有毒有害氣體對(duì)人體的傷害問(wèn)題越來(lái)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(duì)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(cè)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(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)等缺陷,，其他如滴定或者比色法、氣體傳感器直接檢測(cè)法等,，耗時(shí)較長(zhǎng),、操作復(fù)雜、選擇性較差,。
    相對(duì)于傳統(tǒng)檢測(cè)方法的不足,，卟啉傳感器由于其優(yōu)良光敏特性[3]和對(duì)于微量氣體的快速、準(zhǔn)確響應(yīng)成為毒氣檢測(cè)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(shí)現(xiàn)毒氣的顏色“指紋“信息檢測(cè)[4-5]。同時(shí),，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(tái)和編程環(huán)境，可方便定制開(kāi)發(fā)基于卟啉傳感器的毒氣檢測(cè)系統(tǒng),?；诖薣6]，本文設(shè)計(jì)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(cè)系統(tǒng),。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
1.1 系統(tǒng)組成
    基于嵌入式的毒氣檢測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括前端傳感檢測(cè)裝置,、下位機(jī)MCU和上位機(jī)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(jī)MCU主要實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)環(huán)境的監(jiān)控,；上位機(jī)嵌入式ARM9實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)的控制、光譜信息獲取,、處理,、存儲(chǔ)和顯示等。

1.2 工作流程
    系統(tǒng)上電后,，進(jìn)入LCD觸摸屏界面,，通過(guò)功能菜單打開(kāi)攝像頭，采集反應(yīng)前圖像信息,，開(kāi)啟微泵采集待測(cè)氣體進(jìn)入反應(yīng)室,，同時(shí)打開(kāi)流量、濕度,、溫度傳感器監(jiān)測(cè)氣體實(shí)時(shí)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(jìn)入處理界面,，將反應(yīng)前后圖像信息進(jìn)行處理,，得出待測(cè)氣體特征信息并實(shí)時(shí)顯示與存儲(chǔ)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    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(chǔ)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(jì)
    (1)圖像采集模塊
    毒氣檢測(cè)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(hào)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(cè)系統(tǒng)采用NEC 3.5英寸的320×240的TFT型LCD，亮度好,、對(duì)比度高,，對(duì)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(hào)的LCD提供了相應(yīng)的framebuffer底層驅(qū)動(dòng),，支持Qt/Embedded等嵌入式圖形軟件，而且完成了對(duì)觸摸屏的良好支持,。
    (3)存儲(chǔ)模塊
    以S3C2440A為中心,，擴(kuò)展了Nand Flash(256 M×8 bit的K9F2G08)，在系統(tǒng)中用作存儲(chǔ)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(cè)過(guò)程中圖像數(shù)據(jù)量龐大,，外擴(kuò)SD卡作為存儲(chǔ)介質(zhì),。
    (4)主從通信模塊
    嵌入式ARM9和PIC16F877以RS232串口實(shí)現(xiàn)通信。
2.2 MCU硬件設(shè)計(jì)
2.2.1 氣體采樣控制模塊
    毒氣檢測(cè)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(guò)PIC16F877輸出PWM高低電平控制回路通斷,，改變電機(jī)的平均驅(qū)動(dòng)電壓而實(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(cè)毒氣溫度、濕度和流量動(dòng)力學(xué)因素,，為此設(shè)計(jì)了相應(yīng)驅(qū)動(dòng)及轉(zhuǎn)換電路,。溫度傳感器采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，檢測(cè)到溫度后直接將12 bit數(shù)字信號(hào)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(hào)1～5 V；濕度傳感器采用HIH4000,，輸出電壓信號(hào)為供電電壓,、濕度和溫度的函數(shù)，由式（2）得到RH0,，溫度補(bǔ)償后得到實(shí)際濕度RH,；式（3）中的t為當(dāng)前實(shí)際溫度。采用MAX197兩個(gè)模擬通道對(duì)流量,、濕度轉(zhuǎn)換后傳輸給MCU,。
 
2.2.3 可控光源模塊
    單個(gè)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(diǎn)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(qiáng)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(shí),，受照面光照度分布與空間光強(qiáng)分布近似,，如式（5）。

    LED為非相干光源,，因此,，當(dāng)兩個(gè)LED間距為d時(shí)，對(duì)平面某一面元光照度為其疊加,，同時(shí)轉(zhuǎn)換為三維坐標(biāo),，如式（8）。
 
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1 嵌入式主控程序設(shè)計(jì)
    嵌入式上位機(jī)采用Linux系統(tǒng)和Qt/Embedded開(kāi)發(fā)平臺(tái),，毒氣檢測(cè)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(kāi)發(fā)環(huán)境Qt/Embedded、ARM9硬件平臺(tái),。
3.1.1 平臺(tái)構(gòu)建
    本文選用Fedora 12.0為嵌入式開(kāi)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(kāi)發(fā)工具,。
3.1.2 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)
    S3C244A經(jīng)過(guò)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(hào)VSYNC,、完成卟啉陣列圖像數(shù)據(jù)采集,。
    Linux系統(tǒng)下，毒氣檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用程序直接對(duì)顯示frambuffer進(jìn)行讀寫(xiě)和I/O操作,。通過(guò)對(duì)LCD觸摸屏初始化,，將觸摸點(diǎn)坐標(biāo)信息傳遞給Qt/Embedded圖形界面應(yīng)用程序，執(zhí)行對(duì)應(yīng)功能并實(shí)時(shí)顯示結(jié)果,，其流程如圖5所示,。

    SD驅(qū)動(dòng)程序包括檢測(cè)、初始化和讀寫(xiě)程序,，提供文件系統(tǒng)接口函數(shù)API,，應(yīng)用程序通過(guò)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(jì)
    圖形界面采用Qt designer進(jìn)行系統(tǒng)界面設(shè)計(jì),，根據(jù)其“信號(hào)與槽”通信機(jī)制，完成界面設(shè)計(jì)和代碼編寫(xiě),。毒氣檢測(cè)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(jì)
    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(jìn)入主程序等待串口中斷。嵌入式主機(jī)發(fā)送命令后,，串口中斷子程序接收命令并存儲(chǔ)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(jìn)入相應(yīng)的子程序,，執(zhí)行電操作功能。毒氣檢測(cè)完畢后,，嵌入式上位機(jī)發(fā)送結(jié)束指令,，MCU關(guān)閉設(shè)備，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式,。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
    以庚醛為例,，開(kāi)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(cè)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(jìn)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(diǎn)陣RGB分量組合R1B1G1…R36B36G36，縱坐標(biāo)表示對(duì)應(yīng)的△R,、△G,、△B值，由此可知庚醛的作用點(diǎn)主要有6個(gè),，與圖7（c）中特征點(diǎn)匹配,，點(diǎn)位置特定。隨著濃度變化,，對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)的色譜信息出現(xiàn)差異,，可實(shí)現(xiàn)同種氣體不同濃度檢測(cè)，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)ppb級(jí)低濃度毒氣檢測(cè),。如表1所示(表中括號(hào)三個(gè)值分別對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)的差值△R,、△G、△B分量信息),。由此,，說(shuō)明了檢測(cè)系統(tǒng)采用差譜特征信息識(shí)別氣體的可行性，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)對(duì)不同濃度毒氣的定量識(shí)別性,。

    系統(tǒng)對(duì)6種有毒有害氣體進(jìn)行了檢測(cè),，其結(jié)果如圖8所示。圖8(a)～(f)分別對(duì)應(yīng)其光譜特征信息模板,，每種氣體的特征信息（特征點(diǎn)點(diǎn)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(duì)應(yīng)關(guān)系,，這說(shuō)明了檢測(cè)系統(tǒng)的“指紋”特征性,，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同氣體的定性識(shí)別。圖8中對(duì)6種氣體各試驗(yàn)了25次,，重復(fù)正確性高,，說(shuō)明了檢測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定性好；每種氣體特征點(diǎn)RGB值趨于穩(wěn)定的時(shí)間（3 min-5 min）,，表明系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)毒氣的快速檢測(cè),，保證了檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性,。
    本文利用金屬卟啉傳感器對(duì)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(kāi)發(fā)工具,，開(kāi)發(fā)了相應(yīng)毒氣檢測(cè)裝置,，實(shí)現(xiàn)了信息檢測(cè)、處理及顯示等功能,。試驗(yàn)表明,，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)低濃度
（ppb級(jí)）毒氣的快速、穩(wěn)定檢測(cè),，能對(duì)多種有毒氣體實(shí)現(xiàn)定性定量的檢測(cè),。
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