A Microcontroller Based on Multi Sensors Data Fusion and Artificial Intelligent Technique for Gas Identification

Conclusion

ในกระบวนการวัดนั้นจะยึดถือตัว Microcontroller ที่พัฒนาขึ้นใช้งานเป็นหลัก โดยข้อมูลทั้งหมดที่ได้จากการทดลองนั้นจะถูกควบคุมด้วยระบบอัตโนมัติจากคอมพิวเตอร์ และ Gas ที่แตกต่างที่มีใช้งานจะได้แก่ มีเทน, คาร์บอนไดออกไซด์, ไฮโดรเจน, โพรเพน และบิวเทน ที่ความเข้มข้นแตกต่างกัน สำหรับตัว Microcontrollerที่เป็นพื้นฐานในการทำงานในระบบการวัดและตรวจสอบที่ถูกนำเสนอในเอกสารนี้นั้นเป็นการสร้างขึ้นเพื่อเป็นต้นแบบ ในเอกสารนี้การวิเคราะห์การคัดกรองของทุก ๆ sensor นั้นเพื่อระบุชนิดของ gas ซึ่งก็คือ output volt ที่เปลี่ยนแปลงโดยขึ้นกับอุณหภูมิ โดยการวัดค่าของข้อมูลนั้นจะถูกบันทึกตลอดการทำงาน ทั้งนี้จะนำค่าเฉลี่ยนที่เลือกมาใช้งานจริง โดยการประยุกต์วิธีบนเส้นโค้งข้อมูลในลักษณะของสมการ exponential ที่คาดคะเนได้ตลอดเส้นโค้ง สำหรับชนิด Mamdani ของ fuzzy controller ที่ถูกใช้การทำเงื่อนไขนั้น จะเป็นการนำข้อมูลจาก Microcontroller มาใช้งาน ซึ่งสามารถใช้ในการจำแนกและแยกแยะรูปแบบของข้อมูลสำหรับ gas ที่แตกต่างกันโดยการเปลี่ยนแปลงพารามิเตอร์ เช่น gas ที่มีความเข้มข้นต่างกันนั้น จะส่งผลให้มีการเปลี่ยนแปลงค่าความต้านทานของ sensor และ output volt ของ Microcontroller ณ อุณหภูมิที่แตกต่างกัน และยังเพิ่มการคัดกรองสำหรับระบุเอกลักษณ์ของ gas ใน sensor อีกด้วย และด้วยความหลากหลายจำนวนมากของ membership fn นั้น ผลลัพธ์จะถูกจำกัดในการแสดงผลโดย fuzzy logic สำหรับแต่ละ sensor ซึ่ง fuzzy logic นั้นจะให้การคาดคะเนถึงสิ่งที่เป็นไปได้โดยขึ้นกับความสัมพันธ์ของแต่ละ gas จาก sensor ต่าง ๆ ที่มาจากการทดลอง

A Microcontroller Based on Multi Sensors Data Fusion and Artificial Intelligent Technique for Gas Identification

Results And Analysis

หลังจากที่ setup การทดลองและมีข้อมูลที่ถูกต้อง ซึ่งการวิเคราะห์ข้อมูลนั้นจะกระทำด้วยกระบวนการ 2 วิธี คือ

วิธีแรก : จะทำการหาความสัมพันธ์ระหว่าง output volt ของ sensor ที่อุณหภูมิสำหรับแต่ละ gas ที่แตกต่างกัน โดยความสัมพันธ์ดังกล่าวนั้นจะเป็นการดึงออกมาจากเส้นโค้งของ exponential fn ซึ่งจะเป็นการคาดคะเนถึงค่า output volt ที่ใกล้เคียงกับการวัดในกระบวนการทดลองในอัตราส่วนที่มีความผิดพลาดน้อย ใน output volt ของ sensor นั้นจะเป็นค่าที่แตกต่างกันซึ่งจะดูจากอุณหภูมิ ทั้งนี้สามารถคำนวณได้จากสมการ exponential

V=A x e^BT

โดยที่ V คือ output volt ของ microcontroller

T คือ อุณหภูมิในหน่วยองศาเซลเซียส

A และ B คือ coefficient ของที่ใช้งาน

สำหรับค่า A และ B นั้นสามารถดูได้จากตาราง 1 - 5 ในเอกสาร ซึ่งจะขึ้นอยู่กับความแตกต่างเฉพาะของค่าความต้านทานและชนิดของ Gas

วิธีที่ 2 : ด้วยวิธีการควบคุมในระบบ fuzzy นั้นจะขึ้นกับอุณหภูมิ ซึ่งค่า output volt ของแต่ละ sensor และค่าความต้านทานที่ input ใช้ในการคาดคะเนถึงความแตกต่างของแต่ละ gas ที่จะเป็น output โดยลักษณะของแต่ละ gas ที่ถูกตรวจจับนั้นขึ้นกับระบบ fuzzy ซึ่งสำหรับพื้นผิวที่แสดงถึง input และ output ของระบบ fuzzy ที่ใช้ในการอนุมานสามารถแสดงได้ดังรูปที่ 3 -27 ในเอกสาร ทั้งนี้สามารถสังเกตได้ดังนี้

มีเทน : สามารถตรวจจับได้โดยการใช้

TGS3870 : RL = 3k , 0.6 - 1.5 V

TGS822 : RL = 7k , 1.5 V

TGS813 : RL = 7k , 0.7 V

TGS2600 : RL = 7k , 1.5V

ไฮโดรเจน : สามารถตรวจจับได้โดยการใช้

TGS3870 : RL = 5k , 0.5 - 1 V

TGS822 : RL = 5k , 1.5 V

TGS813 : RL = 5k , 0.5 V

TGS2600 : RL = 7k , 0.5 - 1 V

คาร์บอนไดออกไซด์ : สามารถตรวจจับได้โดยการใช้

TGS3870 : RL = 7k , 0.5 V

TGS813 : RL = 5k , 0.5 V

TGS2600 : RL = 3k , 0.5 - 1 V

TGS822 : RL =7k , 1.5 V

บิวเทน และโพรเพน : โดยส่วนมากของ sensor จะมีความสัมพันธ์ที่คล้ายกันของ output ของโพรเพนและบิวเทน ซึ่งจะมีปฏิสัมพันธ์กันในผลลัพธ์สำหรับบางกรณี

สำหรับบิวเทนนั้นสามารถตรวจจับได้โดย

TGS3870 : RL = 1k , 1.3 - 2.5 V

TGS822 : RL = 3k , 0.5 - 1 V

TGS813 : RL = 7k , 1 - 1.7 V

TGS2600 : RL = 5k , 0.7 V

และสำหรับโพรเพนนั้นสามารถตรวจจับได้โดย

TGS3870 : RL = 7k , 0.7 V

TGS822 : RL = 3k , 0.5 - 1 V

TGS813 : RL = 3k , 1.2 - 1.5 V

TGS2600 : RL = 3k , 1.7 - 2 V

ในค่า output volt ของความแตกต่างของ gas คือค่าที่ใช้งานใน TGS4160 ซึ่งการกำหนดค่านั้นเป็นไปได้ยากที่จะขึ้นกับ sensor ในการระบุเอกลักษณ์ ซึ่งค่า output volt นั้นจะเป็น 0.7 V สำหรับทุก ๆ ค่าความต้านทานที่ gas ที่แตกต่างกัน ทั้งนี้ข้อเสียที่สำคัญที่สุดอย่างหนึ่งคือปฏิสัมพันธ์ของผลลัพธ์ที่แต่ละ sensor ที่ถูกเลือกใช้งานเป็นหลักเพื่อ gas บางตัว และจะไม่คัดกรองสำหรับ gas อื่นที่ไม่สำคัญ

A Microcontroller Based on Multi Sensors Data Fusion and Artificial Intelligent Technique for Gas Identification

Experimental Setup

สำหรับการระบุเอกลักษณ์ของ Gas นั้น ได้อาศัย Gas sensor ที่มีอยู่ทั่วไป 5 ชนิด ได้แก่ TGS822, TGS813, TGS2600, TGS3870 และ TGS4160 จากบริษัท Figaro โดย sensor ที่นำมาใช้งานนั้นรองรับ volt = 5V โดยอุปกร์พื้นฐานสำหรับการทดลองนั้นประกอบไปด้วย ตัวควบคุมการไหลของ Gas ใน bottle , sensor ที่ติดตั้งภายใน chamber ขนาด 475 ลูกบาศก์เซ็นติเมตร และระบบทำความร้อน ทั้งนี้ Gas ที่นำมาใช้ในการทดลอง ได้แก่ คาร์บอนไดออกไซด์, ไฮโดรเจน, มีเทน, โพรเพน และบิวเทน ซึ่งในการกระบวนการวัดนั้นจะทำการวัดที่ 45% ของความชื้น โดย sensor ทุกตัวจะถูกเชื่อมต่อกันเพื่อครอบคลุมทั้ง chamber สำหรับ input นั้นจะถูกเชื่อมต่อกับตัวควบคุมการไหลเพื่อควบคุมสิ่งที่สนใจของ input gas หลังจากที่กำจัดความชื้นในอากาศแล้ว ในทุก ๆ sensor นั้นจะมีการปรับเปลี่ยนอุณหภูมิหนึ่งไปยังอีกอุณหภูมิหนึ่งที่ล้อมรอบ ในตัวต้านทานทั้ง 5 นั้นที่เชื่อมโยงกันจะถูกควบคุมโดย microcontroller เพื่อให้ได้ output ของแต่ละ sensor ทั้งนี้ output ที่ได้จากการควบคุมของ microcontroller นั้นจะถูกบันทึกทุก ๆ 20 วินาที ในความแตกต่างของ Gas ที่สนใจนั้นจะเกิดขึ้นที่ 100 ppm, 400 ppm, 700 ppm, 1000 ppm ด้วยอุณหภูมิที่แตกต่างช่วงระหว่าง 20 - 50 องศาเซลเซียส ด้วยค่าความต้านทานของแต่ละ sensor เป็น RL=1k, 3k, 5k และ 7k ซึ่งจะควบคุมอัตราการดูดซึมของ Gas ภายใน sensor รูปที่ 2 ภายในเอกสารนั้นจะแสดงให้เห็นถึง diagram ของระบบตรวจจับ gas โดย diagram ดังกล่าวจะบอกถึงอุปกรณ์ที่จำเป็นสำหรับในการสร้างระบบ โดยรวมถึง microcontroller ที่มี (A/D) converter ฝังอยู่ในตัว ซึ่งมันถูกนำมาใช้ในการสร้างระบบสำหรับงานนี้เนื่องจากปริมาณ memory และความเร็วสูง ในขั้นตอนของข้อมูลที่ออกมาน้ันจะถ่ายโอนไปยังเครื่อง PC ด้วย serial port RS232 ที่ Baud rate = 2400 จากตัว microcontroller อีกทั้งในส่วนของ software ที่ใช้งานนั้นถูกพัฒนาขึ้นด้วยภาษา C และติดตั้งเข้ากับระบบ

โดยใน program สำหรับการใช้งานนั้นจะประกอบด้วย 3 ส่วน คือ ส่วนของการวัด, ส่วนของการคำนวณทางคณิตศาสตร์ และส่วนแสดงผล โดยระบบนั้นถูกพัฒนาให้เพิ่มความน่าเชื่อถือและลดความไม่แน่นอนของการทำงาน และด้วยกระบวนการที่ซับซ้อนนั้นจะมีส่วนของการวัดและกำหนดค่าเครื่องมือ การใช้หลักเหตุผล ซึ่งจะใช้ร่วมกันในการทดสอบและวัดประสิทธิภาพของระบบในการที่จะลดความผิดพลาดในการทำงานให้น้อยลง

A Microcontroller Based on Multi Sensors Data Fusion and Artificial Intelligent Technique for Gas Identification

Introduction

ในกระบวนการวิเคราะห์และควบคุม Gas นั้นสามารถทำได้โดยอาศัยออกไซด์ของโลหะในตัว sensor ที่ซึ่งใช้สำหรับลดความเสี่ยงในการทดลอง มันมีโอกาสสำเร็จที่ดีกว่าถ้าเราทำการรวบรวมผลที่มาจาก sensor ที่มีความแตกต่างกัน เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพและความแม่นยำมากกว่าที่จะใช้ sensor เพียง 1 ตัวในการทำงาน ซึ่งผลที่ออกมานั้นจะอยู่ในลักษณะของ nonlinear ทำให้การคัดกรองประสิทธิภาพต่ำ และเกิดปัญหาอื่น ๆ ตามมาของการใช้ sensor เพียงตัวเดียว สำหรับการอาศัย sensor หลายๆ ตัวรวบรวมข้อมูลนั้นก็เพื่อใช้ในการอนุมานข้อมูลที่ซึ่งไม่สามารถทำได้ในการทำงานโดย sensor เพียงตัวเดียว

ในกระบวนการนำความร้อนที่เป็นแนวทางในการวิเคราะห์อย่างหนึ่งที่จะบอกความจริงของ Gas ที่จะมีความแตกต่างกันในเรื่องของการนำความร้อน โดยวิธีการพื้นฐานนี้ถูกใช้สำหรับการวิเคราะห์ Gas ที่เกี่ยวข้องกับการแผ่รังสีความร้อนในการนำความร้อนของ Gas (แสดงได้จากรูปที่ 1 ในเอกสาร) โดยในอุปกรณ์นั้นจะประกอบไปด้วย 2 chamber ในแต่ละอันนั้นจะมีเส้นใยที่ใช้ตรวจจับความร้อน

ใน chamber อันที่ 1 นั้นจะใช้สำหรับ Gas ตัวอย่างไหลผ่าน ขณะที่ส่วนอื่นจะบรรจุ Gas อ้างอิง เช่น อากาศ ด้วยวงจรบริจ จะถูกกำหนดค่าโดยอาศัย Gas ที่เหมือนกันที่อยู่รอบ ๆ ตัวต้านทานสองตัว ซึ่งได้แก่ ref. filament (R3) และ measuring filament (R4) ในตัวต้านทาน R2 จะสามารถเปลี่ยนแปลงได้เพื่อรักษาสมดุลของวงจรบริจ ทั้งนี้เมื่อ Gas ในถังวัดนั้นถูกแทนที่โดย gas ที่ใช้ในการทดลอง ภายใต้แรงดัน และอุณหภูมิเดียวกัน ถ้ากรณีที่ Gas ที่ใช้ในการทดลองกับ Gas อ้างอิงนั้นมีความแตกต่างในการนำความร้อน R4 จะมีอุณหภูมิที่ต่ำกว่า ในอัตราการเย็นตัวที่แตกต่างกัน ผลจะขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิจากการวัดค่าใน R4 และการเปลี่ยนแปลงค่าความต้านทานในตัวมันเอง ซึ่งการเปลี่ยนแปลงใน R4 จะส่งผลกระทบให้วงจรบริจนั้นไม่สมดุล โดยเงื่อนไขดังกล่าวของการเปลี่ยนแปลงนั้นจะส่งผลให้มิเตอร์แสดงถึงการเปลี่ยนแปลงในองค์ประกอบของ Gas

โดยกระบวนต่าง ๆ นั้นจะขึ้นอยู่กับการวัดและการตรวจสอบที่ได้จากการทำการทดลองที่นำ sensor ที่มีในท้องตลาดมาประกอบ ในส่วนของ output ของ sensor นั้นจะถูกควบคุมโดย microcontroller และด้วยกระบวนการอันฉลาดโดยอาศัยวงจร fuzzy ที่นำมาใช้งาน ทั้งนี้เนื่องจากมันจะให้ผลลัพธ์ที่ดีกว่า และทำให้แยกแยะเอกลักษณ์ของ Gas ได้ดียิ่งขึ้น ในระบบวงจร fuzzy ที่เป็นส่วนที่มีการใช้เหตุผลเช่นเดียวกับมนุษย์เพื่อใช้ในการตัดสินใจ และควบคุมส่วนของระบบที่มีความยืดยุ่นค่อนข้างมากได้ดี ในวงจร fuzzy นั้นประกอบด้วย fuzzy set ที่มีกระบวนวิธีที่ไม่ได้อาศัยหลักการทางสถิติ แต่อาศัยหลักเหตุผล และรวมถึงสิ่งต่าง ๆ ที่จะใช้ในการอนุมาน ซึ่งเป็นส่วนที่จะเชื่อมโยงระหว่าง input ไปยัง output ของระบบ ในข้อมูลที่มีลักษณะเป็น IF-Then โดยในขั้นตอนการสร้างระบบ fuzzy นั้นจะเป็นในลักษณะชนิดของ Mamdani โดยองค์ประกอบหลักเพื่อจำแนกแยกแยะความแตกต่างของ Gas และตรวจจับ Gas ที่สนใจแต่ละชนิดได้ ซึ่งอาศัยตัวแปรที่ input ในตัวควบคุม fuzzy ชนิด Mamdani นั้นประกอบด้วย 5 ขั้นตอน ดังนี้

ขั้นที่ 1 การแสดงให้เห็นถึงค่า input และขอบเขต ซึ่งประกอบด้วย 3 input คือ อุณหภูมิ, ค่า output ของ volt และค่าความต้านทานที่ขึ้นอยู่กับแต่ละ sensor ซึ่งค่าต่าง ๆ นั้น จะถูกแบ่งเป็น 5 ช่วง ดังนี้

• Temp (ํC)

Low 20<30

Moderate 25<35

Medium 30<40

High 35<45

V.high 40<50

• Output volt (v)

V.Low 0.5<1.5

Low 1<2

Medium 1.5<2.5

High 2<3

V.High 2.5<3.5

• ค่าความต้านทาน

V.Low 1<3

Low 2<4

Medium 3<5

High 4<6

V.High 5<7

ขั้นที่ 2 แสดงให้เห็นถึงช่วงและค่าของ output ที่จะใช้ในการแยกแยะ Gas

• The concentration of gas in (ppm)

V.Low 100<400

Low 250<550

Medium 400<700

High 550<850

V.High 700<1000

ขั้นที่ 3 การกำหนดค่าใน fuzzy membership fn สำหรับแต่ละ input และ output โดยค่าที่ใช้งานจะเป็น Low และ High ที่จะระบุให้ค่ากับ membership fn โดยค่านั้นจะครอบคลุมช่วงที่เป็นไปได้ทั้งหมด ซึ่งจะขึ้นอยู่กับ min-max ของ input/output ที่แสดง

ขั้นที่ 4 โครงสร้างในเงื่อนไขพื้นฐานที่จะใช้ในการควบคุมและจัดการ จะถูกสร้างในลักษณะของ matrix input และ output ที่แต่ละแถวจะเป็นค่า input ที่ต่างกัน ซึ่งจะหมายถึงค่า output หนึ่งเดียว ในเงื่อนไขจะดำเนินการใช้ทุกส่วนในการพิจารณาร่วมกัน ซึ่งการกำหนดเงื่อนไขนั้นจะอยู่ในลักษณะของ AND ด้วยค่า input เพื่อที่จะใช้ในการหา output

ขั้นที่ 5 ในการควบคุมปฏิกิริยาจะถูกรวมเข้าเป็นส่วนหนึ่งของการ interface โดยเงื่อนไขพื้นฐานนั้นจะเป็นวิธีเพื่อหาค่ากลางที่จะได้มาซึ่งค่า output ซึ่งขั้นตอนนี้จะถูกดำเนินการซ้ำ จนกระทั่งระบบได้ถูกปรับทั้งหมด ด้วยระบบ fuzzy ที่จะใช้ในการแยกแยะ และระบุรูปแบบของข้อมูลที่มีความแตกต่างกันของ Gas

A Microcontroller Based on Multi Sensors Data Fusion and Artificial Intelligent Technique for Gas Identification

Abstract

Microcontroller จะเป็นส่วนประกอบพื้นฐานในการพัฒนาระบบตรวจจับ Gas ที่จะกล่าวถึง โดยกระบวนการนำเสนอจะขึ้นอยู่กับลักษณะของ oxide ของโลหะของ gas sensor อาทิ TGS822, TGS813, TGS2600, TGS3870 และ TGS4160 ความแตกต่างในสถานะคงตัวที่ประสิทธิภาพขึ้นกับ sensor ที่ถูกใช้ในการตรวจจับและคัดกรอง ขณะที่การรวมกันของ gas sensor นั้นจะช่วยในการแก้ปัญหาการแยกแยะชนิดของ Gas ได้ ในลำดับถัดไป gas sensor นั้นจะถูกนำไปติดตั้งใน chamber ซึ่งเป็นส่วนของระบบนำความร้อน ทั้งนี้ชนิดที่แตกต่างกันของ Gas ที่ถูกใช้งาน ได้แก่ มีเทน, คาร์บอนไดออกไซด์, ไฮโดรเจน, โพรเพน และบิวเทน ซึ่งก๊าซต่าง ๆ จะไหลผ่าน chamber ด้วยลักษณะเฉพาะตัวของก๊าซและอุณหภูมิ ในกระบวนการวัดการทดลองนั้นจะทำการตรวจสอบคัดกรอง Gas โดยแต่ละ sensor ซึ่งจะขึ้นอยู่กับค่า volt ของ Microcontroller ทั้งนี้จะอยู่ในลักษณะความสัมพันธ์กับอุณหภูมิกับก๊าซที่สนใจ และค่าความต้านทานของแต่ละ sensor ใน paper นี้เป็นการตรวจหาเอกลักษณ์ของ Gas ด้วย fuzzy technique โดยความเป็นเอกลักษณ์นั้นจะถูกนำข้อมูลมาจาก Microcontroller ในรูปแบบของ IF-Then ในส่วนของผลลัพธ์ของ fuzzy logic จะแสดงให้เห็นถึงลักษณะเฉพาะของ Gas ซึ่งจะใช้เปลี่ยนแปลงในพารามิเตอร์ที่แตกต่างกันไป อาทิ การเปลี่ยนแปลงของ Gas ที่สนใจจะเป็นในลักษณะของค่าความต้านทานใน sensor และ volt ที่ออกมาจาก Microcontroller ที่อาศัยอุณหภูมิที่แตกต่างกันเพื่อบ่งบอกความแตกต่างของ Gas ที่เป็นไปได้ ทั้งนี้จะอาศัย Microcontroller เป็นสำคัญซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการตรวจจับและคัดกรอง ทำให้มีความแม่นยำมากยิ่งขึ้น

Read me

บทความต่าง ๆ ทั้งหมดนี้ เป็นไปเพื่อการศึกษาเท่านั้น มิได้มีเจตนาเพื่อเผยแพร่ให้เกิดความเสียหายแต่อย่างได้ รายละเอียดต่าง ๆ เป็นการสรุปเนื้อหา และรวบรวมข้อมูลจากแหล่งต่าง ๆ โดยผู้เขียน ซึ่งอาจประกอบด้วยข้อมูลที่ถูกต้องหรืออาจผิดพลาดได้ หากบุคคลทั่วไปมีเจตนาจะแนะนำ หรือซักถามข้อสงสัยประการใดสามารถติดต่อมาได้ทาง e-mail >> sirjakk@gmail.com
รายละเอียดส่วนใหญ่ภายใต้การเขียนใน blog นี้ จะเป็นไปในลักษณะของการสรุป และรวบรวมเนื้อหาที่จำเป็นจากการศึกษา paper ที่ชื่อว่า
"A Microcontroller Based on Multi Sensors Data Fusion and Artificial Intelligent Technique for Gas Identification" ซึ่ง paper ดังกล่าวถูกเผยแพร่ในงาน IECON 33rd และถูกเขียนขึ้นโดย Faculty of Engineering, Arab Academy for Science and Technology, Egypt, Alexandria
ทั้งนี้ขอขอบคุณเป็นอย่างยิ่ง