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)

?

多環(huán)境量檢測系統(tǒng)設(shè)計與制作

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)境量檢測的特殊性，結(jié)合實驗室建設(shè)項目和大學(xué)生創(chuàng)新實踐項目要求，研究和實現(xiàn)了一個實驗室多環(huán)境量檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)建立在虛擬儀器創(chuàng)新實驗平臺上，包括光強度、溫濕度、噪聲、二氧化碳濃度等檢測功能。設(shè)計了5種環(huán)境量傳感器單元實時采集光強度等模擬信號，該組信號經(jīng)微處理器處理后，采用虛擬儀器技術(shù)進行實時監(jiān)測數(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)，實現(xiàn)了可視化的人機交互界面。經(jīng)過仿真調(diào)試和實驗室運行，使系統(tǒng)具有完善的實時測量功能，有較高測量的可靠性和精度，可以滿足實驗室對環(huán)境監(jiān)測的一般需求。

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)境量檢測具有綜合性、連續(xù)性、精密性、追蹤性等的特點。隨著電子技術(shù)、計算機和通信技術(shù)的發(fā)展，環(huán)境檢測儀器在測量精度，數(shù)據(jù)的采集、存儲、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，對環(huán)境量檢測系統(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5環(huán)境量檢測系統(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)的實時監(jiān)測、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)存儲系統(tǒng)，采用虛擬儀器技術(shù)進行實時監(jiān)測數(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)，實現(xiàn)了可視化的人機交互界面。本系統(tǒng)還設(shè)置日歷、時間和校園信息等附加功能，具有較高的實用性。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

檢測系統(tǒng)建立在一個LabVIEW軟件開發(fā)平臺上，開發(fā)平臺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[2]。平臺的主體是一個帶軟件控制線和數(shù)據(jù)線的軟主板，能與A/D卡、I/O卡等信號采集硬件進行組合與連接進行實際信號的測量，通過在DRVI實驗平臺上進行簡單的可視化插/拔軟件芯片和連線，可以完成對檢測環(huán)節(jié)的快速裁減、重組和定制過程，構(gòu)成一個能根據(jù)應(yīng)用需求快速重組的在線綜合檢測系統(tǒng)[3]。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，USB數(shù)據(jù)采集儀完成對各傳感器的數(shù)據(jù)信息檢測、采集，并將采集到的信息傳遞給PC機，進行數(shù)據(jù)融合處理，同時實時傳給監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)完成信息的顯示，設(shè)置系統(tǒng)報警等功能。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計結(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)境量傳感器的檢測數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的融合包括對各種傳感器給出的有用信息進行采集、傳輸、分析和合成等處理過程，對在不同的時間序列上獲得的各環(huán)境量信息按一定準則進行綜合分析，完成決策和估計任務(wù)。系統(tǒng)的二級融合采用神經(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)融合計算)和結(jié)果輸出等環(huán)節(jié)[8]，如圖2所示。

由于被測對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，然后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換將它們轉(zhuǎn)換成能由計算機處理的數(shù)字量。數(shù)字化后的電信號由于環(huán)境等隨機因素的影響，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。預(yù)處理后的有用信號送入融合中心進行數(shù)據(jù)融合，經(jīng)過特征提取，并對某一特征量進行數(shù)據(jù)融合計算，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。

光度檢測選用DRGS-12-A型光傳感器，該模塊采用光敏電阻和信號調(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信號的輸出通過數(shù)據(jù)采集儀完成。主要技術(shù)性能指標：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：工作電壓+5 V直流；輸出電壓0～+5 V；測量范圍0～100℃；靈敏度±0.5℃；工作溫度0～+100℃。濕度檢測選用DRSD-5-A型濕度傳感器，該模塊主要技術(shù)性能指標：工作電壓+5 V直流；輸出電壓0～5 V；測量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，該傳感器適于測量各種環(huán)境噪聲和機電設(shè)備噪聲。主要技術(shù)性能指標：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，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)殡妷盒盘栞敵?。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：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)通信的實現(xiàn)

因為系統(tǒng)主要完成監(jiān)測功能，故系統(tǒng)通信以數(shù)據(jù)接收為主。用LabVIEW[10]實現(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)對其進行訓(xùn)練[11-12]。在Matlab2007A軟件中利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱對網(wǎng)絡(luò)進行配置，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)仿真做準備，必須進行神經(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個輸入，分別代表一級融合的輸出結(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。

采集儀完成對各傳感器的感應(yīng)數(shù)據(jù)信息檢測、采集，并將采集到的信息傳遞給PC機，由PC內(nèi)的數(shù)據(jù)融合方法進行數(shù)據(jù)的分析、判斷、處理，同時實時傳給監(jiān)控系統(tǒng)，包括以下幾個方面：① 利用Matlab進行環(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)測數(shù)據(jù)人機交互界面截圖數(shù)據(jù)與說明; ③ 經(jīng)過一級數(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)測系統(tǒng)的實現(xiàn)

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

人機交互界面的編制包括兩個內(nèi)容：① 程序運行時界面的顯示模式;② 程序?qū)Σ僮鞯捻憫?yīng)方式?？煽刂频膶ο蟀ò粹o、鍵盤輸入控件和選擇框等，通過對程序?qū)傩院透鞣N控件的屬性節(jié)點的設(shè)置，實現(xiàn)豐富多樣的前面板。

設(shè)計環(huán)境量檢測系統(tǒng)的監(jiān)測界面如圖8所示。

8 結(jié) 語

本文以虛擬儀器實驗平臺為基礎(chǔ)，利用多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)，構(gòu)建了實驗室環(huán)境量檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)實現(xiàn)了照度、溫度、濕度、噪聲和CO2濃度5個環(huán)境量的實時監(jiān)測，通過軟件功能設(shè)置，可以完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲和調(diào)用，且采樣周期和數(shù)據(jù)存儲可以根據(jù)需要靈活選擇。經(jīng)連續(xù)監(jiān)測使用，證明系統(tǒng)設(shè)計合理，運行穩(wěn)定，測量精度能夠滿足一般實驗室對環(huán)境的監(jiān)測需求。后期主要工作是合理簡化前面板，配合我院新能源技術(shù)項目，將監(jiān)測結(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)人機界面

[1] 郝卓莉. 淺談環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展 [J].科技咨詢，2014，25(3)：140-142.

[2] 于 彤，張?zhí)烨?，徐美德．基于虛擬儀器的環(huán)境量檢測創(chuàng)新實驗平臺設(shè)計[J]．實驗室研究與探索，2013，32(12)：61-66.

[3] 何嶺松，張登攀，賴 紅.可重構(gòu)虛擬儀器系統(tǒng)[J].機械工程學(xué)報，2005，41(9)：78-81.

[4] 張捍東，孫成慧，岑豫皖. 分布式多傳感器結(jié)構(gòu)中的數(shù)據(jù)融合方法[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2008，36(6)：37-39.

[5] 彭冬亮. 多傳感器多源信息融合理論及應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2010：8-22.

[6] 韓力群. 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論、設(shè)計及應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002：34-60.

[7] 李 檀，馬 斌，翟 宇. 環(huán)境監(jiān)控儀中多傳感器信息融合技術(shù)的應(yīng)用研究[J].科技廣場，2009(5)：116-119.

[8] 邵 斌，蔣云良，張建宏．面向環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的融合方法研究[J].心智與計算，2008，2(1)：42-47.

[9] 華中科技大學(xué).工程測試實驗指導(dǎo)書[M].深圳：藍津信息技術(shù)有限公司，2007：1-5.

[10] 陸 強，戴 文．基于LabVIEW的環(huán)境試驗設(shè)備溫濕度檢定系統(tǒng)[J]．電子測量技術(shù)，2007(7)：64-66.

[11] 張德豐. Matlab神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009：259-279.

[12] 高 雋. 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理及仿真實例 [M].北京：機械工業(yè)出版社，2007：43-54.

[13] 陳錫輝，張銀鴻．LabVIEW8.20程序設(shè)計從入門到精通[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2007

[14] 林 靜，林振宇，鄭福仁. LabVIEW虛擬儀器程序設(shè)計[M]. 北京：人民郵電出版社，2010：97-105.

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)院科研立項資助(03452030608)；促進人才培養(yǎng)-電氣自動化技術(shù)技術(shù)教學(xué)團隊項目資助(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