CN103308568A - 一种用于农产品品质远程监测的无线电子鼻系统 - Google Patents

Abstract

一种用于农产品品质远程监测的无线电子鼻系统，它主要包括：用于8路采集传感值的监测节点、用于ZigBee网络建立与数据汇聚的协调器节点和用于数据存储处理的上位机系统。其中监测节点包括8路将气味信号转化为数字信号的传感阵列及采样系统，信号处理电路，集8路AD转换与主控制器在内的数据发送模块CC2530。同时，通过组网，可设置多个监测节点，能同时对多个地方的对象进行监测。通过软件部分设计，实现了8路传感数据的同步传输。用所述天线设计方法使得数据达到最远发送距离；各部分的设计使资源达到了最大化地利用；最终对接收的数据进行模式识别实现了谷物、水果等农产品新鲜度的检测。

Description

一种用于农产品品质远程监测的无线电子鼻系统

技术领域

本发明涉及一种用于农产品品质远程监测系统的无线电子鼻系统。 

背景技术

电子鼻是一种智能仿生系统，通过运用不同的传感器可以用于产品质量检测及分类、环境监测、疾病诊断等。近20年来，电子鼻研究取得了很大的进展，但它们价格均较昂贵。电子鼻及其应用研究在我国尚处于起步阶段，研究开发便携，低功耗，价格适宜的电子鼻近年来已成为研究趋势。 

传统的电子鼻系统只能针对工作在某些特定环境下小空间范围内或者说室内的特定存放的农产品品质检测，不适用于远程监测、野外生产现场、农产品产地等大范围场合应用；而且存在着有线接入维护成本高、系统可扩展性和移动性能差等缺陷。再者大多数传统电子鼻采用数据采集卡进行数据采集，采集卡价格昂贵，增加了电子鼻的成本。 

无线传感网络由部署在监测区域内大量廉价的微型传感器节点组成，各节点通过无线通信方式形成一个多跳的自组织的网络系统，能够协作的感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。随着无线传感网络技术的发展，数据传输速率慢慢达到了可以和有线网络相媲美的程度。利用无线传感器网络测量不必铺设传输线，具有功耗低、可靠性高、易组网和稳定性好等优势，能非常方便地改变传感器节点位置和增加节点数目，具有广阔的应用前景。以往对此研究多用于少路数据或控制信息的传输，鲜有在多路数据传输方面的运用，随着传感器和同步传输信号增加，需注意数据的精确度和丢包率。 

将农产品品质检测用电子鼻系统与无线传感网络结合，可解决传统农产品检测用电子鼻存在的问题，能实时、快速将信号传送至监控器进行分析处理，并且将无线传感网络用于多路数据传输，同时保证传输的精确度，使得系统向网络化、远程化趋势发展，从而实现农产品品质的电子鼻远程监测。 

发明内容

本发明克服了传统的电子鼻系统只能针对工作在某些特定环境下小空间范围内的气体检测，不适用于生产现场、厂矿地区、边远野外等大范围场合应用，特别是无法在对人有害的环境下实时检测以及有线接入维护成本高、系统可扩展性和移动性能差等缺陷。 

本系统通过以下技术方案来完成：实现了基于ZigBee的无线电子鼻系统，包括各元器件的选取，节点的结构组成及原理图，各部分接口电路的设计，以保证系统功能的实现。其中重点在于信号处理电路以及无线通讯模块的天线部分设计。另外板上移植的Z-Stack结构，CC2530数据采集、AD转换程序的设计以及针对8路数据采集、传输所进行的开发，保证了8路数据传输的准确性。 

通过比较各无线模块，本节点间的通信采用美国德州仪器公司发布的低系统成本、高集成度、低功耗的射频芯片CC2530。对于监测节点，考虑农产品随着存放所释放的气体，传感器依次选为S1（TGS825）、S2（TGS822）、S3（TGS826）、S4（TGS2610）、S5（TGS2620）、S6（TGS2600）、S7（TGS2611）、S8（TGS2201）8个敏感对象不同的气敏传感器，此传感器需要施加2个5V电压：加热器电压（VH）和回路电压（VC）。从传感器气室输出8路传感值，通过信号处理电路进行处理。 

所述的信号处理电路采用传感器标准分压电路将输出转化为某一电压，此处考虑各传感器内阻、敏感特性等的差异，分压电阻选用一个阻值为10KΩ的电位器。由于本设计采用无线传输模块内部的A/D转换，该A/D参考电压为3.3V，故输入A/D的电压不能超过无线模块的供电电压3.3V，采用两个电阻对该电压进行分压，使电压调整为原来的三分之二。调整后的电压通过由放大器组成的电压跟随电路，降低了输出阻抗，提高了电路负载能力，使A/D转换前信号达到最优。 

所述的天线部分设计采用ADS进行Layout—原理图联合仿真，考虑了实际PCB制作的板材，布局，厚度等因素，使传输距离达到最大化。 

整个系统各部件中，只有CC2530采用3.3V供电，其余部件均采用5V供电，所以为了精简系统，系统采用单一5V供电，并且在输入CC2530模块前转化为3.3V。 

所述的针对8路数据采集、传输所进行的应用层开发，主要实现8路数据实时准确的传输。协调器节点负责ZigBee网络的建立和维护，并且接收各节点的各路数据。在数据传输之前对协调器节点及各监测节点进行了绑定，这样，发送数据只要发送至0xFFFE即可。将8路A/D转换结果依次存入定义的8位数据的每一位中，通过zb_SendDataRequest( )函数将数据发送给目的地址0xFFFE。在协调器调用SAPI_ReceiveDataIndicationg( )函数接收到数据后，对数据进行进制转换及运算，通过串口程序传送至上位机处理。以上函数均就8路数据传输进行设置。在传输过程中采用IEEE802.ll DCF协议，在MAC层实现自动重传请求机制ARQ（Automatic Repeat Request），以提高数据传输的可靠性。采用此协议的弊端是在ACK应答过程中，发送节点常会因反向链路质量较差而接收错误，从而导致数据的冗余重发。协调器节点接收各路数据后通过串口转USB接口发送至客户端，在上位机接收界面接收储存数据后，采用SPSS软件对数据进行主成分分析。 

本发明的有益效果在于：系统的集成度高，采用无线模块内部的AD转换及内部控制器，充分利用了资源，大大提高了系统的集成度。对无线模块天线部分进行了优化的设计，同时对系统性能进行了测试，使系统达到最优状态。另外，无线模块传输实时且价格适宜，大大降低了系统的成本。系统最大的优势在于实现了8路数据的远程传输，克服了在特定场合人类无法使用的缺陷。 

附图说明

图1为用于农产品品质远程监测的无线电子鼻系统总体结构示意图。 

图2为信号处理电路图。 

图3为仿真结果的smith圆图。 

图4为监测节点8路数据采集发送流程图。 

图5为协调器节点8路数据接收流程图。 

图6为8路数据系统丢包率测试结果。 

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。 

如附图1所示，一种用于农产品品质远程监测的无线电子鼻系统，包括第一监测节点91、第二监测节点92、协调器节点93和客户端94；其中第一监测节点91和第二监测节点92结构相同，分别包括8路气敏传感器构成的传感阵列3、气室1、气泵、信号处理电路4、无线传输模块51和天线61，其中传感阵列3位于气室1内；通过气泵采集样本挥发物，通入气室1中，传感阵列3采集农产品品质信号，经过信号处理电路4处理后传入无线传输模块51，通过ZigBee网络与协调器节点93进行通信，实时地传输8路传感数据；协调器节点93与客户端94相连；两监测节点91、92各自都能与协调器节点93进行通信。 

如附图1所示，8路信号传输采用CC2530模块，并且通过由PL2303芯片构成的串口转USB电路7将数据送给上位机8。以往的节点设计是将数据处理控制模块和通信模块分开，使用两块芯片（处理器芯片+无线收发器），而目前随着芯片集成度的提高，使原有的数据处理控制和通信两大模块的设计只需要一块集成芯片就可以完成，减少了整个系统体积，降低了成本，而且集成度越高，成本越低，功耗也越小，而且处理器和无线收发电路整合在同一晶片上，最大限度地减少了单片机数字电路对高频模拟电路的干扰，提高了可靠性。同时，CC2530内含8通道14位AD转换器，此AD转换器满足本系统设计要求，采用此AD转换器不仅节省了系统成本，而且使系统集成度更高。 

据对农产品霉变结果分析及以往霉变农产品检测系统的了解，本远程农产品监测系统选择TGS系列n型半导体传感器S1（TGS825）、S2（TGS822）、S3（TGS826）、S4（TGS2610）、S5（TGS2620）、S6（TGS2600）、S7（TGS2611）、S8（TGS2201）组成。如附图2所示，首先采用传感器标准分压电路将输出转化为某一电压，此处考虑各传感器内阻、敏感特性等的差异，分压电阻选用一个阻值为10KΩ的电位器。由于本设计采用无线传输模块内部的A/D转换，该A/D参考电压为3.3V，故输入A/D的电压不能超过无线模块的供电电压3.3V，采用两个电阻对该电压进行分压，使电压调整为原来的三分之二。调整后的电压通过由放大器组成的电压跟随电路，降低了输出阻抗，提高了电路负载能力，使A/D转换前信号达到最优，此处选用输入阻抗高，噪声小的运放LM324。 

采用无线模块CC2530内部的A/D转换。该A/D包括1个参考电压发生器、8个独立可配置通道、支持多达14位的模拟数字转换。无线模块的P0.0~P0.7引脚分别对应AIN0-AIN7，所以需将引脚设为AD输入功能。将转换精度设置为14位，同时依次设置好ADC控制寄存器ADCCON1、ADCCON2、ADCCON3。 

为了使系统通信范围尽可能大，需要对CC2530模块天线部分6进行设计。在考虑板材、尺寸、器件布局等的基础上，将实际电路PCB文件导出，保存类型选项选择AutoCad files。将此文件导入ADS软件的Layout层，将ADS Layout层PCB板中不需要仿真的部分删除，只留下我们需要仿真并优化的天线及巴伦电路部分。然后在导电层添加一些端口（Port），每个器件内部都需要加两个Port，天线与外部的接口以及接地都需要加Port，并在此基础上完成厚度、介电常数等关键因素的设置。 

将Layout层导入ADS原理图，实现Layout—原理图联合仿真。在ADS中将Layout层转换为电路原理图，由于本设计运用村田公司生产的电容电感，故在原理图中添加ADS元件库中村田公司的元器件，频率扫描起点为2.0GHz，终点为3.0GHz,扫描间隔为10MHz。仿真结果如附图3所示。输入反射系数S11代表输入端口反射波与入射波之比，输出反射系数S22代表输出端口反射波与入射波之比。S11和S22越大则输入或输出损耗越严重，因此一般要求工作频域内S11和S22小于-10dB, 并且越小越好。调节C251、L252、C252、C261、C262、L261、C254的值，在Smith圆图中可以读出2.4GHz处S11和S22的值满足要求。阻抗值以特性阻抗Z0的形式给出，2.4GHz处输入阻抗和输出阻抗均接近Z0，达到了匹配的要求。天线达到最大增益。通过优化，传输距离达到了50m。 

如附图4、5为系统8路数据传输流程。ZigBee无线传感网络中数据传送的模式可以分为连续发送型、事件驱动型、查询驱动型和混合型四类，对于电子鼻系统，需要不断地采集目标气体，故本设计采用连续发送型。 

本系统开发调试都是在集成开发环境IAR Embedded Workbench中完成的。在Z-Stack操作系统基础上编写。Z-Stack运行在一个OSAL（操作系统抽象层）上，该操作系统是基于任务调度机制，通过对任务的事件触发来完成任务调度。根据任务事件的优先级，依次轮询MAC层、网络层、硬件抽象层、应用支持子层和ZigBee设备对象层，如以上各层均无事件触发，则轮询至应用层。 

第一监测节点91负责采集、处理和发送8路数据，CC2530传输速率达到250kbps，发送时从P0.0~P0.7为一轮，依次采集发送，若此时有端口没有数据，即可认为此端口暂无数据输出，用数据0替代，继续发送下一个端口的数据。由于采用了CSMA/CA技术，所以可以让终端节点定时检测对象信息，并发送节点数据，第一监测节点91大部分时间处于休眠状态，此时，节点关闭无线通信模块和传感器模块，只保留CPU内部定时器和中断，以减少功耗。同时采用IEEE802.ll DCF协议，在MAC层实现自动重传请求机制ARQ（Automatic Repeat Request），以提高数据转发的可靠性。其中有两种帧需要重传，一是RTS（Request To send）帧，当节点有数据转发首先发送RTS，以向目标节点发起发送请求，发送节点如果在设定时间间隔内没有收到CTS（Clear To Send）便重发RTS，直到成功收到CTS或达到最大重发次数；二是数据DATA，当节点发出DATA帧后，发送节点在给定时间间隔内如果没有收到ACK，就重新发起该数据的整个转发过程，直至成功收到ACK或达到数据的最大重传次数。其中RTS和DATA的最大重发次数均可根据实际情况进行设置。本系统设置RTS和DATA的最大重发次数分别为4次和2次。 

第一监测节点91上电后首先进行系统初始化，并且将不同的监测节点设置不同的采集定时时间。通过调用函数ZDO_StartDevice()启动设备，网络初始化是从这里真正开始的，逻辑类型也从这里开始体现出来的。然后是加入网络。接着，应用层事件函数被触发，进行绑定事件，将监测节点与协调器绑定，绑定后，发送的目标地址设为0xFFFE即可，由于目标设备的扩展地址未知，实施一个“按键”策略实现绑定。这时，目标设备将首先进入一个允许绑定的状态，并通过zb_AllowBindResponse()对配对请求作出响应。然后，在源节点中执行zb_BindDeviceRequest()（目标地址设为无效）可实现绑定；进入用户事件ZB_USER_EVENTS，进行AD转换及发送函数。设置ADC的三个寄存器ADCCON1, ADCCON2和ADCCON3，将参考电压设置为3.3V，分辨率设置为十位，8个通道均开启。AD转换完成后，将8路数据依次存放于一个8位数据pData的每一位中，通过zb_SendDataRequest( )函数将数据发送。流程图如附图5所示。 

此无线电子鼻能实现多个监控点的数据采集，所以协调器93需绑定多个节点，构成星形网络。 

与第一监测节点91一样，在启动后仍然首先进行系统初始化，但协调器部分还包括对串口配置，主要设置数据速率、奇偶校验位、停止位等。ZigBee协调器负责网络的组建，并对其它节点（多个监测节点）加入网络请示做出响应，负责通信链路的建立以及数据包协议转换等。当其接收到传感节点发送的信息后，将触发SYS_EVENT_MSG事件，并对AF_INCOMING_MSG_CMD信息做出处理，即调用SAPI_ReceiveDataIndicationg( )函数进行处理。对于到达的传感数据，记录其信源节点的64位物理地址，将数据与监测节点建立关联，最后通过RS232接口将数据发送至上位机。当设定预编译选项ZTOOL_PI和MT_TASK时，可调用debug_str( )函数，将采集到的8路传感值发送至串口。如附图5所示。 

客户端94设有PC机8，所述的协调器节点93设有无线传输模块的接收部分52，通过PL2303芯片构成的串口转USB接口7连接所述的PC机8，进行特征提取、模式识别。 

实施例   通信性能测试 

如附图1所示，在设计完成系统后，进行实际应用，对系统的通信性能进行测试。

考虑电子鼻的功能需求，此处主要测试系统的通信距离、通信功率与误码率的关系。选取学校大操场为测试场地。测试时，用数字信号替代传感器信号，便于控制。 

（一）传输距离与误码率 

首先粗略地测试传输距离与误码率的关系。寄存器设置输出功率为+4.5dBm，将监测节点与协调节点直线距离通信，中间无任何障碍物，通过测量结果计算误码率如图6（a）所示，对8路传感数据总和进行统计，在70m左右误码率开始上升，信息传递开始有丢包情况，80m时候协调器掉线，现场控制器接收不到数据。同时对每一路数据进行统计，发现8路数据误码率接近。

完全空旷的地方比较少，在有障碍环境下无线通信距离与误码率水平关系，如图6（b）所示，在离监测节点30m处加一堵墙，随着距离的增加，误码率增加很快，到50m左右处节点掉线。 

（二）通信功率与误码率 

由于CC2530输出功率为-28dBm~+4.5dBm，不同的输出功率对应不同的误码率。设计中对天线部分进行了联合仿真，达到了很好的阻抗匹配，使功率利用率达到最大，增大了在相同功率下无误码率的传输距离。CC2530用RSSI（received signal strength indicator）来指示节点接收到的无线信号强度大小，内含一个RSSI寄存器。

     

                  (1) 

接收端功率如公式1所示，Pr为接收节点的功率，P_RSSI为RSSI寄存器的值，P₀为修正偏移量，k为发送帧数量。

在本系统中，设置通信频率为2.4GHz；由（一）部分，故通信距离设为60m，场地无障碍；由于传输8路数据，且每路接收一位小数点数据（3字节），所以每组发送8路*100（k=800）个长度为3字节的MAC帧，对7种发射功率进行测试，在接收端计算P_RSSI并统计丢包率，8路数据每路的丢包率结果如下表所示。 

  

由测试可知，随着功率的下降，误码率不断上升，误码率的上升程度不断增加。而且8路数据的误码率水平接近，但第七、八路相对较高，本系统从第一路开始依次接收，所以随着接收增多，误码率增高。所以应选择合适的发射功率。同时也避免因功率设置太大，造成能量的浪费。

Claims (5)

1.一种用于农产品品质远程监测的无线电子鼻系统，其特征在于：该系统包括第一监测节点（91）、第二监测节点（92）、协调器节点（93）和客户端（94）；其中第一监测节点（91）和第二监测节点（92）结构一致，分别包括8路气敏传感器构成的传感阵列（3）、气室（1）、气泵、信号处理电路（4）、无线传输模块（51）和天线（6），其中传感阵列（3）位于气室（1）内；通过气泵采集样本挥发物，通入气室（1）中，传感阵列（3）采集农产品品质信号，经过信号处理电路（4）处理后传入无线传输模块（51），通过ZigBee网络与协调器节点（93）进行通信，实时地传输8路传感数据；协调器节点（93）与客户端（94）相连；两监测节点（91）（92）各自都能与协调器节点（93）进行通信。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的传感整列（3）包括S1（TGS825）、S2（TGS822）、S3（TGS826）、S4（TGS2610）、S5（TGS2620）、S6（TGS2600）、S7（TGS2611）、S8（TGS2201）各不相同的8路气敏传感器；所述的8路气敏传感器的输出电压为0-3.5V，经过信号处理电路（4）处理后直接通过IO口输入所述的无线传输模块（51）进行8路数据AD转换、处理、发送；对于所述的信号处理电路（4），运用电阻分压将气敏传感器输出电压调至三分之二。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的天线（6），将Protel中匹配电路PCB图导入ADS进行Layout—原理图联合仿真。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的客户端（94）设有PC机（8），所述的协调器节点（93）设有无线传输模块的接收部分（52），通过串口转USB接口（7）连接所述的PC机（8），进行特征提取、模式识别。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：使用ZigBee2007协议栈，开发其应用层，进行ZigBee网络建立，绑定第一监测节点（91）、第二监测节点（92）与协调器节点（93），定义一个8位数据，将8路A/D转换结果依次存入此8位数据的每一位中，对其进行发送、接收及转换，得到8路数据，并且在传输过程中采用IEEE802.ll DCF协议保证8路数据传输的准确性。

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