一种嵌入式电子鼻检测系统及检测方法与流程

本发明实施例涉及电子鼻检测技术领域，尤其涉及一种嵌入式电子鼻检测系统及检测方法。

背景技术：

肉品、食品等在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。

电子鼻是一种利用气体传感器阵列的响应图案来识别气味的电子系统，由传感器阵列和适当的模式识别系统组成，能识别简单的或者复杂的气体。电子鼻中的单个传感器在响应上是非特异性的，能对多种气体产生广谱响应。由于传感器本身不可避免的缺点。单一参数测量的传感器在测量混合气体时会产生很大干扰，测量误差难以控制。提高抗干扰能力有效的途径是采用组合式或者阵列式多传感器和神经网络等智能算法达到理想效果。目前，市面上的电子鼻产品多为国外生产，这些仪器一般体积较大，且价格昂贵，难以满足目前国内市场对便携式设备的需求。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种嵌入式电子鼻检测系统及检测方法，用以解决现有技术中电子鼻产品多为国外生产，这些仪器一般体积较大，且价格昂贵，难以满足目前国内市场对便携式设备的需的问题。

本发明实施例提供一种嵌入式电子鼻检测系统，包括：

密闭气室和气泵，所述气泵通过设置在密闭气室上的进气口为所述密闭气室提供气体；

所述密闭气室内设置有传感器阵列，用于采集所述密闭气室内气体的气体指纹信息；

所述传感器阵列通过接口电路与嵌入式系统相连，用于将所述气体指纹信息进行模数转换并将所述气体指纹信息发送给所述嵌入式系统；

其中，所述嵌入式系统通过fisher函数，对所述气体指纹信息进行识别。

其中，所述传感器阵列包括：tgs2600半导体传感器、tgs2602半导体传感器和tgs2620半导体传感器和h2s-d1电化学传感器。

其中，所述嵌入式系统还包括：显示模块、usb接口模块、按键接口模块和温湿度检测模块。

其中，所述接口电路中还包括保护电路，用于对所述接口电路进行电压保护。

另一方面，本发明实施例提供一种嵌入式电子鼻检测方法，包括：

将待测样本放入密闭气室中，通过传感器阵列采集所述密闭气室内气体的气体指纹信息；

通过接口电路对所述气体指纹信息进行模数转换，并将进行模数转换后的气体指纹信息发送至嵌入式系统中；

通过fisher函数，对所述模数转换后的气体指纹信息进进行识别。

其中，所述通过传感器阵列采集所述密闭其室内气体的气体指纹信息的步骤，具体包括：采用tgs2600半导体传感器、tgs2602半导体传感器、tgs2620半导体传感器和h2s-d1电化学传感器，将气体种类及与浓度有关的信息转换成电压信号，获取气体指纹信息。

其中，所述通过接口电路对所述气体指纹信息进行模数转换的步骤之后，还包括：对所述气体指纹信息进行四点均值滤波，获得去除噪声后的气体指纹信息；将去除噪声后的气体指纹信息进行特征提取，获得相对平均值、相对积分值、微分值、电压变化值和半宽值五个特征，将这五个特征值作为待检测气体指纹信息，并发送至所述嵌入式系统中。

其中，所述方法还包括：将模数转换后的气体指纹信息存入存储器中，并以数字和图形的形式在显示屏中进行显示。

其中，所述对气体指纹信息进行特征提取的步骤，通过所述嵌入式系统或通过个人计算机完成。

本发明实施例提供的一种嵌入式电子鼻检测系统及检测方法，通过传感器阵列获取待测样本的气味信息，并将气味信息转化为微弱的电信号，微弱电信号经过电路放大、模拟滤波后在微处理器内进行模数转换，信号在嵌入式系统中进行分析识别并生成结果，使得嵌入式电子鼻系统的使用不受地点限制，灵活轻便，拥有广阔的应用前景和更强的市场竞争力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种嵌入式电子鼻检测系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种嵌入式电子鼻检测系统的接口电路示意图；

图3为本发明实施例提供的一种嵌入式电子鼻检测方法的流程示意图；

图4为本发明实施例提供的一种嵌入式电子鼻检测系统中密闭气室的结构示意图；

图5为本发明又一实施例提供的一种嵌入式电子鼻检测系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参考图1，图1为本发明实施例提供的一种嵌入式电子鼻检测系统的结构示意图，所提供的系统包括：

密闭气室11和气泵12，所述气泵12通过设置在密闭气室11上的进气口为所述密闭气室11提供气体；所述密闭气室11内设置有传感器阵列13，用于采集所述密闭气室内气体的气体指纹信息；所述传感器阵列13通过接口电路14与嵌入式系统15相连，用于将所述气体指纹信息进行模数转换并将所述气体指纹信息发送给所述嵌入式系统15；其中，所述嵌入式系统通过fisher函数，对所述气体指纹信息进行识别。

具体的，本实施例中提供的嵌入式电子鼻检测系统包含有气泵、密闭气室、传感器阵列、接口电路、嵌入式系统，气泵为密闭气室提供气体，为每次检测提供相同的气室内部环境，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。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。接口电路用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。接口电路与微处理器相连，微处理器完成模数转换后，将数字信号传给嵌入式系统。

嵌入式系统包括：外设硬件和软件程序。外设硬件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；软件程序为用户提供操作界面，控制嵌入式系统的工作。嵌入式系统主要处理从接口电路传过来的数据，处理数据并给出模式识别的结果，其中，在电子鼻系统中采用fisher判别函数对样本进行识别。

其中，所述嵌入式系统拥有60kb的高速flash、2kb的ram和多种低功耗模式，内置12位精度的模数转换模块，48个可编程的复用i/o，以及用于烧写、调试程序的jtag接口。经过运放放大的电压通过特定i/o与处理器相连并完成模数转换。

通过此系统，系统不依靠pc机完成气体的采集到模式识别全过程，同时系统也可以通过有线或者无线方式将数据传输给pc机进行处理。整个系统灵活轻便，使用简单，不受地点限制。

在上述实施例的基础上，所述传感器阵列包括：tgs2600半导体传感器、tgs2602半导体传感器和tgs2620半导体传感器和h2s-d1电化学传感器。

具体的，传感器阵列由4个气敏传感器组成，其中采用tgs2600、tgs2602、tgs26203个金属半导体传感器和1个h2s-d1电化学传感器。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。

在上述实施例的基础上，所述嵌入式系统还包括：显示接口模块、usb接口模块、按键接口模块和温湿度检测模块。

具体的，嵌入式系统还包括显示接口模块、usb接口模块、按键接口模块和温湿度检测模块，其中，显示接口模块和按键接口模块用于与外设显示器和键盘提供相连的接口，usb接口可以提供u盘接口，可以通过u盘将获取的原始数据传输至pc机中。温湿度检测模块用于对密闭气室中的湿度进行检测，同时对密闭气室中的温度进行控制。

在上述实施例的基础上，所述接口电路中还包括保护电路，用于对所述接口电路进行电压保护。

具体的，参考图2，图2为本发明实施例提供的一种嵌入式电子鼻检测系统的接口电路示意图，传感器初始电压接入运放正输入端，通过一阶滤波和放大输出放大后的电压，通过调节r2可以控制输出电压的大小，输出电压先通过电压跟随器，再进行模数转换，电压跟随器可以降低前级放大电路的输出阻抗以提高模数转换的能力。另外，系统并没有使用专门的模数转换芯片，采用的是主控芯片内置的模数转换模块，模数转换的电压不能超过主控芯片的供电电压3.3v，因此在模数转换前加入保护电路，保护电路由电源和一个稳压二极管组成，保护电路的作用是将超过3.3v的输入转换电压当3.3v处理，跟随输出电压小于3.3v时，稳压二极管不被击穿，电压正常进入处理器进行模数转换，否则稳压管被击穿，输入电压恒为3.3v以保护处理器。

参考图3，图3为本发明实施例提供的一种嵌入式电子鼻检测方法的流程示意图，所提供的方法包括：

s31，将待测样本放入密闭气室中，通过传感器阵列采集所述密闭气室内气体的气体指纹信息；

s32，通过接口电路对所述气体指纹信息进行模数转换，并将进行模数转换后的气体指纹信息发送至嵌入式系统中；

s33，通过fisher函数，对所述模数转换后的气体指纹信息进进行识别。

具体的，在传感器阵列采集密闭气室内的气体时，如图4所示，气室分上下两个部分，上部分为传感器阵列，顶部两侧有进、出气口，气泵抽气通过导管通入标准气体，进、出气口的导管中配有阀门，控制气室的开闭；下半部分为置物槽，用于放被测物质，上下部分通过盖合方式连接。检测样本时，先打开阀门、气泵，进标准气体，待传感器数值稳定后将被测物质放入置物槽，盖合气室，关闭阀门、气泵，开始采集数据。

在采集到气体指纹信息后，通过接口电路对所述气体指纹信息进行模数转换，并将进行模数转换后的气体指纹信息发送至嵌入式系统中。嵌入式系统对气体信号进行特征提取，同时采用fisher判别函数，对特征进行识别和判断。

在上述实施例的基础上，所述通过传感器阵列采集所述密闭其室内气体的气体指纹信息的步骤，具体包括：采用tgs2600半导体传感器、tgs2602半导体传感器、tgs2620半导体传感器和h2s-d1电化学传感器，将气体种类及与浓度有关的信息转换成电压信号，获取气体指纹信息。

所述通过接口电路对所述气体指纹信息进行模数转换的步骤之后，还包括：对所述气体指纹信息进行四点均值滤波，获得去除噪声后的气体指纹信息；将去除噪声后的气体指纹信息进行特征提取，获得相对平均值、相对积分值、微分值、电压变化值和半宽值五个特征，将这五个特征值作为待检测气体指纹信息，并发送至所述嵌入式系统中。

其中，所述对气体指纹信息进行特征提取的步骤，通过所述嵌入式系统或通过个人计算机完成。

具体的，在数据处理过程中，还包括数据预处理步骤，为了消除外界干扰造成的噪声,对数据采用四点均值滤波方法，去除初始的气体指纹信息中的噪声信号，随后将降噪后的数据发送给嵌入式系统进行特征提取。提取的是数据的相对平均值、相对积分值、微分值、电压变化值和半宽值5个特征的提取过程。其中，特征提取可以在pc机上实现，也可以在嵌入式系统中实现，在pc机上，可以通过u盘获取原始气体指纹信息数据，在vc++6.0编译环境下实现特征的提取，获取的特征数据用于模型的建立，并将模型发送给微处理器。微处理器内部的特征提取程序则是通过pc机上的c++程序转换成能编译的c程序获得，然后通过jtag口在iar编译环境下将程序烧写入微处理器中，获得的特征数据代入从pc机获得的模型中，实现模式识别。

在模式识别中，是将4个传感器的5个特征值，即相对平均值、相对积分值、微分值、电压变化值和半宽值作为输入,通过fisher判别函数对样本进行识别。

在上述实施例的基础上，所述方法还包括：将模数转换后的气体指纹信息存入存储器中，并以数字和图形的形式在显示屏中进行显示。

具体的，通过与嵌入式系统相连的显示器，可以将模数转换后的气体指纹信息以数字和图形的形式在显示屏中进行显示。

综上所述，本发明提供的方法，通过传感器阵列获取待测样本的气味信息，并将气味信息转化为微弱的电信号，微弱电信号经过电路放大、模拟滤波后在微处理器内进行模数转换，信号在嵌入式系统中进行分析识别并生成结果，使得嵌入式电子鼻系统的使用不受地点限制，灵活轻便，拥有广阔的应用前景和更强的市场竞争力。

在本发明的又一实施例中，参考图5，图5为本发明又一实施例提供的一种嵌入式电子鼻检测系统的结构示意图，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：

1、开启气泵，使气室处于吹瓶状态下，气泵工作，气泵进入环境空气，将气室内的原始气体经过出口排出，使传感器处于稳定的气流中；

2、等待传感器输出的电压值达到稳定状态，放入被测物质，关闭气泵，使气室密闭，处于采集状态；

3、采集样本数据，调节气泵供电电压，调节采集速度，每2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；

4、将实验对象的完整数据进行滤波、归一化、特征提取和模式识别并显示结果；

5、采集的数据也可以通过usb串口将数据存储在u盘中或者通过无线传输方式，然后数据可在pc机上进行更复杂的模式识别。

其中，嵌入式系统包括：外设硬件和软件程序。外设硬件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；软件程序为用户提供操作界面，控制嵌入式系统的工作。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。