TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol.12, No.6, Jun e  201 4, pp. 4679 ~ 4 6 8 4   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i6.545 1          4679     Re cei v ed  De cem ber 2 9 , 2013; Re vi sed  March 7, 201 4; Acce pted  March 20, 20 14   A Method for Designing Complex Machine Olfaction  System       Hua Fa ng 1,2 , Minglei Shu* 1,2 , Yunxiang Liu 1,2 , Wanjun Yu 1,2 , Wenju Li 1,2    1 Shang hai i n sti t ute of technol og y, Schoo l of  computer sci en ce and i n forma tion en gi neer in 2 Shang hai i n sti t ute of technol og y, Rese arch  center of mach ine o l factio n   No.10 0  Hai q u a n  Roa d , Shan g hai cit y , 201 41 8, P.R.China   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : shumin gle i @ s it.edu.cn        A b st r a ct   In rece nt ye ar s, vario u gas  sensors  h a ve   bee n w i d e ly  u s ed to  d e tectin g o d o u rs, an d  mach ine   olfactio n syste m   bas ed  on s ensor  arrays  a dopt k i nds   of i n telli ge nt  instr u ments and   a d vanc ed e-n o s e s.   While  m a c h ine olfaction syst em   m e ets  the information sharing problem  an d is diffic u lt to flexibly  and  unifor m ly  assi gn these  devi c es. In the pa per a te mp l a te  technol ogy h a s bee n ap pli ed to the co mple x   platfor m  of m a chine olfaction system . The simulation sensor array templa te receives field odor data  or   simulat e s the data via recor ders in  data b a s e, then trans mits to the pla tform w h ich co nsists of severa l   distrib u ted  mo nitori ng su bsys tems. Each su bsystem  ma tch e s a set of gas  sensors arr a y, and h a s functio n s   of logging data, communica ting and sim u lating  industry application.  The  data from the  subsystem   and the  prepr ocesse data ar e se nt to the w eb s e rv er center  an stored i n  t he  d a tabas es. T h e n  sens ors p e rfor ana lysis by s e veral l a yer  alg o rith ms. And t he exc h a ngi ng  alg o rith ms co nvert the fie l odor  data to  g a s   co n c en tra t i o n s  wi th  p p m  va l ues, th e  e x p e r t syste m s o r  re cog n i tio n  al g o r i t hm s an a l y z e th e p p m  va lu e s  and  show  the a ppl i c ation r e sults.  All d a ta of e a c h  lay e r are  stor ed i n  se rv er da tabase syst ems, and e a ch  la yer   alg o rith ms can  be upd ated a n d  saved.  F i na ll y, the supporti ng pl atform tha t  appli ed to in d u strial  mo nitori n g   systems, w a deve l op ed w i th  a kind of indu strial  config ura t ion  softw ares, w eb MIS  and  databas es, an d   was utili z e d to  reali z e monitor  to the envir onm ental systems by the simulation tem p late.      Ke y w ords : machi ne olf a ctio n, gas sens or array,  simul a tio n  template, su pporti ng pl atfor m     Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  Since t he  ori g inal  definitio n of el ect r oni c n o se  (e-no s e) by P r of.  J.W.  Gardne r in 1 994  [1], electro n ic nose i s  an   essential  co mpone nt of  a r tificial olfa cti on in strum e n t. It is clea r t hat  pattern  re cog n ition, sig nal  and d a ta p r oce s sing  of machi ne olfa ction. A sen s or array i s   an  essential p a rt of the elect r oni olfactio n pro c e s s. G a sen s o r  h a s be en d e volope d to ap ply  accordingly i n  vario u s fiel ds  as an  in strument o r   system. Ma rta  re porte d o n   an o p tical  se nso r   for remote  re sidu al d r y sa lt monitori ng,  with  appli c at ions in  roa d   winter mai n te nan ce [2].  Th e   prop osed se nso r  sy stem  has a  com p act de sign a nd sh ort re spon se time, cap able of b e ing  mounted  o n - boa rd  main tenan ce ve hicle s  fo real -time  ro ad  con d itio n a s sessm e nt.  Nan o mate rial s of  conj uga ted polyme r s are  found  to have  su pe rior  pe rform a nce  rel a tive to  conve n tional  material s d u e  to mu ch la rge r  expo se d  su rface are a  [3].  Machin e olfactio n were  desi gne d to solve medical probl em s [4-6] and envir o n ment monito ring [7-9]. Th e system in the  pape r [10] prese n ted a wi rele ss mo nito r and cont rol  system usi n g mobile co mmuni cation  and   inclu ded the remote mea s u r eme n t units, GPRS  network, Internet an d a serve r  co mputer.    The a bove  re sea r che s  e m pha size  sen s or d e velop m e n t and  ap plication a nd ig n o re th at  informatio nization plan nin g  of sen s o r s and ap plic ations i s  mo re  important a nd more po p u lar.  The p ape r fo cu se s o n  technolo g ies of  sup portin g  pl atform of m a chin e olfa ctio n that p r ovid sign al, data  pro c e ssi ng  solution s an d  appli c at ion s . We  have  stru ctured th e content s i n to  followin g  se ctions: we de sign firstly the  stru cture  of sup portin g  pl atform of ma chin e olfactio n;  se con d ly, the templates of  sen s o r  array s  and  appl i c a t ions ad opt to solve the  complex probl em  of various o dour mo nitoring enviro n m ents; thir dl y, we select  the environ mental syste m   appli c ation s  a i ming to simul a tion templat e  of machin e olfaction  syst ems.        Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 6, June 20 14:  4679 – 4 684   4680 2. Supportin g  Platform o f  Machine Ol fac t ion   A machine  ol faction  syste m  con s ist s  of  an   array of cross-sen s itive  ga s se nsors and an   approp riate p a ttern re cog n i tion method, to automat ica lly detect and  discriminate  variou s odo rs,  and u s e r  int e rface (UI) t o  sh ow  processed  dat a.  Signal an d d a ta proce s si ng with va ri ous  algorith m s are key elem e n ts in  a  ma chin e olfa cti on  system  a s   well  as in  mo st sen s i n g   instru ment s,  for exam ple  e-no se.  Sup porting  platfo rm of  ma chi ne olfa ction  i s  d e si gne with  multilayere stru cture an d  databa se  system,  and i t s fun c tion b e com e s mo re po we rful a nd  informatio nal.        2.1. The Stru cture o f  Sup porting Platform of Mach ine Olfac t ion   In Figure 1, the platform  has  5 logi c l a yers  that in clud e devi c e  layer (data  acq u irin layer), I/O  bu s laye r (data  tran smitting  layer),  dat a p r ocessin g  lay e r, alg o rithm   layer a nd u s er  interface l a yer. Th bottom laye ref e rs to va riou s d e vice s. T he  sen s o r   a rray, a ppli c at ion  templates, control  i n stru ments and a ssi st  in st rum ents a r app lied to mo nitor intellig ent  data  acq u isitio n systems. T he  se con d  laye r is  com m uni cation  mod u l e ado pting  PCI, UART,  and   variou kind s of I/O interfa c e. In the  third layer,  data  acq u ire d  in t he bottom  la yer an sent  to  serve r s or workstation s  via the comm unica tion layer is saved  in databa se s and ca n be   pro c e s sed  b y  algo rithms  the fou r th la yer. In al go rithm layer,  it discu s se s t he m e thod and   mean s of d a t a pre p ro ce ssing  and  an alyzing  with  prep ro ce ss  a l gorithm and   expert syste m s.  User interfa c e layer can  pro c e ss u s e r  dat a and user requ est s , and manag e use r s, dat a,  databa se, alg o rithm s , and  appli c ation  system s.             Figure 1. The  Logic Stru ctu r e of the Platform       In Figure 2, the physi cal structu r e is sh own.  Hig h  pe rforma nce e-noses that h a ve the   comm uni cati on functio n , system on  chips (S OCs)   and intellige n t  sensors ha ve acqui red f i eld   gas  data a n d  tran smitted t o  wo rkstatio n  or g a teway. Usi ng  UART,  PCI bu s, WLAN, an d ev en   wirel e ss  sen s or  network [10], the workstation  receives the field  data. The di stributed  syste m   save s the dat a and continu e s to se nd to databa se s in  serve r .             Figure 2. The Physical Structu r e of the Platform   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     A Method for  De signi ng Co m p lex Machi ne Olfactio n System  (Hua  Fang 4681 2.2. Data bas e  Sy stem   Datab a se system is vitally importa nt for the su ppo rting  platform. In logic  stru cture  in fig.  3, databa se  system  save s kind s of  dat a that inclu d e s  a c qui red  d a ta from field  via bottom layer  and commu nication laye r, gas  sen o r array data, gas  informatio n, application system informati on,   algorith m s, e x pert system s, use r   inform ation, and sy stem files.           Figure 3. The  Databa se System and  Dat aba se Sub s ystem s       Users, re sea r ch ers and  admin i s trato r s ca n updat e their information, uplo ad files,  manag sen s ors a nd  set  a rray s , mat c some   kind  of  algo rithm to   the inte rrel a ted a ppli c atio n.  The uplo ade d file is use d  to prep ro ce ssing al go rithm  and expe rt sy stem  with  C langu age  scri pt,  execute file,  ASP file an d so on. Many upl oaded pattern recogni tion met hods have been  introdu ce d in  sup portin g  p l atform ma chi ne olfact io n for the inte rrel ated appli c ati on. Even, other  use r s can d o wnl oad file s of the  sa me ap plicati on, co mpa r e  sen s o r  a r ra y accuracy  and   efficien cy, an d ret u rn  ne algorith m  file  with the  de scription to   serv er. Th e d e scription p r ovide s   to more us ers to refer.  I n  co nt ra st  t o  e- no se,  t h e   olf a ct ory  sy st em  can  dete c t and  interpre t the info rmati on from  volatile sen s o r with a hi gh  degree of  se nsitivity,  sele ctivity and st ability. Theref ore, to conq u e r   dif f i cult ies in  machi ne olf a ct ion,  r e s e a r ch er s st art to pay more attentions to  research  od or  pro c e ssi ng  model s for testing an d verifying dat a  from sen s or database subsy s tem. So the   databa se  sy stem of su pportin g  plat form of  ma chin e olfa ction provide s  much  data  for   resea r chers  whi c h mine  machi ne olfa ction data,  create algo rith ms, and rel e ase ne w data  to th e   serve r  data b a s e sy stem.     2.3. Web Us er Inter f ace  Bas e d on Web Serv ice a nd Work flo w    MIS based  o n  web fa ce use r s,  re sea r che r and a d m inistrators, and p r ovide s   interface   to access da tabase. The  method of d e sig n ing  the  MIS that suits the dem an d of the mod e rn  internet an d wirel e ss net work, ha s be co me more a n d  more impo rt ant and po pul ar. Accordi n g  to   the workflo w  requi rem ent in dynamic en vironm e n t and advantage s of present d e sig n  method  of  MIS, the technologi es of workflo w  a nd  web  se rvice,   the platform  use s  flexible  MIS to service all  of users, re se arche r s a nd a d minist rators.        3. Simulation Template   The tem p late  ca re ceives filed d a ta of  det e c ted  od ou r s  or   s i mu latio n  d a t a or  re c o r der  data. The sy stem has be en  evaluated in  ext ensive sim u lation s and t he sh own re sults.     3.1. Data  Ac quisition an d Sensor Ar r a y  Template   Accuracy, performan ce, and stability requirem ents of t he gas sensors have  increased in  indu strial produ ction, en vironme n tal monito ri ng, medical ch e cki ng and o t her are a s.  The  resea r ching  and devel op ment of the gas  sen s o r s have be e n  more  and  more imp o rtant,  inco nsta nt an d compli cate d. In Figure 4 ,  sensor  set has 24  sen s o r s that can divi de in four a r rays  each with 6 sensors, three  sen s o r   array s  ea ch with 8  sen s o r s, two  array s  ea ch  with 12 sen s ors,   two sen s o r  a rray s  with 6 sen s o r s a nd 18 sen s o r s, and one a r ra y with 24 se nso r s. Th e senor  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 6, June 20 14:  4679 – 4 684   4682 array templat e  that can b e  divided  in  multic ha nnel  to get field  odor data, a pplie s to ma ny   indu strial e n vironm ents.  Workstat ion  re ceives field  ga s sen s or ar ra ys tran smittin g  data, an d the  function s of  workstation a r e sho w n in fig. 5.The  se n s or  array tem p late ca n sim u late field da ta   and hi story d a ta in databa se for u s e r  up dating ne w al gorithm s an d expert sy ste m s.           Figure 4. The  Simulation Template an d Applicatio n               Figure 5. The  Function s of  Wo rkstation s       3.2. Application and Tem p late of  Appl ication   The d a ta pro c e ss  of ma ch ine olfa ction t he st ru cture i s  di scusse d i n  the ab ove section s The  sign al m odel  of sen s o r  a r rays  asso ciated  with  specifi c  o dor classe s i s  p r e s ente d  in  Fig u re   4. The sp ecif ic cla s se s acquire  data of  sen s o r   array  template, an d these  cla s ses an d sp ecif ic  appli c ation s   are  con c eive d as an inte rrelated w hole.  Industri a l saf e  prod uctio n   adopt s co mm on   gas sen s o r as  TGS38 7 0   is u s e d  to  det ect  CH4 i n   co al min e s. A n d  ha rmful  and   dang ero u s g a s   sen s o r of MQ se rie s  a r e u s ed to  e n vironm ent  monitori ng. T e mplate of a pplication uni fies  indu strial safe pro d u c tion , environme n t moni torin g , food pro c essing a nd  storin g, medi cal   che c king  an d  medi cin e  d e v eloping,  and  even  spe c ial  and  u n known od or an alyzing  a s   well   as  spi c e t e st in g.      3.3. Verification   The supporti ng platform  of machi ne  olfact ion  was utilized  to realize monit o r to the  environ menta l  system with simul a tio n  template.  The  kind  ap plicatio n wa s de sig ned   b y   Kingview  sof t ware, SQ databa se a n d  web  se rv ice de sign too l  set incl udin g  asp.net. The  Kingview is  a kind of ind u strial  config urati on  software for d e vel oping  supe rvi s ory control and  data acquisiti on system. P r inci pal comp onent analy s i s  (PCA ) is wi dely used fo r dimensi onali t redu ction  in  p a ttern  re cog n i t ion an d h a been  ap plied   in many  linea r a r ea su cce ssfully [1 1]. So   the Verification sy stem a dopts th e alg o rithm to  re cogni ze p o llut ed ai r. The li near algo rith m is  visual to  air testing  an d e a sy to  reali z e .  Figur e 6  sh ows p a rts of  gas monito rin g  re sult s, ba sed   on the  su ppo rting pl atform  of ma chin olfaction.  T h e  monito ring  system run in   the workstati on  that marked  No.3 in Figu re 7 and de cri bed in Tabl e 1.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     A Method for  De signi ng Co m p lex Machi ne Olfactio n System  (Hua  Fang 4683 The supp orti ng platform  o f  machin e olfaction p r e s e n t ed an ambi e n t real-tim e a i r quality  monitori ng  sy stem that detected 1 2  ki nd s of normal g a se s in air in cludi ng O 2 , H 2 , CO 2 , CO,  an  so on.  Th sy stem  con s iste of several distrib u ted m onitorin g  stations  that com m unicated ea ch  other. The S O C ma rked  No.4 was e q u ippe d with  gaseou s an d  meteorol ogi cal  sen s ors a n d   correl ative p a ram e ter  se nso r a s   well  as d a ta lo gging  and  wirele ss/ UART  comm uni cat i on   capabilities.  The server  m a rked No.1  collected real t i me dat a from the  station and converted it  into, and deli v ered to users throu gh a  web p o rtal  an d a mobile a pplication as  the moblie ph one  marked No.6. The serve r  comp uter co uld be very  far away from  stations an d  it could be also  flexibly assi g ned. Th server comp uter su ppo rt ed  several th e re mote me asurement u n its  with  flexibly assig ned fun c tion s. Therefo r e, t he  mea s u r e m ent re sult and g a cha nging trend wa widely spre ad  via Internet access in re al time.             Figure 6. The  Kingview Mo nitoring Syste m   and Ten d e n cy Ch arts of  Three O dou rs          Figure 7. An Applicatio n System     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 6, June 20 14:  4679 – 4 684   4684 Table 1. The  Comp one nt Parts of the Ve rification Syst em  Number  Description  Function  server  The server is the  integration of th database and  w e b service. IIS (V5.1 for fo rmer site  and V7.0)  runs o n  it and users UI  is an inner web site.  e-nose   The device assembles 12 gas sensors.  It can acquire gas conc entr a tions via inner  expe rt s y stem, s h o w  test results and send all data  to  w o rkstation via RS232.   w o rkstation  In the distributed  supporting platfo rm, t he  w o rkstation is a gate w a y  t hat receives field   data and tr ansmits to server. The  Kingview   runs on  it. Fig. 7 sho w s monitoring  softw a r e based o n  the Kingview .   SOCs   The kind of devices assembles 6  unfixed  sensors.  Parts of T G S series and MQ serie s   can match its port.  sensors  The sensors via SOC A/D acquir e  fi eld odor data,  and transmit to  workstation via  RS232/USB.   terminal   The mobile phon e as user termin al accesses data base, and bro w s e  the  w eb site.   probe   The assist instrument can go dee p into  various kin d s of containers, and imbibe gases  w h en the cont roller turns on t he p u mp.      4. Conclusio n   This  pap er  p u rpo s e s   a n o vel app ro ach to  con s tru c t supp orting  platform  of  machi n e   olfaction,  and  appli e s this  method i n  in d u strial  env i r o n ments.  The r efore, th cla ssifie d  d a ta h a ve   compli cate d stru ctures a nd  the simu lation  te mpla te may be  more  useful  for data  with   compli cate and vari ou s stru ctures.  Main  Co ncl u sions  d r a w n f r om  the  Pape r: 1) Th e g a con c e n tration  wa simul a ted by  usi n g  pre p rocess  of the templ a te of  sen s o r  a rray; 2 )   We   focu sed on t e ch nolo g ies  of suppo rting  platform of  machi ne olfa ction that pro v ided sign al, data   pro c e ssi ng solution s and  appli c ation s ; 3) Expandi ng  supp orting p l atform of ma chin e olfactio benefited  bui lding the  da ta wa reh o u s e and  on -lin e analytical  pro c e ssi ng t o  solve the s e   probl em s in the future.       Ackn o w l e dg ements   This work wa s finan cially suppo rted by  Nation al  Nat u ral  Sci e n c e   Found ation  of  China  (Grant No. 6110 318 0), '085'  p r oje c ts  of  Shan gh ai  Educatio na l Committee (405ZK1 241 2 7 ),       Shanghai Excellent  Young  Teachers Program  (ZZyyy12044,  ZZyy y 12045), Tal ent Devel o pment  Special  F und ed  Proje c ts o f  Shanghai In stitut e of Technolo g y (YJ2 012-16,  YJ2 012-17, YJ2 0 13- 37).       Referen ces   [1]  Gardner JW , Bartlett PN.  A brief histor y   o f  electronic n o s es.  Sensors and Actuators  B: Chemical.   199 4; 18(1- 3): 210- 211.   [2]  Marta RL, Pe d r o MM, José R ,  López PA. R e mote o p ti cal s ensor for r eal-ti m e resid u a l  sal t  monitori n g   on roa d  surfac es.  Sensors a n d  Actuators B: Che m ic al . 20 1 4 ; 191(2): 3 71- 376.   [3]  Rajes h , T a rush ee A, D e ve ndr a K. Rec ent  pr ogress  in t he  d e vel opme n t of  nan o-structure d  co nducti ng   pol ym ers/nan o c ompos ites fo r sensor ap pl ic ations. Se nsors  and Actuators  B: Chemical.  200 9;  136( 2):   275- 286.   [4]  Nisar A, Afzulp urkar N, Maha i s avari y a B, T uant ran ont A. MEMS-base d  mi cropum ps in dr ug de liver and b i ome d ic al  appl icatio ns.  Sensors a nd Act uators B: Che m ic al.  20 08; 13 0(2): 917- 94 2.  [5]  Bani ukevic J, Kirl y t e J, Ram anav icius A, Rama navic ien e  A. Applic ati on  of ori ented  and ra nd o m   antib od y immo biliz atio n meth ods in imm u n o s ensor d e si gn.  Sensors a nd A c tuators B: Ch emical.  20 13 189( 12): 21 7-2 23.   [6]  Herrasti Z ,  Et xabe  E, Mitxel e na JM, Ga bil o ndo  MP , Martínez F M . Dev e l opme n t an d i n t egrati on  of a n   electroc hemic a l  s y stem in a  LOC devic e for DNA detecti on.  Sensors a nd Actuators  B: Chemical.   201 3; 189( 12): 66-7 0 [7]  Lee J H . Gas s ensors  usin g h i erarch ica l  an d  hol lo w  o x i de nan ostructures .   Sensors and  Actuators  B:   Chemic al. 20 0 9 ; 140(1): 3 19- 336.   [8]  Kumar A, Kim  H, Hanck e  GP. Enviro nment al  Monitor i ng  S ystems: A Revi e w .   Sens ors J ournal, IEEE.   201 3; 13(4): 13 29-1 339.   [9]  Lee D D , Lee D S . Environme n t  gas sensors.  IEEE Sensors J ournal.  20 01; 1 56(1): 21 4-2 1 5 .   [10]  Kermit M,  T o mic O.  Indepe nd ent compo n e n t anal ys is app li ed on g a s sens or arra y  m eas u r ement data .   Sensors Journal, IEEE.  2003;  3(2): 218-2 28.   [11]  Sunn y, Mishr a  VN, D w i v e d i R ,  Das RR. Cla ssifi cation of Gases/Odors Us ing Dy namic Responses of   T h ick F ilm Gas Sensor Arra y.  Sensors Journal, IEEE.  2013;  13(12):  49 24- 493 0.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.