基于Android的多傳感器信息融合技術應用＊

周海洋，肖新，李保生，劉志健，黃印博

（1.合肥工業大學 儀器科學與光電工程學院，合肥230009；2.中國科學院安徽光學精密機械研究所）

周海洋（碩士研究生），主要從事光電測試技術的研究；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；劉志健（副教授），從事光電檢測和光學設計的研究。

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范圍不同，各種檢測儀器間的信息存在互補性［1－6］。不同儀器采用的協議類型和接口方式不同，給使用和實時檢測帶來很大不便。氣溶膠涵蓋的物質種類繁多，成分復雜，單一儀器往往只能采集一個或幾個參數。傳統方案在多參數數據采集分析系統中的應用加劇了系統的復雜程度，降低了系統的適應性及便捷操作性。

測量氣溶膠的空氣動力學粒譜儀、積分濁度儀、掃描遷移率粒譜儀、黑碳儀和Q－Trak Plus室內空氣質量監測器能夠準確測量不同性質的氣溶膠參數，但是各種傳感器的測量結果常常出現不一致的情況，因此需要對測量結果進行綜合對比分析。氣溶膠的幾種測量儀器的結果互為補充，通過對比和綜合分析，可以得到氣溶膠的綜合性質，對大氣激光傳輸、輻射傳輸計算等方面有重要的意義。本文提出的多傳感器信息融合方法，將多種儀器采用統一接口方式進行組網，每種儀器獨立采集數據互不影響，通過Android平臺處理終端對采集的數據進行融合、分析和評價，對觀測、分析和融合大氣氣溶膠數據具有一定的應用價值。

1 多傳感器信息融合系統架構

本系統中主要使用5種傳感器測量儀器對數據進行采集、存儲和分析：

①APS－3321型空氣動力學粒徑譜儀是高性能、多用途的新一代粒子測量儀器，主要用來測量空氣動力學粒徑（0.5～20μm）和光散射強度（0.37～20μm）［2］。

②ⅠN－3550型積分濁度計主要用來進行長期的可視距離監控和地面及空中空氣質量的研究，它能夠連續不斷地檢測空中粒子光散射系數［3］。

③SMPS－3936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0.01～1μm范圍內的顆粒物粒徑［4］。

④QT－8554型室內空氣品質監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、風速、新風量、估計露點、濕球溫度和室外空氣百分比等［5］。

⑤AE－31型黑碳儀可以同時測量370nm、470nm、520nm、590nm、660nm、880nm和950nm的黑碳氣溶膠質量濃度，提供比較全面的黑碳氣溶膠光學吸收性質數據信息［6］。

5種測量儀器均支持RS232的接口通信標準，分別通過RS232連接藍牙模塊，ARM端信息融合應用系統通過藍牙接收并存儲這5種儀器采集的數據。在一個藍牙微微網中主節點最多可以有7個從節點，并且允許多至256個從節點與主節點保持在休眠狀態。藍牙的發射距離一般為10m，通過增大發射功率可達100m。組網方案中采用藍牙進行組網，完全可以滿足短距離無線通信的需要。結合實際情況，整個系統的組網方案設計如圖1所示。

圖1 多傳感器信息融合系統組網方案

ARM平臺Android處理終端采用ARM處理器，256 MB內存，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據曲線；配備2GSD卡，保證了長時間數據存儲；同時，搭載當下最熱門的谷歌移動嵌入式操作系統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用性，本信息融合軟件主要包括數據接收模塊、文件管理模塊和設置管理模塊。圖2為信息融合軟件的主界面。

圖3為信息融合系統的數據采集主程序流程。

2.1 數據接收模塊

數據接收模塊主要實現多傳感器數據的接收、數據曲線的繪制和存儲。通過繼承Android平臺下的Service類，建立5個儀器可以同時后臺執行的數據采集服務；配合Notification的便捷操作，實現不同儀器數據采集界面的切換。數據接收模塊程序流程如圖4所示。

儀器端藍牙同ARM端藍牙建立連接后開始數據傳輸，信息融合系統開始采集并存儲數據，同時繪制數據曲線。圖5為5種儀器同時在后臺運行的Notification效果圖。圖 6～ 圖 10 分 別 為 QT－8554、APS－3321、SMPS－3936、ⅠN－3550、AE－31的實時數據曲線圖。

2.2 文件管理模塊

文件管理模塊主要為查看歷史數據文件而設計，提供隨時查看、分析歷史數據的功能。對歷史數據文件的操作主要有數據信息查看和數據信息統計。另外，為了更直觀地反映數據的變化趨勢，歷史數據文件操作模塊中采用數據曲線還原方案，再現數據采集過程中的數據曲線，并提供曲線的放大縮小查看模式，便于查看數據變化情況。

圖11為數據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。為便于查看較大數據文件，本軟件設計時采用Android下自定義view的形式，設計了查看曲線的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據。圖11（b）顯示了向右滑動picview后的效果圖。由于數據文件中的數據種類較多，軟件中設計了單一數據曲線模式，通過“切換”按鈕轉換到圖11（c）所示效果，并可以通過點擊左右箭頭實現不同參數曲線間的切換。

圖2 軟件主界面

圖3 數據采集主程序流程

圖4 數據接收模塊程序流程

圖5 Notification效果圖

圖6 QT－8554實時數據曲線圖

圖7 APS－3321實時數據曲線圖

圖8 SMPS－3936實時數據曲線圖

圖9 IN－3550實時數據曲線圖

圖10 AE－31實時數據曲線圖

圖11 數據曲線查看功能的效果圖

2.3 設置管理模塊

設置管理模塊主要實現系統相關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提供的共享優先數據方法（shared preferences），如文件管理模塊中記憶功能開關的配置和在線離線模式切換的配置；Android下標準的SQLite數據庫形式，如藍牙ⅠD信息配置等；基本的文件存儲形式，如幫助文件等。

3 數據融合處理

5種儀器采集的數據格式，雖然參數個數不同，但是各種儀器數據均采用ASCⅠⅠ碼的形式發送，各個數據間采用逗號分隔。例如，QT－8554數據格式：

AE－31數據格式：

QT－8554數據中包含日期、時間和4個測量參數，AE－31數據中不僅包含日期、時間和7個測量參數，還包含很多無用參照信息。應對上述情況，在設計時采用了添加數據幀頭的形式，通過對幀頭中對應信息的判斷區分不同儀器數據，提取有效數據。

數據幀頭格式為：

00ⅠD Addr Mode Type DS DL VDL VDN 00 00

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為數據；DS為數據區開始位置；DL為數據長度；VDL為有效數據長度；VDN為有效數據個數。

儀器采集傳輸的數據中雖然包含很多對實時顯示曲線無用的參照及統計信息，但是對后續的分析處理數據還是有重要的價值，因此對數據格式進行歸一化處理過程中要確保幀頭后數據的完整性。ARM端信息融合軟件在接收到格式化的數據后，按相同的格式獲取各個位的信息，根據幀頭信息及設置模塊中的設置信息區分開不同儀器數據。判斷完數據的有效性及完整性后，數據首先被完整地存儲到磁盤，而后調用相應數據分析模塊，進行數據處理顯示。

4 總 結

多傳感器信息融合系統本著能夠方便、高效檢測氣溶膠的原則進行設計，僅選擇了5種測量儀器進行數據融合，提高了系統的便攜性和移動性。為適應更多的參數測量及日后工作的需要，本系統預留了新增儀器配置模塊，提高了系統的適應性。系統中仍有很多功能未能完善，日后工作主要有：在數據曲線實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顯示該點的數據值的功能，以便查看分析離散數據值；在數據融合中添加算法，排除重復冗余的數據，提取有效的數據，提高系統的效率等。

［1］毛節泰，張軍華，王美華.中國大氣氣溶膠研究綜述［J］.氣象學報，2002，60（5）：625－631.

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

［3］TSⅠ.Model 3550／3563Ⅰntegrating Nephelometer Operation and Service Manual，2002.

［4］TSⅠ.Model 3936Scanning Mobility Particle Sizer Ⅰnstruction Manual，2002.

［5］TSⅠ.Model 8552／8554Q－TRAKTM Plus ⅠAQ Monitor Operation and Service Manual，2006.

［6］Magee Scientific Company.The Aethalometer Operating Manual，2005.