微生物自動培養(yǎng)與監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設(shè)計

陳貝銘，莊沐豪，劉桂玲，葉綠珊，莊旭昇，符友燁，林　芳（.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)　電子工程學(xué)院；.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)　食品學(xué)院，廣東　廣州　5064；.廣州飛瑞敖電子科技有限公司，廣東　廣州　5400）

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微生物自動培養(yǎng)與監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設(shè)計

陳貝銘1，莊沐豪1，劉桂玲1，葉綠珊1，莊旭昇2，符友燁3，林芳1
（1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)電子工程學(xué)院；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，廣東廣州510642；3.廣州飛瑞敖電子科技有限公司，廣東廣州511400）

摘要：本文主要針對微生物自動培養(yǎng)箱的實現(xiàn)技術(shù)，提出了基于圖像處理的微生物檢測系統(tǒng)的實現(xiàn)方案.該方案具有一套由matlab語言編寫的軟件系統(tǒng)，集圖像采集、圖像處理、統(tǒng)計繪圖與儲存于一身，并帶有精美的操作界面(GUI)，實現(xiàn)很好的交互作用.硬件方面以單片機STC-89C52為核心，控制恒溫恒濕，搭配CCD光學(xué)圖像采集系統(tǒng).兩者構(gòu)成一套完善的微生物自動培養(yǎng)與監(jiān)測系統(tǒng).

關(guān)鍵詞：數(shù)字圖像處理；Matlab；微生物；自動培養(yǎng)

在我國，隨著各種現(xiàn)代化的研究手段先后應(yīng)用于微生物研究領(lǐng)域中，自動化儀器已經(jīng)成為微生物培養(yǎng)和檢測的一種發(fā)展趨勢，但目前常見的微生物培養(yǎng)箱提供的功能仍不完善，缺乏實時的監(jiān)測能力.本文提出的微生物自動培養(yǎng)與監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)方案，不僅實現(xiàn)了現(xiàn)有的微生物培養(yǎng)箱具有的功能，同時結(jié)合了數(shù)字圖像采集、傳輸、處理技術(shù)，能夠在電腦終端監(jiān)控培養(yǎng)箱內(nèi)微生物的增長情況和分布情況，通過數(shù)學(xué)建模方法，記錄并生成微生物的增長曲線，方便科研人員的進一步研究.

1　系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)由環(huán)境參數(shù)采集與控制系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)組成.系統(tǒng)實物圖如圖1所示：

圖1　系統(tǒng)實物圖

1.1環(huán)境參數(shù)采集與控制系統(tǒng)

箱內(nèi)的MCU通過各種傳感器采集數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行處理，并將數(shù)據(jù)傳輸給箱外的MCU.由箱外的MCU在液晶屏上實時顯示溫度濕度光照度，控制繼電器單元電路去調(diào)節(jié)控溫控濕模塊，控制箱內(nèi)的溫度濕度實現(xiàn)培養(yǎng)箱環(huán)境的自動調(diào)節(jié).MCU之間的數(shù)據(jù)傳輸通過MAX485模塊進行[1].環(huán)境參數(shù)采集與控制系統(tǒng)的硬件電路框架如圖2所示.

圖2　硬件框架圖

本系統(tǒng)采用了AM2302數(shù)字溫濕度傳感，是一款數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，可以同時測量溫度和濕度，并采用IIC協(xié)議輸出[2].光照度檢測采用的是GY-30光照度測量模塊，其核心芯片是BH1750FVI，采用IIC協(xié)議傳輸信號[3].

加熱制冷模塊是由半導(dǎo)體制冷器構(gòu)成的，MCU控制繼電器將制冷片電源正接和反接實現(xiàn)制冷片的制冷和加熱功能.濕度控制通過超聲波加濕器把電能轉(zhuǎn)化為超聲波能量，將液態(tài)水分子結(jié)構(gòu)打散而產(chǎn)生水霧從而控制培養(yǎng)箱內(nèi)的濕度.

用戶通過按鍵電路液晶顯示器上的菜單選擇來設(shè)置培養(yǎng)箱的培養(yǎng)時間、溫度閥值、濕度閥值，這些數(shù)據(jù)將被寫入芯片AT24C02中，在斷電后重新開始運行時，可以自動從芯片中讀取出來，以此來保存上次的系統(tǒng)的設(shè)定狀態(tài)，實現(xiàn)掉電數(shù)據(jù)保護.

單片機軟件的程序流程圖如圖3所示：

圖3　軟件流程圖

1.2圖像采集系統(tǒng)

圖像采集系統(tǒng)如圖4所示.由600nmLED光源發(fā)出均勻的光線，透過培養(yǎng)基，部分光線被微生物吸收，剩余的光線穿過培養(yǎng)基到達顯微物鏡成像.顯微物鏡使微生物圖像被放大了100倍.CCD攝像頭將光學(xué)圖像處理成數(shù)字圖像，并通過USB口直接傳送給電腦，交由電腦進行采集到的圖像進行識別和處理.

圖4　圖像采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

對細菌影響較大（發(fā)揮殺菌作用）的光主要是紫外線，波長265～266nm時殺菌作用最強，對細菌生長影響最大，而可見光對細菌影響最小，實驗室中常利用600nm波長作為常見細菌的吸收光來測量細菌培養(yǎng)液的濃度.本項目的背景光源使用600nm波長LED燈作為背景光源.

本系統(tǒng)采用的CCD攝像頭是SUNWAY公司的200D攝像頭，具有高速USB2.0接口，像素尺寸3.2μm×3.2μm.顯微物鏡采用SunWay公司的T35型號工業(yè)鏡頭，放大倍數(shù)44-266倍.

2　圖像處理

CCD攝像頭采集細菌圖像后，輸出到電腦USB端口，通過函數(shù)videoinput調(diào)出其視頻信號，創(chuàng)建視頻輸入對象.由于捕抓圖像是ycbcr格式，需要使用函數(shù)rgb2gray轉(zhuǎn)換為rgb格式再存入電腦中.在本項目中利用timer做圖像捕抓多線程，用戶可以自行設(shè)置采集圖片的周期、采集次數(shù).圖像分析的流程圖如圖5所示.

圖5　圖像分析流程圖

微生物檢測系統(tǒng)識別細菌的增長過程，使用計算細菌面積來進行統(tǒng)計[4].利用到了數(shù)字圖像處理中的灰度變換，灰度分析取閾值，二值化，統(tǒng)計像素點[5].

使用本項目的細菌培養(yǎng)與監(jiān)測系統(tǒng)拍攝到的未染色大腸桿菌圖像如圖所示：

圖6　培養(yǎng)5小時的大腸桿菌

圖7　培養(yǎng)9小時的大腸桿菌

根據(jù)實際拍攝到的細菌圖片進行上述圖像處理，可以生成的細菌隨時間的增長曲線如圖8所示：

圖8　細菌隨時間增長曲線，該曲線由交互界面自動計算生成

3　結(jié)論

本課題基于數(shù)字圖像處理的檢測系統(tǒng)，在多次測試中運行穩(wěn)定，得到的大腸桿菌群落圖像以及增長曲線圖，與在微生物實驗室內(nèi)觀察到的情況相符合，實現(xiàn)了菌落群活體動態(tài)生長情況的監(jiān)測.此外，硬件電路可以為菌落提供特定的溫度、濕度環(huán)境，可以研究不同環(huán)境下菌落的生長過程及特點.本系統(tǒng)具有的微生物檢測功能可以用于衛(wèi)生安全領(lǐng)域，如檢測餐具上的細菌含量是否超標，檢測豬肉表面細菌數(shù)量判斷是否新鮮等等，對于提升微生物學(xué)檢驗的質(zhì)量與速度具有重大意義.

參考文獻：

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基金項目：華南農(nóng)業(yè)大學(xué)2014年國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃（201410564194）；國家自然科學(xué)基金（61172011）；華南農(nóng)業(yè)大學(xué)“質(zhì)量工程”項目資助(BKJX2015047)

收稿日期：2015-12-11

中圖分類號：TP27

文獻標識碼：A

文章編號：1673-260X（2016）01-0043-03