有毒有害氣體對人體的傷害問題越來越突出[1]，如工業(yè)作業(yè)產(chǎn)生的有毒有害氣體泄露；室內(nèi)空氣中醛,、苯等超標(biāo)導(dǎo)致的“致病建筑物綜合癥”,；導(dǎo)彈等發(fā)射產(chǎn)生有毒氣體對士兵身體的損害；汽車內(nèi)有害氣體超標(biāo)導(dǎo)致的頭暈,、咳嗽等癥狀,。傳統(tǒng)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(xiàn)現(xiàn)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(fù)雜,、選擇性較差,。
    相對于傳統(tǒng)檢測方法的不足，卟啉傳感器由于其優(yōu)良光敏特性[3]和對于微量氣體的快速,、準(zhǔn)確響應(yīng)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(xiàn)顏色變化差異,，可唯一地表征氣體特征信息，實現(xiàn)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(shù)發(fā)展迅速，具有良好的硬件平臺和編程環(huán)境,，可方便定制開發(fā)基于卟啉傳感器的毒氣檢測系統(tǒng),。基于此[6],，本文設(shè)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(tǒng),。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計
1.1 系統(tǒng)組成
    基于嵌入式的毒氣檢測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)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(xiàn)顏色變化的原理產(chǎn)生光譜信息；下位機MCU主要實現(xiàn)對反應(yīng)環(huán)境的監(jiān)控；上位機嵌入式ARM9實現(xiàn)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(tǒng)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(yīng)前圖像信息,，開啟微泵采集待測氣體進入反應(yīng)室，同時打開流量,、濕度,、溫度傳感器監(jiān)測氣體實時情況，待其與卟啉傳感陣列充分反應(yīng)后采集反應(yīng)后圖像,。進入處理界面,，將反應(yīng)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(tǒng)硬件設(shè)計
    系統(tǒng)硬件主要由嵌入式ARM9主控制系統(tǒng)和微控制系統(tǒng)MCU組成,，如圖2所示。嵌入式主控系統(tǒng)以S3C2440A為核心,，主要包括圖像采集,、系統(tǒng)顯示、存儲和主從通信模塊,；MCU輔助控制系統(tǒng)以PIC16F877為核心,，主要包括氣體采集控制、條件監(jiān)控,、可控光源等模塊,。

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

    (2)系統(tǒng)顯示模塊
    毒氣檢測系統(tǒng)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(yōu)越性。Linux操作系統(tǒng)為不同型號的LCD提供了相應(yīng)的framebuffer底層驅(qū)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(tǒng)中用作存儲Bootloader,、內(nèi)核和文件系統(tǒng)；SDRAM（2片32 M×16 bit的HY57V561620）緩存空間大,。檢測過程中圖像數(shù)據(jù)量龐大,，外擴SD卡作為存儲介質(zhì)。
    (4)主從通信模塊
    嵌入式ARM9和PIC16F877以RS232串口實現(xiàn)通信,。
2.2 MCU硬件設(shè)計
2.2.1 氣體采樣控制模塊
    毒氣檢測系統(tǒng)采用泵吸式采集反應(yīng)氣體,；采用PWM脈寬調(diào)速，把恒定直流電壓調(diào)制成頻率一定脈寬可調(diào)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(qū)動電壓而實現(xiàn)調(diào)速,。其平均電壓如下：
    
    其中,，T為脈沖周期，ton為導(dǎo)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(diào)節(jié),，從而實現(xiàn)對氣泵兩端有效電壓的調(diào)節(jié),。
2.2.2 條件監(jiān)控模塊
    卟啉傳感器和毒氣的反應(yīng)環(huán)境狀況直接影響著氣體的特征圖譜，需要監(jiān)測毒氣溫度,、濕度和流量動力學(xué)因素,，為此設(shè)計了相應(yīng)驅(qū)動及轉(zhuǎn)換電路。溫度傳感器采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20,，檢測到溫度后直接將12 bit數(shù)字信號串行傳輸?shù)絇IC16F877,；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(shù),，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(dāng)前實際溫度,。采用MAX197兩個模擬通道對流量,、濕度轉(zhuǎn)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(fā)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(fā)光面積和光通量，提高卟啉傳感器圖像質(zhì)量,?？煽毓庹漳K由發(fā)光二極管陣列和柔光板組成，系統(tǒng)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(chǎn)生照度為E，如式（4）,，I為光源發(fā)光強度,，r為光源與受照面元距離，θ為面元和光束傾角,。當(dāng)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(dāng)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(zhuǎn)換為三維坐標(biāo)，如式（8）,。
 
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
3.1 嵌入式主控程序設(shè)計
    嵌入式上位機采用Linux系統(tǒng)和Qt/Embedded開發(fā)平臺,，毒氣檢測系統(tǒng)軟件架構(gòu)主要包括應(yīng)用程序、Linux操作系統(tǒng)和GUI開發(fā)環(huán)境Qt/Embedded,、ARM9硬件平臺,。
3.1.1 平臺構(gòu)建
    本文選用Fedora 12.0為嵌入式開發(fā)系統(tǒng)，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(fā)工具,。
3.1.2 驅(qū)動程序設(shè)計
    S3C244A經(jīng)過SCCB總線初始化OV9650 圖像傳感設(shè)備、分配內(nèi)存,、調(diào)用request_irq()登記攝像頭中斷,、查詢信號VSYNC、完成卟啉陣列圖像數(shù)據(jù)采集,。
    Linux系統(tǒng)下,，毒氣檢測系統(tǒng)應(yīng)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(biāo)信息傳遞給Qt/Embedded圖形界面應(yīng)用程序,，執(zhí)行對應(yīng)功能并實時顯示結(jié)果,，其流程如圖5所示。

    SD驅(qū)動程序包括檢測,、初始化和讀寫程序，提供文件系統(tǒng)接口函數(shù)API,，應(yīng)用程序通過這些接口函數(shù)完成SD卡數(shù)據(jù)操作,。
3.1.3 GUI模塊設(shè)計
    圖形界面采用Qt designer進行系統(tǒng)界面設(shè)計，根據(jù)其“信號與槽”通信機制,，完成界面設(shè)計和代碼編寫,。毒氣檢測系統(tǒng)具體GUI界面如圖6所示。

3.2 微控制系統(tǒng)程序設(shè)計
    微控制系統(tǒng)在Microchip MPLAB IDE V8.00環(huán)境下完成編譯和調(diào)試,。系統(tǒng)上電后,，初始化PWM寄存器、串口控制器,、A/D轉(zhuǎn)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(fā)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(biāo)志receive_flag是否置位,，然后解析command中命令類型,，進入相應(yīng)的子程序，執(zhí)行電操作功能,。毒氣檢測完畢后,，嵌入式上位機發(fā)送結(jié)束指令，MCU關(guān)閉設(shè)備,，系統(tǒng)進入低功耗模式,。
4 實驗結(jié)果及分析
    以庚醛為例，開啟系統(tǒng),，采集卟啉傳感陣列反應(yīng)前圖像信息,，將濃度為45 ppb的庚醛氣體泵入檢測系統(tǒng)，待其與卟啉傳感器充分反應(yīng),，采集反應(yīng)后圖像信息,，將反應(yīng)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(biāo)表示36點陣RGB分量組合R1B1G1…R36B36G36,，縱坐標(biāo)表示對應(yīng)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(yīng)特征點的色譜信息出現(xiàn)差異，可實現(xiàn)同種氣體不同濃度檢測,，同時能實現(xiàn)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(yīng)特征點的差值△R、△G,、△B分量信息),。由此，說明了檢測系統(tǒng)采用差譜特征信息識別氣體的可行性,，同時能實現(xiàn)對不同濃度毒氣的定量識別性,。

    系統(tǒng)對6種有毒有害氣體進行了檢測，其結(jié)果如圖8所示,。圖8(a)～(f)分別對應(yīng)其光譜特征信息模板,，每種氣體的特征信息（特征點點數(shù)、位置及RGB色譜信息值）存在差異性,，與相應(yīng)目標(biāo)氣體存在一一對應(yīng)關(guān)系,，這說明了檢測系統(tǒng)的“指紋”特征性，可實現(xiàn)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(fù)正確性高，說明了檢測系統(tǒng)穩(wěn)定性好,；每種氣體特征點RGB值趨于穩(wěn)定的時間（3 min-5 min）,，表明系統(tǒng)能實現(xiàn)毒氣的快速檢測，保證了檢測系統(tǒng)的實時性,。
    本文利用金屬卟啉傳感器對特定痕量目標(biāo)物氣體反應(yīng)的特異性及敏感性,，基于嵌入式ARM-Linux及QT開發(fā)工具，開發(fā)了相應(yīng)毒氣檢測裝置,，實現(xiàn)了信息檢測,、處理及顯示等功能。試驗表明,，該系統(tǒng)實現(xiàn)了對低濃度
（ppb級）毒氣的快速,、穩(wěn)定檢測,，能對多種有毒氣體實現(xiàn)定性定量的檢測。
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