[发明专利]一种基于Arduino小车搭载传感器对气体溯源的系统及其算法

权利要求书

1.一种基于Arduino小车搭载传感器对气体溯源的系统，包括小车、气体传感器、小车的定位系统和气体源定位系统，所述小车具有主板为Arduino UNO R3的主板连接于所述气体传感器为半导体气体传感器，小车具有基于Zigbee协议的CC2530射频模块，所述CC2530射频模块连接气体传感器，CC2530射频模块具有发射节点和接收节点，所述发射节点和接收节点之间进行Zigbee组网；

能够读取输入传感器上的信息、按钮上的手指或Twitter消息并将其转化为输出用于激活电机、打开LED、在线发布，所述Arduino UNO R3主板具有一款专业的Arduino开发工具Arduino IDE；

所述半导体气体传感器可用于可燃气体防爆报警器，CO或H₂S有毒气体的监测器；

所述发射节点和接收节点具有RSSI值，即接受信号强度指示，是在已知发射节点的发射信号强度，根据接收节点收到的信号强度，计算出信号的传播损耗，再利用理论和经验模型将传输损耗转化为距离,最后计算节点的位置；

要进行所述发射节点和接收节点之间的通信就要先进行组网，关于Zigbee组网，包含两个步骤：网络初始化和节点加入网络，节点入网又有通过协调器入网和通过父节点入网两种方式；

一个Zigbee网络包含三种节点：协调器节点，路由器和终端设备三者通过信号连接：

协调器节点：协调器是Zigbee网络中各个节点信息的汇聚处，一个网络只能有一个协调器，它网络的核心，负责组建维护和管理网络，允许节点加入网络，并通过串口与上位机通信；

路由器：在网络中负责数据的路径搜寻与维护，转发数据包，它是终端节点和协调器节点的中继，辅助两者之间进行通信；

终端节点：一个终端设备对于维护这个网络设备没有具体的责任，所以它可以睡眠和唤配看它自己选择，因此可以作为电池供电节点；

采用四个CC2530射频模块进行组网，将盲节点设置为协调器节点，在网络建立和节点成功加入网络之后，协调器节点向三个终端设备发送请求信号，通信方式为广播模式，然后各终端设备读取出各自的RSSI值发送回协调器节点，再通过相应的电磁波衰减理论模型得到盲节点与各参考节点的距离，最终完成定位；

三角形质心算法：已知节点A,B,C坐标和盲节点到A,B,C的距离r_A,r_B,r_C,,先根据圆心和半径计算出E,F,G三个交点坐标，再计算三角形EFG的质心即为盲节点坐标，计算E点具体公式(1-1)为：

  (1-1)

即可算出E点坐标X_e和Y_e，同理可算出F,G点坐标；

根据公式(1-2)算出盲节点坐标（X,Y）：

 (1-2)

计算方差进行比较，设实际位置为（X₀,Y₀），得到公式(1-3):

  (1-3)

采用三边定位法和单纯形算法相结合预测浓度最优解位置的算法，小车的搜索过程中采用了遗传进化算法，提高了搜索算法的迭代更新能力，减少了搜索时长，具体的遗传进化算法采用如下步骤：

首先，开始进行Z字形搜索，若气体浓度没有超过阈值，则继续进行Z字形搜索，若气体浓度超过阈值则进行每次迭代更新DATA1数据的降序计算排列；

其次，混合型算法计算出六个子代坐标，小车遍历子代测量浓度，对子代的测量浓度降序排列；

再次，对每次迭代更新的DATA1的降序数据赋值；

最后，输出的DATA2的值。