基于Android的农药残留检测系统设计与实现

冉文清 武悦俊 刘科勇 刘日威 倪树标



基于Android的农药残留检测系统设计与实现

冉文清 武悦俊 刘科勇 刘日威 倪树标

（广东省测试分析研究所 广东省化学危害应急检测技术重点实验室）

针对人工判读大批量农药残留速测卡结果存在的误判率高、效率低等问题，基于Android平台，结合无线蓝牙和单片机技术，设计了以颜色传感器TCS230为核心的农药残留检测系统。以传统的农药残留速测法为基础，根据实验建立标准曲线，通过对TCS230颜色识别的结果，在手机终端计算出相应的农药残留量，并利用APP实现数据的存储、查询和共享等扩展功能。实验结果表明：系统结构简单、操作方便，检测精度满足要求，系统已经得到实际应用。

农药残留；颜色传感器；蓝牙技术；Android；单片机

0　引言

随着人们生活质量和消费水平的不断提高，对食品的安全要求也越来越高，而农药残留是造成农产品污染的主要原因。因此农药残留检测是人们密切关注的民生问题之一[1-3]。

目前，农药残留快速检测方法种类繁多，究其原理主要分为生化测定法和色谱检测法2大类。其中，生化测定法中的酶抑制率法被列为国家推荐标准方法GB/T 5009.199-2003[4]，已成为对果蔬有机磷和氨基甲酸酯类农药残留现场快速定性初筛检测的主流技术之一，得到越来越广泛的应用。酶抑制率法中应用最广泛的是农药残留速测卡，其是利用对有机磷和氨基甲酸脂类农药高敏感的胆碱酯酶和显色剂做成的试纸。检测卡中的胆碱酯酶可催化靛酚乙酸酯水解为乙酸与靛酚，由于有机磷和氨基甲酸酯类农药对胆碱酯酶的活性有抑制作用，使催化水解后的显色发生改变，因此根据显色的变化情况，可以判断样品中含有机磷或氨基甲酸酯类农药的残留情况[5]。农药残留速测卡具有操作方便，不需要专门配制试剂和专业培训，灵敏度高、快速、成本较低等特点。但由于是人工定性判读，导致检测结果不够精确，尤其在临界点区域容易出错，而且数据只能手工记录，不便于查询统计等。文献[6]提出基于机器视觉的农药残留速测卡结果准确快速判读方法，根据判读原理设计图像采集系统，利用边缘检测技术结合特征提取，对速测卡图像处理分析，但没有实现数据查询、共享等功能。文献[7]设计一种新型农药残毒检测系统测定农药残留浓度，并将检测的浓度数据上传到上位机，通过人机界面对下位机上传的数据进行显示、存储、报警、查询和打印等功能，但其上位机需在PC编程与控制，不利于携带与控制。

本文在传统农药残留速测卡的基础上，根据层析法原理使胆碱酯酶和显色剂在速测卡的特定位置进行显色反应，并利用光电检测技术，通过检测试纸反应区颜色的变化，同时配合Android系统设计便携式控制终端。利用蓝牙技术获取颜色检测数据，并通过建立曲线，不仅可以定性地判断被检测样品农药残留量是否超标，还实现了农药残留检测数值化，提高检测的准确度。在此基础上，可将检测数据保存在数据库中，实现数据的无纸化记录和实时的网络传输。

1　系统总体设计

基于Android的农药残留检测系统总体结构框图如图1所示，主要由检测仪器主机、Android终端APP两部分组成。检测仪器主机主要实现农药残留速测卡的颜色定量检测，其原理是使用白光LED作为光源，照射到农药残留速测卡；颜色传感器对反射光进行检测，并通过光电转换，将光信号转换成脉冲信号传输给单片机；单片机简单处理后将原始检测数据通过蓝牙发送给Android终端；Android终端APP进行数据处理获得相应的农药残留量，并进行显示、分享和其他操作。

图1　系统总体结构框图

2　硬件实现

检测系统的硬件电路主要包括LPC1752单片机、颜色检测电路、温度控制模块和蓝牙模块等。

LPC1752是ARM系列微控制器，基于Cortex-M3内核。ARM Cortex-M3是为嵌入式系统应用而设计的高性能、低功耗的32位微处理器[8]，因其完全基于硬件进行中断处理，所以具有更快的中断速度，广泛应用于工控领域。

2.1　颜色检测电路

颜色检测电路以TCS230芯片为核心。TCS230芯片是一种可编程彩色光到频率的转换器，同时在单一芯片上集成红、绿、蓝3种滤波器，输出为脉冲计数，内部已实现每个信道10位以上的A/D转换精度，因此不需要再设计A/D转换电路，既简化了电路，又增强了抵抗噪声的能力[9]。

为保证合适的光强照射在试纸条的反应区，本文设计了试纸检测槽，使试纸处于密闭环境下，并在其周围对称安装2只白色发光二极管作为辅助光源。

TCS230引脚封装图如图2所示，TCS230的S0，S1和S2，S3引脚功能选择如表1所示，其中L代表低电平，H代表高电平。

表1TCS230的S0，S1和S2，S3引脚功能

图2 TCS230引脚封装图

输出频率的控制引脚S0，S1分别连接到单片机P1.18和P1.19引脚；滤波器的选择引脚S2，S3分别连接到单片机P1.20和P1.22引脚，通过对这几个端口的高低电平输出设置实现TCS230逻辑自动控制。

控制器LPC1752的PORT0和PORT2端口（共42个引脚）的每个引脚都可以提供中断功能，可被编程为上升沿、下降沿或边沿产生中断。将TCS230芯片的OUT引脚连接到LPC1752的P2.0引脚，当有脉冲到达时触发中断，在中断处理程序中进行脉冲计数。

设置定时器为固定时间（100 ms），依次选通红色、绿色和蓝色滤波器，然后对这段时间内的输出脉冲分别计数，即可得到RGB 3种颜色的光强值，结合白平衡参数，即可分析出反射至颜色传感器上光的颜色。

2.2　蓝牙模块电路

HC-06蓝牙模块采用BC417蓝牙芯片，使用蓝牙V2.1协议规范，模块供电电压为3.3 V ~3.6 V，适用于短距离的无线数据传输[10]。模块上电后不进行配对则进入AT模式，可以使用AT指令修改蓝牙名称、波特率等参数。

牙模块与控制器之间使用UART接口进行通信，将HC-06的Rx和Tx引脚分别连接到LPC1752单片机的P0.15和P0.16引脚即可。电路如图3所示，模块电源端加0.1 uF去耦电容和上拉1 kΩ电阻驱动LED。

图3　蓝牙模块电路图

模块上电后，LED会持续闪烁等待外部蓝牙的连接请求，连接成功后LED变为常亮。

2.3　温度控制模块电路

当温度低于37℃时，胆碱酯酶反应速度也随之变慢，这样不仅增加反应时间，而且可能导致检测失败，得不到正确的检测结果。

因此，本文设计了温度控制模块电路，包括温度采集电路和温度控制电路2部分。

温度采集电路采用DS18B20温度传感器进行温度采集。DS18B20是一线式智能数字温度传感器，是世界上首片支持单线总线接口的温度传感器，集温度采集和A/D转换于一体，直接输出数字信号，与单片机接口，电路简单。DS18B20具有传输距离远、体积小、分辨率高和抗干扰能力强等特点。采用DS18B20温度传感器，只要严格遵守DS18B20的读写时序就能准确读取实时温度[11]。

温度采集电路如图4所示。利用DS18B20单线总线的特点，通过上拉一只5.1 kΩ电阻，将温度输出端与单片机的P1.15口相连，以便初始化传感器和完成温度采集。采用外部供电方式，提高DS18B20的抗干扰能力。

图4　温度采集电路

加热器件采用硅胶加热片，可直接粘贴于检测模块上。升温及控制电路如图5 所示。

图5 升温及控制电路

升温及控制电路采用功率MOSFET管RFD3055进行PWM控制。RFD3055是N沟道增强型功率MOSFET管，最大可通过11 A电流，导通电阻小，适合于低电压控制。

测试表明：温度控制模块温度波动很小，控制精度达±0.2℃，保证了农药残留试纸在恒定适宜的温度下反应。

3　系统软件设计

基于Android的农药残留检测系统软件包括下位机软件和Android终端APP。下位机软件采用TK-Studio和C语言开发，APP采用Android 7.0版本API，在Android Studio 2.3工具下开发完成。

3.1　下位机软件设计

下位机软件运行在微处理器LPC1752上，是对上位机通讯协议的解析执行及实时控制整个系统有序工作，主要包括：系统初始化程序、温度控制程序和颜色检测程序等，软件流程如图6所示。

图6 下位机软件流程图

软件上电后，先进行定时器、GPIO和UART模块等硬件的初始化；再进入主循环，主循环主要包括PID控制升温到设定温度，接收UART数据等任务。如果主循环接收到完整UART数据包则进行解析，根据不同命令字执行相应操作，包括执行RGB检测、获取当前温度等。为了降低功耗，软件采用中断驱动模式。

3.2　Android终端APP设计

Android是一种针对智能终端的微型操作系统，继承了Linux系统内核。其具有开放的源码、大量可供调用的API、良好的交互界面设计、较好的网络交互性能、较强的可扩展性，使之应用领域广泛。

Android系统架构采用分层架构的思想，从上到下分为应用程序层、应用框架层、系统库和Android运行时及Linux内核。本系统的工作主要集中于应用程序层和应用框架层。

基于Android的农药残留检测系统的手机APP采用传统MVC模型设计，实现模型、视图和控制逻辑之间的分离，便于提高开发效率和功能扩展维护。

APP主要分为系统设置、数据管理、功能模块和帮助4个模块。系统设置包括检测参数、应用设置和用户设置；数据管理包括数据查询、数据上报和数据库管理；功能模块包括曲线校正、白平衡和蓝牙通信。实现的主要功能有蓝牙连接、原始数据接收与处理、结果显示与判定、基础信息维护、白平衡校正和曲线校正等，结构图如图7所示。

图7　APP软件结构图

4　实验与结果分析

本文配置不同浓度的敌敌畏标准溶液，采用国标方法加入农药残留速测卡中，待显色后，将速测卡放入本文仪器中，测得RGB三基色值及换算值如表2所示。

表2　测试结果 浓度/(mg/kg)浓度对数RGB换算值 101901871800.048 0.111881881860.01 0.0251.61731791770.025 0.0121701781790.047 0.0052.31661771800.074 0.00131571741800.126

图8可以看出：在低浓度时，换算值和浓度对数值之间的线性比较好，从而可由检测值推算出相应的农药残留大致含量，并根据国标《GB/T 5009.199-2003 蔬菜中有机磷和氨基甲酸酯类农药残留量的快速检测》中各种农药残留量的检测限值对样品的检测结果做出判断，实现客观的农药残留快速测定。

5　结论与展望

目前各种专业检测仪器都在向微型化、智能化、无线连接和交互良好等特点发展[12-14]。本文基于Android的农药残留检测系统将单片机电子技术、蓝牙通信技术和智能终端设备有机结合，对传统农药残留速测卡进行改良。既保留了传统农药残留速测卡的操作简便、检测快速、酶试剂灵敏度高、结果准确的优点，同时又弥补其定性测试和酶试剂检测操作繁多、人工判读误判率高、效率低等缺点。实验结果表明：基于Android的农药残留检测系统满足农药残留的检测需求。

未来工作将进一步完善试验结果的误差分析与数据处理；完善建立的农药残留浓度与光强（电压）的数学模型；通过更多的传感物联实现扩展功能，并对基于Android的农药残留检测系统进行可行性分析与工程适用性评价。此检测系统的研制，将为农产品农药残留检测提供便利，未来可直接服务于科研和农业等相关领域，也可广泛用于各级食品安全监测部门、农产品生产批发基地及环境保护等领域的农产品农药残留检测，具有广阔的应用前景和潜在的经济效益。

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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，大学本科，高级工程师，主要研究方向：标准化、分析仪器，E-mail: rwq@fenxi.com.cn

武悦俊，男，1986年生，硕士，工程师，主要研究方向：软件、分析仪器等。

刘科勇，男，1986年生，大学本科，工程师，主要研究方向：机械机构、分析仪器。

刘日威，男，1977年生，大学本科，高级工程师，主要研究方向：电子技术、分析仪器。

倪树标，男，1983年生，硕士，高级工程师，主要研究方向：软件、分析仪器。