引言

隨著禽畜業(yè)的發(fā)展，為了有效地控制畜舍廢氣的排放，需要對場內(nèi)幾種主要的污染氣體的濃度進行檢測。在氣體測量過程中，由于傳感器可能出現(xiàn)故障，使得檢測的數(shù)據(jù)出現(xiàn)一些偏差和錯誤。本文針對傳感器因故障導致數(shù)據(jù)失效的問題，設計了一個神經(jīng)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)恢復器，實現(xiàn)故障傳感器真實數(shù)據(jù)的恢復，進而采取相應的措施控制廢氣的產(chǎn)生。

1. 基于神經(jīng)網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)恢復原理

數(shù)據(jù)恢復基本原理是利用計算機對若干數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，從而將失去的部分數(shù)據(jù)估算出來的方法。本文結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡對傳感器的歷史采樣數(shù)據(jù)進行訓練，建立合理的神經(jīng)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)模型，將傳感器的失效數(shù)據(jù)估算出來。在畜舍的氣體濃度檢測過程中，根據(jù)經(jīng)驗設置采樣數(shù)據(jù)的上下限，當某一傳感器采樣得到的數(shù)據(jù)超過這個范圍時，那么該傳感器必然出現(xiàn)了故障。此時將該傳感器在上一采樣時刻的氨氣濃度、相鄰傳感器在該時刻的氨氣濃度、相鄰傳感器在上一時刻的氨氣濃度、環(huán)境溫度、相對濕度，風速等數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡估算出該時刻此傳感器的氨氣濃度替代原來采樣所得數(shù)據(jù)，從而達到數(shù)據(jù)恢復的目的。

本文使用了6輸入1輸出的BP神經(jīng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，其隱含層選擇了8個神經(jīng)元。當傳感器出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)就根據(jù)傳感器的所在位置和失效數(shù)據(jù)產(chǎn)生的時刻，將該時刻前一段時間的24組相應的輸入輸出數(shù)據(jù)對神經(jīng)網(wǎng)絡進行訓練，調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡的權(quán)值，逐步建立合理的BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型。訓練結(jié)束后，用該神經(jīng)網(wǎng)絡估算出該時刻傳感器的真實值替代采樣值，實現(xiàn)數(shù)據(jù)恢復。從前饋階段開始，其算法的計算公式分別為：

2. 神經(jīng)網(wǎng)絡恢復器的設計

2.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

在本文中，我們使用了線性陣列結(jié)構(gòu)構(gòu)架硬件神經(jīng)網(wǎng)絡，實現(xiàn)失效數(shù)據(jù)的預測。當發(fā)生數(shù)據(jù)失效時，直接讀取該硬件輸出數(shù)據(jù)替代原有傳感器的數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)恢復的功能。在設計過程中，我們使用了串級結(jié)構(gòu)實現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡功能，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其優(yōu)點是僅通過增減處理單元數(shù)目來達到改變整個神經(jīng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的目的，不需要更改同步時序控制電路，同時將系統(tǒng)對數(shù)據(jù)帶寬的要求最小化。

整個系統(tǒng)由隱含層和輸出層組成，神經(jīng)網(wǎng)絡輸入層的功能在隱含層內(nèi)實現(xiàn)。該隱含層由8個處理單元PE組成（PE1至PE8），所有的處理單元串聯(lián)在一起，每個PE的兩側(cè)提供三個數(shù)據(jù)總線（chan1，chan2，chan3）以及三個數(shù)據(jù)有效標志信號（valid1， valid2， valid3）。隱含層中每個PE具有類似于神經(jīng)網(wǎng)絡中隱含層神經(jīng)元的作用，執(zhí)行相同的功能（正向傳播和反傳誤差及權(quán)值的調(diào)整）。輸出層由PE9 組成，基本結(jié)構(gòu)與隱含層PE類似，實現(xiàn)輸出層功能。

系統(tǒng)運行過程分為三個階段，配置階段，前饋階段和反傳更新階段。在配置階段主要是初始化查找表和每個PE中臨時存放數(shù)據(jù)的寄存器，同時將初始的權(quán)值讀入各自的權(quán)值存儲器中。當配置結(jié)束后，進入前饋階段。

在前饋階段，系統(tǒng)將隱含層的PE1左側(cè)valid1置1，PE1從左側(cè)依次接收一組數(shù)據(jù)中的每一個輸入數(shù)據(jù)。PE1在接受數(shù)據(jù)后即開始進行內(nèi)部運算，并依次將接收的輸入數(shù)據(jù)從chan1總線輸出。當PE1的chan1有數(shù)據(jù)輸出時，系統(tǒng)將PE1右側(cè)的valid1置1，并把該值傳遞到PE2左側(cè)的valid1。當PE2左側(cè)valid1為1時，PE2開始接收PE1 的數(shù)據(jù)。與此類似，系統(tǒng)依次啟動PE3至PE8 ，將輸入數(shù)據(jù)傳輸?shù)秸麄€隱含層里。當一組輸入數(shù)據(jù)輸入結(jié)束時，PE1將開始接收下一組輸入數(shù)據(jù)，并將此時的運算結(jié)果由chan2輸出到下一個PE，此結(jié)果就是該組數(shù)據(jù)對一個隱含層神經(jīng)元的激活結(jié)果。Chan2數(shù)據(jù)的傳輸過程與chan1一樣。當PE8開始輸出運算結(jié)果時，本設計將該結(jié)果由 chan2輸出，并通過三態(tài)門連接到chan1總線，進而輸入到輸出層的PE9里（如圖1）。PE9接收到數(shù)據(jù)后，實現(xiàn)輸出層前饋階段的所有功能。當輸出層PE9輸出完第一組數(shù)據(jù)時，將PE9右側(cè)valid3置1，系統(tǒng)進入反傳更新階段。

當進入反傳更新階段時，系統(tǒng)期望值tj即該時刻氨氣濃度由chan3總線反向輸入到輸出層的PE9。輸出層的PE9接收數(shù)據(jù)后，通過計算得出自身的權(quán)值誤差，進行權(quán)值更新，同時通過chan3輸出公式（4）的計算結(jié)果δj。隱含層PE8接收到PE9的輸出數(shù)據(jù)后進行權(quán)值誤差計算，更新自身的權(quán)值，同時通過chan3數(shù)據(jù)總線依次將接收的δj依次反向傳播，直至PE1接收到該數(shù)據(jù)。當PE1完成一組權(quán)值更新時，對應的該組數(shù)據(jù)的神經(jīng)網(wǎng)絡訓練過程結(jié)束。

2.2 基本處理單元的設計

在本設計中，所有的運算都是通過基本處理單元PE實現(xiàn)，處在不同層的PE具有類似的結(jié)構(gòu)，執(zhí)行不同的功能。每個PE由基本運算單元PEA，查找表LUT，權(quán)值寄存器WT及臨時寄存器REG組成?，F(xiàn)以結(jié)構(gòu)較復雜的隱含層PE的設計為例，其整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，由前饋部分（FORWARD部分）和反傳更新（BACKWARD部分）兩個部分組成。其中PEA1和PEA2為計算單元，LUT1和LUT2為函數(shù)激活單元，MUX為數(shù)據(jù)選擇單元，SHIFT為數(shù)據(jù)移位單元。

在本設計中，PEA1，PEA2單元主要實現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)與權(quán)值的乘積累加功能，由乘法器，累加器組成。計數(shù)器的數(shù)值為一組輸入數(shù)據(jù)的個數(shù)。為了確保輸入數(shù)據(jù)與對應的權(quán)值相乘，從寄存器里的讀取緩存的輸入數(shù)據(jù)和權(quán)值的過程均由計數(shù)器控制。累加器在每次進行累加后，將計數(shù)器的數(shù)值加1。當計數(shù)器復位時，累加器會將累加結(jié)果輸出，然后對內(nèi)部寄存器復位并重新開始累加。由于該單元中輸入數(shù)及權(quán)值均為8位數(shù)，因此我們使用了8*8的布斯編碼乘法器以及16位超前進位加法器和數(shù)據(jù)累加器。

本設計中的LUT單元為查找表單元，由ROM，移位寄存器，計數(shù)器及減法器組成，其中LUT1主要實現(xiàn)激活函數(shù)?（Si），LUT2主要實現(xiàn)激活函數(shù)?ˊ（Si）。查找表的數(shù)據(jù)通過C語言編程產(chǎn)生數(shù)據(jù)文件，其數(shù)據(jù)的寬度為8位數(shù)，該數(shù)據(jù)文件在配置階段被預存入對應的ROM里查找。本設計為了減小規(guī)模，僅選取了S函數(shù)曲線第一象限上的16個點的數(shù)值作為查找表數(shù)據(jù)。根據(jù)S函數(shù)的曲線特點，我們將16個點的坐標分別取X＝2i-1，i=1，2，3…16。此16個點的查找表中對應數(shù)值為公式?（s）＝255/（1+е-s/8）的整數(shù)部分。在使用查找表時，先根據(jù)輸入數(shù)據(jù)的符號位判斷數(shù)據(jù)的正負性。若為正，該數(shù)值即對應第一象限的點，通過移位計數(shù)，求出該輸入對應的i的值，即數(shù)據(jù)在查找表ROM中的地址值，找到相應的數(shù)據(jù)；若為負，則為第二象限的點，必須先通過查找表找出該點在第一象限對稱點的數(shù)值，然后根據(jù)S函數(shù)的對稱性公式?（s）＝255-?（–s）。由8位的減法器計算出該點的真實數(shù)值。MUX模塊為一個多位數(shù)據(jù)選擇器，它與臨時寄存器共同實現(xiàn)數(shù)據(jù)的選擇。臨時寄存器由一個RAM組成，用來存儲不能及時處理的數(shù)據(jù)。在使用MUX選擇數(shù)據(jù)時，需先將所有輸出的數(shù)據(jù)存入臨時寄存器中，然后根據(jù)設定好的選擇原則選擇輸出。SHIFT模塊由移位寄存器構(gòu)成，通過右移一位可以達到乘以一個λ的效果，從而實現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡學習率的控制。

本設計使用了Altera公司的QUARTUSII集成開發(fā)軟件設計所有的硬件，選擇了CYCLONE系列的EP1C6Q240C8芯片的開發(fā)板進行測試仿真，仿真結(jié)果如圖3所示。需要說明的是，在設計中將輸入數(shù)據(jù)放大了100倍，因此不需要進行浮點操作。Chan1為輸入數(shù)據(jù)，chan2為隱層輸出數(shù)據(jù)，chan3為反傳數(shù)據(jù)，valid為總線有效信號。

3. 實驗測試與結(jié)論

本文針對禽畜養(yǎng)殖場廢氣濃度檢測中傳感器的數(shù)據(jù)失效問題，在FPGA開發(fā)板上設計了一個基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)恢復器。該恢復器的最大工作頻率為171.7MHZ，在調(diào)試階段，使用了開發(fā)板的最高時鐘頻率40MHZ為其工作頻率。為了評估恢復器的性能，我們以氨氣（NH3）濃度檢測過程中某一傳感器的數(shù)據(jù)處理為例，采集了某畜舍三天的NH3的濃度數(shù)據(jù)及環(huán)境溫度、相對濕度，風速等數(shù)據(jù)，通過三天采集的72組數(shù)據(jù)，對第三天的24組采樣數(shù)據(jù)分別進行估算。實驗結(jié)果表明，24組數(shù)據(jù)測量值與估算值的最大相對誤差為7.83％，最小相對誤差為0.09％，平均相對誤差為3.13％（如圖4所示，曲線為測量值，星號為估算值），證明了該設計基本滿足實際應用的要求。

本文的創(chuàng)新點主要在三個方面：一是在對故障傳感器進行數(shù)據(jù)預測時，引進了神經(jīng)網(wǎng)絡，并使用了FPGA硬件對該恢復器進行了實現(xiàn)。二是在設計神經(jīng)網(wǎng)絡恢復器時，使用了特殊的串級結(jié)構(gòu)，減少了系統(tǒng)對帶寬的要求，增加了該設計的可維護性。三是在實現(xiàn)查找表功能時，使用了函數(shù)對稱性，減少了查找表的數(shù)據(jù)規(guī)模。使用了移位寄存器和計數(shù)器直接將輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為查找表地址，避免了占Cyclone芯片大量資源的基本數(shù)學運算。

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