基于傳感網(wǎng)絡(luò)和PC＿DSR GA 的泄漏源定位系統(tǒng)

黃曉明， 王忠華

（南昌航空大學(xué)信息工程學(xué)院，南昌330063）

0 引 言

近年來有些高校實驗室發(fā)生的爆炸事故造成了嚴(yán)重后果，其中有些爆炸事故由氣體泄漏引發(fā)［1］。調(diào)查研究［2］表明，現(xiàn)今高校部分實驗室仍存在易燃易爆氣體使用的安全隱患。因此及時發(fā)現(xiàn)實驗室內(nèi)危險氣體泄漏十分重要，而其中能夠及時鎖定氣體泄漏源則能夠?qū)τ行ьA(yù)防和處理事故起到很大的幫助。

本文設(shè)計了基于傳感網(wǎng)絡(luò)和種群保優(yōu)破壞自我修復(fù)（Population conservation damage self-re，PC＿DSR）遺傳算法（Genetic Algorithem，GA）的泄漏源定位系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對泄漏源的濃度檢測和視頻監(jiān)控，并定位泄漏源?，F(xiàn)有的泄漏源定位系統(tǒng)主要存在兩個難點(diǎn)：氣體濃度采集網(wǎng)絡(luò)的及時、準(zhǔn)確以及反算算法的性能和精度。隨著傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)［3］的不斷發(fā)展，國內(nèi)外近幾年來在環(huán)境數(shù)據(jù)采集等方面對傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛［4-5］。文獻(xiàn)［5］中采用傳感器構(gòu)建低成本、近實時、遠(yuǎn)程的水生環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。例如對船廠各種氣體濃度使用傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控［6］。這些系統(tǒng)采用的傳感網(wǎng)絡(luò)仍存在準(zhǔn)確性不高反應(yīng)慢等缺陷，因此設(shè)計了基于CSMA／CD及自適應(yīng)CRC校驗退避的485總線通信協(xié)議，以提高485總線傳感網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

在泄漏源定位算法的研究上，國內(nèi)外學(xué)者也取得了諸多成果［7-10］。文獻(xiàn)［11］中在源強(qiáng)反算中分析討論混合遺傳-模式搜索算法的應(yīng)用；張建文等［12］設(shè)計了混合遺傳-單純形算法并分析其在泄漏源反算中的性能，這些算法都是針對傳統(tǒng)GA早熟收斂的缺陷進(jìn)行改進(jìn)。鑒于此，本文設(shè)計了基于高斯模型和PC-DSR GA，以破壞自修復(fù)機(jī)制抑制GA的早熟收斂，以保優(yōu)策略保證種群最終收斂，實現(xiàn)高效準(zhǔn)確的定位泄漏源。

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

系統(tǒng)硬件電路主要包括傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電路和控制處理平臺電路設(shè)計。系統(tǒng)主要應(yīng)用于易發(fā)生氣體泄漏的實驗室環(huán)境，為保證傳感器采集環(huán)節(jié)的安全和穩(wěn)定，傳感網(wǎng)絡(luò)采用485總線結(jié)構(gòu)。相關(guān)的數(shù)據(jù)處理由ARM9控制處理平臺完成，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1 485總線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計

本文采用485總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)，以獲取室內(nèi)各點(diǎn)氣體濃度信息。各傳感器節(jié)點(diǎn)采用STC15F2K60S2芯片（簡稱STC15單片機(jī)）作為節(jié)點(diǎn)控制器，STC15單片機(jī)采用單時鐘結(jié)構(gòu)設(shè)計，內(nèi)部集成高精度R／C時鐘，速度可達(dá)到普通單片機(jī)的6～12倍，可滿足氣體采集的時間要求。MQ-2型氣體傳感器適用實驗室內(nèi)多種危險氣體濃度測量。使用TTL-RS485模塊與485總線進(jìn)行通信，波特率為115 200 bit／s。節(jié)點(diǎn)電路示意圖如圖2所示。

圖2 節(jié)點(diǎn)控制電路

1.2 控制處理平臺電路設(shè)計

控制處理平臺采用S3C2440為處理器，其主頻可達(dá)到400 MHz。能夠滿足系統(tǒng)相關(guān)運(yùn)算速度。

系統(tǒng)外圍電路如圖3所示，包括了DM9000網(wǎng)絡(luò)芯片構(gòu)成的100 MB以太網(wǎng)接口，用以同后臺管理系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)視頻及數(shù)據(jù)傳輸。攝像頭模塊采用USB接口，使用兩路PWM波控制云臺舵機(jī)做垂直和水平方向轉(zhuǎn)動。

圖3 控制處理平臺電路

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件部分主要包括485總線通信協(xié)議、linux內(nèi)核移植和泄漏源坐標(biāo)反算。通過改進(jìn)的485總線協(xié)議更及時、準(zhǔn)確地采集各標(biāo)記點(diǎn)氣體濃度，根據(jù)濃度差異為定位泄漏源坐標(biāo)提供數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的處理和算法運(yùn)行都工作在linux操作系統(tǒng)上，最終以改進(jìn)GA反算泄漏源。

2.1 基于CSMA／CD及自適應(yīng)CRC校驗退避的485總線通信協(xié)議

現(xiàn)有的485總線通信協(xié)議［13-14］多采用一主多從定時循環(huán)輪召喚策略，對于定時循環(huán)頻率有一定的限制。這種工作方式在一些突發(fā)應(yīng)急處理的控制場合就存在較大的局限性，諸如不能滿足數(shù)據(jù)通信的實時性要求等。本文設(shè)計基于CSMA／CD及自適應(yīng)CRC校驗退避的485總線通信協(xié)議，可實現(xiàn)多主節(jié)點(diǎn)通信，并提高總線通信的效率和傳輸?shù)陌踩浴?/p>

2.1.1 CSMA／CD載波監(jiān)聽多路訪問／沖突檢測

采用CSMA／CD機(jī)制檢測485總線傳輸沖突問題，通過如圖4所示的載波監(jiān)聽電路在數(shù)據(jù)發(fā)送前進(jìn)行信道偵聽，當(dāng)信道無數(shù)據(jù)傳輸即空閑時傳送數(shù)據(jù)，一旦信道忙碌則退避并重新偵聽。

圖4 載波監(jiān)聽電路

載波監(jiān)聽電路連接INT0為處理器的外部中斷0，配置外部中斷定時器，通過INT0偵聽總線上是否有數(shù)據(jù)流傳輸。總線上的數(shù)據(jù)流會反復(fù)觸發(fā)INT0中斷，即移植重裝INT0中斷初值。一旦發(fā)生定時器溢出，可認(rèn)為總線是空閑的。

2.1.2 CRC校驗自適應(yīng)退避

多主機(jī)通信模式下，每個節(jié)點(diǎn)都可以作為主機(jī)，主動發(fā)起通信，并對信道進(jìn)行搶占，沖突很難避免。本文采用兩種定時器機(jī)制來處理總線發(fā)送誤碼和沖突退避問題。

（1）超時校驗定時器機(jī)制。主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)幀到總線，接收從機(jī)使用CRC校驗算法對接收到的CRC碼進(jìn)行校驗，正確發(fā)送確認(rèn)報文。主機(jī)等待從機(jī)回復(fù)確認(rèn)報文的這個等待時間即超時時間。一旦主機(jī)傳輸完數(shù)據(jù)包，系統(tǒng)馬上開啟超時定時器。在超時時間內(nèi)未收到確認(rèn)報文，認(rèn)為發(fā)生沖突，啟動退避機(jī)制。

（2）退避定時器機(jī)制。一旦發(fā)生沖突，主機(jī)釋放總線，開啟退避定時器，距離下次重傳的時間即退避時間。退避時間采用二進(jìn)制退避算法計算：

式中：T為下次重傳時間；Rand（）為隨機(jī)數(shù)；Count＿Conflict為退避次數(shù)；TwoPowerK為退避次數(shù)的二元指數(shù)；Period為單位時間。

2.2 LINUX內(nèi)核移植

選擇LINUX操作系統(tǒng)結(jié)合人工智能控制方法來處理系統(tǒng)相關(guān)的信息融合、泄漏源定位、視頻流傳輸?shù)?。LINUX作為一種開源操作系統(tǒng)內(nèi)核，具有可裁剪、容易移植等特點(diǎn)，能夠根據(jù)功能需要裁剪內(nèi)核并很方便地移植到各種控制器上。本文選擇在S3C2440上移植LINUX系統(tǒng)，包括對BootLoader、內(nèi)核和根文件的移植，內(nèi)核版本為linux-2．6．32．2，交叉編譯工具為arm-linux-gcc-4．4．3。系統(tǒng)應(yīng)用程序采用Linux多線程結(jié)構(gòu)，如圖5所示，分別包括了通信、視頻采集、網(wǎng)絡(luò)傳輸和調(diào)用算法等線程。

2.3 泄漏源定位

圖5 LINUX多線程結(jié)構(gòu)圖

將2．1節(jié)傳感網(wǎng)絡(luò)觀測得到的標(biāo)記點(diǎn)濃度值結(jié)合各傳感器標(biāo)記點(diǎn)坐標(biāo)（xi，yi）與擴(kuò)散模型得到的濃度值進(jìn)行比較并建立泄漏源反算算法模型，反算得到泄漏源坐標(biāo)。

（1）以圖像特征識別構(gòu)建攝像頭坐標(biāo)系。使用云臺攝像頭構(gòu)建室內(nèi)攝像頭坐標(biāo)系，確定各傳感器標(biāo)記點(diǎn)的平面坐標(biāo)（xi，yi）。通過對云臺攝像頭獲取的視頻流進(jìn)行圖像特征提取，識別圖像中的節(jié)點(diǎn)特征［15］，根據(jù)公式計算各特征點(diǎn)到攝像頭距離，并以此構(gòu)建攝像頭坐標(biāo)系。具體步驟如下：

步驟1 迭代法二值化圖像，將圖像灰度化并比較各像素值求出圖像的最大灰度值Rmax和最小灰度值Rmin，由式（2）求得閾值T。根據(jù)閾值T將圖像分成兩組，求各組的平均灰度值μ1，μ2。按式（3）得到新閾值Tnew，使用新閾值進(jìn)行二值化圖像：

步驟2 將二值化后圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)膨脹，如式（4）所示，X為二值化后圖像，S為膨脹結(jié)構(gòu)元素

步驟3 八鄰域標(biāo)記，使用8連通模板進(jìn)行像素標(biāo)記，利用深度優(yōu)先搜索消除等價對實現(xiàn)8連通區(qū)域標(biāo)記。

步驟4 根據(jù)二值圖像標(biāo)記情況識別各標(biāo)記區(qū)域形狀，找到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)特征。

步驟5 坐標(biāo)系構(gòu)建，云臺攝像頭（見圖6）可進(jìn)行水平和垂直方向轉(zhuǎn)動，其垂直轉(zhuǎn)動角度α和水平轉(zhuǎn)動角度β可由兩個舵機(jī)轉(zhuǎn)動角度通過相關(guān)公式計算得到，如圖7所示。攝像頭高度h通過校準(zhǔn)攝像頭參數(shù)并使用固定點(diǎn)坐標(biāo)求得。根據(jù)上述圖像特征提取，識別圖像中的節(jié)點(diǎn)特征，轉(zhuǎn)動云臺攝像頭分別使各節(jié)點(diǎn)位于攝像頭圖像的中心，獲取此時的角度αi、βi，通過下式轉(zhuǎn)換得到各節(jié)點(diǎn)位于攝像頭坐標(biāo)系下的（xi，yi）：

圖6 云臺攝像頭

圖7 攝像頭坐標(biāo)系

（2）氣體擴(kuò)散模型。分析氣體泄漏擴(kuò)散的煙團(tuán)模型包括靜態(tài)模型和動態(tài)模型，因為本系統(tǒng)工作場所為實驗室內(nèi)，氣體泄漏以靜態(tài)擴(kuò)散為主。通過對常用靜態(tài)模型［16］：高斯煙團(tuán)模型、BM 模型、Suttion Model以及氣體湍流擴(kuò)散模型進(jìn)行對比分析，選擇其中的高斯煙團(tuán)模型來描述本系統(tǒng)中泄漏源氣體擴(kuò)散分布過程。泄漏氣體在經(jīng)過一定時間擴(kuò)散后，泄漏點(diǎn)附近的氣體濃度趨于穩(wěn)定近似符合高斯分布，其三維空間的擴(kuò)散模型為：

式中：z0為泄漏源相對高度0；（x0，y0）為泄漏源坐標(biāo)；u為風(fēng)速因子；C0為氣體泄漏常量；（Dy，Dz）為氣體擴(kuò)散因數(shù)。大氣穩(wěn)定度取F級，即：

由式（6）、（7）可以得到各傳感器節(jié)點(diǎn)位置處的泄漏氣體濃度模型，由擴(kuò)散模型得到第i個標(biāo)記點(diǎn)位置處模型濃度值為，該點(diǎn)實際測量值為，計算測量濃度值與模型濃度值的誤差平方和，即：

通過求解式（8）即可得到泄漏源坐標(biāo)（x0，y0），這是典型的最優(yōu)化問題，采用PC-DSR GA進(jìn)行優(yōu)化，以目標(biāo)函數(shù)f作為適應(yīng)度函數(shù)，以GA中種群的交叉進(jìn)化得到最優(yōu)值。

（3）種群保優(yōu)破壞自修復(fù)遺傳算法。GA通過對估計初始值的迭代優(yōu)化得到全局最優(yōu)解，傳統(tǒng)GA往往容易陷入局部收斂，是由進(jìn)化過程中種群多樣性的缺失導(dǎo)致的。本文采用的PC＿DSR針對種群局部收斂，引入破壞修復(fù)機(jī)制來擾動，同時為保證最終的種群收斂，采取保優(yōu)策略。通過建立一個以未知泄漏源位置為參數(shù)的優(yōu)化模型，使用PC＿DSR GA來對定位優(yōu)化模型求解參數(shù)，最終獲取全局最優(yōu)解即泄漏源坐標(biāo)。PC＿DSR GA的主要流程如下：

步驟1 設(shè)定種群大小M，隨機(jī)產(chǎn)生初始群體Pop。根據(jù)式（6）計算初始群體每個染色體的適應(yīng)度值F（i）。

步驟2 根據(jù)群體內(nèi)染色體的適應(yīng)度值大小，以比例選擇算法從種群Pop中選擇若干染色體。將被選中的所有染色體隨機(jī)配對，按Pc進(jìn)行交叉操作從而產(chǎn)生新的群體。

步驟3 經(jīng)過選擇交叉后產(chǎn)生的種群中的每個染色體按照變異概率Pm進(jìn)行變異，產(chǎn)生下一代新群體Pnew。

步驟4 判斷新產(chǎn)生的群體Pnew的染色體多樣性δ，當(dāng)其在終止代數(shù)內(nèi)多樣性不足時，引入破壞修復(fù)機(jī)制，即使用新染色體取代部分原有染色體，改善種群多樣性。同時以種群保優(yōu)策略保留每代中最優(yōu)染色體。

步驟5 重復(fù)上述操作，經(jīng)過終止代數(shù)N代選擇、交叉、變異和破壞修復(fù)后產(chǎn)生最終收斂解即所需要的泄漏源反算坐標(biāo)。

泄漏源坐標(biāo)反算應(yīng)用場景特殊，對時間有嚴(yán)格要求，算法的時間復(fù)雜度很重要。通過對GA進(jìn)行性能分析，其時間復(fù)雜度計算如下：

式中：N 為運(yùn)算代數(shù)；M 為種群大小；Tsel，Tcro，Tmu，Tdam分別為選擇、交叉、變異和破壞修復(fù)階段的時間復(fù)雜度，均為O（M）。

3 測試及結(jié)果

搭建模擬實驗室測試平臺，如圖8所示，測試平臺以丙烷發(fā)生器作為泄漏氣體，通過透明導(dǎo)管模擬氣體在不同位置的泄漏，在室內(nèi)布置一定數(shù)目的MQ-2氣體探測器。

圖8 模擬測試平臺

通過模擬測試平臺模擬室內(nèi)氣體泄漏，測試本系統(tǒng)的可靠性、應(yīng)急響應(yīng)能力和對泄漏點(diǎn)的定位精度。測試內(nèi)容包括485總線網(wǎng)絡(luò)的可靠性試驗、泄漏源定位精度測試。

3.1 485總線網(wǎng)絡(luò)的可靠性試驗

本系統(tǒng)中485總線網(wǎng)絡(luò)作為室內(nèi)氣體環(huán)境濃度采集媒介，其網(wǎng)絡(luò)的可靠性對于氣體泄漏的及時發(fā)現(xiàn)和處理至關(guān)重要。

3.1.1 傳感網(wǎng)絡(luò)可靠性評價指標(biāo)

（1）網(wǎng)絡(luò)傳輸丟包率（PLR）

PLR是衡量傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一，在一個總線傳感網(wǎng)絡(luò)內(nèi)如果PLR＜0．5%則表明此網(wǎng)絡(luò)傳輸性能良好［17］。本系統(tǒng)使用的485總線通信協(xié)議采用傳輸CRC校驗和誤碼重傳機(jī)制來處理傳輸過程的丟包現(xiàn)象，即用誤碼重傳率（ER）代替PLR。

（2）數(shù)據(jù)包傳輸時間花銷（TTC）

式中：Tbus為數(shù)據(jù)包在總線上傳輸時間；Tcrc為數(shù)據(jù)包校驗時間；Tre為校驗錯誤重傳時間。數(shù)據(jù)包傳輸時間花銷（TTC）是指傳感網(wǎng)絡(luò)完成傳輸一定數(shù)據(jù)包所花費(fèi)時間。

3.1.2 傳感網(wǎng)絡(luò)性能測試

在相同環(huán)境下分別測量系統(tǒng)在固定波特率不同節(jié)點(diǎn)數(shù)目下通信誤碼重傳率。將485總線波特率設(shè)置為115 200，改變網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目，讓總線網(wǎng)絡(luò)下各節(jié)點(diǎn)連續(xù)發(fā)送1 000組數(shù)據(jù)包，測得各節(jié)點(diǎn)數(shù)目下誤碼重傳率，見表1。

表1 不同節(jié)點(diǎn)數(shù)目下的傳輸誤碼重傳率

由表1的測試結(jié)果，結(jié)合總線傳感網(wǎng)絡(luò)在不同節(jié)點(diǎn)數(shù)目下誤碼重傳率可知，總線傳感網(wǎng)絡(luò)隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加，誤碼重傳率在上升，但即使是80個節(jié)點(diǎn)數(shù)目下誤碼重傳率也并不高，只有0．19%低于0．5%的危險值。由此表明各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)在總線上傳輸能順利到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)總體通信穩(wěn)定。

為測試系統(tǒng)總線網(wǎng)絡(luò)傳輸時間花銷，在不同波特率下各節(jié)點(diǎn)傳輸固定大小數(shù)據(jù)包，將總線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)個數(shù)選擇為50個，各節(jié)點(diǎn)分別傳輸1 000組數(shù)據(jù)包，測量了系統(tǒng)在不同波特率下傳輸時間花銷，結(jié)果見表2。為保證傳感網(wǎng)絡(luò)對氣體泄漏的響應(yīng)速度，能夠及時地采集足夠氣體濃度數(shù)據(jù)，傳感網(wǎng)絡(luò)的波特率選擇115 200。

3.2 泄漏源定位精度比較分析

為體現(xiàn)改進(jìn)GA在泄漏源坐標(biāo)反算中的普適性，對不同泄漏位置分別采用本文設(shè)計的EP＿DSR GA和傳統(tǒng)GA進(jìn)行分析。同時為體現(xiàn)對比性，將本文算法同已被其他學(xué)者驗證可行的混合遺傳-NelderMead（GA＿NM）算法進(jìn)行比較。固定PC＿DSR GA、GA和GA＿NM 3種算法的種群大小N，在如第3節(jié)搭建的模擬泄漏環(huán)境下設(shè)置泄漏點(diǎn)坐標(biāo)（x0，y0）為（5．00 m，5．00 m），泄漏源強(qiáng)度C0為100 g／s，對3種算法進(jìn)行獨(dú)立運(yùn)行10次反算泄漏點(diǎn)坐標(biāo)。使用

表2 不同波特率下傳輸時間花銷

計算泄漏源平均反算坐標(biāo)與實際泄漏源坐標(biāo)之間的標(biāo)準(zhǔn)差δi和相對誤差εi，結(jié)果見表3。

表3 PC＿DSR GA與GA、GA＿NM泄漏源坐標(biāo)反算結(jié)果對比

由表3可見，GA算法隨著種群大小的增加，其泄漏點(diǎn)反算坐標(biāo)的X、Y標(biāo)準(zhǔn)差和相對誤差隨之減少，即便是種群N＝150下10次運(yùn)行的平均反算坐標(biāo)依然有較大的偏差，表明傳統(tǒng)GA算法在泄漏源反算問題的不可靠性。對比本文設(shè)計的PC＿DSR GA與GA＿NM，分析可知：

（1）種群大小適應(yīng)性。在不同種群大小下，PC＿DSR GA泄漏源反算坐標(biāo)的X、Y標(biāo)準(zhǔn)差和相對誤差變化不大，分別保持在0．15和4%左右，而GA＿NM隨著種群大小的增加誤差從13%減少到6%。表明GA＿NM對于種群大小要求高，而PC＿DSR GA則能較好地適應(yīng)不同種群大小，具有更好的應(yīng)用價值。

（2）反算精度。在種群大小N＝100時，GA＿NM算法的X、Y標(biāo)準(zhǔn)差和相對誤差分別為0．47和13．2%，而PC＿DSR GA定位精度更高為0．14和4%。PC＿DSR GA能夠更準(zhǔn)確的定位泄漏源。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種可用于實驗室內(nèi)危險氣體泄漏源坐標(biāo)定位系統(tǒng)，搭建485總線氣體傳感網(wǎng)絡(luò)，通過重新設(shè)計的總線通信協(xié)議提高了總線通信的可靠性，及時獲取了室內(nèi)各點(diǎn)氣體濃度。云臺攝像頭通過圖像處理技術(shù)識別特征物，為攝像頭坐標(biāo)系和泄漏點(diǎn)的跟隨監(jiān)控提供信息。針對傳統(tǒng)GA在迭代過程中易陷入局部收斂的不足，本文提出了PC＿DSR GA并將其應(yīng)用在本系統(tǒng)的危險氣體泄漏源坐標(biāo)反算中，實驗表明，其泄漏源反算坐標(biāo)精度滿足實際要求。