基于气致变色气体传感器的数据采集与图像处理研究

摘要

可视嗅觉的气致变色传感系统是新一代的电子鼻领域发展上的突破，近年来发展迅速。气致变色传感器有两个模块组成，即前端的敏感单元模块与后端的气敏图像采集与识别模块。早在上个世纪80年代，英国科学家就提出了可以通过气体对敏感材料有光谱响应的显色性来进行混合气体的分类鉴别。2000年，伊利诺大学的Kenneth S.Suslick教授等人发明了利用金属卟啉类配合物合成的敏感单元，对气体进行显色实验，并获得了良好的气体检测效果；2006年，我国西北工业大学的郭冬敏等人在对卟啉基敏感单元进行了大量的气敏实验的基础上，也对后端的图像采集与处理进行了开拓性的研究。近几年，电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室也建立了气致变色传感器研究项目组，分别对前端与后端进行了系统的研究，并取得了一些成果，对某些气体得到了很好的检测效果。
　　本文在对前端四苯基金属卟啉与钛菁锌材料的敏感单元进行大量气体检测实验的基础上，重点对后端的图像采集与处理模块进行了开发与研究，主要工作如下：
　　1.在气敏显色实验与原有16种气体数据库的基础上，通过气敏单元的制备、气敏显色的实验，以及嵌入式图像采集模块的开发，采集并扩充了14种气体检测数据库，实现了更多气体的定性检测效果，14种新扩充气体的检测率达100％，使系统总的可识别气体达到30种。
　　2.基于ARM-Linux，体积小、效率高、价格低廉，能够很好的适应特定检测环境的限制的优点，采用从嵌入式Linux内核的移植入手，通过内核配置，按键驱动设计，按键响应控制程序的实现，LCD显示应用程序配置的方法，实现了具有实时图像采集与显示功能的嵌入式图像采集系统。
　　3.将基于MATLAB的气敏图像数据库更新为VC++的OpenCV图像处理类库，改善并优化了图像识别的开发平台，使其对嵌入式系统具有了更好的可移植性；对采集到气敏特征图像进行了预处理、边缘检测以及特征提取与对比的图像识别模块，实现了数据库中所有扩充气体的定性识别。
　　4.通过对1ml，2ml，3ml挥发性甲基丙烯酸甲酯气体进行气敏实验，对甲基丙烯酸甲酯的有机挥发物的定量显色实验做了试探性的研究，进一步的图像识别需要在以后的工作中继续完善。

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第一章 绪论

1.1 气致变色传感器研究的背景与意义

1.2 气致变色（可视嗅觉）传感器的概述

1.3 气敏传感器存在的问题与本文的创新点

1.4 气致变色气体传感器系统的工作原理与基本构成

1.5 文章的结构安排

第二章 气敏阵列的制作与数据库搭建

2.1 敏感单元的制备与气敏实验

2.2 图像数据库的搭建

第三章 基于ARM-Linux的传感图像采集系统设计

3.1 ARM-Linux软硬件平台介绍

3.2 交叉开发与Linux软件平台搭建

3.3 基于ARM-Linux平台的按键驱动实现

3.4 基于V4L2的图像采集功能实现

3.5 图像采集系统的测试

第四章 可视嗅觉图像的算法识别设计

4.1 模式识别的基本原理与方法

4.2 数学形态学方法与应用

第五章 基于OpenCV的图像处理与识别的实现

5.1 开发平台上OpenCV的安装与配置

5.2 OpenCV的基本数据结构与函数体系

5.3 基于OpenCV的图像预处理实现

5.4 OpenCV图像的边缘检测

5.5 OpenCV的图像特征提取与识别

第六章 结论与展望

致谢

参考文献

附录

攻硕期间取得的研究成果