基于嵌入式ARM9痕量毒气检测系统的研究*

罗小刚，柏兴洪，李江杰，侯长军，霍丹群，汪德暖

（重庆大学 生物工程学院生物流变科学与技术教育部重点实验室，重庆 400030）

有毒有害气体对人体的伤害问题越来越突出[1]，如工业作业产生的有毒有害气体泄露；室内空气中醛、苯等超标导致的“致病建筑物综合症”；导弹等发射产生有毒气体对士兵身体的损害；汽车内有害气体超标导致的头晕、咳嗽等症状。传统毒气检测方法如分光光度法、非色散红外分析法[2]和气相色谱法，都存在着灵敏度易受干扰、不易实现现场检测等缺陷，其他如滴定或者比色法、气体传感器直接检测法等，耗时较长、操作复杂、选择性较差。

相对于传统检测方法的不足，卟啉传感器由于其优良光敏特性[3]和对于微量气体的快速、准确响应成为毒气检测的理想传感器。卟啉阵列传感器采用金属卟啉作为传感器的气体敏感膜，与不同气体接触后，金属卟啉分子间键、程度和张力不同，吸收光谱改变也不同，出现颜色变化差异，可唯一地表征气体特征信息，实现毒气的颜色“指纹“信息检测[4-5]。同时，基于传感器的嵌入式ARM-Linux技术发展迅速，具有良好的硬件平台和编程环境，可方便定制开发基于卟啉传感器的毒气检测系统。基于此[6]，本文设计了以卟啉阵列为传感器、嵌入式ARM9为核心控制、PIC16F877为辅助控制的痕量毒气检测系统。

1 系统总体设计

1.1 系统组成

基于嵌入式的毒气检测系统总体结构如图1所示，主要包括前端传感检测装置、下位机MCU和上位机嵌入式ARM9。前端传感装置采用金属卟啉传感器阵列，利用其与气体接触出现颜色变化的原理产生光谱信息；下位机MCU主要实现对反应环境的监控；上位机嵌入式ARM9实现对下位机的控制、光谱信息获取、处理、存储和显示等。

1.2 工作流程

图1 系统总体结构图

系统上电后，进入LCD触摸屏界面，通过功能菜单打开摄像头，采集反应前图像信息，开启微泵采集待测气体进入反应室，同时打开流量、湿度、温度传感器监测气体实时情况，待其与卟啉传感阵列充分反应后采集反应后图像。进入处理界面，将反应前后图像信息进行处理，得出待测气体特征信息并实时显示与存储。

2 系统硬件设计

系统硬件主要由嵌入式ARM9主控制系统和微控制系统MCU组成，如图2所示。嵌入式主控系统以S3C2440A为核心，主要包括图像采集、系统显示、存储和主从通信模块；MCU辅助控制系统以PIC16F877为核心，主要包括气体采集控制、条件监控、可控光源等模块。

图2 硬件结构图

2.1 主控硬件设计

(1)图像采集模块

毒气检测系统采用OV9650获取卟啉传感阵列光谱信息，OV9650 产生 CAMVSYNC、CAMHREF、CAMPCLK 信号输入到CPU，控制完成每一帧图像数据的采集。OV9650数据接口D[9:2]与S3C2440A的CAMIF数据接口CAMDATA[7:0]相连接，完成图像数据的采集，其接口连接如图3所示。

(2)系统显示模块

图3 图像采集模块接口图

毒气检测系统采用NEC 3.5英寸的320×240的 TFT型LCD，亮度好、对比度高，对于卟啉阵列颜色图像采集和显示具有优越性。Linux操作系统为不同型号的LCD提供了相应的framebuffer底层驱动，支持Qt/Embedded等嵌入式图形软件，而且完成了对触摸屏的良好支持。

(3)存储模块

以S3C2440A为中心，扩展了Nand Flash(256 M×8 bit的 K9F2G08)，在系统中用作存储Bootloader、内核和文件系统；SDRAM（2片 32 M×16 bit的 HY57V561620）缓存空间大。检测过程中图像数据量庞大，外扩SD卡作为存储介质。

(4)主从通信模块

嵌入式ARM9和PIC16F877以RS232串口实现通信。

2.2 MCU硬件设计

2.2.1 气体采样控制模块

毒气检测系统采用泵吸式采集反应气体；采用PWM脉宽调速，把恒定直流电压调制成频率一定脉宽可调的脉冲电压序列；气泵外接5 V直流电压，通过PIC16F877输出PWM高低电平控制回路通断，改变电机的平均驱动电压而实现调速。其平均电压如下：

其中，T为脉冲周期，ton为导通时间，ρ为占空比。在电源Ui与PWM周期T固定的条件下，Uout可随 ρ的改变而平滑调节，从而实现对气泵两端有效电压的调节。

2.2.2 条件监控模块

卟啉传感器和毒气的反应环境状况直接影响着气体的特征图谱，需要监测毒气温度、湿度和流量动力学因素，为此设计了相应驱动及转换电路。温度传感器采用数字温度传感器DS18B20，检测到温度后直接将12 bit数字信号串行传输到PIC16F877；流量传感器采用AWM3300，工作电压 10 V，输出信号 1～5 V；湿度传感器采用HIH4000，输出电压信号为供电电压、湿度和温度的函数，由式（2）得到 RH0，温度补偿后得到实际湿度RH；式（3）中的t为当前实际温度。采用 MAX197两个模拟通道对流量、湿度转换后传输给MCU。

2.2.3 可控光源模块

单个LED作为近朗伯体发光能较低，光通量只有几十流明，而采用LED阵列可增加光源发光面积和光通量，提高卟啉传感器图像质量。可控光照模块由发光二极管阵列和柔光板组成，系统光源模型如图4（a）所示，点光源照度分布如图 4（c）所示，光源 S在面元ds产生照度为 E，如式（4），I为光源发光强度，r为光源与受照面元距离，θ为面元和光束倾角。当光源S处于光轴方向(即 θ=0)时，受照面光照度分布与空间光强分布近似，如式（5）。

图4 系统光照模型图

同时，LED光强实际分布如式（6），I0为理想光强，m为经验参数。

由式（5）、式（6）可得光照度函数如下：

LED为非相干光源，因此，当两个LED间距为d时，对平面某一面元光照度为其叠加，同时转换为三维坐标，如式（8）。

根据叠加原理，卟啉传感器N×M（N、M为偶数）阵列在面元ds上光照度如式(9)，保证了卟啉传感器受照均匀。

3 系统软件设计

3.1 嵌入式主控程序设计

嵌入式上位机采用Linux系统和Qt/Embedded开发平台，毒气检测系统软件架构主要包括应用程序、Linux操作系统和GUI开发环境Qt/Embedded、ARM9硬件平台。

3.1.1 平台构建

本文选用Fedora 12.0为嵌入式开发系统，使用arm-Linux-gcc-4.3.2编译器，采用Qt/Embedded 4.5.3为图形界面开发工具。

3.1.2 驱动程序设计

S3C244A经过SCCB总线初始化OV9650图像传感设备、分配内存、调用request_irq()登记摄像头中断、查询信号VSYNC、完成卟啉阵列图像数据采集。

Linux系统下，毒气检测系统应用程序直接对显示frambuffer进行读写和I/O操作。通过对LCD触摸屏初始化，将触摸点坐标信息传递给Qt/Embedded图形界面应用程序，执行对应功能并实时显示结果，其流程如图5所示。

图5 LCD软件流程图

SD驱动程序包括检测、初始化和读写程序，提供文件系统接口函数API，应用程序通过这些接口函数完成SD卡数据操作。

3.1.3 GUI模块设计

图形界面采用Qt designer进行系统界面设计，根据其“信号与槽”通信机制，完成界面设计和代码编写。毒气检测系统具体GUI界面如图6所示。

图6 系统GUI菜单图

3.2 微控制系统程序设计

微控制系统在Microchip MPLAB IDE V8.00环境下完成编译和调试。系统上电后，初始化PWM寄存器、串口控制器、A/D转换器、湿度温度流量传感器，进入主程序等待串口中断。嵌入式主机发送命令后，串口中断子程序接收命令并存储于command之中，主程序判断接收标志receive_flag是否置位，然后解析command中命令类型，进入相应的子程序，执行电操作功能。毒气检测完毕后，嵌入式上位机发送结束指令，MCU关闭设备，系统进入低功耗模式。

4 实验结果及分析

以庚醛为例，开启系统，采集卟啉传感阵列反应前图像信息，将浓度为45 ppb的庚醛气体泵入检测系统，待其与卟啉传感器充分反应，采集反应后图像信息，将反应前后原始图像阵列信息进行图像校正、滤波、分割、信息提取及模板化等图像处理得到其特征值模板，如图 7(a)、(b)所示。作差得到庚醛差谱特征信息模板，如图 7(c)所示。图 7（d）横坐标表示36点阵RGB分量组合R1B1G1…R36B36G36，纵坐标表示对应的△R、△G、△B值，由此可知庚醛的作用点主要有6个，与图7（c）中特征点匹配，点位置特定。随着浓度变化，对应特征点的色谱信息出现差异，可实现同种气体不同浓度检测，同时能实现ppb级低浓度毒气检测。如表1所示(表中括号三个值分别对应特征点的差值△R、△G、△B分量信息)。由此，说明了检测系统采用差谱特征信息识别气体的可行性，同时能实现对不同浓度毒气的定量识别性。

系统对6种有毒有害气体进行了检测，其结果如图8所示。图8(a)～(f)分别对应其光谱特征信息模板，每种气体的特征信息 （特征点点数、位置及RGB色谱信息值）存在差异性，与相应目标气体存在一一对应关系，这说明了检测系统的“指纹”特征性，可实现对不同气体的定性识别。图8中对6种气体各试验了25次，重复正确性高，说明了检测系统稳定性好；每种气体特征点RGB值趋于稳定的时间（3 min-5 min），表明系统能实现毒气的快速检测，保证了检测系统的实时性。

表1 庚醛不同浓度下特征值变化情况

图8 6种毒气光谱信息差值图

本文利用金属卟啉传感器对特定痕量目标物气体反应的特异性及敏感性，基于嵌入式ARM-Linux及QT开发工具，开发了相应毒气检测装置，实现了信息检测、处理及显示等功能。试验表明，该系统实现了对低浓度（ppb级）毒气的快速、稳定检测，能对多种有毒气体实现定性定量的检测。

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