微生物自动培养与监测系统的研究与设计

陈贝铭，庄沐豪，刘桂玲，叶绿珊，庄旭昇，符友烨，林　芳（.华南农业大学　电子工程学院；.华南农业大学　食品学院，广东　广州　5064；.广州飞瑞敖电子科技有限公司，广东　广州　5400）



微生物自动培养与监测系统的研究与设计

陈贝铭1，庄沐豪1，刘桂玲1，叶绿珊1，庄旭昇2，符友烨3，林芳1
（1.华南农业大学电子工程学院；2.华南农业大学食品学院，广东广州510642；3.广州飞瑞敖电子科技有限公司，广东广州511400）

摘要：本文主要针对微生物自动培养箱的实现技术，提出了基于图像处理的微生物检测系统的实现方案.该方案具有一套由matlab语言编写的软件系统，集图像采集、图像处理、统计绘图与储存于一身，并带有精美的操作界面(GUI)，实现很好的交互作用.硬件方面以单片机STC-89C52为核心，控制恒温恒湿，搭配CCD光学图像采集系统.两者构成一套完善的微生物自动培养与监测系统.

关键词：数字图像处理；Matlab；微生物；自动培养

在我国，随着各种现代化的研究手段先后应用于微生物研究领域中，自动化仪器已经成为微生物培养和检测的一种发展趋势，但目前常见的微生物培养箱提供的功能仍不完善，缺乏实时的监测能力.本文提出的微生物自动培养与监测系统的实现方案，不仅实现了现有的微生物培养箱具有的功能，同时结合了数字图像采集、传输、处理技术，能够在电脑终端监控培养箱内微生物的增长情况和分布情况，通过数学建模方法，记录并生成微生物的增长曲线，方便科研人员的进一步研究.

1　系统设计

本系统由环境参数采集与控制系统和图像采集系统组成.系统实物图如图1所示：

图1　系统实物图

1.1环境参数采集与控制系统

箱内的MCU通过各种传感器采集数据，对数据进行处理，并将数据传输给箱外的MCU.由箱外的MCU在液晶屏上实时显示温度湿度光照度，控制继电器单元电路去调节控温控湿模块，控制箱内的温度湿度实现培养箱环境的自动调节.MCU之间的数据传输通过MAX485模块进行[1].环境参数采集与控制系统的硬件电路框架如图2所示.

图2　硬件框架图

本系统采用了AM2302数字温湿度传感，是一款数字信号输出的温湿度复合传感器，可以同时测量温度和湿度，并采用IIC协议输出[2].光照度检测采用的是GY-30光照度测量模块，其核心芯片是BH1750FVI，采用IIC协议传输信号[3].

加热制冷模块是由半导体制冷器构成的，MCU控制继电器将制冷片电源正接和反接实现制冷片的制冷和加热功能.湿度控制通过超声波加湿器把电能转化为超声波能量，将液态水分子结构打散而产生水雾从而控制培养箱内的湿度.

用户通过按键电路液晶显示器上的菜单选择来设置培养箱的培养时间、温度阀值、湿度阀值，这些数据将被写入芯片AT24C02中，在断电后重新开始运行时，可以自动从芯片中读取出来，以此来保存上次的系统的设定状态，实现掉电数据保护.

单片机软件的程序流程图如图3所示：

图3　软件流程图

1.2图像采集系统

图像采集系统如图4所示.由600nmLED光源发出均匀的光线，透过培养基，部分光线被微生物吸收，剩余的光线穿过培养基到达显微物镜成像.显微物镜使微生物图像被放大了100倍.CCD摄像头将光学图像处理成数字图像，并通过USB口直接传送给电脑，交由电脑进行采集到的图像进行识别和处理.

图4　图像采集系统结构图

对细菌影响较大（发挥杀菌作用）的光主要是紫外线，波长265～266nm时杀菌作用最强，对细菌生长影响最大，而可见光对细菌影响最小，实验室中常利用600nm波长作为常见细菌的吸收光来测量细菌培养液的浓度.本项目的背景光源使用600nm波长LED灯作为背景光源.

本系统采用的CCD摄像头是SUNWAY公司的200D摄像头，具有高速USB2.0接口，像素尺寸3.2μm×3.2μm.显微物镜采用SunWay公司的T35型号工业镜头，放大倍数44-266倍.

2　图像处理

CCD摄像头采集细菌图像后，输出到电脑USB端口，通过函数videoinput调出其视频信号，创建视频输入对象.由于捕抓图像是ycbcr格式，需要使用函数rgb2gray转换为rgb格式再存入电脑中.在本项目中利用timer做图像捕抓多线程，用户可以自行设置采集图片的周期、采集次数.图像分析的流程图如图5所示.

图5　图像分析流程图

微生物检测系统识别细菌的增长过程，使用计算细菌面积来进行统计[4].利用到了数字图像处理中的灰度变换，灰度分析取阈值，二值化，统计像素点[5].

使用本项目的细菌培养与监测系统拍摄到的未染色大肠杆菌图像如图所示：

图6　培养5小时的大肠杆菌

图7　培养9小时的大肠杆菌

根据实际拍摄到的细菌图片进行上述图像处理，可以生成的细菌随时间的增长曲线如图8所示：

图8　细菌随时间增长曲线，该曲线由交互界面自动计算生成

3　结论

本课题基于数字图像处理的检测系统，在多次测试中运行稳定，得到的大肠杆菌群落图像以及增长曲线图，与在微生物实验室内观察到的情况相符合，实现了菌落群活体动态生长情况的监测.此外，硬件电路可以为菌落提供特定的温度、湿度环境，可以研究不同环境下菌落的生长过程及特点.本系统具有的微生物检测功能可以用于卫生安全领域，如检测餐具上的细菌含量是否超标，检测猪肉表面细菌数量判断是否新鲜等等，对于提升微生物学检验的质量与速度具有重大意义.

参考文献：

〔1〕周凯.基于MAX485实现PC机与单片机通信的程序设计[J].信息技术,2005:11-12.

〔2〕李朝青.单片机原理及接口技术[M].北京航空航天大学出版社,2015.42-47.

〔3〕王建.基于BH1750芯片的测光系统设计与实现[J].常熟理工学院学报(自然科学),2011,25(2): 118-118.

〔4〕金声琅.采用显微图像识别技术快速检测食品细菌总数[J].农业工程学报,2008,24(4):177-179.

〔5〕兰红,田进,李淑芝，等.基于MatlabGUI的图像处理平台设计[J].江西理工大学学报,2014,35(3): 79-84.

基金项目：华南农业大学2014年国家级大学生创新创业训练计划（201410564194）；国家自然科学基金（61172011）；华南农业大学“质量工程”项目资助(BKJX2015047)

收稿日期：2015-12-11

中图分类号：TP27

文献标识码：A

文章编号：1673-260X（2016）01-0043-03