有毒有害氣體對人體的傷害問題越來越突出[1]，如工業作業產生的有毒有害氣體泄露；室內空氣中醛、苯等超標導致的“致病建筑物綜合癥”；導彈等發射產生有毒氣體對士兵身體的損害；汽車內有害氣體超標導致的頭暈、咳嗽等癥狀。傳統毒氣檢測方法如分光光度法、非色散紅外分析法[2]和氣相色譜法，都存在著靈敏度易受干擾、不易實現現場檢測等缺陷，其他如滴定或者比色法、氣體傳感器直接檢測法等，耗時較長、操作復雜、選擇性較差。
    相對于傳統檢測方法的不足，卟啉傳感器由于其優良光敏特性[3]和對于微量氣體的快速、準確響應成為毒氣檢測的理想傳感器。卟啉陣列傳感器采用金屬卟啉作為傳感器的氣體敏感膜，與不同氣體接觸后，金屬卟啉分子間鍵、程度和張力不同，吸收光譜改變也不同，出現顏色變化差異，可唯一地表征氣體特征信息，實現毒氣的顏色“指紋“信息檢測[4-5]。同時，基于傳感器的嵌入式ARM-Linux技術發展迅速，具有良好的硬件平臺和編程環境，可方便定制開發基于卟啉傳感器的毒氣檢測系統。基于此[6]，本文設計了以卟啉陣列為傳感器、嵌入式ARM9為核心控制、PIC16F877為輔助控制的痕量毒氣檢測系統。
1 系統總體設計
1.1 系統組成
    基于嵌入式的毒氣檢測系統總體結構如圖1所示，主要包括前端傳感檢測裝置、下位機MCU和上位機嵌入式ARM9。前端傳感裝置采用金屬卟啉傳感器陣列，利用其與氣體接觸出現顏色變化的原理產生光譜信息；下位機MCU主要實現對反應環境的監控；上位機嵌入式ARM9實現對下位機的控制、光譜信息獲取、處理、存儲和顯示等。

1.2 工作流程
    系統上電后，進入LCD觸摸屏界面，通過功能菜單打開攝像頭，采集反應前圖像信息，開啟微泵采集待測氣體進入反應室，同時打開流量、濕度、溫度傳感器監測氣體實時情況，待其與卟啉傳感陣列充分反應后采集反應后圖像。進入處理界面，將反應前后圖像信息進行處理，得出待測氣體特征信息并實時顯示與存儲。

2 系統硬件設計
    系統硬件主要由嵌入式ARM9主控制系統和微控制系統MCU組成，如圖2所示。嵌入式主控系統以S3C2440A為核心，主要包括圖像采集、系統顯示、存儲和主從通信模塊；MCU輔助控制系統以PIC16F877為核心，主要包括氣體采集控制、條件監控、可控光源等模塊。

2.1 主控硬件設計
    (1)圖像采集模塊
    毒氣檢測系統采用OV9650獲取卟啉傳感陣列光譜信息，OV9650產生CAMVSYNC、CAMHREF、CAMPCLK信號輸入到CPU，控制完成每一幀圖像數據的采集。OV9650數據接口D[9:2]與S3C2440A的CAMIF數據接口CAMDATA[7:0]相連接，完成圖像數據的采集，其接口連接如圖3所示。

    (2)系統顯示模塊
    毒氣檢測系統采用NEC 3.5英寸的320×240的TFT型LCD，亮度好、對比度高，對于卟啉陣列顏色圖像采集和顯示具有優越性。Linux操作系統為不同型號的LCD提供了相應的framebuffer底層驅動，支持Qt/Embedded等嵌入式圖形軟件，而且完成了對觸摸屏的良好支持。
    (3)存儲模塊
    以S3C2440A為中心，擴展了Nand Flash(256 M×8 bit的K9F2G08)，在系統中用作存儲Bootloader、內核和文件系統；SDRAM（2片32 M×16 bit的HY57V561620）緩存空間大。檢測過程中圖像數據量龐大，外擴SD卡作為存儲介質。
    (4)主從通信模塊
    嵌入式ARM9和PIC16F877以RS232串口實現通信。
2.2 MCU硬件設計
2.2.1 氣體采樣控制模塊
    毒氣檢測系統采用泵吸式采集反應氣體；采用PWM脈寬調速，把恒定直流電壓調制成頻率一定脈寬可調的脈沖電壓序列；氣泵外接5 V直流電壓，通過PIC16F877輸出PWM高低電平控制回路通斷，改變電機的平均驅動電壓而實現調速。其平均電壓如下：
    
    其中，T為脈沖周期，ton為導通時間，?籽為占空比。在電源Ui與PWM周期T固定的條件下，Uout可隨?籽的改變而平滑調節，從而實現對氣泵兩端有效電壓的調節。
2.2.2 條件監控模塊
    卟啉傳感器和毒氣的反應環境狀況直接影響著氣體的特征圖譜，需要監測毒氣溫度、濕度和流量動力學因素，為此設計了相應驅動及轉換電路。溫度傳感器采用數字溫度傳感器DS18B20，檢測到溫度后直接將12 bit數字信號串行傳輸到PIC16F877；流量傳感器采用AWM3300，工作電壓10 V，輸出信號1～5 V；濕度傳感器采用HIH4000，輸出電壓信號為供電電壓、濕度和溫度的函數，由式（2）得到RH0，溫度補償后得到實際濕度RH；式（3）中的t為當前實際溫度。采用MAX197兩個模擬通道對流量、濕度轉換后傳輸給MCU。
 
2.2.3 可控光源模塊
    單個LED作為近朗伯體發光能較低，光通量只有幾十流明，而采用LED陣列可增加光源發光面積和光通量，提高卟啉傳感器圖像質量。可控光照模塊由發光二極管陣列和柔光板組成，系統光源模型如圖4（a）所示，點光源照度分布如圖4（c）所示，光源S在面元ds產生照度為E，如式（4），I為光源發光強度，r為光源與受照面元距離，θ為面元和光束傾角。當光源S處于光軸方向(即θ=0)時，受照面光照度分布與空間光強分布近似，如式（5）。

    LED為非相干光源，因此，當兩個LED間距為d時，對平面某一面元光照度為其疊加，同時轉換為三維坐標，如式（8）。
 
3 系統軟件設計
3.1 嵌入式主控程序設計
    嵌入式上位機采用Linux系統和Qt/Embedded開發平臺，毒氣檢測系統軟件架構主要包括應用程序、Linux操作系統和GUI開發環境Qt/Embedded、ARM9硬件平臺。
3.1.1 平臺構建
    本文選用Fedora 12.0為嵌入式開發系統，使用arm-Linux-gcc-4.3.2編譯器，采用Qt/Embedded 4.5.3為圖形界面開發工具。
3.1.2 驅動程序設計
    S3C244A經過SCCB總線初始化OV9650 圖像傳感設備、分配內存、調用request_irq()登記攝像頭中斷、查詢信號VSYNC、完成卟啉陣列圖像數據采集。
    Linux系統下，毒氣檢測系統應用程序直接對顯示frambuffer進行讀寫和I/O操作。通過對LCD觸摸屏初始化，將觸摸點坐標信息傳遞給Qt/Embedded圖形界面應用程序，執行對應功能并實時顯示結果，其流程如圖5所示。

    SD驅動程序包括檢測、初始化和讀寫程序，提供文件系統接口函數API，應用程序通過這些接口函數完成SD卡數據操作。
3.1.3 GUI模塊設計
    圖形界面采用Qt designer進行系統界面設計，根據其“信號與槽”通信機制，完成界面設計和代碼編寫。毒氣檢測系統具體GUI界面如圖6所示。

3.2 微控制系統程序設計
    微控制系統在Microchip MPLAB IDE V8.00環境下完成編譯和調試。系統上電后，初始化PWM寄存器、串口控制器、A/D轉換器、濕度溫度流量傳感器，進入主程序等待串口中斷。嵌入式主機發送命令后，串口中斷子程序接收命令并存儲于command之中，主程序判斷接收標志receive_flag是否置位，然后解析command中命令類型，進入相應的子程序，執行電操作功能。毒氣檢測完畢后，嵌入式上位機發送結束指令，MCU關閉設備，系統進入低功耗模式。
4 實驗結果及分析
    以庚醛為例，開啟系統，采集卟啉傳感陣列反應前圖像信息，將濃度為45 ppb的庚醛氣體泵入檢測系統，待其與卟啉傳感器充分反應，采集反應后圖像信息，將反應前后原始圖像陣列信息進行圖像校正、濾波、分割、信息提取及模板化等圖像處理得到其特征值模板，如圖7(a)、(b)所示。作差得到庚醛差譜特征信息模板，如圖7(c)所示。圖7（d）橫坐標表示36點陣RGB分量組合R1B1G1…R36B36G36，縱坐標表示對應的△R、△G、△B值，由此可知庚醛的作用點主要有6個，與圖7（c）中特征點匹配，點位置特定。隨著濃度變化，對應特征點的色譜信息出現差異，可實現同種氣體不同濃度檢測，同時能實現ppb級低濃度毒氣檢測。如表1所示(表中括號三個值分別對應特征點的差值△R、△G、△B分量信息)。由此，說明了檢測系統采用差譜特征信息識別氣體的可行性，同時能實現對不同濃度毒氣的定量識別性。

    系統對6種有毒有害氣體進行了檢測，其結果如圖8所示。圖8(a)～(f)分別對應其光譜特征信息模板，每種氣體的特征信息（特征點點數、位置及RGB色譜信息值）存在差異性，與相應目標氣體存在一一對應關系，這說明了檢測系統的“指紋”特征性，可實現對不同氣體的定性識別。圖8中對6種氣體各試驗了25次，重復正確性高，說明了檢測系統穩定性好；每種氣體特征點RGB值趨于穩定的時間（3 min-5 min），表明系統能實現毒氣的快速檢測，保證了檢測系統的實時性。
    本文利用金屬卟啉傳感器對特定痕量目標物氣體反應的特異性及敏感性，基于嵌入式ARM-Linux及QT開發工具，開發了相應毒氣檢測裝置，實現了信息檢測、處理及顯示等功能。試驗表明，該系統實現了對低濃度
（ppb級）毒氣的快速、穩定檢測，能對多種有毒氣體實現定性定量的檢測。
參考文獻
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