多传感器阵列的恶臭气体检测系统的研究

谷甜武 金悦 白芳

【摘 要】随着人们生活水平的提高，人们对所处生活环境的要求也日益增长，逐渐意识到恶臭对自身生活质量的影响的严重性。恶臭，通过人的嗅觉加以表征，于是我们就提出了恶臭气体检测方法，并研究开发了恶臭气体检测系统的电路。

【关键词】恶臭;传感器

中图分类号： X831;TP212 文献标识码： A文章编号： 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

随着我国经济的高速发展，我们的的生活水平也得到了很大程度的改善和提高，因此我们对环境要求也变得越来越高了，但是在生活当中，我们经常会遇到一些奇怪的气味，甚至是恶臭，从而对我们的生活和我们所处的环境造成了一定程度的影响。这种气味是一种环境污染，表现为人类的嗅觉和主观感受。本文就是簡述了恶臭气体监测系统。

恶臭气体分为了很多种类，其成分也很复杂，恶臭气体的浓度单靠一个传感器很难反映出来。 所以，该系统采用的检测方法是依靠多传感器的。 复合恶臭气体依靠多传感器可以响应出指纹，响应指纹组与人工辨别结果进行比较，进行标定，可得到气体的曲线，当我们对气体测量的时候，首先会将传感器指纹组的响应曲线与校准曲线比较，从而就可以得到相应的恶臭值。只要能得到足够的指纹信噪比，系统就可以测量出任何气体的恶臭值。

1）恶臭污染的产生与发展

恶臭污染存在已经很长时间了。天然的恶臭可能会从自然界中产生，而恶臭污染则是在人类的繁衍活动中产生的。当经济不发达的时候，恶臭污染没有得到太多的关注，原因在于人类在寻找居住地时会选择离恶臭较远的地方，同时恶臭会比较快地扩散，所以人们认为这些问题都不需要考虑，因为这些问题对自己的生活质量是没有任何影响的。

由于我国综合国力的不断增强，社会的快速发展，工业和农业都有了很大程度的提升，但技术和实力提升同样也带来了污染，很多的恶臭污染源从而诞生，使我们的生活变得拥挤，这些污染源对我们的生活造成了很大程度的影响。直到19世纪，环境和疾病之间的联系被伦敦的斯诺博士和巴黎的路易斯巴斯德发现了，此时河流的挥发性物质会导致疾病才被认识到。

（1）恶臭的基本概念

我们将各种气体总称为恶臭，对其我们可以通过感知的思维进行分析和判断。根据相关资料显示，可以把恶臭定义为：任何对我们生活产生影响，并且使人产生不愉悦的气味或气体，都称之为恶臭气体，简称恶臭。

（2）恶臭的种类

据统计，现在已经有大约四千多种恶臭物质可以被人类感知出来，而分子类型有不同的“臭味”，使它们闻起来不同。GB14554-93《恶臭污染物排放标准》对八种恶臭单质的物质浓度值进行了限定，分别为：三甲胺和二甲二流、硫化氢和甲硫醇、氨、甲硫醚、二硫化碳、苯乙烯。复合恶臭物质的气味浓度同时也被限定了。

1 系统方案选择

系统组成是需要放在第一位，它直接影响着硬件电路系统设计和软件编程。系统设计如果合理，结果就会很理想，同时会很节约成本。

1.1 系统需求分析

该系统的功能是实现复杂恶臭气体浓度的检测，可以获得实时检测的目的。 由于人工嗅觉判别结果是基准，个人嗅觉灵敏度等因素直接影响人工气味检测结果。 测试结果，所以测试结果会有误差，或许人不同会产生的结果也不同，但被测恶臭气体的浓度仍然可以相对准确地反映出来，待测恶臭气体对人体的影响也可以被准确反映出来。

气体浓度被检测的前期工作是定标系统。 首先是寻找定标曲线，这个曲线是数据库中与当前气体最相似的，也就是说指纹组和定标指纹组最接近。 当校准指纹组与响应指纹组之间的差异不超过一定范围时，校准曲线对可直接用于分析和测试当前环境中的气体。 如果没有合适的校准曲线，则需要重新校准当前的气体环境并再次测试

在测试期间，传感器响应气体响应信号传感器，包括清洁空气的初始值，响应过程的值以及信号的最终稳定值。为了减少二次测量误差，在实验期间进行了许多测量，并且在每次测量之后，需要清洁空气来清洁传感器。

系统结构由三部分组成，传感器阵列、测控电路和功能执行机构。

（1）传感器阵列

多个气体传感器组成了传感器阵列，待测气体的类型较多，用单一的传感器得到理想结果是不可能的，测量精度达不到，所以测量过程中我们需要气体传感器阵列，是由多个传感器阵列组成。

（2）测控电路

提取、放大、去噪传感器信号是由测控电路来实施的，保证系统好坏的条件是需要这个系统具有较高的信噪比，如不能保证信号的信噪比有较高的水平，那就保证不了系统的精度。

（3）功能執行机构

本系统的功能执行机构主要有操控气流能够稳定并且交替的通入样气和清洁空气的装置，对数据进行相应处理的处理器，还有用于系统与人工之间进行交互的装置等。在本系统的正常工作时，向气室通入的气体，不管该气体是样气或者是清洁的空气，我们都需要将气体的流速控制在一个稳定的速度，这样才能够使传感器进行正常的工作，然后，我们需要向气室内通入清洁空气和样气，并且要保证清洁空气和样气是交替通入，这样才能在通清洁空气的时候，样气不会对其进行干扰，通入气体的时候，清洁空气不会对其产生稀释的作用;之后十分重要的就是处理器了，处理器能够对检测到的数据进行一定的处理，因为对数据进行处理的时候需要非常大的运算量，而且是实时地，所以对处理器的运算能力及运算速度的要求是非常高的;最后就是人机交互装置，可以为用户提供非常好的人机界面，方便用户对系统参数进行调整，方便用户的使用。

1.2 嵌入式实现

对于系统方案的过程，就是嵌入式系统。嵌入式系统的中心就是应用，其基础为计算机技术，可以对软件和硬件进行相应的裁剪，从而使其适应应用系统对专用计算机系统的要求主要为可靠性、成本、体积、功耗等。因为嵌入式系统拥有系统内核小、专业性强等优点，所以系统的软件和应用的软件就会有很大的差异。嵌入式系统的程序在嵌入式处理器中直接运行，但是，因为需要调度多个任务，所以需要配备一定的实时操作系统。

为了能够使本系统的多任务能够更加方便的实现，所以我们可以利用操作系统，因为其可以调用不同的应用程序，和文件系统，同时还可以进行统一的系统资源管理，提供个用户接口，方便用户对硬件进行访问。

当使用嵌入式实现本系统时，我们对于硬件电路方面控制核心的选择为：嵌入式处理器，并且在处理器上运行嵌入式系统，而系统的任务就是对气体信号进行采集，并且将数据进行定标处理，之后就是对结果进行待测气体的测量，从而检测出恶臭气体的浓度值。

我们需要的是对检测气体的恶臭值进行实时检测的，所以我们需要的操作系统必须是具有实时性的，同时还必须可以进行多任务的操作，收集一组数据之后，我们对数据进行相应的处理，而且还要继续采集气体信号。另外，因为系统采用多传感器组成的传感器阵列来感应气体信号，因此，多任务操作包括多路信号同时采集、同时对上次采集信号做数据处理、同时显示恶臭气体浓度，即多路采集、多路处理及恶臭值显示多任务同时进行，对嵌入式系统的实时性要求较高，现有操作系统能够满足该要求。

校准过程需要传感器阵列响应不同稀释度的气体信号的指纹信号，并将其与人工嗅探结果进行比较。因此，嵌入式处理器的计算速度要求较高，嵌入式处理器需要具有更大的存储容量。外部SD卡通常用于满足存储容量要求，因此校准过程中的数据处理包括数据读取，计算，存储等。为了获得更准确的校准结果，速度将更慢。

另外，在测量过程中，当传感器阵列用指纹响应气体信号时，必须首先选择校准曲线。数据库的扩展是为了增加不同复杂恶臭气体的校准曲线。可以直接检测的气体范围正在增长，但这对于嵌入式处理器的存储容量来说是一个问题。

本系统的硬件电路的核心控制电路为嵌入式处理器核心控制电路、信号采集电路、气路控制电路和一些辅助电路。核心控制电路是最重要的部分，因为它控制整个硬件电路的操作，包括何时采样，何时清洁传感器等。

2 传感器

由于传感器能够影响系统检测的精度和范围，所以传感器的选用十分重要，也是我们此次研究的一个重要环节。我们使用传感器来感测恶臭气体，并且通过信号采集电路将产生的可测量电信号下载到微控制器。复合恶臭气体的种类较多，大致分为含氮物质、硫化物、可挥发性有机物和其它一些物质，其中对于可挥发性有机物有多种方法可测：

（1）光化电离检测技术

（2）焰电离检测器

（3）便携式气相色谱/质谱仪

（4）热脱附或泰德拉采样袋法

（5）电化学传感器

（6）金属氧化物半导体气体传感器

（7）色度（污点）管。

此时，单个传感器的选择无法满足我们的期望，因为传感器阵列具有广谱响应特性，并且具有较大的交叉敏感性，因此使用传感器阵列，系统需要实时监测恶臭气体的恶臭值，因此，传感器响应时间尽可能短，并具有良好的重复性和稳定性。

恶臭气体通过传感器阵列，我们将获得指纹集，并且每个传感器具有固定的响应指纹。 指纹组可用于确定气体的浓度，并且气体环境可由特定的传感器响应指纹表示。因此，可以通过特定标准实时检测恶臭值。

传感器的选用主要有以下四个基本要求：

（1）对待测气体的响应灵敏度

输出信号与气体浓度之间的关系是传感器对待测气体的响应灵敏度，并根据待测气体的响应灵敏度， 在数据处理的过程中建立模型并拟合定标曲线，将采集信号和气体浓度值对应，获得气体的恶臭数值。

（2）响应方式

信号采集电路的设计受传感器响应方式的影响，不同的响应方式，对应响应的信号采集电路的设计也不同，响应方式有：设计信号采集电路后，输出电压信号，输出电流信号，内阻值变化等，获得易于处理的信号，由A/D转换为数字信号，下一步的数据处理开始。

（3）响应时间

传感器对目标气体信号都有响应时间，在达到完全响应前的时间为响应时间或延迟时间。由于响应时间，可以建立传感器到气体信号响应模型。采样时间的设置受响应时间的影响，响应时间不同，气体对传感器的采样时间也不同。利用木桶原理，在多传感器阵列中取传感器响应时间最长的作为采样时间，但传感器长时间在气体中会发生漂移，利用建立的信号响应模型，基于响应曲线的一部分，基于多传感器阵列的恶臭气体检测系统的电路，拟合完整的响应过程，以解决这一问题。

（4）交叉干扰

传感器对于目标气体的响应并不是完全准确的，对目标气体之外的气体也会出现响应。传感器的交叉干扰对于数据处理有较大的影响，会增大数据处理的难度，所以在数据处理的过程中注意交叉干扰的情况。

3 总结

整个系统基于采集信号，信号采集由下位机完成，气体信息转换为可测量的电信号，然后初始信号通过初步处理传输到上位机。恶臭的浓度值是主计算机软件对信号的数据处理。下位机的设计是软件数据处理的关键。因此，为了获得更高的信噪比信号，我们需要设计一款性能较好的低位机。

负责系统的整个采样过程的控制和实施是机器的下部，其由电路部分和气动部分组成。首先，在系统通电之后，电路控制气路部分以向传感器阵列所在的空气室提供清洁空气，从而使传感器处于初始稳定阶段。接下来，电路控制气体路径将待测气体传递到气室中，等待传感器响应测量的气体。最后，电路控制空气通道将清洁空气送到空气室以清洁传感器并等待传感器输出的信号再次达到稳定的初始值。