基于虛擬儀器的無線白酒電子鼻的設(shè)計(jì)*

周紅標(biāo)，張宇林，張新榮，丁友威

(淮陰工學(xué)院 電子與電氣工程學(xué)院，江蘇 淮安 223003)

白酒是中國特有的一種蒸餾酒[1]。白酒的品質(zhì)識別主要是通過感官評定和化學(xué)分析法檢測，其缺點(diǎn)顯而易見[2]。

電子鼻是一種分析、識別、檢測復(fù)雜嗅味和揮發(fā)性成分的人工嗅覺系統(tǒng)，其能得到樣品中揮發(fā)性成分的整體信息[3]。電子鼻中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)是氣味數(shù)據(jù)的采集，前期已經(jīng)用數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)了第一代HG_Enose_WQ1型白酒電子鼻[4]。本文以STM32為核心處理器，將 Zig-Bee無線通信、虛擬儀器等技術(shù)融為一體，設(shè)計(jì)了第二代無線白酒電子鼻(HG_Enose_WQ2型)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

無線白酒電子鼻由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)組成。終端節(jié)點(diǎn)主要實(shí)現(xiàn)氣味信號采集、信號調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、無線通信、數(shù)據(jù)傳輸、人機(jī)對話等功能。其以控制器為核心，包括氣敏傳感器陣列、溫濕度傳感器模塊、信號調(diào)理模塊、電源模塊、鍵盤模塊、顯示模塊、無線通信模塊和串行通信模塊等。系統(tǒng)總體功能是：首先由上位機(jī)軟件平臺發(fā)布采集數(shù)據(jù)命令，通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將命令由其無線收發(fā)模塊進(jìn)行發(fā)送；終端節(jié)點(diǎn)接收到命令后，將命令的主機(jī)地址與自己地址對照，如果一致，則執(zhí)行氣味和溫濕度數(shù)據(jù)采集操作，并對其進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，處理器將數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，通過無線收發(fā)模塊發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)；網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)，并通過RS232總線以MODBUS協(xié)議形式傳輸給上位機(jī)；最后在上位機(jī)軟件平臺上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、存儲、回放和分析等數(shù)據(jù)處理操作。圖1為電子鼻硬件系統(tǒng)總體框圖。

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)部分介紹了各硬件電路模塊的設(shè)計(jì)思想。

2.1 氣敏傳感器陣列

圖1 電子鼻硬件系統(tǒng)總體框圖

在電子鼻中，氣敏傳感器是采集氣體信息的主要部件，它將氣體種類及其濃度的相關(guān)信息轉(zhuǎn)化成電信號后進(jìn)行檢測。借鑒參考文獻(xiàn)[5]，本設(shè)計(jì)的白酒電子鼻選擇了日本費(fèi)加羅公司生產(chǎn)的 TGS2600、TGS2602、TGS2610、TGS2611、TGS2620共 5個(gè) TGS傳感器組成傳感器陣列，這些傳感器對酒精的敏感性高，非常適合于檢測微量低濃度氣體，具有壽命長、穩(wěn)定性好、耐腐蝕性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性和機(jī)械性能好、可長時(shí)間連續(xù)使用等優(yōu)點(diǎn)。其對氣體的檢測可通過器件電阻變化直接轉(zhuǎn)變成電信號，且電阻率變化大，信號處理可不用高倍數(shù)的放大電路即可實(shí)現(xiàn)。為了校正溫濕度對電子鼻系統(tǒng)的影響，傳感器板上擴(kuò)展了AM2302型數(shù)字溫濕度傳感器，它是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。

2.2 信號調(diào)理模塊

電子鼻氣體采樣方式采用的是靜態(tài)采樣法，主要是在一個(gè)含有傳感器的密閉容器中放置一些固體或氣體樣品，使其揮發(fā)變成氣體。也可以通過注射口直接將樣品氣體注射到容器中進(jìn)行測試，測試完成后需要將這一密閉容器進(jìn)行清洗，然后再進(jìn)行下一次實(shí)驗(yàn)。氣體分子在靜態(tài)的環(huán)境中主要以擴(kuò)散的形式充滿整個(gè)測試容器。信號調(diào)理模塊的核心就是通過外接電阻將氣敏傳感器電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出?？紤]到可能存在的高頻干擾，通過并聯(lián)電容進(jìn)行低通濾波。由于傳感器陣列是由多個(gè)傳感器組成，如果每一個(gè)傳感器都占用一個(gè)A/D口，則會導(dǎo)致控制器資源不夠用。因此利用8選1模擬開關(guān)CD4051分時(shí)選通傳感器，以節(jié)約A/D端口。圖2所示為氣敏傳感器陣列信號拾取電路原理圖(傳感器僅給出了TGS2600)。

圖2 傳感器陣列信號拾取電路原理圖

2.3 核心處理器模塊

電子鼻核心處理器選用STM32系列增強(qiáng)型微控制器STM32F103，其采用ARM公司具有突破性的Cortex-M3內(nèi)核[6]，工作頻率為 72 MHz，片上集成的 Flash最多可達(dá)512 KB，可用于存儲程序和節(jié)點(diǎn)在工作過程中采集到的氣味數(shù)據(jù)；片上還帶有 2個(gè) 12 bit ADC，可以將氣敏傳感器電壓信號轉(zhuǎn)換為MCU可以運(yùn)算、處理的數(shù)字信號；5個(gè)USART接口可以用于無線收發(fā)芯片與上位機(jī)之間進(jìn)行通信。

2.4 無線通信模塊

無線通信模塊選用CC2430芯片，它是一款符合ZigBee技術(shù)的2.4 GHz射頻芯片，其工作電壓范圍為2.0 V～3.6 V，電流消耗很低，發(fā)射電流約為 25 mA，接收電流約為 27 mA，休眠模式時(shí)僅為 0.9 μA，能夠滿足無線電子鼻系統(tǒng)高性能、低功耗的需求[7]。CC2430與STM32核心處理器連接非常方便，它僅使用2根線將CC2430的 P0_3(TX)和 P0_2(RX)兩個(gè)引腳與 STM32的PA2(UART2_TXD)和 PA3(UART2_RXD)兩個(gè)引腳相連即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。具體電路如圖3所示。

圖3 ZigBee無線通信模塊電路原理圖

2.5 其他模塊

電子鼻系統(tǒng)中硬件裝置和PC機(jī)之間采用RS-232通信方式，設(shè)計(jì)電路時(shí)采用MAX3232芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。電子鼻系統(tǒng)中，STM32、CC2430工作電壓為 3.3 V，傳感器加熱電壓為5 V，需要將電源適配器輸出的5 V電壓進(jìn)行降壓處理，因此設(shè)計(jì)了電源模塊。為了人機(jī)交互的方便，還設(shè)計(jì)了矩陣鍵盤、LED顯示等模塊。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件分為嵌入式軟件和上位機(jī)軟件兩個(gè)部分，采用模塊化的編程思想進(jìn)行設(shè)計(jì)。嵌入式軟件系統(tǒng)主要包括主程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、LED顯示子程序、無線通信子程序、RS-232通信子程序、數(shù)據(jù)存儲子程序等模塊，基于ARM嵌入式的開發(fā)環(huán)境IAR進(jìn)行編程；上位機(jī)軟件系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)特征提取等功能，采用基于G語言的虛擬儀器開發(fā)平臺LabVIEW進(jìn)行設(shè)計(jì)。可靠的軟件程序?qū)⒛鼙ＷC電子鼻系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，為后續(xù)的白酒品質(zhì)檢測實(shí)驗(yàn)提供一個(gè)良好的檢測平臺。

限于篇幅，本文主要介紹上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)思路。上位機(jī)軟件采用NI公司推出的一種虛擬儀器軟件Lab-VIEW作為開發(fā)平臺，數(shù)據(jù)采集是其最主要的功能之一，需要完成5路氣味數(shù)據(jù)、溫濕度的實(shí)時(shí)顯示和存儲。數(shù)據(jù)采集模塊采用VISA實(shí)現(xiàn)LabVIEW與電子鼻硬件裝置之間的通信[8]。

首先是串口初始化，利用VISA Configure SerialPort.vi節(jié)點(diǎn)設(shè)定串口的端口號、波特率、1幀信息中的有效數(shù)據(jù)的位數(shù)、停止位、奇偶校驗(yàn)、數(shù)據(jù)流量控制等。其次是讀寫串口，利用VISA Read.vi節(jié)點(diǎn)和VISA Write.vi節(jié)點(diǎn)對串口進(jìn)行讀寫。由于LabVIEW平臺上的串行通信過程中，發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)格式是以字符串格式，字符串中的每個(gè)字符實(shí)際上對應(yīng)ASCII字符；而采用MODBUS RTU模式進(jìn)行通信時(shí)，發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)格式是直接的十六進(jìn)制字符。所以，發(fā)送數(shù)據(jù)之前必須把要發(fā)送的十六進(jìn)制字符利用bytes array to string函數(shù)轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的ASCII字符，同樣接收到的數(shù)據(jù)(ASCII字符)可通過string to byte array函數(shù)轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的十六進(jìn)制字符。最后關(guān)閉串口，利用VISA Close.vi節(jié)點(diǎn)將打開的串口關(guān)閉，停止所有讀寫操作。

STM32處理器與上位機(jī)之間采用了MODBUS“一問一答”形式的通信協(xié)議，單純使用VISA函數(shù)，雖然能夠建立上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信，且能采集到數(shù)據(jù)，但數(shù)據(jù)存在亂碼現(xiàn)象。因此，在數(shù)據(jù)采集程序While循環(huán)外部使用NI MODBUS函數(shù)庫中的MB Serial Init函數(shù)初始化串口，修正前述的VISA Configure SerialPort.vi函數(shù)。并且，在數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收之間加了一個(gè)延遲，延遲時(shí)間可由前面板指定，一般設(shè)置為50 ms。MODBUS采用RTU格式，PC機(jī)采集下位ARM處理器的數(shù)據(jù)，設(shè)定下位機(jī)的地址編號為01，數(shù)據(jù)存儲的寄存器首地址為0CH單元，采集下位機(jī)的數(shù)據(jù)量為：終端ZigBee節(jié)點(diǎn)的短地址 2 B、8個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)16 B(其中只使用了5個(gè)傳感器，另外3個(gè)傳感器未連接，傳感器板上多設(shè)計(jì)了3個(gè)氣味傳感器插腳以便陣列的進(jìn)一步擴(kuò)充)、溫濕度4 B，共計(jì) 22 B、11個(gè)字。若 MODBUS協(xié)議中讀取下位機(jī)數(shù)據(jù)功能碼為03H，則上位計(jì)算機(jī)應(yīng)向下位機(jī)發(fā)送命令碼01 03 00 0C 00 0B C4 0E(C4 0E是前6 B的CRC-16校驗(yàn)碼)，下位機(jī)接收到該命令后，則按MODBUS協(xié)議格式返回采集到的數(shù)據(jù)。

為了將采集的數(shù)據(jù)保存在PC機(jī)中以便進(jìn)一步分析，數(shù)據(jù)采集模塊首先利用Open/Create/Replace File函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)文本文件，如果這個(gè)文件存在就替換它，然后再利用Write to Text File函數(shù)將數(shù)據(jù)保存為文本文件。同時(shí)采用磁盤流技術(shù)來提高數(shù)據(jù)存儲的效率，即在程序執(zhí)行過程中，文件一直處于打開狀態(tài)，避免了每次寫文件前后程序都要與計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)交互操作去打開或關(guān)閉文件。此外，合理保存5路傳感器輸出的響應(yīng)值也較為重要。如果在txt文件中能以5列的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲，則能給下面基于MATLAB平臺的數(shù)據(jù)處理和識別帶來極大的方便。在由簇Unbundle函數(shù)對5列數(shù)據(jù)形成的簇拆解之后，利用Cluster to Array函數(shù)將簇?cái)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)組數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步利用Array to Spreadsheet String函數(shù)將數(shù)組轉(zhuǎn)換成電子表格數(shù)據(jù)形式，送入Write to Text File函數(shù)，就能得到所需的txt文件存儲效果。通過LabVIEW軟件平臺進(jìn)行白酒氣味數(shù)據(jù)采集的前面板如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集模塊前面板

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試，本系統(tǒng)運(yùn)行可靠，能夠滿足白酒氣味數(shù)據(jù)采集的實(shí)驗(yàn)需求。但也存在一些問題：氣敏傳感器選擇的是商用傳感器，價(jià)格昂貴；采取的靜態(tài)頂空生成法的效果不如動態(tài)采樣法；雖然加了無線通信等新手段，但整個(gè)系統(tǒng)自動化程度不高，在硬件上表現(xiàn)為需要人工操作置入電子鼻，在軟件上表現(xiàn)為需要人為執(zhí)行采樣起始和結(jié)束等操作。下一步的工作是與材料學(xué)科緊密合作，制作自己的傳感器，研制動態(tài)采樣全自動智能型電子鼻。

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