張延軍，劉敬彪，蔡 強(qiáng)，方向生，吳文娟，劉 銳，王彥闖

1.杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院，杭州 310018；

2.浙江清華長三角研究院，浙江 嘉興 314006

電子鼻是由多個氣敏傳感器及其信號處理電路和適當(dāng)模式識別方法所組成的裝置，能定性定量識別氣味。在環(huán)境質(zhì)量檢測[1]、疾病診斷、化妝品香型的判斷、農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)監(jiān)測和評定、食品生產(chǎn)加工、海關(guān)等方面已有應(yīng)用性研究。目前，已有商品化的電子鼻，如：FOX 4000等，但這些系統(tǒng)的分析軟件都是運(yùn)行于PC平臺，成本高，體積大，只適用于實(shí)驗(yàn)室分析，無法滿足現(xiàn)場實(shí)時監(jiān)測。因此本文研制了一種基于ARM 7和嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)μC/OS Ⅱ的電子鼻系統(tǒng)，以較小系統(tǒng)體積和硬件開銷，實(shí)現(xiàn)便攜的電子鼻分析功能。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

食品品質(zhì)的監(jiān)測已經(jīng)從生產(chǎn)過程的監(jiān)測擴(kuò)展到對原材料、產(chǎn)品的全過程監(jiān)測；其中食品材料物流過程(倉儲、運(yùn)輸和貨架)中品質(zhì)的監(jiān)測，要求檢測設(shè)備便于攜帶，能實(shí)時動態(tài)測量。本文研制的便攜式電子鼻系統(tǒng)，由傳感器陣列、信號調(diào)理模塊、嵌入式系統(tǒng)3部分組成[2]。傳感器陣列由不同的氣敏傳感器組成，并置于密閉氣室內(nèi)。信號調(diào)理模塊將氣味的信息轉(zhuǎn)換為電信號，并進(jìn)行預(yù)處理， A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)字信號的簡單濾波和數(shù)據(jù)傳輸；嵌入式系統(tǒng)由ARM7架構(gòu)的MCU、嵌入式操作系統(tǒng)、SD卡和觸摸屏組成，完成數(shù)據(jù)存儲、曲線顯示和氣味識別。圖1為系統(tǒng)的整體框圖。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路主要包括兩部分，分別為基于MSP430F149信號調(diào)理電路和嵌入式系統(tǒng)硬件電路。

2.1 MSP430F149信號采集模塊電路設(shè)計(jì)

硬件電路框圖如圖 2 所示。本文選用的MSP430F149[3]是16 bit RISC結(jié)構(gòu)單片機(jī)，片上資源主要包括 60KB的 FLASH和 2KB RAM， 8 路12 bit的200 kbit/s的高速ADC，兩個串行通信接口(UART模式， SPI模式， I2C模式)等。系統(tǒng)程序駐留于MSP430F149的內(nèi)部存儲器，采用片內(nèi)12 bit高速A/D采集信號。由于半導(dǎo)體氣敏傳感器的電阻變化量與氣體濃度相關(guān)，變化范圍在1 kΩ～1 MΩ之間。本文通過串聯(lián)負(fù)載電阻，并測試負(fù)載電阻的分壓值來檢出傳感器響應(yīng)信號。負(fù)載電阻阻值依據(jù)傳感器在純凈空氣中靜態(tài)時阻值的大小而定。檢出的電壓信號通過低通濾波器和次級放大器，進(jìn)入AD轉(zhuǎn)換器。低通濾波器截止頻率為1 kHz；片內(nèi)A/D的參考電壓設(shè)置為0 ～2.5 V， 傳感器信號放大到0 ～2.5 V以內(nèi)。不同的溫濕度環(huán)境會影響氣敏傳感器的響應(yīng)特性，本文采用SHT11數(shù)字溫濕度變送器采集溫濕度信息，補(bǔ)償傳感器信號。濕度測量范圍：0 to 100% RH，分辨率：0.03% RH。溫度測量范圍：-40 ～+123.8 ℃，分辨率：0.01 ℃。本系統(tǒng)在通信上采用光耦隔離RS485傳輸數(shù)據(jù)， RS485的通信速率設(shè)定為9 600 bit/s。

圖2 信號采集電路框圖

2.2 嵌入式系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)硬件電路主要包括MCU、SD卡及其相關(guān)電路、液晶顯示、按鍵、串口通信電路和電源電路。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3 所示。其中 MCU為LPC2214[4]， 為 16/32 bit ARM7 架 構(gòu)， 片 內(nèi) 有 16 kbyte RAM和256 kbyte ROM， 2個UART， 1個高速I2C， 2個SPI接口，最高運(yùn)行頻率60 MHz。該芯片可運(yùn)行嵌入式操作系統(tǒng)，程序編寫時基本無需擴(kuò)展存儲。由于SD卡[5]是容量大、體積小，本系統(tǒng)選作本地存儲卡。因LPC2214有標(biāo)準(zhǔn)SPI接口， SD卡選用SPI通信模式，并根據(jù)MCU時鐘頻率和外圍模塊時鐘頻率，設(shè)置SPI的時鐘頻率為5.529 6 MHz。液晶模塊選用TFT6758，屏幕大小為2.2 inch，點(diǎn)像素為240×320， 26 萬色真彩屏，用于顯示數(shù)據(jù)曲線和識別結(jié)果。按鍵為4×4陣列，采用ZLG7290 驅(qū)動器， ZLG7290通過I2C接口與MCU通信。

圖3 嵌入式系統(tǒng)硬件電路框圖

系統(tǒng)功耗主要包括嵌入式電路功耗、調(diào)理模塊功耗和傳感器功耗。傳感器功耗一般較大，如：一只TGS系列的半導(dǎo)體氣敏傳感器功耗在700 mW左右；因此，系統(tǒng)的整體功耗和連接的傳感器的數(shù)量有密切的聯(lián)系。當(dāng)本系統(tǒng)安裝4 個TGS系列的半導(dǎo)體氣敏傳感器時最大功耗在5 W左右。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件包括信號采集程序和系統(tǒng)應(yīng)用程序。信號采集程序運(yùn)行在MSP430F149中，用于信號處理電路的初始化、數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理和數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)應(yīng)用程序運(yùn)行于LPC2214的嵌入式電路板，功能是μC/OS-Ⅱ任務(wù)及驅(qū)動程序的調(diào)度，包括數(shù)據(jù)存儲、實(shí)時曲線顯示、按鍵響應(yīng)和模式識別。

3.1 信號采集模塊的程序設(shè)計(jì)

信號采集模塊程序在IAR Embended workbench V4.11B開發(fā)環(huán)境下由C語言開發(fā)，包括上電初始化、數(shù)據(jù)處理和傳輸?shù)裙δ?。上電初始化完成系統(tǒng)上電后系統(tǒng)時鐘頻率初始化、通用I/O初始化、A/D模塊初始化、串口通信初始化和數(shù)字式溫濕度變送器初始化。其中A/D模塊的采樣頻率設(shè)置為1 Hz。數(shù)據(jù)傳輸則把傳輸?shù)交贏RM7的嵌入式系統(tǒng)中。

數(shù)據(jù)處理則將采集來的傳感器信息存入全局?jǐn)?shù)組，等待查詢命令并上傳數(shù)據(jù)。若沒有查詢命令則全局?jǐn)?shù)組每秒更新1次。數(shù)據(jù)處理方法采用加權(quán)平滑處理，降低脈沖干擾的影響。方法為：每個傳感器建立長度為8的全局?jǐn)?shù)組，每次采樣后更新數(shù)組，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行由小到大排序，排序后依式(1)進(jìn)行加權(quán)平均：

式中X為處理后的數(shù)據(jù)；ai為采集上來放入全局?jǐn)?shù)組內(nèi)的原始數(shù)據(jù)；fi為權(quán)值。溫濕度傳感器的測量值用于補(bǔ)償傳感器信號，補(bǔ)償過程依式(2)：

式中s為補(bǔ)償后的值；s0為補(bǔ)償前的值；c1， c2為系數(shù)，由傳感器特性而定；T0=20 ℃；T1為溫濕度傳感器測得的環(huán)境溫度；H0=65%；H1為溫濕度傳感器測得的環(huán)境濕度；

圖4 信號采集模塊程序流程圖

3.2 系統(tǒng)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)程序在ARM Developer Suite V 1.2集成開發(fā)環(huán)境中編寫，其中大部分用C語言編寫，少部分處理器架構(gòu)級代碼用ARMV4[6]匯編語言編寫。因?yàn)棣藽/OC-Ⅱ[7]是可移植、固化、實(shí)時性，對RAM、ROM要求較少，本系統(tǒng)選擇μC/OS-Ⅱ做為OS。大部分代碼用ANSIC語言編寫，部分處理器架構(gòu)級采用匯編代碼并，并選擇μC/FS作為文件的組織形式。程序主要包括：μC/OS-Ⅱ、μC/FS文件系統(tǒng)的移植、任務(wù)編寫以及驅(qū)動程序(見圖5)。

圖5 嵌入式系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)圖

其中，上電初始化指系統(tǒng)上電后的板級初始化，CPU和外圍電路達(dá)到適合操作系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)，主要包括：存儲器映射和設(shè)置系統(tǒng)各部分時鐘；初始化UART0；初始化定時器0；用于操作系統(tǒng)時鐘節(jié)拍；初始化實(shí)時時鐘；中斷向量表初始化；初始化I2C接口。相應(yīng)的函數(shù)分別為 TargetResetInit(void)，UART0Init(uint32 bit/s)， Timer0Init(void)， RTCInit(void)， VICInit(void)， I2cInit(uint32 FI2c)。SD卡驅(qū)動程序和文件系統(tǒng)包括SD卡上電初始化程序、讀寫SD卡的API函數(shù)等，用于系統(tǒng)讀/寫數(shù)據(jù)時根據(jù)文件系統(tǒng)的要求讀/寫SD卡。液晶顯示模塊TFT6758內(nèi)帶液晶控制器HD66781 和液晶驅(qū)動器HD66783， 驅(qū)動程序[8]主要是對HD66781 的控制，使液晶達(dá)到顯示狀態(tài)，還包括FillSCR()填充屏幕、ClearSCR()清屏、Point()畫點(diǎn)、H line()畫水平線、Vline()畫垂直線等API[9]函數(shù)。

在應(yīng)用層共涉及了 5 個任務(wù)[10]， 分別為：Keytask()， Uart0task()， Sdfstask()， Guitask()，Bptask()。 Keytask()用于不同按鍵按下時的處理；Uart0task()主要用于處理數(shù)據(jù)通信；Sdfstask()用于讀寫卡內(nèi)存儲為文本格式的數(shù)據(jù)；Guitask()用于實(shí)時曲線顯示和識別結(jié)果顯示。Bptask()用于模式識別，識別算法采用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[11]，

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是單向傳輸?shù)亩鄬忧跋蚓W(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)包括輸入層、一層或多層隱含層和一層輸出層，同一層中節(jié)點(diǎn)沒有聯(lián)系。該網(wǎng)絡(luò)通過層間權(quán)重對輸入模式進(jìn)行線性加權(quán)而形成超維決策平面， 并通過Sigmoid非線性函數(shù)(如f(x)=1/[ 1+e-x] )形成分類決策區(qū)域。網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)過程包括信息的正向傳播和誤差的反向傳播兩個反復(fù)交替的過程。誤差反向傳播過程是從輸出層到輸入層向后傳播并修正相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的過程，主要是調(diào)整權(quán)向量和閾值，使誤差值達(dá)到最小。上述BP網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)過程在PC機(jī)上進(jìn)行，待訓(xùn)練完成后將網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)植入嵌入式系統(tǒng)。

信息的正向傳播過程就是模式識別算法，各神經(jīng)元的輸出可表示為式(3)：

式(3)中wij為輸入節(jié)點(diǎn)與隱含層之間的聯(lián)接權(quán)重；θ為閾值；vjk為隱含層與輸出層之間的聯(lián)接權(quán)重；f(x)為神經(jīng)元模型中的傳遞函數(shù)。

4 實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)選用豬肉[12]作為測試對像，用本系統(tǒng)測試豬肉5 ℃貯藏過程中品質(zhì)變化，并輔以測試揮發(fā)性鹽基氮[13](TVB-N)在豬肉中的含量，來對比系統(tǒng)測試結(jié)果。實(shí)驗(yàn)中選用4 個TGS系列半導(dǎo)體氣敏傳感器， 分 別 為：TGS822， TGS826， TGS800， TGS825。實(shí)驗(yàn)共6次，測試豬肉在5 ℃貯藏8 d的品質(zhì)變化，每天測試10個樣本，豬肉為新鮮豬后腿肉。系統(tǒng)測試周期7 ～9 min，包括5 ～7 min的傳感器恢復(fù)時間和1 min的進(jìn)氣和檢測時間。

前三次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)用于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練，BP網(wǎng)絡(luò)為單隱層，包括4個輸入神經(jīng)元， 1個輸出神經(jīng)元，變換函數(shù)選用Sigmoid函數(shù)，神經(jīng)元的輸出范圍為0 ～1，隱層神經(jīng)元的數(shù)量為6；BP網(wǎng)絡(luò)經(jīng)PC機(jī)訓(xùn)練后移植到嵌入式系統(tǒng)；對原始數(shù)據(jù)的處理采用梯形隸屬度函數(shù)進(jìn)行歸一化；后三次實(shí)驗(yàn)主要用本系統(tǒng)識別，并與TVB-N結(jié)果對比。圖6，圖7為測試過程中部分結(jié)果圖。

圖6 實(shí)驗(yàn)中TVB-N測試結(jié)果

圖7 測試中液晶屏顯示效果

表1給出了第2次和第4次的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，表中數(shù)據(jù)表示每天每個傳感器的響應(yīng)平均值。由表中數(shù)據(jù)可以看出，對于不同批次的實(shí)驗(yàn)，傳感器具有較穩(wěn)定的輸出。表2給出了整個測試中系統(tǒng)的識別正確率。

由圖7可以看出， 5 ℃貯藏時豬肉在購回第5天其揮發(fā)性鹽基氮的含量超過國標(biāo)(15mg/100g GB2707-2005)。由表1可以看出，第1、2、3和第6、7天，識別率均大于90%。第4 天，第5天時，系統(tǒng)識別率低于90%，這是因?yàn)閲鴺?biāo)只規(guī)定豬肉有變質(zhì)和未變質(zhì)兩種狀態(tài)，對豬肉變質(zhì)的臨界狀態(tài)難以對其準(zhǔn)確歸類。然而在豬肉完全變質(zhì)和完全沒有變質(zhì)的情況下系統(tǒng)的識別效果令人滿意的，表明系統(tǒng)具有一定的可靠性。

表1 傳感器響應(yīng)值

表2 系統(tǒng)識別結(jié)果

5 結(jié)束語

本文實(shí)現(xiàn)了一款基于ARM 7和μC/OS Ⅱ的電子鼻系統(tǒng)。系統(tǒng)主要功能在于實(shí)現(xiàn)了多路傳感器檢測、溫濕度補(bǔ)償、模式識別；特點(diǎn)在于功耗較低，體積小，便于攜帶。實(shí)驗(yàn)研究表明，對豬肉品質(zhì)檢測中整體正確率達(dá)到90.9%，說明系統(tǒng)有較高的可靠性。

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