馬 嫚，程 鉛，陳 慧，杜宇航，劉 賓，3，何農(nóng)躍*

(1.東南大學(xué)生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程系生物電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210018;2.東南大學(xué)生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程系醫(yī)學(xué)電子學(xué)實(shí)驗(yàn)室，南京210018;3.南京醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系，南京210029)

我國(guó)的空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)，基本上是從上世紀(jì)80年代開(kāi)始興起，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比起步比較晚。近年來(lái)，國(guó)家對(duì)空氣質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)建設(shè)逐漸重視，部分省區(qū)和重點(diǎn)城市開(kāi)展了檢測(cè)站點(diǎn)的聯(lián)網(wǎng)工作，當(dāng)前國(guó)家空氣質(zhì)量檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)主要以城市檢測(cè)站為基礎(chǔ)，然而，這種檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)仍然存在許多問(wèn)題，主要有以下幾點(diǎn):(1)目前我國(guó)所使用的一些空氣質(zhì)量檢測(cè)裝置很大一部分是采購(gòu)國(guó)外廠家現(xiàn)有的檢測(cè)裝置，由于各家公司的協(xié)議或者軟件互不兼容，并且拓展性差，安裝形式、使用風(fēng)格、數(shù)據(jù)格式、人機(jī)界面也各不相同，這就導(dǎo)致了移植到國(guó)內(nèi)后使用效果比較差;(2)我國(guó)現(xiàn)有檢測(cè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集基本上是基于電話MODEM撥號(hào)的方式進(jìn)行，而該方式已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代信息的傳輸，沒(méi)有聯(lián)網(wǎng)就無(wú)法進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸和自動(dòng)調(diào)度;(3)國(guó)內(nèi)大多數(shù)的環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中，模塊化程度不高，系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程比較混亂，導(dǎo)致系統(tǒng)升級(jí)、再開(kāi)發(fā)以及維護(hù)的工作量加大，最主要的是嚴(yán)重影響到系統(tǒng)檢測(cè)項(xiàng)目和某些數(shù)據(jù)分析處理功能的添加和刪除等等。

基于信息融合技術(shù)的空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)正是為了解決上述困難［1-2］而開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的，能夠大大提高環(huán)境監(jiān)管和保護(hù)工作的效率。系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)［3］，無(wú)線組網(wǎng)通信技術(shù)［4］等，通過(guò)空氣質(zhì)量智能分析平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域內(nèi)的空氣質(zhì)量檢測(cè)、分析和異常處理。在不同區(qū)域安裝若干個(gè)低功耗的空氣質(zhì)量檢測(cè)模塊，安全節(jié)能，可同時(shí)檢測(cè)空氣粉塵固體顆粒、空氣溫濕度、NH3、CO、CO2等指標(biāo)，同時(shí)利用串口攝像頭實(shí)時(shí)查看現(xiàn)場(chǎng)狀況。軟件利用Socket網(wǎng)絡(luò)編程，采用客戶(hù)端/服務(wù)器(C/S)架構(gòu)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控，通過(guò)信息融合算法判斷某種空氣指標(biāo)是否超過(guò)警戒線，若某個(gè)節(jié)點(diǎn)所在區(qū)域出現(xiàn)超過(guò)警戒線的情況，則節(jié)點(diǎn)可立即開(kāi)啟空氣凈化裝置與通風(fēng)裝置，從而改善空氣質(zhì)量。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)可劃分為3部分，分別為感知層，網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層［5］。感知層主要實(shí)現(xiàn)識(shí)別物體和采集信息，包括粉塵傳感器、CO傳感器、NH3傳感器、CO2傳感器、攝像頭和空氣清新器，通過(guò)測(cè)量空氣中粉塵、CO等的含量以及攝像頭捕捉到的圖片綜合判斷空氣質(zhì)量情況，對(duì)于室內(nèi)可智能啟動(dòng)空氣清新器以達(dá)到凈化空氣的作用。網(wǎng)絡(luò)層包括無(wú)線通信模塊，用來(lái)傳輸采集到的各個(gè)傳感器的檢測(cè)數(shù)據(jù)以及圖片信息，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。網(wǎng)絡(luò)層分為一個(gè)父節(jié)點(diǎn)和多個(gè)子節(jié)點(diǎn)，子節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)與各種傳感器的數(shù)據(jù)通信，及與父節(jié)點(diǎn)建立連接，父節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)與子節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)通信。應(yīng)用層包括計(jì)算機(jī)終端，負(fù)責(zé)接收信號(hào)并且分析處理。計(jì)算機(jī)終端采用C/S模式，界面實(shí)時(shí)顯示采集的空氣質(zhì)量參數(shù)，系統(tǒng)軟件采用信息融合算法可自行判斷給出異常處理，判斷是否開(kāi)啟空氣凈化裝置或風(fēng)扇。硬件原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件原理框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)采用低功耗單片機(jī)CC430F5137處理，為16 bit超低功耗MCU，不但具有MSP430系列的低功耗性能，而且具有射頻(RF)無(wú)線收發(fā)器的功能。通過(guò)處理器內(nèi)部封裝的CC1101無(wú)線收發(fā)模塊將數(shù)據(jù)傳至服務(wù)器端，實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)環(huán)境的溫濕度、CO2、CO、NH3、粉塵顆粒濃度的實(shí)時(shí)檢測(cè)。硬件連接圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件連接圖

電路部分主要分為前端采集電路，無(wú)線傳輸模塊與控制器電路3部分。前端采集電路包括傳感器采集模塊、串口攝像頭和空氣凈化裝置?？刂破麟娐钒娫茨K。

傳感器采集模塊主要包括粉塵傳感器，溫濕度傳感器，幾種氣體傳感器如CO2、CO、NH3等。粉塵傳感器，采用SHARP GP2Y1010AU0F，該傳感器可測(cè)量0.8 μm以上的微小粒子，例如感知煙草產(chǎn)生的煙氣和花粉，房屋粉塵等。通過(guò)內(nèi)嵌的高穩(wěn)定激光信號(hào)源穿越煙道，然后照射煙塵粒子，這樣被照射的煙塵粒子就會(huì)反射激光信號(hào)，而反射的信號(hào)強(qiáng)度正好與煙塵濃度成正比。通過(guò)檢測(cè)煙塵反射過(guò)來(lái)的微弱激光信號(hào)，再用特定的算法［6］即可計(jì)算出煙道中煙塵的濃度。輸出電壓與粉塵濃度關(guān)系如下圖3所示。

圖3 輸出電壓和粉塵濃度關(guān)系曲線圖

溫濕度傳感器［7］，采用SHT10，這個(gè)傳感器采用全部校準(zhǔn)，數(shù)字輸出，并且接口簡(jiǎn)單(2-wire)，可實(shí)用性強(qiáng)。它基于IIC數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議進(jìn)行通信，響應(yīng)速度快，功耗非常低，帶有自動(dòng)休眠功能，測(cè)量的濕度精度范圍±45%RH，測(cè)量溫度精度范圍在±0.5℃(25℃)。

氣體傳感器［8］主要包括NH3傳感器、CO2傳感器、CO傳感器等幾種。其中NH3檢測(cè)傳感器采用MQ137，模擬量輸出隨濃度增加而增加，濃度越高電壓越高，具有快速的響應(yīng)恢復(fù)特性，測(cè)量范圍是10×10-6～300×10-6，測(cè)量精度為1×10-6。CO2氣體傳感器采用MG811，這種傳感器采用固體電解質(zhì)電池原理，對(duì)CO2具有良好的靈敏度和選擇性，受周?chē)h(huán)境溫濕度的變化影響較小，測(cè)量范圍是0～10 000×10-6，測(cè)量精度為+5%。而CO傳感器使用MQ-7傳感器，該傳感器采用高低溫循環(huán)檢測(cè)的方式低溫(1.5V加熱)檢測(cè)CO，具有壽命長(zhǎng)和可靠性高等特點(diǎn)，測(cè)量范圍是 10×10-6～1 000×10-6，測(cè)量精度是其濃度斜率小于0.6。

無(wú)線傳輸模塊是集成到MSP430中的CC1101無(wú)線收發(fā)器，它具有一個(gè)中低頻接收機(jī)。接收到的RF信號(hào)由低噪聲放大器放大，并在求積分(I和Q)過(guò)程中被降壓轉(zhuǎn)換至中頻(IF)。在IF下，I/Q信號(hào)被模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)數(shù)字化。自動(dòng)增益控制，精確信道濾波和調(diào)制解調(diào)位/數(shù)據(jù)包同步均以數(shù)字化方式完成。發(fā)射器部分是基于RF頻率的直接合成。頻率合成器包含一個(gè)完全的片上LC壓控振蕩器和一個(gè)90°移相器，以便在接收模式下，向壓降轉(zhuǎn)換器生成I和Q的本地振蕩器的信號(hào)。一個(gè)26 MHz警惕振蕩器生成合成器的基準(zhǔn)頻率以及ADC數(shù)字部分的時(shí)鐘信號(hào)。數(shù)字基帶包括對(duì)頻率配置，數(shù)據(jù)包處理和數(shù)據(jù)緩沖的支持。該無(wú)線傳輸模塊實(shí)現(xiàn)信息的處理與傳輸，是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要組成部分。

電源模塊主要采用多路輸出的DC-DC可調(diào)電源模塊，只需調(diào)節(jié)電位器的阻值，就可以改變電源模塊的輸出電壓。操作簡(jiǎn)單，而且電源紋波小，穩(wěn)定性高。本系統(tǒng)CO2氣體傳感器采用6 V供電，其他氣體傳感器采用5 V供電，空氣凈化裝置采用9 V供電，微控制器采用3.3 V供電等，調(diào)節(jié)電源模塊即可滿足不同的電壓需求。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件構(gòu)架

軟件是在基于Socket網(wǎng)絡(luò)通信［9-10］的基礎(chǔ)上用C++語(yǔ)言編制完成，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。充分利用了軟件本身所帶的一些庫(kù)函數(shù)，并采用模塊化、結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)思想，具有易讀性，易于移植，功能模塊可以很容易的擴(kuò)展，易于二次開(kāi)發(fā)的特點(diǎn)。軟件設(shè)計(jì)部分，分為服務(wù)器端和客戶(hù)端，將區(qū)域內(nèi)的空氣質(zhì)量參數(shù)通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器端，服務(wù)器實(shí)現(xiàn)將區(qū)域內(nèi)的空氣質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行處理、分析、存儲(chǔ)等工作，用戶(hù)可以直接在服務(wù)器上觀察其空氣質(zhì)量狀況，也可以在客戶(hù)端通過(guò)因特網(wǎng)訪問(wèn)服務(wù)器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域內(nèi)的空氣質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)。客戶(hù)端和服務(wù)器的界面設(shè)計(jì)直觀、操作簡(jiǎn)便，用戶(hù)可以很方便地實(shí)現(xiàn)空氣質(zhì)量的整體檢測(cè)和重點(diǎn)防護(hù)等，這樣，用戶(hù)無(wú)論是在家里還是辦公室內(nèi)，或是出差在外，都可以了解區(qū)域內(nèi)的環(huán)境質(zhì)量。

根據(jù)軟件的功能，可劃分為用戶(hù)主界面、用戶(hù)管理、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)連接5部分，如圖4?？蛻?hù)端軟件與其功能類(lèi)似。用戶(hù)主界面是系統(tǒng)提供給用戶(hù)的操作界面;用戶(hù)管理實(shí)現(xiàn)對(duì)客戶(hù)訪問(wèn)權(quán)限的設(shè)置，同時(shí)存儲(chǔ)用戶(hù)信息方便再次登錄使用，其包括用戶(hù)登錄、用戶(hù)注銷(xiāo)、用戶(hù)配置;設(shè)備管理模塊主要實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的串口通信，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集，下位機(jī)的子節(jié)點(diǎn)設(shè)置等;數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)模塊，能夠方便用戶(hù)保存、查閱、數(shù)據(jù)分析。而數(shù)據(jù)庫(kù)完善地管理各子節(jié)點(diǎn)中不同傳感器數(shù)據(jù)對(duì)象，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)組織、用戶(hù)管理、安全檢查等功能;網(wǎng)絡(luò)連接模塊可以快速實(shí)現(xiàn)服務(wù)器與客戶(hù)機(jī)之間的連接;用戶(hù)不僅可以查看相應(yīng)子節(jié)點(diǎn)某一時(shí)刻的數(shù)據(jù)，而且可以查看子節(jié)點(diǎn)上某一傳感器在一天時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)的變化。數(shù)據(jù)庫(kù)可以方便地生成各種數(shù)據(jù)對(duì)象，利用存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)建立窗體和報(bào)表，可視性好。另外，還可從數(shù)據(jù)庫(kù)中導(dǎo)出數(shù)據(jù)，方便存儲(chǔ)攜帶。

圖4 系統(tǒng)軟件功能圖

3.2 信息融合算法

信息融合［11］是一種多層次、多方面的處理過(guò)程，包括對(duì)多源數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)、相關(guān)、組合和估計(jì)，從而提高狀態(tài)和特性估計(jì)的精度，方便有關(guān)決策。目前研究的多傳感信息融合，主要是指利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行多源信息處理，從而得到可綜合利用信息的理論和方法。本系統(tǒng)上位機(jī)軟件采用多傳感信息融合算法，對(duì)前端采集電路的多個(gè)子節(jié)點(diǎn)的多種傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)一步判斷空氣質(zhì)量是否達(dá)標(biāo)以采取相應(yīng)的措施。

系統(tǒng)采集粉塵、氣體、溫濕度傳感器的信號(hào)，充分利用不同時(shí)間與空間的多傳感器數(shù)據(jù)資源，采用計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)在不同時(shí)間段獲得的多傳感器觀測(cè)數(shù)據(jù)，在一定準(zhǔn)則下進(jìn)行分析、綜合、支配和使用，獲得對(duì)空氣質(zhì)量的描述和評(píng)估，進(jìn)而根據(jù)此結(jié)果實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的決策和估計(jì)(例如打開(kāi)風(fēng)扇，空氣凈化裝置等)。通過(guò)數(shù)據(jù)整合技術(shù)，使系統(tǒng)獲得比它的各組成部分更充分的信息［12］。

就一個(gè)子節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，對(duì)單個(gè)傳感器［13］在一定時(shí)間內(nèi)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合對(duì)整個(gè)系統(tǒng)檢測(cè)精度產(chǎn)生很大的影響。在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中由于時(shí)間點(diǎn)的不同及空間分布和自身的干擾性，傳感器參量相對(duì)于系統(tǒng)采樣頻率而言，一般是具有正態(tài)分布的。采集單個(gè)傳感器數(shù)值的真實(shí)值是決定空氣質(zhì)量好壞的依據(jù)。將等時(shí)間測(cè)量數(shù)據(jù)分成兩組，根據(jù)分批估計(jì)理論可以得到同種傳感器采集數(shù)據(jù)的融合值，即決策值，具體算法如下:

將單個(gè)傳感器采集的n個(gè)觀測(cè)值分為x11，x12，…，x1k和x21，x22，…，x2m，其中k+m=n(k，m≧ 2)，兩組樣本測(cè)量值所對(duì)應(yīng)的樣本平均值分別為:

樣品方差分別為:

X的估計(jì)值:

通過(guò)以上計(jì)算得到同一個(gè)子字節(jié)的各個(gè)傳感器的局部決策值分別為，均方差分別為本系統(tǒng)采集6個(gè)空氣參數(shù)指標(biāo)，j=6。要得到最后的決策值，需要對(duì)多個(gè)字節(jié)點(diǎn)的同種傳感器進(jìn)行自適應(yīng)加權(quán)平均法進(jìn)行融合。這里，加權(quán)因子對(duì)融合結(jié)果影響比較明顯，分配得當(dāng)，融合結(jié)果就好，反之亦然。利用權(quán)的最優(yōu)分配原則進(jìn)行求解，融合結(jié)果理想。

總均方誤差:

式中E表示數(shù)學(xué)期望。

對(duì)在式(7)下用拉格朗日乘法求極值，可達(dá)到

最小時(shí)對(duì)應(yīng)的加權(quán)因子由

此可以計(jì)算該傳感器在不同位置采集到的空氣參數(shù)的估計(jì)值^x。以^x作為決策值來(lái)判斷參數(shù)是否超標(biāo)，進(jìn)而做出反應(yīng)，開(kāi)啟空氣凈化裝置或風(fēng)扇等。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)將系統(tǒng)組裝在廠房沙盤(pán)模型中，如圖5所示。在室內(nèi)采集空氣溫濕度、CO、CO2、NH3的含量，因?yàn)槭覂?nèi)空氣顆粒物并不大，在模型上加蓋一玻璃板，利用人為制造的煙霧采集粉塵含量。數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線模塊傳送到服務(wù)器，自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，通過(guò)信息融合算法將最終結(jié)果顯示在界面上。用戶(hù)通過(guò)在客戶(hù)端訪問(wèn)服務(wù)器可看到同樣的數(shù)據(jù)顯示。從數(shù)據(jù)庫(kù)中導(dǎo)出的數(shù)據(jù)說(shuō)明本設(shè)計(jì)方案是切實(shí)可行的，如表1。

圖5 系統(tǒng)實(shí)物圖

表1 空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)參數(shù)

表1檢測(cè)結(jié)果是系統(tǒng)在0.5 h內(nèi)，多個(gè)子節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)，在上位機(jī)的服務(wù)器端進(jìn)行信息融合算法后，估計(jì)出的6個(gè)空氣質(zhì)量參數(shù)λ/x的值，顯示在測(cè)量值中，符合當(dāng)時(shí)室內(nèi)的環(huán)境狀況。為了驗(yàn)證該算法的準(zhǔn)確性，本系統(tǒng)在相同時(shí)間間隔與環(huán)境下進(jìn)行重復(fù)測(cè)量，分析統(tǒng)計(jì)計(jì)算后的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)偏差均在0.03%以?xún)?nèi)，精確度良好。本系統(tǒng)能夠完成實(shí)時(shí)空氣質(zhì)量檢測(cè)。

5 總結(jié)與展望

本文在無(wú)線通信模塊的基礎(chǔ)上，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，無(wú)線通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于信息融合技術(shù)的空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域內(nèi)不同方位的空氣指標(biāo)如可吸入顆粒物，有毒氣體含量等的實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)使用和遠(yuǎn)程遙控。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)無(wú)線化，減少了線路的鋪設(shè)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，方便可靠，減少了人力的支出，具有突出的優(yōu)點(diǎn)，這些都為本系統(tǒng)的應(yīng)用提供了良好的宣傳基礎(chǔ)。但無(wú)線傳輸距離有限，可以采用更先進(jìn)的無(wú)線設(shè)備進(jìn)行改善。

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