一种嵌入式电子鼻检测系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种电子鼻检测系统和方法，尤其是一种嵌入式电子鼻检测系统和方法。
【背景技术】
[0002]乳品、肉品等食品在风味或腐败过程中伴随着硫化氢、氨气等气体的挥发，且随着腐败程度的加剧浓度越来越高，气敏传感器能够很好的对这些气体进行感应。
[0003]电子鼻是一种集传感器、电子、计算机和人工智能等技术于一体的模仿哺乳动物嗅觉系统的结构和机理实现对物质进行感知、分析和判断的电子系统。电子鼻在感观分析上的优势，使越来越多的人开始研究它。但现在的电子鼻系统大多基于PC平台，成本高，体积大，使用不灵活。嵌入式电子鼻是仿照哺乳动物的嗅觉系统来设计的，主要由传感器阵列、接口电路、嵌入式系统等组成。它的使用不受地点限制，灵活轻便。
【发明内容】
[0004]本发明公布了一种嵌入式电子鼻检测系统和方法。主要实现了便携、灵活的电子鼻监测。
[0005]本发明采用以下技术方案:一种嵌入式电子鼻检测系统，所述嵌入式电子鼻检测系统，包括:空气净化装置、密闭气室、传感器阵列、接口电路、嵌入式系统和电源装置。
[0006]空气净化装置选用活性碳作为无极性气体吸附剂，活性氧化铝作为有极性气体吸附剂，最后过水除粉尘，将环境空气净化为标准气体。
[0007]空气净化装置密闭气室相连，为密闭气室提供标准气体，为每次检测提供相同的气室内部环境。
[0008]设计空气净化装置，减少了外界环境气体的干扰。标准气体的流量通过改变气栗的供电电压来调节。
[0009]密闭气室有一个进气口和一个出气口，内部用于放置传感器阵列和被测样品。避免了外界环境对传感器的干扰，增强结果的可靠性。
[0010]传感器阵列由3个气敏传感器组成(传感器种类根据应用可以替换)，通过与气体接触将气体种类及与浓度有关的信息转换成电压信号，获取气体的指纹信息，为后续的数据处理和模式识别提供原始数据信号。
[0011]传感器阵列能够检测甲烷、氢气、硫化物以及食品中易挥发的气体和蒸汽分子。
[0012]传感器阵列封装在密闭气室里与接口电路相连，传感器阵列将电压信号传给接口电路。
[0013]接口电路模仿SPI通信协议，用I/O接口模拟的方式实现串行通信。通过对传感器的信号进行放大、滤波以及模数转换等处理形成数字信号。
[0014]接口电路与微处理器相连，并将数字信号传给嵌入式系统。
[0015]嵌入式系统包括:硬件部分、操作系统和应用软件。硬件部分为操作系统和应用软件提供运行环境，以及一些必要的存储、通信等设备；操作系统用来管理内存，调度任务，控制硬件部分的工作，为应用软件的运行提供软件环境；应用软件为用户提供操作界面，控制嵌入式系统的工作。
[0016]嵌入式系统有64M 的 SDRAM 和 64M 的 Flash，以及 JTAG 口、USB 口、串口、I/O 口、SD卡、触摸屏等设备。
[0017]嵌入式系统主要处理从接口电路传过来的数据，给出模式识别的结果。嵌入式系统通过串口通信与PC机进行通信。
[0018]电源装置为所有单元提供供电。
[0019]所述嵌入式电子鼻检测系统，能够嵌入到其他系统或便携装置中，提高了系统使用的灵活性。
[0020]一种嵌入式电子鼻检测方法，所述嵌入式电子鼻检测方法，包括:数据采集、数据预处理、特征提取、串口通信和模式识别。
[0021]数据采集，将模数转换后的数据存入存储器中，同时以数字和图形的形式显示给用户。包括数据采集和数据显示两个子过程。
[0022]数据预处理，为了消除外界干扰造成的噪声，对数据进行傅里叶变换、小波变换及三点均值等滤波方法。
[0023]特征提取，为了便于模型训练提取数据的相关特征。提取数据的相对平均响应值、相对积分值、平均微分值、绝对最大响应值/最小响应值、对数曲线拟合一次项系数、对数曲线拟合常数项系数和半宽值等7个特征。
[0024]数据特征提取完成后，利用主成分分析(PCA)对多维特征进行降维处理，并将样本在第一成分、第二成分上的分布以三维图像的形式显示给用户。
[0025]串口通信，建立嵌入式系统与PC机之间的通信，使两台设备上的串口通信模块的工作流程相同。
[0026]模式识别，采用BP神经网络对样本进行识别，将特征值作为BP神经网络的输入层的值，通过前向计算，得到输出层的值，从而得到被测物质的类别信息。将3个传感器的3X7个特征值作为输入，经主成分降维，根据贡献率确定维数，将样本类型作为期望输出进行BP神经网络训练。在此基础上，增加了三类线性分类方法，Fisher线性判别、线性回归和偏最小二乘法。
[0027]所述嵌入式电子鼻检测方法，由于建模需要大量的运算，模式识别算法的建模过程都是在PC机上完成的。嵌入式系统只能将采集的信号文件存放于移动存储设备中。当建模需要样本时将文件复制到PC机中进行建模，再将建好的模型复制到嵌入式电子鼻中，用于新样本的检测识别。
[0028]所述嵌入式电子鼻系统检测方法，模式识别可以将采集的数据传送到PC机上进行识别，也可以将模型传送到嵌入式系统进行样本识别。
[0029]本发明将系统实时高效性、硬件依赖性低、软件固态化程度高的嵌入式操作系统ESO应用到电子鼻检测系统中。嵌入式电子鼻体积小、重量轻、使用方便，可以作为先进的检测技术应用于更多领域。
【附图说明】
[0030]图1为本发明的系统结构。
[0031]图2为本发明的空气净化装置示意图。
[0032]图3为本发明的数据流程图。
[0033]图4为本发明读串口线程工作流程。
[0034]图5为本发明写串口线程工作流程。
[0035]图6为本发明PC机读串口线程工作流程。
[0036]图7为本发明应用二次项拟合曲线参数作为特征的干酪测试结果。
[0037]图8为本发明应用对数曲线参数作为特征的干酪测试结果。
【具体实施方式】
[0038]本发明利用传感器阵列将样品挥发的气体转化为电压信号，经过接口电路的信号放大、滤波和模数转变形成数字信号传给嵌入式系统，在嵌入式系统中进行数据采集、数据预处理、特征提取、串口通信和模式识别。并将识别的结果反馈给用户。为了排除外界环境对系统的干扰，使系统的识别结果更准确，系统设计了空气净化装置和密闭气室。附图1示出了本发明电子鼻检测系统的结构，以下就本发明作具体的说明。
[0039]乳品、肉品等食品在风味或腐败过程中伴随着硫化氢、氨气等气体的挥发，且随着腐败程度的加剧浓度越来越高，气敏传感器能够很好的对这些气体进行感应，进而实现电子鼻检测。
[0040]本发明以微处理器为核心建立了一套嵌入式系统，系统有64M的SDRAM和64M的Flash，以及JTAG 口、USB 口、串口、I/O 口、SD卡、触摸屏等设备。一套集成的嵌入式电子鼻装置由空气净化装置、密闭气室、传感器阵列、接口电路、嵌入式系统和电源六部分组成。嵌入式电子鼻体积小、重量轻、使用方便。
[0041]附图3示出了本发明的电子鼻系统的数据传递模型，为获得被检测物质的类别或质量信息，嵌入式电子鼻系统的各部分需要协同工作。以下为它的基本工作过程:
[0042](I)开启气栗，向空气净化装置通环境空气，净化后的空气流入气室，将气室内的原始气体排出，使传感器处于稳定的标准气流中；
[0043](2)等待传感器输出的电压值达到稳定状态，放入被测物质，关闭气栗；
[0044](3)采集样本数据，每5秒读取一次传感器的电压值，一次读取的过程是先将电压信号做放大、滤波处理，然后进行模数转换，最后送入嵌入式系统储存；
[0045](4)将实验对象的完整数据进行滤波、归一化、特征提取和主成分降维处理；
[0046](5)读取识别模型，分析鉴别，现实结果。
[0047]本系统所需的电压有+24V、+12V、一 12V、和+5V。为使系统简单，采用+24V单电压供电方式，其余的三个电压通过电压变换得到。系统所需的+24V直流电压可以通过变压器得到，也可以由电池组提供。在有交流电插座的地方使用变压器，否则用电池组。
[0048]嵌入式电子鼻系统和PC机之间的串口通信需要两台设备协同工作。因此两者上运行的应用程序都要有串口通信模块。两台设备上的串口通信模块的工作流程相同，主要分为以下几个步骤:
[0049](I)打开串口 ；
[0050](2)设置串口超时值，分配设备缓冲区并初始化，指定端口监视的事件集，配置串口，包括波特率、字节数、奇偶检验、停止位等，两台通信设备的串口配置要一致；
[0051](3)创建读串口线程、写串口线程和写串口事件，启动这两个线程并阻塞，等待事件的