纺织品甲醛检测系统的设计与实现

袁 晔，王永忠

（北京服装学院 信息工程学院，北京 100029）

0 引言

甲醛含量是纺织品极为重要的安全卫生指标，纺织品中存在的可挥发性甲醛对人类健康的影响已日益引起人们的关注。生态纺织品研究和检验的国际标准Oeko-Tex Standard 100对纺织品中甲醛含量实行了严格限制。四大主要纺织产品：婴儿用品类、直接接触皮肤类、不直接接触皮肤类以及装饰类的甲醛含量分别不应超过20mg/kg、75mg/kg、300mg/kg和300mg/kg[1]。因此，实时、准确地检测纺织品中的微量甲醛对保障纺织品的安全应用具有重要的现实意义。

与传统的检测纺织品甲醛含量的分析化学方法[2～4]相比，电化学方法[5]具有响应速度快、检测时间短、可在线检测和实时监控的优势。但低浓度条件下的小样本特性制约了电化学方法检测下限的降低和泛化精度的提高。为解决这一问题，本文应用自回归AR模型对气态甲醛浓度值较低而测量误差较大的数据区间进行预测插值，以增加低浓度区间的检测样本数量。另一方面，气敏材料的交叉敏感性[6]致使电化学反应的输出不仅包括气态甲醛的响应信息，还包括非甲醛类物质的响应信息形成的各种交叉干扰。交叉干扰影响气态甲醛含量测定的准确性，严重时甚至导致完全错误的检测结果。本文应用经验模态分解算法分离气态甲醛响应数据和高频干扰，并对系统的响应模型分段进行定量辨识。对于低浓度的气态甲醛，将其响应拟合为一元线性回归模型；而对于中高浓度的气态甲醛，则将其响应拟合为偏最小二乘回归模型。通过分区间回归逼近实际的气态甲醛响应去除附加的低频干扰。在此基础上，设计基于MSC1210微控制器的纺织品甲醛检测系统，实现纺织品甲醛含量的动态测定。

1 响应模式提取与辨识

1.1 响应数据插值

纺织品可挥发性甲醛的气态样本过于稀疏，难以拟合检测器的响应特性。需通过数据插值算法适当增加系统响应的建模样本，尤其对于测量值较低而测量误差较大的区间插补足够的样本值以建立精确的系统响应模型。在假定被测气态甲醛实际浓度值与预测浓度值线性关联的条件下，本系统应用自回归AR模型对未测定数据进行插补。即首先对检测器给出的测量数据进行AR建模，将AR模型的求解问题转化为测量数据线性组合的系数求解问题。再应用检测得到的数据确定被测甲醛浓度自协方差函数的估计值，根据被测甲醛浓度自协方差函数的估计值建立并求解以AR模型的系数为自变量的Yule-Walker方程。将Yule-Walker方程的解代入AR模型并计算AR模型的输出结果即为到待插值的数据。

1.2 响应模式提取

电化学传感器MIC-50-CH2O的工作原理是利用吸附在传感器电极上的气态甲醛分子与传感器电极气敏材料所发生的电化学反应，电化学反应所产生的响应电流与气态甲醛的浓度成正比。但由于气敏材料的交叉敏感特性，其他挥发性有机物也可能形成传感器的响应电流。因此，气态甲醛检测器的响应信息不仅仅包括气态甲醛的响应，还包括了其他挥发性物质所形成的干扰，气态甲醛检测器的全响应具有典型的多分量广谱特征。本文将多分量信号的经验模态分解算法引入气态甲醛响应的提取[7]，通过经验模态分解将传感器的响应分解为若干具有不同尺度结构的单分量信号与趋势信号，提取其中的趋势信号作为气态甲醛的响应信息。

1.3 响应模式辨识

如何辨识气态甲醛定量响应模式是本系统要解决的关键技术问题[8]。设计中采取的技术措施是：首先在标准的室内环境下，以传统标准方法对多批不同浓度的气态甲醛进行检测，确定浓度值，同时以气态甲醛检测系统对相应的气态甲醛样本进行检测，得到不同甲醛浓度的响应值。根据甲醛浓度实际值与响应值的对应关系将检测系统的响应特性划分为不同的区间，分段进行定量识别。即低浓度区间采用一元线性回归模型，而中高浓度区间则采用偏最小二乘回归模型以去除冗余的传感器低频干扰，使建立的模型辨识精度更高。

低浓度条件下根据气态甲醛浓度的实际值与响应值的相关关系建立二者之间的线性回归方程。为确定回归方程的未知参数，以气态甲醛浓度的响应值与回归方程直线的平均离差最小为条件，通过最小二乘算法LMS求解出回归方程未知参数的值。回归模型定量辨识的优度由R-统计量进行检验，气态甲醛浓度的实际值与响应值的相关关系的显著性由F-统计量进行检验。中高浓度条件下首先将系统的响应模式拟合为一元多项式，再将多项式中的各次项用不同的变量来表示。从而使一元多项式回归问题转化为多元线性回归问题。由于多元线性回归的各个自变量对应多项式中同一变量的不同次项，因而这些自变量之间存在很强的多重相关性。应用兼具多元线性回归、典型相关分析和主成分分析的偏最小二乘算法进行回归建模，通过对响应数据的分解和筛选，提取对因变量解释性最强的综合变量，以更好地克服变量多重相关性在气态甲醛检测器响应模式中的不良作用。

2 系统设计与实现

2.1 总体方案设计

本文设计的纺织品甲醛含量检测系统由甲醛传感器、信号转换与滤波单元、控制单元、通信接口单元和显示单元组成，如图1所示。甲醛传感器产生与气态甲醛浓度成正比的动态响应电流，信号调理单元对甲醛传感器的动态响应电流进行电压转换、滤波和放大处理。调理输出的电压信号送入单片机控制单元的模数转换器ADC进行数据采集，采集到的数据提供给上位机运行响应模式提取与辨识算法，对气态甲醛浓度进行在线检测。检测结果由控制单元传送至显示单元进行显示和动态监控。

图1 纺织品甲醛含量检测系统总体结构框图

2.2 硬件系统设计

2.2.1 甲醛传感器的选取

为满足纺织品甲醛含量测定的精度和分辨率要求，系统选用高精度、长寿命、在线检测的进口电化学甲醛传感器MIC-500-CH2O，其测量范围为0～10ppm，分辨率为0.01ppm，精度为±3%FS，输出信号为4mA～20mA。

2.2.2 信号调理单元设计

信号调理单元将甲醛传感器输出的4mA～20mA的电流信号转换成0～5V的电压信号，以满足控制电路中的A/D转换器对输入信号的要求。信号转换电路输出电压如图2所示。其中，传感器输出电流Ii为4mA～20mA，输出电压Vo1为0～5V。令R2=R3=1k5Ω，通过计算确定基准电压Vref和电阻R1的值分别为+1.25V和156.255Ω。

为防止信号转换电路输出的信号在传输过程中受外界干扰，影响气态甲醛检测的稳定性和精度，设计π型二阶RC低通无源滤波电路电路对信号转换电路的输出电压Vo1进行滤波处理，如图2中的R4、R5、C1和C2所示。

图2 信号调理单元

2.2.3 控制单元设计

微控制器的选择是控制单元设计的关键环节。考虑到MSC1210集成了8051增强型高速内核、32kB的Flash存储器和1.28kB的数据静态存储器、24位Σ-Δ模数转换器以及多路开关、可选择缓冲器、可编程增益放大器、基准电压源等硬件资源，具有信号缓冲、数字滤波和误差修正等信号处理功能，在高精度测量应用中具有特殊优势[9]。系统设计中选用MSC1210作为控制单元的微控制器，如图3所示。

图3 控制单元

微控制器MSC1210的内部存储器容量完全能够满足要求，不需要另设计外部存储器。只须使引脚____EA维持高电平状态，选中MSC1210的内部存储器即可。为此，将+5V电源通过阻值为5.1kΩ的限流电阻与引脚____EA连接。为提高MSC1210的P0口驱动显示模块的能力，保证数据可靠传输，该端口的引脚均连接4.7kΩ的上拉电阻至+5V电源。此外，将微控制器MSC1210的模数转换器ADC接信号调理单元执行数据采集任务，串口0接通信接口单元执行与上位机的通信任务。

2.2.4 通信接口单元设计

基于微控制器MSC1210的在系统编程功能，通信接口单元利用MSC1210的串口0实现MSC1210和上位机之间的通信，为上位机往MSC1210下载程序以及MSC1210往上位机传送数据提供硬件支持。设定串行编程模式，MSC1210的串口0经过电平转换与上位机的RS-232口相接，如图4所示。

图4 通信接口单元

2.2.5 显示接口模块设计

中规模点阵式液晶图形显示控制器T6963C能够直接与8位微处理器接口，具有独特的硬件初始值设置功能。显示方式可以在图形方式、文本方式以及图形和文本合成方式中进行选择。本文选用以T6963C为主控芯片的图形液晶显示模块LCM2401286构成系统显示单元。LCM2401286是黄绿模式的240×128点阵式LCD图形显示器，可显示15×8行16×16点阵的汉字[10]。MSC1210采用直接访问方式实现与T6963C的接口，即直接采用I/O设备访问方式通过数据总线和控制信号控制液晶控制器T6963C。LCM2401286与MSC1210的连接关系如图5所示。

图5 液晶显示模块与MSC1210的接口

2.3 软件系统设计

根据纺织品甲醛含量检测系统的功能要求，软件系统设计包括主程序设计、数据采集程序设计、响应模式提取与辨识程序设计以及显示程序设计。

主程序包括微控制器MSC1210和液晶显示模块LCM2401286的初始化，调数据采集程序得到气态甲醛浓度的检测样本，调响应模式提取与辨识程序得到气态甲醛浓度的测定值，根据环境温度、大气压修正测定值，调显示程序显示气态甲醛浓度的最终检测结果。主程序流程如图6所示。

图6 主程序流程图

数据采集程序的作用是在一定的采集周期内获取气态甲醛的响应数据并将响应数据组合为检测样本串行发送至上位机，具体程序流程如图7所示。

响应模式提取与辨识程序实现响应数据低浓度区间的数据插值，通过经验模态分解算法从分量全响应信号中提取纺织品甲醛的响应分量，针对不同的浓度区间分别应用一元线性回归和多元线性回归建立织物甲醛含量的辨识模型。响应模式提取与辨识程序流程如图8所示。

显示程序在图形模式下设计，表征纺织品甲醛含量的检测结果以汉字和字符混合编排的形式呈现。为适应显示内容长度不固定的情况，在显示程序设计中引入了可变长指令格式参数。汉字、字符显示程序设计方案如图9所示。

图7 数据采集程序流程图

图8 响应模式提取与辨识流程图

图9 显示程序流程图

3 实验结果及分析

在室内温度为0℃、大气压为1.013×105Pa的环境条件下，分别制备浓度为0.5，2.46，2.55，2.67，2.76，2.9，3.03，3.31，3.55，3.72，4.04，4.78，5.18，5.78，6.33，6.46和6.5ppm的标准气态甲醛样品用于系统对气态甲醛响应模式的定量辨识。对响应数据依次进行AR模型数据插值，经验模态分解以提取检测系统对气态甲醛的响应分量。然后，分别在0～4ppm和4～7ppm的浓度区间对气态甲醛的响应分量进行一元和多元线性回归拟合，得到定量辨识结果如图10(a)、(b)所示。

图10 气态甲醛响应模式的分区间辨识模型

在同样的环境条件下（室内温度0℃、大气压1.013×105Pa），选取5种不同材料的纺织品在低浓度(≤0.01%)的甲醛溶液中浸泡30分钟后取出晾干、制成含甲醛的纺织品样品，编号为#1、#2、#3、#4和#5。分别称取#1、#2、#3、#4和#5纺织品样品5.3g，12.7g，11.7g，31g，4.9g放入玻璃样品管中并借助气泵使检测系统和玻璃样品管中的气体充分循环，当甲醛传感器输出稳定后进行测定。用ppm表示的测定值（未经修正）如表1所示。

表1 纺织品样品甲醛含量测定值(ppm)

根据以下公式，将纺织品样品甲醛含量ppm浓度换算为mg/m3：

经温度、压力修正并考虑容器体积和纺织品样品重量后得到最终的测定值如表2所示。

表2 修正后纺织品样品中的甲醛含量(mg/kg)

表2的结果表明：本文提出的检测系统不仅对气态甲醛具有很好的选择性，而且可以检测到纺织品中的低于1mg/kg级检测下限的甲醛含量，具有较高的检测灵敏度。

4 结束语

本文研究了基于经验模态分解算法和分区间线性回归辨识响应模式的气态甲醛动态检测方法，设计并实现了基于MSC1210微控制器的纺织品甲醛检测的软硬件系统，实现了对纺织品中甲醛含量的定量分析。实验结果表明：本文系统不仅对气态甲醛具有很好的选择性，而且能够改善小样本条件下的泛化性能。可以检测到纺织品中低于1mg/kg下限值的微量甲醛，进一步提高了检测灵敏度，有效弥补了电化学分析化学方法的不足。

[1] 德国海恩斯坦研究院.2010版Oeko-Tex Standard 100标准的最新规定[J].国际纺织导报,2010,2:41-50.

[2] 全国纺织品标准化技术委员会基础标准分会.GB/T 2912.1-2009[S].北京:中国标准出版社,2009.

[3] 全国纺织品标准化技术委员会基础标准分会.GB/T 2912.2-2009[S].北京:中国标准出版社,2009.

[4] 全国纺织品标准化技术委员会基础标准分会.GB/T 2912.3-2009[S].北京:中国标准出版社,2009.

[5] 高大启,杨银兴.电子鼻技术的新进展及应用前景[J].传感器技术,2001,20(9):1-5.

[6] 殷勇.嗅觉模拟技术[M].北京:化学工业出版社,2005:18-39.

[7] Ye Yuan,Yongzhong Wang, Zheng Wu. Research on Dynamic Reaction of Gaseous Formaldehyde Detector Using Empirical Mode Decomposition[C].Proceedings of the 2012 International Conference on Cybernetics and Informatics, Lecture Notes in Electrical Engineering,2013,163:1737-1744.

[8] YUAN Ye, WU Zheng,WANG Yong Zhong. Dynamic Reaction Fitting for Gaseous Formaldehyde Detector With Unmeasured Data Prediction[J].Advanced Materials Research,2012,562-564:1762-1766.

[9] 邓宏彬.MSC1210X系统级单片机原理与应用[M].北京:机械工业出版社,2004:1-4.

[10] 王永忠,韩润萍.基于T6963C控制器的液晶模块显示技术[J].电子科技,2013,26(6):82-103.