基于Android的多傳感器信息融合技術(shù)在氣溶膠自動化檢測中的應(yīng)用

引言

氣溶膠的檢測方法和儀器很多，不同方法及儀器的適應(yīng)范圍不同，各種檢測儀器間的信息存在互補性[16].不同儀器采用的協(xié)議類型和接口方式不同，給使用和實時檢測帶來很大不便。氣溶膠涵蓋的物質(zhì)種類繁多，成分復(fù)雜，單一儀器往往只能采集一個或幾個參數(shù)。傳統(tǒng)方案在多參數(shù)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)中的應(yīng)用加劇了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，降低了系統(tǒng)的適應(yīng)性及便捷操作性。

測量氣溶膠的空氣動力學(xué)粒譜儀、積分濁度儀、掃描遷移率粒譜儀、黑碳儀和QTrak Plus室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測器能夠準(zhǔn)確測量不同性質(zhì)的氣溶膠參數(shù)，但是各種傳感器的測量結(jié)果常常出現(xiàn)不一致的情況，因此需要對測量結(jié)果進行綜合對比分析。氣溶膠的幾種測量儀器的結(jié)果互為補充，通過對比和綜合分析，可以得到氣溶膠的綜合性質(zhì)，對大氣激光傳輸、輻射傳輸計算等方面有重要的意義。本文提出的多傳感器信息融合方法，將多種儀器采用統(tǒng)一接口方式進行組網(wǎng)，每種儀器獨立采集數(shù)據(jù)互不影響，通過Android平臺處理終端對采集的數(shù)據(jù)進行融合、分析和評價，對觀測、分析和融合大氣氣溶膠數(shù)據(jù)具有一定的應(yīng)用價值。

1 多傳感器信息融合系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)中主要使用5種傳感器測量儀器對數(shù)據(jù)進行采集、存儲和分析：

① APS3321型空氣動力學(xué)粒徑譜儀是高性能、多用途的新一代粒子測量儀器，主要用來測量空氣動力學(xué)粒徑（0.5~20 μm）和光散射強度（0.37~20 μm）[2].

② IN3550型積分濁度計主要用來進行長期的可視距離監(jiān)控和地面及空中空氣質(zhì)量的研究，它能夠連續(xù)不斷地檢測空中粒子光散射系數(shù)[3].

③ SMPS3936型掃描電遷移率顆粒物粒徑譜儀主要用來測量空氣中直徑在0.01~1 μm范圍內(nèi)的顆粒物粒徑[4].

④ QT8554型室內(nèi)空氣品質(zhì)監(jiān)測器主要用來測量二氧化碳和一氧化碳的濃度、溫度、相對濕度、風(fēng)速、新風(fēng)量、估計露點、濕球溫度和室外空氣百分比等[5].

⑤ AE31型黑碳儀可以同時測量370 nm、470 nm、520 nm、590 nm、660 nm、880 nm和950 nm的黑碳氣溶膠質(zhì)量濃度，提供比較全面的黑碳氣溶膠光學(xué)吸收性質(zhì)數(shù)據(jù)信息[6].

5種測量儀器均支持RS232的接口通信標(biāo)準(zhǔn)，分別通過RS232連接藍牙模塊，ARM 端信息融合應(yīng)用系統(tǒng)通過藍牙接收并存儲這5種儀器采集的數(shù)據(jù)。在一個藍牙微微網(wǎng)中主節(jié)點最多可以有7個從節(jié)點，并且允許多至256個從節(jié)點與主節(jié)點保持在休眠狀態(tài)。藍牙的發(fā)射距離一般為10 m,通過增大發(fā)射功率可達100 m.組網(wǎng)方案中采用藍牙進行組網(wǎng)，完全可以滿足短距離無線通信的需要。結(jié)合實際情況，整個系統(tǒng)的組網(wǎng)方案設(shè)計如圖1所示。

圖1 多傳感器信息融合系統(tǒng)組網(wǎng)方案

ARM平臺Android處理終端采用ARM處理器，256 MB 內(nèi)存，4.3英寸真彩LCD觸摸屏，分辨率480×272,方便操作，可清晰顯示采集的數(shù)據(jù)曲線；配備2G SD卡，保證了長時間數(shù)據(jù)存儲；同時，搭載當(dāng)下最熱門的谷歌移動嵌入式操作系統(tǒng)Android2.2.

2 信息融合軟件

考慮到信息融合軟件的便捷操作和實用性，本信息融合軟件主要包括數(shù)據(jù)接收模塊、文件管理模塊和設(shè)置管理模塊。圖2為信息融合軟件的主界面。

圖3為信息融合系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集主程序流程。

圖2 軟件主界面

圖3 數(shù)據(jù)采集主程序流程

2.1 數(shù)據(jù)接收模塊

數(shù)據(jù)接收模塊主要實現(xiàn)多傳感器數(shù)據(jù)的接收、數(shù)據(jù)曲線的繪制和存儲。通過繼承Android平臺下的Service類，建立5個儀器可以同時后臺執(zhí)行的數(shù)據(jù)采集服務(wù)；配合NotificatiON的便捷操作，實現(xiàn)不同儀器數(shù)據(jù)采集界面的切換。數(shù)據(jù)接收模塊程序流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)接收模塊程序流程

儀器端藍牙同ARM端藍牙建立連接后開始數(shù)據(jù)傳輸，信息融合系統(tǒng)開始采集并存儲數(shù)據(jù)，同時繪制數(shù)據(jù)曲線。圖5為5種儀器同時在后臺運行的Notification效果圖。圖6~圖10分別為QT8554、APS3321、SMPS3936、IN3550、AE31的實時數(shù)據(jù)曲線圖。

2.2 文件管理模塊
文件管理模塊主要為查看歷史數(shù)據(jù)文件而設(shè)計，提供隨時查看、分析歷史數(shù)據(jù)的功能。對歷史數(shù)據(jù)文件的操作主要有數(shù)據(jù)信息查看和數(shù)據(jù)信息統(tǒng)計。另外，為了更直觀地反映數(shù)據(jù)的變化趨勢，歷史數(shù)據(jù)文件操作模塊中采用數(shù)據(jù)曲線還原方案，再現(xiàn)數(shù)據(jù)采集過程中的數(shù)據(jù)曲線，并提供曲線的放大縮小查看模式，便于查看數(shù)據(jù)變化情況。

圖11為數(shù)據(jù)曲線查看功能的效果圖。其中圖11（a）為打開曲線查看模式后的初始模式。為便于查看較大數(shù)據(jù)文件，本軟件設(shè)計時采用Android下自定義view的形式，設(shè)計了查看曲線的picview控件。添加觸控操作，可以方便地左右滑動以查看各個階段的數(shù)據(jù)。圖11（b）顯示了向右滑動picview后的效果圖。由于數(shù)據(jù)文件中的數(shù)據(jù)種類較多，軟件中設(shè)計了單一數(shù)據(jù)曲線模式，通過切換按鈕轉(zhuǎn)換到圖11（c）所示效果，并可以通過點擊左右箭頭實現(xiàn)不同參數(shù)曲線間的切換。

圖5 Notification效果圖

圖6 QT8554實時數(shù)據(jù)曲線圖

圖7 APS3321實時數(shù)據(jù)曲線圖

圖8 SMPS3936實時數(shù)據(jù)曲線圖

圖10 AE31實時數(shù)據(jù)曲線圖

圖11數(shù)據(jù)曲線查看功能的效果圖

2.3 設(shè)置管理模塊

設(shè)置管理模塊主要實現(xiàn)系統(tǒng)相關(guān)配置及軟件幫助信息的查看等功能。軟件中配置信息的存儲方式分別采用了Android提供的共享優(yōu)先數(shù)據(jù)方法（shared preferences），如文件管理模塊中記憶功能開關(guān)的配置和在線離線模式切換的配置；Android下標(biāo)準(zhǔn)的SQLite數(shù)據(jù)庫形式，如藍牙ID信息配置等；基本的文件存儲形式，如幫助文件等。

3 數(shù)據(jù)融合處理

5種儀器采集的數(shù)據(jù)格式，雖然參數(shù)個數(shù)不同，但是各種儀器數(shù)據(jù)均采用ASCII碼的形式發(fā)送，各個數(shù)據(jù)間采用逗號分隔。例如，QT8554數(shù)據(jù)格式：

2010/09/30,19:24:57,555,0.2,28.8,78.4
AE31數(shù)據(jù)格式：
6Dec10,15:15,15741,14996,14846,14702,14461,14899,14787,…，0.0212,3.0071,0.6,6.565,0.0212,16584,0.0212…
QT8554數(shù)據(jù)中包含日期、時間和4個測量參數(shù)， AE31數(shù)據(jù)中不僅包含日期、時間和7個測量參數(shù)，還包含很多無用參照信息。應(yīng)對上述情況，在設(shè)計時采用了添加數(shù)據(jù)幀頭的形式，通過對幀頭中對應(yīng)信息的判斷區(qū)分不同儀器數(shù)據(jù)，提取有效數(shù)據(jù)。
數(shù)據(jù)幀頭格式為：

其中，00位為保留位；ID為ID號，同信息融合軟件中ID配置匹配；Addr為源藍牙地址；Mode為通信方式，00為polled模式，01為unpolled模式；Type為消息類型，00為指令，01為數(shù)據(jù)；DS為數(shù)據(jù)區(qū)開始位置；DL為數(shù)據(jù)長度；VDL為有效數(shù)據(jù)長度；VDN為有效數(shù)據(jù)個數(shù)。

儀器采集傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中雖然包含很多對實時顯示曲線無用的參照及統(tǒng)計信息，但是對后續(xù)的分析處理數(shù)據(jù)還是有重要的價值，因此對數(shù)據(jù)格式進行歸一化處理過程中要確保幀頭后數(shù)據(jù)的完整性。ARM端信息融合軟件在接收到格式化的數(shù)據(jù)后，按相同的格式獲取各個位的信息，根據(jù)幀頭信息及設(shè)置模塊中的設(shè)置信息區(qū)分開不同儀器數(shù)據(jù)。判斷完數(shù)據(jù)的有效性及完整性后，數(shù)據(jù)首先被完整地存儲到磁盤，而后調(diào)用相應(yīng)數(shù)據(jù)分析模塊，進行數(shù)據(jù)處理顯示。

4 總結(jié)

多傳感器信息融合系統(tǒng)本著能夠方便、高效檢測氣溶膠的原則進行設(shè)計，僅選擇了5種測量儀器進行數(shù)據(jù)融合，提高了系統(tǒng)的便攜性和移動性。為適應(yīng)更多的參數(shù)測量及日后工作的需要，本系統(tǒng)預(yù)留了新增儀器配置模塊，提高了系統(tǒng)的適應(yīng)性。系統(tǒng)中仍有很多功能未能完善，日后工作主要有： 在數(shù)據(jù)曲線實時繪制及歷史曲線查看模塊中添加通過單擊曲線上任意一點顯示該點的數(shù)據(jù)值的功能，以便查看分析離散數(shù)據(jù)值；在數(shù)據(jù)融合中添加算法，排除重復(fù)冗余的數(shù)據(jù)，提取有效的數(shù)據(jù)，提高系統(tǒng)的效率等。