一种培养箱自动计数系统及计数方法

1.本发明涉及微生物培养计数技术领域，具体为一种培养箱自动计数系统及计数方法。


背景技术：

2.微生物包括细菌、病毒、真菌以及一些小型的原生生物、显微藻类等在内的一大类生物群体，它个体微小，与人类关系密切，涵盖了有益跟有害的众多种类，广泛涉及食品、医药、工农业、环保等诸多领域，故而社会上有很多的生物学家一直致力于微生物的培养与研究。
3.在微生物的培养与研究过程中,菌落的生长计数需要耗费大量的人力和时间，不仅会造成人力成本的增加，效率降低，而且对于体积微小的菌落，现有的人工计数容易疲劳，准确度较低；在菌落培养的过程中，常常是配备专职人员定时查看菌落的生长状况，而且对数据的管理也会带来诸多不便，不便于对微生物的进一步研究。


技术实现要素：

4.本发明意在提供一种培养箱自动计数系统及计数方法，以解决现有技术对微生物菌落计数费时费力、效率低、准确率低和不便于数据管理的问题。
5.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种培养箱自动计数系统，包括夹持模块、放置平台、拍摄模块、计数模块、通信模块、移动设备和中央控制模块；
7.所述夹持模块用于微生物培养皿的夹持，以便于微生物的消毒和拍摄计数；
8.所述放置平台用于放置培养皿及培养皿的升降；
9.所述拍摄模块用于拍摄培养皿上的微生物照片，以便于微生物的计数；
10.所述计数模块用于输入图像预处理、提取特征、物体检测、分类与结果产生、数据上传；
11.所述通信模块通过wi-fi或4g/5g连接互联网，与服务器建立连接，根据其他模块的指令创建任务与服务器进行通信；通过蓝牙连接移动设备进行设置与控制；
12.所述移动设备与所述通信模块连接，以便于远程读取和控制培养箱的实时状态；
13.所述中央控制模块与所述夹持模块、所述拍摄模块、所述通信模块和所述计数模块连接，完成培养箱各模块任务调度、处理器和存储器资源分配、运行故障检测处理，控制各个模块正常工作。
14.进一步地，所述放置平台设于所述夹持模块的下侧，所述拍摄模块位于所述夹持模块的上侧，所述计数模块位于所述拍摄模块的右侧。
15.进一步地，所述夹持模块为机械臂，所述拍摄模块为数码摄像机，所述放置平台为可升降支撑架，所述计数模块为具有识别微生物种类并计算数量的软件程序，所述通讯模块为具有数据通讯功能的硬件设备和配套的软件程序，所述中央控制模块为控制调节和维
护各模块运行的软件程序。
16.上述的一种培养箱自动计数系统的计数方法，包括以下步骤：
17.s1、培养皿到达计数系统的放置平台后，启动培养箱自动计数系统，中央控制模块指示通信模块建立对服务器连接，通信模块接收到服务器的指令后传输给中央控制模块，由中央控制模块根据指令调用其他模块进行工作；
18.s2、夹持模块将微生物培养皿夹持住，对培养皿进行消毒杀菌；
19.s3、用夹持模块打开培养皿的盖子，然后拍摄模块启动拍摄培养皿照片，发送至计数模块；
20.s4、计数模块产生的数量与浓度数据结果经由中央控制模块发送至通信模块并创建上传任务上传至服务器；
21.s5、移动设备和通信模块连接通过服务器建立连接后，订阅服务器的状态更新，按频率刷新服务器状态变化；服务器检测到培养箱发来的数据则创建一个状态更新，移动设备周期检查服务器中是否存在状态更新，发现状态更新后与服务器同步数据；移动设备发现微生物数量超出阈值后创建一个推送提醒告知用户。
22.进一步地，在s2中，对培养皿的消毒杀菌包括喷洒酒精消毒和紫外线灯消毒，具体的方法为：夹持模块将培养皿夹持翻转喷洒酒精消毒后，放置在放置平台上，由紫外灯进行照射灭菌30分钟。
23.进一步地，在s3中，拍摄计数的方法为：
24.采用fast r-cnn模型作为微生物检测计数的核心，拍摄模块在收到培养皿图像后，完成如下步骤：
25.输入图像预处理：将原始培养皿图像输入fast r-cnn模型前，对图像进行预处理，包括图像缩放、归一化、去均值操作，以满足模型输入的要求；
26.提取特征：经由骨干网进行特征提取，生成特征图；
27.物体检测：利用区域提取网络对图像中存在的微生物区域进行提取，计算出每个区域包含目标的概率以及区域对目标实际位置的偏移量，得到候选框；然后根据检测到的微生物区域，使用roi align算法将区域特征图与卷积特征图进行对齐；
28.分类与结果产生：利用区域特征图经过全连接层确定具体微生物类别，计算出检测框的精确位置；根据识别分类结果计算目标微生物数量，将精确框与图片合并，生成结果图以备技术人员查验；
29.数据上传：将微生物数量浓度结果与结果图传送至通信模块，由通信模块创建任务将结果发送至服务器。
30.进一步地，在s3中，采用负压抽气采样法计算微生物浓度，其计算模型为：
[0031][0032]
式中，c为粒径积分浓度cfu/m3，pr为校正的菌落计数，q为采样气流速率l/min，t为采样时间(min)。
[0033]
进一步地，在s3中，采用自然沉降采样法计算微生物浓度，其计算模型为：
[0034]
[0035]
式中，c为单位体积内总微生物浓度cfu/m3，n为培养皿上的菌落数，a为培养皿面积cm2，t为自然沉降暴露时间min。
[0036]
技术方案的有益效果是：
[0037]
1、本发明提供的培养箱自动计数系统，利用拍摄模块拍摄微生物菌群，然后利用计数模块对其进行计数，对微生物的计数效率高，准确度高；而且计数模块可以通过无线网络与移动设备连接，便于对数据的实时管理；
[0038]
2、本发明提供的培养箱自动计数系统，通过内置的计数模块进行计数并计算微生物浓度，并反馈给用户，当被检测空间的微生物浓度超过一定限值，将发推送提醒用户，提供了微生物环境监测的效率；
[0039]
3、本发明提供的培养箱自动计数系统，实现了拍照、计数、计算浓度、数据远传、灭菌的自动化操作，节省了相关从业人员在微生物环境监测以及实验中的时间。
具体实施方式
[0040]
下面本发明作进一步的详细说明：
[0041]
一种培养箱自动计数系统，包括夹持模块、放置平台、拍摄模块、计数模块、通信模块、移动设备和中央控制模块；
[0042]
夹持模块为机械臂，用于微生物培养皿的夹持，以便于微生物的消毒和拍摄计数；
[0043]
放置平台为可升降支撑架，其设于夹持模块的下侧，用于放置培养皿及培养皿的升降；
[0044]
拍摄模块为数码摄像机，其设于夹持模块的上侧，用于拍摄培养皿上的微生物照片，以便于微生物的计数；
[0045]
计数模块为具有识别微生物种类并计算数量的软件程序，用于输入图像预处理、提取特征、物体检测、分类与结果产生、数据上传；
[0046]
通信模块为具有数据通讯功能的硬件设备和配套的软件程序，通过wi-fi或4g/5g连接互联网，与服务器建立连接，根据其他模块的指令创建任务与服务器进行通信；通过蓝牙连接移动设备进行设置与控制
[0047]
移动设备为用户手机app，与通信模块连接，以便于远程读取和控制培养箱的实时状态；
[0048]
中央控制模块为控制调节和维护各模块运行的软件程序，与夹持模块、拍摄模块、通信模块和计数模块连接，完成培养箱各模块任务调度、处理器和存储器资源分配、运行故障检测处理，控制各个模块正常工作。
[0049]
上述的一种培养箱自动计数系统的计数方法，包括以下步骤：
[0050]
s1、将培养皿到达计数系统的放置平台后，启动培养箱自动计数系统，中央控制模块指示通信模块建立对服务器连接，通信模块接收到服务器的指令后传输给中央控制模块，由中央控制模块根据指令调用其他模块进行工作；
[0051]
s2、夹持模块将微生物培养皿夹持住，翻转喷洒酒精消毒后，放置在放置平台上，由紫外灯进行照射灭菌30分钟；
[0052]
s3、用夹持模块打开培养皿的盖子，然后拍摄模块启动拍摄培养皿照片，发送至计数模块；
[0053]
其中，拍摄计数的方法为：
[0054]
采用fast r-cnn模型作为微生物检测计数的核心，拍摄模块在收到培养皿图像后，完成如下步骤：
[0055]
输入图像预处理：将原始培养皿图像输入fast r-cnn模型前，对图像进行预处理，包括图像缩放、归一化、去均值操作，以满足模型输入的要求；
[0056]
提取特征：经由骨干网进行特征提取，生成特征图；
[0057]
物体检测：利用区域提取网络对图像中存在的微生物区域进行提取，计算出每个区域包含目标的概率以及区域对目标实际位置的偏移量，得到候选框；然后根据检测到的微生物区域，使用roi align算法将区域特征图与卷积特征图进行对齐；
[0058]
分类与结果产生：利用区域特征图经过全连接层确定具体微生物类别，计算出检测框的精确位置；根据识别分类结果计算目标微生物数量，将精确框与图片合并，生成结果图以备技术人员查验；
[0059]
数据上传：将微生物数量浓度结果与结果图传送至通信模块，由通信模块创建任务将结果发送至服务器；
[0060]
另外，关于可采用负压抽气采样法或自然沉降采样法计算微生物浓度；
[0061]
采用负压抽气采样法计算微生物浓度，其计算模型为：
[0062][0063]
式中，c为粒径积分浓度cfu/m3，pr为校正的菌落计数，q为采样气流速率l/min，t为采样时间(min)；
[0064]
采用自然沉降采样法计算微生物浓度，其计算模型为：
[0065][0066]
式中，c为单位体积内总微生物浓度cfu/m3，n为培养皿上的菌落数，a为培养皿面积cm2，t为自然沉降暴露时间min；
[0067]
s4、计数模块产生的数量与浓度数据结果经由中央控制模块发送至通信模块并创建上传任务上传至服务器；
[0068]
s5、移动设备和通信模块连接通过服务器建立连接后，订阅服务器的状态更新，按频率刷新服务器状态变化；服务器检测到培养箱发来的数据则创建一个状态更新，移动设备周期检查服务器中是否存在状态更新，发现状态更新后与服务器同步数据；移动设备发现微生物数量超出阈值后创建一个推送提醒告知用户。
[0069]
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体技术方案或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本技术要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

技术特征：
1.一种培养箱自动计数系统，其特征在于：包括夹持模块、放置平台、拍摄模块、计数模块、通信模块、移动设备和中央控制模块；所述夹持模块用于微生物培养皿的夹持，以便于微生物的消毒和拍摄计数；所述放置平台用于放置培养皿及培养皿的升降；所述拍摄模块用于拍摄培养皿上的微生物照片，以便于微生物的计数；所述计数模块用于输入图像预处理、提取特征、物体检测、分类与结果产生、数据上传；所述通信模块通过wi-fi或4g/5g连接互联网，与服务器建立连接，根据其他模块的指令创建任务与服务器进行通信；通过蓝牙连接移动设备进行设置与控制；所述移动设备与所述通信模块连接，以便于远程读取和控制培养箱的实时状态；所述中央控制模块与所述夹持模块、所述拍摄模块、所述通信模块和所述计数模块连接，完成培养箱各模块任务调度、处理器和存储器资源分配、运行故障检测处理，控制各个模块正常工作。2.根据权利要求1所述的一种培养箱自动计数系统，其特征在于：所述放置平台设于所述夹持模块的下侧，所述拍摄模块位于所述夹持模块的上侧，所述计数模块位于所述拍摄模块的右侧。3.根据权利要求1所述的一种培养箱自动计数系统，其特征在于：所述夹持模块为机械臂，所述拍摄模块为数码摄像机，所述放置平台为可升降支撑架，所述计数模块为具有识别微生物种类并计算数量的软件程序，所述通讯模块为具有数据通讯功能的硬件设备和配套的软件程序，所述中央控制模块为控制调节和维护各模块运行的软件程序。4.根据权利要求1～3任一项所述的一种培养箱自动计数系统的计数方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、培养皿到达计数系统的放置平台后，启动培养箱自动计数系统，中央控制模块指示通信模块建立对服务器连接，通信模块接收到服务器的指令后传输给中央控制模块，由中央控制模块根据指令调用其他模块进行工作；s2、夹持模块将微生物培养皿夹持住，对培养皿进行消毒杀菌；s3、用夹持模块打开培养皿的盖子，然后拍摄模块启动拍摄培养皿照片，发送至计数模块；s4、计数模块产生的数量与浓度数据结果经由中央控制模块发送至通信模块并创建上传任务上传至服务器；s5、移动设备和通信模块连接通过服务器建立连接后，订阅服务器的状态更新，按频率刷新服务器状态变化；服务器检测到培养箱发来的数据则创建一个状态更新，移动设备周期检查服务器中是否存在状态更新，发现状态更新后与服务器同步数据；移动设备发现微生物数量超出阈值后创建一个推送提醒告知用户。5.根据权利要求4所述的一种培养箱自动计数系统的计数方法，其特征在于：在s2中，对培养皿的消毒杀菌包括喷洒酒精消毒和紫外线灯消毒，具体的方法为：夹持模块将培养皿夹持翻转喷洒酒精消毒后，放置在放置平台上，由紫外灯进行照射灭菌30分钟。6.根据权利要求4所述的一种培养箱自动计数系统的计数方法，其特征在于:在s3中，拍摄计数的方法为：采用fast r-cnn模型作为微生物检测计数的核心，拍摄模块在收到培养皿图像后，完
成如下步骤：输入图像预处理：将原始培养皿图像输入fast r-cnn模型前，对图像进行预处理，包括图像缩放、归一化、去均值操作，以满足模型输入的要求；提取特征：经由骨干网进行特征提取，生成特征图；物体检测：利用区域提取网络对图像中存在的微生物区域进行提取，计算出每个区域包含目标的概率以及区域对目标实际位置的偏移量，得到候选框；然后根据检测到的微生物区域，使用roi align算法将区域特征图与卷积特征图进行对齐；分类与结果产生：利用区域特征图经过全连接层确定具体微生物类别，计算出检测框的精确位置；根据识别分类结果计算目标微生物数量，将精确框与图片合并，生成结果图以备技术人员查验；数据上传：将微生物数量浓度结果与结果图传送至通信模块，由通信模块创建任务将结果发送至服务器。7.根据权利要求6所述的一种培养箱自动计数系统的计数方法，其特征在于:在s3中，采用负压抽气采样法计算微生物浓度，其计算模型为：式中，c为粒径积分浓度cfu/m3，p
r
为校正的菌落计数，q为采样气流速率l/min，t为采样时间(min)。8.根据权利要求6所述的一种培养箱自动计数系统的计数方法，其特征在于:在s3中，采用自然沉降采样法计算微生物浓度，其计算模型为：式中，c为单位体积内总微生物浓度cfu/m3，n为培养皿上的菌落数，a为培养皿面积cm2，t为自然沉降暴露时间min。

技术总结
本发明属于微生物培养计数技术领域，公开了一种培养箱自动计数系统及计数方法，系统包括夹持模块、放置平台、拍摄模块、计数模块、通信模块、移动设备和中央控制模块；计数方法包括S1、将培养皿放置在放置平台上后启动自动计数系统；S2、对培养皿进行消毒杀菌；S3、拍摄模块拍摄培养皿照片，并发送至计数模块；S4、将微生物的数量与浓度数据上传至服务器；S5、通过移动设备实时观察和记录微生物的状态；本发明利用拍摄模块拍摄微生物菌群，利用计数模块对其进行计数，并将结果反馈给用户，实现拍照、计数、计算浓度、数据远传、灭菌的自动化操作，节省了微生物环境监测以及实验的时间。省了微生物环境监测以及实验的时间。


技术研发人员：刘猛 马田 刘欢 徐嘉栋 刘鲁萌 李子桥 李琦晟 王淑婉 钟志扬 李庆巍 张翔
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：2023.06.06
技术公布日：2023/9/14