多傳感器陣列的惡臭氣體檢測(cè)系統(tǒng)的研究

谷甜武 金悅 白芳

【摘 要】隨著人們生活水平的提高，人們對(duì)所處生活環(huán)境的要求也日益增長(zhǎng)，逐漸意識(shí)到惡臭對(duì)自身生活質(zhì)量的影響的嚴(yán)重性。惡臭，通過(guò)人的嗅覺(jué)加以表征，于是我們就提出了惡臭氣體檢測(cè)方法，并研究開(kāi)發(fā)了惡臭氣體檢測(cè)系統(tǒng)的電路。

【關(guān)鍵詞】惡臭;傳感器

中圖分類(lèi)號(hào)： X831;TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）03-0202-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.03.084

Research on malodorous gas detection system of multi-sensor array

GU Tian WU Jin-yue BAI Fang

（Tianjin University of Commerce， Tianjin 300134， China）

【Abstract】with the improvement of people's living standard， people's demands for the living environment are also increasing， and they gradually realize the seriousness of the influence of the stench on their own quality of life. The stench is characterized by a person's sense of smell， so we put forward a method for detecting the odor gas， and developed the circuit of the malodorous gas detection system.

【Key words】Stench; Sensor

0 概述

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我們的的生活水平也得到了很大程度的改善和提高，因此我們對(duì)環(huán)境要求也變得越來(lái)越高了，但是在生活當(dāng)中，我們經(jīng)常會(huì)遇到一些奇怪的氣味，甚至是惡臭，從而對(duì)我們的生活和我們所處的環(huán)境造成了一定程度的影響。這種氣味是一種環(huán)境污染，表現(xiàn)為人類(lèi)的嗅覺(jué)和主觀感受。本文就是簡(jiǎn)述了惡臭氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

惡臭氣體分為了很多種類(lèi)，其成分也很復(fù)雜，惡臭氣體的濃度單靠一個(gè)傳感器很難反映出來(lái)。 所以，該系統(tǒng)采用的檢測(cè)方法是依靠多傳感器的。 復(fù)合惡臭氣體依靠多傳感器可以響應(yīng)出指紋，響應(yīng)指紋組與人工辨別結(jié)果進(jìn)行比較，進(jìn)行標(biāo)定，可得到氣體的曲線，當(dāng)我們對(duì)氣體測(cè)量的時(shí)候，首先會(huì)將傳感器指紋組的響應(yīng)曲線與校準(zhǔn)曲線比較，從而就可以得到相應(yīng)的惡臭值。只要能得到足夠的指紋信噪比，系統(tǒng)就可以測(cè)量出任何氣體的惡臭值。

1）惡臭污染的產(chǎn)生與發(fā)展

惡臭污染存在已經(jīng)很長(zhǎng)時(shí)間了。天然的惡臭可能會(huì)從自然界中產(chǎn)生，而惡臭污染則是在人類(lèi)的繁衍活動(dòng)中產(chǎn)生的。當(dāng)經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)的時(shí)候，惡臭污染沒(méi)有得到太多的關(guān)注，原因在于人類(lèi)在尋找居住地時(shí)會(huì)選擇離惡臭較遠(yuǎn)的地方，同時(shí)惡臭會(huì)比較快地?cái)U(kuò)散，所以人們認(rèn)為這些問(wèn)題都不需要考慮，因?yàn)檫@些問(wèn)題對(duì)自己的生活質(zhì)量是沒(méi)有任何影響的。

由于我國(guó)綜合國(guó)力的不斷增強(qiáng)，社會(huì)的快速發(fā)展，工業(yè)和農(nóng)業(yè)都有了很大程度的提升，但技術(shù)和實(shí)力提升同樣也帶來(lái)了污染，很多的惡臭污染源從而誕生，使我們的生活變得擁擠，這些污染源對(duì)我們的生活造成了很大程度的影響。直到19世紀(jì)，環(huán)境和疾病之間的聯(lián)系被倫敦的斯諾博士和巴黎的路易斯巴斯德發(fā)現(xiàn)了，此時(shí)河流的揮發(fā)性物質(zhì)會(huì)導(dǎo)致疾病才被認(rèn)識(shí)到。

（1）惡臭的基本概念

我們將各種氣體總稱為惡臭，對(duì)其我們可以通過(guò)感知的思維進(jìn)行分析和判斷。根據(jù)相關(guān)資料顯示，可以把惡臭定義為：任何對(duì)我們生活產(chǎn)生影響，并且使人產(chǎn)生不愉悅的氣味或氣體，都稱之為惡臭氣體，簡(jiǎn)稱惡臭。

（2）惡臭的種類(lèi)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)在已經(jīng)有大約四千多種惡臭物質(zhì)可以被人類(lèi)感知出來(lái)，而分子類(lèi)型有不同的“臭味”，使它們聞起來(lái)不同。GB14554-93《惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)八種惡臭單質(zhì)的物質(zhì)濃度值進(jìn)行了限定，分別為：三甲胺和二甲二流、硫化氫和甲硫醇、氨、甲硫醚、二硫化碳、苯乙烯。復(fù)合惡臭物質(zhì)的氣味濃度同時(shí)也被限定了。

1 系統(tǒng)方案選擇

系統(tǒng)組成是需要放在第一位，它直接影響著硬件電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件編程。系統(tǒng)設(shè)計(jì)如果合理，結(jié)果就會(huì)很理想，同時(shí)會(huì)很節(jié)約成本。

1.1 系統(tǒng)需求分析

該系統(tǒng)的功能是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜惡臭氣體濃度的檢測(cè)，可以獲得實(shí)時(shí)檢測(cè)的目的。 由于人工嗅覺(jué)判別結(jié)果是基準(zhǔn)，個(gè)人嗅覺(jué)靈敏度等因素直接影響人工氣味檢測(cè)結(jié)果。 測(cè)試結(jié)果，所以測(cè)試結(jié)果會(huì)有誤差，或許人不同會(huì)產(chǎn)生的結(jié)果也不同，但被測(cè)惡臭氣體的濃度仍然可以相對(duì)準(zhǔn)確地反映出來(lái)，待測(cè)惡臭氣體對(duì)人體的影響也可以被準(zhǔn)確反映出來(lái)。

氣體濃度被檢測(cè)的前期工作是定標(biāo)系統(tǒng)。 首先是尋找定標(biāo)曲線，這個(gè)曲線是數(shù)據(jù)庫(kù)中與當(dāng)前氣體最相似的，也就是說(shuō)指紋組和定標(biāo)指紋組最接近。 當(dāng)校準(zhǔn)指紋組與響應(yīng)指紋組之間的差異不超過(guò)一定范圍時(shí)，校準(zhǔn)曲線對(duì)可直接用于分析和測(cè)試當(dāng)前環(huán)境中的氣體。 如果沒(méi)有合適的校準(zhǔn)曲線，則需要重新校準(zhǔn)當(dāng)前的氣體環(huán)境并再次測(cè)試

在測(cè)試期間，傳感器響應(yīng)氣體響應(yīng)信號(hào)傳感器，包括清潔空氣的初始值，響應(yīng)過(guò)程的值以及信號(hào)的最終穩(wěn)定值。為了減少二次測(cè)量誤差，在實(shí)驗(yàn)期間進(jìn)行了許多測(cè)量，并且在每次測(cè)量之后，需要清潔空氣來(lái)清潔傳感器。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由三部分組成，傳感器陣列、測(cè)控電路和功能執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

（1）傳感器陣列

多個(gè)氣體傳感器組成了傳感器陣列，待測(cè)氣體的類(lèi)型較多，用單一的傳感器得到理想結(jié)果是不可能的，測(cè)量精度達(dá)不到，所以測(cè)量過(guò)程中我們需要?dú)怏w傳感器陣列，是由多個(gè)傳感器陣列組成。

（2）測(cè)控電路

提取、放大、去噪傳感器信號(hào)是由測(cè)控電路來(lái)實(shí)施的，保證系統(tǒng)好壞的條件是需要這個(gè)系統(tǒng)具有較高的信噪比，如不能保證信號(hào)的信噪比有較高的水平，那就保證不了系統(tǒng)的精度。

（3）功能執(zhí)行機(jī)構(gòu)

本系統(tǒng)的功能執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要有操控氣流能夠穩(wěn)定并且交替的通入樣氣和清潔空氣的裝置，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理的處理器，還有用于系統(tǒng)與人工之間進(jìn)行交互的裝置等。在本系統(tǒng)的正常工作時(shí)，向氣室通入的氣體，不管該氣體是樣氣或者是清潔的空氣，我們都需要將氣體的流速控制在一個(gè)穩(wěn)定的速度，這樣才能夠使傳感器進(jìn)行正常的工作，然后，我們需要向氣室內(nèi)通入清潔空氣和樣氣，并且要保證清潔空氣和樣氣是交替通入，這樣才能在通清潔空氣的時(shí)候，樣氣不會(huì)對(duì)其進(jìn)行干擾，通入氣體的時(shí)候，清潔空氣不會(huì)對(duì)其產(chǎn)生稀釋的作用;之后十分重要的就是處理器了，處理器能夠?qū)z測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理，因?yàn)閷?duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的時(shí)候需要非常大的運(yùn)算量，而且是實(shí)時(shí)地，所以對(duì)處理器的運(yùn)算能力及運(yùn)算速度的要求是非常高的;最后就是人機(jī)交互裝置，可以為用戶提供非常好的人機(jī)界面，方便用戶對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，方便用戶的使用。

1.2 嵌入式實(shí)現(xiàn)

對(duì)于系統(tǒng)方案的過(guò)程，就是嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的中心就是應(yīng)用，其基礎(chǔ)為計(jì)算機(jī)技術(shù)，可以對(duì)軟件和硬件進(jìn)行相應(yīng)的裁剪，從而使其適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的要求主要為可靠性、成本、體積、功耗等。因?yàn)榍度胧较到y(tǒng)擁有系統(tǒng)內(nèi)核小、專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，所以系統(tǒng)的軟件和應(yīng)用的軟件就會(huì)有很大的差異。嵌入式系統(tǒng)的程序在嵌入式處理器中直接運(yùn)行，但是，因?yàn)樾枰{(diào)度多個(gè)任務(wù)，所以需要配備一定的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

為了能夠使本系統(tǒng)的多任務(wù)能夠更加方便的實(shí)現(xiàn)，所以我們可以利用操作系統(tǒng)，因?yàn)槠淇梢哉{(diào)用不同的應(yīng)用程序，和文件系統(tǒng)，同時(shí)還可以進(jìn)行統(tǒng)一的系統(tǒng)資源管理，提供個(gè)用戶接口，方便用戶對(duì)硬件進(jìn)行訪問(wèn)。

當(dāng)使用嵌入式實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)時(shí)，我們對(duì)于硬件電路方面控制核心的選擇為：嵌入式處理器，并且在處理器上運(yùn)行嵌入式系統(tǒng)，而系統(tǒng)的任務(wù)就是對(duì)氣體信號(hào)進(jìn)行采集，并且將數(shù)據(jù)進(jìn)行定標(biāo)處理，之后就是對(duì)結(jié)果進(jìn)行待測(cè)氣體的測(cè)量，從而檢測(cè)出惡臭氣體的濃度值。

我們需要的是對(duì)檢測(cè)氣體的惡臭值進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)的，所以我們需要的操作系統(tǒng)必須是具有實(shí)時(shí)性的，同時(shí)還必須可以進(jìn)行多任務(wù)的操作，收集一組數(shù)據(jù)之后，我們對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，而且還要繼續(xù)采集氣體信號(hào)。另外，因?yàn)橄到y(tǒng)采用多傳感器組成的傳感器陣列來(lái)感應(yīng)氣體信號(hào)，因此，多任務(wù)操作包括多路信號(hào)同時(shí)采集、同時(shí)對(duì)上次采集信號(hào)做數(shù)據(jù)處理、同時(shí)顯示惡臭氣體濃度，即多路采集、多路處理及惡臭值顯示多任務(wù)同時(shí)進(jìn)行，對(duì)嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求較高，現(xiàn)有操作系統(tǒng)能夠滿足該要求。

校準(zhǔn)過(guò)程需要傳感器陣列響應(yīng)不同稀釋度的氣體信號(hào)的指紋信號(hào)，并將其與人工嗅探結(jié)果進(jìn)行比較。因此，嵌入式處理器的計(jì)算速度要求較高，嵌入式處理器需要具有更大的存儲(chǔ)容量。外部SD卡通常用于滿足存儲(chǔ)容量要求，因此校準(zhǔn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)讀取，計(jì)算，存儲(chǔ)等。為了獲得更準(zhǔn)確的校準(zhǔn)結(jié)果，速度將更慢。

另外，在測(cè)量過(guò)程中，當(dāng)傳感器陣列用指紋響應(yīng)氣體信號(hào)時(shí)，必須首先選擇校準(zhǔn)曲線。數(shù)據(jù)庫(kù)的擴(kuò)展是為了增加不同復(fù)雜惡臭氣體的校準(zhǔn)曲線?？梢灾苯訖z測(cè)的氣體范圍正在增長(zhǎng)，但這對(duì)于嵌入式處理器的存儲(chǔ)容量來(lái)說(shuō)是一個(gè)問(wèn)題。

本系統(tǒng)的硬件電路的核心控制電路為嵌入式處理器核心控制電路、信號(hào)采集電路、氣路控制電路和一些輔助電路。核心控制電路是最重要的部分，因?yàn)樗刂普麄€(gè)硬件電路的操作，包括何時(shí)采樣，何時(shí)清潔傳感器等。

2 傳感器

由于傳感器能夠影響系統(tǒng)檢測(cè)的精度和范圍，所以傳感器的選用十分重要，也是我們此次研究的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。我們使用傳感器來(lái)感測(cè)惡臭氣體，并且通過(guò)信號(hào)采集電路將產(chǎn)生的可測(cè)量電信號(hào)下載到微控制器。復(fù)合惡臭氣體的種類(lèi)較多，大致分為含氮物質(zhì)、硫化物、可揮發(fā)性有機(jī)物和其它一些物質(zhì)，其中對(duì)于可揮發(fā)性有機(jī)物有多種方法可測(cè)：

（1）光化電離檢測(cè)技術(shù)

（2）焰電離檢測(cè)器

（3）便攜式氣相色譜/質(zhì)譜儀

（4）熱脫附或泰德拉采樣袋法

（5）電化學(xué)傳感器

（6）金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器

（7）色度（污點(diǎn)）管。

此時(shí)，單個(gè)傳感器的選擇無(wú)法滿足我們的期望，因?yàn)閭鞲衅麝嚵芯哂袕V譜響應(yīng)特性，并且具有較大的交叉敏感性，因此使用傳感器陣列，系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)惡臭氣體的惡臭值，因此，傳感器響應(yīng)時(shí)間盡可能短，并具有良好的重復(fù)性和穩(wěn)定性。

惡臭氣體通過(guò)傳感器陣列，我們將獲得指紋集，并且每個(gè)傳感器具有固定的響應(yīng)指紋。 指紋組可用于確定氣體的濃度，并且氣體環(huán)境可由特定的傳感器響應(yīng)指紋表示。因此，可以通過(guò)特定標(biāo)準(zhǔn)實(shí)時(shí)檢測(cè)惡臭值。

傳感器的選用主要有以下四個(gè)基本要求：

（1）對(duì)待測(cè)氣體的響應(yīng)靈敏度

輸出信號(hào)與氣體濃度之間的關(guān)系是傳感器對(duì)待測(cè)氣體的響應(yīng)靈敏度，并根據(jù)待測(cè)氣體的響應(yīng)靈敏度， 在數(shù)據(jù)處理的過(guò)程中建立模型并擬合定標(biāo)曲線，將采集信號(hào)和氣體濃度值對(duì)應(yīng)，獲得氣體的惡臭數(shù)值。

（2）響應(yīng)方式

信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì)受傳感器響應(yīng)方式的影響，不同的響應(yīng)方式，對(duì)應(yīng)響應(yīng)的信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì)也不同，響應(yīng)方式有：設(shè)計(jì)信號(hào)采集電路后，輸出電壓信號(hào)，輸出電流信號(hào)，內(nèi)阻值變化等，獲得易于處理的信號(hào)，由A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，下一步的數(shù)據(jù)處理開(kāi)始。

（3）響應(yīng)時(shí)間

傳感器對(duì)目標(biāo)氣體信號(hào)都有響應(yīng)時(shí)間，在達(dá)到完全響應(yīng)前的時(shí)間為響應(yīng)時(shí)間或延遲時(shí)間。由于響應(yīng)時(shí)間，可以建立傳感器到氣體信號(hào)響應(yīng)模型。采樣時(shí)間的設(shè)置受響應(yīng)時(shí)間的影響，響應(yīng)時(shí)間不同，氣體對(duì)傳感器的采樣時(shí)間也不同。利用木桶原理，在多傳感器陣列中取傳感器響應(yīng)時(shí)間最長(zhǎng)的作為采樣時(shí)間，但傳感器長(zhǎng)時(shí)間在氣體中會(huì)發(fā)生漂移，利用建立的信號(hào)響應(yīng)模型，基于響應(yīng)曲線的一部分，基于多傳感器陣列的惡臭氣體檢測(cè)系統(tǒng)的電路，擬合完整的響應(yīng)過(guò)程，以解決這一問(wèn)題。

（4）交叉干擾

傳感器對(duì)于目標(biāo)氣體的響應(yīng)并不是完全準(zhǔn)確的，對(duì)目標(biāo)氣體之外的氣體也會(huì)出現(xiàn)響應(yīng)。傳感器的交叉干擾對(duì)于數(shù)據(jù)處理有較大的影響，會(huì)增大數(shù)據(jù)處理的難度，所以在數(shù)據(jù)處理的過(guò)程中注意交叉干擾的情況。

3 總結(jié)

整個(gè)系統(tǒng)基于采集信號(hào)，信號(hào)采集由下位機(jī)完成，氣體信息轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的電信號(hào)，然后初始信號(hào)通過(guò)初步處理傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。惡臭的濃度值是主計(jì)算機(jī)軟件對(duì)信號(hào)的數(shù)據(jù)處理。下位機(jī)的設(shè)計(jì)是軟件數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵。因此，為了獲得更高的信噪比信號(hào)，我們需要設(shè)計(jì)一款性能較好的低位機(jī)。

負(fù)責(zé)系統(tǒng)的整個(gè)采樣過(guò)程的控制和實(shí)施是機(jī)器的下部，其由電路部分和氣動(dòng)部分組成。首先，在系統(tǒng)通電之后，電路控制氣路部分以向傳感器陣列所在的空氣室提供清潔空氣，從而使傳感器處于初始穩(wěn)定階段。接下來(lái)，電路控制氣體路徑將待測(cè)氣體傳遞到氣室中，等待傳感器響應(yīng)測(cè)量的氣體。最后，電路控制空氣通道將清潔空氣送到空氣室以清潔傳感器并等待傳感器輸出的信號(hào)再次達(dá)到穩(wěn)定的初始值。