CN105807003A - 一种气体传感器可视化系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种气体传感器可视化系统，该气体传感器可视化系统包括：移动终端或PC端及传感器层；其中，传感器层包括气体传感器，以及与气体传感器对应的气体传感器采集节点；移动终端或PC端包括：与传感器层信号连接的数据通讯模块，与数据通讯模块连接的颜色点阵生成模块，还包括摄像头图像识别模块，以及分别与摄像头图标识别模块及颜色点阵生成模块连接的虚拟现实叠加模块；其中，颜色点阵模块用于根据数据通讯模块接收到的传感器层采集的气体浓度对应形成颜色点阵，虚拟现实叠加模块用于将形成的颜色点阵叠加到摄像头图像识别模块采集的摄像头数据上。本发明的有益效果是：通过气体传感器可视化系统实现了颜色显示气体的浓度分布。
Description
技术领域
本发明涉及到气体传感器的技术领域，尤其涉及到一种气体传感器可视化系统。
背景技术
物联网拥有大量传感器连接能力，这些传感器可以监测环境的多种物理信息，例如温度、湿度、光照、气体浓度、物体速度、加速度等等，但物联网节点往往受到节点功耗与体积等限制，无法配备显示终端。这大大限制了我们与传感器的交互性操作，而网络数据也往往需要专有的客户端访问，并且读懂这些数据，对于没有相关知识背景的人来说需要一定的学习成本。而另一方面，移动终端，例如手机，平板等设备也在日益普及，并且虚拟现实增强作为移动终端上的新兴技术，正呈现爆发式增长。由于其具有的直观的操作界面与操作体验，可以预见在不久的将来，虚拟现实技术会将取代传统的操作界面。因此使用移动终端上的虚拟现实技术，与物联网完成交互，可以提供更加友好便捷、低学习成本的物联网应用方案。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供了一种气体传感器可视化系统。
本发明是通过以下技术方案实现：
本发明提供了一种气体传感器可视化系统，该气体传感器可视化系统包括：移动终端或PC端及传感器层；其中，
所述传感器层包括多个气体传感器，以及与每个气体传感器对应的气体传感器采集节点；
所述移动终端或PC端包括：与所述传感器层信号连接的数据通讯模块，与所述数据通讯模块连接的颜色点阵生成模块，还包括摄像头图像识别模块，以及分别与所述摄像头图标识别模块及所述颜色点阵生成模块连接的虚拟现实叠加模块；其中，所述颜色点阵模块用于根据所述数据通讯模块接收到的所述传感器层采集的气体浓度对应形成颜色点阵，所述虚拟现实叠加模块用于将所述形成的颜色点阵叠加到所述摄像头图像识别模块采集的摄像头数据上。
优选的，所述颜色点阵模块用于根据所述数据通讯模块接收到的所述传感器层采集的气体浓度对应形成颜色点阵具体为：通过计算着色起声场颜色点阵。
优选的，所述通过计算着色起声场颜色点阵具体为：对于颜色点阵中点的颜色通过以下公式确定：
Ra＝int(Ca/C0*255)
Rb＝int(Cb/C0*255)
其中Ca为传感器A返回气体浓度值，Cb为传感器A返回气体浓度值，C0为气体传感器最大饱和浓度值。int为取整数；
与该点与其距离d的点的之间的颜色则为与距离相关的线性变化值；
R＝int((Rb-Ra)*d+Ra)
d＝1/Len
其中Len为横向点的个数。
优选的，所述数据通讯模块与所述传感器层之间通过WIFI信号连接。
优选的，所述数据通讯模块与所述传感器层之间采用UDP传输协议通信。
优选的，所述移动终端或PC端还包括：图像识别插件，所述图像识别插件用于通过识别图片信息得到传感器节点的IP地址及目标端口号。
本发明的有益效果是：通过气体传感器可视化系统实现了颜色显示气体的浓度分布。
附图说明
图1是本发明实施例提供的气体传感器可视化系统的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的颜色点阵显示的效果图；
图3是本发明实施例提供的颜色点阵的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的气体传感器可视化系统的工作流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，图1是本发明提供的气体传感器可视化系统的结构示意图。
本发明实施例提供了一种气体传感器可视化系统，该气体传感器可视化系统包括：移动终端或PC端及传感器层；其中，
所述传感器层包括多个气体传感器，以及与每个气体传感器对应的气体传感器采集节点；
所述移动终端或PC端包括：与所述传感器层信号连接的数据通讯模块，与所述数据通讯模块连接的颜色点阵生成模块，还包括摄像头图像识别模块，以及分别与所述摄像头图标识别模块及所述颜色点阵生成模块连接的虚拟现实叠加模块；其中，所述颜色点阵模块用于根据所述数据通讯模块接收到的所述传感器层采集的气体浓度对应形成颜色点阵，所述虚拟现实叠加模块用于将所述形成的颜色点阵叠加到所述摄像头图像识别模块采集的摄像头数据上。
在上述实施例中，通过气体传感器可视化系统实现了颜色显示气体的浓度分布。
为了方便理解本实施例提供的可视化系统，下面结合附图以及实施例对其进行详细的说明。
如图1所示，其包括移动终端或PC端及传感器层；其中，
所述传感器层包括多个气体传感器，以及与每个气体传感器对应的气体传感器采集节点；
所述移动终端或PC端包括：与所述传感器层信号连接的数据通讯模块，与所述数据通讯模块连接的颜色点阵生成模块，还包括摄像头图像识别模块，以及分别与所述摄像头图标识别模块及所述颜色点阵生成模块连接的虚拟现实叠加模块。
如图2所示，以采用两个传感器为例，通过气体传感器A与气体传感器B的浓度值，来确定不同的虚拟现实点阵显示颜色，如高浓度表示为红色，低浓度表示为蓝色。
点阵颜色确定方法
如图3所示，A’点颜色确定方法，当只有左右两个气体传感器时，A’点纵向点阵具有相同颜色，其中A’点与B’颜色由对应的气体传感器的浓度值决定，计算公式如下。采用RGB颜色，G与B值分别固定为20和200.R值计算方法如下。
Ra＝int(Ca/C0*255)
Rb＝int(Cb/C0*255)
其中Ca为传感器A返回气体浓度值，Cb为传感器A返回气体浓度值，C0为气体传感器最大饱和浓度值。int为取整数。
而A’点与B’点之间的颜色则为与距离相关的线性变化值。
例如与A’点距离为d的点的颜色计算公式为
R＝int((Rb-Ra)*d+Ra)
d＝1/Len
其中Len为横向点的个数。
具体系统实现方式如下：
传感器节点部分
硬件设计
为了满足常用传感器采集需要，该系统设计的传感器节点模块，本传感器节点采用了德州仪器的CC3200芯片作为传感器节点的处理核心。它由主频80MHz的ARMCortex-M4微控制器、WIFI网络处理器和电源管理子系统组成。CC3200的高速ARM处理器满足了传感器节点对数据进行初步降噪处理等需求，并且该芯片同时内置了WIFI协处理器，缩减了产品体积，降低了系统整体功耗。同时它还具有丰富的IO接口包括SPI和I2C，以及内部4通道12位ADC模块，该模块可以进行62.5kHz的同步采样，以及250kHz的异步采样。这已经满足了我们对低速系统的测量要求，所以我们在节点内，使用了CC3200内部ADC进行采样。但由于CC3200内部只有四个通道的ADC，在针对阵列传感器测试时稍显不足，因此，在传感器节点上使用了两片ADI公司的ADG709模拟4通道多路复用器对采样通道进行扩展。ADG709是一款CMOS低电压，低导通电阻的模拟多路复用器，内部具有四个差分通道。扩展后的采样模块，可以对16通道模拟量进行7.8125kHz的异步采样，以及62.5kHz的4通道同步采样。
对于传感器模块节点的设计，需要充分考虑传感器节点与传感器的兼容特性，下面分别列出了市面上几种常见的传感器，包括费加罗公司生产的TGS2610气体传感器[9]、TGS8100气体传感器[10]，SENSIRION公司生产的SHT31温湿度传感器[11]，意法半导体公司生产的LPS25HB气压传感器[12]，以及MHP型半导体式气体传感器[1]。表1分别列出了他们的工作电压，器件功耗，典型响应时间，采样输出形式以及输出范围。
表1常用传感器参数表
从表1可以看出，常见的温度、湿度、气体、压力传感器工作电压范围集中在0-5V，传感器功耗小于300mW，响应时间从1Hz到500Hz之间。传感器输出形式主要有模拟电压和数字SPI/I2C等形式。输出电压范围在0到5V之间可调节。因此，为了满足常用传感器采集需要，该系统设计的传感器节点模块，原理框图如图2中WIFI传感器节点所示。本传感器节点采用了德州仪器的CC3200芯片作为传感器节点的处理核心。它由主频80MHz的ARMCortex-M4微控制器、WIFI网络处理器和电源管理子系统组成[13]。CC3200的高速ARM处理器满足了传感器节点对数据进行初步降噪处理等需求，并且该芯片同时内置了WIFI协处理器，缩减了产品体积，降低了系统整体功耗。同时它还具有丰富的IO接口包括SPI和I2C，以及内部4通道12位ADC模块，该模块可以进行62.5kHz的同步采样，以及250kHz的异步采样。这已经满足了我们对低速系统的测量要求，所以我们在节点内，使用了CC3200内部ADC进行采样。
但由于CC3200内部只有四个通道的ADC，在针对阵列传感器测试时稍显不足，因此，在传感器节点上使用了两片ADI公司的ADG709模拟4通道多路复用器对采样通道进行扩展。ADG709是一款CMOS低电压，低导通电阻的模拟多路复用器，内部具有四个差分通道。扩展后的采样模块，可以对16通道模拟量进行7.8125kHz的异步采样，以及62.5kHz的4通道同步采样。
WIFI节点电源模块的设计上，由于系统核心部件如CC3200、ADG709使用的电压为3.3V，并且考虑到模块的易用性，我们采用了两种供电方式，一种是3.7V外部供电，另一种为5V外部供电。本文使用了LMS1117-3.3电源转换模块来完成电源转换，其在800mA负载电流情况下，压降为1.2V，并且具有限流和过热保护功能。同时，节点可以使用5VUSB接口供电，由于节点空载情况下发送数据时系统总电流约120mA，而传统电脑的USB电源供电电流为500mA，因此仅USB供电情况下节点可为传感器阵列模块提供的电流最高可达380mA，以费加罗TGS8100来说，可以保证负载16个传感器。WIFI节点整体电路原理图如图3所示。
气体传感器选择
该系统使用具有低功耗的MHP型气体传感器。
Dut2015是一种CMOS兼容的通用型阵列式微热板气体传感器芯片[8]。采用DIP16封装，由4块独立的微热板气体传感器组成。每块微热板的结构，它由悬空支撑结构，钨加热丝，气敏薄膜组成。这种结构相比于传统的加热器件，功耗大幅降低。使得节点可以负载更多的传感器。微热板式气体传感器，其中Hx加热电极正端，接DUT13输出的驱动电压；VSEN为气敏电极正端，Sx为气敏信号输出引脚。Rs与标准电阻串联分压，VSEN信号输入至CC3200的ADC接口完成气敏信号采样。
WIFI节点电源模块的设计上，由于系统核心部件如CC3200、ADG709使用的电压为3.3V，并且考虑到模块的易用性，我们采用了两种供电方式，一种是3.7V外部供电，另一种为5V外部供电。本文使用了LMS1117-3.3电源转换模块来完成电源转换，其在800mA负载电流情况下，压降为1.2V，并且具有限流和过热保护功能。同时，节点可以使用5VUSB接口供电，由于节点空载情况下发送数据时系统总电流约120mA，而传统电脑的USB电源供电电流为500mA，因此仅USB供电情况下节点可为传感器阵列模块提供的电流最高可达380mA，以费加罗TGS8100来说，可以保证负载16个传感器。WIFI节点整体电路原理图如图3所示。
软件设计
基于TI-RTOS的无线传感器节点软件设计
使用德州仪器的TI-RTOS实时操作系统，以及SimpleLink提供的WIFI函数库对WIFI节点进行了开发。
WIFI传感器节点在上电后会首先对系统进行初始化，将节点设置为断线自动重新连接模式，然后从ROM中调取WIFI堆栈信息，堆栈中保存了之前连接过的WIFI信息，包括SSID、加密方式、连接密码，节点会尝试从堆栈顶部WIFI信息开始连接，然后依次向下尝试，直到成功连接为止。
在节点成功连接后，节点会更新WIFI连接状态寄存器，而后软件会将ADC模块进行初始化，清空ADC寄存器以及设置ADC采样时钟速度。
考虑到数据采集的实时性，在节点的通讯协议上采用了UDP传输协议。当节点接收到数据包时，首先判断是否为上位机的握手信息，如果不是则直接丢弃数据，重新进入等待UDP数据包状态。当数据包为握手信号时，系统会取得握手数据包的IP地址与端口号，并且取得握手数据包中的采样控制字节，该字节包含了采样次数n与平均组数m。而后系统进入ADC采样程序，将16个通道的n次采样结果分别存入16个数组中。而后将每个通道的n次采样数据划分为m组，每组进行取算数平均数处理，然后将结果按照通道顺序依次压入发送缓存堆栈中。最后将数据打包进行发送，发送目标为远程握手端的IP以及端口号，因此可以通过多个上位机访问同一个节点。打包发送的数据包头部由4个字节组成，高8位包含了采样节点号，低24位包含了数据包发送时间。
当数据包发送完成后，系统重新进入UDP数据包等待状态，等待下一次握手信息。
移动终端软件部分
该系统使用Unity3d完成软件程序设计部分。
如图4所示，移动终端程序使用Unity3d搭建，使用开源NyARtoolkit作为图像识别插件。通过识别图片得到传感器节点的IP地址及目标端口号。然后向传感器节点发送握手信息，握手后，传感器节点向程序返回传感器A和传感器B的浓度信息值，然后使用计算着色器生成虚拟点阵。点阵生成后使用着色器对点阵颜色进行计算和着色，着色后的点阵实时叠加在摄像头数据上。
在具体软件编写时，其中：
图像识别模块实现使用C#语言
基于NyARtoolkit实现
usingUnityEngine；
usingSystem.Collections；
数据通讯模块实现使用C#语言
usingUnityEngine；
usingSystem.Collections；
usingSystem.Net；
usingSystem.Net.Sockets；
usingSystem.Text；
usingSystem；
usingSystem.Threading；
usingThinksquirrel.Fluvio；
usingThinksquirrel.Fluvio.Plugins；
颜色点阵生成模块实现
分为三部分分别为C#语言实现的初始化程序，使用HLSL语言实现的计算着色器，与使用HLSL语言实现的着色器。
第一部分
usingUnityEngine；
usingSystem.Collections；
第二部分
#pragmakernelCSMain
floatx；
floaty；
floatz；
float4q；
float3ff；
float3qx；
float3qy；
float3qz；
float3x3xa；
float3x3ya；
float3x3za；
float3x3scal；
floatcsx；
floatcsy；
floatcsz；
floatsx；
floatsy；
floatsz；
floatcappm；
floatcbppm；
structpoints{
float3pos1；
float4colors；
}；
RWStructuredBuffer<points>Result；
RWStructuredBuffer<float3>max；
[numthreads(8,8,1)]
第三部分
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种气体传感器可视化系统，其特征在于，包括：移动终端或PC端及传感器层；其中，
所述传感器层包括多个气体传感器，以及与每个气体传感器对应的气体传感器采集节点；
所述移动终端或PC端包括：与所述传感器层信号连接的数据通讯模块，与所述数据通讯模块连接的颜色点阵生成模块，还包括摄像头图像识别模块，以及分别与所述摄像头图标识别模块及所述颜色点阵生成模块连接的虚拟现实叠加模块；其中，所述颜色点阵模块用于根据所述数据通讯模块接收到的所述传感器层采集的气体浓度对应形成颜色点阵，所述虚拟现实叠加模块用于将所述形成的颜色点阵叠加到所述摄像头图像识别模块采集的摄像头数据上。
2.根据权利要求1所述的气体传感器可视化系统，其特征在于，所述颜色点阵模块用于根据所述数据通讯模块接收到的所述传感器层采集的气体浓度对应形成颜色点阵具体为：通过计算着色起声场颜色点阵。
3.根据权利要求2所述的气体传感器可视化系统，其特征在于，所述通过计算着色起声场颜色点阵具体为：对于颜色点阵中点的颜色通过以下公式确定：
Ra＝int(Ca/C0*255)
Rb＝int(Cb/C0*255)
其中Ca为传感器A返回气体浓度值，Cb为传感器A返回气体浓度值，C0为气体传感器最大饱和浓度值。int为取整数；
与该点与其距离d的点的之间的颜色则为与距离相关的线性变化值；
R＝int((Rb-Ra)*d+Ra)
d＝1/Len
其中Len为横向点的个数。
4.根据权利要求2所述的气体传感器可视化系统，其特征在于，所述数据通讯模块与所述传感器层之间通过WIFI信号连接。
5.根据权利要求2所述的气体传感器可视化系统，其特征在于，所述数据通讯模块与所述传感器层之间采用UDP传输协议通信。
6.根据权利要求4所述的气体传感器可视化系统，其特征在于，所述移动终端或PC端还包括：图像识别插件，所述图像识别插件用于通过识别图片信息得到传感器节点的IP地址及目标端口号。
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