基于嵌入式ARM9痕量毒氣檢測(cè)系統(tǒng)的研究

有毒有害氣體對(duì)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(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，可方便定制開發(fā)基于卟啉傳感器的毒氣檢測(cè)系統(tǒng)。基于此[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(cè)氣體進(jìn)入反應(yīng)室，同時(shí)打開流量、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(dòng)程序設(shè)計(jì)
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(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)行讀寫和I/O操作。通過對(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(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。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開發(fā)工具，開發(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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