濕度對(duì)氣體傳感器及電子鼻的影響研究[D]. 大連: 大連理工大學(xué), 2011.

LIANG Hong-zeng. Study on the Impact of Gas Flow Rate and Humidity on Gas Sensors and Electronic Nose[D]. Dalian: Dalian University of Technology, 2011.

Design Research and Practice on Odor Recognition Devices in Smart Home

LU Qia,b, ZHANG Yua,b, SUN Yu-chib, XU Ying-qinga,b

(a. Academy of Arts & Design b. The Future Laboratory, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

This work is to investigate the impact of different structural air path and air chamber designs on the performance of odor recognition devices, as well as to summarize the key design parameters to provide reference for the practical application of odor recognition products in the home environment. Based on the modular design technique, six different air path structures were designed for e-nose home applications, followed by e-nose response test experiments to compare the performance differences of the six structures, and then the deployment mode and usage of e-nose in different home application scenarios were discussed based on the experimental results, as well as how the experimental results can be applied in the actual product design process. The results reveal that differing air chamber structures have a substantial impact on the response performance of e-nose, which has implications for the design of air paths for odor collection applications in home scenarios, potentially improving odor recognition capabilities, empowering home function and service innovation, and improving user experience.

odor recognition; e-nose; airflow stabilization structure; smart home

TB472

A

1001-3563(2022)16-0027-10

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.16.003

2022–04–10

自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（62172252）；清華大學(xué)國(guó)強(qiáng)研究院通用類重點(diǎn)研究項(xiàng)目（2020GQG0004）；中國(guó)博士后科學(xué)基金面上項(xiàng)目（2021M691801）

路奇（1991—），男，博士，助理研究員，主要研究方向?yàn)樾嵊X計(jì)算、嗅覺界面設(shè)計(jì)、實(shí)體交互。

徐迎慶（1959—），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)橛脩趔w驗(yàn)設(shè)計(jì)、觸覺認(rèn)知交互、文化遺產(chǎn)數(shù)字化以及自然用戶界面設(shè)計(jì)。

責(zé)任編輯：陳作