CN113238003A - 一种电子鼻系统基础数据集获取及验证平台 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电子鼻系统基础数据集获取及验证平台，包括微控制模块及与微控制模块电连接的气体传感器阵列、气流控制模块、通讯模块，其特征在于，还包括与微控制模块电连接的环境标签模块，所述环境标签模块包括标签气袋，当所述微控制模块检测到气体传感器阵列数据异于常态时，控制所述标签气袋收集现场气体样品。由此，本发明的电子鼻系统基础数据集获取及验证平台，可应对检测环境的不同成分参数，使系统检测有很好的目标性、选择性。在传感器阵列数据异常时，可以自动收集现场气体样品做进一步的分析，如GC‑MS分析，便于确认异常数据的来源是系统本身的干扰还是现场气体的实际波动。

Description

一种电子鼻系统基础数据集获取及验证平台
技术领域
本发明涉及电子鼻领域，尤其涉及一种电子鼻系统基础数据集获取及验证平台。
背景技术
目前，混合环境气体检测的传统方法是使用少量传感器对目标环境特定成分进行检测，但由于单一传感器存在交叉敏感的问题，这类方法很难达到社会现在的功能需求。目前，国内外检测气体的系统大部分价格昂贵，精确度不高，并且大部分检测气体的工具只应用了一种传感器，因此只能检测某一种单一的气体，或者应用了多个传感器但只是对传感器获取数据的直接呈现，因此设计一款实时检测多成分组成的混合环境气体的检测装置十分重要。
随着人工嗅觉系统的发展，基于人工智能的电子鼻系统因其智能化、高性能等原因，势必会成为今后电子鼻系统的发展趋势。但电子鼻系统的实际开发过程中，下列问题需要解决：
(1)需要大量实测数据对系统进行训练、测试和标定，而很多气体测试场景并不能在实验室中模拟出来，导致无法获得相应数据对系统进行训练。
(2)针对实际场景的复杂气味，构建选择电子鼻系统的敏感探头困难，难以选择合适的传感器组成阵列，进行有效的专用电子鼻系统的开发和研制。
(3)实际场景中被测气体环境的实时监控和有效的标签数据的获取困难。当发现数据存在异常时，往往赶到现场进一步检查时，数据已经恢复常态，对于这类情况，到底是系统故障，传感器失灵，还是现场真的发生过异常，难以查验。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种电子鼻系统基础数据集获取及验证平台。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种电子鼻系统基础数据集获取及验证平台，包括微控制模块及与微控制模块电连接的气体传感器阵列、气流控制模块、通讯模块，还包括与微控制模块电连接的环境标签模块，所述环境标签模块包括标签气袋，当所述微控制模块检测到气体传感器阵列数据异于常态时，控制所述标签气袋收集现场气体样品。
与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：使用了有多种不同种类的传感器构成的、可更换传感器阵列对混合气体进行检测，传感器阵列通过模式识别算法处理特定场景气体环境的数据集进行搭建，由特定场景气体环境的数据集获得的专用电子鼻系统的检测阵列和模式识别算法，可通过对平台进行软件和硬件剪裁，快速开发针对目标检测环境的专用电子鼻系统。可应对检测环境的不同成分参数，使系统检测有很好的目标性、选择性。在传感器阵列数据异常时，可以自动收集现场气体样品做进一步的分析，如GC-MS分析，便于确认异常数据的来源是系统本身的干扰还是现场气体的实际波动。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
优选地，所述环境标签模块还包括摄像头，当所述微控制模块检测到气体传感器阵列数据异于常态时，控制所述摄像头采集现场视频信息。
采用上述进一步方案的有益效果是结合采集到的气体样品，可以为分析数据异常提供更多的资料支撑，由其当现场有可见气雾或者设备有异常动作时，借助视频信息，可以更准确的判断数据异常时现场的情况。
优选地，所述气流控制模块包括气体流量传感器，所述电子鼻系统基础数据集获取及验证平台还包括温湿度传感器，所述微控制模块利用温湿度传感器及气体流量传感器的数据，给所述气体传感器阵列提供补偿参数。
采用上述进一步方案的有益效果是实现环境气体的温湿度监控，并且温湿度数据还可以作为传感器温湿度性能的补偿，避免仪器的温漂，使测量的数据更佳准确可靠。
优选地，所述气体传感器阵列设于独立密封的气体测试腔内，所述气体测试腔的进气口处设有颗粒过滤装置，所述标签气袋设于所述气体测试腔的出气口位置。
采用上述进一步方案的有益效果是提高本平台的使用寿命，避免现场的颗粒粉尘堵塞传感器感应窗口，影响测试结果。
优选地，所述通讯模块为NB-IoT技术实现与外界的通讯。
采用上述进一步方案的有益效果是传输距离远，运行功耗低，可以实现长时间远距离的监测。
优选地，还包括存储模块，所述存储模块用于储存一定时间内传感器阵列测得的数据。
采用上述进一步方案的有益效果是当网络发生异常无法及时将数据上传至远端服务器时，可以将数据储存在存储模块中，待网络恢复后再进行数据的上传，或者待工作人员前来进行离线存取。
优选地，所述气体传感器阵列包括金属氧化物气体传感器、电化学传感器。
采用上述进一步方案的有益效果是采用不同工作原理的传感器，协同工作，有效避免了同类传感器共性的问题导致的数据偏离，确保数据的准确性。
优选地，所述金属氧化物传感器电连接加热控制电路，用于对金属氧化物传感器进行加热，稳定工作模式。
采用上述进一步方案的有益效果是确保金属氧化物传感器始终工作在最佳工作状态。
附图说明
图1为本发明的框架示意图；
图2为本发明的模块布局示意图；
图3为本发明的验证平台内部工作流程图；
图4为本发明中对采集数据处理流向图。
在附图中，各标号所表示的部件名称列表如下：
1、微控制模块；2、气体传感器阵列；3、气流控制模块；4、通讯模块；5、环境标签模块；6、存储模块。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
一种电子鼻系统基础数据集获取及验证平台，包括10路可选型的气体传感器组成采集阵列对特定场景实际气体环境进行信号采集，通过法国Humirel公司的HTU21D温湿度传感器、日本Azbil公司的CFA100气体流量传感器对采集信号进行响应补偿，然后连接运算放大器构成的电压跟随电路，经过数模转换器将采集的模拟信号数字化输入单片机，利用单片机嵌入算法进行信号的处理，通过NB-IoT无线通信模块将数据发送至云平台，也可通过有线的方式传输至上位机，将提取到的数据通过模式识别算法进行研究和分析，结合环境标签获取模块采集的信息获得用于特定场景的电子鼻系统采集阵列和模式识别算法。
进一步的，本发明所需要的测试环境可由配气系统及温控箱提供，主要由多种类气体如O2、CO2、SO2等组成的合成空气源和质量流量控制器组成，气体流量计可以控制气体成分按比例混合进入腔内的流速。将配气系统和平台连接后，打开平台上的微型气泵和气体流量计模块，将检测环境气体吸入腔内，使用温控箱进行测试环境温度和湿度的模拟，从而达到模拟被测混合气体环境的目的。
进一步的，本发明设计了独立的气体流速控制电路，利用微型气泵对检测环境进行抽样提取，选用气体流量计模块检测气体流量，也可以对气路及测试腔内气体流速进行补偿控制。
进一步的，本发明为一种电子鼻系统基础数据集获取及验证平台，该平台设计了一个独立密闭的气体测试腔，进气口装有大颗粒过滤装置，出气口装有便签气袋。
进一步的，本发明在主腔内装配了HTU21D温湿度传感器，该传感器可实时检测腔内的温湿度，将腔内温湿度的数据传送到上位机(例如PC端或者指定仪器设备)，实现环境气体的温湿度监控，并且温湿度数据还可以作为传感器温湿度性能的补偿。
进一步的，如图2所示，本发明在主腔内有10个传感器底座，可支持多路、多类型的气体传感器组成采集阵列进行检测，增强系统使用的灵活性。气体传感器的具体型号可根据检测环境参数的不同进行重新优化选择，以取得最佳检测效果。10路传感器分别对应各自的输出调制模块，由对应传感器的拨码开关进行传感器输出的4级控制。
进一步的，本发明可采集12个传感器的数据参数，数据参数的来源包括HTU21D温湿度传感器、10个不同类型气体传感器和CFA100气体流量计，通过单片机的串口通讯总线与上位机(例如PC端或者指定仪器设备)通信，实现将数据实时传送到上位机。
进一步的，本发明通过视频摄像头进行被测现场环境的监测，标签数据来源，同时配备现场气体采集用的气袋，当气体环境数据出现异常时，同时记录传感器的数据、视频数据及抽取储存现场气体存入气袋中，进行高端气体成分分析。
进一步的，本发明可通过NB-IoT模块进行采集数据的无线传输，通过云平台进行数据的查看，NB-IoT模块包括稳恒科技公司的WH-NB73-B5芯片及其控制接口电路，实现数据的远距离无线通信。
一种用于专用电子鼻系统开发的便携式基础平台的使用方法，包括如下步骤：
步骤1：将平台和上位机相连接，上电后按下开关按钮。
步骤2：平台启动，由上位机控制抽取外部环境气体并实时向上位机及云平台发送数据。上位机将接收到的数据进行显示或通过相应模式识别技术进一步融合处理。
步骤3：使用结束时，关闭电源。
本发明有以下有益效果：
1、本发明融合使用了10个不同种类的传感器构成一个灵活的、可更换传感器阵列对混合气体进行检测，传感器阵列可通过模式识别算法处理特定场景气体环境的数据集进行搭建，使用HTU21D温湿度传感器、CFA100气体流量传感器对响应进行补偿，是一种面向多种类型混合环境的高精度传感器的集成平台，通过多传感器融合办法，提高了各参数检测的准确率。
2、本发明可同时支持10个不同类型的气体传感器，可应对检测环境的不同成分参数，使系统检测有很好的目标性、选择性。每路传感器均设有对应的信号调制电路，信号调制电路对信号进行4级调制，通过对接收到的数据进行进一步的处理分析，根据实际需求可实现多种气体传感器的同时控制和测试。
3、配备视频摄像头，可实时监控被测环境的现场情况，用于对被测气体环境变化的情况观测，标签数据的来源。
4、配备现场气体采集用的气泵和气袋，当有气体环境异常时，同时记录传感器的数据、视频数据以及抽取储存现场气体存入气袋中，用作高端气体成分分析，如GC-MS分析。
5、本发明利用NB-IoT无线通信技术，NB-IoT模块可放置在移动的平台(例如运输工具上)或人员不宜长时间停留的区域，如地下管廊，实现对检测数据的远距离无线传输，并通过云平台进行多数据参数的读取。
6、本发明配备与上位机通信接口和SD卡，在无线通信受到干扰时，保证数据的存储和传输，适宜长时间测试记录被测环境数据，可以真实的记录传感器阵列对实际被测环境的响应数据，获得对系统进行训练和测试的数据。
7、本发明配备了电子鼻系统设计开发的上位机，通过上位机嵌入的模式识别算法对特定场景气体环境数据集进行处理分析，获得适合特定环境的传感器采集阵列和模式识别算法。
更具体地，请参照图1所示，所述电子鼻系统基础数据集获取及验证平台包括：
基础多传感器阵列及信号采集模块、通信及云平台、环境标签获取等模块。如图3所示，本发明中的集成了HTU21D温湿度传感器、10个可支持不同类型传感器的底座、CFA100气体流量传感器。HTU21D温湿度传感器检测腔内温度和湿度，10个气体传感器用来检测混合气体包含的各种成分。
本发明采用的单片机系统为STM32F103RCT6单片机，该单片机可靠性高、抗干扰能力强、功耗低且体积小，非常适于做气体环境成分传感器检测装置的主控部分。
通过本发明设计的多个电路模块，可实现对上述各器件的检测和控制，用来对进入气体腔内的环境气体进行相应检测。其中供电部分采用7～9V的电压供电。
本发明包括基础多传感器阵列及信号采集模块、通信及云平台、环境标签获取等模块，基础多传感器阵列及信号采集模块上包括10个可根据需求选型的传感器以及温湿度传感器，进行多种成分和温湿度的检测，通过独立的加热控制电路、信号放大电路和信号检测电路信号预处理电路模块对数据进行处理；通信及云平台对采集的数据进行显示、处理、分析和控制；环境标签获取模块对检测环境进行场景和气体的标签。
依据图2设计相应的环境气体测试腔，使用橡胶软管将气体流量计和各气体腔相连。利用微型气泵将外界的环境气体吸入气体腔内，使用气体流量计监测腔内的气体流速，进气口装有大颗粒过滤装置进行气体清洁。
当检测环境气体进入后面的气体腔中，通过10个不同类型的气体传感器组成的传感器阵列检测环境气体的成分和参数，通过HTU21D温湿度传感器检测气体的温度和湿度，最后将检测气体排入气袋进行标签。
如图3所示，本平台的工作流程图总体软件包括单片机控制软件和上位机控制软件，单片机软件中包括系统初始化、AD采集，温湿度传感器I2C总线传输，NB-IoT无线通信协议处理、数据滤波、气泵控制、参数存储、信息融合以及通讯模块，上位机软件可包括通讯模块、信号处理和信息融合模块以及相应的人机交互界面。
如图4所示，平台采集到的所有传感器的数据参数，通过上位机形成特定场景气体环境的数据集，通过上位机嵌入的模式识别算法(如PCA、LDA等)进行处理分析，获得专用电子鼻系统的阵列和模式识别算法。
由特定场景气体环境的数据集获得的专用电子鼻系统的检测阵列和模式识别算法，可通过对平台进行软件和硬件剪裁，快速开发针对目标检测环境的专用电子鼻系统。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电子鼻系统基础数据集获取及验证平台，包括微控制模块及与微控制模块电连接的气体传感器阵列、气流控制模块、通讯模块，其特征在于，还包括与微控制模块电连接的环境标签模块，所述环境标签模块包括标签气袋，当所述微控制模块检测到气体传感器阵列数据异于常态时，控制所述标签气袋收集现场气体样品。
2.根据权利要求1所述的电子鼻系统基础数据集获取及验证平台，其特征在于，所述环境标签模块还包括摄像头，当所述微控制模块检测到气体传感器阵列数据异于常态时，控制所述摄像头采集现场视频信息。
3.根据权利要求1所述的电子鼻系统基础数据集获取及验证平台，其特征在于，所述气流控制模块包括气体流量传感器，所述电子鼻系统基础数据集获取及验证平台还包括温湿度传感器，所述微控制模块利用温湿度传感器及气体流量传感器的数据，给所述气体传感器阵列提供补偿参数。
4.根据权利要求1所述的电子鼻系统基础数据集获取及验证平台，其特征在于，所述气体传感器阵列设于独立密封的气体测试腔内，所述气体测试腔的进气口处设有颗粒过滤装置，所述标签气袋设于所述气体测试腔的出气口位置。
5.根据权利要求1所述的电子鼻系统基础数据集获取及验证平台，其特征在于，所述通讯模块为NB-IoT技术实现与外界的通讯。
6.根据权利要求1所述的电子鼻系统基础数据集获取及验证平台，其特征在于，还包括存储模块，所述存储模块用于储存一定时间内传感器阵列测得的数据。
7.根据权利要求1所述的电子鼻系统基础数据集获取及验证平台，其特征在于，所述气体传感器阵列包括金属氧化物气体传感器、电化学传感器。
8.根据权利要求7所述的电子鼻系统基础数据集获取及验证平台，其特征在于，所述金属氧化物传感器电连接加热控制电路，用于对金属氧化物传感器进行加热，稳定工作模式。
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