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        基于虛擬儀器的無線白酒電子鼻的設(shè)計*

        2012-08-13 08:13:08周紅標(biāo)張宇林張新榮丁友威
        電子技術(shù)應(yīng)用 2012年12期
        關(guān)鍵詞:電子鼻上位溫濕度

        周紅標(biāo),張宇林,張新榮,丁友威

        (淮陰工學(xué)院 電子與電氣工程學(xué)院,江蘇 淮安 223003)

        白酒是中國特有的一種蒸餾酒[1]。白酒的品質(zhì)識別主要是通過感官評定和化學(xué)分析法檢測,其缺點顯而易見[2]。

        電子鼻是一種分析、識別、檢測復(fù)雜嗅味和揮發(fā)性成分的人工嗅覺系統(tǒng),其能得到樣品中揮發(fā)性成分的整體信息[3]。電子鼻中的一個重要環(huán)節(jié)是氣味數(shù)據(jù)的采集,前期已經(jīng)用數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計了第一代HG_Enose_WQ1型白酒電子鼻[4]。本文以STM32為核心處理器,將 Zig-Bee無線通信、虛擬儀器等技術(shù)融為一體,設(shè)計了第二代無線白酒電子鼻(HG_Enose_WQ2型)。

        1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

        無線白酒電子鼻由網(wǎng)關(guān)節(jié)點和終端節(jié)點組成。終端節(jié)點主要實現(xiàn)氣味信號采集、信號調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、無線通信、數(shù)據(jù)傳輸、人機(jī)對話等功能。其以控制器為核心,包括氣敏傳感器陣列、溫濕度傳感器模塊、信號調(diào)理模塊、電源模塊、鍵盤模塊、顯示模塊、無線通信模塊和串行通信模塊等。系統(tǒng)總體功能是:首先由上位機(jī)軟件平臺發(fā)布采集數(shù)據(jù)命令,通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點將命令由其無線收發(fā)模塊進(jìn)行發(fā)送;終端節(jié)點接收到命令后,將命令的主機(jī)地址與自己地址對照,如果一致,則執(zhí)行氣味和溫濕度數(shù)據(jù)采集操作,并對其進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,處理器將數(shù)據(jù)進(jìn)行打包,通過無線收發(fā)模塊發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點;網(wǎng)關(guān)節(jié)點接收數(shù)據(jù),并通過RS232總線以MODBUS協(xié)議形式傳輸給上位機(jī);最后在上位機(jī)軟件平臺上進(jìn)行實時顯示、存儲、回放和分析等數(shù)據(jù)處理操作。圖1為電子鼻硬件系統(tǒng)總體框圖。

        2 硬件設(shè)計

        硬件設(shè)計部分介紹了各硬件電路模塊的設(shè)計思想。

        2.1 氣敏傳感器陣列

        圖1 電子鼻硬件系統(tǒng)總體框圖

        在電子鼻中,氣敏傳感器是采集氣體信息的主要部件,它將氣體種類及其濃度的相關(guān)信息轉(zhuǎn)化成電信號后進(jìn)行檢測。借鑒參考文獻(xiàn)[5],本設(shè)計的白酒電子鼻選擇了日本費加羅公司生產(chǎn)的 TGS2600、TGS2602、TGS2610、TGS2611、TGS2620共 5個 TGS傳感器組成傳感器陣列,這些傳感器對酒精的敏感性高,非常適合于檢測微量低濃度氣體,具有壽命長、穩(wěn)定性好、耐腐蝕性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性和機(jī)械性能好、可長時間連續(xù)使用等優(yōu)點。其對氣體的檢測可通過器件電阻變化直接轉(zhuǎn)變成電信號,且電阻率變化大,信號處理可不用高倍數(shù)的放大電路即可實現(xiàn)。為了校正溫濕度對電子鼻系統(tǒng)的影響,傳感器板上擴(kuò)展了AM2302型數(shù)字溫濕度傳感器,它是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。

        2.2 信號調(diào)理模塊

        電子鼻氣體采樣方式采用的是靜態(tài)采樣法,主要是在一個含有傳感器的密閉容器中放置一些固體或氣體樣品,使其揮發(fā)變成氣體。也可以通過注射口直接將樣品氣體注射到容器中進(jìn)行測試,測試完成后需要將這一密閉容器進(jìn)行清洗,然后再進(jìn)行下一次實驗。氣體分子在靜態(tài)的環(huán)境中主要以擴(kuò)散的形式充滿整個測試容器。信號調(diào)理模塊的核心就是通過外接電阻將氣敏傳感器電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出??紤]到可能存在的高頻干擾,通過并聯(lián)電容進(jìn)行低通濾波。由于傳感器陣列是由多個傳感器組成,如果每一個傳感器都占用一個A/D口,則會導(dǎo)致控制器資源不夠用。因此利用8選1模擬開關(guān)CD4051分時選通傳感器,以節(jié)約A/D端口。圖2所示為氣敏傳感器陣列信號拾取電路原理圖(傳感器僅給出了TGS2600)。

        圖2 傳感器陣列信號拾取電路原理圖

        2.3 核心處理器模塊

        電子鼻核心處理器選用STM32系列增強(qiáng)型微控制器STM32F103,其采用ARM公司具有突破性的Cortex-M3內(nèi)核[6],工作頻率為 72 MHz,片上集成的 Flash最多可達(dá)512 KB,可用于存儲程序和節(jié)點在工作過程中采集到的氣味數(shù)據(jù);片上還帶有 2個 12 bit ADC,可以將氣敏傳感器電壓信號轉(zhuǎn)換為MCU可以運算、處理的數(shù)字信號;5個USART接口可以用于無線收發(fā)芯片與上位機(jī)之間進(jìn)行通信。

        2.4 無線通信模塊

        無線通信模塊選用CC2430芯片,它是一款符合ZigBee技術(shù)的2.4 GHz射頻芯片,其工作電壓范圍為2.0 V~3.6 V,電流消耗很低,發(fā)射電流約為 25 mA,接收電流約為 27 mA,休眠模式時僅為 0.9 μA,能夠滿足無線電子鼻系統(tǒng)高性能、低功耗的需求[7]。CC2430與STM32核心處理器連接非常方便,它僅使用2根線將CC2430的 P0_3(TX)和 P0_2(RX)兩個引腳與 STM32的PA2(UART2_TXD)和 PA3(UART2_RXD)兩個引腳相連即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。具體電路如圖3所示。

        圖3 ZigBee無線通信模塊電路原理圖

        2.5 其他模塊

        電子鼻系統(tǒng)中硬件裝置和PC機(jī)之間采用RS-232通信方式,設(shè)計電路時采用MAX3232芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。電子鼻系統(tǒng)中,STM32、CC2430工作電壓為 3.3 V,傳感器加熱電壓為5 V,需要將電源適配器輸出的5 V電壓進(jìn)行降壓處理,因此設(shè)計了電源模塊。為了人機(jī)交互的方便,還設(shè)計了矩陣鍵盤、LED顯示等模塊。

        3 軟件設(shè)計

        系統(tǒng)軟件分為嵌入式軟件和上位機(jī)軟件兩個部分,采用模塊化的編程思想進(jìn)行設(shè)計。嵌入式軟件系統(tǒng)主要包括主程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、LED顯示子程序、無線通信子程序、RS-232通信子程序、數(shù)據(jù)存儲子程序等模塊,基于ARM嵌入式的開發(fā)環(huán)境IAR進(jìn)行編程;上位機(jī)軟件系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)特征提取等功能,采用基于G語言的虛擬儀器開發(fā)平臺LabVIEW進(jìn)行設(shè)計??煽康能浖绦?qū)⒛鼙WC電子鼻系統(tǒng)的穩(wěn)定運行,為后續(xù)的白酒品質(zhì)檢測實驗提供一個良好的檢測平臺。

        限于篇幅,本文主要介紹上位機(jī)軟件設(shè)計思路。上位機(jī)軟件采用NI公司推出的一種虛擬儀器軟件Lab-VIEW作為開發(fā)平臺,數(shù)據(jù)采集是其最主要的功能之一,需要完成5路氣味數(shù)據(jù)、溫濕度的實時顯示和存儲。數(shù)據(jù)采集模塊采用VISA實現(xiàn)LabVIEW與電子鼻硬件裝置之間的通信[8]。

        首先是串口初始化,利用VISA Configure SerialPort.vi節(jié)點設(shè)定串口的端口號、波特率、1幀信息中的有效數(shù)據(jù)的位數(shù)、停止位、奇偶校驗、數(shù)據(jù)流量控制等。其次是讀寫串口,利用VISA Read.vi節(jié)點和VISA Write.vi節(jié)點對串口進(jìn)行讀寫。由于LabVIEW平臺上的串行通信過程中,發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)格式是以字符串格式,字符串中的每個字符實際上對應(yīng)ASCII字符;而采用MODBUS RTU模式進(jìn)行通信時,發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)格式是直接的十六進(jìn)制字符。所以,發(fā)送數(shù)據(jù)之前必須把要發(fā)送的十六進(jìn)制字符利用bytes array to string函數(shù)轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的ASCII字符,同樣接收到的數(shù)據(jù)(ASCII字符)可通過string to byte array函數(shù)轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的十六進(jìn)制字符。最后關(guān)閉串口,利用VISA Close.vi節(jié)點將打開的串口關(guān)閉,停止所有讀寫操作。

        STM32處理器與上位機(jī)之間采用了MODBUS“一問一答”形式的通信協(xié)議,單純使用VISA函數(shù),雖然能夠建立上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信,且能采集到數(shù)據(jù),但數(shù)據(jù)存在亂碼現(xiàn)象。因此,在數(shù)據(jù)采集程序While循環(huán)外部使用NI MODBUS函數(shù)庫中的MB Serial Init函數(shù)初始化串口,修正前述的VISA Configure SerialPort.vi函數(shù)。并且,在數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收之間加了一個延遲,延遲時間可由前面板指定,一般設(shè)置為50 ms。MODBUS采用RTU格式,PC機(jī)采集下位ARM處理器的數(shù)據(jù),設(shè)定下位機(jī)的地址編號為01,數(shù)據(jù)存儲的寄存器首地址為0CH單元,采集下位機(jī)的數(shù)據(jù)量為:終端ZigBee節(jié)點的短地址 2 B、8個傳感器的數(shù)據(jù)16 B(其中只使用了5個傳感器,另外3個傳感器未連接,傳感器板上多設(shè)計了3個氣味傳感器插腳以便陣列的進(jìn)一步擴(kuò)充)、溫濕度4 B,共計 22 B、11個字。若 MODBUS協(xié)議中讀取下位機(jī)數(shù)據(jù)功能碼為03H,則上位計算機(jī)應(yīng)向下位機(jī)發(fā)送命令碼01 03 00 0C 00 0B C4 0E(C4 0E是前6 B的CRC-16校驗碼),下位機(jī)接收到該命令后,則按MODBUS協(xié)議格式返回采集到的數(shù)據(jù)。

        為了將采集的數(shù)據(jù)保存在PC機(jī)中以便進(jìn)一步分析,數(shù)據(jù)采集模塊首先利用Open/Create/Replace File函數(shù)創(chuàng)建一個文本文件,如果這個文件存在就替換它,然后再利用Write to Text File函數(shù)將數(shù)據(jù)保存為文本文件。同時采用磁盤流技術(shù)來提高數(shù)據(jù)存儲的效率,即在程序執(zhí)行過程中,文件一直處于打開狀態(tài),避免了每次寫文件前后程序都要與計算機(jī)操作系統(tǒng)交互操作去打開或關(guān)閉文件。此外,合理保存5路傳感器輸出的響應(yīng)值也較為重要。如果在txt文件中能以5列的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲,則能給下面基于MATLAB平臺的數(shù)據(jù)處理和識別帶來極大的方便。在由簇Unbundle函數(shù)對5列數(shù)據(jù)形成的簇拆解之后,利用Cluster to Array函數(shù)將簇數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)組數(shù)據(jù),并進(jìn)一步利用Array to Spreadsheet String函數(shù)將數(shù)組轉(zhuǎn)換成電子表格數(shù)據(jù)形式,送入Write to Text File函數(shù),就能得到所需的txt文件存儲效果。通過LabVIEW軟件平臺進(jìn)行白酒氣味數(shù)據(jù)采集的前面板如圖4所示。

        圖4 數(shù)據(jù)采集模塊前面板

        經(jīng)過實驗測試,本系統(tǒng)運行可靠,能夠滿足白酒氣味數(shù)據(jù)采集的實驗需求。但也存在一些問題:氣敏傳感器選擇的是商用傳感器,價格昂貴;采取的靜態(tài)頂空生成法的效果不如動態(tài)采樣法;雖然加了無線通信等新手段,但整個系統(tǒng)自動化程度不高,在硬件上表現(xiàn)為需要人工操作置入電子鼻,在軟件上表現(xiàn)為需要人為執(zhí)行采樣起始和結(jié)束等操作。下一步的工作是與材料學(xué)科緊密合作,制作自己的傳感器,研制動態(tài)采樣全自動智能型電子鼻。

        [1]楊國強(qiáng),張淑娟.電子鼻技術(shù)在酒類識別應(yīng)用中的研究進(jìn)展[J].山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2010,30(1):92-96.

        [2]Yu Huichun,Wang Jun.Discrimination of longjing green-tea grade by electronic nose[J].Sensors and Actuators B,2007,122(1):134-140.

        [3]劉紅秀,李洪波,李衛(wèi)東.基于電子鼻的魚類新鮮度估計研究[J].中山大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2010,49(2):28-30.

        [4]蔣鼎國,周紅標(biāo),耿忠華.基于 PSO-SVM的白酒品質(zhì)鑒別電子鼻[J].中國釀造,2011(11):149-152.

        [5]Zhang Zhe,Tong Jin,Chen Donghui,et al.Electronic nose with an air sensor matrix for detecting beef freshness[J].Journal of Bionic Engineering,2008,5(1):67-73.

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        [8]周紅標(biāo),蔣鼎國,柯永斌,等.基于STC單片機(jī)和LabVIEW的心音信號檢測系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2012,38(1):31-33.

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