一種無線電子鼻系統(tǒng)及監(jiān)測(cè)運(yùn)輸過程中果蔬品質(zhì)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)檢測(cè)領(lǐng)域，尤其涉及一種無線電子鼻系統(tǒng)及監(jiān)測(cè)運(yùn)輸過程 中果蔬品質(zhì)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，人們對(duì)果蔬的種類和品質(zhì)提出了越來越高的要求，但是果蔬農(nóng)產(chǎn)品具有 較強(qiáng)的地域性，許多果蔬農(nóng)產(chǎn)品必須經(jīng)過長(zhǎng)途運(yùn)輸才能送到全國(guó)市場(chǎng)。果蔬農(nóng)產(chǎn)品在運(yùn)輸 過程中長(zhǎng)時(shí)間處于密閉環(huán)境，惡劣的儲(chǔ)藏環(huán)境導(dǎo)致果蔬出現(xiàn)腐敗變質(zhì)現(xiàn)象，如果工作人員 無法及時(shí)獲知并進(jìn)入車廂內(nèi)進(jìn)行處理，腐敗現(xiàn)象會(huì)在車廂內(nèi)迅速蔓延，從而造成巨大損失。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，在運(yùn)輸過程中每年至少有1200萬噸水果和1.3億噸蔬菜的浪費(fèi)，損失超過1000億 元。因此，對(duì)運(yùn)輸過程中果蔬品質(zhì)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是運(yùn)輸業(yè)急需解決的問題。
[0003] 電子鼻是一種模擬動(dòng)物嗅覺系統(tǒng)的儀器設(shè)備，通過對(duì)樣品揮發(fā)出的氣味進(jìn)行檢 測(cè)，獲得唯一代表該樣品的"氣味指紋圖譜"，利用多元統(tǒng)計(jì)分析和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法對(duì)樣品 的氣味指紋圖譜進(jìn)行定性或定量分析。電子鼻技術(shù)具有高靈敏度、可靠性和重復(fù)性等，在食 品檢測(cè)領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的電子鼻系統(tǒng)包括進(jìn)樣裝置、傳感器氣室、傳感器 陣列、信號(hào)采集系統(tǒng)和上位機(jī)等，其中進(jìn)樣裝置和傳感器氣室占了監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的絕大部分體 積，而運(yùn)輸過程中無法為上位機(jī)提供持續(xù)和穩(wěn)定的電源也是制約傳統(tǒng)電子鼻系統(tǒng)在運(yùn)輸行 業(yè)中使用的又一因素，因此針對(duì)運(yùn)輸行業(yè)中的應(yīng)用，傳統(tǒng)的電子鼻系統(tǒng)仍存在許多不足。
[0004] 例如，中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)公布號(hào)：CN 103308568 A，"一種用于農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)遠(yuǎn)程監(jiān) 測(cè)的無線電子鼻系統(tǒng)"，所公開的無線電子鼻系統(tǒng)包括監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)系 統(tǒng)，通過協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)控制多個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)對(duì)多個(gè)地方的對(duì)象進(jìn)行監(jiān)測(cè)， 使用專利中所述天線設(shè)計(jì)方法使得數(shù)據(jù)達(dá)到最遠(yuǎn)發(fā)送距離。本發(fā)明的不足在于:它將傳感 器陣列、氣室、氣栗、信號(hào)處理電路、無線傳輸模塊和天線全部集成到了監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)中，致使節(jié) 點(diǎn)負(fù)荷較大，功耗較高;協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過有線的方式和上位機(jī)系統(tǒng)相連，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)將各個(gè) 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)來的電子鼻數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)進(jìn)行處理和分析，這種方式不符合運(yùn)輸過程中需 要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的要求。
[0005] 如，中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)公布號(hào)：CN 103424433 A，"一種用于農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)檢測(cè)的遠(yuǎn) 程無線電子鼻系統(tǒng)"，所公開的電子鼻系統(tǒng)包括:現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)部分、遠(yuǎn)程監(jiān)控中心和上位機(jī)三 部分;完成了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和電子鼻信號(hào)無線傳輸，實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)長(zhǎng)期實(shí)時(shí)檢測(cè)并統(tǒng)一 管理電子鼻信號(hào)的目的；該發(fā)明的不足在于:現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)部分中的氣敏傳感器陣列布置在氣 室中，需要?dú)饴房刂颇K抽取樣品氣體和清洗氣體進(jìn)入氣室，氣路控制模塊不僅增加了現(xiàn) 場(chǎng)檢測(cè)部分的體積，同時(shí)增加了系統(tǒng)的工作負(fù)荷和耗電量;另外，電子鼻系統(tǒng)采用GPRS網(wǎng)絡(luò) 進(jìn)行信號(hào)傳輸，導(dǎo)致部分無法連接GPRS網(wǎng)絡(luò)的地區(qū)無法使用該系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為了解決運(yùn)輸過程中果蔬品質(zhì)無法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的問題，本發(fā)明提供一種無線電子鼻 系統(tǒng)及監(jiān)測(cè)運(yùn)輸過程中果蔬品質(zhì)的方法。
[0007] 本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):一種無線電子鼻系統(tǒng)，該電子鼻系統(tǒng)包括監(jiān)測(cè) 節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)終端兩部分;所述監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)包括主控芯片、氣敏傳感器陣列模塊、信號(hào)處理模 塊、串口轉(zhuǎn)WiFi模塊、電源模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊和SD卡儲(chǔ)存模塊;所述移動(dòng)終端為具有搜索 并加入WiFi網(wǎng)絡(luò)功能的移動(dòng)設(shè)備;所述氣敏傳感器陣列模塊與信號(hào)處理模塊相連，信號(hào)處 理模塊、串口轉(zhuǎn)WiFi模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊和SD卡儲(chǔ)存模塊均與主控芯片相連，電源模塊分別 與主控芯片和信號(hào)處理模塊相連;移動(dòng)終端通過串口轉(zhuǎn)WiFi模塊建立的無線網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)測(cè)節(jié) 點(diǎn)相連;所述的氣敏傳感器陣列模塊由8個(gè)氣敏傳感器組成;所述8個(gè)氣敏傳感器分別為：乙 醇?xì)怏w傳感器、烷烴類氣體傳感器、一氧化碳傳感器、氫氣/碳?xì)浠衔飩鞲衅鳌⒘蚧瘹錃怏w 傳感器、氨氣傳感器、氮氧化物傳感器、甲烷/一氧化碳?xì)怏w傳感器;所述氣敏傳感器陣列模 塊安裝在由金屬網(wǎng)罩和金屬外殼組成的結(jié)構(gòu)體中，所述結(jié)構(gòu)體頂部為金屬網(wǎng)罩，四面和底 部均為金屬外殼，氣敏傳感器陣列模塊布置在結(jié)構(gòu)體的底部。
[0008] 進(jìn)一步的，所述的信號(hào)處理模塊由8個(gè)調(diào)理電路組成，每個(gè)調(diào)理電路與一個(gè)氣敏傳 感器相連，調(diào)理電路輸出端與主控芯片相連，調(diào)理電路將氣敏傳感器發(fā)送來的信號(hào)進(jìn)行濾 波、放大處理，獲得傳感器模擬信號(hào)，調(diào)理電路將傳感器模擬信號(hào)發(fā)送給主控芯片，主控芯 片對(duì)輸入的8路傳感器模擬信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，從而得到傳感器數(shù)字信號(hào)。
[0009] 進(jìn)一步的，所述的電源模塊為采用4.5V電池組供電，通過降壓電路將電壓降到 3.3V后對(duì)主控芯片進(jìn)行供電，通過穩(wěn)壓電路將電壓穩(wěn)定為5V后對(duì)各個(gè)氣敏傳感器進(jìn)行供 電。
[0010] 所述主控芯片可以采用美國(guó)德州儀器(TI)MSP430芯片的產(chǎn)品，但不限于此;所述 串口轉(zhuǎn)WiFi模塊可以采用上海順舟公司的SZ12-02WiFi DTU的產(chǎn)品，但不限于此;所述實(shí)時(shí) 時(shí)鐘模塊可以采用美國(guó)DALLAS公司DS1302的產(chǎn)品，但不限于此；所述電源模塊中降壓到 3.3V的降壓芯片可以采用AMS公司的LM1117-3.3V的產(chǎn)品，但不限于此;穩(wěn)壓到5V的穩(wěn)壓芯 片可以采用美信(ΜΑΧΠΟ公司的MAX1797的產(chǎn)品，但不限于此。
[0011] -種利用無線電子鼻系統(tǒng)監(jiān)測(cè)運(yùn)輸過程中果蔬品質(zhì)的方法，具體步驟如下：
[0012] (1)獲取電子鼻信號(hào):將品質(zhì)狀態(tài)已知的果蔬作為檢測(cè)樣品；按照其品質(zhì)狀態(tài)的分 成未成熟、成熟、變質(zhì)三個(gè)批次，相同批次的果蔬至少有三組不同的檢測(cè)樣品，將各組檢測(cè) 樣品分別放入車廂內(nèi)，長(zhǎng)時(shí)間靜置，使得果蔬散發(fā)的氣味充滿車廂并達(dá)到飽和;氣敏傳感器 陣列模塊實(shí)時(shí)采集車廂內(nèi)果蔬散發(fā)的氣體，獲得氣敏傳感器陣列對(duì)不同品質(zhì)果蔬的響應(yīng)信 號(hào)，并將采集到的響應(yīng)信號(hào)傳遞給信號(hào)處理模塊進(jìn)行濾波放大處理，從而獲得傳感器模擬 信號(hào)，信號(hào)處理模塊將傳感器模擬信號(hào)發(fā)送給主控芯片，主控芯片對(duì)發(fā)送來的傳感器模擬 信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換從而獲得數(shù)字信號(hào)，主控芯片將數(shù)字信號(hào)和時(shí)間信息打包成電子鼻信 號(hào)，然后將電子鼻信號(hào)傳輸給SD卡儲(chǔ)存模塊進(jìn)行儲(chǔ)存;主控芯片控制串口轉(zhuǎn)WiFi模塊建立 無線網(wǎng)絡(luò)，移動(dòng)終端搜索并加入無線網(wǎng)絡(luò)并接收由主控芯片發(fā)送來的電子鼻信號(hào)；
[0013] (2)建立果蔬品質(zhì)狀態(tài)區(qū)分模型：移動(dòng)終端將接收到的電子鼻信號(hào)傳輸給數(shù)據(jù)庫(kù) 進(jìn)行儲(chǔ)存;移動(dòng)終端從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取電子鼻信號(hào)并制作傳感器陣列響應(yīng)曲線，提取響應(yīng)曲 線上平穩(wěn)階段的值作為特征值;建立果蔬品質(zhì)狀態(tài)區(qū)分模型，將提取出的特征值導(dǎo)入?yún)^(qū)分 模型進(jìn)行訓(xùn)練，從而得到果蔬品質(zhì)狀態(tài)區(qū)分模型；
[0014] (3)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)輸過程中果蔬品質(zhì)狀態(tài):運(yùn)輸過程中，將品質(zhì)狀態(tài)未知的果蔬放入 車廂內(nèi)，移動(dòng)終端通過步驟(1)實(shí)時(shí)獲取車廂內(nèi)的電子鼻信號(hào);將實(shí)時(shí)獲得的電子鼻信號(hào)作 為特征值，導(dǎo)入步驟(2)所建立的果蔬品質(zhì)狀態(tài)區(qū)分模型;果蔬品質(zhì)狀態(tài)區(qū)分模型輸出果蔬 品質(zhì)狀態(tài)，從而得到車廂內(nèi)果蔬的最終品質(zhì)狀態(tài)。
[0015] 進(jìn)一步的，所述步驟(3)中實(shí)時(shí)獲取車廂內(nèi)的電子鼻信號(hào)，其獲取電子鼻信號(hào)的時(shí) 間間隔在1秒-600秒之間。
[0016] 進(jìn)一步的，所述的步驟(4)中果蔬品質(zhì)狀態(tài)區(qū)分模型建立方法為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法 或決策樹算法。
[0017] 本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明的用于監(jiān)測(cè)運(yùn)輸過程中果蔬品質(zhì)的無線電子鼻系統(tǒng) 采用串口轉(zhuǎn)WiFi模塊建立自組網(wǎng)絡(luò)，移動(dòng)終端通過WiFi信號(hào)與監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)運(yùn) 輸過程中果蔬的電子鼻信號(hào)的無線傳輸;本發(fā)明的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)僅包括主控芯片、氣敏傳感器 陣列模塊、信號(hào)處理模塊、串口轉(zhuǎn)WiFi模塊、電源模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊和SD卡儲(chǔ)存模塊，其中 氣敏傳感器陣列采用開放式布局，舍棄掉傳統(tǒng)電子鼻系統(tǒng)的進(jìn)樣裝置和氣室，大大簡(jiǎn)化了 節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，降低了監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的功耗;采用三節(jié)常見的1.5V充電電池組成4.5V供電組，經(jīng)由降 壓電路和穩(wěn)壓電路調(diào)節(jié)至3.3V和5V的工作電壓，分別為主控芯片和氣敏傳感器陣列進(jìn)行供 電，這種供電模式避免了因?yàn)閴航岛蛪荷冗^大導(dǎo)致的能量