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摘要 摘要 近尼年来，随着社会黪发展和人们安全意识的提离，人们对生产、生活数及 环境的要求也越来越高，因此对气体或者气味的定性、定量检测也逐渐成为研究 的热点。针对传统检测手段只能实现单点与局限区域性检测，特别是无法在对入 有害的环境下实时检测，本课题致力于利用移动通信网络( g p r s ) 作为信号的传 输通道，从而搭建一个实糟、易升级焉且独立的数据传输平台，可以实现多点检 测，形成传感器无线检测网络，以便监控人员快速做出决策。主要的研究工作如 下： 1 介绍课题背景和电子鼻的国内外研究现状，以及数据采集和转换理论。根 据实际情况确定系统的缀网方案，同时通过比较各种模块的优缺点最终采用琶f j 子无线模块m c 5 5 ，分析其工作过程。 2 研究了终端的功能需求，并给出了合理的规划设计，对远程终端硬件的各 个功能模块进行了分析和设计，并对其硬件电路进行设计和调试。 3 仔细分析了无线数据传输系统的功能需求及主要特点，设计童系统的总体 结构；根据无线模块的要求给出了单片机a t 8 9 c 5 2 的软件设计和具体实现；结合 系统的功能需求帮总体结构，利用m i c r o s o f t 公司的v i s u a lc _ 编程软件斡 s o c k e t 网络编程功能对上位机的软件进行了设计。 本文的主要特色： 1 。在测量气体浓度过程中，采用测量负载电阻的输出电压而不直接测量传感 器的动态电阻的方法获得了稳定的气体浓度变化曲线，将采集获得的数据导入 e x c e l 后，可以清晰绘制不同气体样品的“图谱”。 2 采用g p r s 通信技术实现了电子鼻检测系统中的图谱数据无线传输与图谱 的解调，可以应用于远程医疗诊断或者有毒气体等特殊环境的远程监测。 3 针对目前市场上数据采集卡比较昂资的现状，臼行设计数据采集电路，大 大降低了系统的成本。 关键词：m c u ；g p r s ：数据采集 a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h es o c i a ld e v e l o p m e n ta n dt h ei n c r e a s i n gc o n s c i o u s n e s st o s a f e t y , p e o p l en e e db e t t e rl i f ea n de n v i r o n m e n t , s og a sd e t e c t i n gh a sb e e nar e s e a r c h h o t s p o t t r a d i t i o n a ld e t e c t i n gs y s t e mc a l lo n l yd e t e c tap l a c ea to n et i m ea n dc a l l t o b t a i nt h er e a l t i m ed a t af r o mt h ee n v i r o n m e n tt h a ti sh a r m f u lt om a n t h i sp a p e r f o c u s e do nu s i n gm o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ( g p r s ) a sat r a n s m i t t i n gc h a n n e l ， w ec a l lb u i l dap r a c t i c a l ，a b s o l u t ep l a t f o r mw h i c hc a nu p d a t ee a s i l ya n df o r ma w i r e l e s sn e t w o r kb ys e v e r a ls e n s o r s ，t h ed e t e c t o rc a l lm a k et h ed e c i s i o ni m m e d i a t e l y t h ew o r ki st h ef o l l o w i n g ： 1 i n t r o d u c et h es t a t u sa n dt h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i cn o s eh o m ea n da b r o a d ， a l s oa n a l y z et h et h e o r yo fd a t aa c q u i s i t i o na n dc o n v e r s i o n b a s e do nt h ef a c t ，c o n f i r m t h em o s ts u i t a b l ep l a nf o r t h es y s t e ma n ds e l e c ts i m e n sw i r e l e s sm o d u l em c 5 5a f t e r c o m p a r i n g s e v e r a lk i n d so fm o d u l e s ，t h ep r o c e s si sa l s oa n a l y z e d 2 ar e a s o n a b l ef u n c t i o n a ld e s i g ni sw o r k e do u tw i t has e r i o u sr e s e a r c ho f f u n c t i o n a lr e q u i r e m e n to ft h et e r m i n a l ，a c c o r d i n gt ow h i c ht h ea n a l y s i sa n dd e s i g no f e a c hf u n c t i o n a lm o d u l e so fr e m o t et e r m i n a lu n i th a r d w a r ea r em a d e ；a l s ot h e i m p l e m e n ta n dd e b u g g i n go f r e m o t et e r m i n a lu n i t sc i r c u i tb o a r da r ec a r r i e do u t ， 3 t l l i sp a p e ra l s oi n c l u d e sac a r e f u la n a l y s i sa b o u tt h ef u n c t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c s o fd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ma n dag r o s ss t r u c t u r ed e s i g no ft h es y g e m ，i tf i n i s h e dt h e d e s i g no ft h ei n t i m a t ew i r e l e s st r a n s m i s s i o nm o d u l ew h i c hi n t e g r a t e sa t 8 9 c 5 2 ，t h e s o f t w a r ed e s i g no fm c ua t 8 9 c 5 2i sp r o v i d e d 。c o m b i n e df u n c t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c s a n dg r o s ss t r u c t u r eo ft h i ss y s t e mt h es o f t w a r eo fc e n t e ri sd e s i g n e dw i t ht h e n e t w o r kp r o g r a m m i n gf u n c t i o no fm i c r o s o f tc o m p a n y sv i s u a lc + + p r o g r a m m i n g s o f t w a r e 。 m a i nf e a t u r e so ft h et h e s i sa r ea sf o l l o w e d ： l ，i nt h er e s e a r c ho f d e t e c t i n gg a sc o n c e n t r a t i o n ，t h ev o l t a g eo f l o a dr e s i s t a n c e b u tn o tt h ev o l t a g eo fs e n s o r si sm e a s u r e d ，t h ev o l t a g es i g n a li np a c ew i t h c o n c e n t r a t i o no ft h eg a ss a m p l ec o u l db er e a do u t ，t h ec u r v e so fo n es a m p l ec o u l db e c l e a r l yo b s e r v e da f t e ri m p o r t i n gt h ed a t ai n t oe x c e l 2 t h eg 献sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya p p l i e st ot h ee l e c t r o n i cn o s es y s t e m ， t h ec u r v e sd a t aw i l lc o m m u n i c a t et h r o u g hw i r e l e s sn e t w o r ka n db ed e m o d u l a t e db y s o f t w a r e ，t h es y s t e mc a nb eu s e di ns o m ee s p e c i a lf i e l d ss u c ha st e l e - m e d i c i n ea n d i a b s t r a c t l o n gd i s t a n c ed e t e c t i o n o ft o x i cg a s 3 c o n t r a p o s et ot h es t a t et h a tt h ed a t aa c q u i s i t i o nc a r di st o od e a ri nt h em a r k e t ， d e s i g n st h ee l e c t r o c i r c u i tf o rd a t aa c q u i s i t i o nb ym y s e l fw h i c hr e d u c e st h ec o s ti nt h e s y s t e m k e yw o r d ：a t 8 9 c 5 2 ；g p r s ；d a t aa c q u i s i t i o n i i 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成果。本人在论 文写作中参考的其他个人或集体的研究藏果，均在文中以明确方式标明。本人依 法享有和承担由此论文而产生的权利和责任。 声明人( 签名) ：却荡i 昊 文鲫蛑6 胃令墨 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门大学有权保 留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电子舨，有权将学位论文 用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅，有权将学位论文 的内容编入有关数据库进行检索，有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 本学位论文属于 1 、保密() ，在年解密后适用本授权书。 l 2 、不保密 ( 请在以上相应括号内打“ ) 作者签名：妥p 弓寻炙 别程锺i , d 磊， 州i 日期：口z 略年6 月午日 日期：舻6 月户网 篇1 章绪论 - 1 i 引言 第1 章绪论 最避几年，随着工监技术，特别是石溜、佬工、煤炭、冶金、汽车等重工她 的迅速发展，我们的生活环境中充斥着各种易燃、易爆、有毒的气体，对人民的 身体健康造成极大的危害，甚至导致爆炸、火灾等事故，不断威瓣着入类兹生命 安全。在这种情况下，对c o 、s 0 2 、瓦斯等有毒气体的定性、定量检测显得尤 隽重要，在仡工控制、家用报警、食品保险、航天航空和公安海关等行业和领域 有着广泛的应用价值，因此在该方面的研究对人民的生命安全和生活水平的提高 都有巨大的现实意义醛 。 随着计算机和信息处理技术的发展，气体或气味的定性、定量检测的广泛应 焉变为可能，人工嗅觉系统，亦器器电子鼻系统应运两生。电予鼻系统是有选择地 将数个气敏传感器组合在起形成气敏传感器阵列，并结合数据采集技术和模式 识别技术，以形成的高精度的气体辩识系统。 在对气体的检测中，越来越多的研究者采用把采集到的数据用无线戡者有线 的方式传输到拇制中心，然后由控铡入员来对数据进行判断和分析。本课题采用 舅前比较成熟的g p r s 无线通信技术来传输数据，可靠性比较高，传输稳定且费 用较低。 1 。2 气体传感器的研究现状 随着科技豹发展和现代化生活戆需要，对气体的检测不仅要迅速和精确，掰 且还要把获得的信息以电信号的形式输送出来，以便运用电脑或者微机进行控制 霸监测。离时还需要篮测系统体积夸、重量轻，尤其希望它们能够适应在线和长 时间的监测，一些传统的监测方法根本无法满足这贱需要，因此气体传感器就应 运瑟生嘲。 自从1 9 6 4 年报道，南w i l k e n s 和h a t m a n 利用气体在电檄上的氧化还原反威 磷割高了第一个气体转感器，气体传感器正飞速发展，并薮广泛应霜予各种场合， 比如在航天、军事、环境、安全检查等领域广泛使用气体传感器进行实时气体监 溺、报警，两在食品、纯工等工业领蠛中也大量使掰气体传感器进行气体、气球 g p r s 通信技术在电子鼻系统的应用研究 鉴别。现在各国研究主要针对气体传感器研究的主要方向是如何提高传感器的敏 感度和工作性能、恶劣环境中的工作时间、以及降低成本和智能化等3 1 。 气敏传感器的主要应用领域如表卜1 ： 表1 - 1 气敏传感器的主要应用领域 应用场合检测气体可用敏感元件类型 煤矿 甲烷、c 0 、可燃气体接触燃烧式、半导体气敏元件 钢铁厂c 0 、0 2半导体气敏元件、电动势型 水泥厂0 2电动势型 化工厂碳氢化合物、硫化氢接触燃烧式、半导体气敏元件 地铁 碳氢化合物接触燃烧式 核工厂钠中的氧t h 0 。电动势氧敏元件 停车场 c 0 半导体气敏元件 石油钻井碳氢化合物、硫化氢接触燃烧式、半导体气敏元件 汽车发动机控制 0 2电动势型、半导体t h 0 ：气敏元 件、限制电流型 锅炉及窑炉控制0 2 电动势型 家用气体报警碳氢化合物半导体气敏元件 食品质量检测n h 。接触燃烧式 到目前为止，气体传感器的研究和开发已经取得了许多令人瞩目的成就，己 开发出的气体传感器产品有金属氧化物半导体、固体电解质、有机半导体、石英 振子、l - b 膜、热催化、声表面波、光学气体传感器等多种形式，其中金属氧化 物半导体和固体电解质气敏传感器是比较成熟的产品，它们的产量最大、应用最 广。特别是金属氧化物半导体气体传感器，因其具有价格低廉，便于大量制造的 特点，从而得到较多的应用。日本f i g a r o 公司在1 9 6 7 年首先将s n 0 2 金属氧化 物半导体气敏传感器商品化，推动了电子鼻的研究。目前f i g a r o 公司生产的气 体传感器是电子鼻系统中应用最多的气体传感器之一。 传统结构的气体传感器不仅体积较大，而且功耗也很高，在很多场合无法很 2 第1 章绪论 好满足使用要求，为了适应市场对微型化、集成化的气体传感器的需求，研究者 们正采用微电子机械技术( m e m s ) 及厚膜、薄膜技术制造微结构气体传感器。这 种微结构气体传感器将多个敏感器伴、加热单元、温度传感器和测量电极集成为 一体。圜外称之为m i c r og a ss e n s o r 或者m i c r o f a b r i c a t e dg a ss e n s o r 。 徽结构气体传感器器件具有以下优点：( 1 ) 微型化；( 2 ) 低功耗；( 3 ) 工作 温度可以精确测定和控制；( 4 ) 可批量生产，从而降低了成本；( 5 ) 传感器的一 致性和可靠性得到保证；( 6 ) 易与信号采集和处理电路集成而实现智能化等。国 内的中豳科学院电子研究所的李建平博士等人从事了膜片型微结构气体传感器 的研制，从敏感薄膜的制备方法、工作温度调制、数据采集、特征提取及模式识 别等方面进行了系统研究。美国c a s ew e s t e r nr e s e r v eu n i v e r s i t y 的吴清海教 授也从事了m e m s 微结构气体传感器的研究。 目前气体传感器的智能化也是因前研究的方向之，将微型传感器阵列与带 微处理器的信号处理电路结合，使传感器兼有检测、判断和信息处理功能。为了 实现信息的采集、处理和传输的协同和统一，出现了基于现场总线的智能传感器 网络，这是新的传感技术应用，智能传感器采用标准的数据通信协议，无需专门 的电路和软件就可以直接与其他设备相连接。如采用蓝牙标准的无线传感器 ( i e e e l 4 5 1 协议) 为例，它可以直接无线接入计算机互联网，使数据管理更容易， 并减少了底层的软件开发，在使用大量传感器阵列应用中，如进行多点的室内环 境气体监测方面有明显的优势。 但是，由于气体传感器普遍存在交叉敏感性，其响应特性应温度、湿度以及 环境条件等因素的影响，使得它的应用局限在对监测精度和分辨率不商或者气体 成份较为简单的场所，丽在复杂气体或气味的准确定性定量监测中应用较少。特 别是由于气体传感器工作特性的非线性和非单一选择性，用单个气体传感器来鉴 别某种特殊气体或定量监测出混合气体的种类及浓度是十分困难的。在实际应用 中，人们对气敏器件的要求也越来越高，这些要求集中反映在灵敏度、选择性、 对恶劣环境的适应性以及各种新型器件的磺发等方面。因此，人们对气敏机制的 认识和研究要求也愈显迫切，将成为气体传感器的研究热点。 g p r s 通信技术在电子鼻系统的应用研究 1 3 电子鼻的国内外研究现状 1 3 1 电子鼻的定义及概述 电子鼻是主要模拟生物嗅觉的人工嗅觉系统，因此也常被称之为“嗅觉模拟 系统”或“电子嗅觉系统”。1 9 8 9 年北大西洋公约组织召开了一次关于化学传感 器信息处理的高级专题讨论会，该会主题为嗅觉模拟及其系统设计，并第一次对 电子鼻系统做出了一个正式的定义：电子鼻是由性能彼此重叠的多个气体传感器 ( 简称气体传感器阵列) 和适当模式识别方法所组成，具有识别简单和复杂气味的 能力。 通过对人的嗅觉机理的研究，人们发现动物在识别气体的时候，在不知道气 体的化学组成和浓度的前提下，就能在极短的时间那判断是何种气体。这给研究 人员开发电子鼻提供了及其有用的启发，人的嗅觉形成过程是电子鼻工作原理的 模拟基础，目前电子鼻主要由气体传感器阵列、数据采集和模式识别等几大部分 组成，如图1 - 1 。气体分子被电子鼻中的气体传感器阵列所吸附产生信号，生成 的信号经过处理加工和传输，然后通过模式识别系统做出判断。气体传感器阵列 在功能上相当于彼此重叠的人的嗅觉感受细胞，产生嗅觉信号，模式识别、智能 解释器和知识库在功能上相当于人的大脑，具有分析、判断、智能解释的功能【4 】。 气气敏信号模式结 、传感器 预处理 入 识别 味 v ， 阵列v y 。 v 。 果 图i - i电子鼻的逻辑结构 1 气体传感器阵列：由具有广谱响应特性、交叉灵敏度较大、对不同气味 气体灵敏度不同的气敏元件组成。通常气体传感器阵列可以采用数个单独的气体 传感器组合而成，也可以采用集成工艺制作专用的气敏传感器阵列。这种传感器 阵列利用了气体传感器所固有的“交叉敏感”特性，为被测气体的检测提供了更 4 第1 章绪论 多的特征信息。传感器的尺寸非常重要，最好使用集成的气敏传感器阵列。由于 监测过程是可逆的，考虑到有时需要更换传感器，所以要求传感器的一致性。我 们在构造传感器阵列时，选择的器件响应时间和恢复时间要尽可能短这在数据 采集阶段尤为重要。 2 传感器信号采集电路：对传感器阵列产生的信号完成非电量到可测电量的 转化，进行传感器信号的放大、模数转换，得到有利于后一步分析处理的信息， 为模式识别提供原始数据。 由于气体传感器对不同气体，以及同种气体小通浓度的响应具有较大的差 异，因此要求系统具有较大的动态响应范围，同时对十确定位数的a i ) 转换系统， 动态响应范围增大，又会降低分辨率，所咀设计准确、有效的气体传感器信号拾 取电路是电子鼻系统分析的前提和关键。 2 0 0 6 年，厦门大学辜克兢等同学采用n l 公司的数据采集卡p c i6 2 5 1 对五 个传感器( 5 m 1 甲醇溶液) 分别进行采集。获得的图谱如图12 所不： 图1 2 5 m l3 1 v v 甲醇溶液图谱 该系统精度较高，性能比较可靠，但是由于数据采集卡的价格比较高，不方 便随身携带，所以本文采用了自己设计的信号处理电路，实验证明该电路工作稳 定能够满足要求。 g p r s 通信技术在电子鼻系统的_ 陂用研究 3 模式识别蕈元：在基于动态模型的毫子鼻中，神经网络技术是普遍使用簿 模式识别技术。电子鼻中模式识别算法有：相关方法、最小二乘法、聚类分析( c a ) 、 主成分分析法( p c 轰) 、偏最d , - - 乘法、人工裤经网络法删 和模糊逻辑法等。 。3 。2 电子鼻的国外研究历史及现状 科研人员对电子鼻的研究，最早可追溯到1 9 6 1 年，当时m o n c r i e f f 制成了 一种机械式的气味检测装置。1 9 6 5 年报道了利用气味调制电导帮翻震气味调铡 接触电位原理研制的“电子鼻 5 1 。 2 0 世纪鳓年代研制酶“毫子鼻”并非现代意义上酌嗅觉模撅系统。直到2 0 世纪8 0 年代初，作为气味分类用的新型镪能传感器的概念才真正被提出。1 9 8 2 年，英国w a r w i c k 大学酶p e r s a u d 和o o d d 焉3 个商晶纯的s n 0 2 气体传感器 ( t g s 8 1 3 ，t g s 8 1 2 ，t g s 7 t 1 ) 来模拟生物嗅感受器细胞，并对乙醇、乙醚、戊酸等 有枫挥发气体进行了类裂分析。 2 0 世纪8 0 年代末期，嗅觉模拟研究进入了快速发展时期。1 9 9 0 年在德国柏 林举行了第一屠化学傣感器国际学术会议，力促进唉觉模拟技术的交流和发展， 该国际学术会议近年来每年举行一次，1 9 9 8 年7 届年会在中国北京举行。1 9 9 4 年，英国w a r w i c k 大学髂g a r d n e r 和s o u t h a m p t o n 大学的b a r t l e t t 使用了“电 子鼻这一术语并给出了定义“电子鼻是一种幽具有部分选择性的化学传感器 阵列和适当的模式识别系统组成，麓识别简单或复杂气味的仪器”。 嚣前，国外对电子鼻的研究非常活跃，主要疵用于酒类、茶叶、鱼和肉等食 品挥发气味的识别和分类，还有环保监测、临床诊断、香水香型的判别等等l 。 电子鼻系统在商业领域也得到快速的发展。九十年代末，已经有不少电子鼻系统 作为产品进入了市场。如英国a r o m a s c a n 公司的“数字气味分橱系统”，法国 a l p h am o s 公司的f o x2 0 0 0 系统和英国n e o t r o n i c ss c i e n t i f i cl t d 公司的n o s e 系，这三家公司的台式窀子彝占整个市场份额酶9 麟，并在英重的威忌滔及烟 草的检测、曰本清酒的质量评定、意大刹橄榄油的质量等级判别、俄罗斯在毒品 检查等方面褥到了大量赡应用，有很好的效果。2 0 0 1 年c y r a n os c i e n c e s 公司 已在市场上推出获得专利权的便携式电予鼻系统。经训练后，该系统能识别单一 讹学燕翁气味。这耱俊携式装置具毒广泛的用途，到銎翦为止，该仪器己成功缝 用于识别出槽车中的溶剂、汽油中含有的添加剂、清洗剂、污染物、催化剂及其 它成分。据有关电子鼻市场方蘧麴调查，其市场份额正逐年扩大。用于工业生产 6 篇1 章绪论 线质量控制和在线检测的较大型电子鼻系统一般售价为1 0 至2 0 万美元，蔼便携 式电子鼻系统一般售价为5 0 0 0 美元左右。可以预见，能够广泛地运用到人们网 常生活中筋小型电子鼻系统有着非常广阔的应焉前景。表熏_ 2 蠢不同食菇采焉麴 不同电子鼻系统【7 1 。表1 - 3 介绍商业化的电子鼻系统。 表1 2 不同食晶采用的不同电予鼻系统 被测食品电子鼻系统采焉懿传感器类型及个数 a l a b a s t e r1m o s f o x 2 0 6m o s 肉 f o x3 0 0 01 2m o s n s t 3 2 1 01 0m o s f e t , 4m o s ，1i r a r o m a s c a n 3 2c p c p s 4 质量传感器 n s t 3 2 1 01 0m o s f e t , 4m o s ，1i r f o x 3 0 0 0 1 2m o s 谷物 实验阶段 1 2c p a r o m a s c a n 3 2c p f o x 4 0 0 01 8m o s 咖啡1 f o x 3 0 0 01 2m o s 实验阶段 6m o s 实验阶段 7m o s 酒类实验阶段 5s a w n s t 3 2 1 01 0m o s f e t , 4m o s ，1i r 鱼类安验阶段 2 6m o s 可乐 f o x 2 0 0 0 6m o s 果撩实验阶段 2m o s f o x 2 0 0 06m o s 奶酪 f o x3 0 0 01 2m o s a r o m a s c a na 2 0 s2 0c p 表l 娼商监钝的电子鼻 7 g p r s 通信技术在电子鼻系统的应用研究 国家数目 a i r s e n s e 德国m o s 1 0 a l p h am o s 法国 m o s c p q c m达到2 4 a r o m a s c a n 英国 c p3 2 b l o o d h o u n ds e n s o r 英国 c p 1 4 h k r s e n s o r s y s t e m e 德国q c m 6 l e n n a r t ze l e c t r o n i c 德国m o s q c m 达到4 0 n e o t o n i c s 美国 c p 1 2 英国 n o r d i cs e n s o rt e c h n o l o g i e s 瑞士 m o s f e t m o s i r q c m 达到1 5 r s tr o s t o c k 德国q c m m o s s a w达到6 1 3 3 电子鼻的国内研究现状 国内对电子鼻的研究才刚刚起步，但也取得了娇人的成绩，主要应用于医疗 诊断、食品品质鉴定和安全等方面。 1 9 9 9 年由西北工业大学的王磊教授主持的课题组，曾将模糊集合理论和自 组织映照神经网络相结合用于电子鼻的研究。2 0 0 1 年后，在西北工业大学的杨 建华教授指导下，王米娜和王晗分别进行了电子鼻动态特征信息处理方法的研究 和基于动态特征的便携式电子鼻系统的研究。他们采用德国j e n a s e n s o r i c e v 公 司研制的电子鼻和自行设计的实验系统，分别利用纯净空气及乙醇或葡萄酒作为 载气和分析样本，实验研究了基于金属氧化物半导体二氧化锡气体传感器阵列的 电子鼻系统的动态响应特性，并分析了电子鼻系统动态响应特性与酒类样本、样 本温度、环境湿度和样本浓度间的依赖关系。其中以葡萄酒为分析样本，初步尝 试了利用传感器温度动态响应信息和k o h o n e n 算法结合的样本定性识别方法，同 时提出了一种新的数据预处理方法一差值抵消法，结合k o h o n e n 算法使对5 种不 同品牌的葡萄酒样本的识别准确率达到1 0 0 。浙江大学的庞林江把电子鼻用于 小麦陈化评定，对不通存储时间的小麦散发地气味数据进行分析，对训练集的回 判正确率均为1 0 0 【8 】。 浙江大学的徐良于2 0 0 3 年使用气相色谱仪( g a sc h r o m a t o g r a p h ，g c ) 对人 第1 章绪论 体呼出的气体成份进行鉴别，在此基础上设计出声表面波( s u r f a c ea c o u s t i c w a v e ，s a w ) 气体传感器【9 】。同年，重庆大学的张敏使用日本f i g a r o 公司生产的 t g s 系列气体传感器构建医用电子鼻系统，使用b p 和单层感知器( p e r c e p t r o n ) 对传感器数据进行分析，单层感知器可以无误地识别两种样本，单b p 存在一些误 判现象。 2 0 0 3 年，于鹏使用人工嗅觉系统对室内污染混合气体进行研究，采用3 个t g s 系列传感器构成阵列，4 个河南汉威电子有限公司生产的潲s 3 型传感器作为备用， 监测污染气体地浓度最低达lp p m ，能够对甲醛和苯合物进行区别和分析i l o 。 2 0 0 6 年，浙江大学的杨高锋把电子鼻系统用于电器火灾的监测中，使用系列金 属半导体氧化物( m e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r ，m o s ) 传感器，结合b p 、自适应 神经网络模糊推理系统( a d a p t i v en e u r a l f u z z yi n f e r e n c es y s t e m ，a n f i s ) 对电气火灾进行预警，前一季中方法获得9 0 的识别正确率，后者性能指标并不优 于前者但是可以实现新环境的快速学习【l 。 2 0 0 0 年，同济大学的秦树基等利用精选出的较少的金属氧化物气敏传感器构 成阵列，改进人工神经网络识别软件来进行酒类的识别，探索电子鼻在酒类方面 的应用途径。试验结果：利用3 个传感器组成的阵列和利用l 棚算法的人工神 经网络相结合建立的电子嗅觉系统，对4 种酒类：无水酒精、烈性酒( 红星二锅 头) 、葡萄酒( 王朝于红) 、啤酒( 力波) 的识别率可达至u 9 5 。但在此实验中， 对于同一酒类、不同品牌的精细识别并没有做出进一步研究l l 卫。 航天环境是一个特殊的环境，为了保证航天员的安全和健康，可以利用电子 鼻进行航天环境和航天员的身体检测。在神州六号等密闭的航天器中产生的气体 包括人的代谢物、仪器设备运转产生蛇一氧化碳、电动机及其他高压装置的火花 放电产生的臭氧、燃料的泄漏等等。因此，可以采用电子鼻对人体的呼吸气体进 行监测来掌握航天员的身体状况，以便采育猎惑保证他们的安全【l 引。 1 3 4 电子鼻在疾病诊断中的应用 通过了解国内外电子鼻的研究，我们可以发现电子鼻对人类的生活和健康有 着深远的影响。下藿分绍一下电子鼻在j 倾入性人体疾病诊断方蘧的应用。 对人呼出的气体进行疾病的诊断，近年来己成为国际上的一个研究热点。寻 求一种非侵入式、无伤害、快速准确的检测手段，人工嗅觉系统为研究新型的疾 9 g p r s 通信技术在电子鼻系统的应用研究 病诊断仪器提供了可能。 人体疾病与人的体味如口腔气味、汗液、尿液的直接关系，从远古就已为人 们所认识。中医运用望、闻、问、切的手段来诊断病人，早就非常重视人体体味 对疾病的诊断作用。从近代医学的观点来看，人体各部位的不同疾病都会引起血 液、细胞新陈代谢的异常。如在肺部血液的氧化交换时，疾病患者和健康人的肺 部呼出的气味和随尿液排出的味道是不同的。 研究表明，不同疾病患者所呼出的气体中会出现某些特定的成份，如胃溃疡 患者呼出的气体中氢气成分比常人高，糖尿病患者呼出的气体会含有酮类气体成 分，肺癌患者呼出的气体中乙烷含量比正常人高，肝癌患者呼出的气体中存在烷 类和苯的衍生物，肾衰竭患者呼出的气体中会含有三甲氨等。因此通过检测分析 患者呼出气体的成份与含量便可进行相应的定性定量的疾病诊断【14 1 。 国际最新研究进展表明，用阵列式气体传感器制成的电子鼻技术已在医院和 医学研究机构进入临床实验阶段。2 0 0 1 年，台湾的y u h j i u a nl i n 等人研制的电 子鼻由6 个1 2 m 勉的石英晶体传感器组成【15 1 。该电子鼻对正常健康人群、尿毒 症患者、慢性肾功能不全患者和肾衰竭患者呼出的气体进行测试。结果表明，电 子鼻对上述几类人群的分类正确率达8 6 7 8 ，对慢性肾功能不全患者和肾衰竭 患者的分类正确率达9 0 1 6 ，对尿毒症患者的分类正确率达7 9 5 2 ，对正常健 康人群和其他病患者的区分正确率达到1 0 0 。2 0 0 3 年，意大利罗马t o rv e r g a t a 大学的c o r r a d od in a t a l e 等人研制出一种由8 个石英晶体传感器组成的“电子 鼻”，可以嗅出肺癌患者呼吸中包含的数种烷烃系以及芳香烃系物质，判断病人 是否患上肺癌等疾病【1 6 】。不同患者呼出的气体因其成分不同能使传感器阵列产生 每个人特有的总体模式。该电子鼻已进入了临床实验，对肺癌诊断的准确率已达 到9 0 以上。 在广大边远或者医疗设施较落后的地区，对疾病的诊断可能不太准确。如果 把电子鼻采集到的数据通过g p r s 网络传输到医疗资源比较先进的医院，医疗专 家可以在医院通过与备份的各种疾病相对应的图谱进行比较，就可以快速地对病 人做出准确的诊断。这将是本论文的主要应用之一。 1 4 远程数据传输的现状 随着电子、计算机及信息科学技术的发展，传感器所采集到的信号传输到远 1 0 第1 章绪论 方主要是通过有线和无线两种形式，有非常多的通信网络应用于数据传输系统 中。目前，数据传输中的通信方式主要有以下几种【17 】： 1 无线毫遽信 无线电通信系统利用公共频段进行数据传输，通信通道和通信设备具有投资 小、维护篱单的特点。僵由于城市内部高大建筑的遮搂，使其传输距离受到了一 定的限制，因适合用于分布半径不大、数量不多的中小城市的数据传输。 2 有线通信( 电话线，专线) 有线通信主要有利用电话线通信和架设专线通信两种方式。电话线：就是利 用现有的电话网为依托，采用调制解调器和公餍电话网的交换梳系统，在两个通 信实体之间起通信通道。专线方式：通信的网络适合予传输数据量不大、实时性 要求不商的场合。 3 。光纤通信 从瑗场运彳亍情况来看，利用光纤通信传输数据比较稳定，抗干扰能力强。这 种方式在投资时较大，但随着光通信设备的价格不断下降，这种方式有可能成为 比较实用的遥信方式。 4 。蜂窝移动通信方式 对于远程数据传输，因为有踬离、环境、成本、实时性要求等因素的影响， 无线电、有线通信、光纤通信都属予专用移动通信网，由某部门独立建设和使 用，一般能在某特定区域或部门内使用，覆盖范围受限。因而从应用范围和经 济角度来说，都不可取。 蜂窝移动通信方式利用频率复霜技术有效地实现了频率瓷源的利用，而且在 全国范毽内，嬲络覆盖率离。所以，充分利用现有的蜂窝网实现无线数据传输业 务是一种既有效又经济的手段。 。5g p r s 的基本特性 l 。s ，1g p r s 的定义 g p r s 是通用分组无线业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 的简称，是g s m p h a s e 2 。l 规范实现的内容之一，是一种基于g s m 的薪型移动分组数据承载监务。 g p r s 允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，而不需要利用电路交换 g p r s 通信技术在电子鼻系统的应用研究 模式的网络资源。用户虽然与网络一直连接，但仅当有数据传送时才占用无线信 道资源，从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业判1 8 1 。 g p r s 业务非常适合承载具有下列特性的数据应用： 1 突发数据的陆续传输，连续两次数据的发送时间间隔远远大于平均传送延 迟。 2 小量数据的频繁传输，例如每次会话的数据量不超过5 0 0 字节，会话产生 的频率为每分钟几次。 3 大量数据的偶尔传输，f f j j 女n 每次会话的数据量为几千字节，会话产生频率 则为每小时几次。 由于中国移动的g p r s 网络覆盖几乎整个中国，因此g p r s 移动数据传输系统有 很大的应用范围，几乎所有中低速率的数据传输业务都可以应用，如配电网络电 动化、自来水、煤气管道自动化、商业p o s 机、个人信息、股票信息、金融、交 通、公安等【1 9 】。 1 5 2g p r s 的技术优势 g p r s 作为一种全新的无线数据传输系统，同传统的技术相比，具有显而易见 的优判2 0 1 。下面做一个分析： 1 g p r s 与w a p 的比较 w a p ( w i r e l e s sa p p l i c a t i o np r o t o c 0 1 ) 意为无线应用协议，是针对移动通 讯设备接入因特网的一套设计规范，由多家大厂商合作开发，它定义了一个分层 的、可扩展的体系结构，为无线i n t e r n e t 提供了全面的解决方案。w a p 协议开发 的原则之一是要独立于空中接口，所谓独立于空中接口是指w a p 应用能够运行于 各种无线承载网络之上，如t d m a 、c d m a 、g s m 、g p r s ，、s m s 等等。 w a p 的缺点就是要按照上网时间来收费，类似于拨号上网。g p r s 是按照流量 来计算的，就像我们用的宽带一样，而且永远在线，用户只有在发送或接收数据 时才占用资源。 2 g p r s 和g s m 的比较 g s m 既全球移动通讯系统g l o b a ls y s t e mo fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，是当前 应用最为广泛的移动电话标准。g s m 较之它以前的标准最大的不同是他的信令和 语音信道都是数字式的，因此g s m 被看作是第二代( 2 g ) 移动电话系统，采用电路 第1 章绪论 交换数据传送方式。g p r s 是分组交换技术，每个用户可以同时占用多个无线信道， 同一个信道又可以由多个用户共享，资源被有效的利用。g p r s 网络可以对任何 个g s m 网络进行升级，使g s m 网络能够提供数据业务，从而真正实现g s m 网络与 i n t e r n e t 的兼容。相对于g s m 网络，g p r s 有以下优点： ( 王) 成本：g p r s 是按需动态占用资源，只有在数据传输时才分配无线资源， 因此他的计费方式也不同与电路交换，采取按传输的数据量计费而不是按时间计 费，因此就算是遇上网络塞车，也不会自自花钱，迅速降低了服务成本。这样如 果将c s d ( 电路交换数据，即通常说的拨号数据，欧亚w a p 业务所采用的承载方式) 承载改为在g p r s 上实现，则意味着由数十人共同来承担原来一入的成本。g p r s 的“永远在线 的特点，即用户随时与网络保持联系。举例来说，用户访问互联 网时，点击一个超级链接，用户就可以在无线信道上发送和接受数据，主页下载 到本地后，没有数据传送，就没有数据流量，就进入一种“准休眠”状态，同时 也就释放用户所用的无线频道给其他用户使用，但是这时网络与用户之问还保持 一种逻辑上的连接，当用户再次点击，用户还可以立即向网络请求无线频道用来 传送数据，而不像普通拨号上网那样断线后还得重新拨号才能上网。 ( 2 ) 可靠性：g p r s 不存在普通m o d e m 漫长的拨号验证时间，可进行突发性实时 数据传输，数据传输远远比一般的m o d e m 可靠、高速，所以在这种应用场合非常 适宜。用户始终保持在线连接，呼叫建立时间短。g p r s 的会话连接机制为快速预 留，能够马上开始分组传输，典型的呼日q 建立时间为0 5 s ls 这因此g p r s 承诺 用户保证“始终在线，始终连接 这样既降低了成本，又能可靠传输【z 。 ( 3 ) 传输速度：g p r s 的最大优势在于它的数据传输速度。在c s d 方式下，每个 用户只能占用一个时隙，最高基本数率为9 6 k b s ，两g p r s 采用时隙结合的方式， 最高可以达至u 1 7 1 2k b s 这对与本系统的实时监控来说很有意义。与光纤和有 线专线相比，建设费用、运行费用和维护费用都很低，并且几乎近于免维护，因 为g p r s 网络的维护完全有中国移动来完成，企业不需支付任何费用就享受中国移 动技术进步带来的效率。 1 5 36 p r s 网络的应用 g p r s 无线网络可以用于遥控、遥测、工业数据采集系统、防盗报警、交通运 输监控管理、广告信息发布等工业领域和智