基于ARM系统的胶体金快速检测仪的实现

Colloidal-gold Strips Detecting Instrument Based on ARM-embedded SystemYANG W en.tao .ZHENG Li.xin1。LI Shu.qian(1.School of Optical and Electronic Information，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China；2.Institute of Agricultural Quality Standards and Testing Technology Research，Wuhan 430065，China)Abstract：This paper introduces a rapid and inteligent detecting instrument based on ARM -embedded system，whichis used for coloidal-gold detecting application.The instrument consists of some hardware units including ARM mainboard，USB camera，GPRS wireless-module and micro-printer.Firstly，the image of coloidal-gold strips is captured bythe USB camera and dealt with an especial image process algorithm which can recognize the position and grayscalevalue of check-strips corectly.Secondly，the grayscale-chroma feature CuITe of coloidal-gold strips is used for qual-itative and quantitative testing.Finally，the testing data is transmited and uploaded into the center data server byGPRS wireless network.The instrument has a higher accuracy.The qualitative detection accuracy rate is more than99% and the quantitative detection accuracy rate is over 90% .It can eatly extends the range of coloidal goldendetection applications。

Key words：ARM-embedded system；USB camera；GPRS wireless network；coloidal-gold strips胶体金试纸法是基于纳米技术的胶体金免疫层析检测法，已被广泛应用于生物化学制剂、食品药品、医学检验检疫等多个领域f-4]，它具有现踌测速度快、不受实验室限制等诸多优点。其基本检测原理是利用被检溶液扩散到试纸上的检测线 T和对照线 C上，并发生显色反应 ，其中C线用来判断检测卡是否有效，T线上显色深浅度来判断所检测物的浓度含量。然而，当前胶体金试纸检测主要依靠 目视判决，存在主观性和分辨率低、误判率高、手工记录结果等诸多缺点.不利于胶体金快速检测收稿 日期 ：2012-10-26：修订 日期 ：2012-12-10基金项目：国家 自然科学基金资助项 目(60973034)作者简介：杨文涛(1971- )，男 ，讲师，研究方向为图像处理和嵌入式系统。

目前.随着检测技术、网络技术、嵌入式技术的快速发展，在农业、生物、医药的检测应用中出现了许多类型的自动检测仪器 ，其中-类是光电法，采用光度检测系统.通过光斑扫描检测色条。光电接收器接收反射光.检测器产生光电信号，通过信号强度间接反映了样品的浓度。其基本原理是用光电传感器测量样品溶液的吸光度，依据琅伯-比耳定律的免疫层析定量测试的吸光公式计算出溶液浓度I 3。此类仪器缺点有二：光斑扫描的色条显色不均匀.不能反映色条的整体特性 ：必须有机械扫描装置.探头从试纸条的-端运动到另-端，机构复杂、价格 昂贵。

为了克服光电法的上述不足，出现了另-类方法是图像法，通过 CCD成像与采集和计算机图像处理技术来处理试纸图像。CCD成像具有速度快、无机械扫描、数据读取方便等优点 。其基本原理是将被检测试纸转化为图像信号，利用成熟的计算机图像处理算法识别出检测结果。

上述两类检测仪器主要采用单片机-传感器模式架构.由于单片机的功能限制 ，缺乏功能强大的操作系统和灵活的软件插件 .仪器功能仅限于检测结果判定、显示，存在集成度低、成本高昂、功能单-、扩展性差等缺点。这极大地限制了仪器应用范围，无法满足大批次行业检测应用业务要求。另外，此类仪器缺乏网络支持，检测数据和仪器状态无法实时上传到中心管理系统，导致各检测仪器相互孤立地工作.无法实现系统化和网络化管理。

由于 ARM架构系统可以构建功能强大的软、硬件嵌入式处理平台，已被广泛地使用在许多嵌入式系统设计中[51。本文首先提出了-套基于 ARM系统快速检测仪器设计方案.在此基础上开发了包含GPRS网络的便携式胶体金快速智能检测仪器。该仪器不仅只需根据被检样品的试纸显色图像就能快速估算出其检测指标的浓度范围，实现定性，定量检测，而且可将检测结果数据通过 GPRS网络上传到中心数据管理系统，既可防止检测结果数据人为篡改 ，又可实现数据的集中统-管理。

1 系统设计本仪器实现功能：首先通过摄像头采集胶体金检测试纸图像，接着对试纸图像进行图像识别处田理，分析检测结果获得检测数据；最后，将检测数据现场打印，借助 GPRS通讯上传于远程中心服务器存储和管理。为了实现这些功能，仪器包含了包含中央处理器的ARM主板、用于图像采集的USB高清摄像头拈、用于无线传输的GPRS拈和微型打愈拈等，对应的硬件结构为：ARM板、LCD触摸屏、USB摄像头、GPRS无线传输拈和微型打印机等外部设备，仪器硬件结构组成如图 1所示。

- 三 --图 1 仪器硬件结构 组成 图Fig.1 Instrument hardware structure and composition1)ARM主板：ARM主板是整个仪器核心.包含ARM处理器和存储系统及外设接口等硬件部分。

Linux系统嵌入在 ARM CPU上 .包含 了 MMU功能、文件存储系统、应用、实时性扩展等。存储系统用于存放操作系统各类文件、系统内置程序和仪器检测应用程序和检测数据库文件等。

为了保证仪器小巧、紧凑，LCD触摸屏集成在主板上，作为人机交互设备.可实现屏幕输出显示与键盘、鼠标的输入功能。

2)GPRS拈：GPRS内置无线通讯拈，集成了标准的RS-232/RS-485接口以及 SIM卡接口。通过 RS232接 口与 ARM 主板进行 串 口通讯交换 数据；SIM卡与外部 GSM移动网络通讯实现移动网络数据交换业务。GPRS拈都具有低功耗、高稳定性特点，内嵌有 TCP仃P协议，具有传输速度快、传输稳定等优点，非常适合于便携式仪器的集成应用。检测仪器在没有 Internet网络的情况下 ，可以通过GPRS网络连接互联网向远程服务器传送检测数据。这样检测应用不受场地限制，便于携带使用。

3)USB摄像头：USB摄像头具有良好的性能和低廉的价格，而且使用灵活方便.易于集成到嵌入式Automation＆ Instrumentation 2013(3)系统中～摄像头插入主板 USB接口，实现对胶体金检测试纸图像采集，用于后续的检测线识别处理。

4)微型打愈微型打愈拈可以打屿测结果，便于工作人员的现场确认。通常采用微型针式打愈，具有打印字迹清晰、保存时间长和稳定性好等特点。

在上述硬件平台基础上.需要开发仪器的软件管理系统 ：-方面控制硬件设备工作如存储卡、摄像头、打愈、GPRS等，另-方面实现界面交互、图像识别、数据编辑管理、网络通讯等。

2 系统实现系统实现过程是利用 USB高清摄像头，采集胶体金检测卡图像使用 OpenCV图像处理算法进行检测问，依照胶体金检测卡显色反应原理 ，将检测 C、T线的像素灰度值 ，映射为对应的样品浓度，实现定性检测和半定量分析。而后检测程序录入检测项目指标和检测样品名称、检测浓度值.形成-条检测记录，最后打屿测结果，通过网络上传数据到服务器。仪器工作实现关键几个步骤分析如下。

2.1 检测初始化首先设定图像感兴趣区域.确定有效的检测图像区域范围。在实际应用中，通过高清可变焦的相机拍摄胶体金检测试纸图。如图2(a)中由于光源分布不均会产生阴影，阴影区域会影响检测效果。另外，整个图像区域较大，实际只有其-小部分区域图2(b)对检测有用。因此设置检测图像的感兴趣区域可以简化图像处理算法、提高检测结果的准确性。为了消除噪声干扰∩对图像进行中值滤波.提高检测的准确性。

(a)原始检测图像 (b)感兴趣区域图像图 2 试纸检测图像 感兴趣 区提取Fig.2 Extraction processing of interest region of image由于胶体金试纸的制备工艺确定了T、C中心位置和宽度值是相对固定的，预设试纸图像的 T线、C线出现的中心位置和宽度值便于后续的两条检测线的灰度均值计算和位置判别自动他与仪表 2013(3)2.2 检测线识别检测线识别是依据预设的 C、T两线的位置和宽度值，计算出C、T两线的灰度均值 ，并与相应的阈值比较、判断其是否存在。设图像区域中某个选择矩形区域 G，其像素灰度均值计算方法为1 机0 HyoltG- ∑G。( ) (1)其中：( 。， )为 G左上角坐标点；W、H分别是宽高。

由于像素灰度值越大，在图像中人眼感觉越浅，为此需要反转： 255-I G (2)为讲述和理解方便，将反转后的 直接当作成是图像区域的灰度均值。由式(1)、(2)可分别求出检测图像区域 C线、T线的像素灰度均值 ，T、，c。对于 C线的灰度均值，如果有 ：，c≥/th (3)其中， 是 C线的阈值。则认为 C线存在且试纸有效，否则试纸无效，检测结果也无效。

在实际检测应用中，在图像采集噪声干扰、光源不稳定等情况影响下，如果以其绝对值 ，T来反映样品的浓度 ，会带来-定的偏差 ，影响检测 的准确性 。

因此在 C线有效的情况下，采用显色度(即T线相对于 C线的相对灰度值)：厶每 (4)其中，显色度 厶∈[0.0，1.0，对应着样品浓度高低 ，它可以比较准确地反映样品的浓度。当Lo时表示阳性对应T线不存在；LI.0为阴性对应T线存在。

2.3 浓度特征曲线试纸浓度特征曲线是指同-种胶体金试纸在不同样品浓度 下，有-个显色度厶值(即，T/，c比值)相对应。通过采集多个(厶，叼)点可拟合绘制出试纸的浓度特征曲线 F(厶，'7)。反之，在得到 厶值的情况下 ，可从浓度特征曲线 F(厶，卵)中找到对应 的浓度，进而可实现定量检测。

2.4 样品检测1)输入被检样品检测基本信息：样品名称、检测项目、检测点、检测人、检测时间等：2)在图像采集 、图像处理等基础上，识别试纸T、C线，并且计算出灰度均值，T、，c和显色度 厶；3)检测判别：依据检测试纸的浓度特性曲线 F( ，叼)，计算出样品浓度值 叼，并且与浓度阈值比较，田判断样品是否阳性。

4)结果打印：打屿测结果 ，包含样品名称、样品编号 、检测项 目指标 、检测点 、检测人 、检测时间 、检测结果、检测值等信息。

2.5 结果上传- 个样品试纸检测处理完毕，检测程序自动形成-条检测记录于保存仪器的本地数据库系统中。

通过仪器的 GPRS拈向中心服务器上传检测记录数据，这样完成仪器向中心系统的上传和存储，便于中心系统数据统-管理。系统工作流程如图3所示。

图 3 系统 工作流程图Fig.3 System work flow chart3 实验本仪器采用了基于 ARM体系架构的Tiny6410开发板作为仪器的硬件基础部件，同时外接集成了USB高清摄像头、微型打愈和GPRS无线等子模块。Tiny6410是-款以 ARM11芯片为主处理器的嵌入式核心板 ，支持 WinCE/Linux/Android平台 ，系统集成度高、驱动全面，功能强大，非常适合二次开发，系统软件采用Linux-QT开发平台[71。

实验以盐酸克伦特罗(Clenbuterol瘦肉精)竞争性金标试纸作为检测卡[81，实验分为三个部分：试纸的浓度-灰度比特性曲线建模 ；样品的定量检测。

1)首 先配制 0 ng/mol，0.5 ng/mol，1 ng/mol，1.5ng/mo]，2 ng/mol，2.5 ng/mol不 同浓度 的盐酸克仑特罗免疫标准液。准备 l2个金标试纸，分成 A、B两组。每组分 6份，每-份标记上述的某-浓度值。确保测试前将金标试纸和标准品恢复至室温；2)绘制(叼，)曲线：对于 A组标准液，用塑料吸管向检测孔中分别滴加 3滴标准品，反应5 min后，分别放于仪器采集试纸图像，计算不同浓度下 T、C线灰度比值 ，进而得到 A组(叼，j)点；同理得到 B组(叼，)点。对 A、B两组进行浓度和灰度比平均，得到平均后的 6个( .，)点 ，如表 1所示。对其 曲线拟田合，获得该试纸的(77，厶)特性曲线如图4所示。

表 1 试纸浓度-灰 度比特性表Tab.1 Density-grayscaie characteristics of test strip暑咯0.2 0.4 0.6 0.8 1.OT/C灰度比图 4 胶体金试 纸特性 曲线Fig.4 Feature curve of coloidal-gold test strip3)将未知浓度的样品试纸放人仪器中检测 .首先识别出C线 ，确定检测试纸是否有效 ；接着计算出T、C两线的灰度比值，由特征曲线分布估算出试纸浓度值。

4)输入检测样品的名称、检测指标、检测人员等信息，结合检测结果值形成-条完整的检测记录。

5)重复步骤 4)，进行两组批量对比实验，检验仪器的准确性。检验结果如表 2所示。

表 2 仪器测试对 比实验Tab.2 Comparative experiments of testing instrument结果显示，仪器定性检测准确率大于 98%，定量检测准确率大于90%。

4 结语本文详细分析了基于 ARM嵌入式的胶体金试纸检测仪器的设计与实现过程。 (下转第20页)Automation＆ Instrumentation 2013(3)O 5 0 5 O 电子膨胀阀的流量特性的研究。研究对象是浙江某企业的 DFP1.4E型电子膨胀阀，按照行业标准[31，入1：3 0.1 MPa空气，出口接流量传感器。驱动电子膨胀阀从全闭到全开，脉冲间隔 5O个，得到驱动脉冲(开度)和流量的测试数据如表 4所示。

表 3 电压调节数据Tab.3 Data of voltage regulating表 4 测试数据Tab.4 Data of valve由表4可以看出，在脉冲范围内的最大相对误差是2.00%.满足了电子膨胀 阀制造企业 的流量测试要求，所以认为驱动器可专用于电子膨胀阀测试线。

5 结语驱动器采用 PIC18F4550作为主控制器.在以往步进电机驱动简单的基础上加入了-些关键技术，包括高精度驱动电压数字化调节、输出异常状况诊断报警以及与上位机实现多机通讯。该驱动器驱动形式灵活 ，可以通过按键手动驱动 、模拟量对应步长驱动 、上位机驱 动 ，同时 LED实时显示驱动的信息。该驱动器已经成功应用于某企业的电子膨胀阀测试线 ，操作简单，性能稳定 ，达到设计要求