多環(huán)境量檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制作

于 彤， 張?zhí)烨妫?徐美德， 趙寶森

(北京電子科技職業(yè)學(xué)院， 北京 100176)

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多環(huán)境量檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制作

于 彤， 張?zhí)烨妫?徐美德， 趙寶森

(北京電子科技職業(yè)學(xué)院， 北京 100176)

根據(jù)環(huán)境量檢測(cè)的特殊性，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目和大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目要求，研究和實(shí)現(xiàn)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)室多環(huán)境量檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)建立在虛擬儀器創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，包括光強(qiáng)度、溫濕度、噪聲、二氧化碳濃度等檢測(cè)功能。設(shè)計(jì)了5種環(huán)境量傳感器單元實(shí)時(shí)采集光強(qiáng)度等模擬信號(hào)，該組信號(hào)經(jīng)微處理器處理后，采用虛擬儀器技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理。應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)融合等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了可視化的人機(jī)交互界面。經(jīng)過仿真調(diào)試和實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行，使系統(tǒng)具有完善的實(shí)時(shí)測(cè)量功能，有較高測(cè)量的可靠性和精度，可以滿足實(shí)驗(yàn)室對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)的一般需求。

環(huán)境量； 多傳感器數(shù)據(jù)融合； 虛擬儀器； 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

Design and Production of the Detection System on

0 引 言

環(huán)境量檢測(cè)具有綜合性、連續(xù)性、精密性、追蹤性等的特點(diǎn)。隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)的發(fā)展，環(huán)境檢測(cè)儀器在測(cè)量精度，數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、傳輸和處理等技術(shù)方面都有顯著提高。但在多參數(shù)集成、數(shù)據(jù)加工等方面，對(duì)環(huán)境量檢測(cè)系統(tǒng)的研究還較少[1]。本文基于虛擬儀器、多傳感器數(shù)據(jù)融合等技術(shù)，研發(fā)了一個(gè)5環(huán)境量檢測(cè)系統(tǒng)，可用于室內(nèi)溫濕度、照度、噪聲和二氧化碳濃度等環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)管理及傳輸?shù)取Ｏ到y(tǒng)先由環(huán)境量傳感器組成傳感系統(tǒng)分別采集5種環(huán)境數(shù)據(jù)，并存入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，采用虛擬儀器技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理。應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)融合等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了可視化的人機(jī)交互界面。本系統(tǒng)還設(shè)置日歷、時(shí)間和校園信息等附加功能，具有較高的實(shí)用性。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

檢測(cè)系統(tǒng)建立在一個(gè)LabVIEW軟件開發(fā)平臺(tái)上，開發(fā)平臺(tái)由軟件總線和軟件芯片技術(shù)構(gòu)造，采用軟件總線開放結(jié)構(gòu)和COM/DCOM組件的即插即用特性，具有PC開放結(jié)構(gòu)、模塊化、組件化特點(diǎn)[2]。平臺(tái)的主體是一個(gè)帶軟件控制線和數(shù)據(jù)線的軟主板，能與A/D卡、I/O卡等信號(hào)采集硬件進(jìn)行組合與連接進(jìn)行實(shí)際信號(hào)的測(cè)量，通過在DRVI實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行簡單的可視化插/拔軟件芯片和連線，可以完成對(duì)檢測(cè)環(huán)節(jié)的快速裁減、重組和定制過程，構(gòu)成一個(gè)能根據(jù)應(yīng)用需求快速重組的在線綜合檢測(cè)系統(tǒng)[3]。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，USB數(shù)據(jù)采集儀完成對(duì)各傳感器的數(shù)據(jù)信息檢測(cè)、采集，并將采集到的信息傳遞給PC機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理，同時(shí)實(shí)時(shí)傳給監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)完成信息的顯示，設(shè)置系統(tǒng)報(bào)警等功能。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)采用多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)[4-5]來處理各環(huán)境量傳感器的檢測(cè)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的融合包括對(duì)各種傳感器給出的有用信息進(jìn)行采集、傳輸、分析和合成等處理過程，對(duì)在不同的時(shí)間序列上獲得的各環(huán)境量信息按一定準(zhǔn)則進(jìn)行綜合分析，完成決策和估計(jì)任務(wù)。系統(tǒng)的二級(jí)融合采用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)方法[6-7]。

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合過程包括多傳感器(信號(hào)獲取)、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)融合中心(特征提取、數(shù)據(jù)融合計(jì)算)和結(jié)果輸出等環(huán)節(jié)[8]，如圖2所示。

由于被測(cè)對(duì)象是具有不同特征的非電量，如溫濕度、光照、噪聲、二氧化碳濃度等，因此首先要通過傳感器轉(zhuǎn)換電路將這些非電量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換將它們轉(zhuǎn)換成能由計(jì)算機(jī)處理的數(shù)字量。數(shù)字化后的電信號(hào)由于環(huán)境等隨機(jī)因素的影響，不可避免地存在一些干擾和噪聲，通過預(yù)處理，采用濾波等方法濾除數(shù)據(jù)采集過程中的干擾和噪聲，得到有用信號(hào)。預(yù)處理后的有用信號(hào)送入融合中心進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，經(jīng)過特征提取，并對(duì)某一特征量進(jìn)行數(shù)據(jù)融合計(jì)算，最后輸出融合結(jié)果。

圖2 多傳感器數(shù)據(jù)融合過程

2 環(huán)境量傳感器選型

根據(jù)虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)的硬件條件[9]，選取5種環(huán)境量傳感器構(gòu)成傳感器單元。

光度檢測(cè)選用DRGS-12-A型光傳感器，該模塊采用光敏電阻和信號(hào)調(diào)理電路構(gòu)成一體化傳感器，探頭部分采用光敏電阻，信號(hào)調(diào)理部分經(jīng)過二次封裝以后集成在一體，調(diào)理電路的供電和檢測(cè)信號(hào)的輸出通過數(shù)據(jù)采集儀完成。主要技術(shù)性能指標(biāo)：工作電壓+12 V直流；輸出電壓0～+5 V；光譜峰值560 nm；亮電阻(10 Lx)20～30 kΩ；暗電阻3 MΩ；工作溫度-20～+85℃；檢測(cè)距離0～10 mm。

溫度器件選用DRWZ-5-B型溫度傳感器。主要技術(shù)性能指標(biāo)：工作電壓+5 V直流；輸出電壓0～+5 V；測(cè)量范圍0～100℃；靈敏度±0.5℃；工作溫度0～+100℃。濕度檢測(cè)選用DRSD-5-A型濕度傳感器，該模塊主要技術(shù)性能指標(biāo)：工作電壓+5 V直流；輸出電壓0～5 V；測(cè)量5%～95%RH；精度3%；響應(yīng)速度5 s；恢復(fù)速度10 s；溫漂±0.1%RH/℃。

噪聲傳感器選用DRZS-5-A 型聲傳感器，該傳感器適于測(cè)量各種環(huán)境噪聲和機(jī)電設(shè)備噪聲。主要技術(shù)性能指標(biāo)：工作電壓+5 V直流；輸出電壓0～+5 V；工作距離0～3 m；靈敏度(0 dB=1 V/Pa)-50±2 dB；信噪比58 dB；工作溫度-10～+50℃；指向性單向；響應(yīng)頻率20～16 kHz。

二氧化碳濃度檢測(cè)采用NAP-21A型二氧化碳傳感器，該傳感器由氣敏探頭和溫度補(bǔ)償探頭組成，氣敏探頭陽極使用金(Au)，陰極使用包含有碳酸鋰(Li2CO3)的金電極，在陽極與陰極之間放置了含有Na離子的固態(tài)電解體。當(dāng)空氣中的CO2濃度發(fā)生變化時(shí)，氣敏探頭的直流電阻產(chǎn)生變化。經(jīng)電路的處理，將該電阻的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)輸出。正常工作條件下，傳感器輸出特性是線性的。NAP-21A型二氧化碳傳感器主要性能指標(biāo)：額定電壓DC (1.8±0.1) V；電流120～130 mA；使用溫濕度-10～50℃，95RH%以下；靈敏度0.2 mV/% CO2；氣體濃度范圍0～100%。

以上傳感器通過A/D轉(zhuǎn)換和預(yù)處理電路封裝成單元，圖3所示為部分傳感器單元。

圖3 部分傳感器單元

3 數(shù)據(jù)通信的實(shí)現(xiàn)

因?yàn)橄到y(tǒng)主要完成監(jiān)測(cè)功能，故系統(tǒng)通信以數(shù)據(jù)接收為主。用LabVIEW[10]實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的子VI如圖4所示。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)通道選用通道2、4、5、6和通道8。

圖4 LabVIEW實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的子VI框圖程序

4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊的設(shè)計(jì)與訓(xùn)練

選取神經(jīng)元的作用函數(shù)為S型函數(shù)，將以上樣本數(shù)據(jù)歸一化處理后輸入網(wǎng)絡(luò)對(duì)其進(jìn)行訓(xùn)練[11-12]。在Matlab2007A軟件中利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置，得到的誤差曲線如圖5所示。

圖5 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練誤差曲線

訓(xùn)練完成后，得到網(wǎng)絡(luò)的各層權(quán)值和閾值。在Matlab環(huán)境下，通過netp.IW{1}、netp.b{1}、netp.LW{2}、netp.b{2}等函數(shù)調(diào)出各層的權(quán)值和閾值。

5 調(diào)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的最小系統(tǒng)

為了獲得合適的權(quán)值和閾值，并為網(wǎng)絡(luò)仿真做準(zhǔn)備，必須進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練。網(wǎng)絡(luò)仿真程序如下：

load('C:UsersJingGYDocumentsMATLABdata'); %調(diào)用訓(xùn)練結(jié)果

A=[510 400 470 420 450 370 310 276 355 280 225 190 180 210 150 60 35 80 45 70];

B=[23 21 22.6 20.4 21.7 26.2 18.4 17.8 23.5 19.6 28.2 30 10.4 27.6 13.1 33.2 6.5 32.7 3.8 7.2];

C=[52 56 55 55 58 46 62 65 49 61 38 36 78 37 74 25 82 29 85 82];

D=[0.06 0.05 0.05 0.06 0.04 0.09 0.08 0.08 0.09 0.07 0.11 0.14 0.12 0.12 0.13 0.16 0.15 0.18 0.17 0.15];

E=[50 42 45 49 47 55 53 54 58 57 65 64 71 76 73 83 81 82 82 84];

pp=[A;B;C;D;E];

outp=sim(netp,pp) %仿真

其中,A、B、C、D、E為5個(gè)輸入，分別代表一級(jí)融合的輸出結(jié)果光照、溫度、濕度、二氧化碳和噪聲。

在LabVIEW軟件中設(shè)置系統(tǒng)的手動(dòng)輸入控件[13]，在Matlab腳本編輯文本編寫調(diào)用以上程序語句，如圖6所示。

圖6 調(diào)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的最小系統(tǒng)

6 數(shù)據(jù)處理過程

數(shù)據(jù)處理流程如圖7所示。

采集儀完成對(duì)各傳感器的感應(yīng)數(shù)據(jù)信息檢測(cè)、采集，并將采集到的信息傳遞給PC機(jī)，由PC內(nèi)的數(shù)據(jù)融合方法進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析、判斷、處理，同時(shí)實(shí)時(shí)傳給監(jiān)控系統(tǒng)，包括以下幾個(gè)方面：① 利用Matlab進(jìn)行環(huán)境參量訓(xùn)練的程序、結(jié)果及說明; ② 環(huán)境多參量傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)人機(jī)交互界面截圖數(shù)據(jù)與說明; ③ 經(jīng)過一級(jí)數(shù)據(jù)融合后的數(shù)據(jù)前面板及程序框圖截圖數(shù)據(jù)與說明; ④ 經(jīng)過二級(jí)數(shù)據(jù)融合后的數(shù)據(jù)前面板及程序框圖截圖數(shù)據(jù)與說明。

圖7 數(shù)據(jù)處理流程圖

7 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

在LabVIEW編程平臺(tái)下編制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)前面板[14]。調(diào)用LabVIEW中的控件，在計(jì)算機(jī)屏幕上仿真出與實(shí)際儀器或設(shè)備相同的環(huán)境，提供直觀的人機(jī)交互界面。

人機(jī)交互界面的編制包括兩個(gè)內(nèi)容：① 程序運(yùn)行時(shí)界面的顯示模式;② 程序?qū)Σ僮鞯捻憫?yīng)方式。可控制的對(duì)象包括按鈕、鍵盤輸入控件和選擇框等，通過對(duì)程序?qū)傩院透鞣N控件的屬性節(jié)點(diǎn)的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)豐富多樣的前面板。

設(shè)計(jì)環(huán)境量檢測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)界面如圖8所示。

8 結(jié) 語

本文以虛擬儀器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為基礎(chǔ)，利用多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)，構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境量檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了照度、溫度、濕度、噪聲和CO2濃度5個(gè)環(huán)境量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過軟件功能設(shè)置，可以完成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和調(diào)用，且采樣周期和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)可以根據(jù)需要靈活選擇。經(jīng)連續(xù)監(jiān)測(cè)使用，證明系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，運(yùn)行穩(wěn)定，測(cè)量精度能夠滿足一般實(shí)驗(yàn)室對(duì)環(huán)境的監(jiān)測(cè)需求。后期主要工作是合理簡化前面板，配合我院新能源技術(shù)項(xiàng)目，將監(jiān)測(cè)結(jié)果傳送至校園公共大屏幕上，完善和豐富公共信息的顯示。

圖8 系統(tǒng)人機(jī)界面

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Multi Environment Quantity Monitoring

YUTong,ZHANGTian-qing,XUMei-de,ZHAOBao-sen

(Beijing Polytechnic, Beijing 100176, China)

According to the special nature of environmental detection, combined with the college students' innovation practice and laboratory construction project, a multi environment quantity measurement system was designed and produced. The measurement system was built on the innovation experiment platform of environmental measurement, it comprised a light intensity, temperature and humidity, noise and carbon dioxide concentration. The signals were sampled using five kinds of environmental sensor unit, and collected by using microprocessor. Virtual instrument technology was applied in the detection system. By the application of neural network and data fusion, the man-machine interactive interface of visualization was realized in the system, it improved the function of real-time measurement, and met the general requirements of the laboratory in environmental testing.

environment quantity; multi sensor data fusion; virtual instruments; neural network

2015-06-01

北京電子科技職業(yè)學(xué)院科研立項(xiàng)資助(03452030608)；促進(jìn)人才培養(yǎng)-電氣自動(dòng)化技術(shù)技術(shù)教學(xué)團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目資助(CJRC-SZDW-2015/001/002)

于 彤(1963-)，男，天津人，副教授，現(xiàn)主要從事智能檢測(cè)技術(shù)研究。 Tel.: 010-87162701；E-mail:yut707@163.com

TP 216; TP 274.5

A

1006-7167(2016)03-0073-04