CN112578083A - 用于气味识别的模块化检测装置及相关方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于气味识别的模块化检测装置及相关方法，相关装置包括：至上而下设置且进行电气连接的交互块、若干可替换的从模块、以及主模块；其中：交互块包含了液晶显示模块，用于气味识别过程中信息的显示；每一从模块均包括：传感器阵列及其供电和采集电路，用于获取目标气体的响应信号；主模块，对响应信号进行特征提取并与气味信息库进行匹配，确定目标气体的种类。上述方案通过对不同从模块的替换和组合，可以实现不同的功能，很好的解决气味识别领域中，气味种类复杂，应用场景多变的问题。

Description

用于气味识别的模块化检测装置及相关方法
技术领域
本发明涉及机器嗅觉领域，尤其涉及一种用于气味识别的模块化检测装置及相关方法。
背景技术
嗅觉作为人类感官的重要组成部分，目前在工业生产、食品安全、危险气体检测、医疗辅助诊断等方面都有大量采用基于机器嗅觉技术的检测方案。
气味检测领域应用复杂，而且通用性很差。针对于每一种识别场景，都需要专门定制化开放一款相应的气味识别装置，这使得开发成本大大提高。
目前气味识别装置大多由传感器阵列，采集和调理电路、识别算法三部分组成，硬件部分的核心为传感器阵列及检测模块，需要根据不同的检测目标去适配不同的传感器阵列，因此需要一种可替换组合式的检测装置以适应多变、复杂的检测场景。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于气味识别的模块化检测装置及相关方法，可以适用于气味种类复杂的场景。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种用于气味识别的模块化检测装置，包括：至上而下设置且进行电气连接的交互块、若干可替换的从模块、以及主模块；其中：交互块包含了液晶显示模块，用于设备运行过程中信息的显示；每一从模块均包括：传感器阵列及其供电和采集电路，用于获取目标气体的响应信号；主模块，对响应信号进行特征提取并与气味信息库进行匹配，确定目标气体的种类。
一种用于气味识别的方法，基于前述的装置实现，该方法包括：
主模块获取相应从模块中传感器阵列的响应信号，进行滤波和归一化处理后，存入相应的数据缓冲队列；
在数据存入数据缓冲队列时，实时更新数据曲线的当前斜率，并记录本次采集的斜率最大值；
寻找一次数据采集的终止点，以斜率最大值的n％作为阈值判断，当前斜率小于斜率最大值n％时停止采集，否则继续采集；
在采集数据完毕后，根据数据的起始点、斜率最大值点和采集终点，构建气味特征图谱，与已知样本的特征值进行比较，计算得到其空间距离；
将空间距离作为相似度，统计前K个数据中出现最多次的样本标签，作为本次预测对象的样本值，从而确定气味的种类。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，所有从模块公用同一主模块，通过对不同从模块的替换和组合，以及相应的识别方法，可以用于解决如食物新鲜度识别、气体种类识别等气味感知应用场景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的一种用于气味识别的模块化检测装置的内部组成示意图；
图2为本发明实施例提供的一种用于气味识别的模块化检测装置的内部结构透视图；
图3为本发明实施例提供的一种用于气味识别的模块化检测装置的内部结构模块划分图；
图4为本发明实施例提供的一种用于气味识别的模块化检测方法的流程图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明实施例提供一种用于气味识别的模块化检测装置，包括：至上而下设置且进行电气连接的交互模块、若干可替换的从模块、以及主模块；其中：交互模块包含了液晶显示模块，用于设备运行过程中信息的显示，如运行状态、气味识别信息；每一从模块均包括：传感器阵列及其供电和采集电路，用于获取目标气体的响应信号；主模块，对响应信号进行特征提取并与气味信息库进行匹配，确定目标气体的种类。
所述交互块、从模块及主模块，均包含上下壳体，主模块，从模块和交互模块通过堆叠的方式连在一起，交互模块的下壳体与从模块上壳体通过磁吸连接，从模块下壳体与另一个从模块的上壳体连接，最后一个从模块的下壳体与主模块上壳体连接，主模块，从模块和交互模块间通过数据接口进行信息传输。根据场景需要从模块和主模块可以自由组合。
上述模块化检测装置，通过对不同从模块的替换和组合，可以实现不同的功能，很好的解决气味识别领域中，气味种类复杂，应用场景多变的问题。
图1～图3给出了上述模块化检测装置主要结构，图1～图3中示例性的给出了包含两个模块的结构。模块化检测装置中各部分结构主要如下：
1、交互块。
所述交互块包括：第一上壳体1、液晶显示模块2、第一数据接口3与第一下壳体4；第一上壳体1与第一下壳体4通过凹槽直接嵌入并采用固定连接；液晶显示模块2与上壳体4固定连接并且通过第一上壳体1顶部穿孔嵌入与第一上壳体1表面平齐；第一数据接口3的公头通过焊接固定在液晶显示模块2中，第一数据接口3的公头通过第一下壳体4的底面穿孔，与从模块中第二数据接口的母头相连接。
2、从模块。
每一从模块的结构相同，均包括：第二上壳体5、第二数据接口6、第一电路板7与第二下壳体8，第二上壳体5与第二下壳体8通过凹槽直接嵌入并采用固定连接；第一电路板7中包括传感器阵列及其供电和采集电路，第一电路板7通过螺柱固定在第二下壳体8上；第二数据接口6通过焊接方式固定在第一电路板7上，第二数据接口6的母头通过第二上壳体5中穿孔固定在第二上壳体5上，并与交互块中第一数据接口3的公头相连接，第二数据接口6的公头通过穿孔固定在第二下壳体8上，并与主模块中第三数据接口的母头或者另一从模块第一电路板7相连接。
所述第二上壳体5侧面开有两排通风孔，对称分布于两侧；所述传感器阵列为金属氧化物半导体传感器，每颗传感器采用独立的供电电路和电阻分压电路，得到传感器的电压值通过ADC芯片进行采集，每颗ADC芯片最多能够采集四路传感器信号数据，每个从模块电路能够集成最多四颗ADC芯片，十六颗传感器，通过ADC芯片进行模数转换后送入主模块。
3、主模块。
所述主模块包括第三上壳体9、第二电路板11、电池12、第三下壳体13以及第三数据接口10；第三下壳体13，侧边开通口14，用于外部设备通过USB连接第二电路板11，内部有电池仓用于固定电池12；第三数据接口10焊接在第二电路板11上，第三数据接口10的母头并通过第三上壳体9穿孔固定在上方，并与第二数据接口6的公头相连接。
上述模块化检测装置中的显示屏接口、所有数据接口皆在同一竖直面上。模块间的数据接口皆为通用接口，数据采用总线模式传输。
所述第二电路板11包括：MCU微控制器、以及与MCU微控制器连接的USB接口、UART串口、充电电路及电平转换电路；整个装置是通过主控模块中微控制器MCU进行控制，MCU在启动时可以通过检测模块是否存在，动态加载相应的模块。MCU微控制器使用两个GPIO口与第三数据接口连接，通过IIC总线的形式与从模块和交互模块进行数据通讯。UART串口与外部设备(如手机、电脑等)的通讯接口，外部设备可以通过UART串口下发数据到模块化检测装置；电平转换电路用于电压转换，因为内部使用的元器件会采用不同电压如3.3V/5V以及电池输出的3.7V。
MCU微控制器程序中带有数据缓冲队列，每一个传感器阵列对应一个独立的数据缓冲队列，数据从队列尾部进入，队列头部弹出；每次数据缓冲队列进入新的数据时，会先调用滤波器对新数据进行滤波处理和归一化处理。具体来说：
通过调用滤波器对新数据进行滤波处理，去除噪声和毛刺，滤波器公式如下：
Figure BDA0002823643170000041
xk,snooth:表示滤波结果，
Figure BDA0002823643170000042
表示滤波点均值，W表示滤波窗口大小，hi表示滤波点加权值，
Figure BDA0002823643170000043
xk+i表示滤波前的数据值，H＝2*W+1。
传感器由于生产工艺、材料等印象，不同的传感器电阻值会有所差异，响应时电阻变化幅度也不同，因此需要将其进行归一化处理，这里采用将传感器电阻值转换为电阻变化率的方式进行数据归一化。
本发明实施例中，在每次使用时，根据传感器阵列对标准环境的响应确定一个初始值R0。
滤波和归一化后得到的数据Rs(t)，将通过初始值R0转换为电阻变化率r(t)，其转换公式为：r(t)＝(|Rs(t)-R0|)/R0。
根据转换后数据的斜率，动态适应采集数据的时间，采用最小二乘法来获取斜率值，并取斜率最大值的n％(例如，5％)位置作为数据采集的终点。本领域技术人员可以理解，斜率大小在采集过程中通常是先增大再减小，因此可以直接确定最大值点，结合设定的n％来计算采集终点。具体步骤为：根据最小二乘法计算出连续n个数据点的斜率；将斜率开始增大的点作为气味特征数据的起始点，并持续记录数据的斜率最大值；在接收新的数据时，判断队列尾最后n个点斜率是否小于斜率最大值的n％，若小于，停止数据采集，否则继续；
利用数据的起始点、斜率最大值点和采集终点构建气味特征图谱，采用最近邻算法思想，计算该气味特征图谱与样本库中所有已标记的气味图谱的相似度，根据相似度来确定所识别样本的种类，相似度通过样本在特征空间的欧式距离来确定：
Figure BDA0002823643170000051
Dxy表示欧式距离，x1～n表示识别样本特征向量；y1～n表示已标记样本特征向量。
本发明另一实施例还提供一种用于气味识别的方法，其基于前述的装置实现，如图4所示，该方法包括：
步骤401、主模块获取相应从模块中传感器阵列的响应信号，进行滤波和归一化处理后，存入相应的数据缓冲队列。
步骤402、在数据存入数据缓冲队列时，实时更新数据曲线的当前斜率，并记录本次采集的斜率最大值。
步骤403、寻找一次数据采集的终止点，以斜率最大值的n％作为阈值判断，当前斜率小于斜率最大值n％时停止采集，否则继续采集。
步骤404、在采集数据完毕后，根据传感器响应的起始点、斜率最大值点和采集终点，构建气味特征图谱，与存储器中已知样本的特征值进行比较，计算气味特征图谱与每一已知样本的特征值的空间距离；
步骤405、将空间距离作为相似度，统计前K个数据中出现最多次的样本标签，作为本次预测对象的样本值，从而确定气味的种类。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，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该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种用于气味识别的模块化检测装置，其特征在于，包括：至上而下设置且进行电气连接的交互块、若干可替换的从模块、以及主模块；其中：交互块包含了液晶显示模块，用于设备运行过程中信息的显示；每一从模块均包括：传感器阵列及其供电和采集电路，用于获取目标气体的响应信号；主模块，对响应信号进行特征提取并与气味信息库进行匹配，确定目标气体的种类。
2.根据权利要求1所述的一种用于气味识别的模块化检测装置，其特征在于，交互块、从模块及主模块，均包含上下壳体，主模块，从模块和交互模块通过堆叠的方式连在一起，交互模块的下壳体与从模块上壳体通过磁吸连接，从模块下壳体与另一个从模块的上壳体连接，最后一个从模块的下壳体与主模块上壳体连接，主模块，从模块和交互模块间通过数据接口进行信息传输。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于气味识别的模块化检测装置，其特征在于，所述交互块包括：第一上壳体、液晶显示模块、第一数据接口与第一下壳体；第一上壳体与第一下壳体通过凹槽直接嵌入并采用固定连接；液晶显示模块与上壳体固定连接并且通过第一上壳体顶部穿孔嵌入与第一上壳体表面平齐；第一数据接口的公头通过焊接固定在液晶显示模块中，第一数据接口的公头通过第一下壳体的底面穿孔，与从模块中第二数据接口的母头相连接。
4.根据权利要求1或2所述的一种用于气味识别的模块化检测装置，其特征在于，每一从模块的结构相同，均包括：第二上壳体、第二数据接口、第一电路板与第二下壳体，第二上壳体与第二下壳体通过凹槽直接嵌入并采用固定连接；第一电路板中包括传感器阵列及其供电和采集电路，第一电路板通过螺柱固定在第二下壳体上；第二数据接口通过焊接方式固定在第一电路板上，第二数据接口的母头通过第二上壳体中穿孔固定在第二上壳体上，并与交互块中第一数据接口的公头相连接，第二数据接口的公头通过穿孔固定在第二下壳体上，并与主模块中第三数据接口的母头或者另一从模块第一电路板相连接。
5.根据权利要求4所述的一种用于气味识别的模块化检测装置，其特征在于，所述第二上壳体侧面开有两排通风孔，对称分布于两侧；所述传感器阵列为金属氧化物半导体传感器，每颗传感器采用独立的供电电路和电阻分压电路，得到传感器的电压值通过ADC芯片进行采集，每颗ADC芯片最多能够采集四路传感器信号数据，每个从模块电路能够集成最多四颗ADC芯片，十六颗传感器。
6.根据权利要求1或2所述的一种用于气味识别的模块化检测装置，其特征在于，所述主模块包括第三上壳体、第二电路板、电池、第三下壳体以及第三数据接口；第三下壳体，侧边开通口，用于外部设备通过USB连接第二电路板，内部有电池仓用于固定电池；第三数据接口焊接在第二电路板上，第三数据接口的母头并通过第三上壳体穿孔固定在上方，并与第二数据接口的公头相连接。
7.根据权利要求6所述的一种用于气味识别的模块化检测装置，其特征在于，所述第二电路板包括：MCU微控制器、以及与MCU微控制器连接的USB接口、UART串口、充电电路及电平转换电路；MCU微控制器使用两个GPIO口与第三数据接口连接，通过IIC总线的形式与从模块和交互模块进行数据通讯；
MCU微控制器程序中带有数据缓冲队列，每一个传感器阵列对应一个独立的数据缓冲队列，数据从队列尾部进入，队列头部弹出；每次数据缓冲队列进入新的数据时，会先调用滤波器对新数据进行滤波处理和归一化处理。
8.根据权利要求7所述的一种用于气味识别的模块化检测装置，其特征在于，在每次使用时，根据传感器阵列对标准环境的响应确定一个初始值R0；滤波和归一化后得到的数据Rs(t)，将通过初始值R0转换为电阻变化率r(t)，其转换公式为：r(t)＝(|Rs(t)-R0|)/R0；根据转换后数据的斜率，动态适应采集数据的时间，采用最小二乘法来获取斜率值，并取斜率最大值的n％位置作为数据采集的终点，利用数据的起始点、斜率最大值点和采集终点构建气味特征图谱，采用最近邻算法思想，计算该气味特征图谱与样本库中所有已标记的气味图谱的相似度，根据相似度来确定所识别样本的种类。
9.一种用于气味识别的方法，其特征在于，基于权利要求1-8任一项所述的装置实现，该方法包括：
主模块获取相应从模块中传感器阵列的响应信号，进行滤波和归一化处理后，存入相应的数据缓冲队列；
在数据存入数据缓冲队列时，实时更新数据曲线的当前斜率，并记录本次采集的斜率最大值；
寻找一次数据采集的终止点，以斜率最大值的n％作为阈值判断，当前斜率小于斜率最大值n％时停止采集，否则继续采集；
在采集数据完毕后，根据数据的起始点、斜率最大值点和采集终点，构建气味特征图谱，与已知样本的特征值进行比较，计算得到其空间距离；
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