一种基于3乘3气体传感器阵列的轻量嗅觉感知系统

本发明涉及气体检测，更具体地，涉及一种基于3乘3气体传感器阵列的轻量嗅觉感知系统。

背景技术：

1、随着工业化、城市化、交通运输等人类活动的不断增多，空气中存在各种有害气体，如有毒挥发物、燃气泄漏等，对人体和环境造成潜在的威胁。因此，精确、高效地检测和追踪有毒气体源头成为一项重要的任务。然而，传统的气体检测系统往往庞大笨重，无法满足实时监测和远程控制的需求。此外，这些系统通常需要复杂的设备和昂贵的运维成本，给使用者带来不便。因此，我们寻求一种更为有效和便捷的气体检测解决方案。

2、传统的气体检测系统存在一些明显的缺陷，限制了其在实时监测和狭窄空间探测方面的应用。首先，传统系统通常体积庞大，难以进入狭小或复杂的空间。这限制了在狭窄管道、地下或高架结构等限制区域内进行精确气体检测的能力。其次，传统设备的移动性差，常需人工摆放或固定在指定位置上，无法快速定位有毒气体的源头并跟踪其运动路径。此外，传统系统通常需要复杂的设备和繁琐的运维，增加了使用和维护的成本和复杂度。为了解决传统气体检测仪器的缺陷，我们提出了一种基于3乘3气体传感器阵列的轻量嗅觉感知系统。我们将系统搭载到昆虫躯干上，并充分利用昆虫在狭窄空间中的机动性，这种创新的设计使得我们的系统能够在复杂的、限制性的环境中实现对目标气体源头的快速追踪和精确定位。

3、由于系统尺寸小、质量轻、可以搭载在昆虫躯干上，使得系统具备了极高的灵活性和机动性。系统能够轻松进入狭小的空间，如管道、通风道和狭窄的缝隙中，实现对有毒气体源头的定位和探测。此外，系统的小型化设计还降低了成本，简化了系统的使用和维护，提高了实用性和便捷性。这种轻量嗅觉感知系统具有广泛的应用前景，它可以广泛应用于工业安全领域，如监测和定位管道内有毒气体的泄漏源，早期预警并采取措施以保护工人的健康和安全。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于3乘3气体传感器阵列的轻量嗅觉感知系统，旨在解决现有气体检测系统体积庞大、难以实现狭窄空间下的目标气体实时探测问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于3乘3气体传感器阵列的轻量嗅觉感知系统，包括传感器模块、主控模块及供电模块。

3、传感器模块，包括：3乘3气体传感器阵列u1、匹配电阻r1—r9、滤波电容c1、滤波电容c2、ffc排线f1。所述3乘3气体传感器阵列u1包括在单个芯片上集成的九个mems气体传感器，用于采集气体信息并输出信号；3乘3气体传感器阵列u1的测试电极电源端vs与ffc排线f1的vss端连接，通过主控模块提供传感器阵列测试电路所需电压；3乘3气体传感器阵列u1的测试电极输出端gas1—gas9与匹配电阻r1—r9依次相连，用于采集传感器电压信号；将gas1—gas9与ffc排线f1的g1—g9相连，用于传输电压信号；3乘3气体传感器阵列u1由3组不同工作温度的传感器组成，分别为a、b、c三组，其中a组为室温工作模式，无需加热、b组为低温工作模式(加热电压为1v)、c组为高温工作模式(加热电压为2v)，其中b、c组加热电极电源输入端vh1、vh2分别与滤波电容c1、滤波电容c2连接，抑制稳压器进行电压转换后产生的纹波，保证输出的加热电极工作电压曲线平滑，再分别与ffc排线f1的h1、h2端连接，通过主控模块提供传感器阵列加热电极工作电压。其中，b、c组工作电压可通过代码修改，该系统使用1v和2v两个电压。

4、主控模块，包括单片机模块u2、电荷泵模块u3、稳压模块u4、跟随器模块u5、电流放大模块q1和q2、fpc连接器f2、旁路电容c3、去耦电容c4、滤波电容c5、滤波电容c6、电容c7、泵送电容c8、旁路电容c9、电容c10、上拉电阻r10、下拉电阻r11、电阻r13、反馈电阻r12、电阻r14。所述单片机模块u2的vdd端与旁路电容c5、去耦电容c6相连，用于消除高频干扰信号，抑制输入纹波；所述上拉电阻r10、滤波电容c5并联后与单片机模块的en端连接，起保护作用，防止电流过大；所述电荷泵模块u3的输入电源端引脚vin与滤波电容c7相连，输出电源端引脚vout与滤波电容c3相连，正负极端与泵送电容c8相连；所述稳压模块u4的输入电源端引脚vin和使能端引脚en与滤波电容c9相连，抑制输入纹波；输出电源端引脚与滤波电容c10相连，抑制稳压模块进行电压转化后产生的纹波，保证输出的电压曲线平滑，稳压模块u4用于提供稳定的2.5v电压，提供传感器模块测试电路电压；所述跟随器模块u5的输入电源端引脚3、5与单片机模块u2的heat1端和heat2端连接，输出电源端引脚1、7与下拉电阻r11、r13相连；所述下拉电阻r11、r13与电流放大模块q1、q2的基极端相连，电流放大模块q1、q2的发射极端与反馈电阻r12、r14相连，用于电流放大，提供3乘3气体传感器阵列加热电极工作电压。

5、供电模块采用聚合物锂电池，用于提供主控模块和传感器模块所需的电能。

6、进一步地，九个mems气体传感器分别涂敷不同的气敏材料，可以提高对不同有毒有害气体的选择性和敏感性。

7、进一步地，单片机模块u2的gpio25、26端口输出分别输出1v、2v电压，通过跟随器模块u5和电流放大模块q1、q2分别施加到传感器阵列的vh1、vh2端，可以通过不同工作温度下的传感器响应的区别，提高系统对有毒有害气体的选择性。

8、进一步地，3乘3气体传感器阵列u1通过ffc排线f1与所述主控模块的fpc连接器f2连接，将九个传感器采集到的电压数据发送给主控模块的单片机模块u2，对上述九个传感器采集的信号进行处理，以生成对应的气体浓度值，再通过单片机模块u2的低功耗蓝牙(ble)功能将气体浓度数据发送至手机端app，可以通过手机端app界面的目标气体浓度曲线实时监测目标气体的浓度变化。

9、进一步地，单片机模块u2的gpio23、22、17、5端通过铜线与昆虫躯干相连，可分别输出占空比、周期可控的脉冲电压信号控制昆虫进行前进、左转、右转等运动；根据手机端app所接收到的气体浓度数据远程控制昆虫的运动，提高搭载轻量嗅觉感知系统的昆虫寻源成功的可能性。

10、进一步地，主控模块的单片机模块u2采用freertos实时操作系统进行任务调度和内存管理，将传感器数据采集功能和昆虫运动控制功能部署于内部的cpu0和cpu1中，实现了任务双线程互不干扰运行，增强了轻量嗅觉感知系统检测和控制功能的实时性。

11、进一步地，主控模块和传感器模块采用分离式电路板设计，大大减小了3乘3气体传感器阵列u1的封装难度，降低了系统使用和维护的成本以及复杂度。

12、进一步地，所述的传感器模块的尺寸为20mm×25mm×2mm，主控模块的尺寸为27mm×23mm×2mm，供电模块的尺寸为25mm×25mm×5mm，电池容量为300mah，整体质量为7.60g，小型化的尺寸设计大大延长了昆虫带负载运动时间，提高了昆虫寻源成功的概率。

13、通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下

14、有益效果：

15、(1)由于mems气体传感器采用芯片级阵列化设计，单个芯片上集成了九个气体传感器，这种设计对于不同气体的选择性和灵敏度要远高于单一传感器的设计，因此本发明的轻量嗅觉感知系统检测有毒有害气体准确度高。

16、(2)轻量嗅觉感知系统采用小型化设计降低了成本，简化了系统的使用和维护，延长了昆虫带负载运动时间，提高了实用性和便捷性。

17、(3)轻量嗅觉感知系统集成了传感器数据采集功能和昆虫运动控制能能，利用低功耗蓝牙(ble)技术直接与手机连接，实现了在狭窄空间下远程检测和控制一体化，大大增强了狭窄空间下寻源的成功率。

18、(4)轻量嗅觉感知系统采用freertos实时操作系统进行任务调度和内存管理，采用双核cpu进行功能部署，增强了系统的实时操作性。

19、(4)轻量嗅觉感知系统具有广泛的应用前景，可以应用于工业安全领域，如监测和定位管道内有毒气体的泄漏源，早期预警并采取措施以保护工人的健康和安全。