智能便攜式CO2生命探測儀的設計*

趙英寶，黃麗敏

（河北科技大學電氣信息學院自動化系，河北石家莊 050051）

0 引言

在地震等突發災害的救援中，準確及時地發現幸存者具有十分重要的意義。然而，隨著災難發生后的時間推移，生命跡象越來越弱，依靠救援人員喊話和搜救犬嗅聞很難找到氣息微弱的幸存者。事實表明:廢墟狹小空間內空氣流通性差，幸存者呼出的CO2氣體得以富集，因此，可以通過檢測CO2來探測生命的存在。另外，CO2體積分數變化率能很好地反映幸存者氣息的強弱，為救援提供重要數據，但現有的救援裝備卻忽略了這一重要信息，影響了探測精度。

為此，本文設計了一種基于紅外吸收式CO2傳感器的智能型便攜式生命探測儀系統，利用新型非色散紅外（nondispersive infrared，NDIR）CO2傳感器［1］對廢墟狹小空間內幸存者呼出的CO2體積分數進行高精度檢測，通過間隔采樣來完成體積分數變化率的計算，基于模糊邏輯構造了生命探測推理機，能夠利用救援專家的先驗知識，根據CO2體積分數及其變化率進行智能綜合推理，得出幸存者的存在幾率。本系統能夠及時準確地探測到幸存者的存在和氣息的強弱，有效提高了生命探測精度，對災后救援具有重要意義。

1 工作原理

紅外線在經過由不同原子構成的含偶極矩分子氣體時會發生吸收現象，這種吸收特性對于某種氣體而言是確定和標準的，被稱為“物質指紋”，其吸收關系滿足朗伯—比爾［2］（Lambert-Beer）定律

式中I為出射光強，I0為入射光強，μ為氣體對光波的衰減吸收系數（對同一氣體此系數為常數）、c為待測氣體體積分數，l為光與氣體的作用長度?？梢姼鶕蘒，I0和l值即可求出待測氣體體積分數。

CO2氣體對紅外線的吸收圖譜［3］如圖1所示，對波長為4.0～4.5μm范圍內的紅外線吸收作用明顯，吸收峰出現在4.26μm處。因此，使用波長為4.26 μm的紅外線做傳感器光源能夠準確地檢測廢墟狹小空間內的CO2體積分數。

圖1 CO2紅外吸收光譜Fig 1 Infrared absorption spectra of CO2

檢測過程中，采用間隔采樣的方法來完成體積分數變化率的計算，設兩次采樣的體積分數值為I1和I2，間隔時間為ΔT，則CO2體積分數變化率為

采用式（3）對待測氣體體積分數c和變化率Δc進行模糊化處理

式中C和ΔC為c和Δc的對應模糊集合量，fz（·）為模糊化函數。

基于模糊邏輯進一步構造生命探測推理機，根據Mamdani模糊蘊含法［4］進行推理

式中Ri為第i條模糊推理規則（根據救援專家的先驗知識提取得到），n為推理規則總數（本系統取為49），H為幸存幾率模糊集合量。對H進行清晰化運算后，可以得到幸存幾率清晰量h，該量綜合反映了幸存者的存在和氣息的強弱。

2 系統硬件設計

探測儀系統的整體結構如圖2所示。嵌入式微處理器采用了美國德州儀器（TI）公司的16位RISC嵌入式混合信號處理器MSP430，允許工作在1.8～3.6 V電壓，具有超低功耗特性。設計了RS—5485工業總線模塊，支持多臺儀器聯網使用，通過多傳感器數據融合進一步提高系統性能。

在CO2體積分數檢測電路的設計中，采用了英國GSS公司推出的革新性產品NDIR（非色散紅外吸收式）LED CO2傳感器GSS C20［5］，電路設計如圖3所示。C20采用窄帶NDIR紅外LED光源，工作在4.26 μm窄帶區。和傳統鎢絲光源相比，LED光源具有穩定性高、壽命長和無需濾光的優點。

圖2 探測儀的硬件結構圖Fig 2 Hardware structure diagram of the life detector

圖3 CO2檢測電路原理圖Fig 3 Principle diagram of CO2detecting circuit

RS—485總線電路［6］的設計如圖4所示。系統可通過RS—485總線將多臺探測儀聯網使用，通過多傳感器數據融合來增強系統功能。

圖4 RS—485工業網絡總線電路Fig 4 Circuit of RS—485 industrial network bus

3 系統軟件設計

系統軟件基于嵌入式C語言和匯編語言混合編程實現，主流程如圖5所示。開機后用戶可通過鍵盤輸入設置命令，完成命令后（或無命令輸入時）系統循環測量CO2體積分數并計算其變化率，通過探測推理機進行模糊推理，然后，將數據顯示給救援人員，在存活幾率大于60%時系統自動進行聲光報警。

圖5 探測儀的軟件流程圖Fig 5 Software flow chart of the life detector

本系統基于模糊推理技術構造了如圖6所示的生命探測智能推理機，對救援專家的寶貴經驗進行了充分利用。

圖6 生命探測推理機程序結構框圖Fig 6 Structure block diagram of the life detecting inference engine program

圖中，kc，kΔc為輸入量模糊量化因子，kh為輸出量比例因子。設計中采用三角隸屬函數法實現各參量模糊化，過程如圖7所示。根據實驗數據和救援經驗，CO2體積分數的實際論域取為［300 ×10－6，1 500 ×10－6］，變化率的實際論域取為［－100，100×10－6/min］，生命存活幾率的實際論域取為［0%，100%］。體積分數和存活幾率的模糊語言值集為{VS（很?。琈S（?。?，LS（較?。?，MD（中），LL（較大），ML（大），VL（很大）};體積分數變化率的模糊語言值集為{NL（負大），NM（負中），NS（負小），ZR（零），PS（正?。琍M（正中），PL（正大）}。

圖7 輸入輸出量的模糊隸屬函數Fig 7 Fuzzy membership function of the input and output

模糊推理規則是探測判斷的基礎，救援專家在大量的救援任務中積累了許多寶貴的經驗。本系統設計中通過對救援專家的先驗知識進行梳理，抽取得到了如表1所示的生命存活推理規則。

表1 模糊推理探測規則表Tab 1 Inference rule of the life detector

4 實驗分析

本系統已經成功應用在了河北省的搶險實驗和救援演習中，CO2檢測精度達10×10－6。GSS C20傳感器設置在快速響應CO2模式，利用內部低通濾波器減少干擾信號，濾波參數取不同值時的去噪效果和響應速度［7］如圖8所示。可見參數越大濾波效果越好，但傳感器響應時間也越長。本系統濾波參數取為8，對2個指標進行了折中選擇。

圖8 CO2生命探測儀的濾波參數選擇Fig 8 Filtering parameter selection of CO2life detector

在對本CO2生命探測儀進行的狹小空間輸入參數全量程測試實驗中，探測儀系統的響應結果如圖9所示。分析可見，系統的全量程工作性能穩定，生命存活幾率數據的探測誤差小于0.6%。

圖9 CO2生命探測儀的狹隙空間實驗結果Fig 9 Experimental results of CO2life detector in narrow-gap space

5 結論

本文設計了一種新型智能便攜式CO2生命探測儀，通過NDIRCO2傳感器對廢墟狹小空間內幸存者呼出的CO2體積分數進行高精度檢測，基于16位微處理器MCP430構造了智能模糊推理機，根據CO2體積分數及其變化率推理判斷幸存者的存活幾率。由于將救援專家的寶貴先驗知識進行了充分利用，從而有效提高了生命救援裝備的智能性和探測精度;同時本探測儀系統支持RS—485總線聯網，能夠通過多傳感器數據融合技術進一步增強系統性能，對突發災害中的生命救援具有重要意義。

［1］聞 明，張 策.便攜式二氧化碳檢測儀的設計［J］.傳感器與微系統，2011，30（7）:95 －99.

［2］紀新明，吳飛蝶，王建業，等.用于火災探測的非色散紅外吸收氣體傳感器［J］.傳感技術學報，2006，19（3）:602 －610.

［3］Martin P E，Barker E F.The infrared absorption spectrum of carbon dioxide［J］.Physical Review，2010，41（3）:291 － 303.

［4］Seki H，Ishii H，Mizumoto M，et al.On the generalization of single input rule modules connected type fuzzy reasoning method［J］.Fuzzy Systems，2008，16（5）:1180 －1187.

［5］GSS.GSS C20 NDIR CO2sensor datasheet［DB/OL］.［2011—11—12］.http://www.gassensing.cn.

［6］宋 戈，黃鶴松，員玉良，等.單片機應用開發［M］.北京:人民郵電出版社，2010:355－362.

［7］APOLLO.C20 紅外 CO2傳感器［DB/OL］.［2011—11—12］.http://www.apollounion.com/index.asp