CN101226166A - 用于现场检测的低功耗手持式电子鼻系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于现场检测的低功耗手持式电子鼻系统。它包括电子鼻盒体，所述电子鼻盒体中设有气体流控系统，气体流控系统中的气室中至少设有一个由低功耗的不同种气敏传感器组成的混合传感器阵列，所述电子鼻盒体中还设有必要的检测电子电路、无线通讯模块和/或USB模块、单片机和用于数据处理及模式识别的DSP系统，检测电子电路中设有用于QCM气敏传感信号检测的CPLD电路、用于电化学气敏传感信号检测和温度湿度传感信号检测调理的电路。本发明能脱离计算机独立工作，能在独立的仪器内部完成对气流的控制、物品气味的检测、信号预处理和特征提取、模式识别和显示报警等自动操作，满足现场检测所需的实时性、低功耗，手持式要求。

Description

用于现场检测的低功耗手持式电子鼻系统

技术领域

本发明涉及化学传感器、电子电路测量和模式识别算法等智能传感仪器领域，主要涉及用于现场对物品气味进行实时化学检测、分析和辨识的装置。

背景技术

1995年东京地铁沙林毒气袭击造成多人死亡，几千人受伤的惨案，而且由于缺乏必要的气体监测设备，其后相当长时间内引起群体心理恐慌，引发社会问题，造成巨大经济损失。而美国9.11恐怖袭击以后，生化武器威胁再次造成全球恐慌。另外，在边境、机场、车站和港口等场所进行缉毒、安检也迫切需要一种操作简单、使用方便的便携式气体检测仪器。现在商品化的气体检测和分析仪器很多，比如气相色谱/质谱(GC/MS)、火焰离子化检测器(FID)和红外检测仪等等。尽管它们的准确性和选择性较高，但由于价格昂贵、维护费用高、响应时间较长、操作繁琐、体积庞大，一般只适合在实验室或分析中心使用，而不太适合于现场气体检测。

电子鼻是一种模拟生物嗅觉原理的新颖仿生检测仪器，它通过对不同气体具有交叉敏感的化学传感器阵列获取样品中挥发性气味的综合指纹信息，再提取合适的特征输入到特定的模式识别算法，完成对样品的定性或定量辨识。与气相色谱/质谱等经典化学分析仪器相比，电子鼻具有快速、简单和廉价等特点，目前已经在食品与酿造控制、环境监测、医学诊断和公共安全等领域引起了广泛重视。

电子鼻系统中的关键技术是气敏传感器阵列和模式识别算法。目前较为常见的气敏传感器包括金属氧化物半导体(MOS)传感器、电化学传感器、声表面波(SAW)和石英晶体振荡微天平(QCM)传感器等类型。由于检测原理和制作工艺，这些传感器的选择性通常较差，例如标称的酒精传感器对醚、烃类和其他醇类等还原性气体都能响应，因此用单一传感器来检测某种特定物品存在很大风险。另外即使开发出选择专一的传感器，也只能使用于特定用途的场合而丧失了仪器的通用性。而电子鼻恰恰利用这些传感器对各种气体的广谱响应特性，通过把不同原理的传感器或者同一类型不同型号的传感器构建阵列，以达到对多种(大大多于传感器数量)气味的有效检测。这种检测需要借助特定的模式识别算法来实现。这些算法大致可以分成线性统计和人工神经网络两类。由于计算复杂，通常需要计算机处理。

专利号为02217974.7的实用新型公开了一种便携式智能电子鼻，但其必要结构没有脱离计算机，缺乏现场检测的实时性，而且携带麻烦，使用不便。另外它采用半导体氧化物气体传感器构建阵列，功耗大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于现场检测的低功耗手持式电子鼻系统，以克服目前电子鼻系统结构庞大、不能脱离计算机独立工作等不足，满足现场检测所需。为此，本发明采用以下技术方案：它包括电子鼻盒体，所述电子鼻盒体中设有气体流控系统，气体流控系统中的气室中至少设有一个由低功耗的不同种气敏传感器组成的混合传感器阵列，所述电子鼻盒体中还设有必要的检测电子电路、无线通讯模块和/或USB模块、单片机和用于数据处理及模式识别的DSP系统，检测电子电路中设有用于QCM气敏传感信号检测的CPLD电路、用于电化学气敏传感信号检测和温度湿度传感信号检测调理的电路。由于采用本发明的技术方案，本发明体积小，能脱离计算机独立工作，能够在独立的仪器内部完成对气流的控制、物品气味的检测、信号预处理和特征提取、模式识别和显示报警等自动操作，满足现场检测所需的实时性、低功耗，手持式要求。

附图说明

图1为本发明所提供的一种实施方式的整体结构示意图。

图2为图1中气路控制开关的结构示意图。

图3为本发明测量、控制和处理电路的系统框图。

图4为本发明CPLD功能实现的内部逻辑图。

具体实施方式

本发明主要包括一套用来完成气室的清洗和被测气味的吸入和排出等过程的气体流控系统和一套集测量、控制、识别、通讯和人机交互的电路系统。可以在手持式仪器中独立完成对气流的控制、物品气味的检测、信号预处理和特征提取、模式识别和显示报警等自动操作，满足现场检测所需的小型化、实时性要求。

参照附图1、3和4。它包括电子鼻盒体100，所述电子鼻盒体中设有气体流控系统，气体流控系统中的气室中至少设有一个由低功耗的不同种气敏传感器组成的混合传感器阵列，所述电子鼻盒体中还设有必要的检测电子电路、无线通讯模块和/或USB模块、单片机和用于数据处理及模式识别的DSP系统，检测电子电路中设有用于QCM气敏传感信号检测的CPLD电路、用于电化学气敏传感信号检测和温度湿度传感信号检测调理的电路。

为了实现低功耗目的，本发明选用低功耗常温传感器，例如采用QCM气敏传感器、SAW气敏传感器和电化学气敏传感器构成阵列，或者由这三种传感器的任意两种构成阵列。这些传感器通常体积小、耗电小、线性和重复性较好、分辨率一般可以达到0.1ppm。但它受环境温度湿度变化的影响比较大，因此，更佳的实施方式是在仪器的气室内安装温度传感器和湿度传感器，通过软硬件的方法进行补偿和校正处理。混合阵列的优点在于可以使用尽量少的传感器得到尽量丰富的响应图谱或者说”气味指纹信息”，以增加模式识别能力，而另一方面传感器的减少也有利于数据采集时功耗的减少。

对QCM气敏传感器信号的获取采用CPLD技术，在单片或多片(视传感器多少)的CPLD芯片中定制多通道16位计数器等模块，在单片机的配合下进行数据采集。在QCM气敏传感器阵列中通常包含一个参比QCM和多个气敏QCM。所谓的气敏QCM是指在电极表面涂有不同气体敏感膜的石英晶振，而参比QCM则是不含任何膜的空白石英晶振。当存在某种气味时，在气敏QCM的膜表面形成物理吸附/化学反应，导致石英晶振本振偏差，而偏差的值和物理吸附/化学反应的动力学过程和气味种类、浓度有关。在一定时间内(由单片机确定)对参比QCM和气敏QCM振荡的差值计数，即可得到这个动力学过程。采用CPLD技术既可以节省PCB空间，又能降低系统功耗，并且能增加系统稳定性。

对于电化学气敏传感器，经过一般的信号调理后，进行模数转换。可以采用TI公司的MSP430低功耗单片机系列，它的片内外设包括8通道的12位ADC模块，采样率最高为200ksps，足够满足对慢变传感信号的采样要求。另外，当传感器超过8个时也可以通过模拟开关扩大通道数目。

为实现手持式工作，本发明在仪器内部通过高度集成的硬件电路独立完成对物品气味的检测、信号预处理和特征提取、模式识别和显示报警等过程，特别是引入“双核”处理器——用于信号采集及控制管理的单片机和用于数据处理及模式识别的DSP，使得仪器可以完全脱离计算机独立工作。在仪器中所包含的DSP处理器，通过嵌入式软件完成模式识别算法。模式识别分两个阶段：事先对多种气味的知识库的建立和以后的使用。知识库的建立既可以在仪器内DSP中完成，也可以通过无线或者USB通讯将传感数据传输到计算机内完成。只要保证计算机和DSP中模式识别是算法和初始条件一致，就可以将计算机中的知识库移植回DSP中进行以后的识别。训练后的仪器即可以在现场使用，获取的传感信号在DSP中实时处理，并作出判断。单片机的软件设计通过对片内外设(例如，ADC和定时器等)的管理、自动睡眠和定时关机等以尽量降低运行功耗。

参照图1。本发明在仪器内部集成了一套小型气体流控系统，用来完成气室的清洗和被测气味的吸入和排出等过程。所述气体流控系统的气室1设有进气口11、出气口12，所述气体流控系统还包括用于向气室进气的微气泵2，气室的出气口通过内外气压差和内含小球13的自身重力，配合微气泵自动开启闭合。所述气体流控系统在微气泵之前设有被测气体通道31及清洗气体通道32，所述气体流控系统设有被测气体通道和清洗气体通道的气路转换控制开关4。所述清洗气体通道中设有空气过滤装置5。空气过滤装置包括过滤网和活性碳等，使进入气室的空气相对纯净。在图1中，附图标号6为蜂鸣器，附图标号7为按键，附图标号8为PCB板，附图标号9为USB接口，附图标号10为干电池。

图2是气路控制开关的三维结构图，它包括带挡板的滑块41，挡板两侧的两根弹簧42，在挡板居中时两根弹簧为自由长度，当用手左右拨动滑块时，拉动挡板左右移动，以达到选择气路的目的，即关闭被测气体通道和清洗气体通道的其中之一并打开另一气体通道，使净化空气或者被测气味进入气室。滑块下方设有金属件，当滑块拨动到最右或者最左端时，滑块下方的金属件与图示中的金属片43连接，导通电路，通过单片机自动开启微气泵。微气泵的气体流量和方向恒定，并且可以根据定时器自动关闭，以保证进入气室的被测气味量多次恒定一致。气室的制作材料和工艺保证内壁不吸附被测气味，气室可设置罩盖以便卸下更换安装传感器。出气口的设计保证微气泵关闭后气室具有一定的密闭性，而当微气泵开启后，由于气室内外压差，又可以重新开启。

图3是测量、控制和处理电路的系统框图。图中和文中各英文缩写的含义如下：CPLD——Complex Programmable Logic Device，复杂可编程逻辑器件；MCU——Micro Control Unit，微控制器；USB——Universal Serial Bus，通用串行总线；DSP——Digital Signal Processor，数字信号处理器；ADC——Analog-to-Digital Converter，模数转换器。传感器阵列由多个QCM气敏传感器和多个电化学气敏传感器组成，前者经过CPLD(例如Altera公司的EMP7256AE芯片)的计数，进入MCU(例如TI公司的MSP430F449芯片)，后者经过信号调理后进入MCU，由片内外设ADC采样。同时，气室内的温度传感器和湿度传感器经过信号调理后也进入MCU。MCU经过进一步信号处理(例如简单滤波、简单特征提取)后，可以将特征向量或者原始数据送入DSP进行训练或者识别，也可以通过USB模块送入计算机进行训练或者识别。也可以在计算机中进行训练，然后将知识库返回仪器，以后用仪器的DSP处理进行识别。识别的结果及其他信息显示在液晶屏上，也可以根据事先设置用蜂鸣器报警。按键用于设置参数等。图中的USB模块也可以用无线通讯模块(例如，蓝牙或者ZigBee)代替或者兼有。

图4是CPLD功能实现的内部逻辑图。CPLD内主要由多路差频器、16位计数器和锁存器组成，并且通过2路选通器来进行计数器清零和锁存选通。由MCU来控制计数通道的选通、数据读取和计数器清零。

仪器内部通过相关硬件(例如，DSP或者ARM等)的嵌入式软件完成模式识别算法，模式识别算法包括线性统计方法(例如，主成分分析)和人工神经网络(例如，误差反向传播前馈网络)等。另外作为附件的无线通讯模块(例如，蓝牙或者ZigBee)或者USB模块可以用来(1)传输仪器测量数据到计算机，用计算机的模式识别应用软件进行仪器训练或者气味辨识，然后将训练后的知识库或者辨识结论返回手持式仪器；(2)通过计算机对手持式仪器内的现有模式识别算法进行升级。

在仪器使用前，应该针对当前特定的应用对象(例如生化反恐或者辑毒)选择合适的传感器构建阵列。然后事先用各种可能存在的物品气味对电子鼻仪器进行训练，使得在仪器内DSP等的软件中模式识别算法形成必需的参数(例如人工神经网络的连接权重)，以代表当前仪器的知识库。当然要检测其他应用对象时，仪器可以重新训练更新参数，可以无限制重复使用。

具体训练操作步骤：

1、先拧开气室罩盖，安装适当的传感器构建阵列，再重新拧回气室罩盖。

2、将气路控制开关拨动到右边，仪器将自动开启微气泵。此时，清洗气体通道被打开，外界空气经过过滤网和活性碳等变成净化空气，最后到达气室。并带动气室内原有气体经过排气口排出气室。一段时间后使气室内空气相对纯净。

3、将气路控制开关拨动到中间位置，微气泵自动停止工作。

4、在被测气味环境中，或者通过外接管子深入被测物品中，将气路控制开关拨动到左边，被测气体通道被打开，微气泵自动开启，将被测气味抽入气室，然后定时关闭微气泵，以保证每次吸入恒定量的气体。此后将气路控制开关拨动到中间位置，关闭气路。

5、单片机控制ADC或者CPLD中的计数器工作，获取传感信号。对于慢变传感信号，采用1～5sps的采样率足够。采样时间通常持续1～5分钟。

6、在单片机内部对得到的信号进行简单滤波等处理，并提取特征(对复杂的特征提取也可以直接送入DSP进行)，然后送入DSP。

7、同时通过按键输入当前物品气味编号，也送入DSP处理器。

8、DSP按照内置算法进行计算，调整参数。

9、重复步骤2～8，进行其他物品气味的训练。最后的参数保持在仪器内部EEPROM或FLASH中。

仪器的训练也可以在计算机中完成。以上步骤6～9可以用如下操作代替：

t6、将传感信号通过USB模块(或者无线通讯模块)送入计算机。

t7、同时通过计算机键盘输入当前物品气味编号。

t8、在计算机内部根据模式识别算法进行计算，调整参数；

t9、重复步骤2～t8，进行其他物品气味的训练。最后的参数通过USB(或者无线通讯模块)传回仪器，保存在仪器内部EEPROM或FLASH中。

训练后，仪器可以拿到现场使用，使用操作步骤如下：

10、重复步骤2～6，获取未知物品气味信号，送入DSP处理器。

11、DSP按照内置算法和事先训练得到的参数分析数据，作出判断。

12、判断结果返回单片机，并在液晶屏上显示，如有必要还可以通过蜂鸣器报警。

Claims (7)

1.用于现场检测的低功耗手持式电子鼻系统，其特征在于它包括电子鼻盒体，所述电子鼻盒体中设有气体流控系统，气体流控系统中的气室中至少设有一个由低功耗的不同种气敏传感器组成的混合传感器阵列，所述电子鼻盒体中还设有必要的检测电子电路、无线通讯模块和/或USB模块、单片机和用于数据处理及模式识别的DSP系统，检测电子电路中设有用于QCM气敏传感信号检测的CPLD电路、用于电化学气敏传感信号检测和温度湿度传感信号检测调理的电路。

2.如权利要求1所述的用于现场检测的低功耗手持式电子鼻系统，其特征在于它通过干电池供电，所述传感器包括QCM气敏传感器、SAW气敏传感器、电化学气敏传感器或这三种传感器的任意两种；检测电子电路的芯片采用低功耗单片机，所述单片机负责响应按键、控制气体流控系统中的微气泵、液晶屏、蜂鸣器、电源管理和通讯。

3.如权利要求2所述的用于现场检测的低功耗手持式电子鼻系统，其特征在于对QCM气敏传感器的信号获取通过在CPLD器件中定制多通道16位计数器实现。

4.如权利要求1所述的用于现场检测的低功耗手持式电子鼻系统，其特征在于所述气体流控系统的气室设有进气口、出气口，所述气体流控系统还包括用于向气室进气的微气泵，所述气体流控系统在微气泵之前设有被测气体通道及清洗气体通道，所述气体流控系统设有被测气体通道和清洗气体通道的气路转换控制开关。

5.如权利要求4所述的用于现场检测的低功耗手持式电子鼻系统，其特征在于所述清洗气体通道中设有空气过滤装置。

6.如权利要求5所述的用于现场检测的低功耗手持式电子鼻系统，其特征在于气室的出气口通过内外气压差和内含小球的自身重力，配合微气泵自动开启闭合。

7.如权利要求1所述的用于现场检测的低功耗手持式电子鼻系统，其特征在于所述气室中还设有温度传感器和湿度传感器。

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