摘 要：介紹了基于ARM9多傳感器數(shù)據(jù)融合火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，該系統(tǒng)主要由傳感器模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、S3C2440控制模塊、報(bào)警模塊、執(zhí)行模塊組成。對火災(zāi)的判斷主要采用模糊推理的數(shù)據(jù)融合算法，火災(zāi)數(shù)據(jù)的處理和算法的實(shí)現(xiàn)都由控制器來完成。運(yùn)行結(jié)果顯示，該方法可以提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確度和可靠性。

關(guān)鍵詞：ARM9；數(shù)據(jù)融合；模糊推理

Abstract:This paper introduces design of the fire alarm system based on multi-sensor data fusion of ARM9 controller,This system is composed ofsensors,A/D converter,S3C2440 controller,alarm and executing modules.The judgement to fire mainly adopts data fusion of fuzzy reasoning data fusion,Fire data and realization of data fusion aree xecuted by controller,The applicationin dicated that this method can improve nicely and reliability of the system.

Keywords:ARM9；datafusion；fuzzyreasoning；

鑒于目前單一的普通類型的火災(zāi)探測報(bào)警器已不能滿足需求，采用多個(gè)傳感器全面采集火災(zāi)發(fā)生前的各種異常信息，并用多傳感器信息融合技術(shù)處理傳感器提供的火災(zāi)信息，可以大大地提高整個(gè)報(bào)警監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本方案硬件系統(tǒng)的核心控制器是采用三星的具有ARM920T核的16/32位多功能、低功耗的嵌入式處理器S3C2440。S3C2440是韓國三星公司推出的一款高檔的，可用于工業(yè)控制、智能家電等便攜產(chǎn)品開發(fā)的嵌入式微處理器，其主頻處理速度達(dá)到400MHz，完全可以滿足火災(zāi)監(jiān)控報(bào)警的實(shí)時(shí)性處理要求。其主控制芯片及豐富的外圍接口電路可用于連接各類數(shù)字設(shè)備從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要由傳感器模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、S3C2440控制器、報(bào)警模塊、執(zhí)行模塊和控制器必需的電源模塊和存儲器模塊組成，圖1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

多傳感器模塊由多組傳感器組成，每組傳感器由溫度傳感器，可燃?xì)怏w探測器和煙霧探測器組成，在該系統(tǒng)中溫度傳感器采用法國HuMIREL公司的HM500，它們具有成本低、體積小、壽命長、選擇性和穩(wěn)定性好等特性；可燃?xì)怏w探測器選用了深圳市吉安達(dá)科技公司最新開發(fā)的紅外氣體傳感器，探測器安裝于被測氣體容易泄露的室內(nèi)、外危險(xiǎn)場所，它們能夠靈敏地感知空氣中的低濃度污染氣體，分別對空氣中的異味、CO、H、O有較高的敏感度，甚至能檢測到幾個(gè)ppm級污染氣體含量；煙霧探測器采用美國通用GE煙霧探測器514C，具有自診斷功能，漂移補(bǔ)償抗灰塵引起的干擾的能力。以上傳感器完成對火災(zāi)過程的多參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，通過A/D轉(zhuǎn)換模塊將檢測的數(shù)據(jù)傳送給S3C2440控制器并配以智能判別技術(shù)，可以達(dá)到提前預(yù)警、減少漏報(bào)誤報(bào)、提高可靠性的目的。本設(shè)計(jì)中采用的A/D轉(zhuǎn)換模塊是TI公司的12位高速并行轉(zhuǎn)換器ADS805，具有采樣速度高，穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。

S3C2440控制器的核采用一款16/32-bit RISC微處理器，采用6層板工藝，具有低功耗，高速的處理計(jì)算能力的特點(diǎn)，簡單穩(wěn)定的設(shè)計(jì)非常適合對電源要求較高的產(chǎn)品上。采用了新的總線構(gòu)架（AMBA），其內(nèi)核為32bit的先進(jìn)處理器。其主頻最高可達(dá)到533MHz,在處理大量傳感器數(shù)據(jù)情況下，完全可以保證實(shí)時(shí)性的要求。其電源管理模塊能夠提供系統(tǒng)多種電壓供電，包括芯片內(nèi)核電壓采用1.8V供電，芯片的I/O部分采用3.3V供電。而片外的一些常規(guī)集成電路又采用5V供電。智能電源管理模塊很好地解決了對系統(tǒng)各個(gè)部分供電要求的不同,降低了功耗，減少了不同電源之間的干擾噪聲，提高了系統(tǒng)的集成度。它的存儲器模塊包括兩片SDRAM共64MB和一片64MNandflash（K9F1208）并且可根據(jù)存儲容量要求選配其他容量Nandflash存儲器，存儲器模塊用來存儲系統(tǒng)運(yùn)行程序和傳感器采集的火災(zāi)監(jiān)控過程的數(shù)據(jù)。

報(bào)警模塊主要當(dāng)判斷有火險(xiǎn)發(fā)生時(shí)，啟動聲光報(bào)警信號來通知值班人員，從而采取相應(yīng)的措施；執(zhí)行模塊完成火險(xiǎn)發(fā)生時(shí)啟動附近的滅火裝置，使火災(zāi)的危害降低到最小的程度。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的軟件部分主要包括系統(tǒng)的上電初始化、系統(tǒng)自檢、初始化時(shí)鐘、中斷設(shè)置、外設(shè)初始化，然后運(yùn)行主程序main（）函數(shù)，建立任務(wù)后，擴(kuò)展口對ADC進(jìn)行控制切換通道采集數(shù)據(jù)。對數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑濾波、標(biāo)定補(bǔ)償?shù)阮A(yù)處理后，來通過數(shù)據(jù)融合算法分析火災(zāi)發(fā)生情況，判斷是否報(bào)警并循環(huán)檢測。系統(tǒng)軟件流程如圖2所示。

與一般的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)不同。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集軟件和數(shù)據(jù)處理軟件均在處理器上運(yùn)行，系統(tǒng)軟件除了要不斷采集最新的火災(zāi)現(xiàn)場數(shù)據(jù)外，還要進(jìn)行實(shí)時(shí)地?cái)?shù)據(jù)處理。以8/16位單片機(jī)為核心的測控系統(tǒng)。程序一般采用前后臺方式編寫。后臺運(yùn)行一個(gè)大的無限循環(huán)。前臺為多個(gè)中斷。這種方式在程序規(guī)模增大、系統(tǒng)功能較復(fù)雜，尤其是系統(tǒng)中的并發(fā)模塊較多的情況下，主顯得力不從心，很難保證測量、控制的實(shí)時(shí)性。而且編程困難、不便于增加功能。綜合考慮軟件復(fù)雜度、運(yùn)算量、實(shí)時(shí)性要求，系統(tǒng)采用μCOS-II操作系統(tǒng)。

本系統(tǒng)中大部分任務(wù)通過調(diào)用OSTimeDly（）實(shí)現(xiàn)定時(shí)運(yùn)行，每個(gè)任務(wù)都可通過系統(tǒng)函數(shù)賦予不同的定時(shí)時(shí)間間隔。ADC數(shù)據(jù)采集程序，數(shù)據(jù)處理程序和數(shù)據(jù)融合算法程序主要由嵌入式C語言來編寫。

3 數(shù)據(jù)融合算法

將多傳感器信息融合技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)過程監(jiān)測系統(tǒng)中，已經(jīng)取得了一些工程應(yīng)用。在這類系統(tǒng)中，傳感器從對象和環(huán)境中采集到數(shù)據(jù)后，先進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理，然后再參與控制策略運(yùn)算。目前，常用的信息融合方法大致分為以下幾類：一是基于估計(jì)和統(tǒng)計(jì)的經(jīng)典方法，包括加權(quán)平均法、最小二乘法和D-S證據(jù)理論等；二是信息論的融合，包括模板法、聚類分析的熵理論等；三是人工智能的融合方法，包括模糊邏輯、產(chǎn)生式規(guī)則、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法和模糊積分理論以及專家系統(tǒng)等。

在應(yīng)用于多傳感器信息融合時(shí)，我們將A看作系統(tǒng)可能決策的集合，B看作傳感器的集合，A和B的關(guān)系矩陣R_A+B中的元素μ_i表示由傳感器i推斷決策為i的可能性，X表示各傳感器判斷的可信度，經(jīng)過模糊變換得到的Y就是各決策的可能性。

具體的，我們假設(shè)有m個(gè)傳感器對系統(tǒng)進(jìn)行觀測，而系統(tǒng)的決策可能有n個(gè)，則： A:｛y₁/決策、y₂/決策、…、y_n/決策n｝ B:｛x₁/傳感器、x₂/傳感器、…、x_n/傳感器m｝ 傳感器對各個(gè)決策的判斷用定義在A上的隸屬函數(shù)表示，設(shè)傳感器i對系統(tǒng)的判斷結(jié)果是： μ_i1/決策，μ_i2/決策,…,μ_in/決策n,0≤μ_y≤1 即認(rèn)為結(jié)果為決策j的可能性為μij,記作向量μ_i1，μ_i2，μ_i3，…μ_in,則m個(gè)傳感器構(gòu)成A×B的關(guān)系矩陣為：

將各傳感器判斷的可信度用B上的隸屬度：X=｛x₁/傳感器1×x₂/傳感器2…、x_n/傳感器n｝表示，那么，根據(jù)Y=X＊R _A＊B進(jìn)行模糊變換，就可得出：y=（y₁,y₂,y₃,…,y_n） 即綜合判斷后的各決策的可能性為y，最后，對各可能判決按照一定的準(zhǔn)則（比如最大隸屬度方法、中心法等）進(jìn)行選擇，得出最優(yōu)結(jié)果。根據(jù)運(yùn)算的y值，采用以下規(guī)則進(jìn)行判決應(yīng)注意：①判決結(jié)果應(yīng)有最大的隸屬度。②判決結(jié)果的隸屬度與必須大于某一閥值（一般情況取0.5）。③判決結(jié)果的隸屬度與其它判決的隸屬度值的差必須大于某一閥值（比如0.1）。

4 火災(zāi)監(jiān)測的數(shù)據(jù)融合試驗(yàn)

本設(shè)計(jì)對火災(zāi)監(jiān)測使用了溫度傳感器，可燃?xì)怏w探測器的煙霧探測器，數(shù)據(jù)融合的方法如圖3。

圖3基于模糊推理的數(shù)據(jù)融合的一般方法是在火災(zāi)故障監(jiān)測系統(tǒng)中，首先確定各個(gè)傳感器的權(quán)重，在設(shè)計(jì)中我們設(shè)定溫度傳感器，可燃?xì)怏w探測器的權(quán)重分別為W₁=0.5,W₂=0.3,W₃=0.2；將最后的判決結(jié)果分為兩種：有火災(zāi)Y₁和無火災(zāi)Y₂；根據(jù)當(dāng)前的工作狀態(tài)，確定每個(gè)傳感器X對于每一判決Y的隸屬函數(shù)；再進(jìn)行線性變換運(yùn)算，即可確定最后的結(jié)果。 比如，在某時(shí)刻，根據(jù)溫度傳感器的數(shù)據(jù)確定有無火災(zāi)的隸屬度分別為μ₁₁=0.45，μ₁₂=0.55，根據(jù)煙霧傳感器的數(shù)據(jù)確定有無火災(zāi)的隸屬度分別為μ₃₁=0.9，μ₃₂=0.1，采用線性變換運(yùn)算得Y,

根據(jù)結(jié)果得有火災(zāi)隱患，應(yīng)該啟動氣溶滅火器。表1是模糊融合在火災(zāi)故障監(jiān)測系統(tǒng)中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語

將模糊推理數(shù)據(jù)融合方法應(yīng)用到多傳感器的電纜火災(zāi)故障監(jiān)測系統(tǒng)，與單一的傳感器相比，具有更高的準(zhǔn)確性的可信度。運(yùn)行結(jié)果表明，這種方法對提高火災(zāi)故障檢測的可靠性是實(shí)用和有效的，可降低火災(zāi)報(bào)警的誤報(bào)率。但是，這種方法也有一些缺點(diǎn)，比如傳感器的權(quán)重和每一傳感器對判決的隸屬度值的分配方面，沒有形成統(tǒng)一的理論，需要依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)置。

參考文獻(xiàn)：

[1]韓俊豐，石玉秋，基于多傳感器信息融合技術(shù)的模糊舒適度傳感器系統(tǒng)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2007，26（1）：60-61

[2]路彥和，等?；馂?zāi)預(yù)警系統(tǒng)中的信息融合[J].網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)，2006，25（3）

[3]Labrosse J J.Micro uC/OS-II.The Real-time-Kernel（Second Edition）[M],USA:CMP Book,2002

詳情請點(diǎn)擊： 基于ARM9多傳感器數(shù)據(jù)融合火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)