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

關鍵詞：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探測報警器已不能滿足需求，采用多個傳感器全面采集火災發(fā)生前的各種異常信息，并用多傳感器信息融合技術處理傳感器提供的火災信息，可以大大地提高整個報警監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性。

1 系統(tǒng)硬件設計

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，其主頻處理速度達到400MHz，完全可以滿足火災監(jiān)控報警的實時性處理要求。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)字設備從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換?；诙鄠鞲衅鲾?shù)據(jù)融合的火災預警系統(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，可燃氣體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；可燃氣體探測器選用了深圳市吉安達科技公司最新開發(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，漂移補償抗灰塵引起的干擾的能力。以上傳感器完成對火災過程的多參數(shù)進行監(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，可以達到提前預警、減少漏報誤報、提高可靠性的目的。本設計中采用的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。

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，高速的處理計算能力的特點，簡單穩(wěn)定的設計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的先進處理器。其主頻最高可達到533MHz,在處理大量傳感器數(shù)據(jù)情況下，完全可以保證實時性的要求。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)運行程序和傳感器采集的火災監(jiān)控過程的數(shù)據(jù)。

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

2 系統(tǒng)軟件設計

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、初始化時鐘、中斷設置、外設初始化，然后運行主程序main（）函數(shù)，建立任務后，擴展口對ADC進行控制切換通道采集數(shù)據(jù)。對數(shù)據(jù)進行平滑濾波、標定補償?shù)阮A處理后，來通過數(shù)據(jù)融合算法分析火災發(fā)生情況，判斷是否報警并循環(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行，系統(tǒng)軟件除了要不斷采集最新的火災現(xiàn)場數(shù)據(jù)外，還要進行實時地數(shù)據(jù)處理。以8/16位單片機為核心的測控系統(tǒng)。程序一般采用前后臺方式編寫。后臺運行一個大的無限循環(huán)。前臺為多個中斷。這種方式在程序規(guī)模增大、系統(tǒng)功能較復雜，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、控制的實時性。而且編程困難、不便于增加功能。綜合考慮軟件復雜度、運算量、實時性要求，系統(tǒng)采用μCOS-II操作系統(tǒng)。

本系統(tǒng)中大部分任務通過調(diào)用OSTimeDly（）實現(xiàn)定時運行，每個任務都可通過系統(tǒng)函數(shù)賦予不同的定時時間間隔。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應用于工業(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，先進行數(shù)據(jù)融合處理，然后再參與控制策略運算。目前，常用的信息融合方法大致分為以下幾類：一是基于估計和統(tǒng)計的經(jīng)典方法，包括加權平均法、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、遺傳算法和模糊積分理論以及專家系統(tǒng)等。

在應用于多傳感器信息融合時，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，我們假設有m個傳感器對系統(tǒng)進行觀測，而系統(tǒng)的決策可能有n個，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｝ 傳感器對各個決策的判斷用定義在A上的隸屬函數(shù)表示，設傳感器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個傳感器構(gòu)成A×B的關系矩陣為：

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則（比如最大隸屬度方法、中心法等）進行選擇，得出最優(yōu)結(jié)果。根據(jù)運算的y值，采用以下規(guī)則進行判決應注意：①判決結(jié)果應有最大的隸屬度。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 火災監(jiān)測的數(shù)據(jù)融合試驗

本設計對火災監(jiān)測使用了溫度傳感器，可燃氣體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故障監(jiān)測系統(tǒng)中，首先確定各個傳感器的權重，在設計中我們設定溫度傳感器，可燃氣體探測器的權重分別為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Y₁和無火災Y₂；根據(jù)當前的工作狀態(tài)，確定每個傳感器X對于每一判決Y的隸屬函數(shù)；再進行線性變換運算，即可確定最后的結(jié)果。 比如，在某時刻，根據(jù)溫度傳感器的數(shù)據(jù)確定有無火災的隸屬度分別為μ₁₁=0.45，μ₁₂=0.55，根據(jù)煙霧傳感器的數(shù)據(jù)確定有無火災的隸屬度分別為μ₃₁=0.9，μ₃₂=0.1，采用線性變換運算得Y,

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

5 結(jié)束語

將模糊推理數(shù)據(jù)融合方法應用到多傳感器的電纜火災故障監(jiān)測系統(tǒng)，與單一的傳感器相比，具有更高的準確性的可信度。運行結(jié)果表明，這種方法對提高火災故障檢測的可靠性是實用和有效的，可降低火災報警的誤報率。但是，這種方法也有一些缺點，比如傳感器的權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)驗進行設置。

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