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多传感器信息融合技术在气溶胶自动化检测中的应用分析
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2017-10-27
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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.
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.
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