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(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(jìn)行綜合對比分析。氣溶膠的幾種測量儀器的結(jié)果互為補(bǔ)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(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Android" title="Android">Android平臺處理終端對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)行采集、存儲和分析：

　?、?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(qiáng)度（0.37~20 μm）［2］。

　　② IN3550型積分濁度計(jì)主要用來進(jìn)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(jì)露點(diǎn)、濕球溫度和室外空氣百分比等［5］。

　?、?AE31型黑碳儀可以同時測量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種測量儀器均支持RS232的接口通信標(biāo)準(zhǔn)，分別通過RS232連接藍(lán)牙模塊，ARM 端信息融合應(yīng)用系統(tǒng)通過藍(lán)牙接收并存儲這5種儀器采集的數(shù)據(jù)。在一個藍(lán)牙微微網(wǎng)中主節(jié)點(diǎn)最多可以有7個從節(jié)點(diǎn)，并且允許多至256個從節(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線通信的需要。結(jié)合實(shí)際情況，整個系統(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(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。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(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(yùn)行的Notification效果圖。圖6~圖10分別為QT8554、APS3321、SMPS3936、IN3550、AE31的實(shí)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(jì)，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(jì)。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(jì)時采用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(jì)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(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)時數(shù)據(jù)曲線圖

　　圖7 APS3321實(shí)時數(shù)據(jù)曲線圖

　　圖8 SMPS3936實(shí)時數(shù)據(jù)曲線圖

　　圖9 IN3550實(shí)時數(shù)據(jù)曲線圖

　　圖10 AE31實(shí)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(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(lán)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(jì)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(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(shí)時顯示曲線無用的參照及統(tǒng)計(jì)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(jìn)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(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、高效檢測氣溶膠的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，僅選擇了5種測量儀器進(jìn)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(shí)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(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。

　　參考文獻(xiàn)

　?。?］ 毛節(jié)泰，張軍華，王美華。中國大氣氣溶膠研究綜述［J］。氣象學(xué)報(bào)，2002，60（5）： 625631.

　　［2］ TSI. Model 3321 Aerodynamic ParticleSizer Spectrometer InSTruction Manual，2002.

　?。?］ TSI. Model 3550/3563 Integrating Nephelometer Operation and Service Manual，2002.

　?。?］ TSI. Model 3936 Scanning Mobility Particle Sizer Instruction Manual，2002.

　?。?］ TSI. Model 8552/8554 QTRAKTM Plus IAQ Monitor Operation and Service Manual，2006.

　?。?］ Magee Scientific Company. The Aethalometer Operating Manual，2005.

　　周海洋（碩士研究生），主要從事光電測試技術(shù)的研究；李保生（副研究員），主要從事光電檢測、氣溶膠測量等方面的研究；劉志?。ǜ苯淌冢?，從事光電檢測和光學(xué)設(shè)計(jì)的研究。