一種嵌入式電子鼻檢測系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電子鼻檢測系統(tǒng)和方法，尤其是一種嵌入式電子鼻檢測系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]乳品、肉品等食品在風(fēng)味或腐敗過程中伴隨著硫化氫、氨氣等氣體的揮發(fā)，且隨著腐敗程度的加劇濃度越來越高，氣敏傳感器能夠很好的對(duì)這些氣體進(jìn)行感應(yīng)。
[0003]電子鼻是一種集傳感器、電子、計(jì)算機(jī)和人工智能等技術(shù)于一體的模仿哺乳動(dòng)物嗅覺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和機(jī)理實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)進(jìn)行感知、分析和判斷的電子系統(tǒng)。電子鼻在感觀分析上的優(yōu)勢(shì)，使越來越多的人開始研究它。但現(xiàn)在的電子鼻系統(tǒng)大多基于PC平臺(tái)，成本高，體積大，使用不靈活。嵌入式電子鼻是仿照哺乳動(dòng)物的嗅覺系統(tǒng)來設(shè)計(jì)的，主要由傳感器陣列、接口電路、嵌入式系統(tǒng)等組成。它的使用不受地點(diǎn)限制，靈活輕便。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明公布了一種嵌入式電子鼻檢測系統(tǒng)和方法。主要實(shí)現(xiàn)了便攜、靈活的電子鼻監(jiān)測。
[0005]本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:一種嵌入式電子鼻檢測系統(tǒng)，所述嵌入式電子鼻檢測系統(tǒng)，包括:空氣凈化裝置、密閉氣室、傳感器陣列、接口電路、嵌入式系統(tǒng)和電源裝置。
[0006]空氣凈化裝置選用活性碳作為無極性氣體吸附劑，活性氧化鋁作為有極性氣體吸附劑，最后過水除粉塵，將環(huán)境空氣凈化為標(biāo)準(zhǔn)氣體。
[0007]空氣凈化裝置密閉氣室相連，為密閉氣室提供標(biāo)準(zhǔn)氣體，為每次檢測提供相同的氣室內(nèi)部環(huán)境。
[0008]設(shè)計(jì)空氣凈化裝置，減少了外界環(huán)境氣體的干擾。標(biāo)準(zhǔn)氣體的流量通過改變氣栗的供電電壓來調(diào)節(jié)。
[0009]密閉氣室有一個(gè)進(jìn)氣口和一個(gè)出氣口，內(nèi)部用于放置傳感器陣列和被測樣品。避免了外界環(huán)境對(duì)傳感器的干擾，增強(qiáng)結(jié)果的可靠性。
[0010]傳感器陣列由3個(gè)氣敏傳感器組成(傳感器種類根據(jù)應(yīng)用可以替換)，通過與氣體接觸將氣體種類及與濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，獲取氣體的指紋信息，為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和模式識(shí)別提供原始數(shù)據(jù)信號(hào)。
[0011]傳感器陣列能夠檢測甲烷、氫氣、硫化物以及食品中易揮發(fā)的氣體和蒸汽分子。
[0012]傳感器陣列封裝在密閉氣室里與接口電路相連，傳感器陣列將電壓信號(hào)傳給接口電路。
[0013]接口電路模仿SPI通信協(xié)議，用I/O接口模擬的方式實(shí)現(xiàn)串行通信。通過對(duì)傳感器的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波以及模數(shù)轉(zhuǎn)換等處理形成數(shù)字信號(hào)。
[0014]接口電路與微處理器相連，并將數(shù)字信號(hào)傳給嵌入式系統(tǒng)。
[0015]嵌入式系統(tǒng)包括:硬件部分、操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件。硬件部分為操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件提供運(yùn)行環(huán)境，以及一些必要的存儲(chǔ)、通信等設(shè)備；操作系統(tǒng)用來管理內(nèi)存，調(diào)度任務(wù)，控制硬件部分的工作，為應(yīng)用軟件的運(yùn)行提供軟件環(huán)境；應(yīng)用軟件為用戶提供操作界面，控制嵌入式系統(tǒng)的工作。
[0016]嵌入式系統(tǒng)有64M 的 SDRAM 和 64M 的 Flash，以及 JTAG 口、USB 口、串口、I/O 口、SD卡、觸摸屏等設(shè)備。
[0017]嵌入式系統(tǒng)主要處理從接口電路傳過來的數(shù)據(jù)，給出模式識(shí)別的結(jié)果。嵌入式系統(tǒng)通過串口通信與PC機(jī)進(jìn)行通信。
[0018]電源裝置為所有單元提供供電。
[0019]所述嵌入式電子鼻檢測系統(tǒng)，能夠嵌入到其他系統(tǒng)或便攜裝置中，提高了系統(tǒng)使用的靈活性。
[0020]一種嵌入式電子鼻檢測方法，所述嵌入式電子鼻檢測方法，包括:數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、特征提取、串口通信和模式識(shí)別。
[0021]數(shù)據(jù)采集，將模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器中，同時(shí)以數(shù)字和圖形的形式顯示給用戶。包括數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)顯示兩個(gè)子過程。
[0022]數(shù)據(jù)預(yù)處理，為了消除外界干擾造成的噪聲，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換、小波變換及三點(diǎn)均值等濾波方法。
[0023]特征提取，為了便于模型訓(xùn)練提取數(shù)據(jù)的相關(guān)特征。提取數(shù)據(jù)的相對(duì)平均響應(yīng)值、相對(duì)積分值、平均微分值、絕對(duì)最大響應(yīng)值/最小響應(yīng)值、對(duì)數(shù)曲線擬合一次項(xiàng)系數(shù)、對(duì)數(shù)曲線擬合常數(shù)項(xiàng)系數(shù)和半寬值等7個(gè)特征。
[0024]數(shù)據(jù)特征提取完成后，利用主成分分析(PCA)對(duì)多維特征進(jìn)行降維處理，并將樣本在第一成分、第二成分上的分布以三維圖像的形式顯示給用戶。
[0025]串口通信，建立嵌入式系統(tǒng)與PC機(jī)之間的通信，使兩臺(tái)設(shè)備上的串口通信模塊的工作流程相同。
[0026]模式識(shí)別，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)樣本進(jìn)行識(shí)別，將特征值作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層的值，通過前向計(jì)算，得到輸出層的值，從而得到被測物質(zhì)的類別信息。將3個(gè)傳感器的3X7個(gè)特征值作為輸入，經(jīng)主成分降維，根據(jù)貢獻(xiàn)率確定維數(shù)，將樣本類型作為期望輸出進(jìn)行BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練。在此基礎(chǔ)上，增加了三類線性分類方法，F(xiàn)isher線性判別、線性回歸和偏最小二乘法。
[0027]所述嵌入式電子鼻檢測方法，由于建模需要大量的運(yùn)算，模式識(shí)別算法的建模過程都是在PC機(jī)上完成的。嵌入式系統(tǒng)只能將采集的信號(hào)文件存放于移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備中。當(dāng)建模需要樣本時(shí)將文件復(fù)制到PC機(jī)中進(jìn)行建模，再將建好的模型復(fù)制到嵌入式電子鼻中，用于新樣本的檢測識(shí)別。
[0028]所述嵌入式電子鼻系統(tǒng)檢測方法，模式識(shí)別可以將采集的數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)上進(jìn)行識(shí)別，也可以將模型傳送到嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行樣本識(shí)別。
[0029]本發(fā)明將系統(tǒng)實(shí)時(shí)高效性、硬件依賴性低、軟件固態(tài)化程度高的嵌入式操作系統(tǒng)ESO應(yīng)用到電子鼻檢測系統(tǒng)中。嵌入式電子鼻體積小、重量輕、使用方便，可以作為先進(jìn)的檢測技術(shù)應(yīng)用于更多領(lǐng)域。
【附圖說明】
[0030]圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
[0031]圖2為本發(fā)明的空氣凈化裝置示意圖。
[0032]圖3為本發(fā)明的數(shù)據(jù)流程圖。
[0033]圖4為本發(fā)明讀串口線程工作流程。
[0034]圖5為本發(fā)明寫串口線程工作流程。
[0035]圖6為本發(fā)明PC機(jī)讀串口線程工作流程。
[0036]圖7為本發(fā)明應(yīng)用二次項(xiàng)擬合曲線參數(shù)作為特征的干酪測試結(jié)果。
[0037]圖8為本發(fā)明應(yīng)用對(duì)數(shù)曲線參數(shù)作為特征的干酪測試結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0038]本發(fā)明利用傳感器陣列將樣品揮發(fā)的氣體轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，經(jīng)過接口電路的信號(hào)放大、濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)變形成數(shù)字信號(hào)傳給嵌入式系統(tǒng)，在嵌入式系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、特征提取、串口通信和模式識(shí)別。并將識(shí)別的結(jié)果反饋給用戶。為了排除外界環(huán)境對(duì)系統(tǒng)的干擾，使系統(tǒng)的識(shí)別結(jié)果更準(zhǔn)確，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了空氣凈化裝置和密閉氣室。附圖1示出了本發(fā)明電子鼻檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，以下就本發(fā)明作具體的說明。
[0039]乳品、肉品等食品在風(fēng)味或腐敗過程中伴隨著硫化氫、氨氣等氣體的揮發(fā)，且隨著腐敗程度的加劇濃度越來越高，氣敏傳感器能夠很好的對(duì)這些氣體進(jìn)行感應(yīng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電子鼻檢測。
[0040]本發(fā)明以微處理器為核心建立了一套嵌入式系統(tǒng)，系統(tǒng)有64M的SDRAM和64M的Flash，以及JTAG 口、USB 口、串口、I/O 口、SD卡、觸摸屏等設(shè)備。一套集成的嵌入式電子鼻裝置由空氣凈化裝置、密閉氣室、傳感器陣列、接口電路、嵌入式系統(tǒng)和電源六部分組成。嵌入式電子鼻體積小、重量輕、使用方便。
[0041]附圖3示出了本發(fā)明的電子鼻系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳遞模型，為獲得被檢測物質(zhì)的類別或質(zhì)量信息，嵌入式電子鼻系統(tǒng)的各部分需要協(xié)同工作。以下為它的基本工作過程:
[0042](I)開啟氣栗，向空氣凈化裝置通環(huán)境空氣，凈化后的空氣流入氣室，將氣室內(nèi)的原始?xì)怏w排出，使傳感器處于穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)氣流中；
[0043](2)等待傳感器輸出的電壓值達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，放入被測物質(zhì)，關(guān)閉氣栗；
[0044](3)采集樣本數(shù)據(jù)，每5秒讀取一次傳感器的電壓值，一次讀取的過程是先將電壓信號(hào)做放大、濾波處理，然后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后送入嵌入式系統(tǒng)儲(chǔ)存；
[0045](4)將實(shí)驗(yàn)對(duì)象的完整數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、歸一化、特征提取和主成分降維處理；
[0046](5)讀取識(shí)別模型，分析鑒別，現(xiàn)實(shí)結(jié)果。
[0047]本系統(tǒng)所需的電壓有+24V、+12V、一 12V、和+5V。為使系統(tǒng)簡單，采用+24V單電壓供電方式，其余的三個(gè)電壓通過電壓變換得到。系統(tǒng)所需的+24V直流電壓可以通過變壓器得到，也可以由電池組提供。在有交流電插座的地方使用變壓器，否則用電池組。
[0048]嵌入式電子鼻系統(tǒng)和PC機(jī)之間的串口通信需要兩臺(tái)設(shè)備協(xié)同工作。因此兩者上運(yùn)行的應(yīng)用程序都要有串口通信模塊。兩臺(tái)設(shè)備上的串口通信模塊的工作流程相同，主要分為以下幾個(gè)步驟:
[0049](I)打開串口 ；
[0050](2)設(shè)置串口超時(shí)值，分配設(shè)備緩沖區(qū)并初始化，指定端口監(jiān)視的事件集，配置串口，包括波特率、字節(jié)數(shù)、奇偶檢驗(yàn)、停止位等，兩臺(tái)通信設(shè)備的串口配置要一致；
[0051](3)創(chuàng)建讀串口線程、寫串口線程和寫串口事件，啟動(dòng)這兩個(gè)線程并阻塞，等待事件的