基于Android的多传感器信息融合技术在气溶胶自动化检测中的应用

admin

引言

气溶胶的检测方法和仪器很多，不同方法及仪器的适应范围不同，各种检测仪器间的信息存在互补性[16].不同仪器采用的协议类型和接口方式不同，给使用和实时检测带来很大不便。气溶胶涵盖的物质种类繁多，成分复杂，单一仪器往往只能采集一个或几个参数。传统方案在多参数数据采集分析系统中的应用加剧了系统的复杂程度，降低了系统的适应性及便捷操作性。

测量气溶胶的空气动力学粒谱仪、积分浊度仪、扫描迁移率粒谱仪、黑碳仪和QTrak Plus室内空气质量监测器能够准确测量不同性质的气溶胶参数，但是各种传感器的测量结果常常出现不一致的情况，因此需要对测量结果进行综合对比分析。气溶胶的几种测量仪器的结果互为补充，通过对比和综合分析，可以得到气溶胶的综合性质，对大气激光传输、辐射传输计算等方面有重要的意义。本文提出的多传感器信息融合方法，将多种仪器采用统一接口方式进行组网，每种仪器独立采集数据互不影响，通过Android平台处理终端对采集的数据进行融合、分析和评价，对观测、分析和融合大气气溶胶数据具有一定的应用价值。

1  多传感器信息融合系统架构

本系统中主要使用5种传感器测量仪器对数据进行采集、存储和分析：

① APS3321型空气动力学粒径谱仪是高性能、多用途的新一代粒子测量仪器，主要用来测量空气动力学粒径（0.5~20 μm）和光散射强度（0.37~20 μm）[2].

② IN3550型积分浊度计主要用来进行长期的可视距离监控和地面及空中空气质量的研究，它能够连续不断地检测空中粒子光散射系数[3].

③ SMPS3936型扫描电迁移率颗粒物粒径谱仪主要用来测量空气中直径在0.01~1 μm范围内的颗粒物粒径[4].

④ QT8554型室内空气品质监测器主要用来测量二氧化碳和一氧化碳的浓度、温度、相对湿度、风速、新风量、估计露点、湿球温度和室外空气百分比等[5].

⑤ AE31型黑碳仪可以同时测量370 nm、470 nm、520 nm、590 nm、660 nm、880 nm和950 nm的黑碳气溶胶质量浓度，提供比较全面的黑碳气溶胶光学吸收性质数据信息[6].

5种测量仪器均支持RS232的接口通信标准，分别通过RS232连接蓝牙模块，ARM 端信息融合应用系统通过蓝牙接收并存储这5种仪器采集的数据。在一个蓝牙微微网中主节点最多可以有7个从节点，并且允许多至256个从节点与主节点保持在休眠状态。蓝牙的发射距离一般为10 m,通过增大发射功率可达100 m.组网方案中采用蓝牙进行组网，完全可以满足短距离无线通信的需要。结合实际情况，整个系统的组网方案设计如图1所示。

图1  多传感器信息融合系统组网方案
ARM平台Android处理终端采用ARM处理器，256 MB 内存，4.3英寸真彩LCD触摸屏，分辨率480×272,方便操作，可清晰显示采集的数据曲线；配备2G SD卡，保证了长时间数据存储；同时，搭载当下最热门的谷歌移动嵌入式操作系统Android2.2.

2  信息融合软件

考虑到信息融合软件的便捷操作和实用性，本信息融合软件主要包括数据接收模块、文件管理模块和设置管理模块。图2为信息融合软件的主界面。

图3为信息融合系统的数据采集主程序流程。

图2  软件主界面

图3  数据采集主程序流程

2.1  数据接收模块

数据接收模块主要实现多传感器数据的接收、数据曲线的绘制和存储。通过继承Android平台下的Service类，建立5个仪器可以同时后台执行的数据采集服务；配合NotificatiON的便捷操作，实现不同仪器数据采集界面的切换。数据接收模块程序流程如图4所示。

图4  数据接收模块程序流程

仪器端蓝牙同ARM端蓝牙建立连接后开始数据传输，信息融合系统开始采集并存储数据，同时绘制数据曲线。图5为5种仪器同时在后台运行的Notification效果图。图6~图10分别为QT8554、APS3321、SMPS3936、IN3550、AE31的实时数据曲线图。

2.2  文件管理模块
文件管理模块主要为查看历史数据文件而设计，提供随时查看、分析历史数据的功能。对历史数据文件的操作主要有数据信息查看和数据信息统计。另外，为了更直观地反映数据的变化趋势，历史数据文件操作模块中采用数据曲线还原方案，再现数据采集过程中的数据曲线，并提供曲线的放大缩小查看模式，便于查看数据变化情况。

图11为数据曲线查看功能的效果图。其中图11（a）为打开曲线查看模式后的初始模式。为便于查看较大数据文件，本软件设计时采用Android下自定义view的形式，设计了查看曲线的picview控件。添加触控操作，可以方便地左右滑动以查看各个阶段的数据。图11（b）显示了向右滑动picview后的效果图。由于数据文件中的数据种类较多，软件中设计了单一数据曲线模式，通过"切换"按钮转换到图11（c）所示效果，并可以通过点击左右箭头实现不同参数曲线间的切换。

图5  Notification效果图

图6  QT8554实时数据曲线图

图7  APS3321实时数据曲线图

图8  SMPS3936实时数据曲线图

图10  AE31实时数据曲线图

图11数据曲线查看功能的效果图

2.3  设置管理模块

设置管理模块主要实现系统相关配置及软件帮助信息的查看等功能。软件中配置信息的存储方式分别采用了Android提供的共享优先数据方法（shared preferences），如文件管理模块中记忆功能开关的配置和在线离线模式切换的配置；Android下标准的SQLite数据库形式，如蓝牙ID信息配置等；基本的文件存储形式，如帮助文件等。

3  数据融合处理

5种仪器采集的数据格式，虽然参数个数不同，但是各种仪器数据均采用ASCII码的形式发送，各个数据间采用逗号分隔。例如，QT8554数据格式：

2010/09/30,19:24:57,555,0.2,28.8,78.4
AE31数据格式：
6Dec10,15:15,15741,14996,14846,14702,14461,14899,14787,…，0.0212,3.0071,0.6,6.565,0.0212,16584,0.0212…
QT8554数据中包含日期、时间和4个测量参数， AE31数据中不仅包含日期、时间和7个测量参数，还包含很多无用参照信息。应对上述情况，在设计时采用了添加数据帧头的形式，通过对帧头中对应信息的判断区分不同仪器数据，提取有效数据。
数据帧头格式为：

其中，00位为保留位；ID为ID号，同信息融合软件中ID配置匹配；Addr为源蓝牙地址；Mode为通信方式，00为polled模式，01为unpolled模式；Type为消息类型，00为指令，01为数据；DS为数据区开始位置；DL为数据长度；VDL为有效数据长度；VDN为有效数据个数。

仪器采集传输的数据中虽然包含很多对实时显示曲线无用的参照及统计信息，但是对后续的分析处理数据还是有重要的价值，因此对数据格式进行归一化处理过程中要确保帧头后数据的完整性。ARM端信息融合软件在接收到格式化的数据后，按相同的格式获取各个位的信息，根据帧头信息及设置模块中的设置信息区分开不同仪器数据。判断完数据的有效性及完整性后，数据首先被完整地存储到磁盘，而后调用相应数据分析模块，进行数据处理显示。

4  总结

多传感器信息融合系统本着能够方便、高效检测气溶胶的原则进行设计，仅选择了5种测量仪器进行数据融合，提高了系统的便携性和移动性。为适应更多的参数测量及日后工作的需要，本系统预留了新增仪器配置模块，提高了系统的适应性。系统中仍有很多功能未能完善，日后工作主要有： 在数据曲线实时绘制及历史曲线查看模块中添加通过单击曲线上任意一点显示该点的数据值的功能，以便查看分析离散数据值；在数据融合中添加算法，排除重复冗余的数据，提取有效的数据，提高系统的效率等。