引言
氣溶膠的檢測(cè)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(cè)儀器間的信息存在互補(bǔ)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(shí)時(shí)檢測(cè)帶來(lái)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(gè)或幾個(gè)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(cè)量氣溶膠的空氣動(dòng)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(cè)器能夠準(zhǔn)確測(cè)量不同性質(zhì)的氣溶膠參數(shù),，但是各種傳感器的測(cè)量結(jié)果常常出現(xiàn)不一致的情況，因此需要對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行綜合對(duì)比分析,。氣溶膠的幾種測(cè)量?jī)x器的結(jié)果互為補(bǔ)充,，通過(guò)對(duì)比和綜合分析，可以得到氣溶膠的綜合性質(zhì),，對(duì)大氣激光傳輸,、輻射傳輸計(jì)算等方面有重要的意義。本文提出的多傳感器" title="多傳感器">多傳感器信息融合" title="信息融合">信息融合方法,，將多種儀器采用統(tǒng)一接口方式進(jìn)行組網(wǎng),，每種儀器獨(dú)立采集數(shù)據(jù)互不影響，通過(guò)Android" title="Android">Android平臺(tái)處理終端對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合、分析和評(píng)價(jià),，對(duì)觀測(cè),、分析和融合大氣氣溶膠數(shù)據(jù)具有一定的應(yīng)用價(jià)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(cè)量?jī)x器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,、存儲(chǔ)和分析：
?、?APS3321型空氣動(dòng)力學(xué)粒徑譜儀是高性能、多用途的新一代粒子測(cè)量?jī)x器,，主要用來(lái)測(cè)量空氣動(dòng)力學(xué)粒徑（0.5~20 μm）和光散射強(qiáng)度（0.37~20 μm）［2］,。
② IN3550型積分濁度計(jì)主要用來(lái)進(jìn)行長(zhǎng)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(cè)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(lái)測(cè)量空氣中直徑在0.01~1 μm范圍內(nèi)的顆粒物粒徑［4］,。
?、?QT8554型室內(nèi)空氣品質(zhì)監(jiān)測(cè)器主要用來(lái)測(cè)量二氧化碳和一氧化碳的濃度、溫度,、相對(duì)濕度,、風(fēng)速、新風(fēng)量,、估計(jì)露點(diǎn)、濕球溫度和室外空氣百分比等［5］,。
?、?AE31型黑碳儀可以同時(shí)測(cè)量370 nm、470 nm,、520 nm,、590 nm、660 nm,、880 nm和950 nm的黑碳?xì)馊苣z質(zhì)量濃度,，提供比較全面的黑碳?xì)馊苣z光學(xué)吸收性質(zhì)數(shù)據(jù)信息［6］。
5種測(cè)量?jī)x器均支持RS232的接口通信標(biāo)準(zhǔn),，分別通過(guò)RS232連接藍(lán)牙模塊,，ARM 端信息融合應(yīng)用系統(tǒng)通過(guò)藍(lán)牙接收并存儲(chǔ)這5種儀器采集的數(shù)據(jù)。在一個(gè)藍(lán)牙微微網(wǎng)中主節(jié)點(diǎn)最多可以有7個(gè)從節(jié)點(diǎn),，并且允許多至256個(gè)從節(jié)點(diǎn)與主節(jié)點(diǎn)保持在休眠狀態(tài),。藍(lán)牙的發(fā)射距離一般為10 m，通過(guò)增大發(fā)射功率可達(dá)100 m.組網(wǎng)方案中采用藍(lán)牙進(jìn)行組網(wǎng),，完全可以滿足短距離無(wú)線通信的需要,。結(jié)合實(shí)際情況，整個(gè)系統(tǒng)的組網(wǎng)方案設(shè)計(jì)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(tái)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(zhǎng)時(shí)間數(shù)據(jù)存儲(chǔ),；同時(shí)，搭載當(dāng)下最熱門(mén)的谷歌移動(dòng)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(shí)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(shí)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(chǔ),。通過(guò)繼承Android平臺(tái)下的Service類,，建立5個(gè)儀器可以同時(shí)后臺(tái)執(zhí)行的數(shù)據(jù)采集服務(wù)；配合NotificatiON的便捷操作,，實(shí)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(lán)牙同ARM端藍(lán)牙建立連接后開(kāi)始數(shù)據(jù)傳輸,，信息融合系統(tǒng)開(kāi)始采集并存儲(chǔ)數(shù)據(jù),，同時(shí)繪制數(shù)據(jù)曲線。圖5為5種儀器同時(shí)在后臺(tái)運(yùn)行的Notification效果圖,。圖6~圖10分別為QT8554,、APS3321、SMPS3936,、IN3550,、AE31的實(shí)時(shí)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(jì),，提供隨時(shí)查看,、分析歷史數(shù)據(jù)的功能。對(duì)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(jì),。另外,，為了更直觀地反映數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)，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(guò)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(kāi)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(jì)時(shí)采用Android下自定義view的形式,，設(shè)計(jì)了查看曲線的picview控件,。添加觸控操作，可以方便地左右滑動(dòng)以查看各個(gè)階段的數(shù)據(jù),。圖11（b）顯示了向右滑動(dòng)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(jì)了單一數(shù)據(jù)曲線模式,，通過(guò)“切換”按鈕轉(zhuǎn)換到圖11（c）所示效果,，并可以通過(guò)點(diǎn)擊左右箭頭實(shí)現(xiàn)不同參數(shù)曲線間的切換。
圖5 Notification效果圖
圖6 QT8554實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線圖
圖7 APS3321實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線圖
圖8 SMPS3936實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線圖
圖9 IN3550實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線圖
圖10 AE31實(shí)時(shí)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(shí)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(chǔ)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(kāi)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(kù)形式,，如藍(lán)牙ID信息配置等,；基本的文件存儲(chǔ)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(gè)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(gè)數(shù)據(jù)間采用逗號(hào)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：
6Dec10,，15:15,，15741，14996,，14846,，14702，14461,，14899,，14787，…，0.0212,，3.0071,，0.6，6.565,，0.0212,，16584，0.0212…
QT8554數(shù)據(jù)中包含日期,、時(shí)間和4個(gè)測(cè)量參數(shù),， AE31數(shù)據(jù)中不僅包含日期、時(shí)間和7個(gè)測(cè)量參數(shù),，還包含很多無(wú)用參照信息,。應(yīng)對(duì)上述情況，在設(shè)計(jì)時(shí)采用了添加數(shù)據(jù)幀頭的形式,，通過(guò)對(duì)幀頭中對(duì)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(hào)，同信息融合軟件中ID配置匹配,；Addr為源藍(lán)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(kāi)始位置；DL為數(shù)據(jù)長(zhǎng)度,；VDL為有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度,；VDN為有效數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。
儀器采集傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中雖然包含很多對(duì)實(shí)時(shí)顯示曲線無(wú)用的參照及統(tǒng)計(jì)信息,，但是對(duì)后續(xù)的分析處理數(shù)據(jù)還是有重要的價(jià)值,，因此對(duì)數(shù)據(jù)格式進(jìn)行歸一化處理過(guò)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(gè)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(kāi)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(chǔ)到磁盤(pán),，而后調(diào)用相應(yīng)數(shù)據(jù)分析模塊,，進(jìn)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(cè)氣溶膠的原則進(jìn)行設(shè)計(jì),，僅選擇了5種測(cè)量?jī)x器進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，提高了系統(tǒng)的便攜性和移動(dòng)性,。為適應(yīng)更多的參數(shù)測(cè)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(shí)時(shí)繪制及歷史曲線查看模塊中添加通過(guò)單擊曲線上任意一點(diǎn)顯示該點(diǎn)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,。
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周海洋（碩士研究生），主要從事光電測(cè)試技術(shù)的研究,；李保生（副研究員）,，主要從事光電檢測(cè)、氣溶膠測(cè)量等方面的研究,；劉志?。ǜ苯淌冢?，從事光電檢測(cè)和光學(xué)設(shè)計(jì)的研究。