專利名稱：糧庫(kù)儲(chǔ)糧品質(zhì)便攜式快速檢測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種糧庫(kù)儲(chǔ)糧品質(zhì)便攜式快速檢測(cè)裝置，具體涉及一種利用氣體識(shí)別技術(shù)進(jìn)行糧食品質(zhì)檢測(cè)的裝置。
背景技術(shù)：
我國(guó)是一個(gè)人口大國(guó)，糧食問(wèn)題一直是一個(gè)重中之重的問(wèn)題。用現(xiàn)代電子信息技術(shù)制造的快速、便攜式、智能化的糧食檢測(cè)與監(jiān)測(cè)技術(shù)是發(fā)展的必然趨勢(shì)。在20世紀(jì)80年代初期，英國(guó)Rerssaud和Doold教授應(yīng)用傳感器陣列理論基礎(chǔ)，模仿哺乳動(dòng)物嗅覺(jué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和機(jī)理，對(duì)幾種有機(jī)揮發(fā)氣體進(jìn)行識(shí)別，并提出“電子鼻”概念。它一般由氣敏傳感器陣列、信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)、微處理器(實(shí)現(xiàn)模式識(shí)別)等三大部分組成。隨著材料科學(xué)、制造工藝、微處理器技術(shù)、智能算法等學(xué)科的發(fā)展，經(jīng)世界各國(guó)研究人員十幾年的努力，“電子鼻”技術(shù)取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，特別是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊理論等信息處理思想的興起，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的 模式識(shí)別方法實(shí)現(xiàn)多種氣體，特別是混合氣體成分檢測(cè)與識(shí)別已經(jīng)成為目前電子鼻技術(shù)主要識(shí)別模式，但神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)需要較多的樣品進(jìn)行訓(xùn)練，在糧食品質(zhì)檢測(cè)上使用受到了限制，同時(shí)由于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不方便攜帶。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，提供了一種糧庫(kù)儲(chǔ)糧品質(zhì)便攜式快速檢測(cè)裝置。為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型提供了一種糧庫(kù)儲(chǔ)糧品質(zhì)便攜式快速檢測(cè)裝置，包括氣體采集裝置和微處理裝置；所述氣體采集裝置包括殼體，殼體內(nèi)設(shè)有氣敏傳感器；所述氣敏傳感器一側(cè)的殼體上設(shè)有單向截止進(jìn)氣閥，另一側(cè)的殼體上設(shè)有微型氣泵和單向截止放氣閥，所述微型氣泵和單向截止放氣閥相連；所述氣敏傳感器通過(guò)傳感器接口與微處理裝置相連。對(duì)本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)在于微處理裝置包括信號(hào)調(diào)理模塊、微處理器、顯示器和聲光報(bào)警器；所述信號(hào)調(diào)理模塊、顯示器和聲光報(bào)警器分別與微處理器相連；所述微處理裝置分別通過(guò)信號(hào)調(diào)理模塊和微處理器與氣體采集裝置的傳感器信號(hào)接口和微型氣泵相連；采用模糊迭代自組織數(shù)據(jù)分析的微處理器處理信號(hào)調(diào)理模塊發(fā)送的信號(hào)，并通過(guò)顯示器顯示。其中，微處理器采用ARM處理器AT91RM9200。氣敏傳感器為由8只TGS型SnO2氣敏傳感器組成的傳感器陣列。本實(shí)用新型檢測(cè)裝置還包括無(wú)線發(fā)射裝置。無(wú)線發(fā)射裝置與微處理器相連，無(wú)線發(fā)射裝置包括SM卡插座、GPRS模塊和天線；SM卡插座和天線分別與GPRS模塊相連；無(wú)線發(fā)射裝置通過(guò)GPRS模塊與微處理器相連。氣體采集裝置還包括單向截止清洗氣閥；所述單向截止清洗氣閥設(shè)于安裝有單向截止進(jìn)氣閥的殼體同側(cè)。本實(shí)用新型相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)[0009]I、本實(shí)用新型檢測(cè)裝置中的氣體采集裝置運(yùn)用仿生鼻原理，通過(guò)微型氣泵吸取儲(chǔ)糧的“氣味”，儲(chǔ)糧氣體直接由泵抽取經(jīng)過(guò)氣敏傳感器陣列，傳感器反應(yīng)快速靈敏，使儲(chǔ)糧的“氣味”迅速變?yōu)殡娦盘?hào)，微型氣泵既能手動(dòng)又能由微處理器自動(dòng)控制，這樣可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)與監(jiān)測(cè)職能。2、同時(shí)微處理器通過(guò)模糊迭代自組織數(shù)據(jù)分析技術(shù)(IS0DATA)為儲(chǔ)糧品質(zhì)進(jìn)行快速評(píng)判，應(yīng)用灰色-周期外延組合模型進(jìn)行儲(chǔ)糧品質(zhì)預(yù)測(cè)，所需樣本少且較精確，比較符合儲(chǔ)糧品質(zhì)檢測(cè)與監(jiān)測(cè)的實(shí)際情況。3、本實(shí)用新型檢測(cè)裝置可通過(guò)顯示器直觀的進(jìn)行糧食現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，無(wú)線發(fā)送模塊作為無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，對(duì)大型國(guó)家糧庫(kù)實(shí)行實(shí)時(shí)的品質(zhì)監(jiān)測(cè)，同時(shí)對(duì)所檢測(cè)與監(jiān)測(cè)的糧食品質(zhì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

圖I為本實(shí)用新型糧庫(kù)儲(chǔ)糧品質(zhì)便攜式快速檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2為圖I中氣體采集裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本實(shí)用新型利用模糊迭代自組織數(shù)據(jù)分析技術(shù)進(jìn)行儲(chǔ)糧品質(zhì)評(píng)判的流程圖。圖4為本實(shí)用新型采用灰色-周期外延組合模型對(duì)儲(chǔ)糧品質(zhì)發(fā)展趨勢(shì)的預(yù)測(cè)圖。圖中，I-氣體采集裝置，11-單向截止進(jìn)氣閥，12-單向截止清洗氣閥，13-微型氣泵，14-單向截止放氣閥，15-殼體，16-傳感器安裝座，17-傳感器信號(hào)接口，18-氣敏傳感器，2-信號(hào)調(diào)理模塊,3-微處理器,4-顯不器,5-聲光報(bào)警器,6 - GPRS模塊,7- SIM卡插座，8-天線，9-電源模塊。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型糧庫(kù)儲(chǔ)糧品質(zhì)便攜式快速檢測(cè)裝置進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。參見(jiàn)圖1，本實(shí)用新型糧庫(kù)儲(chǔ)糧品質(zhì)便攜式快速檢測(cè)裝置包括包括氣體采集裝置I、微處理裝置、無(wú)線發(fā)射裝置和電源模塊9。結(jié)合圖2，氣體采集裝置I包括殼體15、傳感器安裝座16、氣敏傳感器18、傳感器信號(hào)接口 17、單向截止進(jìn)氣閥11、單向截止清洗氣閥12、微型氣泵13和單向截止放氣閥14。傳感器安裝座16設(shè)于殼體內(nèi)中部。氣敏傳感器18為由8只日本費(fèi)加羅公司生產(chǎn)的TGS型 SnO2 氣敏傳感器(TGS813、TGS821、TGS822、TGS825、TGS880、TGS812、TGS824 和 TGS823)組成的傳感器陣列，安裝在傳感器安裝座16上。費(fèi)加羅TGS傳感器是厚膜金屬氧化物半導(dǎo)體型的，與氣體分子反應(yīng)產(chǎn)生電阻信號(hào)，它成本低、壽命長(zhǎng)，利用簡(jiǎn)單電路即可對(duì)待檢測(cè)氣體具有良好的敏感特性。傳感器信號(hào)接口 17安裝在殼體外側(cè)，且與氣敏傳感器18相連。單向截止放氣閥14安裝在殼體一端,且與微型氣泵相連。單向截止進(jìn)氣閥和單向截止清洗氣閥安裝在殼體的另一端。微處理裝置包括信號(hào)調(diào)理模塊2、微處理器3、顯示器4和聲光報(bào)警器5。信號(hào)調(diào)理模塊2、顯示器4和聲光報(bào)警器5分別與微處理器相連。微處理裝置的信號(hào)調(diào)理模塊2和微處理器3分別與氣體采集裝置I的傳感器信號(hào)接口 17和微型氣泵13相連。微處理器3選用Atmel公司的一款內(nèi)嵌32位ARM920T核的高速ARM處理器AT91RM9200作為中心處理器，具有高性能、低功耗、低成本特點(diǎn)，其指令處理速度可以高達(dá)200MI/S (兆指令/秒)，能滿足無(wú)線傳感器網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的高速傳輸要求，它又是一款工業(yè)級(jí)微控制器，能夠適合網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)工作環(huán)境惡劣的要求，保證網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)工作的穩(wěn)定性。同時(shí)AT91RM9200上可以移植標(biāo)準(zhǔn)的Linux操作系統(tǒng)，減少了網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)軟件的開(kāi)發(fā)難度并增強(qiáng)了它的可移植性，有利于軟件的二次開(kāi)發(fā)。無(wú)線發(fā)射裝置包括SM卡插座7、GPRS模塊6和天線8。SIM卡插座7和天線8分別與GPRS模塊6相連。無(wú)線發(fā)射裝置通過(guò)GPRS模塊分別與微處理器和電源模塊相連。GPRS模塊6選用MC55模塊，由MC55模塊內(nèi)置的TCP/IP協(xié)議棧，由AT指令控制使應(yīng)用程序很容易接入網(wǎng)絡(luò)。這一方案的優(yōu)點(diǎn)在于它不需應(yīng)用程序，開(kāi)發(fā)商執(zhí)行自己的TCP/IP和PPP棧，這樣最小化了將網(wǎng)絡(luò)連接成一個(gè)新的或已經(jīng)存在的應(yīng)用程序所需的成本和時(shí)間，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線撥號(hào)GPRS連接。 電源模塊9分別對(duì)氣敏傳感器18、信號(hào)調(diào)理模塊2、微處理器3和GPRS模塊6進(jìn)行供電。本實(shí)用新型檢測(cè)裝置使用時(shí)，微型氣泵13有手動(dòng)和自動(dòng)兩種開(kāi)啟方式。為了測(cè)量更加準(zhǔn)確，在進(jìn)行儲(chǔ)糧品質(zhì)檢測(cè)前，先打開(kāi)單向截止清洗閥12接入標(biāo)準(zhǔn)氣體，對(duì)氣體采集裝置I進(jìn)行清洗。在檢測(cè)時(shí)手動(dòng)開(kāi)啟微型氣泵13，打開(kāi)單向截止進(jìn)氣閥11對(duì)準(zhǔn)檢測(cè)糧食吸氣，氣敏傳感器18迅速將糧食氣味變成電信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理模塊2將信號(hào)放大后，接入微處理器3，在微處理器3中運(yùn)行模糊迭代自組織數(shù)據(jù)分析技術(shù)(IS0DATA)算法儲(chǔ)糧品質(zhì)進(jìn)行快速評(píng)判，在顯示器4上顯示評(píng)判結(jié)果，同時(shí)通過(guò)聲光報(bào)警器5發(fā)出聲光信號(hào)。將微型氣泵13放在自動(dòng)擋時(shí)，本實(shí)用新型裝置通過(guò)無(wú)線發(fā)送模塊作為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，重復(fù)上述過(guò)程定時(shí)檢測(cè)，應(yīng)用灰色-周期外延組合模型對(duì)儲(chǔ)糧品質(zhì)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，能實(shí)現(xiàn)國(guó)家大型糧庫(kù)糧食品質(zhì)的無(wú)線監(jiān)測(cè)。本實(shí)用新型采用模糊IS0DATA方法，克服了普通聚類只注意樣本間相似度量和類的歸并，而忽略樣本特性指標(biāo)本身的合理選擇的不足，同時(shí)考慮指標(biāo)的內(nèi)在聯(lián)系。模糊IS0DATA判定的意義是新樣本XR對(duì)哪一類(X上的模糊子集)最大，就將它歸到哪一類；新樣本XR與哪一個(gè)聚類中心最接近，就將它歸到哪一類。儲(chǔ)糧品質(zhì)評(píng)判流程見(jiàn)圖4，根據(jù)在本實(shí)用新型檢測(cè)裝置的微處理器中已儲(chǔ)存的糧食品質(zhì)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)樣本，這些樣本是在實(shí)驗(yàn)室用德國(guó)Airsense公司的PEN2電子鼻定量檢測(cè)的糧庫(kù)儲(chǔ)糧品質(zhì)的各類樣本，并將這些檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行模糊IS0DATA分析，然后對(duì)分析數(shù)據(jù)進(jìn)行樣品品質(zhì)分類，本實(shí)用新型檢測(cè)裝置在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)糧庫(kù)待判定儲(chǔ)糧樣品進(jìn)行采集，同時(shí)進(jìn)行儲(chǔ)糧品質(zhì)檢測(cè)(監(jiān)測(cè))，對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行這一糧庫(kù)采樣樣品儲(chǔ)糧品質(zhì)判定。糧食品質(zhì)變化機(jī)理是很復(fù)雜的，其趨勢(shì)分析是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，僅靠氣體傳感器得到的信息是不完全的，本身具有很明顯的灰色特性，所以用灰色理論來(lái)處理是較適合的。本實(shí)用新型采用灰色-周期外延組合模型，該模型對(duì)于既有總體變化趨勢(shì)又有周期波動(dòng)的數(shù)據(jù)序列，單純運(yùn)用灰色系統(tǒng)模型不能反映周期波動(dòng)的特點(diǎn)，而單純運(yùn)用周期外延模型又不能反映總體的變化趨勢(shì)。將二者有機(jī)結(jié)合而形成的灰色-周期外延組合模型解決了這一問(wèn)題。由于灰色系統(tǒng)的GM (1，I)模型能夠很好地反映序列的總體趨勢(shì)，所以可首先建立序列的GM (1，I)模型，然后對(duì)殘差序列建立周期外延模型，作為灰色GM (1，1)模型的殘差補(bǔ)償，這就是灰色-周期外延組合模型的建模思想。儲(chǔ)糧品質(zhì)趨勢(shì)預(yù)測(cè)圖見(jiàn)圖5，從圖中可以看出，建模所需信息較少，通常只要有4個(gè)以上數(shù)據(jù)即可建模；不必知道原始數(shù)據(jù)分布的先驗(yàn)特征，對(duì)無(wú)規(guī)或服從任何分布的任意光滑的離散原始序列，通過(guò)有限次的生成可轉(zhuǎn)化為有規(guī)序列；建模精度較高，可保持原系統(tǒng)的特征，能較好地反映系統(tǒng)的實(shí)際狀況，根據(jù)已檢測(cè)到的糧食品質(zhì)可以很好的預(yù)測(cè)到該儲(chǔ)糧品質(zhì)的發(fā)展趨勢(shì)。因此，應(yīng)用灰色系統(tǒng)理論進(jìn)行糧庫(kù)儲(chǔ)糧品質(zhì)趨勢(shì)分析是可行、簡(jiǎn)單和實(shí)用的。其中，模糊IS0DATA分析方法和灰色-周期外延組合模型描述如下I.模糊IS0DATA分析方法的描述I. I模糊分類J.C. Bezdek利用模糊集合的概念提出了模糊分類(也叫軟劃分)問(wèn)題，認(rèn)為被分 類對(duì)象集合X中的樣本X1，以一定的程度隸屬于某一類，也就是說(shuō)，所有的樣本都分別發(fā)自
不同的隸屬于某一類。因此，每一類就認(rèn)為是樣本集合X的一個(gè)模糊子集，于是每一種這一類分類結(jié)果所對(duì)應(yīng)的分類矩陣，就是一個(gè)模糊矩陣R = (Yij)cxa式中Yije [O, ill Ef=1Yij = 11 EL1Yij > O。SMfc為所有滿足以上條件的模糊矩陣R的集合，即Mfe = Jr € YcVflIyij € fO, I!, Vi, || ^ Yij = I, Vj ι ^^>0, Vij
IJi ii:!J稱Mfe成樣本集X被分成C類的模糊分類空間。在聚類分析中，如果能根據(jù)η個(gè)樣本的特性指標(biāo)矩陣尋找出在一定條件下最佳的模糊分類矩陣R，則與R對(duì)應(yīng)的模糊人類，就是樣本集X在該條件下最佳的模糊分類。I. 2模糊IS0DATA聚類分析方法設(shè)被分類對(duì)象集合為X = {x, j X2, ··■ , X J其中每一個(gè)樣本Xi均有m個(gè)特性指標(biāo)，即X1= (Xii, Ei2, , Xim)。特性指標(biāo)矩陣為( )咖_(6)要將樣本集X分成C類(2 < C < Ii), C個(gè)聚類中心向量為V= (Vij)cxa(7)[0044]為了獲得一個(gè)最佳的模糊分類，可以按照下列聚類準(zhǔn)則，從模糊分類空間Mie中優(yōu)
選一個(gè)最好的模糊分類。I. 3模糊分類的聚類準(zhǔn)則與聚類判據(jù)在模糊分類的情況下，為了得到最優(yōu)的分類，把聚類判據(jù)作如下推廣。即使目標(biāo)函數(shù)J(R-V)(8)達(dá)到極小值。其中的意義與式(7)相同，q>0。為了靈活地變動(dòng)相對(duì)隸屬程度，Q可取一定的值(一般取q=2)，取值過(guò)大會(huì)引起信息失真。聚類準(zhǔn)則是取出適當(dāng)?shù)哪：诸惥仃嘡與聚類中心向量V，使得式(8)所表示的目標(biāo)函數(shù)達(dá)到極小值。一般而言，上述目標(biāo)函數(shù)的極值求解相當(dāng)困難，但Bezdek已
經(jīng)證明當(dāng)d時(shí)，可以通過(guò)下面的方式進(jìn)行迭代運(yùn)算，并且運(yùn)算過(guò)程是收斂的，
這就是模糊IS0DATA方法。其步驟為(I)選定C, 2 SC S η,取一初始模糊分類矩陣R(O) e Mfe,逐步迭代，i = O, 1，2…。(2)對(duì)于RCL),計(jì)算聚類中心向量V = (vf , V ，, ￥f )T(9)式中，\f=Σ|=1。( 3)修正模糊分類矩陣=-^!!/Iixfc — v ||fK] (VI, vk)(10)比較H 與RG 3 ,若對(duì)取定的e > 0，max{[vifc(l +1)- Yik(I)D < e(11)則Rd認(rèn)丨和V(I)即為所求，停止迭代，否則,1 = 1+1’回到步驟(2)重復(fù)進(jìn)行。應(yīng)用以上算法得到模糊分類矩陣R(l+i]和聚類中心V(I)是相對(duì)于分類數(shù)C，初始模糊分類矩陣R 、e和參數(shù)q的最優(yōu)解。、[0062]由于本算法要求Xk 以及式(9)和式(10)本身的原因，初始模糊分類矩陣R(8〕
的選取除了必須滿足模糊分類矩陣的3個(gè)條件中的2個(gè)。
權(quán)利要求1.一種糧庫(kù)儲(chǔ)糧品質(zhì)便攜式快速檢測(cè)裝置，其特征在于包括氣體采集裝置和微處理裝置；所述氣體采集裝置包括殼體，所述殼體內(nèi)設(shè)有氣敏傳感器；所述氣敏傳感器一側(cè)的殼體上設(shè)有單向截止進(jìn)氣閥，另一側(cè)的殼體上設(shè)有微型氣泵和單向截止放氣閥，所述微型氣泵和單向截止放氣閥相連；所述氣敏傳感器通過(guò)傳感器接口與微處理裝置相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的糧庫(kù)儲(chǔ)糧品質(zhì)便攜式快速檢測(cè)裝置，其特征在于所述微處理裝置包括信號(hào)調(diào)理模塊、微處理器、顯示器和聲光報(bào)警器；所述信號(hào)調(diào)理模塊、顯示器和聲光報(bào)警器分別與微處理器相連；所述微處理裝置分別通過(guò)信號(hào)調(diào)理模塊和微處理器與氣體采集裝置的傳感器信號(hào)接口和微型氣泵相連；采用模糊迭代自組織數(shù)據(jù)分析的微處理器處理信號(hào)調(diào)理模塊發(fā)送的信號(hào)，并通過(guò)顯示器顯示。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的糧庫(kù)儲(chǔ)糧品質(zhì)便攜式快速檢測(cè)裝置，其特征在于所述微處理器采用ARM處理器AT91RM9200。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的糧庫(kù)儲(chǔ)糧品質(zhì)便攜式快速檢測(cè)裝置，其特征在于所述氣敏傳感器為由8只TGS型SnO2氣敏傳感器組成的傳感器陣列。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的糧庫(kù)儲(chǔ)糧品質(zhì)便攜式快速檢測(cè)裝置，其特征在于所述檢測(cè)裝置還包括無(wú)線發(fā)射裝置；所述無(wú)線發(fā)射裝置與微處理器相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的糧庫(kù)儲(chǔ)糧品質(zhì)便攜式快速檢測(cè)裝置，其特征在于所述無(wú)線發(fā)射裝置包括SM卡插座、GPRS模塊和天線；所述SM卡插座和天線分別與GPRS模塊相連；所述無(wú)線發(fā)射裝置通過(guò)GPRS模塊與微處理器相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的糧庫(kù)儲(chǔ)糧品質(zhì)便攜式快速檢測(cè)裝置，其特征在于所述氣體采集裝置還包括單向截止清洗氣閥；所述單向截止清洗氣閥設(shè)于安裝有單向截止進(jìn)氣閥的殼體同側(cè)。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種糧庫(kù)儲(chǔ)糧品質(zhì)便攜式快速檢測(cè)裝置，包括氣體采集裝置和微處理裝置；所述氣體采集裝置包括殼體，殼體內(nèi)設(shè)有氣敏傳感器；所述氣敏傳感器一側(cè)的殼體上設(shè)有單向截止進(jìn)氣閥，另一側(cè)的殼體上設(shè)有微型氣泵和單向截止放氣閥，所述微型氣泵和單向截止放氣閥相連；所述氣敏傳感器通過(guò)傳感器接口與微處理裝置相連。本實(shí)用新型檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，所需樣本少，且判定結(jié)果精確。
文檔編號(hào)G01N27/12GK202421113SQ201220020059
公開(kāi)日2012年9月5日 申請(qǐng)日期2012年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月17日
發(fā)明者吳明贊, 曹杰, 楊慧萍, 梁勇 申請(qǐng)人:南京理工大學(xué)