信號識別方法、裝置及揮發性有機物檢測設備與流程

本發明涉及空氣污染物監測技術領域，具體而言，涉及一種信號識別方法、裝置及揮發性有機物檢測設備。

背景技術：

近年來，我國空氣質量惡化嚴重，區域性的霧霾天氣和臭氧污染事件頻繁發生，揮發性有機物(volatileorganiccompounds，vocs)長期的大量排放是主要因素之一。據統計，城市中的vocs主要來源于固定污染源廢氣排放，約占整個人為排放源的55.5％。由于存在涂裝工序的企業產品結構的多元化，涂裝材料種類、形態各異，涂裝過程中采用的工藝也各異，造成vocs的排放環節和排放特征也各有不同，現在還缺乏對涂裝企業(特別是中小涂裝企業，如金屬制品業)vocs污染有效的監測，導致大多數存在涂裝工序的企業vocs排放得不到有效控制。

vocs測定有兩種常見的方法，一種是基于氣相色譜的離線檢測方法，另一種是基于電化學傳感器的在線監測方法。目前針對固定污染源vocs的監測是以現場手工采樣回到實驗室分析為主，氣相色譜或色質聯用分析方法是目前公認的vocs標準檢測方法，它能對污染物組成進行全面分析，對污染物濃度精確定量，但其儀器設備價格昂貴，測試成本高，需要專業人員操作，無法滿足現場檢測的要求，并且離線方法時效性差，無法及時反映氣體濃度變化情況，在采樣、樣品儲存、運輸過程易導致樣品損失和交叉污染，測試過程繁瑣、成本較高。在線監測的傳感器方法可以采用單個的傳感器對vocs某一成分做定量的分析，如氫火焰離子化檢測法(fid)、基于光離子化傳感器(pid)法可以測定vocs總量，但是僅測定vocs總量并不能完全反映涂裝污染物的排放情況。

技術實現要素：

有鑒于此，本發明實施例提供一種信號識別方法、裝置及揮發性有機物檢測設備，以改善上述問題。

本發明實施例提供一種信號識別方法，應用于揮發性有機物檢測設備，所述揮發性有機物檢測設備包括氣體傳感器陣列，所述方法包括：對所述氣體傳感器陣列響應的信號進行采樣；對采樣的信號進行特征提取；利用人工神經網絡算法對提取后的信號進行識別；對識別出的信號進行數據處理，得到對應的揮發性有機物的種類和濃度。

進一步地，所述對采樣的信號進行特征提取的步驟還包括：利用主成分分析法對采樣的信號進行特征提取，及利用獨立成分分析法分解出多通道信號中的獨立成分，并進行特征篩選。

進一步地，所述方法還包括：將所述揮發性有機物的種類和濃度進行記錄。

進一步地，所述方法還包括：將計算出的揮發性有機物的濃度和對應種類的揮發性有機物的預設濃度作對比，若計算出的揮發性有機物的濃度大于對應種類的揮發性有機物的預設濃度，發出報警指令。

本發明實施例還提供一種信號識別裝置，應用于揮發性有機物檢測設備，所述揮發性有機物檢測設備包括氣體傳感器陣列，所述裝置包括：采樣模塊，用于對所述氣體傳感器陣列響應的信號進行采樣；特征提取模塊，用于對采樣的信號進行特征提取；模式識別模塊，用于利用人工神經網絡算法對提取后的信號進行識別；計算模塊，用于對識別出的信號進行數據處理，得到對應的揮發性有機物的種類和濃度。

進一步地，所述特征提取模塊還用于利用主成分分析法對采樣的信號進行特征提取，及利用獨立成分分析法分解出多通道信號中的獨立成分，并進行特征篩選。

進一步地，所述信號識別裝置還包括記錄模塊，用于將所述揮發性有機物的種類和濃度進行記錄。

進一步地，所述信號識別裝置還包括對比模塊和報警模塊，所述對比模塊用于將計算出的揮發性有機物的濃度和對應種類的揮發性有機物的預設濃度作對比；所述報警模塊用于若計算出的揮發性有機物的濃度大于對應種類的揮發性有機物的預設濃度，發出報警指令。

本發明實施例還提供一種揮發性有機物檢測設備，所述揮發性有機物檢測設備包括氣體傳感器陣列，所述氣體傳感器陣列被配置成對揮發性有機物進行檢測；處理器；存儲器；及信號識別裝置；所述信號識別裝置被配置成存儲于所述存儲器，并包括一個或多個由所述處理器執行的功能模塊，所述信號識別裝置包括：采樣模塊，用于對所述氣體傳感器陣列響應的信號進行采樣；特征提取模塊，用于對采樣的信號進行特征提取；模式識別模塊，用于利用人工神經網絡算法對提取后的信號進行識別；計算模塊，用于對識別出的信號進行數據處理，得到對應的揮發性有機物的種類和濃度。

進一步地，所述設備還包括：數據采集電路，所述數據采集電路連接于所述氣體傳感器陣列與所述處理器之間，所述數據采集電路被配置成將所述氣體傳感器陣列發送的模擬信號轉換成數字信號；報警器，被配置成響應所述處理器的報警指令，發出報警聲響；集成控制單元，被配置成響應所述處理器的報警指令，控制啟動揮發性有機物處理系統。

與現有技術相比，本發明實施例提供的揮發性有機物檢測設備用于對vocs進行在線檢測，揮發性有機物檢測設備存儲有信號識別方法及裝置的應用程序，可對vocs污染物進行采集，通過氣體傳感器陣列的響應，將響應的信號進行預處理、采樣、特征提取、識別和計算，得到vocs中所含氣體的種類和對應的濃度，能夠快速準確地監測噴涂過程vocs污染物。不僅可以為環境監控提供有效的監測數據，而且可以為改善噴涂工藝和技術提供理論上的支撐。

為使本發明的上述目的、特征和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，并配合所附附圖，作詳細說明如下。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應當理解，以下附圖僅示出了本發明的某些實施例，因此不應被看作是對范圍的限定，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他相關的附圖。

圖1為本發明第一實施例提供的揮發性有機物檢測設備的結構框圖。

圖2為本發明第一實施例提供的信號識別裝置的功能模塊示意圖。

圖3為本發明第一實施例提供的揮發性有機物檢測設備的工作原理圖。

圖4為本發明第二實施例提供的信號識別方法的流程圖。

圖標：100-揮發性有機物檢測設備；101-存儲器；102-存儲控制器；103-處理器；104-外設接口；105-顯示單元；106-氣體傳感器陣列；107-數據采集電路；108-報警器；109-集成控制單元；200-信號識別裝置；201-采樣模塊；202-特征提取模塊；203-模式識別模塊；204-計算模塊；205-記錄模塊；206-對比模塊；207-報警模塊；300-試驗箱。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。通常在此處附圖中描述和示出的本發明實施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設計。因此，以下對在附圖中提供的本發明的實施例的詳細描述并非旨在限制要求保護的本發明的范圍，而是僅僅表示本發明的選定實施例。基于本發明的實施例，本領域技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

應注意到：相似的標號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨后的附圖中不需要對其進行進一步定義和解釋。同時，在本發明的描述中，術語“第一”、“第二”等僅用于區分描述，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

第一實施例

請參考圖1，是本發明第一實施例提供的揮發性有機物檢測設備100的結構框圖。本發明實施例提供的揮發性有機物檢測設備100用于對在噴涂作業中對揮發性有機物(volatileorganiccompounds，vocs)的成分和含量進行檢測，以預防和治理vocs污染。常見的vocs包括苯、甲苯、乙苯、二甲苯、甲醇、乙醇、丙酮、異丙醇，優選為苯系物。

所述揮發性有機物檢測設備100包括多個硬件和軟件功能模塊，揮發性有機物檢測設備100可以搭載安卓(android)系統、ios(iphoneoperatingsystem)系統、windowsphone系統、windows系統等，為多個軟件功能模塊提供運行環境。于本發明實施例中，所述信號識別為安裝于揮發性有機物檢測設備100中的應用程序(application，app)。所述揮發性有機物檢測設備100還包括存儲器101、存儲控制器102、處理器103、外設接口104、顯示單元105、氣體傳感器陣列106、數據采集電路107、報警器108及集成控制單元109。

所述存儲器101、存儲控制器102、處理器103、外設接口104、顯示單元105、氣體傳感器陣列106、數據采集電路107、報警器108及集成控制單元109，各元件相互之間直接或間接地電性連接，以實現數據的傳輸或交互。例如，這些元件相互之間可通過一條或多條通訊總線或信號線實現電性連接。所述信號識別裝置200包括至少一個可以軟件或固件(firmware)的形式存儲于所述存儲器101中或固化在所述揮發性有機物檢測設備100的操作系統(operatingsystem，os)中的軟件功能模塊。所述處理器103用于執行存儲器101中存儲的可執行模塊，例如，所述信號識別裝置200包括的軟件功能模塊或計算機程序。

存儲器101可用于存儲軟件程序以及模組，如本發明實施例中的信號識別方法及裝置對應的程序指令/模塊。所述處理器103用于執行所述存儲器101中存儲的可執行模塊，例如信號識別裝置200所包括的軟件功能模塊及計算機程序等。

存儲器101可包括高速隨機存儲器，還可包括非易失性存儲器，如一個或者多個磁性存儲裝置、閃存、或者其他非易失性固態存儲器。處理器103以及其他可能的組件對存儲器101的訪問可在存儲控制器104的控制下進行。

處理器103可能是一種集成電路芯片，具有信號的處理能力。上述的處理器103可以是通用處理器，包括中央處理器(centralprocessingunit，簡稱cpu)、網絡處理器(networkprocessor，簡稱np)等；還可以是數字信號處理器(dsp)、專用集成電路(asic)、現成可編程門陣列(fpga)或者其他可編程邏輯器件、分立門或者晶體管邏輯器件、分立硬件組件。可以實現或者執行本發明實施例中的公開的各方法、步驟及邏輯框圖。通用處理器可以是微處理器或者該處理器103也可以是任何常規的處理器等。

所述外設接口104將各種輸入/輸出裝置耦合至處理器103以及存儲器101。在一些實施例中，外設接口104，處理器103以及存儲控制器102可以在單個芯片中實現。在其他一些實例中，他們可以分別由獨立的芯片實現。

顯示單元105在所述揮發性有機物檢測設備100與用戶之間提供一個交互界面(例如用戶操作界面)或用于顯示圖像數據給用戶參考。在本實施例中，所述顯示單元105可以是液晶顯示器或觸控顯示器。優選地，該顯示單元105可用于顯示揮發性有機物檢測設備100檢測到的vocs的成分和各成分含量數值。

所述氣體傳感器陣列106可以包括tgs系列傳感器、pid光離子傳感器及電化學傳感器。優選的，所述氣體傳感器陣列106由7個tgs系列傳感器、1個pid光離子傳感器及2個電化學傳感器組成。所述氣體傳感器陣列106對vocs具有敏感性，能夠檢測出vocs含有的化合物，并且氣體傳感器陣列106與數據采集電路107電連接，氣體傳感器陣列106檢測出vocs后，響應的信號為模擬信號，將響應的模擬信號傳輸至數據采集電路107。

所述數據采集電路107可以包括多個采集卡，如可包括a/d采集卡等。還具有信號預處理的功能，可以包括濾波電路，能夠將轉換的數字信號進行濾波和去噪。通過外設接口104將采集的數字信號發送至處理器103，由處理器103進行處理。

所述報警器108用于響應處理器103發出的控制指令，發出報警，本實施例中，所述報警器108為聲光報警器。

所述集成控制單元109用于響應所述處理器103的報警指令，控制啟動揮發性有機物處理系統，所述揮發性有機物處理系統能夠對室內的vocs污染物進行處理。

請參考圖2，是本發明第一實施例提供的信號識別裝置200的功能模塊示意圖。所述信號識別裝置200包括采樣模塊201、特征提取模塊202、模式識別模塊203及計算模塊204。

所述采樣模塊201，用于對所述氣體傳感器陣列106響應的信號進行采樣。本實施例中，氣體傳感器陣列106響應的信號經過數據采集電路107預處理后，采樣模塊201對預處理后的信號進行采集。為由氣體傳感器陣列106響應對應的敏感氣體后產生的模擬信號，再由數據采集電路107處理后的數字信號，即為采樣的信號。

所述特征提取模塊202，用于對采樣的信號進行特征提取。本實施例中，利用主成分分析法對采樣的信號進行特征提取，及利用獨立成分分析法分解出多通道信號中的獨立成分，并進行特征篩選。主成分分析也稱主分量分析，旨在利用降維的思想，把多指標轉化為少數幾個綜合指標(即主成分)，其中每個主成分都能夠反映原始變量的大部分信息，且所含信息互不重復；獨立成分分析是指從獨立源混合信號中恢復出獨立的源信號，是一種盲源分離的方法。

所述模式識別模塊203，用于利用人工神經網絡算法對提取后的信號進行識別。邏輯性的思維是指根據邏輯規則進行推理的過程，它先將信息化成概念，并用符號表示，然后，根據符號運算按串行模式進行邏輯推理，這一過程可以寫成串行的指令，讓計算機執行，即為人工神經網絡算法。

所述計算模塊204，用于對識別出的信號進行數據處理，得到對應的揮發性有機物的種類和濃度。優選的，可以依據用戶指令，在存儲器101中調取對應的數據處理方法對識別出的信號進行數據處理，得到對應的揮發性有機物的種類和濃度。例如，可以在不同溫度狀態下選擇不同的數據處理方法或模式。

所述信號識別裝置200還包括記錄模塊205、對比模塊206和報警模塊207。所述記錄模塊205用于將所述揮發性有機物的種類和濃度進行記錄，并將記錄的揮發性有機物的種類和濃度存儲到存儲器101中。信號識別裝置200還可以依據存儲的vocs的種類和濃度以及對應的時刻建立二維圖，可為噴涂工藝和技術提供理論上的支撐。

所述對比模塊206用于將計算出的揮發性有機物的濃度和對應種類的揮發性有機物的預設濃度作對比；所述報警模塊207用于若計算出的揮發性有機物的濃度大于對應種類的揮發性有機物的預設濃度，發出報警指令，控制報警器108發出報警聲響。

請參考圖3，是本發明第一實施例提供的揮發性有機物檢測設備100的工作原理圖。所述揮發性有機物檢測設備100可以包括vocs采樣單元、傳感器陣列檢測單元、信號識別裝置200以及集成控制單元109。

所述vocs采樣單元用于進行氣體采集，可以包括依次相連的進氣管、冷凝器、過濾器、干燥器、抽氣泵和流量計。傳感器陣列檢測單元用于信號采樣及信號預處理，包括試驗箱300，安裝在試驗箱300內的氣體傳感器陣列106，與氣體傳感器陣列106相連的加熱電源、工作電源和數據采集電路107。

當vocs經過進氣管進入到試驗箱300后，試驗箱300內的氣體傳感器陣列106對采集的氣體進行信號采樣，氣體傳感器陣列106將采樣的模擬信號發送至數據采集電路107經過模數轉換、濾波、去噪后發送至處理器，由處理器103執行存儲在存儲器101中的信號識別裝置200進行信號識別、計算，最后得到vocs中各個種類和對應的濃度。

第二實施例

請參考圖4，是本發明第二實施例提供的信號識別方法的流程圖。本發明第二實施例提供的信號識別方法包括以下步驟：

步驟s101，對所述氣體傳感器陣列106響應的信號進行采樣。

具體的，氣體傳感器陣列106響應的信號經過數據采集電路107預處理后，采樣模塊201對預處理后的信號進行采集。為由氣體傳感器陣列106響應對應的敏感氣體后產生的模擬信號，再由數據采集電路107處理后的數字信號，即為采樣的信號。

本發明實施例中，所述步驟s101可以由采樣模塊201執行。

步驟s102，對采樣的信號進行特征提取。

利用主成分分析法對采樣的信號進行特征提取，及利用獨立成分分析法分解出多通道信號中的獨立成分，并進行特征篩選。主成分分析也稱主分量分析，旨在利用降維的思想，把多指標轉化為少數幾個綜合指標(即主成分)，其中每個主成分都能夠反映原始變量的大部分信息，且所含信息互不重復；獨立成分分析是指從獨立源混合信號中恢復出獨立的源信號，是一種盲源分離的方法。

本發明實施例中，所述步驟s102可以由特征提取模塊202執行。

步驟103，利用人工神經網絡算法對提取后的信號進行識別。

本發明實施例中，所述步驟s103可以由模式識別模塊203執行。

步驟104，對識別出的信號進行數據處理，得到對應的揮發性有機物的種類和濃度。

本發明實施例中，所述步驟s104可以由計算模塊204執行。

步驟105，將所述揮發性有機物的種類和濃度進行記錄。

本發明實施例中，所述步驟s105可以由記錄模塊205執行。記錄模塊205將所述揮發性有機物的種類和濃度進行記錄，并將記錄的揮發性有機物的種類和濃度存儲到存儲器101中。

步驟106，計算出的vocs的濃度是否大于預設濃度？

將計算出的揮發性有機物的濃度和對應種類的揮發性有機物的預設濃度作對比，若計算出的揮發性有機物的濃度小于或等于對應種類的揮發性有機物的預設濃度，則結束；若計算出的揮發性有機物的濃度大于對應種類的揮發性有機物的預設濃度，則執行步驟s107。

本發明實施例中，所述步驟s106可以由對比模塊206執行。

步驟107，發出報警指令。所述報警指令可以控制報警器108發出報警聲響，還可以控制述集成控制單元109啟動揮發性有機物處理系統，所述揮發性有機物處理系統能夠對室內的vocs污染物進行處理。

本發明實施例中，所述步驟s107可以由報警模塊207執行。

綜上所述，本發明實施例提供的揮發性有機物檢測設備用于對vocs進行在線檢測，揮發性有機物檢測設備存儲有信號識別方法及裝置的應用程序，可對vocs污染物進行采集，通過氣體傳感器陣列的響應，將響應的信號進行預處理、采樣、特征提取、識別和計算，得到vocs中所含氣體的種類和對應的濃度，能夠快速準確地監測噴涂過程vocs污染物。不僅可以為環境監控提供有效的監測數據，而且可以為改善噴涂工藝和技術提供理論上的支撐。

在本申請所提供的幾個實施例中，應該理解到，所揭露的裝置和方法，也可以通過其它的方式實現。以上所描述的裝置實施例僅僅是示意性的，例如，附圖中的流程圖和框圖顯示了根據本發明的多個實施例的裝置、方法和計算機程序產品的可能實現的體系架構、功能和操作。在這點上，流程圖或框圖中的每個方框可以代表一個模塊、程序段或代碼的一部分，所述模塊、程序段或代碼的一部分包含一個或多個用于實現規定的邏輯功能的可執行指令。也應當注意，在有些作為替換的實現方式中，方框中所標注的功能也可以以不同于附圖中所標注的順序發生。例如，兩個連續的方框實際上可以基本并行地執行，它們有時也可以按相反的順序執行，這依所涉及的功能而定。也要注意的是，框圖和/或流程圖中的每個方框、以及框圖和/或流程圖中的方框的組合，可以用執行規定的功能或動作的專用的基于硬件的系統來實現，或者可以用專用硬件與計算機指令的組合來實現。

另外，在本發明各個實施例中的各功能模塊可以集成在一起形成一個獨立的部分，也可以是各個模塊單獨存在，也可以兩個或兩個以上模塊集成形成一個獨立的部分。

所述功能如果以軟件功能模塊的形式實現并作為獨立的產品銷售或使用時，可以存儲在一個計算機可讀取存儲介質中。基于這樣的理解，本發明的技術方案本質上或者說對現有技術做出貢獻的部分或者該技術方案的部分可以以軟件產品的形式體現出來，該計算機軟件產品存儲在一個存儲介質中，包括若干指令用以使得一臺計算機設備(可以是個人計算機，服務器，或者網絡設備等)執行本發明各個實施例所述方法的全部或部分步驟。而前述的存儲介質包括：u盤、移動硬盤、只讀存儲器(rom，read-onlymemory)、隨機存取存儲器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盤等各種可以存儲程序代碼的介質。需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關系術語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關系或者順序。而且，術語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括一個……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設備中還存在另外的相同要素。

以上所述僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，對于本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。應注意到：相似的標號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨后的附圖中不需要對其進行進一步定義和解釋。

以上所述，僅為本發明的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應以權利要求的保護范圍為準。