智能式農藥殘毒檢測系統設計

摘要：針對農產品中的農藥殘毒狀況，設計一種基于酶抑制法的運用先進檢測技術的農產品農藥殘毒自動檢測系統。該系統以單片機控制器為核心，硬件包括ＬＥＤ顯示器、比色池、硅光電池和數據采集器等部分，利用ＵＳＢ接口將溫度、吸光度以及抑制率等信號上傳給上位ＰＣ機，在基于ＬａｂＶＩＥＷ的軟件平臺上對其進行分析處理。該系統可對多種樣品同時檢測，測量準確度高，精密度好，方便快速，適合于各種實際應用場合，具有廣泛的應用前景。試驗證明，該系統穩定性好，數據傳輸可靠性高，實現了農殘數據的采集、存儲和分析等功能。

關鍵詞：農藥殘毒；酶抑制法；單片機；檢測系統

中圖分類號：Ｏ６５７；Ｓ４８１＋．８文獻標識碼：Ａ文章編號：0439－８114（２０11）16－3403-05

Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ the Automatic Ｐｅｓｔｉｃｉｄｅ Ｒｅｓｉｄｕｅ Ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ

ＪＩＡＮＧ Ｄｉｎｇ－ｇｕｏ１，Ｘ?譈 Ｂａｏ－ｇｕｏ２

（１．Ｏｆｆｉｃｅ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｕａｉｙｉｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｕａｉ’ａｎ ２２３００３，Ｊｉａｎｇｓｕ，Ｃｈｉｎａ；

２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Internet of Things Engineering， Ｊｉａｎｇｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｘｉ ２１４１２２，Ｊｉａｎｇｓｕ，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａｎ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ the ａｄｖａｎｃｅｄ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ of ｅｎｚｙｍｅ ｉｎｈｉｂｉｔｉｏｎ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｐｅｓｔｉｃｉｄｅ ｒｅｓｉｄｕｅ ｉｎ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｐｒｏｄｕｃｔｓ． Ｕｓｉｎｇ ｓｉｎｇｌｅ－ｃｈｉｐ ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｓ ｔｈｅ ｃｏｒｅ， ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｎｔａｉｎed ｈａｒｄｗｉｒｅｓ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ＬＥＤ， ｃｕｖｅｔｔｅｓ ｔｏ ｓｔｏｒｅ ｔｈｅ ｌｉｑｕｉｄ， ｓｉｌｉｃｏｎ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｃｅｌｌｓ ａｎｄ ａ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅ． Ｉｔ ｃould ａｃｑｕｉｒｅ ａｎｄ ｓｔｏｒｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｌｉｇｈｔ ａｂｓｏｒｂｅｎｃｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｈｉｂｉｔｉｏｎ ｒａｔｅ，ａｎｄ could ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｅ ｗｉｔｈ ＰＣ ｕｓｉｎｇ ＵＳＢ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ． Ｔｈｅ ｖｉｒｔｕａｌ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｓｙｓｔｅｍ was ｂａｓｅｄ ｏｎ ＬａｂＶＩＥＷ． Ｓｅｖｅｒａｌ ｓａｍｐｌｅｓ ｃould ｂｅ ａｎａｌｙzｅｄ ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ． Ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ ａｎｄ ｆａｓｔ ｗｉｔｈ ａ ｇｏｏｄ ａｃｃｕｒａｃｙ ａｎｄ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ． Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ waｓ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｒｅｓｉｄｕｅｓ ｏｆ ｏｒｇａｎｏｐｈｏｓｐｈａｔｅ ａｎｄ ｃａｒｂａｎａｔｅ ｉｎｓｅｃｔｉｃｉｄｅｓ ｉｎ ｖａｒｉｏｕｓ ｓａｍｐｌｅｓ． Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔ ｉｎｄｉｃａｔｅd ｔｈａｔ ｉｔ waｓ ｒｅｌｉａｂｌｅ ａｎｄ ｓｕｉｔａｂｌｅ． Ｉｔ ｃould ａｃｑｕｉｒｅ，ｓｔｏｒｅ，ｐｅｒｆｏｒｍ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｄａｔａ ｏｆ ｐｅｓｔｉｃｉｄｅ ｒｅｓｉｄｕｅ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｐｅｓｔｉｃｉｄｅ ｒｅｓｉｄｕｅ； ｅｎｚｙｍｅ ｉｎｈｉｂｉｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ； ｓｉｎｇｌｅ－ｃｈｉｐ ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ； ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ system

由于我國在農藥生產和使用上存在一定問題，加強對食品及農產品中農藥殘毒的檢測顯得非常必要。在現行的農產品生產加工及市場檢測監督領域，尚缺乏一種現場對農藥殘毒檢測簡捷有效的快速檢測儀器和設備。我國農業生產模式仍以個體農戶經濟為主，因此不容易實現集中檢測和管理。而采用價格昂貴、成本高的大型檢測儀器設備并不現實，無法進行普及。目前農產品中使用的有機磷、氨基甲酸酯類農藥常作為高效、廣譜的殺蟲劑，被廣泛地用于農業、家庭以及倉儲等的殺蟲，其對人體健康都會造成一定危害，因此研制開發一種廉價、高效的農藥殘毒快速檢測微型智能分析儀能有效降低由農藥殘毒帶來的安全風險。

目前利用有機磷農藥毒理特性的酶抑制法應用較多，其特點是操作簡便、檢測快速，已經得到了一定程度的應用。依據該原理的農藥殘毒檢測方法已有相關的研究［１－３］，但這類方法多關注化學方法的應用，涉及自動檢測、數據采集和處理的自動化程度的研究較少。本研究以解決食品及農產品中農藥殘毒的快速檢測問題，從檢測原理及方法上展開了系統研究，設計了一種基于酶抑制法的應用先進檢測技術的農產品農藥殘留自動檢測系統。

１農藥殘毒檢測系統總體設計思路

系統總體方案如圖１所示。①單色光源：系統采用具有４１０ ｎｍ波長藍紫色的發光二極管（ＬＥＤ）作為光源。②待測液：待測樣品與試劑在樣品池中進行水解顯色反應，反應后的液體顏色深度與樣品的農藥殘留相關。③傳感器：設計選用ＴＳＬ２３０作為光頻轉換器件。其特點是感光性能穩定、反應迅速、對強光無記憶效應、對弱光也很靈敏。④單片機：采用單片機控制，完成信號的采集、處理、反饋及結果輸出的軟、硬件設計，結果采用液晶顯示并可將檢測數據通過微型打印機打印出來，同時通過通信系統實現與微型計算機的通信，實現數據共享［４－６］。⑤無線收發：采用ｎＲＦ２４Ｌ０１無線收發器，實現上、下位機之間的數據通信。⑥電平轉換：下位機系統可以與ＰＣ機通過串行接口進行通信，使用電平轉換芯片ＭＡＸ２３２，將單片機輸出的ＴＴＬ電平轉化為ＲＳ２３２電平。⑦ＰＣ機：基于ＰＣ機的ＬａｂＶＩＥＷ環境下［７，８］，調用信號處理函數，編寫程序和設計虛擬儀器界面，形成檢測農藥殘毒功能的應用程序，進行檢測結果數據顯示。

２系統硬件設計

２．１系統硬件總體結構

系統硬件部分是以單片機系統為核心，包括ＬＣＤ顯示、總線接口ＲＳ２３２、無線收發模塊nRF24L01、便攜式電源、輸入鍵盤、打印機等。單片機系統總體框架如圖２所示。

２．２光源系統及傳感器

系統采用４１０ｎｍ波長藍紫色的高亮度ＬＥＤ作為光源。光頻轉換器ＴＳＬ２３０是美國ＴＩ公司的最新智能傳感器，它可直接對可見光進行頻率轉換；其靈敏度、分頻輸出可由程序控制，該器件特別適合于頻率計數器、脈沖累加器及高速定時器。采用ＴＳＬ２３０的前端檢測電路如圖３所示。

２．３單片機選型

設計采用的單片機是Ｐ８９Ｖ５１系列。Ｐ８９Ｖ５１ＲＢ２是一款８０Ｃ５１微控制器，包含１６ｋＢ Ｆｌａｓｈ和１ ０２４字節的數據ＲＡＭ。Ｐ８９Ｖ５１ＲＢ２的典型特性是它的Ｘ２方式選項。利用該特性，設計工程師可使應用程序以傳統的８０Ｃ５１時鐘頻率（每個機器周期包含１２個時鐘）或Ｘ２方式（每個機器周期包含６個時鐘）的時鐘頻率運行，選擇Ｘ２方式可在相同時鐘頻率下獲得２倍的吞吐量。從該特性獲益的另一種方法是將時鐘頻率減半而保持特性不變，這樣可以極大地降低電磁干擾（ＥＭＩ）。Ｆｌａｓｈ程序存儲器支持并行和串行在系統編程（ＩＳＰ）。并行編程方式提供了高速的分組編程（頁編程）方式，可節省編程成本和上市時間。ＩＳＰ允許在軟件控制下對成品中的器件進行重復編程。應用固件的產生／更新能力實現了ＩＳＰ的大范圍應用。Ｐ８９Ｖ５１ＲＢ２也可采用在應用中編程（ＩＡＰ），允許隨時對Ｆｌａｓｈ程序存儲器重新配置，即使是應用程序正在運行也不例外。由Ｐ８９Ｖ５１組成的主控制電路如圖４所示。

２．４單片機外圍子系統設計

單片機外圍子系統包括測量數據的存儲，液晶顯示電路、鍵盤陣列、打印機、ＰＣ機通信接口電路、便攜式電源等。

２．４．１液晶顯示設計采用杭州清達光電技術有限公司生產的具有１２８×６４分辨率的大屏幕液晶顯示模塊ＬＣＭ１２８６４，該模塊提供有１２８×６４點陣，包括ＬＣＤ顯示屏、ＬＣＤ驅動電路、連接件、ＬＣＤ控制模塊、ＰＣＢ線路板、背光源和結構件等。驅動電壓５Ｖ。寫信號ＷＲ與讀信號ＲＤ分別由單片機的Ｐ４．６口和Ｐ４．７口控制，７管腳是片選端，直接與單片機的Ｐ６．６口相連接，８管腳是命令數據端口，與Ｐ６．７口相連接，數據線１０－１７管腳與Ｐ０口相連接，ＳＬＡ與ＳＬＢ管腳是液晶背景燈的控制端子，其中ＳＬＡ管腳通過０．５Ω的電阻與５Ｖ電源連接，ＳＬＫ管腳由單片機Ｐ２．２端口通過一個達林頓管與之連接，當Ｐ２．２管腳給出低電平時，第一個三極管處于截止狀態，而第二個三極管處于飽和導通，使得ＳＬＫ端接地，背景燈點亮，反之則背景燈熄滅。

２．４．２ＰＣ機通信接口設計設計實現了單片機與計算機的通信功能。主要應用單片機的Ｐ３．０口（串行數據接收端），Ｐ３．１口（串行數據發送端），以及電平轉換專用芯片ＭＡＸ２３２、ＲＳ２３２通信接口來實現這一功能。使用電平轉換芯片ＭＡＸ２３２將單片機輸出的ＴＴＬ電平轉化為ＰＣ機的ＲＳ２３２電平。采用５Ｖ電源，需要的外圍元件少，且遵循ＥＩＡ／ＴＩＡ２３２通信標準，傳輸速率達２２０ｋｂｐｓ。電路如圖５所示。

３系統軟件設計

系統整體軟件框架如圖６所示，主程序是系統的監控程序，主要先對系統中的各部分進行初始化工作，然后監控系統按照鍵盤指示進行工作。因為系統研發的最終目的是完成一個用戶能夠直接進行操作使用的電子儀器，因此在編程思想上遵從電子儀器產品軟件開發的一般思路進行。

３．１基于吸光光度分析方法的軟件編程

酶抑制法是基于有機磷和氨基甲酸酯類農藥能抑制某些特定的生物酶的活性的特點，借助于顯色反應對農藥殘毒進行判定［９，１０］。以乙酰硫代膽堿作為水解反應的底物時，在其化學作用下乙酰硫代膽堿被水解成硫代膽堿和乙酸，硫代膽堿和二硫雙對硝基苯甲酸產生顯色反應，使反應液呈黃色，在分光光度計４１０ ｎｍ處有最大吸收峰，由此即可測得酶活性被抑制的程度［１１］。

抑制率的計算方法是首先測量相對透射光強Ｓ，然后計算透光度Ｔ：Ｔ＝ｌｇ（１／Ｓ）；接著計算吸光度Ａ：Ａ＝Ｔ０－Ｔ，式中Ｔ０和Ｔ分別為初始透光度和當前透光度；最后計算抑制率Ｙ：Ｙ＝［（Ｋ０－Ｋｔ）／Ｋ０］×１００％，式中Ｋｔ和Ｋ０分別是待測樣品和空白樣品在４１０ ｎｍ左右測定吸光度Ａ隨時間ｔ的變化的曲線的斜率值。

系統只要完成對入射光強、標準溶液出射光強以及樣品溶液出射光強的測量，就可以經過軟件的直線擬合完成對抑制率的檢測。如圖７所示為采集存儲的流程。

３．２分析系統軟件設計

分析系統軟件采用模塊化設計思想，主要包括數據管理模塊、數據采集模塊、數據分析模塊和報表打印模塊等。由于模塊眾多，在一個面板上很難顯示出所有內容，一般可以通過Ｔａｂ Ｃｏｎｔｒｏｌ控件進行分頁顯示，但如果前面板控件過多，程序必然繁亂，因此系統采用多面板方式設計虛擬分析系統軟件。在主程序中通過ＶＩ引用方法節點，實現子面板與主程序相互獨立運行。主程序結構如圖８所示。

３．３數據采集模塊設計

通過通用的驅動程序或接口，例如ＶＩＳＡ、ＩＶＩ、ＯＰＣ、ＡｃｔｉｖｅＸ和ＤＬＬ等，ＬａｂＶＩＥＷ幾乎能與任何廠商甚至自制的硬件通信。數據采集模塊采用ＶＩＳＡ，實現了ＬａｂＶＩＥＷ與硬件裝置之間的通信。

ＶＩＳＡ即虛擬儀器軟件架構是成立于１９９３年的ＶＸＩｐｌｕｇ＆ｐｌａｙ系統聯盟最重要的成果之一，通過它用戶能與大多數儀器總線連接，包括ＧＰＩＢ、ＵＳＢ、串口、ＰＸＩ、ＶＸＩ和以太網。ＶＩＳＡ函數在Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｉ／Ｏ→ＶＩＳＡ面板下，包括ＶＩＳＡ Ｒｅａｄ、ＶＩＳＡ Ｗｒｉｔｅ、ＶＩＳＡ Ｏｐｅｎ、ＶＩＳＡ Ｃｌｏｓｅ、ＶＩＳＡ Ｃｏｎｆｉｇｕｒｅ Ｓｅｒｉａｌ Ｐｏｒｔ和ＶＩＳＡ Ｓｅｔ Ｉ／Ｏ Ｂｕｆｆｅｒ Ｓｉｚｅ等。在程序框圖設計時需要注意：必須設置與下位機一樣的數據通信格式，即１位起始位、８位數據位、無奇偶校驗位、１位停止位。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。圖９為數據采集模塊前面板，前面板顯示的是由光頻轉換器測得的用頻率表示的透射光強隨時間變化的關系曲線圖。

３．４數據分析模塊設計

系統還要具備分析功能，如繪制某日某蔬菜批發市場各種農產品農藥殘毒曲線或某時間段某種農產品農藥殘毒曲線等。經過處理后的所有數據都能以．ｔｘｔ形式存在硬盤的指定目錄中，用戶可以進行備份或者用第三方軟件進行再分析。圖１０中顯示的是２０１０年３月１~１５日共１５ ｄ被抽檢的某市場的四季豆農藥殘毒曲線圖。

４系統測試

４．１系統光源穩定性誤差分析

設計選用ＴＳＬ２３０作為光頻轉換器件，實際光源的穩定性決定了其光強會有微弱的變化，進行８次光源光強測量后得到的頻率值如表１所示。

在溫度條件方面，乙酰膽堿酯酶的反應速度和環境溫度有密切關系，當環境溫度低于３７ ℃時，酶的反應速度下降，則加入乙酰膽堿酯酶液和顯色劑溶液后進行的測量容易導致變化率低于正常值。時間條件方面，如果乙酰膽堿酯酶放置時間過長，加上溫度的變化，可能導致其活性降低，仍會引起變化率低于正常值。

４．２農藥濃度與抑制率關系試驗結果

試驗研究了甲胺磷、氧樂果、敵敵畏、敵百蟲、克百威、滅多威等不同種類不同濃度的農藥對酶抑制率的影響關系。將標準濃度的甲胺磷農藥加去離子水稀釋成不同濃度的溶液，用高精度移液器取樣２ ｍＬ，果蔬樣品２ ｇ進行測試，根據農業行業標準ＮＹ／Ｔ４４８—２００１《蔬菜上有機磷和氨基甲酸酯類農藥殘毒快速檢測方法》進行酶抑制率檢測，試驗數據見表２。

結果表明抑制率與農藥殘毒濃度呈正相關，抑制率隨著農藥殘毒濃度的升高而升高。當抑制率≤４０％時，農藥殘毒較低，可判定為合格產品；當抑制率在４０％和７０％之間時，為可疑農殘超標產品，需要復查；當抑制率≥７０％時，農藥殘毒濃度較高，可判定為農藥殘毒超標產品。實際應用時對農藥殘毒超標產品多次重復檢測的重現性應在８０％以上。

５結論

通過采集系統采集到農藥殘毒信息，經過單片機系統進行信息處理與控制運算，輸出測量結果數據，并在顯示設備上顯示，進行多次模擬試驗成功后，在隨后進行的實地現場試驗中也得到了成功的驗證，達到了預期的快速檢測效果。軟件方面成功地實現了信息的檢測、信息的處理與控制運算、數據讀取及ＬＣＤ顯示、ＬａｂＶＩＥＷ用戶界面設計等功能。課題開發的便攜式農藥殘毒檢測儀器具有體積小、易攜帶、功能多、精度高以及易操作等優點。設計創新點在于，將自動檢測技術、信息處理和控制技術以及現代虛擬儀器設計方法應用于農藥殘毒檢測中，取得了比較理想的效果。

參考文獻：

［１］ ＰＡＮ Ｊ，ＸＩＡ Ｘ Ｘ，ＬＩＡＮＧ Ｊ． Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｐｅｓｔｉｃｉｄｅ ｍｕｌｔｉ－ｒｅｓｉｄｕｅｓ ｉｎ ｌｅａｆｙ ｖｅｇｅｔａｂｌｅｓ ｂｙ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｓｏｌｖｅｎｔ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｌｉｑｕｉｄ ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ－ｔａｎｄｅｍ ｍａｓｓ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ［Ｊ］． Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ Ｓｏｎｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，２００８，１５（１）：２５－３２．

［２］ ＮＧＵＹＥＮ Ｔ Ｄ，ＨＡＮ Ｅ Ｍ，ＳＥＯ Ｍ Ｓ，ｅｔ ａｌ． Ａ ｍｕｌｔｉ－ｒｅｓｉｄｕｅ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ２０３ ｐｅｓｔｉｃｉｄｅｓ ｉｎ ｒｉｃｅ ｐａｄｄｉｅｓ ｕｓｉｎｇ ｇａｓ ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ／ｍａｓｓ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ［Ｊ］．Ａｎａｌ Ｃｈｉｍ Ａｃｔａ，２００８，６１９（１）：６７－７４．

［３］ 裘正軍，陸江峰，何勇． 基于酶抑法的農產品農藥殘留快速檢測系統及影響因素分析［Ｊ］． 農業工程學報，２００７，２３（９）：２２９－２３３．

［４］ 馬潮． ＡＶＲ單片機嵌入式系統原理與應用實踐［Ｍ］． 北京：北京航空航天大學出版社，２００７．

［５］ 張大明． 單片微機控制應用技術實操指導書［Ｍ］． 北京：機械工業出版社，２００７．

［６］ 李芙玲，張瑾，閆躍升． 基于ＣＨ３４１的ＵＳＢ－ＵＡＲＴ的設計與實現［Ｊ］． 工礦自動化，２００７（３）：１２１－１２２．

［７］ 王禹林，熊振華，丁漢． ＬａｂＶＩＥＷ與Ｍａｔｌａｂ的無縫集成［Ｊ］． 計算機應用，２００６，２６（３）：６９５－６９８．

［８］ 陳錫輝． ＬａｂＶＩＥＷ８．２０程序設計從入門到精通［Ｍ］． 北京：清華大學出版社，２００７．

［９］ 田子華． 酶抑制法農藥殘留快速檢測技術研究［Ｄ］． 南京：南京農業大學，２００５．

［１０］ 林春綿，胡曉燕，張安平． 酶抑制法快速檢測有機磷農藥殘留的研究進展［Ｊ］． 浙江工業大學學報，２００９，３７（４）：３８６－３９１．

［１１］ 趙斯奇，閻肅． 農藥殘留檢測技術［Ｊ］． 安徽農業科學，２００８，３６（１０）：４１７６－４１７８．