CN105954466A - 一种对食用香辛料品质鉴别的电子鼻采集系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种对食用香辛料品质鉴别的电子鼻采集系统，包括：气敏传感器阵列，用于采集待鉴别的香辛料的气敏数据；ARM控制板，用于获取气敏数据并进行信号预处理，得到初步结果；PC端，用于获取初步结果并对其进行数据分析，得到识别分析结果；网络传输模块，用于将PC端与ARM控制板相连；其中，气敏传感器阵列包括若干个模块间金属氧化物性质互不相同的气敏传感器模块。本发明提供的电子鼻采集系统配置ARM控制板进行具体的数据采集控制，成本低、体积小，使用灵活，且针对香辛料在不同温度及湿度下的特性采集数据，数据分析效果较好，鉴别结果较为准确。

Description

一种对食用香辛料品质鉴别的电子鼻采集系统及方法

技术领域

本发明涉及电子鼻采集系统及方法，特别涉及一种对食用香辛料品质鉴别的电子鼻采集系统及方法。

背景技术

在人们生活中，质量鉴别常常依靠人们感官上的知觉来鉴别，这种方法因人而异，受人为因素影响较大，缺少一定的量化标准，有些时候有失公允。

根据《GB 12729.1-2008-T香辛料和调味品名称》显示国家规定的可使用香辛料为68种，而市场中大量使用的远远超过这个范围，也就是说市场中存在的一些不规范行为。

1、物料不容易辨别，掺假，应用过程中不同的香辛料对产品的影响等问题。

2、面对香辛料的生产、加工、运输、辨别、调配、使用、保存等过程中的一些问题。

3、其他工具昂贵的价格、庞大体积、便携性差、应用环境限制却带来了一系列问题。

现有的电子鼻系统一般针对乳品、肉品等食品在风味或腐败过程中产生的气体进行感应以获知食品当前的状态，但该些电子鼻系统一般基于PC平台，成本高、体积大，使用不灵活，且未针对香辛料的特性，应用到香辛料的品质鉴别上效果不佳。

发明内容

本发明的目的在于提供一种对食用香辛料品质鉴别的电子鼻采集系统及方法，以解决现有的香辛料的品质进行鉴定时较为繁琐，现有的电子鼻系统效果不佳的问题

为实现上述目的，本发明提供了一种对食用香辛料品质鉴别的电子鼻采集系统，包括：

气敏传感器阵列，包括若干气敏传感器，用于采集待鉴别的香辛料的气敏数据；

ARM控制板，用于获取所述气敏数据并进行信号预处理，得到初步结果；

PC端，用于获取所述初步结果并对其进行数据分析，得到识别分析结果；

网络传输模块，用于将所述PC端与ARM控制板相连，以将来自ARM控制板的数据传输至所述PC端，以及将PC端的控制参数发送至所述ARM控制板进行执行；

其中，所述气敏传感器阵列包括若干个模块间金属氧化物性质互不相同的气敏传感器模块。

较佳地，每个气敏传感器配有一个采样电路，每个气敏传感器通过所述采样电路将采集的气敏数据进行模数转换处理并发送给所述ARM控制板。

较佳地，所述采样电路与一模数转换器相连，所述模数转换器包括输入缓冲器、数模转换器及基准模拟滤波器，所述气敏信号通过所述输入缓冲器进行输入缓冲后输入所述基准模拟滤波器进行模拟滤波，再输入所述数模转换器进行模数转换，得到数字形式的气敏数据，所述模数转换器将其发送给所述ARM控制板。

较佳地，所述网络传输模块包括Wi-Fi模块、3G模块、USB接口及SD卡接口中的一个或多个。

较佳地，所述ARM控制板还与温度传感器相连，用于获取当前测试环境中待鉴别的香辛料所处的温度；及/或所述ARM控制板还与湿度传感器相连，用于获取当前测试环境中待鉴别的香辛料所处的湿度。

本发明还提供了一种对食用香辛料品质鉴别的电子鼻采集方法，包括以下步骤：

S1：采用气敏传感器阵列采集待鉴别的香辛料的气敏数据；

S2：采用ARM控制板对所述气敏数据进行信号预处理，得到初步结果；

S3：将所述初步结果通过网络传输模块发送至PC端，由所述PC端进行数据分析，得到识别分析结果。

较佳地，所述步骤S1还包括，采用采样电路对气敏传感器阵列采集的气敏数据进行模数转换处理，所述模数转换处理具体包括：首先，通过输入缓冲器对采集的气敏数据进行输入缓冲处理，再采用基准模拟滤波器进行模拟滤波，最后，输入数模转换器进行模数转换，得到数字形式的气敏数据。

较佳地，所述步骤S3还包括，获取当前测试环境中待鉴别的香辛料所处的温度，及/或获取当前测试环境中待鉴别的香辛料所处的湿度，由所述PC端结合所述温度及/或湿度数据对所述初步结果进行数据分析，得到识别分析结果。

较佳地，所述步骤S1之前还包括，通过所述PC端获取待鉴别的香辛料的平衡时间，并根据平衡时间测试的该待鉴别的香辛料的稳定时间，当在预设温度和/或湿度下待鉴别的香辛料进入稳定状态下，开使执行步骤S1。

较佳地，所述步骤S3进一步包括，采用SVM和PCA对所述初步结果进行数据分析，得到识别分析结果。

本发明提供的电子鼻采集系统及方法可以对食用香辛料的品质进行有效鉴别，其主要通过气敏传感器阵列进行数据采集并对数据预处理后发送至PC端进行分析及通过PC端对系统工作参数进行控制。具体由如下优点：

1、ARM控制板及PC端的模块化结构易于适应性修改；

2、系统可以长时间连续稳定工作；

3、数据稳定可靠，可进行长时间大数据量的采集及存储；

4、传感器阵列的组成，由8个不同种类的传感器模块，可以较好地覆盖针对不同种类的香辛料进行检测，检测效果较为准确。

5、PC端直接控制，可以通过网络或数据库搜索香辛料数据特征从而获得最优参数，便于PC端控制系统的工作参数。

该电子鼻系统配ARM控制板进行具体的数据采集控制，成本低、体积小，使用灵活，且针对香辛料在不同温度及湿度下的特性，数据分析效果较好，鉴别结果较为准确。

附图说明

图1为本发明优选实施例提供的电子鼻采集系统组成示意图；

图2为本发明优选实施例提供的数模转换器组成示意图；

图3为本发明优选实施例提供的对食用香辛料品质鉴别的电子鼻采集方法。

具体实施方式

为更好地说明本发明，兹以一优选实施例，并配合附图对本发明作详细说明，具体如下：

如图1所示，本实施例提供的对食用香辛料品质鉴别的电子鼻采集系统，包括：

气敏传感器阵列11，包括若干气敏传感器，用于采集待鉴别的香辛料的气敏数据；

ARM控制板12，用于获取所述气敏数据并进行信号预处理，得到初步结果；

PC端13，用于获取所述初步结果并对其进行数据分析，得到识别分析结果；

网络传输模块14，用于将所述PC端与网络内的其他PC设备相连，以共享所述识别分析结果。其中，本实施例中的网络传输模块14为独立于ARM控制板12的单独模块，在其他优选实施例中，网络传输模块14也可以为集成于ARM控制板12上的一个模块或作为ARM控制板12的一部分进行工作。

本实施例中，气敏传感器阵列11中进一步包含型号分别为TGS2600、TGS2602、TGS2610、TGS813、TGS822、MQ138、MQ2、MQ8这8个不同性质的金属氧化物的气敏传感器组成的传感器阵列，其中，每种传感器阵列对不同的香辛料的敏感程度不同，该8种传感器可以较好地覆盖多种香辛料的香味特征，从而提取出不同特征的较为精确的数据；该些传感器均达到ppm级别的测量精度，有尽量小的功耗(电源适配器可满足)的同时，不同类型的传感器满足了数据获取及辨别工作的稳定及速度要求；采用模块式小板组成,可根据具体实施及前期分析重新添加替换。PC端对不同的传感器阵列采集的数据进行处理即可，可以配备显示器及输入设备，具体实施时可以通过显示器查看采集及分析后的结果，以及通过输入设备输入控制指令来控制该系统的运行参数。

此外，该系统还设有气室，待鉴别的香辛料置于气室内进行数据采集，可使得采集结果准确。具体地，气室采用体积小，具有稳定性的透明材料制作，尽可能做到气体均匀、稳定、恒温、恒湿，与气敏传感器充分接触、无隔断。而气室与加热设备及加湿设备相连，通过PC端控制加热设备及加湿设备进行气室内空气的加热和加湿，使之达到目标温度及湿度且温度、湿度水平恒定，这样采用该电子鼻系统采集的数据更加准确，且对不同类型的香辛料或同种香辛料的不同批次进行检验时，数据的可对比性更强，参考价值更好。

如图2所示，还包括数模转换器15，具体的气敏传感器阵列11中的每个气敏传感器配有一个采样电路，每个气敏传感器通过采样电路将采集的气敏数据发送给数模转换器15进行模数转换处理并发送给ARM控制板12。其中，ARM控制板12为一个完整的嵌入式系统，起到沟通各个模块的作用，连接并控制采样电路实现数据采集，与PC端进行通信，完成数据预处理及暂存等，其还可以执行来自PC端的控制命令或其他终端设备的应用消息，来驱动及控制采样电路及数模转换器15进行数据的采集及处理工作。

其中，本实施例中的ARM控制板采用独立的电源供电，而数模转换器15也采用独立的电源供电，当然可根据需要采用同一电源供电，当该两部分对电源要求不同时，采用电源适配器进行电源的转换以适应不同设备需求即可。当ARM控制板自身内存有限而需要存储大量采集的数据时，可以使配备SD卡或通过USB接口与U盘相连，对SD卡或U盘进行数据的写入及读取，满足不同的需求。

具体地，数模转换器15包括输入缓冲器151、数模转换器152及基准模拟滤波器153，气敏信号通过输入缓冲器151进行输入缓冲后输入基准模拟滤波器153进行模拟滤波，再输入数模转换器152进行模数转换，得到数字形式的气敏数据，模数转换器15将其发送给ARM控制板12。

如图3所示，本实施例提供的ARM控制板还与温度传感器16及湿度传感器17相连，温度传感器16用于获取当前测试环境中待鉴别的香辛料所处的温度；湿度传感器17用于获取当前测试环境中待鉴别的香辛料所处的湿度。在其他优选实施例中，可根据需要仅设置温度传感器16或湿度传感器17在该系统中，以适应不同情况下的需要，如对特定的一些香辛料湿度或温度对其检测结果影响不敏感时，该系统可适应性改变其所构成，或者处于体积或成本的考虑，将温度传感器16及湿度传感器17设置为集成于一个传感器内的方式，如采用温湿度传感器来执行温度及湿度数据的采集。

本实施例中的，网络传输模块包括Wi-Fi模块、3G模块、Internet网络接口、USB接口及SD卡接口中的一个或多个，该系统的ARM控制板可以通过Wi-Fi模块、3G模块与PC端及其他移动终端设备进行无线通信，或通过USB接口及SD卡接口与其他设备间进行直接的数据拷贝及存储，如SD卡和U盘。本实施例中的PC端还通过Internet网络与其他网络上的PC设备进行数据交互，从而可以完成大量的数据采集、鉴别的数据结果的统计、数据挖掘等进一步的工作。

本实施例中还提供了一种对食用香辛料品质鉴别的电子鼻采集方法，包括以下步骤：

S1：采用气敏传感器阵列采集待鉴别的香辛料的气敏数据；

S2：采用ARM控制板对所述气敏数据进行信号预处理，得到初步结果；本实施例中，此处的预处理为采用限幅平均滤波及min-max标准法归一化算法对得到的气敏数据对应的信号进行处理，以滤除信号杂波。

S3：将所述初步结果通过网络传输模块发送至PC端，由所述PC端进行数据分析，得到识别分析结果。

其中，步骤S1还包括，采用采样电路对气敏传感器阵列采集的气敏数据进行模数转换处理，所述模数转换处理具体包括：首先，通过输入缓冲器对采集的气敏数据进行输入缓冲处理，再采用基准模拟滤波器进行模拟滤波，最后，输入数模转换器进行模数转换，得到数字形式的气敏数据。

其中，步骤S3还包括，获取当前测试环境中待鉴别的香辛料所处的温度，及/或获取当前测试环境中待鉴别的香辛料所处的湿度，由所述PC端结合所述温度及/或湿度数据对所述初步结果进行数据分析，得到识别分析结果。

步骤S1之前还包括，通过所述PC端获取待鉴别的香辛料的平衡时间，并根据平衡时间测试的该待鉴别的香辛料的稳定时间，当在预设温度和/或湿度下气室内待鉴别的香辛料进入稳定状态(设备初始化完成，传感器清洗完成，加热并且使得传感器阵列也进入稳定状态(通过监测实时采集的数据的波动情况判断传感器是否进入稳定)，温度湿度达到预设温度范围，并且有了稳定的气体进入气室)下，开使执行步骤S1。具体地，正式的数据采集前尽量保证加热时间，并去除水分及温湿度影响可取得更好的效果。对不同的香辛料鉴别时，PC端控制：温湿度一致，如湿度58.0％RH，温度为26.0摄氏度；浓度保持一致。这时PC端记录不同的香辛料的最佳区分度时的浓度值、温度、湿度，平稳时的时间最小值区间，清洗时间，测量时间，进气量；步骤S3中的PC端根据该些数据形成统计的数据模型以后进行数据分析，以同样的浓度进行区分即能获得最优结果。

步骤S3进一步包括，采用SVM(Support Vector Machine)和PCA(PrincipalComponent Analysis)算法对所述初步结果进行数据分析，得到识别分析结果。具体地，采用SVM和PCA筛选传感器得到的数据。其中，PCA是主成分分析算法，对数据处理时生成的特征向量降维处理，以及进行特征转换，降低特征个数，减少分类时的工作量。在系统中，用SVM算法对PCA算法转换出的特征进行处理，实现分类识别功能。在经过对训练样本的特征训练和参数寻优后，可以实现对样本进行预测，从而实现分类。经过上述的过程可以对数据进行评估，建立数据模型以对采集的数据进行数据分析，以及通过SVM和PCA验证传感器及其他硬件设备的有效性。

该系统及方法对同一品种不同产地或不同质量情况下差异具有识别性。实验表明本发明方法对八角茴香、小茴香、麻椒、香叶、香果、草豆蔻等香辛料进行采样，提取特征，其识别准确率可达95％，实现了对广西、云南、福建产的八角茴香的区分。由此可见，该系统及方法具有相当好的使用价值、实用价值及研究价值，是一个有效的实施方案，能达到鉴别要求，可以为研究方法提供硬件平台，方便数据获取，易用性有提高空间，配合更好的环境控制使用能取得更好的效果，满足统一要求，配合不同的数据分析方法，能充分发挥出其巨大的价值，服务于以后的研究和应用。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，对本发明所做的变形或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述的权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种对食用香辛料品质鉴别的电子鼻采集系统，其特征在于，包括：

气敏传感器阵列，包括若干气敏传感器，用于采集待鉴别的香辛料的气敏数据；

ARM控制板，用于获取所述气敏数据并进行信号预处理，得到初步结果；PC端，用于获取所述初步结果并对其进行数据分析，得到识别分析结果；网络传输模块，用于将所述PC端与ARM控制板相连，以将来自ARM控制板的数据传输至所述PC端，以及将PC端的控制参数发送至所述ARM控制板进行执行；

其中，所述气敏传感器阵列包括若干个模块间金属氧化物性质互不相同的气敏传感器模块。

2.根据权利要求1所述的对食用香辛料品质鉴别的电子鼻采集系统，其特征在于，每个气敏传感器配有一个采样电路，每个气敏传感器通过所述采样电路将采集的气敏数据进行模数转换处理并发送给所述ARM控制板。

3.根据权利要求2所述的对食用香辛料品质鉴别的电子鼻采集系统，其特征在于，所述采样电路与一模数转换器相连，所述模数转换器包括输入缓冲器、数模转换器及基准模拟滤波器，所述气敏信号通过所述输入缓冲器进行输入缓冲后输入所述基准模拟滤波器进行模拟滤波，再输入所述数模转换器进行模数转换，得到数字形式的气敏数据，所述模数转换器将其发送给所述ARM控制板。

4.根据权利要求1所述的对食用香辛料品质鉴别的电子鼻采集系统，其特征在于，所述网络传输模块包括Wi-Fi模块、3G模块、USB接口及SD卡接口中的一个或多个。

5.根据权利要求1所述的对食用香辛料品质鉴别的电子鼻采集系统，其特征在于，所述ARM控制板还与温度传感器相连，用于获取当前测试环境中待鉴别的香辛料所处的温度；及/或所述ARM控制板还与湿度传感器相连，用于获取当前测试环境中待鉴别的香辛料所处的湿度。

6.一种对食用香辛料品质鉴别的电子鼻采集方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：采用气敏传感器阵列采集待鉴别的香辛料的气敏数据；

S2：采用ARM控制板对所述气敏数据进行信号预处理，得到初步结果；

S3：将所述初步结果通过网络传输模块发送至PC端，由所述PC端进行数据分析，得到识别分析结果。

7.根据权利要求6所述的对食用香辛料品质鉴别的电子鼻采集方法，其特征在于，所述步骤S1还包括，采用采样电路对气敏传感器阵列采集的气敏数据进行模数转换处理，所述模数转换处理具体包括：首先，通过输入缓冲器对采集的气敏数据进行输入缓冲处理，再采用基准模拟滤波器进行模拟滤波，最后，输入数模转换器进行模数转换，得到数字形式的气敏数据。

8.根据权利要求7所述的对食用香辛料品质鉴别的电子鼻采集方法，其特征在于，所述步骤S3还包括，获取当前测试环境中待鉴别的香辛料所处的温度，及/或获取当前测试环境中待鉴别的香辛料所处的湿度，由所述PC端结合所述温度及/或湿度数据对所述初步结果进行数据分析，得到识别分析结果。

9.根据权利要求6或8所述的对食用香辛料品质鉴别的电子鼻采集方法，其特征在于，所述步骤S1之前还包括，通过所述PC端获取待鉴别的香辛料的平衡时间，并根据平衡时间测试的该待鉴别的香辛料的稳定时间，当在预设温度和/或湿度下待鉴别的香辛料进入稳定状态下，开使执行步骤S1。

10.根据权利要求6所述的对食用香辛料品质鉴别的电子鼻采集方法，其特征在于，所述步骤S3进一步包括，采用SVM和PCA对所述初步结果进行数据分析，得到识别分析结果。