基于信息融合技術(shù)的空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)

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)國家重點實驗室，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)實驗室，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)

我國的空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)，基本上是從上世紀80年代開始興起，與發(fā)達國家相比起步比較晚。近年來，國家對空氣質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)建設(shè)逐漸重視，部分省區(qū)和重點城市開展了檢測站點的聯(lián)網(wǎng)工作，當(dāng)前國家空氣質(zhì)量檢測網(wǎng)絡(luò)主要以城市檢測站為基礎(chǔ)，然而，這種檢測網(wǎng)絡(luò)仍然存在許多問題，主要有以下幾點:(1)目前我國所使用的一些空氣質(zhì)量檢測裝置很大一部分是采購國外廠家現(xiàn)有的檢測裝置，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、人機界面也各不相同，這就導(dǎo)致了移植到國內(nèi)后使用效果比較差;(2)我國現(xiàn)有檢測站點的數(shù)據(jù)采集基本上是基于電話MODEM撥號的方式進行，而該方式已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代信息的傳輸，沒有聯(lián)網(wǎng)就無法進行數(shù)據(jù)的實時傳輸和自動調(diào)度;(3)國內(nèi)大多數(shù)的環(huán)境空氣質(zhì)量自動檢測系統(tǒng)中，模塊化程度不高，系統(tǒng)的開發(fā)過程比較混亂，導(dǎo)致系統(tǒng)升級、再開發(fā)以及維護的工作量加大，最主要的是嚴重影響到系統(tǒng)檢測項目和某些數(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)量檢測系統(tǒng)正是為了解決上述困難［1-2］而開發(fā)設(shè)計的，能夠大大提高環(huán)境監(jiān)管和保護工作的效率。系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)［3］，無線組網(wǎng)通信技術(shù)［4］等，通過空氣質(zhì)量智能分析平臺來實現(xiàn)對區(qū)域內(nèi)的空氣質(zhì)量檢測、分析和異常處理。在不同區(qū)域安裝若干個低功耗的空氣質(zhì)量檢測模塊，安全節(jié)能，可同時檢測空氣粉塵固體顆粒、空氣溫濕度、NH3、CO、CO2等指標，同時利用串口攝像頭實時查看現(xiàn)場狀況。軟件利用Socket網(wǎng)絡(luò)編程，采用客戶端/服務(wù)器(C/S)架構(gòu)實時遠程監(jiān)控，通過信息融合算法判斷某種空氣指標是否超過警戒線，若某個節(jié)點所在區(qū)域出現(xiàn)超過警戒線的情況，則節(jié)點可立即開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］。感知層主要實現(xiàn)識別物體和采集信息，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，通過測量空氣中粉塵、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，對于室內(nèi)可智能啟動空氣清新器以達到凈化空氣的作用。網(wǎng)絡(luò)層包括無線通信模塊，用來傳輸采集到的各個傳感器的檢測數(shù)據(jù)以及圖片信息，同時進行數(shù)據(jù)處理。網(wǎng)絡(luò)層分為一個父節(jié)點和多個子節(jié)點，子節(jié)點實現(xiàn)與各種傳感器的數(shù)據(jù)通信，及與父節(jié)點建立連接，父節(jié)點實現(xiàn)與子節(jié)點和上位機通信。應(yīng)用層包括計算機終端，負責(zé)接收信號并且分析處理。計算機終端采用C/S模式，界面實時顯示采集的空氣質(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

硬件系統(tǒng)采用低功耗單片機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)無線收發(fā)器的功能。通過處理器內(nèi)部封裝的CC1101無線收發(fā)模塊將數(shù)據(jù)傳至服務(wù)器端，實現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境的溫濕度、CO2、CO、NH3、粉塵顆粒濃度的實時檢測。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。通過內(nèi)嵌的高穩(wěn)定激光信號源穿越煙道，然后照射煙塵粒子，這樣被照射的煙塵粒子就會反射激光信號，而反射的信號強度正好與煙塵濃度成正比。通過檢測煙塵反射過來的微弱激光信號，再用特定的算法［6］即可計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，這個傳感器采用全部校準，數(shù)字輸出，并且接口簡單(2-wire)，可實用性強。它基于IIC數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議進行通信，響應(yīng)速度快，功耗非常低，帶有自動休眠功能，測量的濕度精度范圍±45%RH，測量溫度精度范圍在±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，測量范圍是10×10-6～300×10-6，測量精度為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CO2具有良好的靈敏度和選擇性，受周圍環(huán)境溫濕度的變化影響較小，測量范圍是0～10 000×10-6，測量精度為+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)檢測的方式低溫(1.5V加熱)檢測CO，具有壽命長和可靠性高等特點，測量范圍是 10×10-6～1 000×10-6，測量精度是其濃度斜率小于0.6。

無線傳輸模塊是集成到MSP430中的CC1101無線收發(fā)器，它具有一個中低頻接收機。接收到的RF信號由低噪聲放大器放大，并在求積分(I和Q)過程中被降壓轉(zhuǎn)換至中頻(IF)。在IF下，I/Q信號被模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)數(shù)字化。自動增益控制，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完全的片上LC壓控振蕩器和一個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。一個26 MHz警惕振蕩器生成合成器的基準頻率以及ADC數(shù)字部分的時鐘信號。數(shù)字基帶包括對頻率配置，數(shù)據(jù)包處理和數(shù)據(jù)緩沖的支持。該無線傳輸模塊實現(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

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++語言編制完成，實現(xiàn)系統(tǒng)功能。充分利用了軟件本身所帶的一些庫函數(shù)，并采用模塊化、結(jié)構(gòu)化的設(shè)計思想，具有易讀性，易于移植，功能模塊可以很容易的擴展，易于二次開發(fā)的特點。軟件設(shè)計部分，分為服務(wù)器端和客戶端，將區(qū)域內(nèi)的空氣質(zhì)量參數(shù)通過無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h程服務(wù)器端，服務(wù)器實現(xiàn)將區(qū)域內(nèi)的空氣質(zhì)量參數(shù)進行處理、分析、存儲等工作，用戶可以直接在服務(wù)器上觀察其空氣質(zhì)量狀況，也可以在客戶端通過因特網(wǎng)訪問服務(wù)器，以實現(xiàn)對區(qū)域內(nèi)的空氣質(zhì)量進行實時的檢測。客戶端和服務(wù)器的界面設(shè)計直觀、操作簡便，用戶可以很方便地實現(xiàn)空氣質(zhì)量的整體檢測和重點防護等，這樣，用戶無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，可劃分為用戶主界面、用戶管理、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)庫設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)連接5部分，如圖4?？蛻舳塑浖c其功能類似。用戶主界面是系統(tǒng)提供給用戶的操作界面;用戶管理實現(xiàn)對客戶訪問權(quán)限的設(shè)置，同時存儲用戶信息方便再次登錄使用，其包括用戶登錄、用戶注銷、用戶配置;設(shè)備管理模塊主要實現(xiàn)上位機與下位機的串口通信，啟動數(shù)據(jù)采集，下位機的子節(jié)點設(shè)置等;數(shù)據(jù)庫設(shè)計模塊，能夠方便用戶保存、查閱、數(shù)據(jù)分析。而數(shù)據(jù)庫完善地管理各子節(jié)點中不同傳感器數(shù)據(jù)對象，具有強大的數(shù)據(jù)組織、用戶管理、安全檢查等功能;網(wǎng)絡(luò)連接模塊可以快速實現(xiàn)服務(wù)器與客戶機之間的連接;用戶不僅可以查看相應(yīng)子節(jié)點某一時刻的數(shù)據(jù)，而且可以查看子節(jié)點上某一傳感器在一天時間內(nèi)數(shù)據(jù)的變化。數(shù)據(jù)庫可以方便地生成各種數(shù)據(jù)對象，利用存儲的數(shù)據(jù)建立窗體和報表，可視性好。另外，還可從數(shù)據(jù)庫中導(dǎo)出數(shù)據(jù)，方便存儲攜帶。

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、多方面的處理過程，包括對多源數(shù)據(jù)進行檢測、相關(guān)、組合和估計，從而提高狀態(tài)和特性估計的精度，方便有關(guān)決策。目前研究的多傳感信息融合，主要是指利用計算機進行多源信息處理，從而得到可綜合利用信息的理論和方法。本系統(tǒng)上位機軟件采用多傳感信息融合算法，對前端采集電路的多個子節(jié)點的多種傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行處理，進一步判斷空氣質(zhì)量是否達標以采取相應(yīng)的措施。

系統(tǒng)采集粉塵、氣體、溫濕度傳感器的信號，充分利用不同時間與空間的多傳感器數(shù)據(jù)資源，采用計算機技術(shù)，對在不同時間段獲得的多傳感器觀測數(shù)據(jù)，在一定準則下進行分析、綜合、支配和使用，獲得對空氣質(zhì)量的描述和評估，進而根據(jù)此結(jié)果實現(xiàn)相應(yīng)的決策和估計(例如打開風(fēng)扇，空氣凈化裝置等)。通過數(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］。

就一個子節(jié)點來說，對單個傳感器［13］在一定時間內(nèi)采集的數(shù)據(jù)進行融合對整個系統(tǒng)檢測精度產(chǎn)生很大的影響。在實際測量過程中由于時間點的不同及空間分布和自身的干擾性，傳感器參量相對于系統(tǒng)采樣頻率而言，一般是具有正態(tài)分布的。采集單個傳感器數(shù)值的真實值是決定空氣質(zhì)量好壞的依據(jù)。將等時間測量數(shù)據(jù)分成兩組，根據(jù)分批估計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:

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

樣品方差分別為:

X的估計值:

通過以上計算得到同一個子字節(jié)的各個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個空氣參數(shù)指標，j=6。要得到最后的決策值，需要對多個字節(jié)點的同種傳感器進行自適應(yīng)加權(quán)平均法進行融合。這里，加權(quán)因子對融合結(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。

對在式(7)下用拉格朗日乘法求極值，可達到

最小時對應(yīng)的加權(quán)因子由

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

4 實驗結(jié)果

實驗將系統(tǒng)組裝在廠房沙盤模型中，如圖5所示。在室內(nèi)采集空氣溫濕度、CO、CO2、NH3的含量，因為室內(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)通過無線模塊傳送到服務(wù)器，自動進行數(shù)據(jù)分析，通過信息融合算法將最終結(jié)果顯示在界面上。用戶通過在客戶端訪問服務(wù)器可看到同樣的數(shù)據(jù)顯示。從數(shù)據(jù)庫中導(dǎo)出的數(shù)據(jù)說明本設(shè)計方案是切實可行的，如表1。

圖5 系統(tǒng)實物圖

表1 空氣質(zhì)量監(jiān)測參數(shù)

表1檢測結(jié)果是系統(tǒng)在0.5 h內(nèi)，多個子節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)，在上位機的服務(wù)器端進行信息融合算法后，估計出的6個空氣質(zhì)量參數(shù)λ/x的值，顯示在測量值中，符合當(dāng)時室內(nèi)的環(huán)境狀況。為了驗證該算法的準確性，本系統(tǒng)在相同時間間隔與環(huán)境下進行重復(fù)測量，分析統(tǒng)計計算后的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)偏差均在0.03%以內(nèi)，精確度良好。本系統(tǒng)能夠完成實時空氣質(zhì)量檢測。

5 總結(jié)與展望

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

［1］郭曉雷.城市空氣質(zhì)量預(yù)報方法研究綜述［J］.科技傳播，2011，15:14-19.

［2］Fukushima H.Air Pollution Monitoring in East Asia［J］.Science and Technology Trend，2006，18:54-64.

［3］馬寅.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的特點與應(yīng)用［J］.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2012(8):78-80.

［4］梁子君，宋志洪，張博，等.基于無線組網(wǎng)技術(shù)的交通信息采集方法研究［J］.數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2011(12):39-41.

［5］孫其博，劉杰，黎羴，等.物聯(lián)網(wǎng):概念、架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)研究綜述［J］.北京郵電大學(xué)學(xué)報，2010，33(3):1-9.

［6］鄭德忠，趙樂平.紅外吸收粉塵傳感器的設(shè)計［J］.激光與紅外，2012，42(9):1007-1010.

［7］林海軍，滕召勝，楊圣潔，等.數(shù)字溫度傳感器自適應(yīng)動態(tài)補償方法［J］.儀器儀表學(xué)報，2009，30(1):138-142.

［8］宋玲，施云波，修德斌，等.基于MSP430的氣體傳感器批量測試系統(tǒng)［J］.電子測量技術(shù)，2009，32(10):77-80.

［9］劉俊，顏鋼鋒.基于Socket的網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)及其實現(xiàn)［J］.江南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2004，3(3):249-251.

［10］孫嘉駿，溫強，鄭美劍.基于 Winscok接口的局域網(wǎng) Client/Server模型［J］.科技風(fēng)，2008，6:64-66.

［11］韓崇昭，朱紅艷.多傳感信息融合與自動化［J］.自動化學(xué)報，2002，28:117-123.

［12］劉懌恒，歐亞軍.基于傳感器信息融合的只能小車壁障設(shè)計［J］.電子世界，2012(6):4-5.

［13］朱明祥，陳照章，徐曉斌，等.基于多傳感器信息融合的恒溫箱測控系統(tǒng)設(shè)計［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2010，29(3):439-433.