基于電子鼻的魚類新鮮度檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對魚類新鮮度檢測的實(shí)際需求，提出基于電子鼻系統(tǒng)的魚類新鮮度檢測方案，對其關(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng)構(gòu)架進(jìn)行了研究。在研究電子鼻氣體傳感器陣列及其工作原理的基礎(chǔ)上，通過分析檢測系統(tǒng)功能需求，利用ＳＴＣ１２Ｃ５Ａ單片機(jī)結(jié)合氣味傳感器采集魚類新鮮度氣味信號(hào)，上傳至數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)，最終通過模式識(shí)別實(shí)現(xiàn)氣體組成分析。測試結(jié)果表明，利用電子鼻系統(tǒng)可以快速、簡便、準(zhǔn)確地檢測魚類新鮮度，可應(yīng)用于魚類的物流和倉儲(chǔ)等領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：電子鼻；魚類新鮮度；傳感器陣列；檢測系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：Ｓ９８５．１＋１；ＴＰ２１６ 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Ａ 文章編號(hào)：0439－８114（２０12）07－1464-04

Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ａ Ｆｉｓｈ Ｆｒｅｓｈｎｅｓｓ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｎｏｓｅ

ＺＨＡＮＧ Ｘｉｎ－ｒｏｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｙｕ－ｌｉｎ，ＺＨＯＵ Ｈｏｎｇ－ｂｉａｏ，ＴＡＮＧ Ｚｈｏｎｇ－ｙｉ

（Ｆａｃｕｌｔｙ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｈｕａｉｙｉｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｈｕａｉａｎ ２２３００３， Ｊｉａｎｇｓｕ， Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｆｏｒ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｎｅｅｄｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｓｈ ｆｒｅｓｈｎｅｓｓ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ， ａ ｆｉｓｈ ｆｒｅｓｈｎｅｓｓ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｎｏｓｅ ｓｙｓｔｅｍ waｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ａｎｄ the ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ａｎｄ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ were ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｌｙ． Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｎｏｓｅ ｇａｓ ｓｅｎｓｏｒ ａｒｒａｙ ａｎｄ ｉｔｓ ｗｏｒｋ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ， ｂｙ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ， ｕｓｉｎｇ ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ＳＴＣ１２Ｃ５Ａ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｍｅｌｌ ｓｅｎｓｏｒ， ｆｒｅｓｈ ｓｍｅｌｌ ｓｉｇｎａｌ ｏｆ ｆｉｓｈ was ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ ａｎｄ ｕｐｌｏａｄｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｄａｔａ ａｎａｌｙｓｉｓ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ， ａｎｄ ｕｌｔｉｍａｔｅｌｙ ｂｙ ｐａｔｔｅｒｎ ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ ｇａｓ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ was analyzed． Ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｈａd ｓｈｏｗｎ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｆｉｓｈ ｆｒｅｓｈｎｅｓｓ ｃould ｂｅ ｄｅｔｅｃｔｅｄ ｆａｓｔ， ｓｉｍｐｌｙ ａｎｄ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｎｏｓｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｎｏｓｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃould ｂｅ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ａｒｅａｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｌｏｇｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｗａｒｅｈｏｕｓｉｎｇ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｎｏｓｅｓ； ｆｉｓｈ ｆｒｅｓｈｎｅｓｓ； ｓｅｎｓｏｒ ａｒｒａｙ； ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ

近年來，隨著人民生活水平的提高，魚類產(chǎn)品在人們的膳食結(jié)構(gòu)中所占的比例越來越大，但魚類及其制品不耐保存［１］， 魚類死亡后魚肉發(fā)生一系列的物理和化學(xué)變化，在內(nèi)源酶作用下使蛋白質(zhì)自溶分解，從而造成魚肉腐敗變質(zhì)而不能食用［２］。常見的化學(xué)方法是測量三甲胺（ＴＭＡ）、揮發(fā)性鹽基氮（Ｔｏｔａｌ ｖｏｌａｔｉｌｅ ｂａｓｉｃ ｎｉｔｒｏｇｅｎ，ＴＶＢ－Ｎ）和Ｋ值來評(píng)價(jià)魚肉新鮮度，操作費(fèi)時(shí)耗力，屬于破壞性檢測［３］。而微生物方法采用測量細(xì)菌總數(shù)或采用酶傳感器進(jìn)行魚肉新鮮度檢測，在魚肉新鮮度判定中復(fù)雜且費(fèi)時(shí)。運(yùn)用氣相色譜和氣－質(zhì)聯(lián)用技術(shù)能得到精確的數(shù)據(jù)，但設(shè)備昂貴，檢測系統(tǒng)復(fù)雜［４］。電子鼻主要根據(jù)氣味來識(shí)別物質(zhì)的類別成分［５］。電子鼻識(shí)別的機(jī)理就是陣列中的每個(gè)傳感器對被測氣體都有不同的靈敏度，從而整個(gè)傳感器陣列對不同氣體產(chǎn)生不同的信號(hào)，信號(hào)再被傳送到數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)，最終通過模式識(shí)別實(shí)現(xiàn)氣體組分分析［６］。目前，電子鼻技術(shù)已廣泛應(yīng)用于食品、煙草、醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域［７－９］。電子鼻技術(shù)響應(yīng)時(shí)間短、檢測速度快，測定評(píng)估范圍廣，可避免人為誤差，重復(fù)性好，在許多領(lǐng)域尤其是食品行業(yè)發(fā)揮著越來越重要的作用［１０－１２］。

通過研制一套適合我國國情的魚類新鮮度智能化檢測系統(tǒng)，包括傳感器陣列數(shù)據(jù)采集與處理程序設(shè)計(jì)、鍵盤接口電路及程序設(shè)計(jì)、液晶顯示和串口通信設(shè)計(jì)等，旨在通過模式識(shí)別實(shí)現(xiàn)氣體組成分析。

１ 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

電子鼻是利用氣體傳感器陣列的響應(yīng)圖案來識(shí)別氣味的電子系統(tǒng)，可以在幾小時(shí)、幾天甚至數(shù)月的時(shí)間內(nèi)連續(xù)、實(shí)時(shí)地監(jiān)測特定位置的氣味狀況。電子鼻主要由氣味取樣操作器、氣體傳感器陣列和信號(hào)處理系統(tǒng)三種功能器件組成。電子鼻識(shí)別氣味的主要機(jī)理是在陣列中的每個(gè)傳感器對被測氣體都有不同的靈敏度。系統(tǒng)主要由信號(hào)采集、信號(hào)調(diào)理、信號(hào)存儲(chǔ)、人機(jī)界面和數(shù)據(jù)通信五部分組成。整個(gè)下位機(jī)的數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)通信對微控制器的要求比較高，因此采用基于５１內(nèi)核的ＳＴＣ１２Ｃ５Ａ系列單片機(jī)，該單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期（１Ｔ）的單片機(jī)，是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代８０５１單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)８０５１，但速度快８～１２倍。

由于氣體傳感器的響應(yīng)信號(hào)屬于緩變信號(hào)，不需要很高的采樣頻率和要求各通道同步采集，試驗(yàn)選用ＮｌＰｃｌ·６０２４Ｅ作為數(shù)據(jù)采集卡，具有１２位模／數(shù)轉(zhuǎn)換器，１６路模擬輸入通道，最高采樣頻率為２００ ｋＨｚ。同時(shí)對４個(gè)傳感器的信號(hào)進(jìn)行采集，每通道的最高采樣率為５０ ｋＨｚ，滿足測量要求。試驗(yàn)中對傳感器解吸附監(jiān)測程序設(shè)置為連續(xù)采集，采樣頻率為３０ ｋＨｚ，選用串口與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，采樣頻率為５０ ｋＨｚ，波特率為 ９ ６００ ｋｂｐｓ。系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)框圖如圖１。首先通過鍵盤控制單片機(jī)開始采樣，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理，由單片機(jī)自帶的ＡＤＣ進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再通過按鍵控制把轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過ＲＳ２３２轉(zhuǎn)ＵＳＢ接口發(fā)送給ＰＣ機(jī)，同時(shí)可以通過按鍵將數(shù)據(jù)保存到存儲(chǔ)器中，由液晶顯示器顯示數(shù)據(jù)。

２ 系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要包括傳感器、數(shù)據(jù)預(yù)處理、單片機(jī)系統(tǒng)、液晶顯示、ＲＳ２３２通訊、系統(tǒng)電源等模塊。選擇氣體傳感器應(yīng)具有如下特征：極高靈敏度，可測量如空氣中的氫、一氧化碳、氨等極其微弱氣體與味道；選擇性佳：采用陣列多個(gè)傳感器同時(shí)測一種氣體，能區(qū)分被測氣體。根據(jù)上述要求，選用ＴＧＳ２６３０乙醇類及有機(jī)溶劑氣體型傳感器、ＴＧＳ８２５硫化氫型傳感器、ＴＧＳ８２６氨氣及胺類型傳感器和ＴＧＳ８３２鹵烴型氣體傳感器。數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊框圖如圖２，主要包括前置放大電路、低通濾波電路、高通濾波電路等。

系統(tǒng)采用串口液晶顯示方式，簡化了硬件電路和軟件編程。另外，系統(tǒng)采用了ＭＡＸ２３２芯片專門設(shè)計(jì)適于ＰＣ機(jī)的ＲＳ－２３２電平轉(zhuǎn)換接口電路。

３ 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件基于ＳＴＣ１２系列單片機(jī)，采用Ｃ語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)過程中，采用模塊化程序設(shè)計(jì)。程序主要包括主程序、鍵盤子程序、液晶顯示子程序、ＲＳ２３２通信子程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子程序、Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換子程序等。

３．１ 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序流程圖如圖３。首先對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行初始化設(shè)置，使系統(tǒng)工作在正常的情況下，然后對系統(tǒng)本身進(jìn)行按鍵掃描。通過掃描得到按鍵的鍵值，根據(jù)不同的鍵值進(jìn)入不同的服務(wù)子程序。

對系統(tǒng)的初始化設(shè)置通過初始化子程序完成，初始化程序主要是為串口、Ａ／Ｄ、液晶等后續(xù)程序要調(diào)用的子服務(wù)模塊進(jìn)行的初始化設(shè)置。串口初始化主要是工作模式的設(shè)置，包括波特率、定時(shí)器工作方式、定時(shí)器定時(shí)的設(shè)置；Ａ／Ｄ初始化主要是通道的選擇，以及Ａ／Ｄ寄存器的設(shè)置；液晶的初始化主要是要正確設(shè)置液晶顯示器的控制參數(shù)。

３．２ 按鍵子程序設(shè)計(jì)

通過按鍵在常態(tài)與被按下時(shí)的通斷，操作人員就可以通過鍵盤向微控制器系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)或控制命令，實(shí)現(xiàn)人機(jī)通信。通過單片機(jī)讀?。校保啊校保犊诘碾娖阶R(shí)別出是何鍵按下。按鍵子程序主要包括按鍵掃描函數(shù)和按鍵服務(wù)函數(shù)。按鍵掃描函數(shù)的功能是獲取按鍵值。本程序有4個(gè)按鍵，功能分別是采樣、通信、存儲(chǔ)、讀取。按鍵掃描函數(shù)采用掃描法編寫，第一步，監(jiān)測有無鍵被按下；第二步，識(shí)別哪個(gè)鍵被按下；第三步，將獲得的鍵值返回。按鍵函數(shù)流程圖如圖４

３．３ ＲＳ２３２通信子程序設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)通過ＲＳ２３２串口實(shí)現(xiàn)下位機(jī)和上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信。串口工作于方式１，采用８位異步通信，１０位數(shù)據(jù)通過ＴｘＤ／Ｐ３．１發(fā)送，通過ＲｘＤ／Ｐ３．０接收。一幀數(shù)據(jù)包含一個(gè)起始位（０），８個(gè)數(shù)據(jù)位（低位在先）和一個(gè)停止位（１）。接收時(shí)停止位進(jìn)入特殊功能寄存器ＳＣＯＮ的ＲＢ８位。波特率由獨(dú)立波特率發(fā)生器ＢＲＴ的溢出率決定。通信子程序流程框圖如圖５。

以下為串口發(fā)送的部分函數(shù)：

ｖｏｉｄ ｓｅｎｄ＿ＵＡＲＴ（ｕｃｈａｒ ｄａｔ）

｛ＥＳ＝０； ／／串口關(guān)閉

ＴＩ＝０； ／／發(fā)送中斷標(biāo)志清零

ＳＢＵＦ＝ｄａｔ； ／／發(fā)送數(shù)據(jù)

ｗｈｉｌｅ（?。裕桑?； ／／等待數(shù)據(jù)發(fā)送完

ＴＩ＝０；

ＥＳ＝１； ／／關(guān)閉串口｝

４ 模式識(shí)別及測試分析

模式識(shí)別是對研究的對象根據(jù)其共同的特征或?qū)傩赃M(jìn)行識(shí)別和分類。由于氣敏傳感器特性的分散性，傳感器響應(yīng)值與所測的氣味成分之間的關(guān)系復(fù)雜，因此采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立傳感器陣列響應(yīng)信號(hào)與測量氣味之間的映射關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，對于鯽魚體散發(fā)出的某種氣體，其特征向量并不是恒定的。由于每次測量時(shí)環(huán)境因素以及人為操作差異的影響不可避免，而且氣體傳感器本身的反應(yīng)也可能存在波動(dòng)，因此各氣體的特征向量就是一個(gè)非定值。經(jīng)過多次試驗(yàn)，特征向量有一定規(guī)律。對于不同的氣體，總體上的排序差別較大，可直接觀察出氣體種類和其特征向量的對應(yīng)性。ＢＰ網(wǎng)絡(luò)（即誤差反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中使用最廣泛的一類。運(yùn)用ＭＡＴＬＡＢ進(jìn)行ＢＰ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練，隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)經(jīng)過嘗試后選３２，隱層節(jié)點(diǎn)激活函數(shù)選用Ｌｏｇｓｉｇ，輸出層激活函數(shù)為純線性函數(shù)Ｐｕｒｅｌｉｎ，為防止落入局部誤差最小點(diǎn)，采用改進(jìn)的動(dòng)量修正方法。

利用所設(shè)計(jì)的電子鼻系統(tǒng)對購自超市的鯽魚宰殺后分別順次放置0、２、4、6 ｈ后的樣品進(jìn)行了測試，分別設(shè)置為樣本１至樣本４。測試環(huán)境溫度為２１ ℃，分別取各鯽魚樣本約５０ ｇ，置于５００ ｍＬ 的容器中，檢測時(shí)間４００ ｓ。取４種樣本各７個(gè)，其中４個(gè)用于訓(xùn)練，３個(gè)用于測試，每次氣味試驗(yàn)同時(shí)按國標(biāo)測量 ＴＶＢ－Ｎ以判別魚肉新鮮程度。從每個(gè)傳感器的響應(yīng)曲線上分別提?。担?ｓ時(shí)的響應(yīng)值、信號(hào)最大值、全段平均值作為其特征向量。每個(gè)樣本中提取的特征向量包括２０個(gè)特征值，作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入矢量，分析４個(gè)時(shí)間段的鯽魚樣本。用ＢＰ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對不同等級(jí)的鯽魚樣本進(jìn)行定性分級(jí)。網(wǎng)絡(luò)輸入層神經(jīng)元數(shù)等于每個(gè)樣品的特征向量的維數(shù)，輸出層神經(jīng)元數(shù)等于樣品的種類數(shù)，隱層神經(jīng)元數(shù)通過幾次測試結(jié)果比較來確定。檢測結(jié)果見表１。

期望輸出后的４個(gè)值是這個(gè)類別的理想輸出值，由３個(gè)０和１個(gè)１組成，１的位置決定了樣本的類別。比較實(shí)際輸出的４個(gè)值，如果最大值小于１．４且大于０．６，則將其視為１，從而確定該樣本的類別，否則該樣本將被視為未知類。從表１可知所有測試樣本都被正確分類。

５ 小結(jié)

基于電子鼻系統(tǒng)檢測魚類新鮮度，利用ＳＴＣ１２Ｃ５Ａ單片機(jī)結(jié)合氣味傳感器采集魚類新鮮度氣味信號(hào)，信號(hào)上傳至數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)，最終通過模式識(shí)別實(shí)現(xiàn)氣體組成分析。單片機(jī)應(yīng)用程序采用模塊化設(shè)計(jì)，調(diào)試方便，運(yùn)行可靠，操作方便；利用Ｃ語言匯編各部分程序，利用仿真器Ｋｅｉｌｃ５１調(diào)試系統(tǒng)程序。從上述試驗(yàn)可以看出，對于４個(gè)不同時(shí)間段的鯽魚樣本進(jìn)行的檢測試驗(yàn)，期望輸出后的４個(gè)值較為理想，樣本的類別也易于確定，所有測試樣本都能夠被正確分類。該系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)是，傳感器陣列中的傳感器穩(wěn)定性好及試驗(yàn)條件的可重復(fù)性強(qiáng)，試驗(yàn)表明該系統(tǒng)能夠?qū)a魚的新鮮度進(jìn)行準(zhǔn)確地識(shí)別。

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