基于離群模糊核聚類算法的PID毒氣檢測系統(tǒng)設(shè)計

(1.昆明工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，昆明 650302； 2.昆明理工大學(xué)，昆明 650000)

0 引言

毒氣污染對人們的身體健康會造成嚴(yán)重的、不可修復(fù)的損傷，某些毒性劇烈的氣體只要微量就能夠致人死亡[1-2]。造成毒氣污染的主要原因除了特種企業(yè)的毒氣泄露事故之外，以化工企業(yè)、冶金企業(yè)、電力企業(yè)為代表的超標(biāo)排放，室內(nèi)裝修材料不合格，醛、苯元素超標(biāo)而造成的裝修污染，大量汽車尾氣集中排放而導(dǎo)致的大氣污染，都具有十分嚴(yán)重的危害性[3-5]。鑒于大氣污染特別是毒氣污染的危害性，對狹小空間環(huán)境下的微量毒氣檢測十分必要，對于有毒有害氣體的檢測與防治也受到了政府、企業(yè)和居民的多方重視。當(dāng)前科研領(lǐng)域?qū)τ诙練鈾z測系統(tǒng)的研究較多，例如基于化學(xué)試劑檢測方法而設(shè)計的應(yīng)系統(tǒng)用范圍最廣、成本最低，但該類系統(tǒng)僅憑借氣體傳感裝置進行毒氣檢測，準(zhǔn)確率低、實時性差；近年來隨著激光技術(shù)的發(fā)展[6-7]，基于光學(xué)原理的毒氣檢測系統(tǒng)逐漸興起[8-9]，但光學(xué)系統(tǒng)對于檢測環(huán)境的要求較高，檢測操作十分復(fù)雜、耗時較長，對于個別種類的毒氣識別率較低。針對微量毒氣源特征模糊的特點，本文采用離群模糊核聚類算法研究了毒氣產(chǎn)生及擴散時的基本運動特征，并基于此設(shè)計了一種PID毒氣檢測系統(tǒng)，針對不同種類微量毒氣的多樣性特點，提高了系統(tǒng)的檢測適用性。

1 PID毒氣檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 硬件的總體框架設(shè)計

PID毒氣檢測系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，從總體上說需要按照離群模糊核聚類算法要求進行設(shè)計，在硬件模塊上增加了特征聚類分析模塊。檢測系統(tǒng)的核心模塊配置了一個高性能的STM32F2X型MCU，該芯片具有高性能、低功耗的特點，同時能夠兼容主流的主控板，檢測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 硬件檢測系統(tǒng)的總體架構(gòu)

采集測量模塊是一種氣體傳感裝置，能夠檢測出封閉環(huán)境下有毒氣體的種類和含量，為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定和檢測效率，可以按照檢測空間的大小均勻布置采集模塊的數(shù)量，采集檢測模塊的有效檢測半徑為10 m。采集檢測模塊的與基于離群模糊核聚類算法設(shè)計的分析檢測模塊相連，連接方法可以采用有線來接的方式或無線傳輸?shù)哪K，無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪Ｊ礁m用于較大的空間，但在檢測精度方面略差于有限連接的方式。內(nèi)置STM32F2X型MCU的主控板是毒氣檢測系統(tǒng)的核心模塊，具有毒氣量和毒氣危害程度的分析與鑒定功能，主控板由于電源管理模塊供電，并具有檢測氣體數(shù)據(jù)輸入輸出功能和顯示功能。

1.2 MCU控制電路設(shè)計

MCU處理器模塊是毒氣檢測系統(tǒng)設(shè)計的主要功能模塊，采集測量模塊得到的環(huán)境數(shù)據(jù)經(jīng)毒氣分析模塊處理后都最終傳遞到MCU處理器模塊，進行進一步分析和處理。MCU芯片的毒氣數(shù)據(jù)處理性能和接口的兼容性至關(guān)重要，本文選用意法半導(dǎo)體最新的STM32F2X型MUC芯片，該芯片的輸入、輸出引腳的數(shù)量適中、性能強勁，由于采用了14 nm的先進工藝制程，功耗相對于其他MCU具有明顯的優(yōu)勢。由于毒氣檢測系統(tǒng)屬于小型的檢測系統(tǒng)，因此系統(tǒng)電壓不易過高電壓浮動范圍在[1.5,3.6]之間，系統(tǒng)的內(nèi)存還要求能夠進行外部擴展，STM32F2X型MCU芯片的相關(guān)參數(shù)設(shè)定，如表1所示。

表1 主控芯片參數(shù)

STM32F2X型MCU主控芯片基于ARM的嵌入式架構(gòu)，ARM的M3內(nèi)核自帶自帶始終控制系統(tǒng)、復(fù)位控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸中斷控制器，系統(tǒng)物理中斷的優(yōu)先級達到最高的8級，M3內(nèi)核還具有自動啟停和嵌套中斷功能，提高了毒氣數(shù)據(jù)分析和處理的靈活性和準(zhǔn)確性，STM32F2X型MCU主控芯片的內(nèi)核結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 MCU主控芯片的內(nèi)核結(jié)構(gòu)

MCU主控芯片的內(nèi)部運行也通過內(nèi)部時鐘結(jié)構(gòu)來控制，時鐘電路震蕩器在MCU內(nèi)部產(chǎn)生高頻波，而對高頻波的分解和傅里葉變化過程就是數(shù)據(jù)信號的處理過程。芯片中的復(fù)位電路能夠?qū)⒎纸獾母哳l波復(fù)位，復(fù)位的過程可以由系統(tǒng)自動操作，也可以由系統(tǒng)管理員手動操作，STM32F2X型MCU主控芯片內(nèi)置的始終電路和復(fù)位電路如圖3所示。

圖3 主控芯片的時鐘電路和復(fù)位電路

始終電路配備3個阻值為3.5 Ω、10 Ω和5 Ω的電阻器，而復(fù)位電路除了配備一個阻值為5歐姆的電阻器之外，還具有一件重啟的功能，可以是系統(tǒng)恢復(fù)到初始狀態(tài)。編纂好的軟件程序需要復(fù)制或刻錄在MUC芯片中毒氣檢測系統(tǒng)才能夠運行，內(nèi)部結(jié)構(gòu)及芯片的外部接口都采用SWD型通用接口。

1.3 毒氣檢測系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

除主控MCU模塊之外，毒氣檢測系統(tǒng)的功能模塊還包括多個毒氣濃度、類別采集與測量模塊、毒氣分析模塊、電源管理模塊、I/O模塊和顯示模塊。其中毒氣分析模塊內(nèi)置了離群模糊核聚類算法程序，這套算法程序是系統(tǒng)功能的主要實現(xiàn)程序。采集與測量模塊由于數(shù)量較多且壽命較短，在設(shè)計過程中注重性能與成本的均衡，模塊的數(shù)量隨檢測空間的增加而增加；I/O模塊與顯示模塊選擇兼容性較好的硬件部分，其中顯示器的尺寸需要在9.0寸以上，顯示分辨率需要達到2 960*1 440即2K的像素顯示，使檢測員在觀測中不丟失顯示的細節(jié)。

數(shù)據(jù)存儲模塊也是毒氣檢測系統(tǒng)的關(guān)鍵功能模塊之一，本文選擇的數(shù)據(jù)存儲模塊的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)存為10 T，由于存儲數(shù)據(jù)有部分圖像和視頻文件，在存儲模塊的設(shè)計中還考慮了擴展存儲的問題，配備了豐富的拓展內(nèi)存接口，可以兼容USB接口、TF接口及其他種類的FLASH接口。如果毒氣檢測裝置考慮在室外使用，檢測范圍較大系統(tǒng)還提供了無線傳輸模塊供選擇，無線模塊可以選擇安裝在采集測量模塊和基于離群模糊核聚類算法的氣體數(shù)據(jù)分析模塊內(nèi)部。該無線模塊還通過內(nèi)部USB串行通信接口的方式與MCU模塊連接，更易提高系統(tǒng)的檢測效率。

2 基于離群模糊核聚類算法的毒氣檢測系統(tǒng)流程設(shè)計

毒氣檢測系統(tǒng)采用了模塊化主程序設(shè)計，系統(tǒng)啟動之初先將MCU模塊和離群模糊核聚類分析模塊的原始參數(shù)清零，重新設(shè)定與測試環(huán)境相匹配的參數(shù)體系。主動芯片發(fā)出指令后，系統(tǒng)進入初始化狀態(tài)，檢測各項指標(biāo)是否正常。PID毒氣檢測系統(tǒng)沒檢測一次后將全部檢測數(shù)據(jù)加入系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，如果毒氣采集模塊能夠采集到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫存有的毒氣原始資料是，檢測過程可以在幾秒內(nèi)完成。系統(tǒng)初始化后進入工作狀態(tài)，毒氣采集模塊分別將毒氣的濃度信息，類別信息傳遞到離群模糊核聚類分析模塊，該模塊調(diào)整端口電壓值及電流、電平數(shù)據(jù)記性A/D轉(zhuǎn)換，變化成MCU模塊能夠讀取和分析的數(shù)字信息。將模塊采集到的毒氣原始數(shù)據(jù)視為一個在有限模式空間Rn內(nèi)的數(shù)據(jù)集X：

X={x1,x2,......,xn}

(1)

其中任一個有效數(shù)據(jù)xi都是一個能夠被量化的模式向量，如果m個n為數(shù)據(jù)將集合X表示成一個m×n維矩陣，那么模糊核聚類方法的意義在于能夠按照有效數(shù)據(jù)xi之間的特點重新將這些數(shù)據(jù)分成k個模糊類，并獲得一個準(zhǔn)確度最高的毒氣數(shù)據(jù)模糊矩陣Y，Y內(nèi)的全部元素滿足條件yik∈[0,1]，yik表示有效矢量xi的第k類模糊隸屬度，如果設(shè)集合Z={z1,z2,......,zt}是數(shù)據(jù)核聚類模式的原型，那么核聚類算法的最小代價目標(biāo)函數(shù)ζ(Y,Z)可以表示為：

(2)

其中，τik=‖xi-zi‖表示任一數(shù)據(jù)點到聚類中心的距離。本文提出的基于離群模糊核聚類算法的控制程序軟件，利用Rn空間范圍內(nèi)的非線性函數(shù)f(xi)對全部樣本投影并得到一組空間向量集f(x1)，f(x2)，......，f(xk)，此時不同空間內(nèi)的有效數(shù)據(jù)即空間特征向量xi和xj之間的內(nèi)積，可以用核聚類的模式表現(xiàn)出來：

G(xi,xj)=f(xi)×f(xj)

(3)

按照核方法的總體思想用非線性映射拓展到高維的特征空間，能夠?qū)崿F(xiàn)對特征矢量的進一步分類，優(yōu)化后的最小目標(biāo)函數(shù)ζ′(Y,Z)可以表示為：

(4)

式中，ω為有效特征矢量之間的權(quán)重比例，這時毒氣檢測系統(tǒng)的模糊隸屬度yik，可以表示為：

(5)

毒氣檢測中有效數(shù)據(jù)模糊隸屬度的確定，能夠為最終毒氣類別、濃度、危害程度等指標(biāo)的確定提供最直接的證據(jù)。本文設(shè)計的基于離群模糊核聚類算法的PID毒氣檢測的主控程序，如圖4所示。

圖4 PID毒氣檢測系統(tǒng)主控程序

基于離群模糊核聚類算法主控程序可以按照功能模塊分解為若干了子程序，當(dāng)系統(tǒng)進入工作狀態(tài)以后，由采集測量模塊提取的毒氣樣本經(jīng)預(yù)處理后進入模糊聚類分析模塊，由于不同溫度條件下的毒氣特征明顯不同，毒氣采集與測量模塊除了采集不同種類毒氣的特征外，還需要采集到毒氣現(xiàn)場的溫度變化情況，供數(shù)據(jù)綜合處理時使用。在毒氣采集的子程序中，也需要先將毒氣采集子程序中的各類參數(shù)初始化、函數(shù)復(fù)位、檢測復(fù)位信號與返回信號的靈敏度。子系統(tǒng)初始化后將毒氣和溫度的數(shù)值以二進制補碼的形式保存在模塊內(nèi)，并及時傳遞給毒氣聚類分析模塊和MCU主控芯片。數(shù)據(jù)采集模塊針對不同的毒氣種類輸出不同的電壓和電平，系統(tǒng)對采樣毒氣模糊聚類分析處理后將采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)上傳到MCU模塊。MCU主控芯片的嵌入式結(jié)構(gòu)中內(nèi)置了數(shù)據(jù)庫功能，該部分功能通過FATFS程序完成，毒氣數(shù)據(jù)信息存儲子程序不僅能夠驅(qū)動內(nèi)置的數(shù)據(jù)存儲單元，還能夠通過STDIN外置驅(qū)動程序，驅(qū)動外接的USB、SD等數(shù)據(jù)存儲設(shè)備，在讀寫外接的數(shù)據(jù)存儲程序前需要先將這些設(shè)備格式化處理和數(shù)據(jù)的A/D轉(zhuǎn)換，以便于數(shù)據(jù)能夠更好第保存。

對毒氣的類別、濃度信息、危害程度等信息匯總處理后，經(jīng)OLED顯示屏輸出，OLED材質(zhì)的顯示模塊柔性更好，壽命更長，而且在顯示圖形圖像數(shù)據(jù)時的清晰度更高。顯示模塊的子程序也需要進行初始化處理，清除原有數(shù)據(jù)，顯示模塊具有較強的數(shù)據(jù)操作功能，系統(tǒng)管理員通過程序輸入，可以調(diào)用自己所需要的數(shù)據(jù)顯示結(jié)果。顯示模塊還能夠進行FSMC的時鐘操作功能及AFIO程序的復(fù)位功能，實現(xiàn)想系統(tǒng)這些更高級的編程功能，大都通過專用的數(shù)據(jù)檢測函數(shù)程序?qū)崿F(xiàn)，操作人員可以根據(jù)需求輸入main函數(shù)，調(diào)取所需要的關(guān)鍵毒氣檢測數(shù)據(jù)。毒氣檢測系統(tǒng)的顯示模塊子程序自帶閾值控制報警裝置，如果輸出的毒氣指標(biāo)值數(shù)據(jù)超過了安全范圍，提供設(shè)備的使用者采取措施，控制毒氣源所產(chǎn)生的危害。顯示模塊根據(jù)使用者的要求，可以加裝遠程報警系統(tǒng)裝置，通過無線傳輸網(wǎng)絡(luò)向遠程的使用者做出提示。針對毒氣的危害性，本文設(shè)計了一種基于離群模糊核聚類算法的PID毒氣檢測系統(tǒng)，在檢測系統(tǒng)模塊設(shè)計及控制程序的設(shè)計方面，引入了離群模糊核聚類的思想提高采樣毒氣數(shù)據(jù)的聚類能力。在硬件模塊設(shè)計上了專門的毒氣源檢測模塊，以提高對毒氣類別和濃度信息的識別能力；在軟件算法流程方面，發(fā)揮了離群模糊核聚類算法在數(shù)據(jù)分類中的優(yōu)勢，提高毒氣源檢測的實際檢測效果。

3 實驗結(jié)果及過程分析

3.1 毒氣檢測系統(tǒng)主要參數(shù)測試

系統(tǒng)進入工作狀態(tài)前，需要對毒氣檢測系統(tǒng)的各個硬件模塊及運行主程序、子程序的功能性進行全面測試。檢測的主要項目包括毒氣采集模塊的傳感器工作狀態(tài)、毒氣分析模塊工作狀態(tài)、MCU及電源管理模塊的工作狀態(tài)。檢測低頻信號的發(fā)生裝置、高頻信號的輸出裝置、壓控恒流電源、毒氣數(shù)據(jù)輸入、及信號輸出的疊加電路，最后還需要檢測電壓的數(shù)字模擬信號的轉(zhuǎn)換情況，與OLED顯示模塊是否正常。分別試運行系統(tǒng)的主控程序與各模塊的子程序，系統(tǒng)采集模塊傳感器的工作頻率，及調(diào)制信號的檢測參數(shù)值，如表2所示。

表2 某典試產(chǎn)品測試數(shù)據(jù)

經(jīng)檢測系統(tǒng)的主要測量值與工作狀態(tài)的最優(yōu)參數(shù)值一致，可以實施毒氣檢測實驗。

3.2 毒氣類別檢測

為驗證毒氣檢測系統(tǒng)的綜合性能，本文分別選擇了五種天然毒氣和五種化學(xué)毒氣，檢測的毒氣濃度為0.1 mg/m3，選定的10種樣本毒氣源，如表3所示。

表3 毒氣測試樣本

在密閉的室內(nèi)空間內(nèi)，同時注入微量上述10種毒氣，檢測系統(tǒng)能否在10 s時間內(nèi)檢測出毒氣，并識別出具體的毒氣列表，首先用本文設(shè)計的PID毒氣檢測裝置進行實驗，實驗檢測結(jié)果如圖5所示。

圖5 本文檢測系統(tǒng)的毒氣類別實驗檢測結(jié)果

本文系統(tǒng)在6次檢測實驗中全部識別檢測出了微量的化學(xué)毒氣，僅在第5次檢驗實驗中未識別出天然毒氣NO。再使用傳統(tǒng)基于光學(xué)原理毒氣檢測系統(tǒng)進行檢測實驗，檢測分析結(jié)果，如圖6所示。

圖6 傳統(tǒng)基于光學(xué)原理的毒氣類別檢測結(jié)果

從圖6的毒氣檢測結(jié)果分布系統(tǒng)可以分析出，傳統(tǒng)毒氣檢測系統(tǒng)對于化學(xué)毒氣的銘感程度更低，尤其是對于劇毒物質(zhì)HCN和COCl2的檢測效果更差，總體檢測效果無法滿足需求。

3.3 毒氣濃度檢測

分別在普通空氣背景下和CO2背景下，檢測毒氣的濃度，實驗毒氣源為C4H8Cl2S，檢測的結(jié)果分別如表4和表5所示。

表4 空氣背景下毒氣源檢測結(jié)果

表5 CO2背景下毒氣源檢測結(jié)果

從兩種氣體背景下對毒氣源為C4H8Cl2S的濃度檢測結(jié)果可知，本文檢測系統(tǒng)的檢測結(jié)果更接近于真實值，而且穩(wěn)定性更好，平均檢測誤差率可以控制在1.51%和1.98%。綜上分析，提出的基于離群模糊核聚類算法的PID毒氣檢測系統(tǒng)的檢測效果更優(yōu)，精度更高。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種小型的PID毒氣檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)的最大特點是能夠適用于多種天然毒氣和化學(xué)毒氣的同時混合檢測。為提高毒氣檢測精度文中系統(tǒng)應(yīng)用了離群模糊核聚類算法，并在系統(tǒng)中增加了毒氣檢測分析模塊，以改善對毒氣數(shù)據(jù)的分類處理能力。本文系統(tǒng)在設(shè)計之初就考慮到了操作的易用性和人際交互性能，如可以利用基于觸屏的數(shù)據(jù)顯示模塊，增添或修改系統(tǒng)的主程序和各個模塊的子程序。

當(dāng)前人機交互和人工智能領(lǐng)域已經(jīng)成為計算機學(xué)科的研究重點，隨著環(huán)境污染情況的加劇，毒氣檢測重要性不斷提升，毒氣檢測系統(tǒng)設(shè)計也朝著小型化、智能化的方向發(fā)展。為滿足系統(tǒng)檢測和人機交互性能的需要，在未來毒氣檢測的系統(tǒng)功能還將會進一步增強，并且會應(yīng)用到更為廣闊的領(lǐng)域。