基于Android的農藥殘留檢測系統設計與實現

冉文清 武悅俊 劉科勇 劉日威 倪樹標

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基于Android的農藥殘留檢測系統設計與實現

冉文清 武悅俊 劉科勇 劉日威 倪樹標

（廣東省測試分析研究所 廣東省化學危害應急檢測技術重點實驗室）

針對人工判讀大批量農藥殘留速測卡結果存在的誤判率高、效率低等問題，基于Android平臺，結合無線藍牙和單片機技術，設計了以顏色傳感器TCS230為核心的農藥殘留檢測系統。以傳統的農藥殘留速測法為基礎，根據實驗建立標準曲線，通過對TCS230顏色識別的結果，在手機終端計算出相應的農藥殘留量，并利用APP實現數據的存儲、查詢和共享等擴展功能。實驗結果表明：系統結構簡單、操作方便，檢測精度滿足要求，系統已經得到實際應用。

農藥殘留；顏色傳感器；藍牙技術；Android；單片機

0　引言

隨著人們生活質量和消費水平的不斷提高，對食品的安全要求也越來越高，而農藥殘留是造成農產品污染的主要原因。因此農藥殘留檢測是人們密切關注的民生問題之一[1-3]。

目前，農藥殘留快速檢測方法種類繁多，究其原理主要分為生化測定法和色譜檢測法2大類。其中，生化測定法中的酶抑制率法被列為國家推薦標準方法GB/T 5009.199-2003[4]，已成為對果蔬有機磷和氨基甲酸酯類農藥殘留現場快速定性初篩檢測的主流技術之一，得到越來越廣泛的應用。酶抑制率法中應用最廣泛的是農藥殘留速測卡，其是利用對有機磷和氨基甲酸脂類農藥高敏感的膽堿酯酶和顯色劑做成的試紙。檢測卡中的膽堿酯酶可催化靛酚乙酸酯水解為乙酸與靛酚，由于有機磷和氨基甲酸酯類農藥對膽堿酯酶的活性有抑制作用，使催化水解后的顯色發生改變，因此根據顯色的變化情況，可以判斷樣品中含有機磷或氨基甲酸酯類農藥的殘留情況[5]。農藥殘留速測卡具有操作方便，不需要專門配制試劑和專業培訓，靈敏度高、快速、成本較低等特點。但由于是人工定性判讀，導致檢測結果不夠精確，尤其在臨界點區域容易出錯，而且數據只能手工記錄，不便于查詢統計等。文獻[6]提出基于機器視覺的農藥殘留速測卡結果準確快速判讀方法，根據判讀原理設計圖像采集系統，利用邊緣檢測技術結合特征提取，對速測卡圖像處理分析，但沒有實現數據查詢、共享等功能。文獻[7]設計一種新型農藥殘毒檢測系統測定農藥殘留濃度，并將檢測的濃度數據上傳到上位機，通過人機界面對下位機上傳的數據進行顯示、存儲、報警、查詢和打印等功能，但其上位機需在PC編程與控制，不利于攜帶與控制。

本文在傳統農藥殘留速測卡的基礎上，根據層析法原理使膽堿酯酶和顯色劑在速測卡的特定位置進行顯色反應，并利用光電檢測技術，通過檢測試紙反應區顏色的變化，同時配合Android系統設計便攜式控制終端。利用藍牙技術獲取顏色檢測數據，并通過建立曲線，不僅可以定性地判斷被檢測樣品農藥殘留量是否超標，還實現了農藥殘留檢測數值化，提高檢測的準確度。在此基礎上，可將檢測數據保存在數據庫中，實現數據的無紙化記錄和實時的網絡傳輸。

1　系統總體設計

基于Android的農藥殘留檢測系統總體結構框圖如圖1所示，主要由檢測儀器主機、Android終端APP兩部分組成。檢測儀器主機主要實現農藥殘留速測卡的顏色定量檢測，其原理是使用白光LED作為光源，照射到農藥殘留速測卡；顏色傳感器對反射光進行檢測，并通過光電轉換，將光信號轉換成脈沖信號傳輸給單片機；單片機簡單處理后將原始檢測數據通過藍牙發送給Android終端；Android終端APP進行數據處理獲得相應的農藥殘留量，并進行顯示、分享和其他操作。

圖1　系統總體結構框圖

2　硬件實現

檢測系統的硬件電路主要包括LPC1752單片機、顏色檢測電路、溫度控制模塊和藍牙模塊等。

LPC1752是ARM系列微控制器，基于Cortex-M3內核。ARM Cortex-M3是為嵌入式系統應用而設計的高性能、低功耗的32位微處理器[8]，因其完全基于硬件進行中斷處理，所以具有更快的中斷速度，廣泛應用于工控領域。

2.1　顏色檢測電路

顏色檢測電路以TCS230芯片為核心。TCS230芯片是一種可編程彩色光到頻率的轉換器，同時在單一芯片上集成紅、綠、藍3種濾波器，輸出為脈沖計數，內部已實現每個信道10位以上的A/D轉換精度，因此不需要再設計A/D轉換電路，既簡化了電路，又增強了抵抗噪聲的能力[9]。

為保證合適的光強照射在試紙條的反應區，本文設計了試紙檢測槽，使試紙處于密閉環境下，并在其周圍對稱安裝2只白色發光二極管作為輔助光源。

TCS230引腳封裝圖如圖2所示，TCS230的S0，S1和S2，S3引腳功能選擇如表1所示，其中L代表低電平，H代表高電平。

表1TCS230的S0，S1和S2，S3引腳功能

圖2 TCS230引腳封裝圖

輸出頻率的控制引腳S0，S1分別連接到單片機P1.18和P1.19引腳；濾波器的選擇引腳S2，S3分別連接到單片機P1.20和P1.22引腳，通過對這幾個端口的高低電平輸出設置實現TCS230邏輯自動控制。

控制器LPC1752的PORT0和PORT2端口（共42個引腳）的每個引腳都可以提供中斷功能，可被編程為上升沿、下降沿或邊沿產生中斷。將TCS230芯片的OUT引腳連接到LPC1752的P2.0引腳，當有脈沖到達時觸發中斷，在中斷處理程序中進行脈沖計數。

設置定時器為固定時間（100 ms），依次選通紅色、綠色和藍色濾波器，然后對這段時間內的輸出脈沖分別計數，即可得到RGB 3種顏色的光強值，結合白平衡參數，即可分析出反射至顏色傳感器上光的顏色。

2.2　藍牙模塊電路

HC-06藍牙模塊采用BC417藍牙芯片，使用藍牙V2.1協議規范，模塊供電電壓為3.3 V ~3.6 V，適用于短距離的無線數據傳輸[10]。模塊上電后不進行配對則進入AT模式，可以使用AT指令修改藍牙名稱、波特率等參數。

牙模塊與控制器之間使用UART接口進行通信，將HC-06的Rx和Tx引腳分別連接到LPC1752單片機的P0.15和P0.16引腳即可。電路如圖3所示，模塊電源端加0.1 uF去耦電容和上拉1 kΩ電阻驅動LED。

圖3　藍牙模塊電路圖

模塊上電后，LED會持續閃爍等待外部藍牙的連接請求，連接成功后LED變為常亮。

2.3　溫度控制模塊電路

當溫度低于37℃時，膽堿酯酶反應速度也隨之變慢，這樣不僅增加反應時間，而且可能導致檢測失敗，得不到正確的檢測結果。

因此，本文設計了溫度控制模塊電路，包括溫度采集電路和溫度控制電路2部分。

溫度采集電路采用DS18B20溫度傳感器進行溫度采集。DS18B20是一線式智能數字溫度傳感器，是世界上首片支持單線總線接口的溫度傳感器，集溫度采集和A/D轉換于一體，直接輸出數字信號，與單片機接口，電路簡單。DS18B20具有傳輸距離遠、體積小、分辨率高和抗干擾能力強等特點。采用DS18B20溫度傳感器，只要嚴格遵守DS18B20的讀寫時序就能準確讀取實時溫度[11]。

溫度采集電路如圖4所示。利用DS18B20單線總線的特點，通過上拉一只5.1 kΩ電阻，將溫度輸出端與單片機的P1.15口相連，以便初始化傳感器和完成溫度采集。采用外部供電方式，提高DS18B20的抗干擾能力。

圖4　溫度采集電路

加熱器件采用硅膠加熱片，可直接粘貼于檢測模塊上。升溫及控制電路如圖5 所示。

圖5 升溫及控制電路

升溫及控制電路采用功率MOSFET管RFD3055進行PWM控制。RFD3055是N溝道增強型功率MOSFET管，最大可通過11 A電流，導通電阻小，適合于低電壓控制。

測試表明：溫度控制模塊溫度波動很小，控制精度達±0.2℃，保證了農藥殘留試紙在恒定適宜的溫度下反應。

3　系統軟件設計

基于Android的農藥殘留檢測系統軟件包括下位機軟件和Android終端APP。下位機軟件采用TK-Studio和C語言開發，APP采用Android 7.0版本API，在Android Studio 2.3工具下開發完成。

3.1　下位機軟件設計

下位機軟件運行在微處理器LPC1752上，是對上位機通訊協議的解析執行及實時控制整個系統有序工作，主要包括：系統初始化程序、溫度控制程序和顏色檢測程序等，軟件流程如圖6所示。

圖6 下位機軟件流程圖

軟件上電后，先進行定時器、GPIO和UART模塊等硬件的初始化；再進入主循環，主循環主要包括PID控制升溫到設定溫度，接收UART數據等任務。如果主循環接收到完整UART數據包則進行解析，根據不同命令字執行相應操作，包括執行RGB檢測、獲取當前溫度等。為了降低功耗，軟件采用中斷驅動模式。

3.2　Android終端APP設計

Android是一種針對智能終端的微型操作系統，繼承了Linux系統內核。其具有開放的源碼、大量可供調用的API、良好的交互界面設計、較好的網絡交互性能、較強的可擴展性，使之應用領域廣泛。

Android系統架構采用分層架構的思想，從上到下分為應用程序層、應用框架層、系統庫和Android運行時及Linux內核。本系統的工作主要集中于應用程序層和應用框架層。

基于Android的農藥殘留檢測系統的手機APP采用傳統MVC模型設計，實現模型、視圖和控制邏輯之間的分離，便于提高開發效率和功能擴展維護。

APP主要分為系統設置、數據管理、功能模塊和幫助4個模塊。系統設置包括檢測參數、應用設置和用戶設置；數據管理包括數據查詢、數據上報和數據庫管理；功能模塊包括曲線校正、白平衡和藍牙通信。實現的主要功能有藍牙連接、原始數據接收與處理、結果顯示與判定、基礎信息維護、白平衡校正和曲線校正等，結構圖如圖7所示。

圖7　APP軟件結構圖

4　實驗與結果分析

本文配置不同濃度的敵敵畏標準溶液，采用國標方法加入農藥殘留速測卡中，待顯色后，將速測卡放入本文儀器中，測得RGB三基色值及換算值如表2所示。

表2　測試結果 濃度/(mg/kg)濃度對數RGB換算值 101901871800.048 0.111881881860.01 0.0251.61731791770.025 0.0121701781790.047 0.0052.31661771800.074 0.00131571741800.126

圖8可以看出：在低濃度時，換算值和濃度對數值之間的線性比較好，從而可由檢測值推算出相應的農藥殘留大致含量，并根據國標《GB/T 5009.199-2003 蔬菜中有機磷和氨基甲酸酯類農藥殘留量的快速檢測》中各種農藥殘留量的檢測限值對樣品的檢測結果做出判斷，實現客觀的農藥殘留快速測定。

5　結論與展望

目前各種專業檢測儀器都在向微型化、智能化、無線連接和交互良好等特點發展[12-14]。本文基于Android的農藥殘留檢測系統將單片機電子技術、藍牙通信技術和智能終端設備有機結合，對傳統農藥殘留速測卡進行改良。既保留了傳統農藥殘留速測卡的操作簡便、檢測快速、酶試劑靈敏度高、結果準確的優點，同時又彌補其定性測試和酶試劑檢測操作繁多、人工判讀誤判率高、效率低等缺點。實驗結果表明：基于Android的農藥殘留檢測系統滿足農藥殘留的檢測需求。

未來工作將進一步完善試驗結果的誤差分析與數據處理；完善建立的農藥殘留濃度與光強（電壓）的數學模型；通過更多的傳感物聯實現擴展功能，并對基于Android的農藥殘留檢測系統進行可行性分析與工程適用性評價。此檢測系統的研制，將為農產品農藥殘留檢測提供便利，未來可直接服務于科研和農業等相關領域，也可廣泛用于各級食品安全監測部門、農產品生產批發基地及環境保護等領域的農產品農藥殘留檢測，具有廣闊的應用前景和潛在的經濟效益。

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Design and Implementation of Pesticide Residue Detection System Based on Android

Ran Wenqing Wu Yuejun Liu Keyong Liu Riwei Ni Shubiao

(Guangdong Institute of Analysis Guangdong Provincial Key Laboratory of Emergency Test for Dangerous Chemicals)

This Design is a pesticide residue detection system which with color sensors TCS230 as the core and based on the Android, microcontroller technology and Bluetooth communication technology. Establish the standard curve equation according to the experiment, based on the traditional rapid measurement method. The mobile APP calculates the pesticide residue based on the color identification result, and realizes the extended functions of data storage, query and sharing. The experimental results show that the system is simple in structure, easy to operate, and the detection accuracy meets the requirements.The system has been practical applied.

Pesticide Residue; Color Sensor; Bluetooth Technology; Android; Microcontroller

冉文清，女，1970年生，大學本科，高級工程師，主要研究方向：標準化、分析儀器，E-mail: rwq@fenxi.com.cn

武悅俊，男，1986年生，碩士，工程師，主要研究方向：軟件、分析儀器等。

劉科勇，男，1986年生，大學本科，工程師，主要研究方向：機械機構、分析儀器。

劉日威，男，1977年生，大學本科，高級工程師，主要研究方向：電子技術、分析儀器。

倪樹標，男，1983年生，碩士，高級工程師，主要研究方向：軟件、分析儀器。