用于现场检测的低功耗手持式电子鼻系统技术方案

本发明专利技术提供一种用于现场检测的低功耗手持式电子鼻系统。它包括电子鼻盒体，所述电子鼻盒体中设有气体流控系统，气体流控系统中的气室中至少设有一个由低功耗的不同种气敏传感器组成的混合传感器阵列，所述电子鼻盒体中还设有必要的检测电子电路、无线通讯模块和／或ＵＳＢ模块、单片机和用于数据处理及模式识别的ＤＳＰ系统，检测电子电路中设有用于ＱＣＭ气敏传感信号检测的ＣＰＬＤ电路、用于电化学气敏传感信号检测和温度湿度传感信号检测调理的电路。本发明专利技术能脱离计算机独立工作，能在独立的仪器内部完成对气流的控制、物品气味的检测、信号预处理和特征提取、模式识别和显示报警等自动操作，满足现场检测所需的实时性、低功耗，手持式要求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及化学传感器、电子电路测量和模式识别算法等智能传感仪器领 域，主要涉及用于现场对物品气味进行实时化学检测、分析和辨识的装置。
技术介绍
1995年东京地铁沙林毒气袭击造成多人死亡，几千人受伤的惨案，而且由 于缺乏必要的气体监测设备，其后相当长时间内引起群体心理恐慌，引发社会问 题，造成巨大经济损失。而美国9.11恐怖袭击以后，生化武器威胁再次造成全 球恐慌。另外，在边境、机场、车站和港口等场所进行缉毒、安检也迫切需要一 种操作简单、使用方便的便携式气体检测仪器。现在商品化的气体检测和分析仪 器很多，比如气相色谱/质谱(GC/MS)、火焰离子化检测器(FID)和红外检测仪等 等。尽管它们的准确性和选择性较高，但由于价格昂贵、维护费用高、响应时间 较长、操作繁琐、体积庞大， 一般只适合在实验室或分析中心使用，而不太适合 于现场气体检测。电子鼻是一种模拟生物嗅觉原理的新颖仿生检测仪器，它通过对不同气体具 有交叉敏感的化学传感器阵列获取样品中挥发性气味的综合指纹信息，再提取合 适的特征输入到特定的模式识别算法，完成对样品的定性或定量辨识。与气相色 谱/质谱等经典化学分析仪器相比，电子鼻具有快速、简单和廉价等特点，目前 已经在食品与酿造控制、环境监测、医学诊断和公共安全等领域引起了广泛重视。电子鼻系统中的关键技术是气敏传感器阵列和模式识别算法。目前较为常见 的气敏传感器包括金属氧化物半导体(MOS)传感器、电化学传感器、声表面波 (SAW)和石英晶体振荡微天平(QCM)传感器等类型。由于检测原理和制作工艺， 这些传感器的选择性通常较差，例如标称的酒精传感器对醚、烃类和其他醇类等还原性气体都能响应，因此用单一传感器来检测某种特定物品存在很大风险。另 外即使开发出选择专一的传感器，也只能使用于特定用途的场合而丧失了仪器的 通用性。而电子鼻恰恰利用这些传感器对各种气体的广谱响应特性，通过把不同 原理的传感器或者同一类型不同型号的传感器构建阵列，以达到对多种(大大多 于传感器数量)气味的有效检测。这种检测需要借助特定的模式识别算法来实现。 这些算法大致可以分成线性统计和人工神经网络两类。由于计算复杂，通常需要 计算机处理。专利号为02217974.7的技术公开了一种便携式智能电子鼻，但其必要 结构没有脱离计算机，缺乏现场检测的实时性，而且携带麻烦，使用不便。另外 它采用半导体氧化物气体传感器构建阵列，功耗大。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种用于现场检测的低功耗手持式电子 鼻系统，以克服目前电子鼻系统结构庞大、不能脱离计算机独立工作等不足，满 足现场检测所需。为此，本专利技术采用以下技术方案它包括电子鼻盒体，所述电 子鼻盒体中设有气体流控系统，气体流控系统中的气室中至少设有一个由低功耗 的不同种气敏传感器组成的混合传感器阵列，所述电子鼻盒体中还设有必要的检 测电子电路、无线通讯模块和/或USB模块、单片机和用于数据处理及模式识别 的DSP系统，检测电子电路中设有用于QCM气敏传感信号检测的CPLD电路、 用于电化学气敏传感信号检测和温度湿度传感信号检测调理的电路。由于采用本 专利技术的技术方案，本专利技术体积小，能脱离计算机独立工作，能够在独立的仪器内 部完成对气流的控制、物品气味的检测、信号预处理和特征提取、模式识别和显 示报警等自动操作，满足现场检测所需的实时性、低功耗，手持式要求。附图说明图1为本专利技术所提供的一种实施方式的整体结构示意图。图2为图1中气路控制开关的结构示意图。 图3为本专利技术测量、控制和处理电路的系统框图。 图4为本专利技术CPLD功能实现的内部逻辑图。具体实施方式本专利技术主要包括一套用来完成气室的清洗和被测气味的吸入和排出等过程 的气体流控系统和一套集测量、控制、识别、通讯和人机交互的电路系统。可以 在手持式仪器中独立完成对气流的控制、物品气味的检测、信号预处理和特征提 取、模式识别和显示报警等自动操作，满足现场检测所需的小型化、实时性要求。参照附图1、 3和4。它包括电子鼻盒体100，所述电子鼻盒体中设有气体流 控系统，气体流控系统中的气室中至少设有一个由低功耗的不同种气敏传感器组 成的混合传感器阵列，所述电子鼻盒体中还设有必要的检测电子电路、无线通讯 模块和/或USB模块、单片机和用于数据处理及模式识别的DSP系统，检测电子 电路中设有用于QCM气敏传感信号检测的CPLD电路、用于电化学气敏传感信 号检测和温度湿度传感信号检测调理的电路。为了实现低功耗目的，本专利技术选用低功耗常温传感器，例如采用QCM气 敏传感器、SAW气敏传感器和电化学气敏传感器构成阵列，或者由这三种传感 器的任意两种构成阵列。这些传感器通常体积小、耗电小、线性和重复性较好、 分辨率一般可以达到O.lppm。但它受环境温度湿度变化的影响比较大，因此， 更佳的实施方式是在仪器的气室内安装温度传感器和湿度传感器，通过软硬件的 方法进行补偿和校正处理。混合阵列的优点在于可以使用尽量少的传感器得到尽 量丰富的响应图谱或者说"气味指纹信息"，以增加模式识别能力，而另一方面传 感器的减少也有利于数据采集时功耗的减少。对QCM气敏传感器信号的获取采用CPLD技术，在单片或多片(视传感器 多少)的CPLD芯片中定制多通道16位计数器等模块，在单片机的配合下进行 数据采集。在QCM气敏传感器阵列中通常包含一个参比QCM和多个气敏QCM。所谓的气敏QCM是指在电极表面涂有不同气体敏感膜的石英晶振，而参比QCM 则是不含任何膜的空白石英晶振。当存在某种气味时，在气敏QCM的膜表面形 成物理吸附/化学反应，导致石英晶振本振偏差，而偏差的值和物理吸附/化学反 应的动力学过程和气味种类、浓度有关。在一定时间内(由单片机确定)对参比 QCM和气敏QCM振荡的差值计数，即可得到这个动力学过程。采用CPLD技 术既可以节省PCB空间，又能降低系统功耗，并且能增加系统稳定性。对于电化学气敏传感器，经过一般的信号调理后，进行模数转换。可以采用 TI公司的MSP430低功耗单片机系列，它的片内外设包括8通道的12位ADC 模块，采样率最高为200ksps，足够满足对慢变传感信号的采样要求。另外，当 传感器超过8个时也可以通过模拟开关扩大通道数目。为实现手持式工作，本专利技术在仪器内部通过高度集成的硬件电路独立完成对 物品气味的检测、信号预处理和特征提取、模式识别和显示报警等过程，特别是 引入"双核"处理器——用于信号采集及控制管理的单片机和用于数据处理及模 式识别的DSP，使得仪器可以完全脱离计算机独立工作。在仪器中所包含的DSP 处理器，通过嵌入式软件完成模式识别算法。模式识别分两个阶段事先对多种 气味的知识库的建立和以后的使用。知识库的建立既可以在仪器内DSP中完成， 也可以通过无线或者USB通讯将传感数据传输到计算机内完成。只要保证计算 机和DSP中模式识别是算法和初始条件一致，就可以将计算机中的知识库移植 回DSP中进行以后的识别。训练后的仪器即可以在现场使用，获取的传感信号 在DSP中实时处理，并作出判断。单片机的软件设计通过对片内外设(例如， ADC和定时器等)的管理、自动睡眠和定时关机等以尽量降低运行功耗。参照图l。本专利技术在仪器内部集本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于现场检测的低功耗手持式电子鼻系统，其特征在于它包括电子鼻盒体，所述电子鼻盒体中设有气体流控系统，气体流控系统中的气室中至少设有一个由低功耗的不同种气敏传感器组成的混合传感器阵列，所述电子鼻盒体中还设有必要的检测电子电路、无线通讯模块和／或ＵＳＢ模块、单片机和用于数据处理及模式识别的ＤＳＰ系统，检测电子电路中设有用于ＱＣＭ气敏传感信号检测的ＣＰＬＤ电路、用于电化学气敏传感信号检测和温度湿度传感信号检测调理的电路。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李光，傅均，郑增荣，郑俊褒，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：86[中国|杭州]