(1.昆明工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，昆明 650302； 2.昆明理工大學(xué)，昆明 650000)

0 引言

毒氣污染對(duì)人們的身體健康會(huì)造成嚴(yán)重的、不可修復(fù)的損傷，某些毒性劇烈的氣體只要微量就能夠致人死亡[1-2]。造成毒氣污染的主要原因除了特種企業(yè)的毒氣泄露事故之外，以化工企業(yè)、冶金企業(yè)、電力企業(yè)為代表的超標(biāo)排放，室內(nèi)裝修材料不合格，醛、苯元素超標(biāo)而造成的裝修污染，大量汽車尾氣集中排放而導(dǎo)致的大氣污染，都具有十分嚴(yán)重的危害性[3-5]。鑒于大氣污染特別是毒氣污染的危害性，對(duì)狹小空間環(huán)境下的微量毒氣檢測(cè)十分必要，對(duì)于有毒有害氣體的檢測(cè)與防治也受到了政府、企業(yè)和居民的多方重視。當(dāng)前科研領(lǐng)域?qū)τ诙練鈾z測(cè)系統(tǒng)的研究較多，例如基于化學(xué)試劑檢測(cè)方法而設(shè)計(jì)的應(yīng)系統(tǒng)用范圍最廣、成本最低，但該類系統(tǒng)僅憑借氣體傳感裝置進(jìn)行毒氣檢測(cè)，準(zhǔn)確率低、實(shí)時(shí)性差；近年來(lái)隨著激光技術(shù)的發(fā)展[6-7]，基于光學(xué)原理的毒氣檢測(cè)系統(tǒng)逐漸興起[8-9]，但光學(xué)系統(tǒng)對(duì)于檢測(cè)環(huán)境的要求較高，檢測(cè)操作十分復(fù)雜、耗時(shí)較長(zhǎng)，對(duì)于個(gè)別種類的毒氣識(shí)別率較低。針對(duì)微量毒氣源特征模糊的特點(diǎn)，本文采用離群模糊核聚類算法研究了毒氣產(chǎn)生及擴(kuò)散時(shí)的基本運(yùn)動(dòng)特征，并基于此設(shè)計(jì)了一種PID毒氣檢測(cè)系統(tǒng)，針對(duì)不同種類微量毒氣的多樣性特點(diǎn)，提高了系統(tǒng)的檢測(cè)適用性。

1 PID毒氣檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 硬件的總體框架設(shè)計(jì)

PID毒氣檢測(cè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，從總體上說(shuō)需要按照離群模糊核聚類算法要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，在硬件模塊上增加了特征聚類分析模塊。檢測(cè)系統(tǒng)的核心模塊配置了一個(gè)高性能的STM32F2X型MCU，該芯片具有高性能、低功耗的特點(diǎn)，同時(shí)能夠兼容主流的主控板，檢測(cè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 硬件檢測(cè)系統(tǒng)的總體架構(gòu)

采集測(cè)量模塊是一種氣體傳感裝置，能夠檢測(cè)出封閉環(huán)境下有毒氣體的種類和含量，為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定和檢測(cè)效率，可以按照檢測(cè)空間的大小均勻布置采集模塊的數(shù)量，采集檢測(cè)模塊的有效檢測(cè)半徑為10 m。采集檢測(cè)模塊的與基于離群模糊核聚類算法設(shè)計(jì)的分析檢測(cè)模塊相連，連接方法可以采用有線來(lái)接的方式或無(wú)線傳輸?shù)哪K，無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪Ｊ礁m用于較大的空間，但在檢測(cè)精度方面略差于有限連接的方式。內(nèi)置STM32F2X型MCU的主控板是毒氣檢測(cè)系統(tǒng)的核心模塊，具有毒氣量和毒氣危害程度的分析與鑒定功能，主控板由于電源管理模塊供電，并具有檢測(cè)氣體數(shù)據(jù)輸入輸出功能和顯示功能。

1.2 MCU控制電路設(shè)計(jì)

MCU處理器模塊是毒氣檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要功能模塊，采集測(cè)量模塊得到的環(huán)境數(shù)據(jù)經(jīng)毒氣分析模塊處理后都最終傳遞到MCU處理器模塊，進(jìn)行進(jìn)一步分析和處理。MCU芯片的毒氣數(shù)據(jù)處理性能和接口的兼容性至關(guān)重要，本文選用意法半導(dǎo)體最新的STM32F2X型MUC芯片，該芯片的輸入、輸出引腳的數(shù)量適中、性能強(qiáng)勁，由于采用了14 nm的先進(jìn)工藝制程，功耗相對(duì)于其他MCU具有明顯的優(yōu)勢(shì)。由于毒氣檢測(cè)系統(tǒng)屬于小型的檢測(cè)系統(tǒng)，因此系統(tǒng)電壓不易過(guò)高電壓浮動(dòng)范圍在[1.5,3.6]之間，系統(tǒng)的內(nèi)存還要求能夠進(jìn)行外部擴(kuò)展，STM32F2X型MCU芯片的相關(guān)參數(shù)設(shè)定，如表1所示。

表1 主控芯片參數(shù)

STM32F2X型MCU主控芯片基于ARM的嵌入式架構(gòu)，ARM的M3內(nèi)核自帶自帶始終控制系統(tǒng)、復(fù)位控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸中斷控制器，系統(tǒng)物理中斷的優(yōu)先級(jí)達(dá)到最高的8級(jí)，M3內(nèi)核還具有自動(dòng)啟停和嵌套中斷功能，提高了毒氣數(shù)據(jù)分析和處理的靈活性和準(zhǔn)確性，STM32F2X型MCU主控芯片的內(nèi)核結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 MCU主控芯片的內(nèi)核結(jié)構(gòu)

MCU主控芯片的內(nèi)部運(yùn)行也通過(guò)內(nèi)部時(shí)鐘結(jié)構(gòu)來(lái)控制，時(shí)鐘電路震蕩器在MCU內(nèi)部產(chǎn)生高頻波，而對(duì)高頻波的分解和傅里葉變化過(guò)程就是數(shù)據(jù)信號(hào)的處理過(guò)程。芯片中的復(fù)位電路能夠?qū)⒎纸獾母哳l波復(fù)位，復(fù)位的過(guò)程可以由系統(tǒng)自動(dòng)操作，也可以由系統(tǒng)管理員手動(dòng)操作，STM32F2X型MCU主控芯片內(nèi)置的始終電路和復(fù)位電路如圖3所示。

圖3 主控芯片的時(shí)鐘電路和復(fù)位電路

始終電路配備3個(gè)阻值為3.5 Ω、10 Ω和5 Ω的電阻器，而復(fù)位電路除了配備一個(gè)阻值為5歐姆的電阻器之外，還具有一件重啟的功能，可以是系統(tǒng)恢復(fù)到初始狀態(tài)。編纂好的軟件程序需要復(fù)制或刻錄在MUC芯片中毒氣檢測(cè)系統(tǒng)才能夠運(yùn)行，內(nèi)部結(jié)構(gòu)及芯片的外部接口都采用SWD型通用接口。

1.3 毒氣檢測(cè)系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

除主控MCU模塊之外，毒氣檢測(cè)系統(tǒng)的功能模塊還包括多個(gè)毒氣濃度、類別采集與測(cè)量模塊、毒氣分析模塊、電源管理模塊、I/O模塊和顯示模塊。其中毒氣分析模塊內(nèi)置了離群模糊核聚類算法程序，這套算法程序是系統(tǒng)功能的主要實(shí)現(xiàn)程序。采集與測(cè)量模塊由于數(shù)量較多且壽命較短，在設(shè)計(jì)過(guò)程中注重性能與成本的均衡，模塊的數(shù)量隨檢測(cè)空間的增加而增加；I/O模塊與顯示模塊選擇兼容性較好的硬件部分，其中顯示器的尺寸需要在9.0寸以上，顯示分辨率需要達(dá)到2 960*1 440即2K的像素顯示，使檢測(cè)員在觀測(cè)中不丟失顯示的細(xì)節(jié)。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊也是毒氣檢測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵功能模塊之一，本文選擇的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)存為10 T，由于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)有部分圖像和視頻文件，在存儲(chǔ)模塊的設(shè)計(jì)中還考慮了擴(kuò)展存儲(chǔ)的問(wèn)題，配備了豐富的拓展內(nèi)存接口，可以兼容USB接口、TF接口及其他種類的FLASH接口。如果毒氣檢測(cè)裝置考慮在室外使用，檢測(cè)范圍較大系統(tǒng)還提供了無(wú)線傳輸模塊供選擇，無(wú)線模塊可以選擇安裝在采集測(cè)量模塊和基于離群模糊核聚類算法的氣體數(shù)據(jù)分析模塊內(nèi)部。該無(wú)線模塊還通過(guò)內(nèi)部USB串行通信接口的方式與MCU模塊連接，更易提高系統(tǒng)的檢測(cè)效率。

2 基于離群模糊核聚類算法的毒氣檢測(cè)系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

毒氣檢測(cè)系統(tǒng)采用了模塊化主程序設(shè)計(jì)，系統(tǒng)啟動(dòng)之初先將MCU模塊和離群模糊核聚類分析模塊的原始參數(shù)清零，重新設(shè)定與測(cè)試環(huán)境相匹配的參數(shù)體系。主動(dòng)芯片發(fā)出指令后，系統(tǒng)進(jìn)入初始化狀態(tài)，檢測(cè)各項(xiàng)指標(biāo)是否正常。PID毒氣檢測(cè)系統(tǒng)沒檢測(cè)一次后將全部檢測(cè)數(shù)據(jù)加入系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，如果毒氣采集模塊能夠采集到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)存有的毒氣原始資料是，檢測(cè)過(guò)程可以在幾秒內(nèi)完成。系統(tǒng)初始化后進(jìn)入工作狀態(tài)，毒氣采集模塊分別將毒氣的濃度信息，類別信息傳遞到離群模糊核聚類分析模塊，該模塊調(diào)整端口電壓值及電流、電平數(shù)據(jù)記性A/D轉(zhuǎn)換，變化成MCU模塊能夠讀取和分析的數(shù)字信息。將模塊采集到的毒氣原始數(shù)據(jù)視為一個(gè)在有限模式空間Rn內(nèi)的數(shù)據(jù)集X：

X={x1,x2,......,xn}

(1)

其中任一個(gè)有效數(shù)據(jù)xi都是一個(gè)能夠被量化的模式向量，如果m個(gè)n為數(shù)據(jù)將集合X表示成一個(gè)m×n維矩陣，那么模糊核聚類方法的意義在于能夠按照有效數(shù)據(jù)xi之間的特點(diǎn)重新將這些數(shù)據(jù)分成k個(gè)模糊類，并獲得一個(gè)準(zhǔn)確度最高的毒氣數(shù)據(jù)模糊矩陣Y，Y內(nèi)的全部元素滿足條件yik∈[0,1]，yik表示有效矢量xi的第k類模糊隸屬度，如果設(shè)集合Z={z1,z2,......,zt}是數(shù)據(jù)核聚類模式的原型，那么核聚類算法的最小代價(jià)目標(biāo)函數(shù)ζ(Y,Z)可以表示為：

(2)

其中，τik=‖xi-zi‖表示任一數(shù)據(jù)點(diǎn)到聚類中心的距離。本文提出的基于離群模糊核聚類算法的控制程序軟件，利用Rn空間范圍內(nèi)的非線性函數(shù)f(xi)對(duì)全部樣本投影并得到一組空間向量集f(x1)，f(x2)，......，f(xk)，此時(shí)不同空間內(nèi)的有效數(shù)據(jù)即空間特征向量xi和xj之間的內(nèi)積，可以用核聚類的模式表現(xiàn)出來(lái)：

G(xi,xj)=f(xi)×f(xj)

(3)

按照核方法的總體思想用非線性映射拓展到高維的特征空間，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)特征矢量的進(jìn)一步分類，優(yōu)化后的最小目標(biāo)函數(shù)ζ′(Y,Z)可以表示為：

(4)

式中，ω為有效特征矢量之間的權(quán)重比例，這時(shí)毒氣檢測(cè)系統(tǒng)的模糊隸屬度yik，可以表示為：

(5)

毒氣檢測(cè)中有效數(shù)據(jù)模糊隸屬度的確定，能夠?yàn)樽罱K毒氣類別、濃度、危害程度等指標(biāo)的確定提供最直接的證據(jù)。本文設(shè)計(jì)的基于離群模糊核聚類算法的PID毒氣檢測(cè)的主控程序，如圖4所示。

圖4 PID毒氣檢測(cè)系統(tǒng)主控程序

基于離群模糊核聚類算法主控程序可以按照功能模塊分解為若干了子程序，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)以后，由采集測(cè)量模塊提取的毒氣樣本經(jīng)預(yù)處理后進(jìn)入模糊聚類分析模塊，由于不同溫度條件下的毒氣特征明顯不同，毒氣采集與測(cè)量模塊除了采集不同種類毒氣的特征外，還需要采集到毒氣現(xiàn)場(chǎng)的溫度變化情況，供數(shù)據(jù)綜合處理時(shí)使用。在毒氣采集的子程序中，也需要先將毒氣采集子程序中的各類參數(shù)初始化、函數(shù)復(fù)位、檢測(cè)復(fù)位信號(hào)與返回信號(hào)的靈敏度。子系統(tǒng)初始化后將毒氣和溫度的數(shù)值以二進(jìn)制補(bǔ)碼的形式保存在模塊內(nèi)，并及時(shí)傳遞給毒氣聚類分析模塊和MCU主控芯片。數(shù)據(jù)采集模塊針對(duì)不同的毒氣種類輸出不同的電壓和電平，系統(tǒng)對(duì)采樣毒氣模糊聚類分析處理后將采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)上傳到MCU模塊。MCU主控芯片的嵌入式結(jié)構(gòu)中內(nèi)置了數(shù)據(jù)庫(kù)功能，該部分功能通過(guò)FATFS程序完成，毒氣數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)子程序不僅能夠驅(qū)動(dòng)內(nèi)置的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，還能夠通過(guò)STDIN外置驅(qū)動(dòng)程序，驅(qū)動(dòng)外接的USB、SD等數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備，在讀寫外接的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序前需要先將這些設(shè)備格式化處理和數(shù)據(jù)的A/D轉(zhuǎn)換，以便于數(shù)據(jù)能夠更好第保存。

對(duì)毒氣的類別、濃度信息、危害程度等信息匯總處理后，經(jīng)OLED顯示屏輸出，OLED材質(zhì)的顯示模塊柔性更好，壽命更長(zhǎng)，而且在顯示圖形圖像數(shù)據(jù)時(shí)的清晰度更高。顯示模塊的子程序也需要進(jìn)行初始化處理，清除原有數(shù)據(jù)，顯示模塊具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)操作功能，系統(tǒng)管理員通過(guò)程序輸入，可以調(diào)用自己所需要的數(shù)據(jù)顯示結(jié)果。顯示模塊還能夠進(jìn)行FSMC的時(shí)鐘操作功能及AFIO程序的復(fù)位功能，實(shí)現(xiàn)想系統(tǒng)這些更高級(jí)的編程功能，大都通過(guò)專用的數(shù)據(jù)檢測(cè)函數(shù)程序?qū)崿F(xiàn)，操作人員可以根據(jù)需求輸入main函數(shù)，調(diào)取所需要的關(guān)鍵毒氣檢測(cè)數(shù)據(jù)。毒氣檢測(cè)系統(tǒng)的顯示模塊子程序自帶閾值控制報(bào)警裝置，如果輸出的毒氣指標(biāo)值數(shù)據(jù)超過(guò)了安全范圍，提供設(shè)備的使用者采取措施，控制毒氣源所產(chǎn)生的危害。顯示模塊根據(jù)使用者的要求，可以加裝遠(yuǎn)程報(bào)警系統(tǒng)裝置，通過(guò)無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)向遠(yuǎn)程的使用者做出提示。針對(duì)毒氣的危害性，本文設(shè)計(jì)了一種基于離群模糊核聚類算法的PID毒氣檢測(cè)系統(tǒng)，在檢測(cè)系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)及控制程序的設(shè)計(jì)方面，引入了離群模糊核聚類的思想提高采樣毒氣數(shù)據(jù)的聚類能力。在硬件模塊設(shè)計(jì)上了專門的毒氣源檢測(cè)模塊，以提高對(duì)毒氣類別和濃度信息的識(shí)別能力；在軟件算法流程方面，發(fā)揮了離群模糊核聚類算法在數(shù)據(jù)分類中的優(yōu)勢(shì)，提高毒氣源檢測(cè)的實(shí)際檢測(cè)效果。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及過(guò)程分析

3.1 毒氣檢測(cè)系統(tǒng)主要參數(shù)測(cè)試

系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)前，需要對(duì)毒氣檢測(cè)系統(tǒng)的各個(gè)硬件模塊及運(yùn)行主程序、子程序的功能性進(jìn)行全面測(cè)試。檢測(cè)的主要項(xiàng)目包括毒氣采集模塊的傳感器工作狀態(tài)、毒氣分析模塊工作狀態(tài)、MCU及電源管理模塊的工作狀態(tài)。檢測(cè)低頻信號(hào)的發(fā)生裝置、高頻信號(hào)的輸出裝置、壓控恒流電源、毒氣數(shù)據(jù)輸入、及信號(hào)輸出的疊加電路，最后還需要檢測(cè)電壓的數(shù)字模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換情況，與OLED顯示模塊是否正常。分別試運(yùn)行系統(tǒng)的主控程序與各模塊的子程序，系統(tǒng)采集模塊傳感器的工作頻率，及調(diào)制信號(hào)的檢測(cè)參數(shù)值，如表2所示。

表2 某典試產(chǎn)品測(cè)試數(shù)據(jù)

經(jīng)檢測(cè)系統(tǒng)的主要測(cè)量值與工作狀態(tài)的最優(yōu)參數(shù)值一致，可以實(shí)施毒氣檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。

3.2 毒氣類別檢測(cè)

為驗(yàn)證毒氣檢測(cè)系統(tǒng)的綜合性能，本文分別選擇了五種天然毒氣和五種化學(xué)毒氣，檢測(cè)的毒氣濃度為0.1 mg/m3，選定的10種樣本毒氣源，如表3所示。

表3 毒氣測(cè)試樣本

在密閉的室內(nèi)空間內(nèi)，同時(shí)注入微量上述10種毒氣，檢測(cè)系統(tǒng)能否在10 s時(shí)間內(nèi)檢測(cè)出毒氣，并識(shí)別出具體的毒氣列表，首先用本文設(shè)計(jì)的PID毒氣檢測(cè)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果如圖5所示。

圖5 本文檢測(cè)系統(tǒng)的毒氣類別實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

本文系統(tǒng)在6次檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中全部識(shí)別檢測(cè)出了微量的化學(xué)毒氣，僅在第5次檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)中未識(shí)別出天然毒氣NO。再使用傳統(tǒng)基于光學(xué)原理毒氣檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)分析結(jié)果，如圖6所示。

圖6 傳統(tǒng)基于光學(xué)原理的毒氣類別檢測(cè)結(jié)果

從圖6的毒氣檢測(cè)結(jié)果分布系統(tǒng)可以分析出，傳統(tǒng)毒氣檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)于化學(xué)毒氣的銘感程度更低，尤其是對(duì)于劇毒物質(zhì)HCN和COCl2的檢測(cè)效果更差，總體檢測(cè)效果無(wú)法滿足需求。

3.3 毒氣濃度檢測(cè)

分別在普通空氣背景下和CO2背景下，檢測(cè)毒氣的濃度，實(shí)驗(yàn)毒氣源為C4H8Cl2S，檢測(cè)的結(jié)果分別如表4和表5所示。

表4 空氣背景下毒氣源檢測(cè)結(jié)果

表5 CO2背景下毒氣源檢測(cè)結(jié)果

從兩種氣體背景下對(duì)毒氣源為C4H8Cl2S的濃度檢測(cè)結(jié)果可知，本文檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)結(jié)果更接近于真實(shí)值，而且穩(wěn)定性更好，平均檢測(cè)誤差率可以控制在1.51%和1.98%。綜上分析，提出的基于離群模糊核聚類算法的PID毒氣檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)效果更優(yōu)，精度更高。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種小型的PID毒氣檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是能夠適用于多種天然毒氣和化學(xué)毒氣的同時(shí)混合檢測(cè)。為提高毒氣檢測(cè)精度文中系統(tǒng)應(yīng)用了離群模糊核聚類算法，并在系統(tǒng)中增加了毒氣檢測(cè)分析模塊，以改善對(duì)毒氣數(shù)據(jù)的分類處理能力。本文系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初就考慮到了操作的易用性和人際交互性能，如可以利用基于觸屏的數(shù)據(jù)顯示模塊，增添或修改系統(tǒng)的主程序和各個(gè)模塊的子程序。

當(dāng)前人機(jī)交互和人工智能領(lǐng)域已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)學(xué)科的研究重點(diǎn)，隨著環(huán)境污染情況的加劇，毒氣檢測(cè)重要性不斷提升，毒氣檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)也朝著小型化、智能化的方向發(fā)展。為滿足系統(tǒng)檢測(cè)和人機(jī)交互性能的需要，在未來(lái)毒氣檢測(cè)的系統(tǒng)功能還將會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)，并且會(huì)應(yīng)用到更為廣闊的領(lǐng)域。