基于离群模糊核聚类算法的PID毒气检测系统设计

(1.昆明工业职业技术学院，昆明 650302； 2.昆明理工大学，昆明 650000)

0 引言

毒气污染对人们的身体健康会造成严重的、不可修复的损伤，某些毒性剧烈的气体只要微量就能够致人死亡[1-2]。造成毒气污染的主要原因除了特种企业的毒气泄露事故之外，以化工企业、冶金企业、电力企业为代表的超标排放，室内装修材料不合格，醛、苯元素超标而造成的装修污染，大量汽车尾气集中排放而导致的大气污染，都具有十分严重的危害性[3-5]。鉴于大气污染特别是毒气污染的危害性，对狭小空间环境下的微量毒气检测十分必要，对于有毒有害气体的检测与防治也受到了政府、企业和居民的多方重视。当前科研领域对于毒气检测系统的研究较多，例如基于化学试剂检测方法而设计的应系统用范围最广、成本最低，但该类系统仅凭借气体传感装置进行毒气检测，准确率低、实时性差；近年来随着激光技术的发展[6-7]，基于光学原理的毒气检测系统逐渐兴起[8-9]，但光学系统对于检测环境的要求较高，检测操作十分复杂、耗时较长，对于个别种类的毒气识别率较低。针对微量毒气源特征模糊的特点，本文采用离群模糊核聚类算法研究了毒气产生及扩散时的基本运动特征，并基于此设计了一种PID毒气检测系统，针对不同种类微量毒气的多样性特点，提高了系统的检测适用性。

1 PID毒气检测系统硬件设计

1.1 硬件的总体框架设计

PID毒气检测系统的硬件结构，从总体上说需要按照离群模糊核聚类算法要求进行设计，在硬件模块上增加了特征聚类分析模块。检测系统的核心模块配置了一个高性能的STM32F2X型MCU，该芯片具有高性能、低功耗的特点，同时能够兼容主流的主控板，检测系统的总体结构如图1所示。

图1 硬件检测系统的总体架构

采集测量模块是一种气体传感装置，能够检测出封闭环境下有毒气体的种类和含量，为提高系统的稳定和检测效率，可以按照检测空间的大小均匀布置采集模块的数量，采集检测模块的有效检测半径为10 m。采集检测模块的与基于离群模糊核聚类算法设计的分析检测模块相连，连接方法可以采用有线来接的方式或无线传输的模块，无线数据传输的模式更适用于较大的空间，但在检测精度方面略差于有限连接的方式。内置STM32F2X型MCU的主控板是毒气检测系统的核心模块，具有毒气量和毒气危害程度的分析与鉴定功能，主控板由于电源管理模块供电，并具有检测气体数据输入输出功能和显示功能。

1.2 MCU控制电路设计

MCU处理器模块是毒气检测系统设计的主要功能模块，采集测量模块得到的环境数据经毒气分析模块处理后都最终传递到MCU处理器模块，进行进一步分析和处理。MCU芯片的毒气数据处理性能和接口的兼容性至关重要，本文选用意法半导体最新的STM32F2X型MUC芯片，该芯片的输入、输出引脚的数量适中、性能强劲，由于采用了14 nm的先进工艺制程，功耗相对于其他MCU具有明显的优势。由于毒气检测系统属于小型的检测系统，因此系统电压不易过高电压浮动范围在[1.5,3.6]之间，系统的内存还要求能够进行外部扩展，STM32F2X型MCU芯片的相关参数设定，如表1所示。

表1 主控芯片参数

STM32F2X型MCU主控芯片基于ARM的嵌入式架构，ARM的M3内核自带自带始终控制系统、复位控制系统和数据传输中断控制器，系统物理中断的优先级达到最高的8级，M3内核还具有自动启停和嵌套中断功能，提高了毒气数据分析和处理的灵活性和准确性，STM32F2X型MCU主控芯片的内核结构，如图2所示。

图2 MCU主控芯片的内核结构

MCU主控芯片的内部运行也通过内部时钟结构来控制，时钟电路震荡器在MCU内部产生高频波，而对高频波的分解和傅里叶变化过程就是数据信号的处理过程。芯片中的复位电路能够将分解的高频波复位，复位的过程可以由系统自动操作，也可以由系统管理员手动操作，STM32F2X型MCU主控芯片内置的始终电路和复位电路如图3所示。

图3 主控芯片的时钟电路和复位电路

始终电路配备3个阻值为3.5 Ω、10 Ω和5 Ω的电阻器，而复位电路除了配备一个阻值为5欧姆的电阻器之外，还具有一件重启的功能，可以是系统恢复到初始状态。编纂好的软件程序需要复制或刻录在MUC芯片中毒气检测系统才能够运行，内部结构及芯片的外部接口都采用SWD型通用接口。

1.3 毒气检测系统功能模块设计

除主控MCU模块之外，毒气检测系统的功能模块还包括多个毒气浓度、类别采集与测量模块、毒气分析模块、电源管理模块、I/O模块和显示模块。其中毒气分析模块内置了离群模糊核聚类算法程序，这套算法程序是系统功能的主要实现程序。采集与测量模块由于数量较多且寿命较短，在设计过程中注重性能与成本的均衡，模块的数量随检测空间的增加而增加；I/O模块与显示模块选择兼容性较好的硬件部分，其中显示器的尺寸需要在9.0寸以上，显示分辨率需要达到2 960*1 440即2K的像素显示，使检测员在观测中不丢失显示的细节。

数据存储模块也是毒气检测系统的关键功能模块之一，本文选择的数据存储模块的标准内存为10 T，由于存储数据有部分图像和视频文件，在存储模块的设计中还考虑了扩展存储的问题，配备了丰富的拓展内存接口，可以兼容USB接口、TF接口及其他种类的FLASH接口。如果毒气检测装置考虑在室外使用，检测范围较大系统还提供了无线传输模块供选择，无线模块可以选择安装在采集测量模块和基于离群模糊核聚类算法的气体数据分析模块内部。该无线模块还通过内部USB串行通信接口的方式与MCU模块连接，更易提高系统的检测效率。

2 基于离群模糊核聚类算法的毒气检测系统流程设计

毒气检测系统采用了模块化主程序设计，系统启动之初先将MCU模块和离群模糊核聚类分析模块的原始参数清零，重新设定与测试环境相匹配的参数体系。主动芯片发出指令后，系统进入初始化状态，检测各项指标是否正常。PID毒气检测系统没检测一次后将全部检测数据加入系统的数据库，如果毒气采集模块能够采集到系统数据库存有的毒气原始资料是，检测过程可以在几秒内完成。系统初始化后进入工作状态，毒气采集模块分别将毒气的浓度信息，类别信息传递到离群模糊核聚类分析模块，该模块调整端口电压值及电流、电平数据记性A/D转换，变化成MCU模块能够读取和分析的数字信息。将模块采集到的毒气原始数据视为一个在有限模式空间Rn内的数据集X：

X={x1,x2,......,xn}

(1)

其中任一个有效数据xi都是一个能够被量化的模式向量，如果m个n为数据将集合X表示成一个m×n维矩阵，那么模糊核聚类方法的意义在于能够按照有效数据xi之间的特点重新将这些数据分成k个模糊类，并获得一个准确度最高的毒气数据模糊矩阵Y，Y内的全部元素满足条件yik∈[0,1]，yik表示有效矢量xi的第k类模糊隶属度，如果设集合Z={z1,z2,......,zt}是数据核聚类模式的原型，那么核聚类算法的最小代价目标函数ζ(Y,Z)可以表示为：

(2)

其中，τik=‖xi-zi‖表示任一数据点到聚类中心的距离。本文提出的基于离群模糊核聚类算法的控制程序软件，利用Rn空间范围内的非线性函数f(xi)对全部样本投影并得到一组空间向量集f(x1)，f(x2)，......，f(xk)，此时不同空间内的有效数据即空间特征向量xi和xj之间的内积，可以用核聚类的模式表现出来：

G(xi,xj)=f(xi)×f(xj)

(3)

按照核方法的总体思想用非线性映射拓展到高维的特征空间，能够实现对特征矢量的进一步分类，优化后的最小目标函数ζ′(Y,Z)可以表示为：

(4)

式中，ω为有效特征矢量之间的权重比例，这时毒气检测系统的模糊隶属度yik，可以表示为：

(5)

毒气检测中有效数据模糊隶属度的确定，能够为最终毒气类别、浓度、危害程度等指标的确定提供最直接的证据。本文设计的基于离群模糊核聚类算法的PID毒气检测的主控程序，如图4所示。

图4 PID毒气检测系统主控程序

基于离群模糊核聚类算法主控程序可以按照功能模块分解为若干了子程序，当系统进入工作状态以后，由采集测量模块提取的毒气样本经预处理后进入模糊聚类分析模块，由于不同温度条件下的毒气特征明显不同，毒气采集与测量模块除了采集不同种类毒气的特征外，还需要采集到毒气现场的温度变化情况，供数据综合处理时使用。在毒气采集的子程序中，也需要先将毒气采集子程序中的各类参数初始化、函数复位、检测复位信号与返回信号的灵敏度。子系统初始化后将毒气和温度的数值以二进制补码的形式保存在模块内，并及时传递给毒气聚类分析模块和MCU主控芯片。数据采集模块针对不同的毒气种类输出不同的电压和电平，系统对采样毒气模糊聚类分析处理后将采样数据转换为模拟数字数据上传到MCU模块。MCU主控芯片的嵌入式结构中内置了数据库功能，该部分功能通过FATFS程序完成，毒气数据信息存储子程序不仅能够驱动内置的数据存储单元，还能够通过STDIN外置驱动程序，驱动外接的USB、SD等数据存储设备，在读写外接的数据存储程序前需要先将这些设备格式化处理和数据的A/D转换，以便于数据能够更好第保存。

对毒气的类别、浓度信息、危害程度等信息汇总处理后，经OLED显示屏输出，OLED材质的显示模块柔性更好，寿命更长，而且在显示图形图像数据时的清晰度更高。显示模块的子程序也需要进行初始化处理，清除原有数据，显示模块具有较强的数据操作功能，系统管理员通过程序输入，可以调用自己所需要的数据显示结果。显示模块还能够进行FSMC的时钟操作功能及AFIO程序的复位功能，实现想系统这些更高级的编程功能，大都通过专用的数据检测函数程序实现，操作人员可以根据需求输入main函数，调取所需要的关键毒气检测数据。毒气检测系统的显示模块子程序自带阈值控制报警装置，如果输出的毒气指标值数据超过了安全范围，提供设备的使用者采取措施，控制毒气源所产生的危害。显示模块根据使用者的要求，可以加装远程报警系统装置，通过无线传输网络向远程的使用者做出提示。针对毒气的危害性，本文设计了一种基于离群模糊核聚类算法的PID毒气检测系统，在检测系统模块设计及控制程序的设计方面，引入了离群模糊核聚类的思想提高采样毒气数据的聚类能力。在硬件模块设计上了专门的毒气源检测模块，以提高对毒气类别和浓度信息的识别能力；在软件算法流程方面，发挥了离群模糊核聚类算法在数据分类中的优势，提高毒气源检测的实际检测效果。

3 实验结果及过程分析

3.1 毒气检测系统主要参数测试

系统进入工作状态前，需要对毒气检测系统的各个硬件模块及运行主程序、子程序的功能性进行全面测试。检测的主要项目包括毒气采集模块的传感器工作状态、毒气分析模块工作状态、MCU及电源管理模块的工作状态。检测低频信号的发生装置、高频信号的输出装置、压控恒流电源、毒气数据输入、及信号输出的叠加电路，最后还需要检测电压的数字模拟信号的转换情况，与OLED显示模块是否正常。分别试运行系统的主控程序与各模块的子程序，系统采集模块传感器的工作频率，及调制信号的检测参数值，如表2所示。

表2 某典试产品测试数据

经检测系统的主要测量值与工作状态的最优参数值一致，可以实施毒气检测实验。

3.2 毒气类别检测

为验证毒气检测系统的综合性能，本文分别选择了五种天然毒气和五种化学毒气，检测的毒气浓度为0.1 mg/m3，选定的10种样本毒气源，如表3所示。

表3 毒气测试样本

在密闭的室内空间内，同时注入微量上述10种毒气，检测系统能否在10 s时间内检测出毒气，并识别出具体的毒气列表，首先用本文设计的PID毒气检测装置进行实验，实验检测结果如图5所示。

图5 本文检测系统的毒气类别实验检测结果

本文系统在6次检测实验中全部识别检测出了微量的化学毒气，仅在第5次检验实验中未识别出天然毒气NO。再使用传统基于光学原理毒气检测系统进行检测实验，检测分析结果，如图6所示。

图6 传统基于光学原理的毒气类别检测结果

从图6的毒气检测结果分布系统可以分析出，传统毒气检测系统对于化学毒气的铭感程度更低，尤其是对于剧毒物质HCN和COCl2的检测效果更差，总体检测效果无法满足需求。

3.3 毒气浓度检测

分别在普通空气背景下和CO2背景下，检测毒气的浓度，实验毒气源为C4H8Cl2S，检测的结果分别如表4和表5所示。

表4 空气背景下毒气源检测结果

表5 CO2背景下毒气源检测结果

从两种气体背景下对毒气源为C4H8Cl2S的浓度检测结果可知，本文检测系统的检测结果更接近于真实值，而且稳定性更好，平均检测误差率可以控制在1.51%和1.98%。综上分析，提出的基于离群模糊核聚类算法的PID毒气检测系统的检测效果更优，精度更高。

4 结束语

本文设计了一种小型的PID毒气检测系统，该系统的最大特点是能够适用于多种天然毒气和化学毒气的同时混合检测。为提高毒气检测精度文中系统应用了离群模糊核聚类算法，并在系统中增加了毒气检测分析模块，以改善对毒气数据的分类处理能力。本文系统在设计之初就考虑到了操作的易用性和人际交互性能，如可以利用基于触屏的数据显示模块，增添或修改系统的主程序和各个模块的子程序。

当前人机交互和人工智能领域已经成为计算机学科的研究重点，随着环境污染情况的加剧，毒气检测重要性不断提升，毒气检测系统设计也朝着小型化、智能化的方向发展。为满足系统检测和人机交互性能的需要，在未来毒气检测的系统功能还将会进一步增强，并且会应用到更为广阔的领域。