（控制科学与工程专业论文）网络化电子鼻技术研究及实现.pdf

摘要 传感器技术、网络通信技术与嵌入式计算机技术的迅猛发展为电子鼻实现网 络功能提供了新的技术手段与实现方式。电子鼻系统正向着网络化、智能化、便 携式、低成本及低功耗的趋势发展。组网后的电子鼻系统可用于远程医疗诊断、 生产线远程监控、环境质量的实时监测等，又可特别应用于矿井、火灾现场等恶 劣和危险环境下，为人类的安全提供了保障。 本文以电子鼻系统的原理和网络化传感器的实现技术为研究基础，以研究小 组前期研究的传感器工作温度动态调制、阵列动态信号采集和样本分类识别方法 为前提，分别详细介绍了电子鼻的两种网络化实现方案。一种是基于计算机的网 络化电子鼻系统，此系统选用了基于p c m c i a 标准的数据采集卡及便携式计算机 作为硬件采集设备，在l a b w i n d o w s c v i 虚拟仪器开发平台下开发了功能更加完 善的采集与识别软件系统，详细介绍了传感器响应信号放大倍数的数字调节以及 采集软件与m a t l a b 进行数据与命令交换功能的实现，并在此系统之上利用 l a b w i n d o w s c v l 支持的t c p 接口函数和d a t a s o c k e t 技术分别实现了基于c s 模 式的传感器阵列响应数据的网络传输。另一种是基于d s p 和m c u 的便携式网络 化电子鼻系统，此套系统较上述系统具有成本低、小型化、低功耗等特点，但需 要对其软，硬件系统进行开发，开发过程较为复杂。论文介绍了该系统的硬件结构 及软件设计，系统采用双口r a m 实现了m c u 与d s p 主从系统之间的通信，通 过m c u 向d s p 发送采集信号及端口信息，d s p 从系统按照命令要求将气体传感 器阵列的数据信息实时的传输给m c u 。将嵌入式多任务实时操作系统n u c l e u s p l u s 以及其外挂网络功能模块n u c l e u sn e t 移植到m c u 上，通过初始化主系统 设备、驱动网络控制芯片、调用网络接口函数，对m c u 接收到的传感器阵列的 数据信息进行网络发布，实现了基于t c p 协议的以太网通信。 关键词：网络化电子鼻，t c p i p ，d a t a s o c k e t ，嵌入式实时操作系统，n u c l e u s p l u s a b s t r a c r r a p i dd e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g i e so fs e n s o r n e t w o r kc o n n m u n i c a t i o na n d e m b e d d e dc o m p e e rs c i e n c ep r o v i d e sn o v e lt e c h n i c a lm e t h o d sf o rn e t w o r kf u n c t i o n r e a l i z a t i o no fe l e c t r o n i cn o s o e l e c t r o n i cn o s em a k e s p r o g r e s so nt h et r e n do fn e t w o r k e d , i n t e l l i g e n t , p o r t a b l e ，l o wp r i c ea n dc o n s u m p t i o n n e t w o r k e de l e c t r o n i cn o s ew i l lb e a p p l i e dt or e m o t em e d i c a ld i a g n o s i s , s u p e r v i s i o na n dc o n t r o lo fp r o d u c tl i n e ，r e a l - t i m e m e a s u r e m e n to fe n v i r o n m e n tq u a l i t y , a n de s p e c i a l l yt os o m ea b o m i n a b l ea n d d a n g e r o u s e n v i r o n m e n to fm i n e ，f i r es c 2 n ea n ds oo n b a s e do nb a c k g r o u n d so fd e c t r o n i cn o s ep r i n c i p l ea n dn e t w o r ks e n s o rt e c h n o l o g y ， o u rr e s e a r c h i n gg r o u p sm e t h o d so fs e n s o rt e m p e r a t u r ed y n a m i cm o d u l a t i o n ，d y n a m i c s i g n a la c q u i s i t i o na n dc l a s s i f i c a t i o na n di d e n t i f i c a t i o na l g o r i t h m s ，t w or e a l i z a t i o nw a y s o fn e t w o r k e de l e c t r o n i cn o s ea r ew e s e n t e di nt h et h e s i s o n ei sc o n s t r u c t e do nl a p t o p a n dd a t aa c q u i s i t i o nc a r do fp c m c i as t a n d a r d d i g i t a la m p l i f y i n gm o d u l a t i o no f s e n s o r sr e n p o u s e ，e x c h a n g eo fd a t aa n dc o m m a n db e t w e e ns o f t w a r ea n dm a t l a ba r e d i s c u s s e dd e t a i l l yi nt h ep a p e r n e t w o r k e de l e c t r o n i cn o s os y s t e mo fc sm o d ei s p r o g r a m m e db yt c i a p ia n dd a t a s o c k e tt e c h n i q u ei n c l u d e di nl a b w i n d o w s c v i i n t h eo t h e rp o r t a b l en e t w o r k e ds y s t e mw i t ha d v a n t a g e so fl o wp f i c c ，m i n i a t u r i z a t i o na n d l o w - e n e r g yc o n s u m p t i o ni sb a s e do nd s pa n dm c u ，w h o s eh a r d w a r es t r u c t u r ea n d s o f t w a r ed e s i g na r em a i n l yp r e s e n t e d d s pt r a n s m i t t i n go r i g i n a ld a t ai n f o r m a l t i o no f s e n s o 培a r r a yo ri d e n t i f i c a t i o ni n f o r m a t i o nt om c uj u d g e db ya c q u i s i t i o ns i g n a la n d p o r ti n f o r m a t i o ns e n tf r o mm c ut h r o u g ht w o - p o r tr a m t or e a l i z ec o m m u n i c a t i o n b e t w e e nt h em a s t e r - s l a v es y s t e m r t o sn u c l e u sp l u sa n di t sa c c e s s o r i a lm o d u l e n u c l e u sn e t p o r t e dt om c u a r ea p p l i e dt oi n i t i a l i z ed e v i c e so fm c u s y s t e ma n dd r i v e e t h e m e tc o n t r o l l e rt ot r a n s i m i ti n f o r m a t i o no b t a i n e df r o ms l a v es y s t e mt on e t w o af o r e t h e m e tc o m m u n i c a t i o no fe l e c t r o n i cn o s eb a s e do nt c p p r o t o c 0 1 k e y w o r d s ：n e t w o r ke l e c t r o n i cn o s e ，t c 聊bd a t a s o c k e t , r t o s ，n u c l e u sp l u s i i 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作 的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北_ 业 人学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：拯壹 3 帅 年弓月，y 日 指导教师签名： ，。7 年； 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 利致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表或撰写过的研究成 果，不包含本人或其他已申请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名： i 蝗南 h o 年；月f 汨 西北工业大学硕士学位论文 绪论 第1 章绪论 1 1 多种实现方式的电子鼻系统 1 1 1 电子鼻系统的原理概述 电子鼻是一种化学分析仪器，能够对气体或气味进行响应并判别的智能系统， 即电子嗅觉系统。它将仿生学、传感技术、信号处理、模式识别和计算机科学等 多种学科融于一身，能鉴别和判断带有气味的各种样品，包括气体、液体和固体 的物质。电子鼻与普通化学分析仪器，如色谱仪、光谱仪、毛细管电泳仪等工作 原理不同，它所获得的不是被测样品中某几种成分，而是对样本挥发成分整体信 息进行采样，结合适当的模式识别方法进行定性与定量分析。这种气味整体信息 称为“嗅觉指纹”或“味谱”。电子鼻能够进行快速、准确的分析，及时提供测 量样本的可靠客观的重要信息，因此，在饮料、烟草、食品、化妆品、环境、医 药等部门越来越多地用于质量保证和生产流程的质量控制。 电子鼻是涉及气体传感器、多信息数据融合和优化、计算机技术和应用数学 以及各具体领域的- i - j 综合性技术。虽然电子鼻技术发展迅速，已经呈现了各种 不同规模、不同用途、不同测量手段的专业仪器，但归根结底，各种实现方式的 电子鼻系统的结构和原理还是相同的。电子鼻包括化学敏感元件阵列、信号处理 系统和模式识别系统，此种结构的思想源于仿生学。 人类的嗅觉产生过程如下：( 1 ) 鼻腔粘膜内的嗅觉神经元表面的嗅觉感受器， 接受到气味分子后产生刺激信号；( 2 ) 刺激信号经过嗅觉细胞神经网络嗅球经过 调节、抑制和模式特征提取输入大脑；( 3 ) 大脑接受初步处理的信号根据以前的 学习、训练对气味做出识别判断。模拟人和其它哺乳动物的鼻子进行嗅觉的电子 鼻系统，其结构同样可以分为三个层次：( 1 ) 由具有交叉敏感度高、响应频带宽 的多个气体传感器组成敏感阵列( 相当于多个初级嗅觉神经元) ，来感应气体中的 化学成分，产生可以测量的物理量；( 2 ) 信号调理、放大等电子线路对传感器阵 列的响应模式进行预加工；( 3 ) 利用模式识别技术对物理信号进行处理、分析与 判断。对气味的识别判断是根据当前的嗅觉信号与先前学习、训练的模式比较以 后得到的分析结果。图1 1 所示为人类嗅觉系统与电子鼻系统的工作原理，电子 鼻系统主要由气体传感器阵列、信号预处理和模式识别系统三大部分构成。 1 西北工业大学硕士学位论文绪论 电子鼻系统 人类嗅觉系统 图1 1 人类嗅觉系统与电子鼻系统的工作原理 1 1 2 电子鼻系统中应用的多种气敏传感器 当前，应用在电子鼻中的气敏传感器主要有如下种类：金属氧化物半导体传 感器、导电聚合物传感器、声表面波传感器、石英晶体微平衡传感器等。 金属氧化物半导体气敏传感器是电子鼻技术研究中广泛使用，半导体气敏传 感器是利用金属氧化物半导体( m o s ) 与气体接触时材料电导率发生变化的原理进 行设计的【1 1 。金属氧化物如s n o ：、f c ：0 ，、w o ，、z n o 等作为基底材料，添加特 定的催化剂和其他金属、金属离子、金属氧化物实现对传感器化学特性的改变， 从而提高对特定气体的选择性与灵敏度【硎。 聚合物气体传感器中的敏感膜材料多为导电聚合物，如聚吡咯、聚噻吩、聚 吲哚、聚呋喃等。当敏感膜接触到气体分子时，聚合物吸附气体分子发生溶涨， 引起敏感膜电导的变化，当撤走气体后，聚合物回到原来状态。聚合物薄膜传感 器对气体的响应就是通过测量聚合物敏感膜的电导变化得到的。聚合物气体传感 器具有响应快速、恢复时间较短以及稳定性好的优点【4 圳。 声表面波( s a w ) 气敏传感器也是质量传感器中的一种，具有灵敏度高、体 积小、易集成，信号传输便于控制等优点，在气体质量或浓度检测领域中逐渐得 到了广泛的应用。s a w 气敏传感器是在压电晶体表面涂上一层具有选择性吸附某 种气体的敏感薄膜，当气体与敏感膜接触后，气体分子的质量加载引起s a w 器件 表面上的扰动，使振荡器的振荡频率发生变化，通过测量振荡频率的变化准确地 探测出气体的浓度。声表面波传感器的选择性主要取决与涂层材料的种类、厚度 及涂覆技术、吸附层的物理性质【郫j 。 石英谐振式气敏元件由石英基片、金电极和支架三部分组成，其电极上涂有 2 西北工业大学硕士学位论文绪论 一层气体敏感膜，当被测气体分子吸附在气体敏感膜上时，敏感膜的质量增加， 从而使石英振子的谐振频率降低。谐振频率的变化量与被测气体的浓度成正比【卅。 酞菁类聚合物常被用来制成石英谐振式气敏元件。 我们研究小组利用金属卟啉显著的分子识别效应【1 0 j ，依据化学反应前后颜色 变化的惟一性及可逆性制作了传感器化学敏感膜，利用可辨识的响应图像实现了 对多种有机和生物分子的识别和检测。 1 1 3 多种信号处理方法 电子鼻的信号处理过程包括了数据的预处理、特征提取和模式识别过程。 ( 1 ) 数据预处理是电子鼻识别某种香味过程中极其重要的一环，是后续特征提 取和模式识别处理的基础【1 1 l 。数据预处理的主要目的有滤波、基线处理、漂移补 偿、信息压缩等1 1 2 j 。对于传感器阵列稳态响应信号的预处理方法有：差分法、相 对差分法、分式差动法、对数法、传感器归一化法、阵列归一化法等【切。离散小 波变换( d w t ) 和快速傅里叶交换( f f d 用于处理传感器动态响应信号。 ( 2 ) 特征是直接从传感器的原始信号提取出来的参数，由于传感器阵列的交 叉敏感特性，各传感器之间也相互关联，各特征参数也是相互关联的。关于多传 感器的原始特征参数集通常为包含富含冗余信息的高维向量【埘，若将其引入后面 的模式识别算法中将增加算法的复杂程度，延长算法学习训练及识别过程的时间。 运用主成分分析( p c a ) 、f i s h e r 线性判别函数变换、独立分量分析( i c a ) 等【1 4 1 5 】能 对数据进行有效降维，且充分利用气敏传感器的响应过程中的某些特征参数，比 如上升时间、恢复时间、上升斜率、平均值、极值、曲线和坐标轴围成的面积、 稳态值等，可在一定程度提高识别精度【1 3 1 。 ( 3 ) 模式识别是电子鼻系统研究的关键技术，决定了电子鼻系统性能。通常 以识别率、训练识别速度( 算法的实时性与快速性) 及容错能力( 干扰信号的滤除及 参数漂移的补偿) 对模式识别算法进行评价。偏最小二乘回归( p a r t i a ll e a s ts q u a r e s r e g r e s s i o n ，f l s ) 、聚类分析法( c l u s t e ra n a l y s i s ，c a ) 、人工神经网络( a r t i f i c i a l n e u r a ln e t w o r k , a n n ) 、遗传算法( g e n e t i c a l g o r i t h m ，g a ) 、支持向量机( s u p p o r t v e 魍o rm a c h i n e 。s v m ) 等在电子鼻领域都有应用： 偏最小二乘回归主要用于建立多因变量与多自变量的统计关系。这种方法可 以用来消除自变量之间多重相关性及非线性的不良作用，使建立的模型预报准确 度更高。对于用选择性较差的传感器组成的阵列，各个传感器响应的相关性较大， 其信号用偏最小二乘回归方法处理是比较适合的。 3 西北工业大学硕士学位论文绪论 聚类分析法是一种无监督学习过程，利用距离定义样本间的近似程度，定义 优化聚类规则和搜索算法将测试样本归类。c 均值算法( c - m e a n sa l g o r i t h m ) 的应 用广泛，模糊g 均值算法( f u z z yc - m e a n sa l g o r i t h m ) 也在逐渐得到应用。 人工神经网络能够处理非线性数据，容忍传感器的漂移和误差，并且具有较 高的预测精度，因而近年来成为电子鼻技术领域的主要研究方法。其中基于b p 算法的多层前馈神经网络有很多应用。另外，自适应共振理论网络、自组织映照 网络、r b f 神经网络等在电子鼻领域中也具有很多应用范例。 遗传算法是一种非线性、简洁的全局优化搜索算法。将遗传算法与神经网络 结合，能对神经网络进行优化，构造进化神经网络( 包括连接权、网络结构、学 习规则等的进化) ，使神经网络具有自进化、自适应能力，更好的实现对气体响应 数据进行参数提取。 支持向量机是在统计学理论基础上发展起来的一种新的学习方法，近几年在 模式识别和信号处理等领域得到了的应用。s v m 能很好的解决小样本的非线性、 高维数、局部极小等问题，具有很好的泛化能力。 1 2 电子鼻技术的发展及意义 电予鼻是基于集成气体传感器阵列和信息处理技术的气体气味识别系统。它 利用气敏元件对气体响应的灵敏与选择特性，根据检测气体的种类组合多个独立 气体传感器构成阵列，利用气体与气敏传感器阵列作用产生的电信号如电压变化， 作为气体成分的响应信息，结合最优的信号预处理与分类识别算法对气体味进行 定性定量识别。由于检测的气体种类繁多，研究者们可根据气体的种类选择灵敏 度与选择特性最优的气敏传感器的类型，从而实现对挥发性有机组分( v o c s ) 气 体、可燃性气体、有毒有害气体和大气污染气体等准确可靠的检测。 早期的电子鼻是结构比较复杂、体积比较笨重的实验室系统。通常由复杂的 实验箱( 包括气泵、纯净空气、阀门等) 、气体传感阵列、信号调理电路、数据采 集卡和台式电脑组成，一般只能在较为严格的实验室条件下完成气体的采集与识 别。另外，复杂的硬件电路与采集监控软件只能由技术研发人员操作。这种系统 结构严重的限制了实验地点和人员，很难实现对气体的现场实时检测。随着电子 技术的快速发展，研究者们以早期实验室结构为基础，将新的电子技术融入到电 子鼻系统中，使得电子鼻逐渐走出实验室，实现了商品化。便携式、智能化、小 型化、低成本是电子鼻系统发展必然趋势。便携式电子鼻已经成为检测某些气体 的专用系统，其多功能性虽较实验室结构降低，但这确实是专业现场检测的发展 4 西北工业大学硕士学位论文绪论 需要。 随着m e m s 技术的飞速发展，电子鼻正沿着模块化、封装内系统( s i p ) 化、 单片系统化的道路向前发展。国外报道的集成式电子鼻芯片，其结构主要包括气 体传感器阵列、传感器加热控制电路、接口电路、a d 转换电路、电源管理电路 以及接口总线。一些使用了标准总线接口，使电子鼻芯片可以直接和微处理器相 连，简化了仪表设计电路的复杂性【1 2 j 。 近些年来，电子鼻系统在军用和民用领域都得到了越来越广泛的应用，如食 品工业、化学工业、环境监测、安全检查、医学诊断、航空航天、军事国防等。 其中航空航天、军事国防等领域对微型低功耗的气敏传感器以及基于微传感器阵 列的嗅觉系统的需求更为迫切。从许多报道中可以看到，电子鼻系统正向产品化 方向迈进。材料、物理及化学科学的进步，使得电子鼻的检测手段、检测物质的 状态和种类逐渐向多元化发展。微机电技术( m e m s ) 、嵌入式技术以及网络通信 技术的迅速发展也为便携式电子鼻系统的研究提供了新的技术手段，使系统实现 网络化、集成化、小型化和低功耗等要求成为可能。 1 2 1 国外研究及应用状况 国外研究机构报道的电子鼻技术已日趋成熟，并广泛应用于食品工业【1 6 r 丌、 农业生产1 1 8 捌、环境监测f d 啦、医疗诊蝌2 韬1 等领域。现已有一些商品化的电子鼻 系统问世，比较著名的如德国a i r s e n s e 公司的p e n - 2 型电子鼻和i p e n 工业电子鼻系 统、l e n n a r t ze l e c t r o n i cg m b h 公司的m o s e s i i 型台式电子鼻，英国a r o m a s c a n 公 司的l a b s t a t i o n 型电子鼻仪器、b l o o d h o u n ds e n s o r 公司的b h l l 4 型电子鼻系统，法 国a l p h a m o s 公司的p r o m e t h e u s 4 0 0 0 、f o x 4 0 0 0 型电子鼻系统等。许多制造商已研 发出手持的便携式电子鼻仪器，如德国与挪威合作的a p p l i e d s e n s o r s 机构的 v o c c h e c k ，美国m i c r o s e n s o rs y s t e m s 公司的v a p o r l a b 以及c y r a n o s c i e n c e s 公司的产 品c y r a n o s e3 2 0 等等。 在气体传感器材料研究方面，金属氧化物半导体 2 4 , 2 5 1 、聚合物附蕊韧结合种类 繁多的掺杂材料，用于制作具有选择性和交叉敏感性的传感器薄膜。金属卟啉作 为具有变色唯一性和可逆性的材料在可视嗅觉方面得到了应用i 船捌。另外，用纳 米材料制备的金属氧化物敏感膜具有更高的灵敏度和较低的工作温度，在常温下 即可检测气体l 刈。 提高分类、识别算法的精度是电子鼻研究的一项关键技术。神经网络、最小 二乘、主成分分析、线形识别分析、遗传算法、支持向量机等方法都得到广泛应 5 西北工业大学硕士学位论文绪论 用【3 1 钏。在研究特征提取方法对提高识别率方面，利用主成分载入因子方法、遗 传算法提取特征参数( 根据各个传感器对阵列贡献程度优化传感器数量) ，把特征提 取后的参数作为输入向量训练神经网络，能有效的提高识别率1 3 1 0 3 3 ；选用l o r e n t z i a n 模型对含有多峰信号的瞬态阵列数据( 动态响应信息) 进行特征提取，对原始数据维 数进行压缩并能去除干扰信号i 3 5 3 6 。在解决传感器参数漂移问题上，利用参考气 体响应值方法【3 7 1 、自适应谐振法例和自组织特征映射网纠3 9 l 等不同程度地补偿了 参数漂移。 传感器阵列微型化、集成化是电子鼻系统发展的一个重要方向。在较早研究 中，将多个传感器、铂电极集成到金属氧化物基底上初步实现了阵列集成化 4 0 , 4 ， 如今已有利用微机电技术将多个气体传感器、微电极、低功耗微加热器( 使用电池 供电1 集成到硅晶体片上形成微型传感芯片【4 2 j ，而再将信号调理电路及接e l 总线集 成到一起形成片上系统( s o c ) 1 4 3 1 ，则是真正实现传感模块小型化、便携化的发展 目标。随之也呈现了各种形式的基于微处理器的便携式电子鼻系统【4 1 4 “5 】，其中 将嵌入式与网络化技术应用到了便携式电子鼻设备中闱，构建基于局域网，广域网 的电子鼻系统增加了远程监控功能，同时也拓宽了系统的应用领域。网络化电子 鼻是电子鼻技术发展的重要方向。 1 2 2 国内研究及应用状况 与国外研究相比，国内在电子鼻应用研究方面尚处于起步发展阶段，近几年 逐渐成为研究热点，主要在食品与农产品检测【4 硎、呼吸诊断领域1 5 3 1 中得到了 广泛应用并取得了一些瞩目的研究进展。 当前，国内对电子鼻技术的研究主要还是侧重在信号处理、特征提取、模式 识别算法以及气体传感器敏感膜制备上信号预处理作为后续特征提取和模式识 别的基础，国内的研究报道有很多，具体有利用差分法、比值法、归一化、基线 校正、小波降噪、均值滤波等【1 1 , 5 4 , 5 卯。利用主成分分析、线性函数变换、遗传特征 参数等方法对原始传感器数据进行特征提取，有效的提高了识别率1 1 4 , 5 6 1 。随着材 料学的发展，将纳米制备技术如激光烧结法、溶胶一凝胶法、溅射，蒸发法、化学气 相沉积法等，应用到制备传感器敏感厚薄膜中，提高了传感器的气敏特性及稳定 性，这是当前的研究热点之- - 1 5 7 - 5 9 。 其它方面，在传感模块集成化、系统结构便携化的研究上，国内进展比较缓 慢，微机电技术还没有很好的应用到集成化传感器芯片的制备中；电子鼻系统基 本仍停留在实验室设备阶段，适用于现场实时检测及网络化远程监控的应用报道 6 堕! ! 三些查兰堡主兰垡堡奎 篁堡 甚少，尤其在电子鼻商品化发展上与国外还相差甚远，相关产品尚无报道。另外， 与国外相比，一些关键技术如气体敏感机理、模式识别算法等还有待进一步研究。 1 3 电子鼻发展存在的问题 电子鼻技术发展到今天，尽管许多研究工作者在电子鼻技术领域做了大量的 研究和尝试，并在许多领域取得了瞩目的研究成果，但是作为涉及了多种学科及 技术的复杂的智能系统，电子鼻的研究仍存在以下问题，这代表了今后主要研究 方向； ( 1 ) 气体传感器的选择性、稳定性、重复性有待改进。应减少传感器受测量环 境因素的影响，设计对环境变化的自校正及补偿功能： ( 2 ) 响应数据易受环境温湿度、电磁信号、机械振动及周围气流等影响，应寻 求更有效的降噪，消除干扰及参数漂移补偿的数据预处理方法和具有容错性能的 模式识别算法： ( 3 ) 为了减小体积、降低功耗、便于携带，传感器与信号调理电路应向高度集 成化发展，实现电子鼻芯片通过标准总线直接与微处理器连接； ( 4 ) 在电子鼻应用方面，系统通常由操作者现场控制，因此受限于检测环境， 若具备网络通信与控制功能，电子鼻系统可完成对矿井、火灾现场、传染病医院 等恶劣和危险环境的实时在线监控，具有更深远的意义。 1 4 课题的提出及论文内容安排 针对上述研究存在的诸多问题，论文从电子鼻系统实际应用和结构改进角度 出发，侧重解决网络化、智能化实现问题，进一步完善系统功能，推动电子鼻系 统的应用发展。具有网络功能的电子鼻系统可应用于无人监管的生产线实时监控、 多点环境监测、矿井毒气检测、跨国远程医疗诊断等，给生产生活的提供便捷的 途径，为人类的安全提供了保障，具有重要的发展意义。 论文在前期较完善的集成化传感器阵列、信号调理方法、多神模式识别算法 的基础上，结合网络通信技术，初步构建了两种网络化电子鼻系统，分别为基于 计算机系统和基于微处理器系统的便携式网络化系统。论文各章节内容安排如下： 第一章：绪论。主要简述电子鼻发展及意义、国内外研究现状及课题的提出。 第二章：网络化电子鼻技术简介。论述网络化电子鼻系统的研究意义、实现 方式及应用领域。介绍了网络化传感器的基本结构，主要讨论了热点技术基 7 西北工业大学硕士学位论文绪论 于嵌入式t c p i p 技术的软硬件实现方式。 第三章：基于半导体气体传感器阵列的电子鼻系统。以g g a 系列m o s 传感 器阵列为例详细介绍了传感器信号调节电路的设计，包括信号放大电路、工作温 度p w m 脉宽调制模块等，开发了基于虚拟仪器平台的动态信号采集与识别的软 件系统，并介绍l a b w i n d o w s c v l 与算法平台m a t l a b 的接口技术。 第四章：基于t c p f l p 协议的网络化电子鼻系统。详细介绍了利用 l a b w i n d o w s c v i 中t c p i p 函数库及d a t a s o c k e t 技术，实现基于c s 模式的服务 器与客户端的应用程序设计。 第五章：基于d s p 和m c u 的网络化电子鼻系统的硬件结构。分别介绍了实 现算法和网络传输功能的t m s 3 2 0 v c 3 3 及m c 6 8 3 3 2 的特性，以及两者通信连接、 与a d 芯片、外存储器、双口r a m 和网络控制芯片的硬件接口设计。 第六章：基于d s p 和m c u 的网络化电子鼻系统的软件实现。介绍d s p 与 m c u 的初始化过程、主从系统之间的数据通信、神经网络在d s p 中的实现、在 m c u 中利用外挂模块n u c l e u sn e t 实现基于t c p 协议的网络通信的软件设计。 第七章：结束语。论文工作总结、创新点及后续工作。 8 西北工业大学硕士学位论文 网络化电子鼻技术简介 第2 章网络化电子鼻技术简介 2 1 网络化电子鼻的研究背景和意义 传感器技术、网络通信技术与嵌入式计算机技术发展的日趋成熟为电子鼻的 网络检测提供了新的技术与手段。网络传感技术不同于一般的信息网络技术，主 要应用是和远端的由传感器或其他数据接收设备之间进行数据的传输与通信。例 如，在医疗领域中对患者病理诊断数据的跨省或跨国的传输与监测，实现了远程 的分析与会诊；在环境领域中，在国家或世界范围内对监测数据的集中分析与统 计等等。 网络化电子鼻发展的主流是以嵌入式微处理器为核心，将传感器、信号采集 模块、信号处理模块和网络接口等外围组件集为一体，采用嵌入式技术和集成技 术将整个传感器小型化、便携化、标准化、网络化。嵌入式结构中的微处理器是 网络电子鼻传感器系统硬件与软件的载体，能实现对传感器输出信号的采集、校 正、补偿、降噪等功能。另外，人工神经网络、遗传算法、模糊理论等在微处理 器中的嵌入实现了系统的智能化，更加完善了系统的功能。微处理器采集现场的 气敏传感器响应信号，完成输入信号的处理包括预处理与模式识别，再将处理与 判别结果通过网络接口发送给远处的客户端，实现了系统的实时在线的远端检测。 国内对外关于网络化电子鼻系统的报道很少，国外已有一些机构研究并实现了基 于嵌入式的网络化电子鼻系统。巴塞罗那大学的a l e x a n d r ep e r e r a l 6 0 , 6 1 】等研究人员开 发出了基于嵌入式p c 技术与g n u l i n u x 的便携式电子鼻系统，实现了信息传输与 控制功能。其设计的i p n o s e 将响应信息的周期性分析与分析结果或通过电话线传输 到宿主机中，或通过以太网设备发布n i n t e r n e t 站点，或依据p p p ( p o i n tt op o i n t p r o t o c 0 1 ) 进行点对点的连接。电子鼻的远程连接也为分布式传感与处理提供了手 段。i p n o s e 系统组建了基于t c p i p 协议的客户机朋艮务器( c s ) 模式的远程连接结构， 连接程序与i n t e r n e t 的后台程序一同运行实现远程连接。系统建立网络连接后，可 以实现远程控制采样、训练数据、改变加热器温度、控制真空泵和阀门，更可重 新给系统编写程序，如改变数据分析与特征提取方法、改变内部数据库参数、修 改分布式系统中任一工作站的信号处理软件等。 网络化电子鼻的实现使得气体监测不再受限于实验环境。气体检测系统组成 局域网后，研究人员可以在实验室实现对现场环境的远程控制，采集、接收与分 9 西北工业大学硕士学位论文网络化电子鼻技术简介 析。若将局域网与i n t e r n e t 相连，各种现场检测信息便可在h l t e m e t 网上实时浏览 共享。网络化电子鼻系统可特别应用于矿井、火灾现场、传染病医院等恶劣和危 险环境下，对有毒气体进行远程的实时监控，为人类的安全提供了保障。 2 2 网络化传感器的研究及应用 网络化电子鼻技术是网络化传感器技术发展的一个分支，因此网络化传感器 整体的发展方向代表着电子鼻网络化技术的发展方向。那么，我们就要对网络化 传感器的发展及应用进行深入研究。 2 2 1 网络化传感器概述 网络传感器是一个传感器系统。它是传感器技术、计算机技术和通讯技术相 结合的现代综合技术，是当今世界上正在迅速发展的技术。传感器技术的发展迅 速，发展过程分为哑传感器、智能传感器和网络传感器( n e “v o r ks e n s o r ) - - - 个阶段。 网络化传感器是将不同传感器相互连接具有通信功能的智能化传感器。网络化传 感器的工作原理是：采集多处传感器节点的敏感元件产生信号，通过信号处理模 块输入到微处理器中，微处理器按照与网络接口相应的网络协议将信号封装成帧， 按照目的地址，通过网络接口发布到网络上。当然，网络传感器也能接受网络上 其他传感器节点传输过来的信息，实现节点间的信息共享。基于t i 四坤协议的网 络传感器是网络传感器研究的一个热点。 2 2 2 网络化传感器研究现状 将微处理器与传感器技术结合，是传感器技术发展的一次重要飞跃。微处理 器是系统中重要的硬件与软件的平台，利用硬件及软件就能够对传感器响应数据 进行实时处理，如校准、补偿、检验和滤波去噪等。另外，用微处理器的应用程 序实现模糊逻辑、神经网络等技术，增强了传感器的智能化功能。设计网络化传 感器的目标是采用标准的网络协议，采用模块化结构将传感器、微处理器及网络 通信技术有机地结合起来。 从国内外文献中，实现传感器网络功能的形式有许多种，如早期的串口通信 协议r s 2 3 2 r s 4 8 5 ，后来发展的各种现场总线如c a n ( 控制局域网络1 、 l o n w o r k s ( 局部操作网络) 、p r o f i b u s ( 过程现场总线) 、h a r t ( 可寻址远程传感器数 1 0 西北工业大学硕士学位论文网络化电子鼻技术简介 据通信) 、f f ( 基金现场总线) 等各有自身优势和适用范围，但却很难将它们统一。 随着i n t e m e t 的广泛普及和应用，基于t c p i p 协议的网络化传感器成为新的发展 方向。基于t c p i p 协议的网络化传感器是将传感器实现现场级t c p i p 协议，即 让网络化系统就近登陆局域网或国际互联网，实现“即插即用”，使现场检测数据 得到实时发布和共享，实现网络节点之间的互连接性和互操作性。基于t c p i p 协议的网络化传感器实现方式也有多种1 6 2 l ： ( 1 ) t c p i p 与现场总线技术的结合，如与l o n w o r k s 结合的l o n w o r k s e t h e r n e t 、 与f f 结合的h s e 、与p r o f i b u s 结合的p r o f m e t 等。 ， ( 2 ) 嵌入式微互联网技术( e m i t ) 相结合，这是利用网间连接器模式的解决方 案。e m i t 采用计算机或嵌入式处理器作为网关，称为e m g a t e w a y ，支持t c p i p 协议并运行h t y p 服务程序，形成一个用户可以通过网络浏览器进行远程访问的 服务器。 ( 3 ) 与嵌入式技术相结合，引入微处理器作为网络通信的实现核心，通过软 件或硬件的方式实现基于t ( ：p 口协议和以太网协议的网络通信任务，完成传感器 与互联网的无缝连接。 其中，基于嵌入式t c p i p 技术的网络化传感器实现方式是主流的发展方向， 是当前研究的热点之一。基于嵌入式t c p i p 技术的优势在于： ( 1 ) 使网络系统具有开放性，极大降低网络系统成本，简化了系统结构，提 高了系统的可靠性、快捷性，使网络系统更易于维护； ； ( 2 ) 不需要其他的通讯处理及网关，也不再保留底层通信模式，可真正实现 了分布式网络传感器和即插即用功能； ( 3 ) 可根据具体实际应用，对协议进行剪裁，方便网络功能开发。 2 2 3 基于嵌入式t c p i p 网络化传感器的实现方式 一般的网络传感器的基本结构如图2 1 所示，主要由三部分组成：敏感单元、 智能处理单元以及网络通信接口。敏感单元由各种传感器单元组成，其输出为模 拟量、数字量、开关量等。信号处理单元是以微处理器为核心，主要完成a d 转 换、信号滤波去噪、补偿等处理，也可以编写将智能算法如神经网络等对输入信 号进行模式识别。网络通信模块实现数据的远程传输及对现场设备的远程控制， t c p p 协议是常用的网络标准协议，支持多种开发软件。 西北工业大学硕士学位论文网络化电子鼻技术简介 智能传感嚣同络接口f 智能算法 i 数 乏通敏信 九h 物 l 据 用 信感号 + 转 理一链 协 户一一+ 介 一 元 调 层 议 层 质件理 换 层 层 传 舂器参蠡表 图2 1 网络传感器的基本结构 基于嵌入式t ( 珊口网络接口的实现方法大致有两种，一种是采用软件方式实 现，就是将完整的t c p i p 协议及以太网协议或者根据实际应用将其进行简化编写 到微处理器中，调用对应的a p i 函数实现网络通信。此种方式成本低，但实现过 程相对复杂，开发周期较长。另外一种是采用硬件方式实现，直接使用嵌入t c p i p 协议的网络芯片，如韩国w i z n e t 公司的e t h c r 3 1 0 0 、研华公司的s 7 6 0 0 a 、武汉 力源公司的w e b c h i p 等，使用这些芯片的操作简单，但是缺点是成本非常之高。 因此，常用的网络实现方式是将协议栈嵌入微处理器中，并用微处理器驱动网络 控制芯片实现网络通信功能。这就要求微处理器实现数据采集、信号处理及网络 通信等功能，由于其资源有限，利用单任务和中断方式等实现这些复杂的功能使 系统的可靠性及实时性得不到保证。随着实时操作系统0 t x o s ) 的发展，具有多任 务的嵌入式操作系统应用到了微处理器中，提高了系统的可靠性与实时性。而一 些嵌入式操作系统支持网络模块接口功能，用户不用写网络协议，直接调用应用 接口函数就可实现网络通信。 许多公司推出的嵌入式操作系统，如p a l m so s ，w i n d o w sc e ，e p o c ，l i n u x ， o n x ，e c o s ，l y n x ，n u c l e u sp l u s 等，它们都支持网络功能，用户可以根据 实际情况选用合适的系统。其中l i n u x 是网络化传感器中应用较为广泛的嵌入式 多任务操作系统，具有开放源代码价格低廉、易于移植等优势。l i n u x 嵌入式操 作系统的微内核直接提供网络支持，不需要外挂t c p i p 协议包，与微处理器如 a r m 系列及以太网接口可实现网络化功能：n u c l e u sp l u s 是属于抢先式实时多 任务操作系统内核，用a n s ic 编写因此非常适合移植，支持绝大多数微处理器， 具有用于局域和广域的网络通讯模块n u c l e u sn e t ，它与n u c l e u sp l u s 无缝结合， 1 2 西北工业大学硕士学位论文，网络化电子鼻技术简介 实现多任务实时操作系统下的网络互联功能。本文在第五、六章就具体介绍了基 于嵌入式操作系统n u c l e u sp l u s 及其支持t c p i p 协议的网络功能模块实现了电 子鼻系统的网络功能。 2 2 4 网络化传感器的其它实现方式 国内外相关研究，各类方法和实现方案不断涌现，各有特点和优势。1 9 9 4 年 i e e e ( t h ei n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c se n g i n e e r s ) 和n i s t ( t h en a t i o n a l i n s t i t u t e o f s t a n d a r d a n d t e c h n o l o g y ) 联合发起制定了“灵巧传感器接口标准 ( s m a r t s e n s o ri n t e r f a c es t a n d a r d ) l e e e l 4 5 1 。i e e e l 4 5 1 2 标准是通过传感器电子数据表 t e d s ( t r a n s d u c e re l e c t r o n i cd a t as h e e t ) 单定义多个传感器的数据