基于物联网信息共享技术的酶生物传感器农药残留快速检测系统研究

摘要

本课题基于电化学酶生物传感器技术和物联网信息共享技术研发了农药残留快速检测系统，利用农药对酶的抑制作用，将乙酰胆碱酯酶作为生物识别元件，制作乙酰胆碱酯酶电极作为工作电极采集电化学信号，通过农药残留浓度和抑制率的关系模型得到相应农药的残留浓度，借助物联网技术的优势可以将农残信息进行共享。本系统由下位机（实现农药残留检测）、上位机（实现农药残留信息处理、二维条码生成和整个系统的监控）、检测信息共享平台（实现检测信息共享）三部分组成。本系统以实现农药残留检测为出发点，利用酶生物传感器作为检测设备专用传感器，系统检测设备体积小、操作简单、制作成本低、检测限低，可以用于农药的快速检测，便于普及和推广。在准确检测农残值的基础上我们使用虚拟仪器上位机设计软件 LabVIEW开发了检测系统监控平台，实现了检测信息的处理和数据库交互以及对下位机检测设备和信息共享平台进行监控和管理，采用 ASP+ACCESS技术和二维条码技术实现了农药检测信息的共享。
　　本文在第二章首先介绍了农药残留检测的检测机理（酶抑制法），在此基础上研究了乙酰胆碱酯酶传感器制备方法（第三章），在介绍农药残留检测系统下位机之前在第四章对整个农药残留检测系统做了整体介绍（第四章）。在此基础上研制了农残检测仪即系统下位机（第五章）用来实现农药残留的快速检测和检测数据的发送。我们选用 STM32F103VET6为农药残留检测仪的微处理器完成数据采集、数据通信、实时显示、数据打印、数据存储等多种任务。基于对下位机检测性能的要求，选用了精密双运算放大器 TLC272CP，此芯片内部集成两个放大器，与传统的恒电位电路相比可以减少电路板的布局面积并且精确度较高。为了满足仪器的便携性以及美观等要求本文在第五章对下位机的操作界面及外观进行了设计。农残检测系统下位机实现农药残留检测并将检测信息通过无线通信传送至上位机（第七章），上位机对接收到的检测信息进行数据分析。这里的数据分析包括了对检测信息的二次处理，包括标准值比对，并且将检测地点，检测时间，检测人员等相关信息进行整合并生成二维条码，建立数据库，通过物联网平台进行信息共享（第八章），用户可以通过手机或者二维条码扫描设备对购买蔬菜，水果的农药残留值包括其食用安全进行实时了解，在超市，在市场，在家里，在公司，只需将手机摄像头对准相应的二维条码进行二维条码识别，便可了解果蔬的农残值。使用 Quick Response(QR)二维条码和无线射频技术 Radio Frequency Identification（RFID）溯源模式结合现有溯源技术提出蔬菜质量安全溯源系统模型（第九章）。第十章通过对实际样品的检测对整个检测系统的检测精度和以及稳定性和精确性进行了评估和验证。
　　系统性能评估结果表明本系统下位机检测设备简便、实用，具有检测速度快，检测限低，检测结果准确，零漏检率等优点。通过大量实验和稳定性测试表明上位机与检测信息共享平台工作稳定，实现了用户通过扫描二维码访问数据库。以此为基础的农药残留检测系统为实现农药残留的快速检测、检测信息的共享、农产品溯源、以及构建智慧城市奠定基础。

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第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外的研究现状

1.3本课题研究目的及研究内容

1.4本章小结

第二章 生物传感器农药残留检测机理

2.1农药残留快速检测方法简介

2.2样品的提取

2.3农药残留的传统检测方法

2.4农药残留的生物传感器检测方法

2.5本章小结

第三章 乙酰胆碱酯酶传感器制备方法

3.1乙酰胆碱酯酶传感器的研究现状及应用

3.2乙酰胆碱酯酶传感器制备方法

3.3标准试剂样品提取方法

3.4实际样品提取方法

3.5本章小结

第四章 基于物联网信息共享技术的酶生物传感器农药残留快速检测系统总体方案

4.1农药残留检测系统的总体设计方案

4.2农药残留检测系统的性能要求

4.3本章小结

第五章 基于物联网信息共享技术的酶生物传感器农药残留快速检测系统下位机的研制

5.1农残检测系统下位机的总体设计目标

5.2农残检测系统下位机检测电路整体框图

5.3仪器主要电路设计

5.4微处理器最小系统以及外围电路设计

5.5下位机软件设计与调试

5.5本章小结

第六章 基于物联网信息共享技术的酶生物传感器农药残留快速检测系统下位机的外观设计和组装

6.1仪器制版

6.2仪器抗干扰设计

6.3本章小结

第七章 基于物联网信息共享技术的酶生物传感器农药残留快速检测系统上位机的研发

7.1农药残留检测系统上位机开发工具的选择及总体设计

7.2基于LABVIEW的上位机主要模块设计及实现功能

7.3基于LABVIEW的上位机虚拟仪器界面设计

7.4 本章小结

第八章 基于物联网信息共享技术的酶生物传感器农药残留快速检测系统检测信息共享平台的搭建

8.1 农药残留检测系统信息共享平台应用技术

8.2 信息共享平台总体设计方案及实现功能

8.3 检测信息共享平台数据源建立

8.4检测信息共享平台访问界面设计

8.5本章小结

第九章 蔬菜质量安全溯源体系模型构建

9.1蔬菜质量安全溯源体系模型

9.2蔬菜质量安全溯源体系溯源技术模式

9.3蔬菜质量安全溯源体系果蔬售卖主要溯源链条

9.4蔬菜质量安全溯源体系溯源链条分析和溯源功能的实现

9.5本章小结

第十章 实际样品的检测及系统性能分析

10.1农药残留检测系统操作及样品的检测流程

10.2实际样品中农药残留的测定结果

10.3农残检测系统上位机以及信息共享平台性能测定结果

10.4本章小结

第十一章 结论与创新之处

11.1结论

11.2创新之处

攻读硕士学位期间成果

参考文献

致谢