农药残留检测系统的设计

　　目前，农产品使用的化学农药以有机磷、氨基酸脂类为主，这两类农药对人体都有较高的毒性，酶抑制法是常用的一种检测农药残留的方法，是以有机磷农药的毒理特性建立的一种快速检验方法，具有操作简单、速度快，适合现场检测等特点。根据酶抑制法技术原理设计的检测装置比较多，但这些研究大都集中于系统硬件装置的设计。如何将采集的农残数据传输到上位机，并进行科学处理正是笔者研究设计的目的，采用无线传感器网络，设计传感节点及汇聚节点进行数据的采集和传输，利用虚拟仪器软件 LabVIEW 作为开发平台，设计了一套新的农药残留检测仪系统。
　　1 总体设计
　　农药残毒检测系统主要由光源、比色池、光敏传感器及数据采集器等组成，具体构成分述如下：
　　a. 单色光源。采用 410nm 蓝紫色的高亮度LED 作为光源。
　　b. 待测液。待测样品与试剂在样品池中进行水解显色反应，反应后的液体颜色深度与样品的农药残留相关。
　　c. 传感器。本设计选用 TSL2561 作为光频转换器件，其特点是感光性能稳定、反应迅速、对强光无记忆效应、对弱光也很灵敏，是比较理想的光频转换器。
　　d. 单片机。采用单片机控制，完成信号的采集、处理、反馈及结果输出的软、硬件设计（ 结果采用液晶显示并可将检测数据通过微型打印机打印出来，同时通过通信系统实现与微型计算机的通信，实现数据共享）。
　　e. 无线收发模块。采用 nRF905 无线收发器，实现上位机与下位机之间的数据通信。
　　农药残毒检测系统的总体架构如图 1 所示。

　　图 1 系统的总体框图
　　2 无线传感系统的设计
　　2. 1 模型设计
　　传感节点随机分布于市场环境中，对市场中的某种农产品的信息进行检测处理。汇聚节点利用多跳通信方式收集各个农残检测点的数据； 汇聚节点一方面将收集的数据进行上传，另一方面要协调调度系统中各个节点工作，同时还要充当该无线局域网的网关，最终将 WSN 联入以太网。同时，远程用户通过服务器连接到中心节点并对目标节点进行访问。系统根据需求分成互相独立的子网，各子网互不干扰，独立完成目标方案，各个子网通过中心节点进行互访［8 ～10］。无线传感器网络系统的结构如图 2 所示。

　　图 2 无线传感器网络系统结构
　　2. 2 传感节点的设计
　　传感节点硬件电路设计的主要工作有两部分： 传感器节点的设计以及中心节点即汇聚节点的设计。传感部分是系统的重要组成部分，功能较单一，主要负责采集信息，接收用户任务，信息处理并传至中心节点———传感节点通过无线网络以多跳方式将采集到的数据传送至中心节点。传感部分主要由存储、处理、无线传输、传感、电源等模块以及其它外围电路组成。汇聚节点部分功能复杂，需要连接无线网络和以太网，实现网关功能，同时要进行复杂的数学运算，与传感节点相比，对于处理能力和外部接口的要求更高。汇聚节点的整体结构如图 3 所示。

　　图 3 节点整体架构图
　　3 中传感模块和微处理器通过扩展接口相连，传感器模块可以根据不同需要进行扩展，方便各类型数据的采集。处理模块以总线方式连接存储、传感和无线收发等各模块，传感节点使用锂离子电池供电，具有使用方便、体积小等优点。
　　汇聚节点是整个系统的中心节点，负责智能调度以及网络数据和控制命令信息的传输以及整个系统的控制，并将无线网络与以太网互联，实现数据传输与控制调度。它以用户与节点之间友好接口的形式出现在系统中，其结构如图 4 所示。

　　图 4 汇聚节点体系构架

与传感节点相比，汇聚单元多了一个无线收发模块，同时含有容量较大的存储模块及功能很强的处理模块，其余功能与传感单元的结构和功能相同。为了连接远程服务器，单元还设有以太网控制模块，以以太网网管功能的形式存在于整个系统中。汇聚节点即中心节点量比较少，且地理位置很少移动，以公用市电为其供电。
　　3 软件系统设计

     3. 1 软件平台及功能模块划分软件模块设计是系统设计的核心。笔者仅给出上位机虚拟农残检测系统的软件设计，采用LabVIEW 图形化编程语言实现。
　　软件系统的功能模块主要包括 5 部分： 数据管理、数据采集、数据分析、报表打印和系统帮助模块。
　　数据管理模块采用 LabVIEW 数据库访问包LabSQL，通过在 LabVIEW 中调用子 VI 的方式实现对数据库的访问，主要完成诸如被检单位、被检人和被检物品等基本信息的录入、查询和删除等操作。
　　数据采集模块利用 LabVIEW 强大的虚拟仪器软件架构 VISA 完成上位机与检测系统硬件装置之间的通信，对各光敏传感器信号进行采集并实时显示和存储。VISA 定义了新一代 I/O 接口的软件规范，该规范不仅适用于 VXI 接口，还可用于串口、GPIB 和其它接口。串口通讯 VI 位于Function→InstrumentI / O→Serial 上，调用 VISA串口配置函数时要设置与单片机程序一致的通信协议。
　　数据存储采用磁盘流技术，以提高程序的执行效率。
　　数据分析模块主要是对采集到的各种农产品的抑制率数据进行处理，包括分析农药浓度和抑制率的关系、温度对抑制率的影响和绘制各种曲线等。报表打印主要是编辑和打印检测报告，报告以 Word 格式生成，包括温度、抑制率、农残浓度和农残是否超标等信息。
　　系统帮助主要介绍系统的使用方法和注意事项。
　　3. 2 虚拟农残检测系统面板设计
　　系统的前面板设计简单、界面友好、易于操作并且功能齐全，分别按照软件系统的 5 大功能模块进行设计，如数据采集模块主要是基本参数的设置，涉及通道选择、采样速率及缓冲区大小等。
　　此外系统还要具备分析功能，如绘制某天某蔬菜批发市场各种农产品农药残留量曲线，或某段时间某种农产品农药残留量曲线等。经过处理后的所有数据都以文本格式存储在硬盘指定的目录中，用户可以进行备份或者用第三方软件进行再分析。系统的软件界面如图 5 所示，图中是 2009年 11 月 01 ～25 日某菜场被抽检四季豆农药残留量的曲线图。

　　图 5 系统的软件界面（ 数据分析模块）
　　4 结束语
　　笔者对农药残留检测系统进行了总体设计，在此基础上建立了无线传感器网络数据监测系统的模型，然后对系统的整体架构进行了搭建，设计了基于 LPC2214 和 MSP430F149 的传感单元和汇聚单元，顺利实现了系统的远程监测，实现了对各个市场内农产品残毒数据的采集和处理，并进行了数据融合，利用 LabVIEW 软件开发管理程序，并将所得到的各种变量记入数据库内，方便后续处理。仿真结果表明，该系统具有一定的先进性，进一步完善功能后可推广到市场上应用