基于ARM的多傳感器信息融合在工業控制中的應用

　　0 引言

　　現代工業生產以綜合、復雜、大型、連續為特點，采用大量傳感器來監測和控制生產過程。多傳感器系統的出現導致信息量劇增，采用信息融合技術可更有效地利用信息資源。在復雜的工業控制系統中，控制過程需同時涉及多個信息，特別是各信息間的聯系，信息的有機組合蘊涵的信息特征以及信息的整體狀況，并需要根據綜合狀況所描述的過程運行特點進行控制。

　　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數據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，獲得對物體或環境一致性描述過程。即對來自多個傳感器的數據進行多級別、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，對復雜的工業智能監測控制系統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：根據當前系統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，而其他所有的權重系數皆維持不變。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，因而根據獲勝者的編號就能自然地對它們進行分類。

　　自穩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。

　　2 工業控制系統與信息融合

　　2.1 工業控制中的信息融合

　　在工業控制中，過程運行狀況簡稱工況。在簡單的系統中，某傳感器的輸出可大體反映工況。而在復雜的工業生產過程中，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。采用適當的信息融合方法，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，能據此進行操作和實時干預，或系統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、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和環境的信息直接或間接檢測出來，包括對象的狀態量，被控量以及環境信息。

　　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。對系統當前狀態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測系統中，例如故障診斷系統、生產操作指導系統等，解釋機構完成了系統的全部輸出功能：顯示生產系統的當前工況、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）執行機構，包括有關的功率放大和執行裝置等硬件，根據聚類融合控制運算的結果實現自動反饋控制。

　　2.2 系統硬件設計

　　系統主要由 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，系統總體的硬件框圖如圖3。

　　2.3 系統軟件設計

　　1）Linux 操作系統移植

　　Linux具有源代碼開放的特點，Linux操作系統雖然不是微內核結構，但是其采用動態模塊加載，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，去除用戶系統不需要的模塊，減小系統的開銷。Linux系統包括Bootloader（引導程序）、內核（kernel）和根文件系統，在Linux系統下開發，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；（3）建立交叉編譯環境。

　　2）聚類融合子程序算法

　　聚類融合子程序是整個系統的核心，包含了信息融合中的融合數據庫和專家知識庫，以及在監測、控制和運算、變換過程中所需要的數據和知識。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，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。