CN107121482A - 一种嵌入式伏安电子舌检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种嵌入式伏安型电子舌检测系统，包括采集容器、接口电路、嵌入式系统和电源装置。所述采集容器用于液体样本的放置与采集，传感器与接口电路相连，接口电路包括三电极体系电路、脉冲发生电路、信号放大电路、测温电路。所述接口电路与嵌入式系统相连，嵌入式系统由A/D转换器、ARM10E微处理器及外围设备组成。电源装置与上述所有单元相连，电源装置为所有单元提供供电。系统所采集的数字信号在嵌入式系统中进行分析、识别并显示结果。数据也可通过有线或者无线方式传输给PC机进行更复杂的处理。嵌入式伏安型电子舌系统的使用不受地点限制,灵活轻便,样品不需要任何前处理，适用的检测范围广，拥有广阔的应用前景和更强的市场竞争力。

Description

一种嵌入式伏安电子舌检测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种伏安型电子舌检测系统和方法，尤其是一种嵌入式电子舌检测系统和方法。

背景技术

食品在腐败过程中会产生碱性含氮物质，且随着腐败程度的加剧浓度越来越高，金属传感器对碱性含氮物质具有较高的敏感性。

电子舌是一种快速检测味觉品质的新技术，是一种利用选择性、非特异性、交叉敏感的多传感器阵列模拟人类味觉对液体样品各种性质分析检测的新型仪器能够以类似人的味觉感受方式感受出味觉物质，可以对样本进行量化，同时可以对一些成分含量进行测量，具有高灵敏度、可靠性、重复性。现在的电子舌系统大多基于PC平台,但由于肉品的检测地点不固定，基于桌面计算机的电子舌系统体积大，重量重，成本高,不易携带的缺点限制了它在肉品品质检测中的灵活使用。

发明内容

为了克服电子舌体积大，使用不灵活的缺点。本发明公布了一种嵌入式伏安电子舌检测系统和方法，实现了便携、灵活的电子舌监测。

本发明采用以下技术方案：一种嵌入式伏安型电子舌检测系统，它包括采集容器、接口电路、嵌入式系统和电源装置。

采集容器用于液体样本的放置与采集系统，内置放大倍数开关与传感器阵列。其中放大倍数开关设有三档：放大电阻分别为R1(1k)、R2(10k)、R3(100k)。传感器阵列包括工作电极、辅助电极和参考电极，参考电极位于各电极中间。

所述工作电极为铜、金、钯、钨、钛、镍、铅及用氧化石墨烯修饰过的玻碳电极。使用氧化石墨烯修饰过的玻碳电极后，使电极增加了修饰电极的新特性及检测灵敏度。

所述的参考电极为银氯化银电极。辅助电极为铂电极。

传感器阵列能够检测食品腐败过程中所产生的含氮碱性物质。

传感器阵列封装在采集装置中与接口电路相连，传感器阵列将电压信号传给接口电路。

接口电路包括三电极体系电路、脉冲发生电路、信号放大电路、测温电路。

接口电路模仿UART通信协议，用I/O接口模拟的方式实现并行通信。通过对传感器响应信号进行放大、滤波以及模数转换形成数字信号。

接口电路与微处理器相连，并将数字信号传给嵌入式系统。

嵌入式系统包括：硬件部分、操作系统和应用软件。硬件部分为操作系统和应用软件提供运行环境，以及一些必要的存储、通信等设备；操作系统用来管理内存，调度任务，控制硬件部分的工作，为应用软件的运行提供软件环境；应用软件为用户提供操作界面，控制嵌入式系统的工作。

嵌入式系统主要处理从接口电路传过来的数据，给出模式识别的结果。嵌入式系统通过串口通信与PC机进行通信。

电源装置为所有单元提供供电。电源装置为所有单元提供供电。电源装置可以为系统提供三种供电方式，当有电插座时，通过变压器将电插座交流电转成直流电工作。当无插座时，使用电池组直接供电。当在有光照的情况下，使用太阳能电池供电。

系统能够嵌入到其他系统或便携装置中，提高了系统使用的灵活性。

嵌入式系统有64M的DDR SDRAM和64M的Flash，以及JTAG口、USB口、串口、I/O口、SD卡、触摸屏等设备。

一种嵌入式伏安电子舌检测方法，所述方法包括数据采集、数据预处理、特征提取、串口通信和模式识别。

数据采集，将模数转换后的数据存入存储器中,同时以数字和图形的形式显示给用户。包括数据采集和数据显示两个子过程。

数据预处理，为了消除外界干扰造成的噪声,对数据进行傅里叶变换、小波变换、中值等滤波方法。

特征提取，为了便于模型训练提取数据的相关特征。提取的是响应信号数据曲线的最大值、最小值、平均值、半宽值、最大斜率、积分值和极差等7个特征。

模式识别，采用主成分分析、BP神经网络回归对样本进行识别。

将传感器的特征值作为输入经主成分降维,经主成分降维处理，并将样本的第一主成分、第二主成分、第三主成分以三维图像的形式展示给用户。根据贡献率确定维数,将降维后的特征值作为BP神经网络的输入层的值，对样本进行识别。此外增加了线性回归，偏最小二乘法等分类方法。

所述嵌嵌入式伏安电子舌检测方法，由于建模需要大量的运算，模式识别算法的建模过程都是在PC机上完成的。嵌入式系统只能将采集的信号文件存放于移动存储设备中。当建模需要样本时将文件复制到PC机中进行建模，再将建好的模型复制到嵌入式电子舌中，用于新样本的检测识别。

所述嵌入式伏安电子舌检测方法，其特征在于：所述模式识别，可以将采集的数据传送到PC机上进行识别,也可以将模型传送到嵌入式系统进行样本识别。

本发明将系统实时高效性、硬件依赖性低、软件固态化程度高的嵌入式操作系统应用到电子舌监测系统中。嵌入式电子舌体积小、重量轻、使用方便，不受地点限制，可以作为先进的检测技术应用于更多领域。

附图说明

图1为本发明的系统结构。

具体实施方式

本发明利用传感器阵列将液体样本做出响应并转化为电压信号，经过接口电路的信号放大、滤波和模数转变形成数字信号传给嵌入式系统，在嵌入式系统中进行数据采集、数据预处理、特征提取、串口通信和模式识别。并将识别的结果通过触摸屏显示反馈给用户。附图1示出了本发明嵌入式伏安电子舌检测系统的结构，以下就本发明作具体的说明。

肉食品等在腐败过程中会产生碱性含氮物质且随着腐败程度的加剧浓度越来越高，金属传感器能够很好的对这些物质进行感应，尤其是使用石墨烯修饰玻碳电极后，使玻碳电极具备了石墨烯的优良性质可以更好的对物质进行感应，进而实现电子舌检测。

本发明以微处理器为核心建立了一套嵌入式系统，系统有64M的DDR SDRAM和64M的Flash，以及JTAG口、USB口、串口、I/O口、SD卡、触摸屏等设备。一套集成的嵌入式电子舌装置由采集容器、传感器阵列、接口电路、嵌入式系统和电源六部分组成。嵌入式电子舌体积小、重量轻、使用方便。

为获得被检测物质的类别或质量信息，嵌入式电子舌系统的各部分需要协同工作。以下为它的基本工作过程：

(1)将待测样本与蒸馏水配比好后放置于采集容器中，将传感器插入其中；

(2)打开电源开关和信号发生器设置好参数，调好放大倍数开关。

(3)采集样本数据，第一次采集时，为保证数据质量，多采集几次，待稳定后开始读取数据，一次读取的过程是先将电压信号做放大、滤波处理，然后进行模数转换，最后送入嵌入式系统储存；

(4)将实验对象的完整数据进行滤波、归一化、特征提取和主成分降维处理，并将样本的第一主成分、第二主成分、第三主成分以三维图像的形式展示给用户；

(5)根据贡献率，选取合适数量的主成分进行模式识别，并在触摸屏显示结果。

(6)嵌入式系统可以通过串口与PC机进行通信，采集数据后，复杂的建模过程可由PC机完成，再将建立的模型输入到嵌入式系统方便对新样本进行识别。

上面所述的实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神前提下，本领域普通工程技术人员对本发明方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (11)

1.一种嵌入式伏安型电子舌检测系统，它包括采集容器、接口电路、嵌入式系统和电源装置。其特征在于：

采集容器用于液体样本的放置与采集，内置放大倍数开关与传感器阵列。其中放大倍数开关设有三档：放大电阻分别为R1(1k)、R2(10k)、R3(100k)。传感器阵列包括工作电极、辅助电极和参考电极，参考电极位于各电极中间；接口电路包括三电极体系电路、脉冲发生电路、信号放大电路、测温电路。

接口电路模仿UART通信协议，用I/O接口模拟的方式实现并行通信。通过对传感器响应信号进行放大、滤波以及模数转换形成数字信号。

接口电路与微处理器相连，并将数字信号传给嵌入式系统。

嵌入式系统包括：硬件部分、操作系统和应用软件。硬件部分为操作系统和应用软件提供运行环境，以及一些必要的存储、通信等设备；操作系统用来管理内存，调度任务，控制硬件部分的工作，为应用软件的运行提供软件环境；应用软件为用户提供操作界面，控制嵌入式系统的工作。为了界面更好显示、操作更加方便，选用10.2寸触摸屏，并可以通过USB口外接鼠标和键盘以此更方便地进行操作。

嵌入式系统主要处理从接口电路传过来的数据，给出模式识别的结果。嵌入式系统通过串口通信与PC机进行通信。

电源装置为所有单元提供供电。电源装置可以为系统提供三种供电方式，当有电插座时，通过变压器将电插座交流电转成直流电工作。当无插座时，使用电池组直接供电。当在有光照的情况下，使用太阳能电池供电。

2.根据权利要求1所述嵌入式伏安电子舌检测系统，其特征在于：系统能够嵌入到其他系统或便携装置中，提高了系统使用的灵活性。

3.根据权利要求1所述嵌入式伏安电子舌检测系统，其特征在于所述的工作电极为铜、金、钯、钨、钛、镍、铅及用氧化石墨烯修饰过的玻碳电极。

4.根据权利要求2所述嵌入式伏安电子舌检测系统，其特征在于使用氧化石墨烯修饰过的玻碳电极后，使电极增加了修饰电极的新特性及检测灵敏度。

5.根据权利要求1所述嵌入式伏安电子舌检测系统，其特征在于所述的参考电极为银氯化银电极。

6.根据权利要求1所述嵌入式伏安电子舌检测系统，其特征在于：所述嵌入式系统有64M的DDR SDRAM和64M的Flash，以及JTAG口、USB口、串口、I/O口、SD卡、触摸屏等设备。

7.根据权利要求3所述嵌入式伏安电子舌检测系统，其特征在于：所述传感器阵列能够检测碱性含氮物质。

8.一种嵌入式伏安电子舌检测方法，其特征在于：所述方法包括数据采集、数据预处理、特征提取、串口通信和模式识别。

数据采集，将模数转换后的数据存入存储器中,同时以数字和图形的形式显示给用户。包括数据采集和数据显示两个子过程。

数据预处理，为了消除外界干扰造成的噪声,对数据进行傅里叶变换、小波变换、中值等滤波方法。

特征提取，为了便于模型训练提取数据的相关特征。

模式识别，采用主成分分析、BP神经网络回归对样本进行识别。

9.根据权利要求8所述嵌入式伏安电子舌检测方法，其特征在于：所述特征提取，提取的是数据的最大值、最小值、平均值、半宽值、最大斜率、积分值和极差等7个特征。

10.根据权利要求8所述嵌入式伏安电子舌检测方法，其特征在于：所述模式识别，即将传感器的特征值作为输入经主成分降维,根据贡献率确定维数,将降维后的变量作为输入变量通过BP神经网络分析对样本进行识别。

11.根据权利要求8所述嵌入式伏安电子舌检测方法，其特征在于：所述模式识别，可以将采集的数据传送到PC机上进行识别,也可以将模型传送到嵌入式系统进行样本识别。且为了方便，通常将建模过程在PC机上进行，将建模结果输入到嵌入式系统。