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