一种用于蔬菜病害检测的电子鼻的设计

张锐敏　卢佩　周涛　钟福如

摘 要：在研究电子鼻结构的基础上，文中利用金属氧化物半导体传感器组成传感器阵列，结合虚拟仪器LabVIEW平台强大的数据采集和分析功能，设计了一种性价比较高的电子鼻系统。完成了以传感器阵列为基础的采集电路设计，及基于NI数据采集卡、虚拟仪器数据采集和分析平台的设计。最后利用电子鼻系统对蔬菜白粉虱病害进行了测试。

关键词：电子鼻；传感器阵列；虚拟仪器；数据采集卡

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2018）03-0-02

0 引 言

电子鼻是根据仿生学原理，由传感器阵列、检测系统、自动化模式识别系统所组成的电子仪器[1]。该仪器能够分析、识别和检测复杂气味和大多数挥发性成分。由电子鼻检测得到的不是被测样品中某种或某几种成分的定性与定量结果，而是得出样品中挥发性成分的整体信息，这些信息被称为样品的“指纹”数据。利用电子鼻既能检测特定气体，又能评价混合气体或挥发性化学成分。因为其具有在线检测速度快、灵敏度高、不会发生嗅觉疲劳、对样品无需预处理、操作简单，并能够得出样品客观的检测结果等优点，现已发展成为环境监测、食品质量检测、饮料以及农产品检测和加工等领域一项便捷的检測技术[2]。

近年来，电子鼻技术受到了越来越广泛的关注。程绍明利用电子鼻对番茄苗的早疫病病害进行了检测和分析[1]。朱娜 等[3]利用电子鼻对草莓贮藏期常见的霉菌感染进行了检测。陈辰星等[4]利用传感器、单片机搭建的电子鼻系统实现了对冰箱贮存食品新鲜度的检测和识别。吴文娟等[5]利用传感器阵列建立的电子鼻系统实现了对猪肉新鲜度的快速分类。因此，电子鼻在农作物虫害检测、农产品质量检测方面具有巨大的应用潜力。目前，进口的电子鼻产品价格昂贵，因此设计一种简单、实用、低成本的电子鼻系统意义重大。

1 系统整体架构

电子鼻系统如图1所示，主要由采集电路、信号处理电路、数据测量分析软件三部分构成[5]。

采集电路主要用来采集样品的气味信息，由传感器阵列组成，在此我们选用了六种金属氧化物半导体传感器。信号处理电路中主要利用金属氧化物传感器与待测样品气体接触时电阻发生变化的特性，匹配电阻测量传感器的响应变化。响应后的电压值通过数据采集卡采集，数据采集卡选用美国NI公司研发的16通道高速PCI采集卡6023E。采用NI的LabVIEW2015开发平台开发相应的数据测量平台软件。

2 硬件设计

气体采集单元选择六种MOS传感器组成的传感器阵列，型号和性能特点见表1所列。

3 软件设计

为缩短开发周期，降低开发成本，并方便观察以及对数据的后续处理，系统软件采用LabVIEW开发平台。LabVIEW不仅为数据采集、信号分析和处理等提供了方便快捷的函数，同时也为数据保存提供了多种格式的数据保存方案。

电子鼻数据测量分析软件的主要功能是设置数据采集参数，包括采样信号幅值，采样通道，采样周期，数据存储位置等参数的设定。此外，还可对传感器数据进行实时显示，包括数值显示和曲线显示。考虑到系统的可扩展性，在设计中设置了八个通道的数据采集和显示功能。软件设计前面板和程序框图如图3和图4所示。

4 结 语

电子鼻系统设计完成后对感染了白粉虱病害的蔬菜苗进行了检测和分析，共进行了3批次共计30个样品的检测。在数据采集过程中，系统比较稳定，操作方便。能够完成对数据的实时采集，并可将实时采集的信号以图形化方式显示，保存数据。这为进一步利用模式识别方法对蔬菜病害分类提供了基础[6，7]，可进行基于电子鼻技术的蔬菜病害无损检测方法的研究。

参考文献

[1]程绍明.基于电子鼻技术检测番茄种子发芽率和种苗病害的可行性研究[D].杭州：浙江大学，2011.

[2]朱娜，毛淑波，潘磊庆，等.电子鼻对草莓采后贮藏早期霉菌感染的检测[J].农业工程学报，2013，29（5）：266-273.

[3]张嘉琪，冀大选，李杰一，等.基于LabVIEW平台的电子鼻系统设计[J].传感器与微系统，2015，34（5）：92-94.

[4]陈辰星，邹莹畅，张希，等.冰箱贮存食品新鲜度检测与识别的智能电子鼻设计[J].电子技术应用，2015，41（4）：77-80.

[5]吴文娟，方向生，蔡强，等.基于气敏传感器阵列和PCA的猪肉新鲜度快速分类方法[J].传感技术学报，2010，23（11）：1536-1540.

[6]赵万，梅笑冬，朱哲，等.基于LabVIEW和PCA分析方法的电子鼻设计[J].吉林大学学报（信息科学版），2013，31（2）：147-151.

[7]梁子跃，杨昊，黄灿灿，等.电子鼻的混合气体分类研究[J].中国计量学院学报，2017，28（3）：388-393.

[8]于慧春，彭盼盼，殷勇，等.电子鼻融合BP神经网络预测玉米赤霉烯酮和黄曲霉毒素B1含量模型研究[J].中国粮油学报，2017，32（5）：117-121.