白酒是中國特有的一種蒸餾酒[1]。白酒的品質識別主要是通過感官評定和化學分析法檢測，其缺點顯而易見[2]。

    電子鼻是一種分析、識別、檢測復雜嗅味和揮發性成分的人工嗅覺系統，其能得到樣品中揮發性成分的整體信息[3]。電子鼻中的一個重要環節是氣味數據的采集，前期已經用數據采集卡設計了第一代HG_Enose_WQ1型白酒電子鼻[4]。本文以STM32為核心處理器，將ZigBee無線通信、虛擬儀器等技術融為一體，設計了第二代無線白酒電子鼻(HG_Enose_WQ2型)。
1 系統總體結構
    無線白酒電子鼻由網關節點和終端節點組成。終端節點主要實現氣味信號采集、信號調理、A/D轉換、無線通信、數據傳輸、人機對話等功能。其以控制器為核心，包括氣敏傳感器陣列、溫濕度傳感器模塊、信號調理模塊、電源模塊、鍵盤模塊、顯示模塊、無線通信模塊和串行通信模塊等。系統總體功能是：首先由上位機軟件平臺發布采集數據命令，通過網關節點將命令由其無線收發模塊進行發送；終端節點接收到命令后，將命令的主機地址與自己地址對照，如果一致，則執行氣味和溫濕度數據采集操作，并對其進行A/D轉換，處理器將數據進行打包，通過無線收發模塊發送到網關節點；網關節點接收數據，并通過RS232總線以MODBUS協議形式傳輸給上位機；最后在上位機軟件平臺上進行實時顯示、存儲、回放和分析等數據處理操作。圖1為電子鼻硬件系統總體框圖。

2 硬件設計
    硬件設計部分介紹了各硬件電路模塊的設計思想。
2.1 氣敏傳感器陣列
    在電子鼻中，氣敏傳感器是采集氣體信息的主要部件，它將氣體種類及其濃度的相關信息轉化成電信號后進行檢測。借鑒參考文獻[5]，本設計的白酒電子鼻選擇了日本費加羅公司生產的TGS2600、TGS2602、TGS2610、TGS2611、TGS2620共5個TGS傳感器組成傳感器陣列，這些傳感器對酒精的敏感性高，非常適合于檢測微量低濃度氣體，具有壽命長、穩定性好、耐腐蝕性強、結構簡單、成本低、可靠性和機械性能好、可長時間連續使用等優點。其對氣體的檢測可通過器件電阻變化直接轉變成電信號，且電阻率變化大，信號處理可不用高倍數的放大電路即可實現。為了校正溫濕度對電子鼻系統的影響，傳感器板上擴展了AM2302型數字溫濕度傳感器，它是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。
2.2 信號調理模塊
    電子鼻氣體采樣方式采用的是靜態采樣法，主要是在一個含有傳感器的密閉容器中放置一些固體或氣體樣品，使其揮發變成氣體。也可以通過注射口直接將樣品氣體注射到容器中進行測試，測試完成后需要將這一密閉容器進行清洗，然后再進行下一次實驗。氣體分子在靜態的環境中主要以擴散的形式充滿整個測試容器。信號調理模塊的核心就是通過外接電阻將氣敏傳感器電阻的變化轉換成電壓信號輸出。考慮到可能存在的高頻干擾，通過并聯電容進行低通濾波。由于傳感器陣列是由多個傳感器組成，如果每一個傳感器都占用一個A/D口，則會導致控制器資源不夠用。因此利用8選1模擬開關CD4051分時選通傳感器，以節約A/D端口。圖2所示為氣敏傳感器陣列信號拾取電路原理圖(傳感器僅給出了TGS2600)。

2.3 核心處理器模塊
    電子鼻核心處理器選用STM32系列增強型微控制器STM32F103，其采用ARM公司具有突破性的Cortex-M3內核[6]，工作頻率為72 MHz，片上集成的Flash最多可達512 KB，可用于存儲程序和節點在工作過程中采集到的氣味數據；片上還帶有2個12 bit ADC，可以將氣敏傳感器電壓信號轉換為MCU可以運算、處理的數字信號；5個USART接口可以用于無線收發芯片與上位機之間進行通信。
2.4 無線通信模塊
    無線通信模塊選用CC2430芯片，它是一款符合ZigBee技術的2.4 GHz射頻芯片，其工作電壓范圍為2.0 V～3.6 V，電流消耗很低，發射電流約為25 mA，接收電流約為27 mA，休眠模式時僅為0.9 μA，能夠滿足無線電子鼻系統高性能、低功耗的需求[7]。CC2430與STM32核心處理器連接非常方便，它僅使用2根線將CC2430的P0_3(TX)和P0_2(RX)兩個引腳與STM32的PA2(UART2_TXD)和PA3(UART2_RXD)兩個引腳相連即可實現數據的收發。具體電路如圖3所示。

2.5 其他模塊
    電子鼻系統中硬件裝置和PC機之間采用RS-232通信方式，設計電路時采用MAX3232芯片進行電平轉換。電子鼻系統中，STM32、CC2430工作電壓為3.3 V，傳感器加熱電壓為5 V，需要將電源適配器輸出的5 V電壓進行降壓處理，因此設計了電源模塊。為了人機交互的方便，還設計了矩陣鍵盤、LED顯示等模塊。
3 軟件設計
    系統軟件分為嵌入式軟件和上位機軟件兩個部分，采用模塊化的編程思想進行設計。嵌入式軟件系統主要包括主程序、A/D轉換子程序、LED顯示子程序、無線通信子程序、RS-232通信子程序、數據存儲子程序等模塊，基于ARM嵌入式的開發環境IAR進行編程；上位機軟件系統主要完成數據采集、數據存儲、數據預處理、數據特征提取等功能，采用基于G語言的虛擬儀器開發平臺LabVIEW進行設計。可靠的軟件程序將能保證電子鼻系統的穩定運行，為后續的白酒品質檢測實驗提供一個良好的檢測平臺。
    限于篇幅，本文主要介紹上位機軟件設計思路。上位機軟件采用NI公司推出的一種虛擬儀器軟件LabVIEW作為開發平臺，數據采集是其最主要的功能之一，需要完成5路氣味數據、溫濕度的實時顯示和存儲。數據采集模塊采用VISA實現LabVIEW與電子鼻硬件裝置之間的通信[8]。
    首先是串口初始化，利用VISA Configure SerialPort.vi節點設定串口的端口號、波特率、1幀信息中的有效數據的位數、停止位、奇偶校驗、數據流量控制等。其次是讀寫串口，利用VISA Read.vi節點和VISA Write.vi節點對串口進行讀寫。由于LabVIEW平臺上的串行通信過程中，發送和接收的數據格式是以字符串格式，字符串中的每個字符實際上對應ASCII字符；而采用MODBUS RTU模式進行通信時，發送和接收的數據格式是直接的十六進制字符。所以，發送數據之前必須把要發送的十六進制字符利用bytes array to string函數轉換成對應的ASCII字符，同樣接收到的數據(ASCII字符)可通過string to byte array函數轉換為對應的十六進制字符。最后關閉串口，利用VISA Close.vi節點將打開的串口關閉，停止所有讀寫操作。
    STM32處理器與上位機之間采用了MODBUS“一問一答”形式的通信協議，單純使用VISA函數，雖然能夠建立上位機與下位機之間的通信，且能采集到數據，但數據存在亂碼現象。因此，在數據采集程序While循環外部使用NI MODBUS函數庫中的MB Serial Init函數初始化串口，修正前述的VISA Configure SerialPort.vi函數。并且，在數據發送和數據接收之間加了一個延遲，延遲時間可由前面板指定，一般設置為50 ms。MODBUS采用RTU格式，PC機采集下位ARM處理器的數據，設定下位機的地址編號為01，數據存儲的寄存器首地址為0CH單元，采集下位機的數據量為：終端ZigBee節點的短地址2 B、8個傳感器的數據16 B(其中只使用了5個傳感器，另外3個傳感器未連接，傳感器板上多設計了3個氣味傳感器插腳以便陣列的進一步擴充)、溫濕度4 B，共計22 B、11個字。若MODBUS協議中讀取下位機數據功能碼為03H，則上位計算機應向下位機發送命令碼01 03 00 0C 00 0B C4 0E(C4 0E是前6 B的CRC-16校驗碼)，下位機接收到該命令后，則按MODBUS協議格式返回采集到的數據。
    為了將采集的數據保存在PC機中以便進一步分析，數據采集模塊首先利用Open/Create/Replace File 函數創建一個文本文件，如果這個文件存在就替換它，然后再利用Write to Text File函數將數據保存為文本文件。同時采用磁盤流技術來提高數據存儲的效率，即在程序執行過程中，文件一直處于打開狀態，避免了每次寫文件前后程序都要與計算機操作系統交互操作去打開或關閉文件。此外，合理保存5路傳感器輸出的響應值也較為重要。如果在txt文件中能以5列的形式進行數據存儲，則能給下面基于MATLAB平臺的數據處理和識別帶來極大的方便。在由簇Unbundle函數對5列數據形成的簇拆解之后，利用Cluster to Array函數將簇數據轉換成數組數據，并進一步利用Array to Spreadsheet String函數將數組轉換成電子表格數據形式，送入Write to Text File函數，就能得到所需的txt文件存儲效果。通過LabVIEW軟件平臺進行白酒氣味數據采集的前面板如圖4所示。

    經過實驗測試，本系統運行可靠，能夠滿足白酒氣味數據采集的實驗需求。但也存在一些問題：氣敏傳感器選擇的是商用傳感器，價格昂貴；采取的靜態頂空生成法的效果不如動態采樣法；雖然加了無線通信等新手段，但整個系統自動化程度不高，在硬件上表現為需要人工操作置入電子鼻，在軟件上表現為需要人為執行采樣起始和結束等操作。下一步的工作是與材料學科緊密合作，制作自己的傳感器，研制動態采樣全自動智能型電子鼻。
參考文獻
[1] 楊國強，張淑娟.電子鼻技術在酒類識別應用中的研究進展[J].山西農業大學學報(自然科學版)，2010，30(1)：92-96.
[2] Yu Huichun，Wang Jun.Discrimination of longjing green-tea grade by electronic nose[J].Sensors and Actuators B，2007，122(1)：134-140.
[3] 劉紅秀，李洪波，李衛東.基于電子鼻的魚類新鮮度估計研究[J].中山大學學報(自然科學版)，2010，49(2)：28-30.
[4] 蔣鼎國，周紅標，耿忠華.基于PSO-SVM的白酒品質鑒別電子鼻[J].中國釀造，2011(11)：149-152.
[5] Zhang Zhe，Tong Jin，Chen Donghui，et al.Electronic nose with an air sensor matrix for detecting beef freshness[J]. Journal of Bionic Engineering，2008，5(1)：67-73.
[6] 周永龍，雷金奎.基于STM32的數字舵機控制系統的設計[J].計算機測量與控制，2011，19(1)：66-68.
[7] 丁承君，趙艷輝，張明路，等.基于ZigBee的有害氣體信息采集系統設計[J].天津工業大學學報，2012，31(1)：74-77.
[8] 周紅標，蔣鼎國，柯永斌，等.基于STC單片機和LabVIEW 的心音信號檢測系統[J].電子技術應用，2012，38(1)：31-33.