基于Android的農(nóng)藥殘留檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

冉文清 武悅俊 劉科勇 劉日威 倪樹標(biāo)

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基于Android的農(nóng)藥殘留檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

冉文清 武悅俊 劉科勇 劉日威 倪樹標(biāo)

（廣東省測試分析研究所 廣東省化學(xué)危害應(yīng)急檢測技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

針對(duì)人工判讀大批量農(nóng)藥殘留速測卡結(jié)果存在的誤判率高、效率低等問題，基于Android平臺(tái)，結(jié)合無線藍(lán)牙和單片機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)了以顏色傳感器TCS230為核心的農(nóng)藥殘留檢測系統(tǒng)。以傳統(tǒng)的農(nóng)藥殘留速測法為基礎(chǔ)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)建立標(biāo)準(zhǔn)曲線，通過對(duì)TCS230顏色識(shí)別的結(jié)果，在手機(jī)終端計(jì)算出相應(yīng)的農(nóng)藥殘留量，并利用APP實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢和共享等擴(kuò)展功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，檢測精度滿足要求，系統(tǒng)已經(jīng)得到實(shí)際應(yīng)用。

農(nóng)藥殘留；顏色傳感器；藍(lán)牙技術(shù)；Android；單片機(jī)

0　引言

隨著人們生活質(zhì)量和消費(fèi)水平的不斷提高，對(duì)食品的安全要求也越來越高，而農(nóng)藥殘留是造成農(nóng)產(chǎn)品污染的主要原因。因此農(nóng)藥殘留檢測是人們密切關(guān)注的民生問題之一[1-3]。

目前，農(nóng)藥殘留快速檢測方法種類繁多，究其原理主要分為生化測定法和色譜檢測法2大類。其中，生化測定法中的酶抑制率法被列為國家推薦標(biāo)準(zhǔn)方法GB/T 5009.199-2003[4]，已成為對(duì)果蔬有機(jī)磷和氨基甲酸酯類農(nóng)藥殘留現(xiàn)場快速定性初篩檢測的主流技術(shù)之一，得到越來越廣泛的應(yīng)用。酶抑制率法中應(yīng)用最廣泛的是農(nóng)藥殘留速測卡，其是利用對(duì)有機(jī)磷和氨基甲酸脂類農(nóng)藥高敏感的膽堿酯酶和顯色劑做成的試紙。檢測卡中的膽堿酯酶可催化靛酚乙酸酯水解為乙酸與靛酚，由于有機(jī)磷和氨基甲酸酯類農(nóng)藥對(duì)膽堿酯酶的活性有抑制作用，使催化水解后的顯色發(fā)生改變，因此根據(jù)顯色的變化情況，可以判斷樣品中含有機(jī)磷或氨基甲酸酯類農(nóng)藥的殘留情況[5]。農(nóng)藥殘留速測卡具有操作方便，不需要專門配制試劑和專業(yè)培訓(xùn)，靈敏度高、快速、成本較低等特點(diǎn)。但由于是人工定性判讀，導(dǎo)致檢測結(jié)果不夠精確，尤其在臨界點(diǎn)區(qū)域容易出錯(cuò)，而且數(shù)據(jù)只能手工記錄，不便于查詢統(tǒng)計(jì)等。文獻(xiàn)[6]提出基于機(jī)器視覺的農(nóng)藥殘留速測卡結(jié)果準(zhǔn)確快速判讀方法，根據(jù)判讀原理設(shè)計(jì)圖像采集系統(tǒng)，利用邊緣檢測技術(shù)結(jié)合特征提取，對(duì)速測卡圖像處理分析，但沒有實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢、共享等功能。文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)一種新型農(nóng)藥殘毒檢測系統(tǒng)測定農(nóng)藥殘留濃度，并將檢測的濃度數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)，通過人機(jī)界面對(duì)下位機(jī)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)、報(bào)警、查詢和打印等功能，但其上位機(jī)需在PC編程與控制，不利于攜帶與控制。

本文在傳統(tǒng)農(nóng)藥殘留速測卡的基礎(chǔ)上，根據(jù)層析法原理使膽堿酯酶和顯色劑在速測卡的特定位置進(jìn)行顯色反應(yīng)，并利用光電檢測技術(shù)，通過檢測試紙反應(yīng)區(qū)顏色的變化，同時(shí)配合Android系統(tǒng)設(shè)計(jì)便攜式控制終端。利用藍(lán)牙技術(shù)獲取顏色檢測數(shù)據(jù)，并通過建立曲線，不僅可以定性地判斷被檢測樣品農(nóng)藥殘留量是否超標(biāo)，還實(shí)現(xiàn)了農(nóng)藥殘留檢測數(shù)值化，提高檢測的準(zhǔn)確度。在此基礎(chǔ)上，可將檢測數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無紙化記錄和實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)傳輸。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于Android的農(nóng)藥殘留檢測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要由檢測儀器主機(jī)、Android終端APP兩部分組成。檢測儀器主機(jī)主要實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥殘留速測卡的顏色定量檢測，其原理是使用白光LED作為光源，照射到農(nóng)藥殘留速測卡；顏色傳感器對(duì)反射光進(jìn)行檢測，并通過光電轉(zhuǎn)換，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)傳輸給單片機(jī)；單片機(jī)簡單處理后將原始檢測數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙發(fā)送給Android終端；Android終端APP進(jìn)行數(shù)據(jù)處理獲得相應(yīng)的農(nóng)藥殘留量，并進(jìn)行顯示、分享和其他操作。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2　硬件實(shí)現(xiàn)

檢測系統(tǒng)的硬件電路主要包括LPC1752單片機(jī)、顏色檢測電路、溫度控制模塊和藍(lán)牙模塊等。

LPC1752是ARM系列微控制器，基于Cortex-M3內(nèi)核。ARM Cortex-M3是為嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的高性能、低功耗的32位微處理器[8]，因其完全基于硬件進(jìn)行中斷處理，所以具有更快的中斷速度，廣泛應(yīng)用于工控領(lǐng)域。

2.1　顏色檢測電路

顏色檢測電路以TCS230芯片為核心。TCS230芯片是一種可編程彩色光到頻率的轉(zhuǎn)換器，同時(shí)在單一芯片上集成紅、綠、藍(lán)3種濾波器，輸出為脈沖計(jì)數(shù)，內(nèi)部已實(shí)現(xiàn)每個(gè)信道10位以上的A/D轉(zhuǎn)換精度，因此不需要再設(shè)計(jì)A/D轉(zhuǎn)換電路，既簡化了電路，又增強(qiáng)了抵抗噪聲的能力[9]。

為保證合適的光強(qiáng)照射在試紙條的反應(yīng)區(qū)，本文設(shè)計(jì)了試紙檢測槽，使試紙?zhí)幱诿荛]環(huán)境下，并在其周圍對(duì)稱安裝2只白色發(fā)光二極管作為輔助光源。

TCS230引腳封裝圖如圖2所示，TCS230的S0，S1和S2，S3引腳功能選擇如表1所示，其中L代表低電平，H代表高電平。

表1TCS230的S0，S1和S2，S3引腳功能

圖2 TCS230引腳封裝圖

輸出頻率的控制引腳S0，S1分別連接到單片機(jī)P1.18和P1.19引腳；濾波器的選擇引腳S2，S3分別連接到單片機(jī)P1.20和P1.22引腳，通過對(duì)這幾個(gè)端口的高低電平輸出設(shè)置實(shí)現(xiàn)TCS230邏輯自動(dòng)控制。

控制器LPC1752的PORT0和PORT2端口（共42個(gè)引腳）的每個(gè)引腳都可以提供中斷功能，可被編程為上升沿、下降沿或邊沿產(chǎn)生中斷。將TCS230芯片的OUT引腳連接到LPC1752的P2.0引腳，當(dāng)有脈沖到達(dá)時(shí)觸發(fā)中斷，在中斷處理程序中進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)。

設(shè)置定時(shí)器為固定時(shí)間（100 ms），依次選通紅色、綠色和藍(lán)色濾波器，然后對(duì)這段時(shí)間內(nèi)的輸出脈沖分別計(jì)數(shù)，即可得到RGB 3種顏色的光強(qiáng)值，結(jié)合白平衡參數(shù)，即可分析出反射至顏色傳感器上光的顏色。

2.2　藍(lán)牙模塊電路

HC-06藍(lán)牙模塊采用BC417藍(lán)牙芯片，使用藍(lán)牙V2.1協(xié)議規(guī)范，模塊供電電壓為3.3 V ~3.6 V，適用于短距離的無線數(shù)據(jù)傳輸[10]。模塊上電后不進(jìn)行配對(duì)則進(jìn)入AT模式，可以使用AT指令修改藍(lán)牙名稱、波特率等參數(shù)。

牙模塊與控制器之間使用UART接口進(jìn)行通信，將HC-06的Rx和Tx引腳分別連接到LPC1752單片機(jī)的P0.15和P0.16引腳即可。電路如圖3所示，模塊電源端加0.1 uF去耦電容和上拉1 kΩ電阻驅(qū)動(dòng)LED。

圖3　藍(lán)牙模塊電路圖

模塊上電后，LED會(huì)持續(xù)閃爍等待外部藍(lán)牙的連接請(qǐng)求，連接成功后LED變?yōu)槌Ａ痢?/p>

2.3　溫度控制模塊電路

當(dāng)溫度低于37℃時(shí)，膽堿酯酶反應(yīng)速度也隨之變慢，這樣不僅增加反應(yīng)時(shí)間，而且可能導(dǎo)致檢測失敗，得不到正確的檢測結(jié)果。

因此，本文設(shè)計(jì)了溫度控制模塊電路，包括溫度采集電路和溫度控制電路2部分。

溫度采集電路采用DS18B20溫度傳感器進(jìn)行溫度采集。DS18B20是一線式智能數(shù)字溫度傳感器，是世界上首片支持單線總線接口的溫度傳感器，集溫度采集和A/D轉(zhuǎn)換于一體，直接輸出數(shù)字信號(hào)，與單片機(jī)接口，電路簡單。DS18B20具有傳輸距離遠(yuǎn)、體積小、分辨率高和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。采用DS18B20溫度傳感器，只要嚴(yán)格遵守DS18B20的讀寫時(shí)序就能準(zhǔn)確讀取實(shí)時(shí)溫度[11]。

溫度采集電路如圖4所示。利用DS18B20單線總線的特點(diǎn)，通過上拉一只5.1 kΩ電阻，將溫度輸出端與單片機(jī)的P1.15口相連，以便初始化傳感器和完成溫度采集。采用外部供電方式，提高DS18B20的抗干擾能力。

圖4　溫度采集電路

加熱器件采用硅膠加熱片，可直接粘貼于檢測模塊上。升溫及控制電路如圖5 所示。

圖5 升溫及控制電路

升溫及控制電路采用功率MOSFET管RFD3055進(jìn)行PWM控制。RFD3055是N溝道增強(qiáng)型功率MOSFET管，最大可通過11 A電流，導(dǎo)通電阻小，適合于低電壓控制。

測試表明：溫度控制模塊溫度波動(dòng)很小，控制精度達(dá)±0.2℃，保證了農(nóng)藥殘留試紙?jiān)诤愣ㄟm宜的溫度下反應(yīng)。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于Android的農(nóng)藥殘留檢測系統(tǒng)軟件包括下位機(jī)軟件和Android終端APP。下位機(jī)軟件采用TK-Studio和C語言開發(fā)，APP采用Android 7.0版本API，在Android Studio 2.3工具下開發(fā)完成。

3.1　下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件運(yùn)行在微處理器LPC1752上，是對(duì)上位機(jī)通訊協(xié)議的解析執(zhí)行及實(shí)時(shí)控制整個(gè)系統(tǒng)有序工作，主要包括：系統(tǒng)初始化程序、溫度控制程序和顏色檢測程序等，軟件流程如圖6所示。

圖6 下位機(jī)軟件流程圖

軟件上電后，先進(jìn)行定時(shí)器、GPIO和UART模塊等硬件的初始化；再進(jìn)入主循環(huán)，主循環(huán)主要包括PID控制升溫到設(shè)定溫度，接收UART數(shù)據(jù)等任務(wù)。如果主循環(huán)接收到完整UART數(shù)據(jù)包則進(jìn)行解析，根據(jù)不同命令字執(zhí)行相應(yīng)操作，包括執(zhí)行RGB檢測、獲取當(dāng)前溫度等。為了降低功耗，軟件采用中斷驅(qū)動(dòng)模式。

3.2　Android終端APP設(shè)計(jì)

Android是一種針對(duì)智能終端的微型操作系統(tǒng)，繼承了Linux系統(tǒng)內(nèi)核。其具有開放的源碼、大量可供調(diào)用的API、良好的交互界面設(shè)計(jì)、較好的網(wǎng)絡(luò)交互性能、較強(qiáng)的可擴(kuò)展性，使之應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。

Android系統(tǒng)架構(gòu)采用分層架構(gòu)的思想，從上到下分為應(yīng)用程序?qū)印?yīng)用框架層、系統(tǒng)庫和Android運(yùn)行時(shí)及Linux內(nèi)核。本系統(tǒng)的工作主要集中于應(yīng)用程序?qū)雍蛻?yīng)用框架層。

基于Android的農(nóng)藥殘留檢測系統(tǒng)的手機(jī)APP采用傳統(tǒng)MVC模型設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)模型、視圖和控制邏輯之間的分離，便于提高開發(fā)效率和功能擴(kuò)展維護(hù)。

APP主要分為系統(tǒng)設(shè)置、數(shù)據(jù)管理、功能模塊和幫助4個(gè)模塊。系統(tǒng)設(shè)置包括檢測參數(shù)、應(yīng)用設(shè)置和用戶設(shè)置；數(shù)據(jù)管理包括數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)上報(bào)和數(shù)據(jù)庫管理；功能模塊包括曲線校正、白平衡和藍(lán)牙通信。實(shí)現(xiàn)的主要功能有藍(lán)牙連接、原始數(shù)據(jù)接收與處理、結(jié)果顯示與判定、基礎(chǔ)信息維護(hù)、白平衡校正和曲線校正等，結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

圖7　APP軟件結(jié)構(gòu)圖

4　實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

本文配置不同濃度的敵敵畏標(biāo)準(zhǔn)溶液，采用國標(biāo)方法加入農(nóng)藥殘留速測卡中，待顯色后，將速測卡放入本文儀器中，測得RGB三基色值及換算值如表2所示。

表2　測試結(jié)果 濃度/(mg/kg)濃度對(duì)數(shù)RGB換算值 101901871800.048 0.111881881860.01 0.0251.61731791770.025 0.0121701781790.047 0.0052.31661771800.074 0.00131571741800.126

圖8可以看出：在低濃度時(shí)，換算值和濃度對(duì)數(shù)值之間的線性比較好，從而可由檢測值推算出相應(yīng)的農(nóng)藥殘留大致含量，并根據(jù)國標(biāo)《GB/T 5009.199-2003 蔬菜中有機(jī)磷和氨基甲酸酯類農(nóng)藥殘留量的快速檢測》中各種農(nóng)藥殘留量的檢測限值對(duì)樣品的檢測結(jié)果做出判斷，實(shí)現(xiàn)客觀的農(nóng)藥殘留快速測定。

5　結(jié)論與展望

目前各種專業(yè)檢測儀器都在向微型化、智能化、無線連接和交互良好等特點(diǎn)發(fā)展[12-14]。本文基于Android的農(nóng)藥殘留檢測系統(tǒng)將單片機(jī)電子技術(shù)、藍(lán)牙通信技術(shù)和智能終端設(shè)備有機(jī)結(jié)合，對(duì)傳統(tǒng)農(nóng)藥殘留速測卡進(jìn)行改良。既保留了傳統(tǒng)農(nóng)藥殘留速測卡的操作簡便、檢測快速、酶試劑靈敏度高、結(jié)果準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又彌補(bǔ)其定性測試和酶試劑檢測操作繁多、人工判讀誤判率高、效率低等缺點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：基于Android的農(nóng)藥殘留檢測系統(tǒng)滿足農(nóng)藥殘留的檢測需求。

未來工作將進(jìn)一步完善試驗(yàn)結(jié)果的誤差分析與數(shù)據(jù)處理；完善建立的農(nóng)藥殘留濃度與光強(qiáng)（電壓）的數(shù)學(xué)模型；通過更多的傳感物聯(lián)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展功能，并對(duì)基于Android的農(nóng)藥殘留檢測系統(tǒng)進(jìn)行可行性分析與工程適用性評(píng)價(jià)。此檢測系統(tǒng)的研制，將為農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥殘留檢測提供便利，未來可直接服務(wù)于科研和農(nóng)業(yè)等相關(guān)領(lǐng)域，也可廣泛用于各級(jí)食品安全監(jiān)測部門、農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)批發(fā)基地及環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域的農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥殘留檢測，具有廣闊的應(yīng)用前景和潛在的經(jīng)濟(jì)效益。

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Design and Implementation of Pesticide Residue Detection System Based on Android

Ran Wenqing Wu Yuejun Liu Keyong Liu Riwei Ni Shubiao

(Guangdong Institute of Analysis Guangdong Provincial Key Laboratory of Emergency Test for Dangerous Chemicals)

This Design is a pesticide residue detection system which with color sensors TCS230 as the core and based on the Android, microcontroller technology and Bluetooth communication technology. Establish the standard curve equation according to the experiment, based on the traditional rapid measurement method. The mobile APP calculates the pesticide residue based on the color identification result, and realizes the extended functions of data storage, query and sharing. The experimental results show that the system is simple in structure, easy to operate, and the detection accuracy meets the requirements.The system has been practical applied.

Pesticide Residue; Color Sensor; Bluetooth Technology; Android; Microcontroller

冉文清，女，1970年生，大學(xué)本科，高級(jí)工程師，主要研究方向：標(biāo)準(zhǔn)化、分析儀器，E-mail: rwq@fenxi.com.cn

武悅俊，男，1986年生，碩士，工程師，主要研究方向：軟件、分析儀器等。

劉科勇，男，1986年生，大學(xué)本科，工程師，主要研究方向：機(jī)械機(jī)構(gòu)、分析儀器。

劉日威，男，1977年生，大學(xué)本科，高級(jí)工程師，主要研究方向：電子技術(shù)、分析儀器。

倪樹標(biāo)，男，1983年生，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向：軟件、分析儀器。