趙英寶，黃麗敏

（河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院自動化系，河北石家莊 050051）

0 引言

在地震等突發(fā)災(zāi)害的救援中，準(zhǔn)確及時地發(fā)現(xiàn)幸存者具有十分重要的意義。然而，隨著災(zāi)難發(fā)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(nèi)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?jǐn)?shù)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(shù)據(jù)，但現(xiàn)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(shè)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(tǒng)，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(nèi)幸存者呼出的CO2體積分?jǐn)?shù)進行高精度檢測，通過間隔采樣來完成體積分?jǐn)?shù)變化率的計算，基于模糊邏輯構(gòu)造了生命探測推理機，能夠利用救援專家的先驗知識，根據(jù)CO2體積分?jǐn)?shù)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(tǒng)能夠及時準(zhǔn)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(zāi)后救援具有重要意義。

1 工作原理

紅外線在經(jīng)過由不同原子構(gòu)成的含偶極矩分子氣體時會發(fā)生吸收現(xiàn)象，這種吸收特性對于某種氣體而言是確定和標(biāo)準(zhǔn)的，被稱為“物質(zhì)指紋”，其吸收關(guān)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(shù)（對同一氣體此系數(shù)為常數(shù)）、c為待測氣體體積分?jǐn)?shù)，l為光與氣體的作用長度?？梢姼鶕?jù)I，I0和l值即可求出待測氣體體積分?jǐn)?shù)。

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(nèi)的紅外線吸收作用明顯，吸收峰出現(xiàn)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(zhǔn)確地檢測廢墟狹小空間內(nèi)的CO2體積分?jǐn)?shù)。

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?jǐn)?shù)變化率的計算，設(shè)兩次采樣的體積分?jǐn)?shù)值為I1和I2，間隔時間為ΔT，則CO2體積分?jǐn)?shù)變化率為

采用式（3）對待測氣體體積分?jǐn)?shù)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(yīng)模糊集合量，fz（·）為模糊化函數(shù)。

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

式中Ri為第i條模糊推理規(guī)則（根據(jù)救援專家的先驗知識提取得到），n為推理規(guī)則總數(shù)（本系統(tǒng)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(tǒng)硬件設(shè)計

探測儀系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)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(shè)計了RS—5485工業(yè)總線模塊，支持多臺儀器聯(lián)網(wǎng)使用，通過多傳感器數(shù)據(jù)融合進一步提高系統(tǒng)性能。

在CO2體積分?jǐn)?shù)檢測電路的設(shè)計中，采用了英國GSS公司推出的革新性產(chǎn)品NDIR（非色散紅外吸收式）LED CO2傳感器GSS C20［5］，電路設(shè)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(qū)。和傳統(tǒng)鎢絲光源相比，LED光源具有穩(wěn)定性高、壽命長和無需濾光的優(yōu)點。

圖2 探測儀的硬件結(jié)構(gòu)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(shè)計如圖4所示。系統(tǒng)可通過RS—485總線將多臺探測儀聯(lián)網(wǎng)使用，通過多傳感器數(shù)據(jù)融合來增強系統(tǒng)功能。

圖4 RS—485工業(yè)網(wǎng)絡(luò)總線電路Fig 4 Circuit of RS—485 industrial network bus

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件基于嵌入式C語言和匯編語言混合編程實現(xiàn)，主流程如圖5所示。開機后用戶可通過鍵盤輸入設(shè)置命令，完成命令后（或無命令輸入時）系統(tǒng)循環(huán)測量CO2體積分?jǐn)?shù)并計算其變化率，通過探測推理機進行模糊推理，然后，將數(shù)據(jù)顯示給救援人員，在存活幾率大于60%時系統(tǒng)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(tǒng)基于模糊推理技術(shù)構(gòu)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(jīng)驗進行了充分利用。

圖6 生命探測推理機程序結(jié)構(gòu)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(shè)計中采用三角隸屬函數(shù)法實現(xiàn)各參量模糊化，過程如圖7所示。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和救援經(jīng)驗，CO2體積分?jǐn)?shù)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?jǐn)?shù)和存活幾率的模糊語言值集為{VS（很小），MS（?。琇S（較?。琈D（中），LL（較大），ML（大），VL（很大）};體積分?jǐn)?shù)變化率的模糊語言值集為{NL（負(fù)大），NM（負(fù)中），NS（負(fù)?。?，ZR（零），PS（正?。?，PM（正中），PL（正大）}。

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

模糊推理規(guī)則是探測判斷的基礎(chǔ)，救援專家在大量的救援任務(wù)中積累了許多寶貴的經(jīng)驗。本系統(tǒng)設(shè)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(guī)則。

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

4 實驗分析

本系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用在了河北省的搶險實驗和救援演習(xí)中，CO2檢測精度達10×10－6。GSS C20傳感器設(shè)置在快速響應(yīng)CO2模式，利用內(nèi)部低通濾波器減少干擾信號，濾波參數(shù)取不同值時的去噪效果和響應(yīng)速度［7］如圖8所示?？梢妳?shù)越大濾波效果越好，但傳感器響應(yīng)時間也越長。本系統(tǒng)濾波參數(shù)取為8，對2個指標(biāo)進行了折中選擇。

圖8 CO2生命探測儀的濾波參數(shù)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?yún)?shù)全量程測試實驗中，探測儀系統(tǒng)的響應(yīng)結(jié)果如圖9所示。分析可見，系統(tǒng)的全量程工作性能穩(wěn)定，生命存活幾率數(shù)據(jù)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(jié)果Fig 9 Experimental results of CO2life detector in narrow-gap space

5 結(jié)論

本文設(shè)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(nèi)幸存者呼出的CO2體積分?jǐn)?shù)進行高精度檢測，基于16位微處理器MCP430構(gòu)造了智能模糊推理機，根據(jù)CO2體積分?jǐn)?shù)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(tǒng)支持RS—485總線聯(lián)網(wǎng)，能夠通過多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)進一步增強系統(tǒng)性能，對突發(fā)災(zāi)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(shè)計［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2011，30（7）:95 －99.

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

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［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(yīng)用開發(fā)［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