基于嵌入式微處理器和信息融合技術實現(xiàn)多傳感器信息融合應用

作者：呂秀江，鄭斌，于海濤，王德元

現(xiàn)代工業(yè)生產以綜合、復雜、大型、連續(xù)為特點，采用大量傳感器來監(jiān)測和控制生產過程。多傳感器系統(tǒng)的出現(xiàn)導致信息量劇增，采用信息融合技術可更有效地利用信息資源。在復雜的工業(yè)控制系統(tǒng)中，控制過程需同時涉及多個信息，特別是各信息間的聯(lián)系，信息的有機組合蘊涵的信息特征以及信息的整體狀況，并需要根據(jù)綜合狀況所描述的過程運行特點進行控制。故將嵌入式系統(tǒng)與信息融合技術相結合，以解決用傳統(tǒng)控制難于解決的問題。

1 多傳感器信息融合

1.1 多傳感器信息融合的概念

多傳感器信息融合是指協(xié)調使用多個傳感器，把分布在不同位置的多個傳感器所提供的局部不完整觀測量及相關聯(lián)數(shù)據(jù)庫中的相關信息加以綜合，消除多傳感器信息之間可能存在的冗余和矛盾，并加以互補，降低其不確定性，獲得對物體或環(huán)境一致性描述過程。即對來自多個傳感器的數(shù)據(jù)進行多級別、多方面、多層次的處理，從而產生新的有意義信息，這是任何單一傳感器所無法獲得的。

1.2 多傳感器信息融合的方法

常用的信息融合方法有加權平均法、卡爾曼濾波、經典推理法、貝葉斯估計、D-S證據(jù)決策理論、品質因素法、模板法、熵理論、聚類分析、模糊推理、產生式規(guī)則、遺傳算法、神經網絡。其中，神經網絡方法具有很強的信息處理能力，對復雜的工業(yè)智能監(jiān)測控制系統(tǒng)及在處理不確定性的信息上，神經網絡是一個強有力的工具，因而為信息融合提供了一個很好的方法。

神經網絡用于信息融合的基本思想是：根據(jù)當前系統(tǒng)所接受到的樣本相似性，確定分類標準。確定的方法主要表現(xiàn)在網絡權值的分布上，同時可以采用神經網絡學習功能來獲取知識，得到不確定性推理機制。采用神經網絡中的自適應諧振理論ART（Adaptive Resonance Theory）的方法。圖1是可處理模擬信息的ART-2的網絡示意圖。

競爭學習機制和自穩(wěn)學習機制是自適應諧振理論（ART）的基礎。競爭學習機制只改變與競爭得勝者有關的各個權重系數(shù)，而其他所有的權重系數(shù)皆維持不變。通過學習，不同客體的觀察向量集合都找到了各自相應的獲勝輸出分量，因而根據(jù)獲勝者的編號就能自然地對它們進行分類。

自穩(wěn)學習機制由信息反饋通道、比較機制及相應的算法構成，其工作過程描述如下：1）競爭選擇運算；2）構成反饋信息通道；3）比較相似度；4）調整權重系數(shù)。

2 工業(yè)嵌入式控制系統(tǒng)與信息融合

2.1 工業(yè)控制中的信息融合

在工業(yè)控制中，過程運行狀況簡稱工況。在簡單的系統(tǒng)中，某傳感器的輸出可大體反映工況。而在復雜的工業(yè)生產過程中，工況無法用一個或幾個過程變量直接表示，某傳感器的輸出只是描述了工況的一個側面。采用適當?shù)男畔⑷诤戏椒?，將從不同側面描述工況的多個傳感器信息融合，就有可能獲得對工況的完整描述，能據(jù)此進行操作和實時干預，或系統(tǒng)按工況進行自動控制。圖2表明了信息融合控制的原理，這個過程可分解為以下部分：

1）傳感器信息獲取，包括多傳感器系統(tǒng)、傳感器信息預處理和軟測量、人機接口。該部分包括硬件和有關軟件，應盡可能地將反映對象運行狀態(tài)和環(huán)境的信息直接或間接檢測出來，包括對象的狀態(tài)量，被控量以及環(huán)境信息。

2）聚類融合控制，由一系列軟件模塊組成，是完成智能監(jiān)測控制的核心部分。

3）解釋機構，包括硬件和有關軟件，如圖、文、聲、光、多媒體輸出設備等。對系統(tǒng)當前狀態(tài)和聚類融合結果進行解釋，并通過人機接口回答用戶提出的問題。在不具有自動控制功能的智能監(jiān)測系統(tǒng)中，例如故障診斷系統(tǒng)、生產操作指導系統(tǒng)等，解釋機構完成了系統(tǒng)的全部輸出功能：顯示生產系統(tǒng)的當前工況、故障診斷結果、隱含故障和險情預報、生產操作的建議和指導等。

4）執(zhí)行機構，包括有關的功率放大和執(zhí)行裝置等硬件，根據(jù)聚類融合控制運算的結果實現(xiàn)自動反饋控制。

2.2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)主要由 ARM920T核的處理器SamsungS3C2410，外部RAM、Flash、D／A轉換芯片、LCD和RS232接口組成，S3C2410芯片內部自帶一個8路10位A／D轉換器，所以不用外擴A／D轉換芯片，系統(tǒng)總體的硬件框圖如圖3。

2.3 系統(tǒng)軟件設計

1）嵌入式Linux操作系統(tǒng)移植

Linux具有源代碼開放的特點，Linux操作系統(tǒng)雖然不是微內核結構，但是其采用動態(tài)模塊加載，使Linux的裁減極為方便，模塊化的結構使得用戶可對其方便地進行配置，去除用戶系統(tǒng)不需要的模塊，減小系統(tǒng)的開銷。嵌入式Linux系統(tǒng)包括Bootloader（引導程序）、內核（kernel）和根文件系統(tǒng)，在Linux系統(tǒng)下開發(fā)，步驟包括：（1）配置編譯Bootloader和Linux kernel，并將其燒寫到目標平臺上；（2）燒寫根文件系統(tǒng)；（3）建立交叉編譯環(huán)境。

2）聚類融合子程序算法

聚類融合子程序是整個系統(tǒng)的核心，包含了信息融合中的融合數(shù)據(jù)庫和專家知識庫，以及在監(jiān)測、控制和運算、變換過程中所需要的數(shù)據(jù)和知識。圖4是聚類融合算法的流程圖。

3）界面設計

Qt／Embedded由挪威TrollTech公司出品，是一個完整的C++應用程序開發(fā)框架，故選用Qt進行設計。Qt包含一個類庫和用于跨平臺開發(fā)的工具。除C++庫和豐富的API之外，QT將外部輸入設備抽象為輸入事件，可以支持多種硬件設備，使用戶不僅可以進行圖形界面程序的開發(fā)，而且能夠對底層硬件進行控制。圖5是模擬鍋爐水位、流量、壓力3個傳感器輸入的信息融合控制界面。

3 總結

多傳感器信息能完善、精確、可靠地反映對象和環(huán)境的特征，將信息融合技術引入工業(yè)控制能更有效地利用信息資源。ARM作為32位RISC架構的嵌入式微處理器，具有高集成度、高可靠性等特點，能解決傳統(tǒng)工業(yè)生產過程由于設備和器件相對分散所導致可靠性不高、抗干擾能力差的問題。

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