基于ARM的多传感器信息融合在工业控制中的应用

0 引言

现代工业生产以综合、复杂、大型、连续为特点，采用大量传感器来监测和控制生产过程。多传感器系统的出现导致信息量剧增，采用信息融合技术可更有效地利用信息资源。在复杂的工业控制系统中，控制过程需同时涉及多个信息，特别是各信息间的联系，信息的有机组合蕴涵的信息特征以及信息的整体状况，并需要根据综合状况所描述的过程运行特点进行控制。故将嵌入式系统与信息融合技术相结合，以解决用传统控制难于解决的问题。

1 多传感器信息融合

1.1 多传感器信息融合的概念

多传感器信息融合是指协调使用多个传感器，把分布在不同位置的多个传感器所提供的局部不完整观测量及相关联数据库中的相关信息加以综合，消除多传感器信息之间可能存在的冗余和矛盾，并加以互补，降低其不确定性，获得对物体或环境一致性描述过程。即对来自多个传感器的数据进行多级别、多方面、多层次的处理，从而产生新的有意义信息，这是任何单一传感器所无法获得的。

1.2 多传感器信息融合的方法

常用的信息融合方法有加权平均法、卡尔曼滤波、经典推理法、贝叶斯估计、D-S证据决策理论、品质因素法、模板法、熵理论、聚类分析、模糊推理、产生式规则、遗传算法、神经网络。其中，神经网络方法具有很强的信息处理能力，对复杂的工业智能监测控制系统及在处理不确定性的信息上，神经网络是一个强有力的工具，因而为信息融合提供了一个很好的方法。

神经网络用于信息融合的基本思想是：根据当前系统所接受到的样本相似性，确定分类标准。确定的方法主要表现在网络权值的分布上，同时可以采用神经网络学习功能来获取知识，得到不确定性推理机制。采用神经网络中的自适应谐振理论ART(Adaptive Resonance Theory)的方法。图1是可处理模拟信息的ART-2的网络示意图。

竞争学习机制和自稳学习机制是自适应谐振理论(ART)的基础。竞争学习机制只改变与竞争得胜者有关的各个权重系数，而其他所有的权重系数皆维持不变。通过学习，不同客体的观察向量集合都找到了各自相应的获胜输出分量，因而根据获胜者的编号就能自然地对它们进行分类。

自稳学习机制由信息反馈通道、比较机制及相应的算法构成，其工作过程描述如下：1)竞争选择运算；2)构成反馈信息通道；3)比较相似度；4)调整权重系数。

2 工业嵌入式控制系统与信息融合

2.1 工业控制中的信息融合

在工业控制中，过程运行状况简称工况。在简单的系统中，某传感器的输出可大体反映工况。而在复杂的工业生产过程中，工况无法用一个或几个过程变量直接表示，某传感器的输出只是描述了工况的一个侧面。采用适当的信息融合方法，将从不同侧面描述工况的多个传感器信息融合，就有可能获得对工况的完整描述，能据此进行操作和实时干预，或系统按工况进行自动控制。图2表明了信息融合控制的原理，这个过程可分解为以下部分：

1)传感器信息获取，包括多传感器系统、传感器信息预处理和软测量、人机接口。该部分包括硬件和有关软件，应尽可能地将反映对象运行状态和环境的信息直接或间接检测出来，包括对象的状态量，被控量以及环境信息。

2)聚类融合控制，由一系列软件模块组成，是完成智能监测控制的核心部分。

3)解释机构，包括硬件和有关软件，如图、文、声、光、多媒体输出设备等。对系统当前状态和聚类融合结果进行解释，并通过人机接口回答用户提出的问题。在不具有自动控制功能的智能监测系统中，例如故障诊断系统、生产操作指导系统等，解释机构完成了系统的全部输出功能：显示生产系统的当前工况、故障诊断结果、隐含故障和险情预报、生产操作的建议和指导等。

4)执行机构，包括有关的功率放大和执行装置等硬件，根据聚类融合控制运算的结果实现自动反馈控制。

2.2 系统硬件设计

系统主要由 ARM920T核的处理器SamsungS3C2410，外部RAM、Flash、D／A转换芯片、LCD和RS232接口组成，S3C2410芯片内部自带一个8路10位A／D转换器，所以不用外扩A／D转换芯片，系统总体的硬件框图如图3。

2.3 系统软件设计

1)嵌入式Linux操作系统移植

Linux具有源代码开放的特点，Linux操作系统虽然不是微内核结构，但是其采用动态模块加载，使Linux的裁减极为方便，模块化的结构使得用户可对其方便地进行配置，去除用户系统不需要的模块，减小系统的开销。嵌入式Linux系统包括Bootloader(引导程序)、内核(kernel)和根文件系统，在Linux系统下开发，步骤包括：(1)配置编译Bootloader和Linux kernel，并将其烧写到目标平台上；(2)烧写根文件系统；(3)建立交叉编译环境。

2)聚类融合子程序算法

聚类融合子程序是整个系统的核心，包含了信息融合中的融合数据库和专家知识库，以及在监测、控制和运算、变换过程中所需要的数据和知识。图4是聚类融合算法的流程图。

3)界面设计

Qt／Embedded由挪威TrollTech公司出品，是一个完整的C++应用程序开发框架，故选用Qt进行设计。Qt包含一个类库和用于跨平台开发的工具。除C++库和丰富的API之外，QT将外部输入设备抽象为输入事件，可以支持多种硬件设备，使用户不仅可以进行图形界面程序的开发，而且能够对底层硬件进行控制。图5是模拟锅炉水位、流量、压力3个传感器输入的信息融合控制界面。

3 总结

多传感器信息能完善、精确、可靠地反映对象和环境的特征，将信息融合技术引入工业控制能更有效地利用信息资源。ARM作为32位RISC架构的嵌入式微处理器，具有高集成度、高可靠性等特点，能解决传统工业生产过程由于设备和器件相对分散所导致可靠性不高、抗干扰能力差的问题。