技术领域
[0001] 本
发明属于电子技术领域，尤其涉及一种便携式电子鼻系统及其控制方法。
背景技术
[0002] 电子鼻作为一种典型的人工嗅觉系统，主要由气体
传感器阵列和
模式识别算法两部分组成。相比于感官分析的不准确性及传统化学分析的高成本，繁过程，费时间；电子鼻具有成本低，操作简单，速度快等优点。自20世纪80年代电子鼻的概念被提出来以后，电子鼻一直被各个国家视为重点研究项目。经过短短几十年的发展，电子鼻的应用领域十分广泛，常用于安全保障，
化妆品检测，食品检测,空气检测,临床诊断等领域。
[0003] 1964年，Wilkens和Hatman提出对嗅觉过程的电子模拟，这是有关人工嗅觉分析系统的最早报道。1982年，英国Warwick大学的Persaud和Dodd研发了以气体分类用的智能化学传感器阵列为核心的人工嗅觉分析系统，其气敏传感器阵列可以分辨出桉树脑，玫瑰油，丁香芽油等21种复杂的挥发性化学物质的气味[6]。1987年英国Warwick大学召开的第八届欧洲化学传感器研究组织年会上，正式提出了“电子鼻”这一术语并给出了定义。
[0004] 在粮食方面，Juliusz Perkowski等采用电子鼻和CS/MS对小麦和黑麦中trichodiene合成酶的含量进行了分析，发现受感染样品的镰刀菌的含量远远高于正常样品；在乳制品上，欧洲利用电子鼻技术控制不同产地的奶酪在生产过程中的
质量，并已开始建立其指纹图谱的
数据库。在医药领域，Reinhard Fend等研究表明训练过的电子鼻检测结核分枝杆菌的临床标本成功率很高，该方法可以用于快速自动化诊断与
呼吸道感染有关的
疾病。
[0005] 相比而言，我国对人工嗅觉方面的研究起步较晚，但在近十年也取得了较大成果。同济大学王磊教授领导的科研小组已成功地研制出室内空气品质自动监测系统和电子鼻
控制器；浙江大学
生物医学工程与仪器科学学院
生物传感器国家专业实验室正在研究测量呼吸气体，诊断疾病；江苏大学赵杰文教授，邹小波博士应用13个金属
氧化物传感器阵列，利用神经网络技术和
遗传算法对镇江香醋和山西陈醋进行了识别。
[0006] 目前，部分国内外研究出的电子鼻产品已经商品化，如英国Aromascan公司的“数字气味分析系统”(市场报价100万人民币以上)，法国Apha MOSSA公司的FOX 2000系统和英国Neotronics Scientific Ltd公司的NOSE系统。
[0007] 但是这些系统普遍存在体积庞大，功耗高，价格昂贵的缺点，很不利于电子鼻产品的进一步推广使用。因此，目前的研究方向就是要将电子鼻从工业用途中推广开来，实现其低成本和小型化，使其能够广泛的应用到人们的日常生活中去。
[0008] 由于电子鼻的发展时间并不长，便携式的电子鼻在国内外的研究还比较少。2001年Cyrano Sciences公司在市场上推出了获得
专利权的便携式电子鼻系统，但该系统只可以识别单一化学品的气味，所以用处十分局限。德国AIRSENSE公司生产的PEN3型电子鼻是一种检测
蒸汽和气体的小巧，快捷的气体检测系统，它经训练后可以迅速分辨单一化合物或者混合气体。德国INNO_Concept公司生产的GC-IMS是一款用于
食品安全检测的便携式电子鼻，它采用是离子迁移谱技术。这两种型号的电子鼻虽然可以检测的物质相对丰富，但是其体积质量依旧存在偏大的问题。而在国内，由于对电子鼻的研究起步较晚，电子鼻的研究还未赶上以美国，德国等国家为代表的西方国家的进度。目前国内有几所高校正在研究便携式的电子鼻，具有代表性的有华中科技大学正在研制手持式的电子鼻，但是目前还没有研制出来。国内便携式的电子鼻研究的正处于初级阶段。
[0009] 综上所述，便携式电子鼻是人工嗅觉系统的一个重要发展方向，而当前研究多关注于系统性能，普遍存在设备体积、重量大，功耗高等缺点。本发明的开展是对电子鼻小型化的一种尝试，在积累电子鼻
硬件系统设计理论的同时为后续
人工智能算法研究打下良好
基础。传统电子鼻具有体积、质量和功耗较大的
缺陷，不便携，不能完成气体进样控制和传感器阵列
数据采集及记录。
发明内容
[0010] 本发明的目的在于提供一种便携式电子鼻系统及其控制方法，旨在解决传统电子鼻体积大、质量和功耗较大的缺陷而且携带不方便，不能完成气体进样控制和传感器阵列数据采集及记录的问题。
[0011] 本发明是这样实现的，
[0012] 一种便携式电子鼻系统，该便携式电子鼻系统设置有进样控制系统、气敏传感器阵列、
单片机；进样控制系统与单片机连接，用于稳定进样气体流速和压
力；进样控制系统设置有
质量流量控制器、三通
阀、干燥器、密闭测试腔、可调速
真空泵；质量流量控制器、三通阀、干燥器、密闭测试腔、可调速
真空泵依次连接；
[0013] 气敏传感器与单片机连接，用于检测进样气体流速、
温度和压力，并将检测的
信号传输给单片机，所述气敏传感器阵列位于密闭测试腔内，气敏传感器阵列设置有气敏传感器、温度传感器、气压传感器；气敏传感器包括不同型号的气敏传感器。
[0014] 所述单片机用于接收进样控制系统和气敏传感器阵列传输的信号，经
信号处理后对进样控制系统和气敏传感器阵列实时状态进行控制。
[0015] 进一步，所述密闭测试腔采用不锈
钢制成，内壁表面为特氟龙涂层；密闭测试腔中还设置有加热器，加热器通过加热器上设置的继电器与220V交流电连接，继电器与单片机连接。
[0016] 进一步，气敏传感器阵列还设置有气敏传感器阵列调理
电路，气敏传感器阵列调理电路设置有通用传感器插座和通用信号调理电路；通用传感器插座设置有多种不同封装形式的引脚；
[0017] 所述通用信号调理电路用于不同型号的气敏传感器输出的信号进入AD转换器之前，对信号进行阻抗转换、信号放大，通用信号调理电路设置有
温度补偿电路、压力补偿电路，温度补偿电路、压力补偿电路均与单片机连接。
[0018] 进一步，所述单片机还设置有单片机最小系统电路、单片机外围电路；单片机最小系统电路设置有单片机调试
接口、复位电路、
存储器电路；所述单片机外围电路设置有电源电路、ADC数据采集器、
人机交互平面、PWM真空泵转速控制器、加热控制器、数据存储电路；所述人机交互平面设置有
液晶显示屏和按键；
[0019] 所述单片机采用具有ARM
内核的STM32F103系列单片机，内部集成ADC、DAC、PWM、USB、I2C、质量流量控制器接口；
[0020] 所述密闭测试腔还设置有进气口和出气口。
[0021] 本发明另一目的在于提供一种便携式电子鼻系统的控制方法，该便携式电子鼻系统的控制方法包括：
[0022] 步骤一、通过液晶显示屏和按键输入检测
采样气体中基线段、测试段、吹扫段每个阶段的时间、温度和气压设定值；
[0023] 步骤二、基线段、测试段中气敏传感器采用时分复用方法进行自动控制气敏传感器加热
电压通断或者强弱，气压传感器采用气压传感器+可调速真空泵的稳压方法对密闭测试腔调节气压；
[0024] 步骤三、吹扫段中在被测气体测试完成后，进行氮气或清洁空气吹扫，并显示吹扫中当前阶段、已花费时间、当前阶段剩余时间、剩余总时间的信息；
[0025] 步骤四、检测采样气体中基线段、测试段、吹扫段完成后，对过程中的数据储存，或重新返回步骤一。
[0026] 进一步，气敏传感器采用的时分复用方法为：
[0028] 在进行基线检测时，对于一个由N个气敏传感器组成的传感器阵列，若第i个气敏传感器t时刻的响应值为xi(t)，其中i∈{1，2，…，N}，当t＝1时，令：
[0029]
[0030] 其中 分别表示第i个气敏传感器影响
波动最小值与最大值，当t≠1时，令：
[0031]
[0032] 当基线检测完成时，计算第i个气敏传感器稳定阈值：
[0033]
[0034] 基于气敏传感器稳定阈值θ的气敏传感器加热电压控制：
[0035] 在被测气体测试阶段，对于一个由N个气敏传感器组成的传感器阵列，若第i个气敏传感器t时刻的响应值为xi(t)，其中i∈{1，2，…，N}，令滤波平滑后的输出x′i(t)为：
[0036]
[0037] 其中a为平滑因子且α∈(0，1)；若输出x′i(t)满足条件：
[0038] |x′i(t)-x′i(t-1)|≤θi，
[0039] 则将x′i(t)记为第i个传感器的有效响应值yi，当前时刻为ti，令t0＝max(ti)，则：
[0040]
[0041] 其中Controli(t)表示第i个气敏传感器t时刻的加热控制变量，“1”表示加热，“0”表示不加热；T为单个气敏传感器一次加热时间，人工设置；K为自然数；对于响应值稳健性，使用以下公式对第i个气敏传感器的响应值yi进行
迭代：
[0042]
[0043] 其中y′i为加热过程中获得的当前第i个气敏传感器的有效响应值，β为遗忘因子；
[0044] 通过式(1)使气敏传感器的加热电压在t0时刻以后交替产生，降低了系统功耗；通过式(2)使气敏传感器响应值在加热电压作用时读取，通过引入β使响应值具有稳健性；
[0045] 气压传感器+可调速真空泵的稳压方法为：
[0046] 本便携式电子鼻系统使用
压力传感器模
块将气室内的实时气压值通过串行接口发送给单片机，单片机将当前气压加权均值与设定气压阈值进行比较，根据比较结果改变PWM信号的周期和
频率，以此调节真空泵
电机的转速，达到稳压的目的；
[0047] 具体为：
[0048] 将t时刻密闭测试腔内的实时气压值记为x(t)，令：
[0049]
[0050] 其中γ为气压平滑系数，将x′i(t)与设定的气压阈值进行比较，根据比较结果进行电机转速控制：
[0051]
[0052] 其中up代表增速、down代表降速，θgas代表设定的气压阈值，δ表示气压控制误差。
[0053] 本发明的另一目的在于提供一种便携式电子鼻系统在伤口检测电子鼻上的应用；
[0054] 本发明的另一目的在于提供一种便携式电子鼻系统在甲
醛检测电子鼻上的应用。
[0055] 本发明的另一目的在于提供一种便携式电子鼻系统在空气质量检测电子鼻上的应用。
[0056] 本发明通过气敏传感器通用插槽和信号调理电路，引入“即插即用”和“时分复用”，在不降低系统气味识别效能的前提下，减小气敏传感器数量和功耗；利用气压传感器和可调速真空泵，精简气路中的稳压阀；通过以上方法，减小系统体积、质量和功耗，最终实现小型化的便携式电子鼻。
附图说明
[0057] 图1是本发明
实施例提供的便携式电子鼻系统的控制方法
流程图；
[0058] 图2是本发明实施例提供的便携式电子鼻系统结构示意图；
[0059] 图中：1、质量流量控制器；2、三通阀；3、干燥器；4、密闭测试腔；5、可调速真空泵；6、气敏传感器；7、温度传感器；8、气压传感器；9、加热器；10、单片机；11、进气口；12、出气口。
[0060] 图3是本发明实施例提供的气敏传感器阵列调理电路图；
[0061] 图4是本发明实施例提供的单片机及外围电路结构
框图。
[0062] 图5是本发明实施例提供的压力补偿电路图。
[0063] 图6是本发明实施例提供的加热控制电路图。
具体实施方式
[0064] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0065] 下面结合附图对本发明作进一步描述。
[0066] 如图1所示：
[0067] 该便携式电子鼻系统的控制方法包括：
[0068] S101:通过液晶显示屏和按键输入检测采样气体中基线段、测试段、吹扫段每个阶段的时间、温度和气压设定值；
[0069] S102:基线段、测试段中气敏传感器采用时分复用方法进行自动控制气敏传感器加热电压通断或者强弱，气压传感器采用气压传感器+可调速真空泵的稳压方法对密闭测试腔调节气压；
[0070] S103:吹扫段中在被测气体测试完成后，进行氮气或清洁空气吹扫，并显示吹扫中当前阶段、已花费时间、当前阶段剩余时间、剩余总时间的信息；
[0071] S104:检测采样气体中基线段、测试段、吹扫段完成后，对过程中的数据储存，或重新返回S101。
[0072] 气敏传感器采用的时分复用方法为：
[0073] 气敏传感器稳定阈值θ的学习：
[0074] 在进行基线检测时，对于一个由N个气敏传感器组成的传感器阵列，若第i个气敏传感器t时刻的响应值为xi(t)，其中i∈{1，2，…，N}，当t＝1时，令：
[0075]
[0076] 其中 分别表示第i个气敏传感器影响波动最小值与最大值，当t≠1时，令：
[0077]
[0078] 当基线检测完成时，计算第i个气敏传感器稳定阈值：
[0079]
[0080] 基于气敏传感器稳定阈值θ的气敏传感器加热电压控制：
[0081] 在被测气体测试阶段，对于一个由N个气敏传感器组成的传感器阵列，若第i个气敏传感器t时刻的响应值为xi(t)，其中i∈{1，2，…，N}，令滤波平滑后的输出x′i(t)为：
[0082]
[0083] 其中a为平滑因子且α∈(0，1)；若输出x′i(t)满足条件：
[0084] |x′i(t)-x′i(t-1)|≤θi，
[0085] 则将x′i(t)记为第i个传感器的有效响应值yi，当前时刻为ti，令t0＝max(ti)，则：
[0086]
[0087] 其中Controli(t)表示第i个气敏传感器t时刻的加热控制变量，“1”表示加热，“0”表示不加热；T为单个气敏传感器一次加热时间，人工设置；K为自然数；对于响应值稳健性，使用以下公式对第i个气敏传感器的响应值yi进行迭代：
[0088]
[0089] 其中y′i为加热过程中获得的当前第i个气敏传感器的有效响应值，β为遗忘因子；
[0090] 通过式(1)使气敏传感器的加热电压在t0时刻以后交替产生，降低了系统功耗；通过式(2)使气敏传感器响应值在加热电压作用时读取，通过引入β使响应值具有稳健性；
[0091] 气压传感器+可调速真空泵的稳压方法为：
[0092] 本便携式电子鼻系统使用压力传感器模块将气室内的实时气压值通过串行接口发送给单片机，单片机将当前气压加权均值与设定气压阈值进行比较，根据比较结果改变PWM信号的周期和频率，以此调节真空泵电机的转速，达到稳压的目的；
[0093] 具体为：
[0094] 将t时刻密闭测试腔内的实时气压值记为x(t)，令：
[0095]
[0096] 其中γ为气压平滑系数，将x′i(t)与设定的气压阈值进行比较，根据比较结果进行电机转速控制：
[0097]
[0098] 其中up代表增速、down代表降速，θgas代表设定的气压阈值，δ表示气压控制误差。
[0099] 下面结合具体实施例对本发明进一步说明。
[0100] 实施例
[0101] 测试对象：重量分别为0.5g、1g和2g的绿茶、红茶、乌龙茶和普洱茶。
[0102] 测试方式：对每个测试对象进行6次实验，其中3次采用采用时分复用方式加热方式、3次采用正常方式，总计72次测试。每次测试基线阶段采集时间为5分钟，被测气体采集阶段时间为15分钟，吹扫阶段采集时间为10分钟。
[0103] 识别算法：KNN(k近邻法)；
[0104] 训练与测试样本：对于时分复用加热方式：随机
抽取每个测试对象中的两次实验结果作为训练样本，剩余的一次为测试样本；对于正常加热方式，采用相同方法产生训练与测试样本。
[0105] 参数设置：α＝β＝γ＝0.5，θgas＝0.9×1个标准
大气压，δ＝0.05×1个标准大气压，传感器个数N＝12，加热时间T＝30S。
[0106] 测试结果如下表所示
[0107] 正常加热 时分复用加热
测试样本识别正确率 100％ 100％
被测气体阶段系统功耗 43.1W 29.6W
气压值最大偏差(％) 7.8％ 8.1％
[0108] 如图2所示：一种便携式电子鼻系统，该便携式电子鼻系统设置有进样控制系统、气敏传感器阵列、单片机10；进样控制系统与单片机连接，用于稳定进样气体流速和压力；进样控制系统设置有质量流量控制器1、三通阀2、干燥器3、密闭测试腔4、可调速真空泵5；
质量流量控制器、三通阀、干燥器、密闭测试腔、可调速真空泵依次连接；
[0109] 气敏传感器阵列与单片机连接，用于检测进样气体流速、温度和压力，并将检测的
信号传输给单片机，所述气敏传感器阵列位于密闭测试腔内，气敏传感器阵列设置有气敏传感器6、温度传感器7、气压传感器9；气敏传感器包括不同型号的气敏传感器。
[0110] 所述单片机10用于接收进样控制系统和气敏传感器阵列传输的信号，经信号处理后对进样控制系统和气敏传感器阵列实时状态进行控制。
[0111] 进一步，所述密闭测试腔采用
不锈钢制成，内壁表面为特氟龙涂层；密闭测试腔中还设置有加热器，加热器通过加热器上设置的继电器与220V交流电连接，继电器与单片机连接。
[0112] 进一步，气敏传感器阵列还设置有气敏传感器阵列调理电路，气敏传感器阵列调理电路设置有通用传感器插座和通用信号调理电路；通用传感器插座设置有多种不同封装形式的引脚；
[0113] 所述通用信号调理电路用于气敏传感器输出的信号进入AD转换器之前，对信号进行阻抗转换、信号放大，通用信号调理电路设置有温度补偿电路、压力补偿电路，温度补偿电路、压力补偿电路均与单片机10连接。
[0114] 所述单片机10还设置有单片机最小系统电路、单片机外围电路；单片机最小系统电路设置有单片机调试接口、复位电路、存储器电路；所述单片机外围电路设置有电源电路、ADC数据采集器、人机交互平面、PWM真空泵转速控制器、加热控制器、数据存储电路；所述人机交互平面设置有液晶显示屏和按键；
[0115] 所述单片机10采用具有ARM内核的STM32F103系列单片机，内部集成ADC、DAC、PWM、USB、I2C、质量流量控制器接口，以及32-512KB的FLASH和最大64KB的SRAM。
[0116] 所述密闭测试腔4还设置有进气口11和出气口12。
[0117] 本发明提供一种便携式电子鼻系统在伤口检测电子鼻上的应用；
[0118] 本发明提供一种便携式电子鼻系统在甲醛检测电子鼻上的应用。
[0119] 本发明提供一种便携式电子鼻系统在空气质量检测电子鼻上的应用。
[0120] 下面结合原理分析对本发明的作进一步描述。
[0121] 传感器阵列中气敏传感器的数量精简和功耗减小：
[0122] 电子鼻系统通常使用金属氧化物型传感器作为传感器阵列的基本组成元素，由于该类传感器响应具有广谱效应，理论上，不同选择性的气敏传感器越多，则不同气味的“图谱”差异越明显，但该类气敏传感器存在发热较高、功耗较大的缺点，因此需要较大的气室避免“
温室效应”；另一方面，高功率的电源使得电源部分体积较大。因而，在不降低系统识别效能的前提下，减小气敏传感器所占空间和功耗是便携式电子鼻无法回避的问题。
[0124] 电子鼻中，为了保证检测结果的可重复性，往往要求被测气体的进样速度、气路压力等条件保持恒定，因此会用到稳压阀、稳流阀等气动元件，而这些气动元件往往体积、重量较大，不便于小型化。因此在保证环境条件稳定的前提下，气动元件的精简与小型化是实现便携式电子鼻系统的又一难点。
[0125] “即插即用”和“时分复用”式传感器阵列。
[0126] “即插即用”是指在传感器阵列板上设计有限个气敏传感器插槽及其信号调理电路并满足一定的兼容性要求。根据电子鼻的使用场景灵活选取不同特性的传感器组成传感器阵列。
[0127] “时分复用”是指将气敏传感器进行分组，在同一时刻，有的组上电工作、有的组关电休息。采取交替工作的方式，达到降低功耗的目的。
[0128] “气压传感器+可调速真空泵”实现气路稳压：
[0129] 传统气路中使用“稳压阀+真空泵”的方式保持气路中气压稳定，其中稳压阀的存在对于系统的便携化和智能化是不利的。本发明拟使用“气压传感器+可调速真空泵”方案，该方案中：气压传感器实时监测气路气压并实时发往单片机，单片机根据当前气路气压大小实时控制真空泵电机转速，以保证气路气压的恒定。本发明所涉方案具有体积小、无须人工操作的优点。
[0130] 下面结合附图和设计原理对本发明进一步说明。
[0131] 进样系统设计：
[0132] 通过质量流量控制器(MFC)使测试气体流速恒定，另一路“空气和氮气”用作吹扫时的载气，通过三通阀可以对这两路气体进行选择。干燥器用于滤除气体中的
水蒸气，使“密闭测试腔”中的湿度保持恒定。密闭测试腔选用不锈钢制成，为减小气体分子的
吸附作用，其内壁表面为特氟龙涂层。腔中的加热器受单片机控制，其控制依据是温度传感器实时
感知的腔中气体温度，通过这样方式可以保持“密闭测试腔”中的温度恒定。气压传感器输出与单片机相连，单片机通过感知腔中可调速真空泵的电机转速，达到稳压的目的。
[0133] 2、气敏传感器阵列及其调理电路如图3所示：
[0134] 气敏传感器阵列将进行PCB制版，制成的PCB板作为“密闭测试腔”的一面对腔体进行密封，传感器阵列包括：8-12个通用传感器插口、1个温度传感器插口和1个气压传感器插口。
[0135] 气敏传感器
输出信号进入AD转换器之前，往往需要进行信号调理以实现阻抗转换、信号放大等。需要兼容不同型号气敏传感器的信号调理电路。
[0136] 按照通常金属氧化物传感器调理电路的要求，拟采用电压跟随器或者同向比例运算电路的形式设计调理电路。
[0137] 3、单片机及其外围电路：
[0138] 单片机外围电路包括：电源电路、ADC数据采集、人机交互(液晶显示与按键)、PWM真空泵转速控制、流速控制(质量流量控制器接口)、加热控制、数据存储电路等,[0139] 单片机拟采用具有ARM内核的STM32F103系列单片机，该系列单片性价比高，功耗低，内部集成ADC、DAC、PWM、USB、I2C等接口或控制器，以及32-512KB的FLASH和最大64KB的SRAM。
[0140] 硬件结构框图如图4所示。传感器阵列由温度、气压和气敏传感器组成，所有传感器的输出均为模拟量，通过单片机自带的12位ADC进行采集。质量流量控制器(MFC)、加热器、可调速真空泵均受单片机控制，用于实现气路的恒流、恒温和恒压。与此同时，单片机还控制液晶屏并接受按键指示，实现人机交互。经ADC采集到的数据可暂存在数据存储电路(FLASH或RAM)中，用于数据分析。
[0141] 单片机最小系统电路
[0142] 根据性能要求，需具有适宜的单片机调试接口、复位电路、存储器电路，合适的晶振频率。
[0144] 单片机软件以设计STM32单片机程序为主。开机后，通过液晶显示屏和按键需要输入采样个阶段(基线段-测试段-吹扫段)的时间、温度和气压设定值。输入完成后，即进入正常工作状态，对应三个不同的阶段，液晶显示屏可以显示与当前工作阶段相关的信息，如：工作阶段名称、剩余时间、已用时间、腔内实时温度和气压、传感器实时响应曲线等。当三个阶段工作完成后，单片机需要将暂存的数据存储在
指定的介质(如U盘、SD卡或者上位机)上。完成以上步骤后，软件将回到参数设置以进行下一次数据采集。
[0145] 基本功能包括：基本控制程序、气压检测与PWM气压控制、气体流速调节、温度检测与控制、数据采集与存储等。
[0146] 图5是本发明实施例提供的压力补偿电路图，通过单片机采集压力传感模块数据，根据当前密闭测试腔内的压力值，改变单片机PWM信号频率并控制真
空调速泵实现。
[0147] 图6是本发明实施例提供的加热控制电路图，加热器连接外部220伏电源，通过继电器与单片机连接，从而实现单片机对加热器的控制。
[0148] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何
修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
