基于DSP 的多傳感器信息融合的廚房火災(zāi)檢測系統(tǒng)

黃圓明 徐 澤

(東北林業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150040)

1 廚房火災(zāi)檢測系統(tǒng)的設(shè)計

1.1 檢測系統(tǒng)的設(shè)計背景。隨著社會的快速發(fā)展，人們的生活也因油、電、氣等的使用使生活更加便捷，但方便的同時，有關(guān)設(shè)備的使用可能會導(dǎo)致火災(zāi)的發(fā)生，其中廚房作為火災(zāi)最可能的發(fā)生地，若發(fā)生火災(zāi)，對人身安全和財產(chǎn)安全都會造成很大影響。因此針對這樣的具體問題：對廚房中溫度、氣體的檢測可以判斷廚房當(dāng)前環(huán)境的安全情況，早期預(yù)知火災(zāi)的發(fā)生，并及時準(zhǔn)確報警，從而建立一個安全的居家環(huán)境使十分必要的。

1.2 檢測系統(tǒng)的比較。a.有線型火災(zāi)檢測系統(tǒng)，其控制器和傳感器之間的信號傳輸采用多線型結(jié)構(gòu)，由于線路復(fù)雜，對布線的安裝和維護都很困難，可靠性較低；

b.單參數(shù)傳感器系統(tǒng)多采用感光或感煙探測器，當(dāng)檢測超過設(shè)定的閾值就會發(fā)出報警信號，但這只能檢測出單一方面的數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)可能不準(zhǔn)確。

c.基于總線型的多參數(shù)傳感器系統(tǒng)，信號的傳輸和處理由微處理器或DSP 芯片來實現(xiàn)，降低了系統(tǒng)布線的工作量和難度，可以通過各個單一模塊來對多個傳感器實現(xiàn)數(shù)據(jù)間的聯(lián)系，基于各種數(shù)據(jù)融合算法如BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，可以對信息進行整合篩選，更準(zhǔn)確的給出決策，且容錯性較好

綜上：本設(shè)計選擇基于總線型的多參數(shù)傳感器檢測系統(tǒng)，并將數(shù)據(jù)融合算法加入在信息處理的過程中。

1.3 檢測系統(tǒng)的總體設(shè)計分析。本設(shè)計采用一種TMS320LF2407A 型號的DSP 芯片，也稱數(shù)字信號處理器，它是一種具有將程序和數(shù)據(jù)分開處理功能的微處理器，并且可以將各種數(shù)字信號處理算法快速實現(xiàn)。

在廚房火災(zāi)檢測防護系統(tǒng)中安裝有多種傳感器：火焰?zhèn)鞲衅鳌囟葌鞲衅?、煙霧傳感器、一氧化碳傳感器。這些傳感器組成了廚房火災(zāi)感知系統(tǒng)。為此，我們設(shè)計了一套基于DSP 的多傳感器數(shù)據(jù)采集融合和傳輸系統(tǒng)，以實時地采集和融合多傳感器信息，得出火災(zāi)的可能發(fā)生的狀態(tài)，并把這一狀態(tài)傳輸給報警系統(tǒng)和顯示模塊。所設(shè)計的廚房火災(zāi)檢測防護系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、DSP 處理模塊、CAN 通信模塊組成，如圖1 所示。

1.3.1 數(shù)據(jù)采集模塊采集火焰?zhèn)鞲衅鳌囟葌鞲衅?、煙霧傳感器、一氧化碳傳感器四種傳感器在對應(yīng)物理量下輸出的電壓值的大小，經(jīng)DSP 芯片自帶的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊可以將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，經(jīng)DSP 的數(shù)字I/O 口輸入。

1.3.2 DSP 處理模塊基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進行數(shù)據(jù)的融合處理，給出環(huán)境安全，環(huán)境較安全以及有發(fā)生火災(zāi)的風(fēng)險三種情況，將數(shù)據(jù)融合處理后的狀態(tài)輸送給報警電路，若有發(fā)生火災(zāi)的危險，則由DSP 的PWM輸出引腳所接的蜂鳴器報警。

圖1 總體設(shè)計流程圖

1.3.3 融合處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)CAN 總線將4 個物理量的指標(biāo)狀態(tài)在顯示模塊中顯示，并顯示當(dāng)前環(huán)境的狀態(tài)。由于本系統(tǒng)所采用的TMS320LF2407A 片內(nèi)集成了CAN 控制器，因此可以很方便地將 DSP 控制系統(tǒng)設(shè)計成 CAN 總線上的一個節(jié)點，并且整個設(shè)計只占用 DSP 的兩根 I/O 口線。這樣，TMS320LF2407A 不但可以完成各類控制功能，還可以通過CAN 總線實現(xiàn)通信功能，將各個傳感器所測物理量的實時檢測值和當(dāng)前環(huán)境的狀態(tài)通過顯示裝置顯示出來。

圖2 傳感器檢測電路原理圖

圖3 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多傳感器信息融合

圖4 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練曲線

2 檢測系統(tǒng)的傳感器融合

2.1 傳感器的安裝位置

a.對于火焰?zhèn)鞲衅?，可以安裝在煤氣灶的附近的墻壁上；

b.溫度傳感器也可以安裝在火焰?zhèn)鞲衅鞲浇?，感知廚房的溫度變化；

c.煙霧傳感器和一氧化碳傳感器可以安放在天花析上方，它們所檢測的氣體密度比空氣小，若發(fā)生火災(zāi)，產(chǎn)生的煙霧和一氧化碳會飄向上方。

2.2 四種傳感器原理分析。這四種傳感器均以如圖2 所示的檢測電路為基礎(chǔ)，在傳感器輸出模擬電壓分別達到各自的閾值電壓時，使LED 指示燈亮，告知某一項指標(biāo)達到報警值，但不排除誤報的可能，最后的決策由后面介紹的數(shù)據(jù)融合處理后的輸出值做出。

表1 多種因素對環(huán)境安全性權(quán)重分配

表2 期望值與實際輸出值的對比

由于DSP 芯片有16 個ADC 的模擬輸入口，可以將這四種傳感器輸出的模擬電壓信號接入4 個ADC 轉(zhuǎn)換輸入口將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再經(jīng)DSP 的數(shù)字I/O 口輸入進入數(shù)據(jù)的融合處理部分。

2.3 傳感器信息融合過程

2.3.1 技術(shù)過程。傳感器信息融合是個信息處理的過程，信息融合實際上是對處理復(fù)雜問題的一個模擬過程、對客觀的實物的一種認(rèn)知過程。人類通過感官器官實現(xiàn)對世界的未知問題進行多方位的認(rèn)知和感受，然后將認(rèn)知的信息和數(shù)據(jù)，通過一定的規(guī)則進行處理，進而實現(xiàn)對客觀實物的認(rèn)知，整個過程是一種自適應(yīng)的過程。

對于廚房火災(zāi)檢測防護系統(tǒng)的研究，首先通過相關(guān)傳感器對廚房的火焰、溫度、煙霧濃度、一氧化碳濃度等環(huán)境參數(shù)進行檢測，然后將獲取的數(shù)據(jù)信息經(jīng)過歸一化處理，作為輸入送至神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入端，經(jīng)訓(xùn)練后的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，將對應(yīng)的結(jié)果輸出，如圖3 所示。

BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種學(xué)習(xí)算法，包含了正向和反向傳播數(shù)據(jù)流，分為三層結(jié)構(gòu)：輸入層、隱含層和輸出層，三層之間通過神經(jīng)元相互連接。輸入層的神經(jīng)元接收輸入信號，并將接收到的數(shù)據(jù)傳遞到中間層的各個神經(jīng)單元；隱含層一般為多層結(jié)構(gòu)，一般通過數(shù)據(jù)信息變換能力而改變；輸出層中的神經(jīng)元最終將處理完成的數(shù)據(jù)結(jié)果輸出。本設(shè)計采用基本的三層的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

2.3.2 仿真測試與實驗結(jié)果。本文設(shè)計的智能家居安全系統(tǒng)，采用Matlab 來驗證基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的信息融合在廚房火災(zāi)檢測系統(tǒng)中的有效性和可靠性。根據(jù)室內(nèi)環(huán)境國家標(biāo)準(zhǔn)，我們擬定了對環(huán)境安全影響的指標(biāo)，確定了BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練樣本，將該樣本歸一化得到表1 所示的數(shù)據(jù)。

選用已知期望輸出的樣本作為測試數(shù)據(jù)，測試數(shù)據(jù)，通過訓(xùn)練后，BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練后的曲線如圖4 所示。

將標(biāo)準(zhǔn)期望值與實際輸出值進行對比，對比數(shù)據(jù)如表2 所示。

從表2 中數(shù)據(jù)對比可知，通過BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練得出的結(jié)果來看，期望數(shù)據(jù)與BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實際輸出誤差較小，能夠較為準(zhǔn)確的判斷出廚房安全情況。

3 結(jié)論

本文從火災(zāi)的特征和傳感器信號特點出發(fā)，設(shè)計了一種基于DSP 的多傳感器融合的廚房火災(zāi)檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用4 種可以檢測火災(zāi)發(fā)生的傳感器來探測火災(zāi)的發(fā)生，并用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法方法來處理各傳感器的融合和競爭，較普通傳感器探測系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有更快的探測速度和更明顯的準(zhǔn)備度，且對普通干擾產(chǎn)生誤判斷的概率較低。

該廚房火災(zāi)檢測系統(tǒng)使用了DSP 和CAN 總線技術(shù)，使得系統(tǒng)的可靠性大大提高。較之傳統(tǒng)火災(zāi)檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有準(zhǔn)確度高、反應(yīng)迅速、安全程度高等優(yōu)點，符合安全系統(tǒng)的要求。