健康管理中多傳感器數(shù)據(jù)融合方法研究

聶增麗 重慶工程學(xué)院電子與物聯(lián)網(wǎng)學(xué)院

引言：近些年來，傳感器技術(shù)獲得了迅速發(fā)展，各種多傳感器信息系統(tǒng)大量涌現(xiàn)，在一個(gè)系統(tǒng)中裝配的傳感器在數(shù)量上和種類上也越來越多。管理信息具有實(shí)時(shí)采集、數(shù)據(jù)龐大，現(xiàn)有數(shù)據(jù)處理和共享交換在功能、性能、可靠性方面已經(jīng)不能提供足夠的支撐。

1.多傳感器數(shù)據(jù)融合概述

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，傳感器技術(shù)日益成熟。多傳感器網(wǎng)絡(luò)可以有效過濾掉測(cè)量中的誤差擾動(dòng)，以獲得比單傳感器更加精確的測(cè)量數(shù)據(jù)。由于健康管理涉及城市管理的水、電、氣、熱等眾多方面，對(duì)象復(fù)雜不好進(jìn)行數(shù)據(jù)融合研究，將選取健康管理中最具代表性的氣體監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中的業(yè)務(wù)情況、傳感設(shè)備、數(shù)據(jù)類型等內(nèi)容為數(shù)據(jù)融合研究的對(duì)象。

2.氣體監(jiān)測(cè)的多傳感器系統(tǒng)特點(diǎn)和控制結(jié)構(gòu)

健康管理擬解決以下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：（1）設(shè)計(jì)研究一個(gè)普遍適用于具有地點(diǎn)分布廣、數(shù)量種類繁多、數(shù)量巨大、采樣頻繁特點(diǎn)的傳感設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸無線傳感網(wǎng)，該網(wǎng)絡(luò)具有可承載傳輸數(shù)據(jù)大，安全性要求高能力。（2）根據(jù)健康管理特點(diǎn)研究一個(gè)高效實(shí)用的多傳感器數(shù)據(jù)融合算法；解決現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備數(shù)據(jù)融合問題。（3）設(shè)計(jì)開發(fā)一組普適便捷的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中間件架構(gòu)及數(shù)據(jù)處理層壓縮算法，可實(shí)現(xiàn)各種標(biāo)簽和傳感器等感知元件與應(yīng)用系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳輸、過濾、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，具有統(tǒng)一的傳感信息接入標(biāo)準(zhǔn)。

3.氣體監(jiān)測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)控制系統(tǒng)

3.1 現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)控制系統(tǒng)

氣體監(jiān)測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)控制系統(tǒng)架構(gòu)氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)借助監(jiān)控終端進(jìn)行日常監(jiān)控，有效抑制安全隱患事故的發(fā)生，從而提高燃?xì)庑袠I(yè)安全管理水平。當(dāng)發(fā)生燃?xì)庑孤r(shí)，系統(tǒng)能夠把相關(guān)報(bào)警信息通過短信發(fā)送給相關(guān)人員。如用戶聯(lián)系人及相關(guān)單位負(fù)責(zé)人；同時(shí)豐臺(tái)區(qū)監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)將報(bào)警信息上傳給市級(jí)監(jiān)測(cè)平臺(tái)。應(yīng)急管理需要覆蓋城市全部轄區(qū)面積，實(shí)現(xiàn)跨部門、跨區(qū)域的統(tǒng)一指揮協(xié)調(diào)，進(jìn)行統(tǒng)一應(yīng)急、聯(lián)合行動(dòng)。

現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)控制系統(tǒng)主要由可燃?xì)怏w報(bào)警控制器、可燃?xì)怏w濃度探測(cè)器、濕度傳感器、緊急事故自動(dòng)切斷閥、防爆軸流風(fēng)機(jī)、二氧化碳濃度傳感器、粉塵濃度傳感器組成，形成一套獨(dú)立的燃?xì)鈭?bào)警控制系統(tǒng)。由于氣體的泄漏會(huì)造成室內(nèi)某個(gè)可燃?xì)怏w傳感器數(shù)值的異常。因此在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)，將各類傳感器分散布于屋內(nèi)，對(duì)每個(gè)可燃?xì)怏w傳感器數(shù)值進(jìn)行監(jiān)測(cè)，出現(xiàn)異常立刻報(bào)警。而其他傳感器用于對(duì)室內(nèi)環(huán)境的一個(gè)評(píng)估，為了減少上傳的數(shù)據(jù)量，系統(tǒng)中采用數(shù)據(jù)融合的方法對(duì)其他種類傳感器數(shù)值進(jìn)行估算。

3.2 氣體監(jiān)測(cè)的多傳感器系統(tǒng)特點(diǎn)

氣體監(jiān)測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)是將大量的具有通信計(jì)算能力的微小傳感路節(jié)點(diǎn)，通過人工部署方式設(shè)置在廚房、氣瓶間等需要監(jiān)測(cè)的監(jiān)控區(qū)域，并自組形成獨(dú)立的智能自治測(cè)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能夠監(jiān)測(cè)、感知和采集各種環(huán)境信息或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息。

因傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量多，節(jié)點(diǎn)設(shè)備部署一般采用規(guī)范方式進(jìn)行安裝，傳感器節(jié)點(diǎn)的位置需預(yù)先設(shè)計(jì)確定；在任意時(shí)刻，節(jié)點(diǎn)間都可通過無線信道連接，形成自組織網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

傳感器節(jié)點(diǎn)間具有很強(qiáng)的協(xié)同能力，通過局部的數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理以及數(shù)據(jù)交互來完成全局任務(wù)。傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種平等的無中心節(jié)點(diǎn)全分布系統(tǒng)。因?yàn)榇罅總鞲衅鞴?jié)點(diǎn)是密集布設(shè)的，傳感器節(jié)點(diǎn)間的距離很短，所以多跳而對(duì)等通信方式比傳統(tǒng)的單跳而主從通信方式更適合在本網(wǎng)絡(luò)中使用，由于每跳的距離較短，收發(fā)器可以在較低的能量級(jí)別上工作。

3.3 氣體監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)傳感器部署

在氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，通常需要獲得試點(diǎn)環(huán)境的整體預(yù)估，以此來評(píng)判試點(diǎn)的危險(xiǎn)程度。因此需要不同種類傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試點(diǎn)內(nèi)的多種變量，此外，在試點(diǎn)當(dāng)中測(cè)量同種變量時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)數(shù)值的偏差。導(dǎo)致偏差的原因有很多種，（如可燃?xì)怏w傳感器距離液化石油氣管道泄漏點(diǎn)近，或者傳感器出現(xiàn)自身故障）為了解決這些問題，采用多傳感器進(jìn)行測(cè)量可以彌補(bǔ)單傳感器測(cè)量時(shí)帶來的準(zhǔn)確度不高，可靠性不強(qiáng)等問題，對(duì)目標(biāo)或者事件的確認(rèn)增加了可信度。

4.結(jié)論

以健康管理中氣體監(jiān)測(cè)傳感設(shè)備為研究對(duì)象，圍繞著多傳感器數(shù)據(jù)融合問題展開討論，結(jié)合氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)多傳感器應(yīng)用特點(diǎn)和控制結(jié)構(gòu)；選擇采用加權(quán)平均數(shù)據(jù)融合算法作為液化氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。以氣體監(jiān)測(cè)傳感數(shù)據(jù)為對(duì)象，研究并設(shè)計(jì)了一套數(shù)據(jù)融合算法，并將該算法應(yīng)用到氣體監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)中，以氣體監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的二氧化碳濃度傳感器為實(shí)驗(yàn)對(duì)象驗(yàn)證算法的可用性。