基于加權(quán)質(zhì)心算法的氣體源定位系統(tǒng)

鄭艷華 潘新平 林榮列 王婉芝 陸奕海 黃清輝 陳銳賢

摘 要： 為了快速準(zhǔn)確地確定氣體泄漏源的位置，提出基于加權(quán)質(zhì)心算法的氣體源定位法。采用氣敏傳感器對(duì)目標(biāo)區(qū)域的氣體濃度進(jìn)行檢測(cè)，并通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)把收集的數(shù)據(jù)反饋給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器把打包好的數(shù)據(jù)傳遞給主處理器，處理器依靠測(cè)量的結(jié)果計(jì)算出氣體源位置，并可視化顯示。以乙醇蒸汽為實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)氣體，平均定位相對(duì)誤差小于5.9%，驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞： 氣敏傳感器； 加權(quán)質(zhì)心算法； STM32處理器； ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)； 氣體源定位； 相對(duì)誤差

中圖分類號(hào)： TN99?34； TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）11?0073?04

Gas source location system based on weighted centroid algorithm

ZHENG Yanhua， PAN Xinping， LIN Ronglie， WANG Wanzhi， LU Yihai， HUANG Qinghui， CHEN Ruixian

（School of Physics and Electronic Engineering， Guangzhou University， Guangzhou 510006， China）

Abstract： The gas source location method based on weighted centroid algorithm is proposed to determine the position of gas leakage source quickly and accurately. The gas sensor is used to detect the gas concentration of the target area. The wireless sensor network is used to feed the collected data back to the coordinator. The data after packaging is transmit to the main processor by means of the coordinator. The processor can calculate the gas source location for visual display according to the measured results. The experiment of taking the ethanol vapor as the target gas is performed， which can prove that the average relative error of location is less than 5.9%， and the gas source position algorithm is correct.

Keywords： gas sensor； weighted centroid algorithm； STM32 processor； ZigBee wireless sensor network； gas source position； relative error

隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，存儲(chǔ)氣體的倉(cāng)庫(kù)越來(lái)越多，當(dāng)發(fā)生意外事件導(dǎo)致氣體發(fā)生泄漏，或者一些工廠的有毒危險(xiǎn)氣體發(fā)生偷排時(shí)，如不能及時(shí)尋找泄漏的地點(diǎn)，將給人們的生活和安全帶來(lái)極大的隱患[1?4]。從20世紀(jì)60年代開(kāi)始就有眾多研究人員對(duì)危險(xiǎn)氣體的擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行了研究?，F(xiàn)有的氣體擴(kuò)散模型主要有高斯模型、BM 模型、FEM3模型、箱及相似模型、三維現(xiàn)象傳遞模型、淺層模型以及板塊模型等[5?9]。上述模型都有各自的局限性，不同的擴(kuò)散模型適用于不同類型的氣體。只有通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試才能找出特定氣體泄漏規(guī)律適用的模型[9?10]。本文利用傳感器網(wǎng)絡(luò)和加權(quán)質(zhì)心算法對(duì)氣體進(jìn)行定位研究，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 氣體擴(kuò)散模型

在無(wú)風(fēng)連續(xù)泄漏點(diǎn)源的擴(kuò)散模型中，由菲克擴(kuò)散定律可知[11]，擴(kuò)散過(guò)程中濃度隨時(shí)間的變化率等于該處的擴(kuò)散通量隨距離變化率的負(fù)值。進(jìn)而得經(jīng)典的擴(kuò)散方程：

[?C?t+u?C?x=Kx?2C?x2+Ky?2C?y2+Kz?2C?z2] （1）

式中：[C]為[C（x，y，z，t）]，表示[t]時(shí)刻[（x，y，z）]處氣體濃度，單位為mg/m3；[u]表示風(fēng)速，單位為m/s；[t]表示泄漏氣體擴(kuò)散時(shí)間，單位為s；[Kx，Ky，Kz]分別表示[x，y，z]軸方向上的湍流擴(kuò)散系數(shù)，單位為m2/s。

當(dāng)氣體恒以泄漏速度[Q]在[t0]時(shí)刻開(kāi)始擴(kuò)散，[Kx=Ky=Kz=K]，風(fēng)速[u=]0時(shí)，并設(shè)氣體泄漏源與坐標(biāo)系原點(diǎn)重合，則無(wú)風(fēng)連續(xù)泄漏點(diǎn)源的擴(kuò)散模型可簡(jiǎn)化為微分方程：

[?C?t=K?2C?x2+?2C?y2+?2C?z2] （2）

在初始條件[x=y=z=0]，[C→∞]和邊界條件[x=y=z=]0，[C→∞]下的解為：

[C（x，y，z，t）=Q4Kπd2πd2K（t-t0）∞e-?2d?] （3）

這里用[d]表示測(cè)量點(diǎn)到源點(diǎn)的距離。

又因研究的是穩(wěn)態(tài)下的模型，即達(dá)到平衡狀態(tài)，等價(jià)于[t→∞]時(shí)的情況，這時(shí)有：

[2πd2K（t-t0）∞e-?2d?=1] （4）

而在穩(wěn)態(tài)下，濃度僅是位置的函數(shù)，與時(shí)間[t]無(wú)關(guān)，定義[P=QK]為環(huán)境場(chǎng)源參數(shù)，所以式（3）轉(zhuǎn)化為：

[C（x，y，z）=P4πd] （5）

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。在終端處包括ZigBee節(jié)點(diǎn)和氣敏傳感器；在客戶端處包括STM32F407核心處理器、SD卡模塊、溫度傳感器和TFT觸摸顯示屏。每個(gè)節(jié)點(diǎn)配置2個(gè)氣敏傳感器，通過(guò)節(jié)點(diǎn)處自身的CC2530處理器使用內(nèi)部ADC采集氣敏傳感器的電壓，把數(shù)據(jù)傳遞到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器把每個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)按順序打包壓縮，通過(guò)串口通信發(fā)送到STM32F407處理器。STM32通過(guò)中斷接收到串口傳遞的數(shù)據(jù)，再根據(jù)定位算法進(jìn)行信號(hào)處理，將狀態(tài)信息和處理的結(jié)果保存在SD卡內(nèi)并在TFT屏幕上實(shí)時(shí)顯示。

本實(shí)驗(yàn)采用FIGARO公司設(shè)計(jì)的酒精傳感器TGS2620。為了使輸入阻抗同其匹配，因而在傳感器模擬量輸出口加入跟隨器MCP6022，高阻抗信號(hào)輸入跟隨器阻抗變換后，輸出和A/D相匹配的低阻抗信號(hào)，將輸入對(duì)A/D的影響降至最低，提高對(duì)負(fù)載電阻電壓的采樣精度。

ZigBee節(jié)點(diǎn)的控制芯片使用TI公司的CC2530，內(nèi)部集成了以8051內(nèi)核為處理器和高性能的射頻收發(fā)器，內(nèi)置8通道12位A/D轉(zhuǎn)換器、看門(mén)狗和睡眠定時(shí)器等。其UART0引腳是P0_2，P0_3，用于和外部芯片進(jìn)行通信，本實(shí)驗(yàn)用其與核心處理器STM32串口通信。

中央控制器采用STM32F407單片機(jī)，可以運(yùn)行μC/OS等實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和GUI圖形庫(kù)。而且其自帶的FSMC復(fù)用接口、SDIO接口和USB HOST接口有利于本設(shè)計(jì)高效快速地刷新TFT顯示和讀取SD卡/U盤(pán)文件。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的搭建、數(shù)據(jù)的采集與接收、數(shù)據(jù)處理方法和用戶界面設(shè)計(jì)4個(gè)部分。

3.1 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的搭建

系統(tǒng)上電后，協(xié)調(diào)器開(kāi)始工作，首先硬件以及軟件架構(gòu)的各模塊初始化，建立傳感器網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器完成初始化工作后就處于等待狀態(tài)，當(dāng)收到其他節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求入網(wǎng)時(shí)，允許該節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)并且為該節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)地址，其流程圖如圖2所示。一般來(lái)說(shuō)，協(xié)調(diào)器的初始化工作包括硬件初始化、接口初始化以及軟件架構(gòu)各模塊的初始化。

3.2 數(shù)據(jù)的采集、傳送和接收

終端傳感器節(jié)點(diǎn)最重要的功能便是采集現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)并且發(fā)送給協(xié)調(diào)器。根據(jù)終端傳感器節(jié)點(diǎn)的功能，可以將其軟件設(shè)計(jì)分為五個(gè)部分：系統(tǒng)初始化、時(shí)間同步、數(shù)據(jù)采集、傳輸以及睡眠。終端傳感器節(jié)點(diǎn)工作流程圖如圖3所示。

終端節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中除了選擇數(shù)據(jù)傳輸路徑、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包、延長(zhǎng)通信距離外還有一個(gè)功能是網(wǎng)絡(luò)管理，維護(hù)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的正常工作。終端節(jié)點(diǎn)上電后，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)便請(qǐng)求入網(wǎng)并與第一個(gè)響應(yīng)它的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)綁定，然后作為網(wǎng)絡(luò)中的路由節(jié)點(diǎn)等待其他的節(jié)點(diǎn)加入。

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)收到終端傳感器節(jié)點(diǎn)與路由節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息后，通過(guò)數(shù)據(jù)包解析確定該數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)信息后，通過(guò)串口上傳給核心處理器。

3.3 基于加權(quán)質(zhì)心定位算法

定位算法步驟如下：

1） 設(shè)傳感器[i]的位置已知，為[（xi，yi，zi）]，測(cè)量濃度為[Ci，]則傳感器的權(quán)重為[qi=Cii=1nCi]，[n]為參與定位傳感器的個(gè)數(shù)。

可得預(yù)測(cè)的源點(diǎn)坐標(biāo)[（x，y，z）]為：

[x=i=1nxiqi=i=1nxiCii=1nCiy=i=1nyiqi=i=1nyiCii=1nCiz=i=1nziqi=i=1nziCii=1nCi] （6）

2） 求出各傳感器節(jié)點(diǎn)[（xi，yi，zi）]到預(yù)測(cè)源點(diǎn)[（x，y，z）]的距離[di]，由式（5）可得氣體環(huán)境場(chǎng)源參數(shù)：

[Pi=4πdiCi] （7）

最終，氣體環(huán)境場(chǎng)源參數(shù)可取為：

[P0=1ni=1nPi] （8）

3） 以初步定位坐標(biāo)[（x，y，z）]為中心，以定位區(qū)域邊長(zhǎng)的10%為邊長(zhǎng)畫(huà)出一個(gè)矩形區(qū)域作為精細(xì)定位區(qū)域，將此區(qū)域劃分為邊長(zhǎng)為1 cm的網(wǎng)格，格點(diǎn)坐標(biāo)記為[（x，y，z）]。

4） 將由初步定位中預(yù)測(cè)所得的環(huán)境場(chǎng)源參數(shù)[P0]及測(cè)得的濃度值[Ci]代入式（6）分別計(jì)算理想源點(diǎn)[（x，y，z）]和每個(gè)格點(diǎn)[（x，y，z）]到各傳感器節(jié)點(diǎn)[（xi，yi，zi）]的距離[di]和[d′i]，記誤差為[E=i=1nd′i-di]。

5） 遍歷格點(diǎn)[（x，y，z）]，尋找使得[E]取最小值的格點(diǎn)，其坐標(biāo)[（x，y，z）]即為精細(xì)定位結(jié)果。

3.4 用戶界面設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用ST_emWin圖形庫(kù)實(shí)現(xiàn)GUI界面。操作界面一共有5個(gè)應(yīng)用窗口，分別是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集窗口、濃度變化曲線窗口、定位結(jié)果二維平面顯示窗口、系統(tǒng)信息設(shè)置窗口和SD卡文件管理窗口。

4 氣體源定位實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

氣體源定位實(shí)驗(yàn)在25 m×10 m的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，密封實(shí)驗(yàn)室門(mén)窗，形成相對(duì)穩(wěn)定的密閉實(shí)驗(yàn)環(huán)境。在直徑為9 cm的容器內(nèi)倒入25 ml的酒精形成乙醇蒸汽源。傳感器陣列等距離放置在正方形四邊。檢測(cè)區(qū)域面積分別為2 m×2 m，3 m×3 m和4 m×4 m。在相同的檢測(cè)區(qū)域下改變氣體源坐標(biāo)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與誤差如表1所示（[誤差=定位結(jié)果坐標(biāo)到實(shí)際坐標(biāo)的距離檢測(cè)區(qū)域的邊長(zhǎng)]）。

系統(tǒng)每5 s采集數(shù)據(jù)并定位計(jì)算，結(jié)果以二維平面坐標(biāo)顯示在用戶界面上。定位結(jié)果如圖4所示，檢測(cè)區(qū)域?yàn)? m×3 m，氣體源坐標(biāo)為（2.50，1.20） m，2次計(jì)算結(jié)果分別為（2.47，1.34） m和（2.65，1.23） m。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，由保存在SD卡的坐標(biāo)數(shù)據(jù)得到的定位坐標(biāo)效果如圖5所示。

系統(tǒng)在開(kāi)始定位階段，氣體源還未真正擴(kuò)散，每個(gè)傳感器測(cè)量的濃度都很低且相近，根據(jù)定位算法特性，系統(tǒng)定位的結(jié)果為檢測(cè)區(qū)域的正中心周圍。隨著氣體源的泄漏，靠近氣體源的傳感器濃度慢慢增大，計(jì)算的定位結(jié)果往氣體源點(diǎn)坐標(biāo)靠近。在氣體擴(kuò)散過(guò)程的后期階段，源頭的酒精量減少，場(chǎng)源減弱，濃度下降，則定位結(jié)果靠近傳感器陣列的幾何中心。

在圖4中，靠右較大的二維平面圖是整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中定位計(jì)算結(jié)果顯示，左上角小圖是第1 143次定位計(jì)算的結(jié)果坐標(biāo)顯示。在整個(gè)定位過(guò)程中，因?yàn)殚_(kāi)始階段和后期階段測(cè)量濃度很低，導(dǎo)致定位結(jié)果靠近檢測(cè)區(qū)域的中心，不是真正定位結(jié)果。圖5坐標(biāo)顯示的是去除開(kāi)始和后期階段數(shù)據(jù)，紅色小方點(diǎn)是整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程定位計(jì)算的結(jié)果，綠色菱形點(diǎn)是整個(gè)過(guò)程定位計(jì)算結(jié)果的平均值，藍(lán)色大方格點(diǎn)是氣體源坐標(biāo)點(diǎn)。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文基于加權(quán)質(zhì)心算法和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)氣體源坐標(biāo)進(jìn)行定位。同時(shí)設(shè)計(jì)了分布式氣敏傳感器陣列以及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集數(shù)據(jù)，并使用ST?ewMin圖形庫(kù)設(shè)計(jì)用戶界面，讓定位結(jié)果以直觀的二維平面顯示。本實(shí)驗(yàn)以酒精蒸汽為目標(biāo)氣體在密閉實(shí)驗(yàn)室下進(jìn)行氣體源定位實(shí)驗(yàn)。結(jié)果證明本系統(tǒng)在一定檢測(cè)區(qū)域內(nèi)能夠進(jìn)行定位，說(shuō)明了本系統(tǒng)的可靠性。

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