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传统酿醋工艺产生的二氧化碳的监测和利用
来源：造物记物联网创新应用专项挑战赛
作者：江志灏
一
项目背景
在酿醋过程中，二氧化碳气体的浓度变化最大。在酿醋的发酵期，醋酸菌通过分解醇类物质产生大量的二氧化碳气体，此时二氧化碳气体的浓度可以达到5%至10%之间，是酿醋过程中气体浓度变化最大的阶段。所以在酿醋的过程中我们利用 先进的科技设备和现代先进的技术对传统酿醋工艺产生的二氧化碳进行监测是十分必要。
一
监测数据
随着酿醋过程的继续，二氧化碳气体的浓度逐渐下降。在酿醋的中后期，二氧化碳气体的浓度会降低到2%至3%之间。在酿醋的老化期，二氧化碳气体的浓度会继续下降，通常低于1%。此外，在酿醋过程中还会产生少量的其他气体，如氧气和一氧化碳A气体等，但它们的浓度变化范围相对较小，不如二氧化碳气体浓度变化显著。
在酿醋过程中，pH值会发生较大的变化。这是因为酿醋是种发酵过程，醋酸菌会将酒精转化为醋酸，并产生一系列的化学反应。这些反应会导致酿醋液的pH值发生变化。
在酿醋初期，也称为发酵期，由于醋酸菌的活动，酒精被转化为醋酸，同时也会产生一些醛类化合物和酮类化合物等。这些化合物会降低酿醋液的pH值,使其呈现酸性。随着酿醋过程的继续，pH值会逐渐下降，这是由于醋酸的累积和二氧化碳的释放所致。在酿醋的中后期，pH值会降低到4.0至4.5之间，这是理想的酿醋pH值范围。在酿醋的最后阶段，也称为老化期，pH值会继续下降，但下降的速度会变得较慢。
需要注意的是，酿醋的pH值变化还受到酿醋原料和酿醋过程控制等多种因素的影响，因此具体的pH值变化范围会因酿醋的具体情况而有所不同。
在酿醋过程中，都有哪些数据会发生较大变化，例如二氧化碳浓度和PH值，所以本次监测主要是二氧化碳气体的检测和酿醋液的PH值。
在酿醋过程中，除了二氧化碳浓度和pH值之外，还有一些其他的数据也会发生较大的变化，其中包括:
1. 温度:酿醋过程需要一 定的温度条件来促进醋酸菌的生长和代谢活动。一般来说，酿醋的适宜温度范围为25°C至35°C之间，过高或过低的温度都会对酿醋产生不利影响。（所以我们要用温湿度传感器检测温度）
2. 溶解氧:溶解氧是酿醋过程中的一个重要参数，因为醋酸菌需要氧气才能完成酒精到醋酸的转化过程。随着酿醋过程的进行，醋酸菌的代谢活动会消耗氧气，导致溶解氧浓度下降。
3.醋酸浓度:醋酸是酿醋的主要产物，酿醋过程中醋酸浓度会逐渐增加，直到达到一定的浓度才会停止酿醋过程。
4. 甘油浓度:甘油是酿醋过程中的一个重要中间产物，它是酒精到醋酸转化的前体。在酿醋初期，甘油浓度会随着酒精浓度的降低而增加，然后随着醋酸的产生逐渐下降。
需要注意的是，不同类型的酿醋在且体情况重要结合且体的酿醋米型，主要是糯米和粘米的比例。
三
设计步骤
臭屁醋的制作方法如下：
选一个阳光比较充足的日子，先准备好陶制的醋坛子，水密封的或者其它密封形式的瓦坛也行。
到超市或者市场里购买粘米和上佳的糯米。
糯米和粘米的配比为2：1，也就是如果加入的米是1斤（注意：酿制不同容积大小的臭屁醋加入的米不同，加入米的重量具体需要判断醋坛子的大小而定。），则糯米占2/3斤，粘米占1/3斤。
把上面所准备按照2：1配比的糯米和粘米米洗净，沥干水。
烧干锅，把所准备的米放入锅里进行干炒，在翻炒的过程中注意米要受热均匀，直到米出现微微发黄就停止干炒。（注意：米的干炒过程中不能放入任何的东西，热锅中的材料只能是米。）
把炒黄的米放入干净、没有漏水的醋坛子中。
再加山泉水或纯净水，把醋坛子封盖，隔绝空气，放置阳台，或阳光刚可以照射到的地方，剩下的就交给时间，让醋坛子里炒过的糯米和粘米充分发酵，期间尽量不要打开醋坛子，静静等待时间的酝酿。
在进行醋坛子内微生物发酵过程中，微生物对坛子里的米进行分解，变成酒精、醋酸、糖类等一系列的物质，最后，这些物质就会进行相关的化学反应生成酯类等物质。
在醋坛子密封的环境下，约90天，也就是三个月之后，打开醋坛子，一股类似于长沙臭豆腐“闻起来臭，吃起来香”的“臭屁醋”就大功告成了。
注意：在每次取用臭屁醋后，记得加入相应的纯净水。重新加水后，一定要再次密封醋坛子，持续发酵16天以上才会好吃，不然会没有酸味。一年内，假如吃醋的次数多的话，那个醋渣就会少了，这是因为密封的坛子里微生物会对坛子里的米进行分解。坛子里没有醋渣则会所以会造成微生物不能再进行发酵作用，也就不能产生醋酸。这时，可以直接加生的糯米进去，也可以把糯米煮熟，或者放糯米的饭焦进去，主要是糯米的，假如放粘米或者冷饭或者冷饭的饭焦的话，醋就变得不好吃了，这点也很关键！在放了新的原料，也是要封闭醋坛子，发酵16天以上才能取出进行煮食。米、水的配制比例：糯米一斤，粘米半斤，加水至坛口15公分左右，预留发酵气体所需的空间，放置阳台，发酵3个月为佳，坐月子喝的臭屁醋，需要发酵100天以上，浸泡时要加适量的姜。
四
数据化大面板设计
利用Mind+的可视化面板，设计《石岗小学酿醋传统工艺数据监测系统》监测大屏。
大屏内容包括：环境温度、空气湿度、液体PH值、二氧化碳浓度、氧气浓度、液体实时温度、空气质量监测，环境安静程度、照明系统、和实时监控画面。
五
行空板数据显示界面
测试数据同样包括：环境温度、空气湿度、液体PH值、二氧化碳浓度、氧气浓度、液体实时温度、空气质量监测，环境安静程度。
六
整体外观设计
1、行空板和传感器安放面板和酿醋坛子的外观设计，总体设计如下图。
七
模拟pH计V2使用校准
模拟pH计V2专门用于测量溶液的pH，衡量溶液的酸碱程度，常用于鱼菜共生、水产养殖、环境水检测等领域。
配套软件库采用2点校准的方式，能自动识别两种标准液4.0和7.0，简单方便。
本产品配合主控板（如Arduino）与配套的开源软件库，就可迅速搭建出一套pH检测仪，即插即用，无需焊接。DFRobot提供多种水质检测传感器产品，尺寸与接口统一，满足各类水质检测的需求，也适合搭建多参数水质检测仪。
pH是衡量溶液酸碱度的一个值，亦称氢离子浓度指数、酸碱值，是溶液中氢离子活度的一种标度。pH在医学、化学、农业上都有广泛的用途。通常pH是一个介于0~14之间的数，在热力学标准状况下，pH=7的溶液呈中性，pH<7时呈酸性，pH>7时呈碱性。
重要注意事项：
BNC座子与转换板必须保持干燥和清洁，否则会影响输入阻抗，导致测量不准确。如不慎受潮，需烘干处理。
转换板不可直接放置在潮湿的平面或半导体平面上，否则会影响输入阻抗，导致测量不准确。建议用尼龙柱固定，让转换板与平面留有一定的距离。
pH电极头部的敏感玻璃泡不得与硬物接触，任何破损和擦毛都会使电极失效。
测量完毕，转换板断电后，请及时将pH电极与转换板断开连接。pH电极不可长时间接在未供电的转换板上。
为保证测量精度，初次使用的电极，或者使用了一段时间的电极，需要进行校准。本教程采用2点校准，因此需要4.0和7.0的pH标准液。下面将详细说明如何进行2点校准。
1.上传样例代码至arduino主控板中，上传完毕后，打开串口监视器，即可看到温度与pH。如自行添加了温度传感器，务必写好相应的功能函数代码并调用。
2.用蒸馏水清洗电极，然后用吸水纸吸干残余水滴。将pH电极插入到7.0的pH标准液中，轻轻搅拌，等待数值稳定。
3.待数值稳定后，即可进行第一点的校准。具体步骤如下：
第一步：PH计校准步骤。
在串口监视器中输入enterph指令，进入校准模式。
2.输入calph指令进行校准，校准成功与否会有相应的提示。程序会自动识别2种pH标准液：4.0和7.0。本例会自动识别出7.0的pH标准液。
3. 校准完毕后，输入exitph指令,保存好相关参数并退出校准模式。必须输入exitph指令后，相关参数才能保存下来。
4.经过上述步骤，第一点的校准就完成了。
下面进行第二点的校准。
5.用蒸馏水清洗电极，然后用吸水纸吸干残余水滴。将pH电极插入到4.0的pH准液中，轻轻搅拌，等待数值稳定。
第二步：待数值稳定后，即可进行第二点的校准。与第一点校准步骤一致，具体步骤如下：
1.在串口监视器中输入enterph指令，进入校准模式。
2.输入calph指令进行校准，校准成功与否会有相应的提示。程序会自动识别2种pH标准液：4.0和7.0。本例会自动识别出4.0的pH标准液。
3.校准完毕后，输入exitph指令,保存好相关参数并退出校准模式。必须输入exitph指令后，相关参数才能保存下来。
4.经过上述步骤，第二点的校准就完成了。
电路连接图：
通过以上二点校准后模拟PH计才可以使用 。
本次数据采集主要采用SCI采集模块。这次作品我使用了两块SCI采集模块，所以这里使用方法详细说明。SCI采集模块与行空板连接电路如图所示。
SCI采集模块是一款功能强大且高度集成的数据采集模块，该模块融合了屏幕显示、传感器自动识别、传感器校准、数据存储、RTC时钟以及数据优化等多种特性，让数据采集变得更加便捷和高效。此外，SCI采集模块还具有多种供电方案，并可通过I2C接口输出优化后的传感器数据，兼容Arduino、micro:bit、掌控板、行空板、树莓派等常用的开源硬件主控。
使用数字/模拟传感器
将传感器接入左侧的Port1口
在初始页摁下“S”键，进入设置菜单
光标默认处于“Select SKU”，此时摁下“OK”键，进入传感器选择页面
通过“S”和“R”键上移/下移光标至要选择的传感器上
摁下“OK”键确认选择，至此选择成功，页面会直接跳转至初始页并在第一行显示出已选择的传感器数据
说明1：选中“Analog”选项后会在初始页显示Port1口读取到的电压值，单位为mV
说明2：传感器选中后会一直处于选中状态，传感器的数据会一直显示在初始页的第一行，若要取消选中状态请选择“NULL”
数据记录和读取
SCI采集模块自带16M存储空间，可将实验数据以CSV表格格式实时记录存储下来。CSV表格包含时间标签、传感器检测的物理量名称、物理量数值、物理量单位等数据。
将传感器连接到SCI采集模块，通过手动选择或自动识别，屏幕中已显示出传感器数据
传感器已放置到实验环境，需要开始数据记录
摁下“R”键，启动数据记录。此时屏幕左下角的REC旁会出现“ * ”标识，“R”键上方的指示灯按照数据刷新率开始闪烁，指示此时SCI采集模块正在进行数据记录
说明1：数据记录功能为上电默认关闭，可通过摁“R”键随时暂停或启动该功能
说明2：SCI采集模块每次上电后第一次启动数据记录时会创建一个新的CSV文件，文件名为此时的系统时间，例如10_24_09_30_00。文件创建后暂停或启动数据记录不会再创建新的文件，数据会存入最新创建的文件中，每次暂停和启动数据记录后CSV文件中会加入一行空行作标记
说明3：若需在不重启SCI采集模块的情况下新建一个CSV文件，需在暂停数据记录的状态时长摁“R”键3秒，直到"R"键上方的指示灯快速闪烁1秒指示新建成功
说明4：使用数据线将电脑与模块连接时，在弹出的U盘中进行任何操作都会占用REC功能，将无法开启数据记录，需重启模块后才能正常记录数据。同理，在启动REC功能后禁止对U盘做任何操作，否则会导致数据记录失败。
mind+图形化编程
Mind+请安装1.7.2及以上版本，切换到上传模式。
打开扩展，切换到用户库，粘贴此链接加载SCI库：https://gitee.com/liliang9693/ext-sci
选择主板，进行编程。
输入想要获取物理量的名称，物理量名称可直接通过模块屏幕中显示的名字获得，也可通过“已支持产品清单”察看。
运行程序如下图所示。
调好SCI采集模块后连接好摄像头和连接好全部电路。
八
编写程序
连接好电路后，在Mind+中编写摄像头监测和数据联网程序。
九
SIot设计
十
外观结构
用激光切割建模制作好作品外观结构。
完成外观后，上传程序，下面看一下视频效果。
十一
总结
通过这次数据采集系统的制作。让我了解了更多的传感器的作用和使用方法。在这个基础上，改进思路，设计一个更好的作品，谢谢大家的观看。
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