科研用单平皿微生物监测系统的设计.pdf

104中国高新科技2023年第14期科技探索|TECHNOLOGY EXPLORATION科研用单平血微监测系统的设计尹德毅蔡希昌陈静轩刘子逸肖棋心李睿麒北方工业大学，北京10 0 144摘要：文章针对原有微生物监测系统存在的工作流程繁琐、偶然误差较大等问题，设计了基于双处理终端架构的科研用单平血微生物监测系统。其中，终端部分采用STM32为控制架构的主控芯片，选用树莓派ZeroW为拍摄架构的拍照模块，后台部分是基于Labview开发的PC上位机软件。上位机软件通过无线串口以及TCP协议指挥终端进行拍照、采集环境信息以及上传图片等操作。经过实际检测及应用，该系统成功实现了对单平血微生物拍摄控制以及图像传输功能，简化了微生物监测流程，降低了操作误差，并具有组网性、可远程控制、环境采集信息多样等优势。关键词：微生物监测；STM32；树莓派ZeroW；La b v i e w；无线串口；TCP协议文献标识码：A中图分类号：X835文章编号：2 0 9 6-4137（2 0 2 3）14-10 4-0 4D0l:10.13535/ki.10-1507/n.2023.14.30Design of single plate microbiological monitoring system for scientific researchYIN Deyi,CAI Xichang,CHEN Jingxuan,LIU Ziyi,XIAO Qixin,LI RuiqiNorth China University of Technology,Beijing 100144,ChinaAbstract:In view of the cumbersome workflow and large accidental errors of the original microbial monitoring system,a single platemicrobial monitoring system for scientific research was designed based on the dual-processing terminal architecture.Among them,the terminal part uses STM32 as the main control chip of the control architecture,the Raspberry PI ZeroW as the photography moduleof the shooting architecture,and the background part is the PC upper computer software developed based on Labview.The uppercomputer software takes pictures,collects environmental information and uploads pictures through the wireless serial port and TCPprotocol command terminal.Through the actual testing and application,the system successfully realized the functions of single platemicrobial shooting control and image transmission,simplifed the microbial monitoring process,reduced the operation error,and hasthe advantages of networking,remote control,diverse environmental collection information.Keywords:microbial monitoring;STM32;Raspberry PI ZeroW;Labview;wireless serial port;TCP protocol1德微生物监测系统意义及其现状人工记录微生物培养血数据结果耗时长、工作量大，且结果的稳定性和可靠性依赖操作者经验、技能等因素，导致培养检测过程无法全程溯源。现有微生物监测系统，一直存在流程过于复杂、操作对使用者不友好以及无法远程控制等问题，因此，开发一款设备简单、操作方便的专业微生物监测系统显得十分必要。2总体设计方案科研用单平皿微生物监测系统的设计目标是简化获取培养皿数据以及图像的过程，简化原本繁琐的人工记录过程。本设计主要由两大部分构成：终端部分、后台部分。终端部分采用STM32为控制架构主控制器，选用树莓派ZeroW为拍摄架构拍照模块，后台部分是基于Labview开发的PC上位机软件。本设计系统框图如图1所示。树幕派Zerow串口一PC上位机软件串口STM32433MH433MH2无线模Z无线模块块图1系统框图首先操作者在PC上位机软件上设置好实验参数（例如实验名称、菌种名称、相机光源模式、相机光源亮度、白平衡数值等），进而上位机软件将设置好的参数通过无线串口传输至STM32，ST M 32 对得到的参数进行处理，通过串口将参数以及信息传输至树莓派ZeroW，从而实现PC上位机软件通过STM32，控制传感器采集环境信息以及树莓派ZeroW拍摄图像的功能。树莓派ZeroW拍照结束后，通过TCP通信将图像及环境信息传输至PC上位机。3丝终端部分设计方案终端部分采用双处理架构，分别为控制架构以及拍摄架构。其中，控制架构是终端的核心区，使用STM32L151RET6单片机作为主控芯片，通过传感器对微生物培养环境中的温湿度和氧气浓度等信息进行采集，拍摄架构则是使用树莓派ZeroW作为拍照模块，在工作中树莓派ZeroW负责以不同拍照参数（相机光源种类、光源亮度、白平衡红、白平衡蓝）对微生物平皿进行拍摄，并将拍摄图像进行上传。终端部分包括：主控芯片STM32L151RET6、拍照模块树莓派ZeroW、摄像头、RTC时钟芯片、433MHz无线模块、温湿度传感器、氧气传感器、墨水屏、电源模块等。其结构图如图2 所示。3.1主控芯片STM32L151RET6考虑到微生物培养监测设备需要长时间工作的特点，为2023年第14期中国高新科技105TECHNOLOGYEXPLORATION|科技探索紫光灯/LED4GPIO+4CSI+高清摄像头树荐派ZeroW上电树萝派Zerow45V控制电路1拍摄架构111GPIO串口DC-DC+8.4V1RTC时钟芯片12电池氧气传感器NANALOGMLDO5VSTM32L151RET6流程1温湿度传感器11+12+12C电量监测电路ANALOG1墨水屏+SPI+串口433MHz无线模块控制架构111图2终端部分结构图降低系统功耗，特选择STM32L151RET6芯片。该芯片具有高性能、抗干扰、支持11uA低至4.6 uA的超低功耗运行模式的特点，符合本设计的低功耗需求。3.2拍照模块树莓派Zerow考虑到本设计需要兼顾低功耗以及稳定性，且需要无线局域网进行传输，故选择树莓派ZeroW作为拍照模块。树莓派ZeroW采用高性能单核ARM芯片且自带无线局域网，具有小尺寸、低功耗、发热小的特点，并可搭载高清摄像头模组RaspberryPiHQCamera，配套的镜头模组采用M12螺纹接口、4.2 3mm焦距镜头，灯光使用3种光源对拍摄区域进行照明，分别是位于终端上部的LED光源、紫外线光源及位于下部的LED光源，以满足多种光源拍摄微生物培养皿的需求。3.3电源模块为提高本设计的工作时长，本设计采用18 6 50 锂电池作为电源。电源模块包含2 节18 6 50 锂电池电池盒，DC-DC电压转换芯片，充电平衡及保护芯片、电量监测芯片以及树莓派ZeroW开关控制电路。3.4其他外围电路除以上设计外，终端部分还包括时钟电路、温湿度传感器电路、氧气传感器电路、墨水屏驱动电路、无线串口通信电路等。其中，时钟电路使用DS3231RTC实时时钟芯片，为系统提供精确时钟信息。温湿度传感器电路使用BME680传感器，用以获取温度、湿度，氧气传感器电路中使用AO-03传感器，通过ADC检测并计算氧气浓度，以上2 个传感器电路获取的环境参数均通过I2C回传到STM32。墨水屏驱动电路负责使墨水屏显示操作者设置的相关实验数据。无线串口通信电路使用433MHz无线模块，实现STM32与上位机的串口通信。4后台软件设计方案4.1软件的整体思路以及主要任务本软件从实际需求出发，结合了无线局域网、数据网络传输技术，利用无线通信来控制终端工作，充分考虑了培养微生物的实际操作环境，同时本软件设计了充分的操作反馈与断点续传机制，提高了操作者使用体验以及数据准确性。软件的主要任务分为无线控制和数据传输两项。数据传输是将ZeroW采集的图片数据和STM32采集的环境信息通过局域网传输至上位机，无线控制则是利用433MHz无线通信模块，通过串口收发的形式将用户命令发送至STM32。4.2软件的设计方案本设计涉及功能较多，为避免进程冲突以及方便文件管理，故PC上位机软件使用状态机结构。其中，主要状态为：通信设置、拍照设置、终端调试以及数据接收。软件状态机流程如图3所示。确认设备校准时间连接无线局城网变量初始化查询终端通信设置状态串口连接定时查询拍照设置发送拍照设置状态检测终端状态状态检测终端调试选择调试项发送调试指令接收单次显示单次数掘接收拍照图像拍照图像获取接收TCP初始化信息结束TCP传输检查TCP状态接收环境信息接收图片图3软件状态机流程图软件启动后，首先对软件的所有变量进行初始化，随后连接串口，进入状态检测状态，该状态可根据操作者选择，分别进入通信设置、拍照设置、终端调试以及数据接收状态，无论进入哪种状态，在完成状态相应功能后，都会重新进入状态检测状态，形成状态机闭环。通信设置状态主要负责确认设备号以及无线局域网连接功能，考虑到组网性，1台上位机需要对多台设备发送命令，本软件使用1对多的通信方式，故连接串口后，还需要对设备号进行确认，进而对相应终端设备进行控制，避免了不同设备之间的通信串扰。另外，该状态还可以查询终端状态，方便操作者观察终端工作情况。拍照设置状态负责发送操作者设置的实验参数，控制树106中国高新科技2023年第14期科技探索TECHNOLOGYEXPLORATION莓派ZeroW以不同方式对微生物培养血进行拍摄。根据实际微生物培养拍摄常用需求，本软件图像采集可分为两种采集模式：定时连续采集与单次采集。定时连续采集是指操作者可设置实验信息、采集开始时间、采集次数、采集间隔以及各类拍摄功能参数，终端自动进行连续拍摄采集；单次采集是指操作者直接点击单次采集按钮，终端立即拍照1次，并自动上传图片以及环境信息，以供用户检查终端是否正常工作。其中，单次采集模式由终端调试状态负责设置。当PC上位机软件成功发送实验参数后，定时查询终端状态，方便操作者查看当前实验情况。终端调试状态负责发送各类硬件调试指令，功能包括单次图像采集、实验删除、时钟同步以及查询终端版本等。数据接收状态负责数据接收功能，通过无线局域网将拍摄图像以及环境信息参数由树莓派ZeroW上传到PC上位机软件，并将得到的图像以及信息参数进行文件管理，方便操作者查阅。数据接收功能流程如图4所示。开始开启TCP连接建立TCP顿听器否是否开始上传数据？是是否为单次采集模式？香获取需上传图像的总数接收图像以及环境信息当前是否达到上打开并展示图像文件传图片总数？接收一张图像是接收图像对应环境信息关闭TCP顿听器以及TCP连接结束图4数据接收功能流程图在接收前，首先建立TCP连接以及TCP侦听器，当开始上传数据时，判断采集模式，当模式为单次采集时，只接收1次图像以及环境信息，随即打开图像文件，方便操作者查看终端工作是否异常；当模式为定时连续采集时，先获取需要上传图像的总数，依次接收图像以及对应的环境信息，方便文件管理，无论哪种模式，数据上传完毕后，均需立即关闭TCP侦听器以及TCP连接。5总结与展望5.1总结繁琐的微生物培养记录过程一直困扰着相关生物研究者，本文简要介绍了科研用单平血微生物监测系统的终端及上位机软件工作原理，经过测试与应用，本设计拍摄图像便捷，环境参数全面，功能实现在预期内，大大简化了人工记录的工作量，提升了记录微生物培养过程结果的准确性和可靠性。拍摄效果如图5所示。06_test001_00011D:06Expc:_testoo1LMod:L1CMod:07AwbR:40AwbB:18T:2023-03-07_14-39-28Num:0001Dir.DownTemp:021.37Hum:041.285P:1008091AQ:88.9Accuracy3SIAQ:00149CO2e:01497bVOC:0003.2图5拍摄效果5.2未来展望（1）本设计保密性需要加强。目前数据保密性通过终端所获得的拍摄图像以及环境信息只能由设置该实验任务的PC上位机开启上传，对TCP上传过程中并没有进行加密措施。考虑到该缺陷，后续可以加强对LabVIEW网络传输加密的研究。（2）对于433MHz无线模块的控制需要加强。本设计组网性实现比较完备，可以充分实现1台上位机与多台终端连接的功能，但是上位机每次与不同的终端进行通信前，都需要操作者重新在PC上位机软件选择终端设备号，比较耗费时间，在未来的软件设计中可考虑加入群发功能，一次性向多台终端发送命令，以节约更换设备号时间。(下转第118 页）118中国高新科技2023年第14期（责任编辑：周羿廷）上接第10 6 页）.（责任编辑：周羿廷）电子信息ELECTRONICINFORMATION信息上的对接，从而提高就诊效率和质量。此外，在就医过程中，运用大数据和云计算技术构建全面的病患信息资源库，为医生工作提供了巨大便利，医生可以随时通过计算机平台进行信息调取，为患者制定专项的救治方案，从而促进医疗服务质量提高。同时，在病患就诊的整个流程中，通过合理运用大数据和云计算技术，能够对患者进行精准的数据采集，从而能够快速地让医生掌握相关患病信息。4.3营销领域大数据与云计算技术是在互联网经济发展过程中出现的，在营销领域的应用模式最为成熟。在信息技术支撑下，有效促进了经济效益、社会效益的全面增长。不仅能够对营销方向精准定位，更加针对性地满足用户需求，还能完善售后服务体系，为客户管理和维护等业务提供更大便捷。总之，大数据和云计算技术在收集信息和处理信息上具有极大的优势。从现阶段其在大量电商平台运用的效果来看，能够实时掌握消费者的消费意向。以淘宝购物平台为例，在消费者搜索和浏览相关信息时，大数据和云计算技术会保留消费者的浏览历史，具体包括浏览商品种类、浏览时长、浏览点击量等，基本涵盖用户对App的全部使用行为，平台在获得信息后，会精准地实现商品的推送，使购买动机转化为购买行为，从而促成消费。大数据和云计算网络技术信息收集能力极强，这些数据信息由终端平台进行采集，成为预测消费者行为的重要参考依据。系统会根据分析这部分消费者的意向，从而为不同用户推荐其感兴趣的商品。这样精准的推送会提高用户满意度，刺激消费行为，实现电商平台的精准营销，成为促进电商平作者简介：尹德毅（2 0 0 2-），男，辽宁大连人，北方工业大学本科在读，研究方向：电子信息工程。指导老师：蔡希昌（19 8 0-），男，山东潍坊人，北方工业大学信息学院高级工程师，研究方向：微型信号处理及工程化。参考文献1熊盈盈，莫祯妮，邱树毅，等未培养环境微生物培养方法的研究进展 J微生物学通报，2 0 2 1，48（5）：17 6 5-1779.2陈贝铭，庄沐豪，刘桂玲，等。微生物自动培养与监测系统的研究与设计 J赤峰学院学报（自然科学版）,2016，32（1)：43-45.3】张海锋，韩娟，刘炳铭，等基于树莓派和STM32的智能仓管机器人设计 J南方农机，2 0 2 3，54（2）：2 2-台高质量发展的一种工具。从当前大数据和云计算技术应用水平来看，不同的电商平台为扩大营销覆盖范围，在用户信息分析上部分数据是共享的。因此，可能会出现在使用不同软件的过程中，推送的商品具有一致性或相似性。除此之外，系统平台还会对不同类型的客户消费意向与消费数据等采取针对性的统计处理，并按照不同消费等级进行排列，构建消费者数据库，再运用云计算网络技术，对其中有价值的信息进行挖掘，为商家进行营销工作提供重要的数据支撑。5结语综上所述，随着计算机技术和通信技术的高质量、高速度发展，计算机网络成为各种媒介之间最重要的信息交流手段。海量的信息和数据会不知不觉渗透到各种领域，为保障对信息和数据的高效利用，还应合理规避相应的安全隐患。目前，数据处理技术在各大行业中已经得到普及，拥有广阔的发展前景。为满足人们对数据的需求，要进一步了解这些技术的优势与作用，使其充分释放自身的影响力。作者简介：杨志凌（2 0 0 2-），男，上海人，上海海洋大学本科在读，研究方向：计算机大数据。指导老师：杨杰（19 7 7-），男，上海人，上海海洋大学讲师、高级工程师，研究方向：计算机大数据应用。参考文献1陈永聪大数据技术和云计算网络技术在计算机中的应用探索 J.信息记录材料，2 0 2 2，2 3（8）：159-16 1.2徐涛。计算机大数据分析及云计算网络技术的研究探讨 J电脑编程技巧与维护，2 0 2 1（12）：10 7-10 9.3韩镇阳计算机大数据分析与云计算网络技术的分析研究 J】中国新通信，2 0 2 1，2 3（17）：6 7-6 8.25.4张靖涛，温韩彬，江炳伟，等基于树莓派4B与STM32的防疫巡检机器人设计 J.广州航海学院学报，2023,31（1）:6 7-7 1.5】张经纬，白秋产，石跃，等基于LabVIEW和ZigBee的水质多参数在线监测系统设计 J物联网技术,2023,13（5）:17-19.6】张流圳，徐磊基于LabVIEW的状态机设计模式应用 J电子产品可靠性与环境试验，2 0 18，36（S1）：110-113.7】刘迁林。基于以太网通信的连铸机结晶器液位数据采集系统 J自动化与仪器仪表，2 0 2 2（9）：9 3-9 6，10 1.