基于ARM系統(tǒng)的膠體金快速檢測(cè)儀的實(shí)現(xiàn)研究

倪兵

摘要：該文介紹了一種以ARM系統(tǒng)為基礎(chǔ)的信息化、智能化膠體金快速檢測(cè)設(shè)備，能夠有效應(yīng)用到膠體金試紙的快速檢測(cè)工作中。該設(shè)備分為四個(gè)主要模塊，包括ARM主板模塊、USB接口高清攝像頭模塊、通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù)網(wǎng)絡(luò)模塊以及微型打印設(shè)備模塊等。

關(guān)鍵詞：ARM系統(tǒng);膠體金快速檢測(cè)儀;設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）03-0255-02

ARM處理器是由英國(guó)ACORN公司設(shè)計(jì)的一塊微型處理器設(shè)備，具有體積小、耗能低、生產(chǎn)成本低、性能穩(wěn)定等一系列優(yōu)勢(shì)。在實(shí)際運(yùn)用當(dāng)中，展現(xiàn)出指令執(zhí)行效率高、速度快，指令長(zhǎng)度固定等一系列特點(diǎn)，將其應(yīng)用在膠體金檢測(cè)設(shè)備中，具有較高的可行性。

1 膠體金檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)存問(wèn)題與ARM架構(gòu)概念分析

1.1 膠體金檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)存問(wèn)題分析

膠體金檢測(cè)技術(shù)是以納米基礎(chǔ)為依托，一種膠體金免疫層的檢驗(yàn)方式?，F(xiàn)階段，膠體金試紙檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到食品加工、藥品生產(chǎn)、化學(xué)制品生產(chǎn)、醫(yī)療檢驗(yàn)等多個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域，該檢測(cè)技術(shù)在檢測(cè)速度方面不僅相對(duì)其他檢測(cè)技術(shù)更快，而且還具備不受實(shí)驗(yàn)室約束等一系列的優(yōu)勢(shì)。膠體金試紙檢測(cè)方法的基本檢測(cè)原理為：通過(guò)被檢測(cè)溶液延伸到試紙表面的檢測(cè)線與對(duì)照線發(fā)生反應(yīng)，繼而用對(duì)照線判斷檢測(cè)試紙是否真實(shí)有效，檢測(cè)線表面顏色的深淺程度還能夠準(zhǔn)確判斷被檢測(cè)物體的含量與濃度。但是，現(xiàn)階段的膠體金技術(shù)仍然不夠成熟，主要依賴于眼睛的判斷，人與人的視覺(jué)器官存在差異，甚至部分色盲色弱人員在進(jìn)行操作的過(guò)程中無(wú)法對(duì)結(jié)果進(jìn)行確認(rèn)。由此可見(jiàn)，這種檢測(cè)方式的檢測(cè)結(jié)果具有較大的主觀性，與科學(xué)研究精神的客觀、真實(shí)具有一定差距。與此同時(shí)，該檢測(cè)方式普遍應(yīng)用人為手動(dòng)記錄結(jié)果的方式。以上諸多原因?qū)е履z體金穩(wěn)定、快速檢測(cè)技術(shù)難以大范圍推廣。

現(xiàn)階段，在互聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)快速發(fā)展，檢測(cè)技術(shù)、嵌入技術(shù)飛速進(jìn)步的背景下，生物學(xué)領(lǐng)域、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域、醫(yī)療領(lǐng)域以及藥品制造等領(lǐng)域，出現(xiàn)大量具有自動(dòng)檢測(cè)功能的檢測(cè)儀器和設(shè)備。在眾多自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備當(dāng)中，光電法應(yīng)用光電原理，利用光斑掃描對(duì)色條進(jìn)行檢測(cè)，繼而發(fā)出光電信號(hào)，實(shí)驗(yàn)人員可以通過(guò)觀察光電信號(hào)的強(qiáng)度完成濃度的檢驗(yàn)。其基本原理主要依托于朗博比爾定律（Lambert-Beer law）。該自動(dòng)化檢測(cè)儀器的缺點(diǎn)包括兩個(gè)方面：第一，光斑掃描的檢驗(yàn)色條顯示的均勻性不足.難以站在整體化的角度反映色條信息;第二，對(duì)設(shè)備要求較高，必須要有電子化掃描儀器，同時(shí)相關(guān)設(shè)備裝置結(jié)構(gòu)煩瑣復(fù)雜、費(fèi)用高昂。為從根本上改善光電法的兩方面缺陷，實(shí)驗(yàn)人員利用CCD半導(dǎo)體成像技術(shù)（Charge Coupled Device）與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)圖像信息處理技術(shù)對(duì)試紙圖像進(jìn)行處理。該方法具有成像速度快、不需要機(jī)械掃描、數(shù)據(jù)信息讀取快速方便等一系列優(yōu)勢(shì)。

然而，上述兩種檢測(cè)儀器局限在檢測(cè)結(jié)果判斷和顯示功能，在集成度、成本控制、功能多元化、拓展能力等方面仍然存在缺陷，導(dǎo)致相關(guān)設(shè)備儀器的適用范圍大幅縮減，難以全方位滿足各行各業(yè)的檢測(cè)業(yè)務(wù)需求。除此以外，上述類型的儀器缺少互聯(lián)網(wǎng)支撐，檢測(cè)內(nèi)容、設(shè)備情況相關(guān)信息不能被及時(shí)的傳送到中心管理部門或系統(tǒng)，致使檢測(cè)儀器工作狀態(tài)出現(xiàn)嚴(yán)重的孤島化現(xiàn)象，與當(dāng)今“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代嚴(yán)重脫軌。

1.2 ARM架構(gòu)基本概念及基于ARM架構(gòu)的檢測(cè)設(shè)備可行性分析

ARM架構(gòu)（Advanced RISC Machines）指的是一個(gè)三十二位精簡(jiǎn)化指令集處理器架構(gòu)，以該架構(gòu)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，能夠?qū)崿F(xiàn)功能更加強(qiáng)勁的硬件、軟件嵌入式處理平臺(tái)的有效建設(shè)，現(xiàn)階段已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到各種類型的嵌入式系統(tǒng)中。本文立足于ARM系統(tǒng)，總結(jié)并提出一套以ARM系統(tǒng)為核心，一種快速檢測(cè)設(shè)備的設(shè)計(jì)方法。并將此作為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了融括通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù)網(wǎng)絡(luò)（General Packet Radio Service）的便捷式膠體金高效率智能化檢測(cè)設(shè)備。本設(shè)備不但只需要依照被檢測(cè)物體的試紙顯色圖像便能夠高效率預(yù)算出檢測(cè)指標(biāo)的基本濃度，完成定量檢測(cè)和定性檢測(cè)，并且還可以將檢測(cè)結(jié)果通過(guò)通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù)網(wǎng)絡(luò)上傳到中心數(shù)據(jù)信息部門或系統(tǒng)，既可以有效避免檢驗(yàn)結(jié)果被人為改動(dòng)或發(fā)生丟失，同時(shí)還能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的一體化、集中化管理。

2 基于ARM系統(tǒng)的膠體金快速檢測(cè)儀——系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本見(jiàn)體檢快速檢測(cè)設(shè)備的基本功能：第一，利用高清攝像頭收集膠體金檢測(cè)試紙圖像，然后對(duì)試紙相關(guān)圖片進(jìn)行數(shù)字分析和處理，繼而獲取相應(yīng)檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)信息。第二，將獲取到的檢驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)打印，利用通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù)網(wǎng)絡(luò)將結(jié)果的數(shù)據(jù)信息上傳到中心服務(wù)管理系統(tǒng)。為有效實(shí)現(xiàn)以上兩方面功能，設(shè)備含有具備中央處理器功能的ARM主板，用以無(wú)線傳輸?shù)耐ㄓ梅纸M無(wú)線服務(wù)技術(shù)網(wǎng)絡(luò)模塊、打印機(jī)模塊，用于圖像收集的高清攝像頭等。硬件的基本結(jié)構(gòu)為：第六代電容式觸摸屏、ARM主板、USB接口高清攝像頭、小型打印設(shè)備以及通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù)網(wǎng)絡(luò)模塊，圖一為設(shè)備的硬件結(jié)構(gòu)構(gòu)成圖。

2.1 ARM主板

ARM主板是整個(gè)膠體金快速檢測(cè)設(shè)備的核心部位，融括ARM儲(chǔ)存系統(tǒng)和ARM處理器，以及多個(gè)外設(shè)結(jié)構(gòu)等一系列的硬件。將Slackware Linux系統(tǒng)嵌入于ARM中央處理器上，融括MMU內(nèi)存管理單元（Memory Management Unit）功能、文件儲(chǔ)存系統(tǒng)以及應(yīng)用性、實(shí)時(shí)性拓展等。儲(chǔ)存系統(tǒng)的作用在于儲(chǔ)存操作系統(tǒng)中的各類型文件、系統(tǒng)本身程序、與設(shè)備檢測(cè)相關(guān)的各類應(yīng)用程序以及檢測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)文件等等。為有效確保設(shè)備的輕便性、緊湊性，將觸摸屏集成在主板上，完成屏幕的光學(xué)顯示以及各類操作的輸入功能。

2.2 通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù)網(wǎng)絡(luò)模塊

通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù)網(wǎng)絡(luò)模塊內(nèi)部設(shè)有無(wú)線通訊模塊，具有標(biāo)準(zhǔn)化SIM接口以及RS-232接口。利用RS-232接口和主板實(shí)施串口通信交換信息;SIM卡和外部GSM通信實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換。通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù)網(wǎng)絡(luò)模塊具備耗能低、穩(wěn)定性強(qiáng)等一系列優(yōu)勢(shì)，內(nèi)嵌有TCP協(xié)議（TransmissionControl Protocol）和IP協(xié)議（Internet Protocol），具有數(shù)據(jù)信息傳輸效率高、傳輸穩(wěn)定等多方面特點(diǎn)，適用于便捷型設(shè)備集成性運(yùn)用。檢測(cè)設(shè)備在沒(méi)有互聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境下，能夠利用通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù)網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)形成連接，向服務(wù)器傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)信息。繼而，檢測(cè)設(shè)備的應(yīng)用將有效打破時(shí)間空間限制，并便于使用人員攜帶。

2.3 USB接口高清攝像頭

USB接口高清攝像頭具有價(jià)格低、性能穩(wěn)定、輕便靈活的特點(diǎn)，有利于嵌入式系統(tǒng)的使用。將USB接口高清攝像頭插入到ARM主板USB接口，完成膠體金檢測(cè)設(shè)備試紙圖像的收集工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)檢驗(yàn)線的識(shí)別和處理。

2.4 小型打印設(shè)備

小型或者微型打印設(shè)備，是完成檢驗(yàn)結(jié)果打印任務(wù)的核心，同時(shí)此類設(shè)備方便相關(guān)檢測(cè)人員的現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)。利用微型打印機(jī)，不僅能夠?qū)⒆舟E打印清晰，而且字跡保存時(shí)間也相對(duì)較長(zhǎng)。

在上述硬件設(shè)備的支持下，需要開(kāi)發(fā)軟件管理系統(tǒng)，對(duì)攝像頭、打印機(jī)等硬件設(shè)備進(jìn)行有效控制，實(shí)現(xiàn)圖像精準(zhǔn)識(shí)別、數(shù)據(jù)管理編輯、界面之間的交互以及網(wǎng)絡(luò)信息通信等。

3 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)備設(shè)計(jì)選用ARM體系構(gòu)架開(kāi)發(fā)板作為膠體金快速檢測(cè)設(shè)備的硬件基礎(chǔ)，外界USB接口高清攝像頭、小型打印設(shè)備以及通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù)網(wǎng)絡(luò)模塊。按照以上設(shè)計(jì)方案制作實(shí)際設(shè)備，并進(jìn)行是指濃度——灰度比特曲線模型構(gòu)建以及樣品定量檢驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，設(shè)備的定量檢測(cè)精準(zhǔn)度高于97.2%，設(shè)備的定量檢測(cè)精準(zhǔn)度高于94.3%。由此可見(jiàn)，設(shè)備方案設(shè)計(jì)合理有效，希望未來(lái)能夠推廣使用。

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