CN103424433A - 一种用于农产品品质检测的远程无线电子鼻系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于农产品品质监测的远程无线电子鼻系统，它包括现场检测部分、远程监控中心和上位机三部分；其中，现场检测部分包括气室、气敏传感器阵列、信号处理模块、微机处理模块、GPRS模块和气路控制模块；远程监控中心由Web服务器和电子鼻信号数据库相连组成；气敏传感器阵列封装在气室内并与信号处理模块相连，信号处理模块、GPRS模块和气路控制模块均与微机处理模块相连，GPRS模块通过GPRS网络和Internet网络与Web服务器连接，电子鼻信号数据库和上位机均与Web服务器相连；本发明实现了在现场或移动环境中，以远程无线方式对农产品品质实施长期实时检测并将数据进行统一处理和管理的目的。
Description
技术领域
本发明涉及农产品品质检测技术领域，尤其涉及一种应用于农产品品质检测的远程无线电子鼻系统。
背景技术
据统计，我国果、蔬等农产品在生产、运输、储存等物流环节中的损失率高达25%-30%，远高于发达国家平均5%的损失率。每年仅运输途中腐烂、损失一项，总值就达到750亿元。近年来，生鲜农产品的产量和流通量逐年增加，探索农产品在物流尤其运输环节中的品质演变规律，继而采取恰当的措施，以尽可能保持物流环节中农产品的安全和品质已是亟待解决的问题。因此，开发一种适用于农产品在物流阶段尤其是运输和贮藏环节中的品质检测设备成为必要。
电子鼻是模仿生物鼻的一种人工嗅觉系统，主要通过气味来对气体成分和类型进行识别和检测。在农产品品质检测领域，电子鼻的应用研究已取得了较大的进展，尤其对农产品品质劣变过程的研究中，已经实现了定性和定量的检测效果。这表明，电子鼻应用于农产品品质的检测，包括农产品在各物流环节中的品质检测，具有可行性。而电子鼻检测快速无损、实时性和智能化的优点，使电子鼻具备了实用性。
现有电子鼻，如中国专利授权公开号CN 101769889 A，“一种农产品品质检测的电子鼻系统”，完成了电子鼻的嵌入式设计，体积小巧，有利于现场及移动检测。但它将气体富集、传感器模块、信号处理、模数转换和数据存储一应模块全部集中到一个嵌入式系统中，致使系统负荷沉重，功耗较高，且只能在检测完成后才可以对存储的数据进行处理和分析，因此不符合农产品贮藏及运输途中的需要长期、实时监测的要求。又如中国专利授权公开号CN101788440A，“一种用于食品安全监测的电子鼻系统”，采用基于MEMS技术的谐振式气体传感器，具有高灵敏度和低功耗的特点，且传感器以独立的形式安装，以灵活的方式构成传感器阵列，有更好的普适性，可用于不同食品贮藏环境的长期监测。传感器的测量信号为频率，有准数字的特点，信号精度不受传输距离的影响，因此可以实现远程监测，但仍然是以有线的形式实现，无法在移动环境中使用，不符合农产品运输途中数据需要远程无线传输的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于现场及移动环境、可以对农产品品质实施长期实时监测、将数据进行统一处理和管理的远程无线电子鼻系统。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种用于农产品品质监测的远程无线电子鼻系统，包括现场检测部分、远程监控中心和上位机三部分；其中，现场检测部分包括气室、气敏传感器阵列、信号处理模块、微机处理模块、GPRS模块和气路控制模块；远程监控中心由Web服务器和电子鼻信号数据库相连组成；气敏传感器阵列封装在气室内并与信号处理模块相连，信号处理模块、GPRS模块和气路控制模块均与微机处理模块相连，GPRS模块通过GPRS网络和Internet网络与Web服务器连接，电子鼻信号数据库和上位机均与Web服务器相连；气敏传感器阵列采集的气敏传感器信号经过信号处理模块滤波放大后，传输到微机处理模块进行模数转换，得到的电子鼻数字信号经GPRS网络无缝连入因特网，以TCP/IP协议的方式无线传输给远程监控中心；Web服务器对电子鼻数字信号进行实时图形化显示后，由电子鼻信号数据库存储、管理和等待调用；上位机连入因特网，通过IP或域名登录远程监控中心，可以设定电子鼻检测初始参数、实时查看检测过程信息、发送即时控制命令以及查看电子鼻检测结果。
进一步地，所述气敏传感器阵列封装在气室内包含8个具交叉选择性的气敏传感器，分别是：硫化氢气体传感器、氨气/胺化合物气体传感器、氢气传感器、一氧化碳传感器、二氧化碳传感器、甲烷气体传感器和两个有机挥发物气体传感器。
进一步地，所述信号处理模块包括八个调理电路，每个调理电路与一个气敏传感器相连，所有调理电路均与微机处理模块相连。
进一步地，所述调理电路包括3个电阻R1-R3、4个电容C1-C4、电位器RT1和1个运算放大器U1；其中，电阻R1的一端、电容C1的一端、电容C2的一端和电位器RT1的滑动端相连，作为调理电路的信号输入端与气敏传感器相连；电阻R1的另一端与电容C3的一端相连后接运算放大器U1的正输入端；电阻R2的一端与电阻R3的一端相连后接运算放大器U1的负输入端；电容C2的另一端、电阻R3的另一端与电容C4的一端相连后接运算放大器U1的输出端，作为调理电路的信号输出端与微机处理模块的信号输入端相连；电位器RT1的一个固定端、电阻R2的另一端、电容C1的另一端、电容C3的另一端和电容C4的另一端接地。
进一步地，所述气路控制模块包括两个光电隔离模块PI1和PI2、两个电磁阀F1和F2和质量流量控制器MFC，其中，电磁阀F1、质量流量控制器MFC、气室和电磁阀F2通过管道依次相连；微机处理模块的一路模拟量输出端与质量流量控制器MFC的模拟量输入端相连；微机处理模块的两路开关量输出端分别与光电隔离模块PI1和光电隔离模块PI2的驱动端相连，光电隔离模块PI1和光电隔离模块PI2的被驱动端分别与电磁阀F1和电磁阀F2相连，驱动电磁阀F1和电磁阀F2工作或停止，对检测或清洗状态进行开关控制。
本发明的有益效果是：本发明的远程无线电子鼻系统采用GPRS数据传输终端的方案，解决了电子鼻数字信号远程无线传输的问题，实现检测与数据处理过程的分离，对农产品品质实施检测，将检测得到的电子鼻数字信号发送到远程监控中心并将数据进行统一处理和管理；通过上位机登录远程监控中心，可以对检测过程实施远程控制，实现无人值守的电子鼻检测，还可以查看实时检测过程信息及过往检测结果；本发明的现场检测部分仅包括气室、信号处理模块、微机处理模块、GPRS模块和气路控制模块等必要部分，功耗较低，有利于农产品贮藏及运输途中的长期、实时检测要求；针对气敏传感器模拟信号易受干扰的问题，在信号调理电路中设计带有二阶低通有源滤波器设计的运算放大电路对信号进行滤波放大，并在微机处理模块与电磁阀之间采用光电隔离模块，进一步提高了系统整体的抗干扰能力和鲁棒性。
附图说明
图1是本发明的结构框图；
图2是四脚气敏传感器与调理电路的电路图；
图3是六脚气敏传感器与调理电路的电路图；
图4是气路控制模块连接示意图；
图5是微机处理模块程序流程图；
图6是远程监控中心功能图。
具体实施方式
如图1所示，本发明用于农产品品质监测的远程无线电子鼻系统，包括现场检测部分、远程监控中心和上位机三部分，其中，现场检测部分包括气室、气敏传感器阵列、信号处理模块、微机处理模块、GPRS模块和气路控制模块；远程监控中心由Web服务器和电子鼻信号数据库相连组成。气敏传感器阵列封装在气室内并与信号处理模块相连，信号处理模块、GPRS模块和气路控制模块均与微机处理模块相连，GPRS模块通过GPRS网络和Internet网络与Web服务器连接，电子鼻信号数据库和上位机均与Web服务器相连。
如图1所示，气敏传感器阵列封装在气室内，包含8个具交叉选择性的TGS系列气敏传感器，每一路传感器经过信号处理模块滤波、放大后，其模拟输出端分别与微机处理模块的8路模拟量输入端对应相连；微机处理模块可以采用arm9系列的mini2440开发板但不仅限于此；微机处理模块的一路模拟量输出端与两路开关量输出端分别与气路控制模块内端口相连；微机处理模块通过串口与GPRS模块相连，微机处理模块将处理后的气敏传感器数字信号经GPRS网络以TCP/IP协议的方式无线传输给远程监控中心；GPRS模块可以采用华为的GTM900C但不仅限于此；Web服务器连入因特网，从GPRS模块接收数据，处理后交由电子鼻信号数据库进行存储、管理和调用；Web服务器接收上位机客户端以域名或固定IP访问。
气敏传感器阵列GS包含8个具交叉选择性的TGS系列气敏传感器，分别是S1（TGS825）、S2（TGS826）、S3（TGS2600）、S4（TGS203）、S5（TGS4160）、S6（TGS822）、S7（TGS823）、S8（TGS813），其中S1是硫化氢气体传感器，S2是氨气/胺化合物气体传感器，S3是氢气传感器，S4是一氧化碳传感器，S5是二氧化碳传感器，一贯用于蔬菜大棚空气的检测，S6和S7是有机挥发物气体传感器，但二者选择性不完全相同，S8是甲烷气体传感器。上述所描述的所有传感器名称，如硫化氢气体传感器S1，指的是S1针对硫化氢气体有较高的敏感性，而对待测气体中的其他成分也有一定的感知能力。8个TGS系列气敏传感器的检测范围基本涵盖了农产品在物流环节中释放的气体种类，且8个传感器之间具有一定的交叉选择性，因此，所述气敏传感器阵列适用于农产品品质的检测。8个气敏传感器中，S6、S7和S8是六脚气敏传感器，其余5个传感器都是四脚气敏传感器。
如图2和图3所示，信号处理模块包括8个调理电路，每个调理电路与一个气敏传感器相连。每个调理电路包括3个电阻R1-R3、4个电容C1-C4、电位器RT1和1个运算放大器U1。其中，电阻R1的一端、电容C1的一端、电容C2的一端和电位器RT1的滑动端相连，作为调理电路的信号输入端与气敏传感器相连；电阻R1的另一端与电容C3的一端相连后接运算放大器U1的正输入端；电阻R2的一端与电阻R3的一端相连后接运算放大器U1的负输入端；电容C2的另一端、电阻R3的另一端与电容C4的一端相连后接运算放大器U1的输出端，作为调理电路的信号输出端与微机处理模块的信号输入端相连；电位器RT1的一个固定端、电阻R2的另一端、电容C1的另一端、电容C3的另一端和电容C4的另一端接地。如图2所示，当调理电路与四脚气敏传感器相连时，四脚气敏传感器的1脚接地，2脚与调理电路的信号输入端相连，3脚接回路电压VC，4脚接加热器电压VH。如图3所示，当调理电路与六脚气敏传感器相连时，六脚气敏传感器的1脚和3脚接回路电压VC，2脚接加热器电压VH，4脚和6脚与调理电路的信号输入端相连，5脚接地。
为了保证气敏传感器工作在标准试验条件下以发挥最佳效用，对气敏传感器施加值不同的加热器电压（VH=5V）和回路电压（VC=10V），为使分压后电压处在可以检测的范围内，选用电位器Rt1的最大阻值等于气敏传感器工作时阻值上限的1/3倍，气敏传感器信号经电位器RT1分压处理后，对信号进行低通滤波去噪，截止频率为：
之后对信号进行放大，增益为：
这里选取阻值相等的R2和R3，使电压增益恒定为2，此时输出电压信号范围是0-5V，P端与微机处理模块U2的0-5V模拟量输入口相连。运算放大器U1采用低噪声的LM324。
如图4所示，本发明的气路控制模块包括两个光电隔离模块PI1和PI2、两个电磁阀F1和F2和质量流量控制器MFC，其中，电磁阀F1、质量流量控制器MFC、气室和电磁阀F2通过管道依次相连；微机处理模块的一路模拟量输出端与质量流量控制器MFC的模拟量输入端相连，质量流量控制器MFC可以采用Aera系列的fc-7800CD但不仅限于此，根据微机处理模块模拟量输出端的输出DA电压，可以对待测气体流速进行精准控制；微机处理模块的两路开关量输出端分别与光电隔离模块PI1和光电隔离模块PI2的驱动端相连，光电隔离模块PI1和光电隔离模块PI2的被驱动端分别与电磁阀F1和电磁阀F2相连，驱动电磁阀F1和电磁阀F2工作或停止，对检测或清洗状态进行开关控制。
微机处理模块可以由单片机、DSP、ARM来实现，如arm9系列的mini2440开发板，但不仅限于此。如图5微机处理模块程序流程图所示，微机处理模块程序流程图包括微机处理模块和GPRS模块的实现流程图，程序实现流程描述如下：
微机处理模块和GPRS模块上电启动后，微机处理模块复位并执行初始化操作，接着发送一系列AT指令至GPRS模块；GPRS模块接收一系列AT指令后执行初始化操作，确定网络位置为TCP客户端，并确定了远端IP、端口以及串口参数，接着GPRS模块作为TCP客户端对远程监控中心发起SOCKET连接，连接保持阻塞直到连接成功为止，然后新建一个SOCKET连接用于通信；此时用户可以通过上位机以域名或固定IP访问远程监控中心，通过监控的Web程序,远程监控中心以TCP/IP形式发送控制命令信息至GPRS模块，GPRS模块接收后由微机系统通过数据读取的AT指令读取，从而选择手动或自动检测模式，设定电子鼻检测的初始参数，以及开始或结束检测。
选择进入手动或自动控制态，若进入自动控制态，则依照已设定的电子鼻检测初始参数，根据设定的程序生成的检测过程算法驱动电磁阀和运行MFC，以达到所需的检测状态；检测开始后，对气室内S1-S8的8路气敏传感器信号开始依次执行AD转换，转换得到电子鼻数字信号经数值转换处理后打包，经串口发送至GPRS模块的数据报发送缓冲区；GPRS模块的发送缓冲区接收打包后的电子鼻数据报，直至满帧后通过SOCKET发送至远程监控中心，经处理后电子鼻数据报由电子鼻信号数据库依次接收；根据生成的检测过程算法判定是否已执行完电子鼻检测，若未执行完成则继续上一步骤，若完成则程序结束；若进入手动控制态，GPRS模块的接收缓冲区接收来自远程监控中心的控制命令，微机系统按一定时序周期性读取GPRS模块接收的控制命令信息，这实现了检测过程中的手动控制，此时MFC运行状态、电磁阀开关状态和AD转换执行的开始以及结束的时间都由人为手动控制。
当检测过程结束，微机系统向GPRS模块另外一系列AT指令，断开SOCKET连接，流程终止，系统进入休眠状态。
本发明所述远程监控中心由Web服务器和电子鼻信号数据库组成，Web服务器、电子鼻信号数据库组和上位机均可由普通PC机和服务器来实现：将Web服务器连入因特网，从GPRS模块接收包含8路电子鼻数字信号的数据报，8路电子鼻数字信号由Web程序执行实时同步图形化显示，并由电子鼻信号数据库进行存储、管理和等待调用；Web服务器接受上位机客户端以域名或固定IP访问，通过监控的Web程序可以设定电子鼻检测的初始参数，如流速及检测和清洗时间等，Web程序还可以实时显示检测过程信息，如电子鼻数字信号的实时图形化显示和当前流速等，并向GPRS模块发送即时控制命令实时控制电子鼻检测过程，以及调用电子鼻信号数据库查看过往的电子鼻检测结果。如图6所示是远程监控中心软件功能图，监控程序通过网页的形式展现，主要具备了处理网络连接、数据显示和电子鼻检测过程控制的功能；网络连接部分通过监听来自客户端的TCP连接请求，实现在远程监控中心的SOCKET套接口和微机处理模块建立TCP连接；数据显示部分实时显示检测过程的状态信息（包括检测状态和运行时间等）和气味信息（即电子鼻数字信号），并同时将这些数据存入SQL SERVER 2008电子鼻信号数据库，待数据分析用，也可以通过调用查看过往电子鼻检测结果；检测控制部分包括电子鼻检测初始参数设定（如流速及检测和清洗时间等）、手自动控制和开关控制的功能，实现对电子鼻检测过程的远程控制。
Claims (5)
1.一种用于农产品品质监测的远程无线电子鼻系统，其特征在于，包括现场检测部分、远程监控中心和上位机三部分；其中，现场检测部分包括气室、气敏传感器阵列、信号处理模块、微机处理模块、GPRS模块和气路控制模块等；远程监控中心由Web服务器和电子鼻信号数据库相连组成；气敏传感器阵列封装在气室内并与信号处理模块相连，信号处理模块、GPRS模块和气路控制模块均与微机处理模块相连，GPRS模块通过GPRS网络和Internet网络与Web服务器连接，电子鼻信号数据库和上位机均与Web服务器相连；气敏传感器阵列采集的气敏传感器信号经过信号处理模块滤波放大后，传输到微机处理模块进行模数转换，得到的电子鼻数字信号经GPRS网络无缝连入因特网，以TCP/IP协议的方式无线传输给远程监控中心；Web服务器对电子鼻数字信号进行实时图形化显示后，由电子鼻信号数据库存储、管理和等待调用；上位机连入因特网，通过IP或域名登录远程监控中心，可以设定电子鼻检测初始参数、实时查看检测过程信息、发送即时控制命令以及查看电子鼻检测结果。
2.根据权利要求1所述用于农产品品质监测的远程无线电子鼻系统，其特征在于，所述气敏传感器阵列封装在气室内包含8个具交叉选择性的气敏传感器，分别是：硫化氢气体传感器、氨气/胺化合物气体传感器、氢气传感器、一氧化碳传感器、二氧化碳传感器、甲烷气体传感器和两个有机挥发物气体传感器。
3.根据权利要求1所述用于农产品品质监测的远程无线电子鼻系统，其特征在于，所述信号处理模块包括八个调理电路，每个调理电路与一个气敏传感器相连，所有调理电路均与微机处理模块相连。
4.根据权利要求3所述用于农产品品质监测的远程无线电子鼻系统，其特征在于，所述调理电路包括3个电阻R1-R3、4个电容C1-C4、电位器RT1和1个运算放大器U1等；其中，电阻R1的一端、电容C1的一端、电容C2的一端和电位器RT1的滑动端相连，作为调理电路的信号输入端与气敏传感器相连；电阻R1的另一端与电容C3的一端相连后接运算放大器U1的正输入端；电阻R2的一端与电阻R3的一端相连后接运算放大器U1的负输入端；电容C2的另一端、电阻R3的另一端与电容C4的一端相连后接运算放大器U1的输出端，作为调理电路的信号输出端与微机处理模块的信号输入端相连；电位器RT1的一个固定端、电阻R2的另一端、电容C1的另一端、电容C3的另一端和电容C4的另一端接地。
5.根据权利要求1所述用于农产品品质监测的远程无线电子鼻系统，其特征在于，所述气路控制模块包括两个光电隔离模块PI1和PI2、两个电磁阀F1和F2和质量流量控制器MFC，其中，电磁阀F1、质量流量控制器MFC、气室和电磁阀F2通过管道依次相连；微机处理模块的一路模拟量输出端与质量流量控制器MFC的模拟量输入端相连；微机处理模块的两路开关量输出端分别与光电隔离模块PI1和光电隔离模块PI2的驱动端相连，光电隔离模块PI1和光电隔离模块PI2的被驱动端分别与电磁阀F1和电磁阀F2相连，驱动电磁阀F1和电磁阀F2工作或停止，对检测或清洗状态进行开关控制。
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| CN103024800A (zh) * | 2012-12-29 | 2013-04-03 | 中国航空工业集团公司第六三一研究所 | 光伏发电通信基站电源远程监测方法 |
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2013
- 2013-08-07 CN CN2013103404816A patent/CN103424433A/zh active Pending
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