基于Android的多傳感器信息融合技術(shù)在氣溶膠自動(dòng)化檢測中的應(yīng)用

引言

氣溶膠的檢測方法和儀器很多，不同方法及儀器的適應(yīng)范圍不同，各種檢測儀器間的信息存在互補(bǔ)性[16].不同儀器采用的協(xié)議類型和接口方式不同，給使用和實(shí)時(shí)檢測帶來很大不便。氣溶膠涵蓋的物質(zhì)種類繁多，成分復(fù)雜，單一儀器往往只能采集一個(gè)或幾個(gè)參數(shù)。傳統(tǒng)方案在多參數(shù)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)中的應(yīng)用加劇了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，降低了系統(tǒng)的適應(yīng)性及便捷操作性。

測量氣溶膠的空氣動(dòng)力學(xué)粒譜儀、積分濁度儀、掃描遷移率粒譜儀、黑碳儀和QTrak Plus室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測器能夠準(zhǔn)確測量不同性質(zhì)的氣溶膠參數(shù)，但是各種傳感器的測量結(jié)果常常出現(xiàn)不一致的情況，因此需要對測量結(jié)果進(jìn)行綜合對比分析。氣溶膠的幾種測量儀器的結(jié)果互為補(bǔ)充，通過對比和綜合分析，可以得到氣溶膠的綜合性質(zhì)，對大氣激光傳輸、輻射傳輸計(jì)算等方面有重要的意義。本文提出的多傳感器信息融合方法，將多種儀器采用統(tǒng)一接口方式進(jìn)行組網(wǎng)，每種儀器獨(dú)立采集數(shù)據(jù)互不影響，通過Android平臺(tái)處理終端對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合、分析和評價(jià)，對觀測、分析和融合大氣氣溶膠數(shù)據(jù)具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

1 多傳感器信息融合系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)中主要使用5種傳感器測量儀器對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)和分析：

① APS3321型空氣動(dòng)力學(xué)粒徑譜儀是高性能、多用途的新一代粒子測量儀器，主要用來測量空氣動(dòng)力學(xué)粒徑（0.5~20 μm）和光散射強(qiáng)度（0.37~20 μm）[2].

② IN3550型積分濁度計(jì)主要用來進(jìn)行長期的可視距離監(jiān)控和地面及空中空氣質(zhì)量的研究，它能夠連續(xù)不斷地檢測空中粒子光散射系數(shù)[3].

③ SMPS3936型掃描電遷移率顆粒物粒徑譜儀主要用來測量空氣中直徑在0.01~1 μm范圍內(nèi)的顆粒物粒徑[4].

④ QT8554型室內(nèi)空氣品質(zhì)監(jiān)測器主要用來測量二氧化碳和一氧化碳的濃度、溫度、相對濕度、風(fēng)速、新風(fēng)量、估計(jì)露點(diǎn)、濕球溫度和室外空氣百分比等[5].

⑤ AE31型黑碳儀可以同時(shí)測量370 nm、470 nm、520 nm、590 nm、660 nm、880 nm和950 nm的黑碳?xì)馊苣z質(zhì)量濃度，提供比較全面的黑碳?xì)馊苣z光學(xué)吸收性質(zhì)數(shù)據(jù)信息[6].

5種測量儀器均支持RS232的接口通信標(biāo)準(zhǔn)，分別通過RS232連接藍(lán)牙模塊，ARM 端信息融合應(yīng)用系統(tǒng)通過藍(lán)牙接收并存儲(chǔ)這5種儀器采集的數(shù)據(jù)。在一個(gè)藍(lán)牙微微網(wǎng)中主節(jié)點(diǎn)最多可以有7個(gè)從節(jié)點(diǎn)，并且允許多至256個(gè)從節(jié)點(diǎn)與主節(jié)點(diǎn)保持在休眠狀態(tài)。藍(lán)牙的發(fā)射距離一般為10 m,通過增大發(fā)射功率可達(dá)100 m.組網(wǎng)方案中采用藍(lán)牙進(jìn)行組網(wǎng)，完全可以滿足短距離無線通信的需要。結(jié)合實(shí)際情況，整個(gè)系統(tǒng)的組網(wǎng)方案設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 多傳感器信息融合系統(tǒng)組網(wǎng)方案

ARM平臺(tái)Android處理終端采用ARM處理器，256 MB 內(nèi)存，4.3英寸真彩LCD觸摸屏，分辨率480×272,方便操作，可清晰顯示采集的數(shù)據(jù)曲線；配備2G SD卡，保證了長時(shí)間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；同時(shí)，搭載當(dāng)下最熱門的谷歌移動(dòng)嵌入式操作系統(tǒng)Android2.2.

2 信息融合軟件

考慮到信息融合軟件的便捷操作和實(shí)用性，本信息融合軟件主要包括數(shù)據(jù)接收模塊、文件管理模塊和設(shè)置管理模塊。圖2為信息融合軟件的主界面。

圖3為信息融合系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集主程序流程。

圖2 軟件主界面

圖3 數(shù)據(jù)采集主程序流程

2.1 數(shù)據(jù)接收模塊

數(shù)據(jù)接收模塊主要實(shí)現(xiàn)多傳感器數(shù)據(jù)的接收、數(shù)據(jù)曲線的繪制和存儲(chǔ)。通過繼承Android平臺(tái)下的Service類，建立5個(gè)儀器可以同時(shí)后臺(tái)執(zhí)行的數(shù)據(jù)采集服務(wù)；配合NotificatiON的便捷操作，實(shí)現(xiàn)不同儀器數(shù)據(jù)采集界面的切換。數(shù)據(jù)接收模塊程序流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)接收模塊程序流程

儀器端藍(lán)牙同ARM端藍(lán)牙建立連接后開始數(shù)據(jù)傳輸，信息融合系統(tǒng)開始采集并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)繪制數(shù)據(jù)曲線。圖5為5種儀器同時(shí)在后臺(tái)運(yùn)行的Notification效果圖。圖6~圖10分別為QT8554、APS3321、SMPS3936、IN3550、AE31的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線圖。

2.2 文件管理模塊
文件管理模塊主要為查看歷史數(shù)據(jù)文件而設(shè)計(jì)，提供隨時(shí)查看、分析歷史數(shù)據(jù)的功能。對歷史數(shù)據(jù)文件的操作主要有數(shù)據(jù)信息查看和數(shù)據(jù)信息統(tǒng)計(jì)。另外，為了更直觀地反映數(shù)據(jù)的變化趨勢，歷史數(shù)據(jù)文件操作模塊中采用數(shù)據(jù)曲線還原方案，再現(xiàn)數(shù)據(jù)采集過程中的數(shù)據(jù)曲線，并提供曲線的放大縮小查看模式，便于查看數(shù)據(jù)變化情況。

圖11為數(shù)據(jù)曲線查看功能的效果圖。其中圖11（a）為打開曲線查看模式后的初始模式。為便于查看較大數(shù)據(jù)文件，本軟件設(shè)計(jì)時(shí)采用Android下自定義view的形式，設(shè)計(jì)了查看曲線的picview控件。添加觸控操作，可以方便地左右滑動(dòng)以查看各個(gè)階段的數(shù)據(jù)。圖11（b）顯示了向右滑動(dòng)picview后的效果圖。由于數(shù)據(jù)文件中的數(shù)據(jù)種類較多，軟件中設(shè)計(jì)了單一數(shù)據(jù)曲線模式，通過切換按鈕轉(zhuǎn)換到圖11（c）所示效果，并可以通過點(diǎn)擊左右箭頭實(shí)現(xiàn)不同參數(shù)曲線間的切換。

圖5 Notification效果圖

圖6 QT8554實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線圖

圖7 APS3321實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線圖

圖8 SMPS3936實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線圖

圖10 AE31實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線圖

圖11數(shù)據(jù)曲線查看功能的效果圖

2.3 設(shè)置管理模塊

設(shè)置管理模塊主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)相關(guān)配置及軟件幫助信息的查看等功能。軟件中配置信息的存儲(chǔ)方式分別采用了Android提供的共享優(yōu)先數(shù)據(jù)方法（shared preferences），如文件管理模塊中記憶功能開關(guān)的配置和在線離線模式切換的配置；Android下標(biāo)準(zhǔn)的SQLite數(shù)據(jù)庫形式，如藍(lán)牙ID信息配置等；基本的文件存儲(chǔ)形式，如幫助文件等。

3 數(shù)據(jù)融合處理

5種儀器采集的數(shù)據(jù)格式，雖然參數(shù)個(gè)數(shù)不同，但是各種儀器數(shù)據(jù)均采用ASCII碼的形式發(fā)送，各個(gè)數(shù)據(jù)間采用逗號(hào)分隔。例如，QT8554數(shù)據(jù)格式：

2010/09/30,19:24:57,555,0.2,28.8,78.4
AE31數(shù)據(jù)格式：
6Dec10,15:15,15741,14996,14846,14702,14461,14899,14787,…，0.0212,3.0071,0.6,6.565,0.0212,16584,0.0212…
QT8554數(shù)據(jù)中包含日期、時(shí)間和4個(gè)測量參數(shù)， AE31數(shù)據(jù)中不僅包含日期、時(shí)間和7個(gè)測量參數(shù)，還包含很多無用參照信息。應(yīng)對上述情況，在設(shè)計(jì)時(shí)采用了添加數(shù)據(jù)幀頭的形式，通過對幀頭中對應(yīng)信息的判斷區(qū)分不同儀器數(shù)據(jù)，提取有效數(shù)據(jù)。
數(shù)據(jù)幀頭格式為：

其中，00位為保留位；ID為ID號(hào)，同信息融合軟件中ID配置匹配；Addr為源藍(lán)牙地址；Mode為通信方式，00為polled模式，01為unpolled模式；Type為消息類型，00為指令，01為數(shù)據(jù)；DS為數(shù)據(jù)區(qū)開始位置；DL為數(shù)據(jù)長度；VDL為有效數(shù)據(jù)長度；VDN為有效數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。

儀器采集傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中雖然包含很多對實(shí)時(shí)顯示曲線無用的參照及統(tǒng)計(jì)信息，但是對后續(xù)的分析處理數(shù)據(jù)還是有重要的價(jià)值，因此對數(shù)據(jù)格式進(jìn)行歸一化處理過程中要確保幀頭后數(shù)據(jù)的完整性。ARM端信息融合軟件在接收到格式化的數(shù)據(jù)后，按相同的格式獲取各個(gè)位的信息，根據(jù)幀頭信息及設(shè)置模塊中的設(shè)置信息區(qū)分開不同儀器數(shù)據(jù)。判斷完數(shù)據(jù)的有效性及完整性后，數(shù)據(jù)首先被完整地存儲(chǔ)到磁盤，而后調(diào)用相應(yīng)數(shù)據(jù)分析模塊，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理顯示。

4 總結(jié)

多傳感器信息融合系統(tǒng)本著能夠方便、高效檢測氣溶膠的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，僅選擇了5種測量儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，提高了系統(tǒng)的便攜性和移動(dòng)性。為適應(yīng)更多的參數(shù)測量及日后工作的需要，本系統(tǒng)預(yù)留了新增儀器配置模塊，提高了系統(tǒng)的適應(yīng)性。系統(tǒng)中仍有很多功能未能完善，日后工作主要有： 在數(shù)據(jù)曲線實(shí)時(shí)繪制及歷史曲線查看模塊中添加通過單擊曲線上任意一點(diǎn)顯示該點(diǎn)的數(shù)據(jù)值的功能，以便查看分析離散數(shù)據(jù)值；在數(shù)據(jù)融合中添加算法，排除重復(fù)冗余的數(shù)據(jù)，提取有效的數(shù)據(jù)，提高系統(tǒng)的效率等。