基于線性回歸的溫度補(bǔ)償監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

賀曉春，馮軍軍，吳 兵，許 斌

（1.四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川 廣元 628017；2.泰山學(xué)院 山東 泰安 271000）

基于線性回歸的溫度補(bǔ)償監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

賀曉春1，馮軍軍1，吳 兵2，許 斌1

（1.四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川 廣元 628017；2.泰山學(xué)院 山東 泰安 271000）

基于提高冷鏈物流運(yùn)輸率和減少腐損率的目的，采用CC1110無線單片機(jī)和嵌入式系統(tǒng)，選取PT1000溫度傳感器采集溫度數(shù)據(jù)，并且根據(jù)PT1000溫度傳感器的特性提出基于線性回歸的溫度補(bǔ)償算法，實(shí)現(xiàn)基于線性回歸的溫度補(bǔ)償監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。通過在果蔬冷藏車上的測試，整個(gè)系統(tǒng)具有通信協(xié)議簡單、價(jià)格低廉、溫度精確、穩(wěn)定性較好特點(diǎn)。

冷藏車；CC1110；溫度監(jiān)控；溫度補(bǔ)償

隨著網(wǎng)絡(luò)購買商品的發(fā)展越來越迅速，生鮮食品的網(wǎng)上銷售現(xiàn)狀也越來越良好。我國冷鏈運(yùn)輸雖然飛速發(fā)展，但是與發(fā)達(dá)國家相比還有很多差距，特別是機(jī)械冷藏車數(shù)量不足這一方面［1］。2010年6月國家發(fā)展與改革委員會出臺的《農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流發(fā)展規(guī)劃》［2］中提到，“鼓勵(lì)大型冷鏈物流企業(yè)購置冷藏運(yùn)輸車輛，到2015年，爭取全社會新增冷藏運(yùn)輸車4萬輛”。在冷鏈管理中，對機(jī)械冷藏車車內(nèi)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控是保證運(yùn)輸物品質(zhì)量安全和實(shí)現(xiàn)食品質(zhì)量數(shù)據(jù)供應(yīng)鏈全程溯源的必要條件，因此，對冷藏車溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控也越來越重要［3-7］。

針對上述問題，本文提出一種基于CC1110無線單片機(jī)的冷藏車車載溫度監(jiān)控系統(tǒng)。采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)，設(shè)計(jì)溫度發(fā)送器、信息交換器和ARM顯示平臺，實(shí)現(xiàn)冷鏈車車廂內(nèi)各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1　系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

冷藏車車載溫度監(jiān)控系統(tǒng)主要包括多個(gè)溫度發(fā)送器、一個(gè)信息交換器和一個(gè)ARM數(shù)據(jù)顯示終端。在系統(tǒng)中，溫度采集器采集溫度信息并通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將信息傳輸?shù)叫畔⒔粨Q器上，然后信息交換器匯總溫度將發(fā)送器節(jié)點(diǎn)的溫度信息傳輸?shù)紸RM數(shù)據(jù)顯示終端。冷藏車車載溫度監(jiān)控系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2　系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)由溫度發(fā)送器、信息交換器和ARM數(shù)據(jù)顯示終端組成。系統(tǒng)整體硬件框架如圖2所示。

溫度發(fā)送器主要實(shí)現(xiàn)溫度的采集、處理、顯示及數(shù)據(jù)的無線發(fā)送功能。其中溫度傳感器采用熱電阻PT1000溫度傳感器，轉(zhuǎn)換器采用以AD7705為芯片的16位AD轉(zhuǎn)換器，溫度顯示器件可以采用8位6路數(shù)碼管來做顯示功能，數(shù)據(jù)發(fā)送采用CC1110無線單片機(jī)，電源管理電路采用MC34063、DB107、ASM1117電壓轉(zhuǎn)換芯片來實(shí)現(xiàn)升壓或降壓。

信息交換器的基本功能有3個(gè)：1）溫度發(fā)送器節(jié)點(diǎn)通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送命令，信息交換器來進(jìn)行接收數(shù)據(jù)并且匯總；2）上位機(jī)ARM存儲顯示平臺需要通過RS232串口總線傳輸數(shù)據(jù)才可以進(jìn)行顯示數(shù)據(jù)；3）無線通信和串口通信的傳輸速率質(zhì)量通過指示燈的強(qiáng)弱來進(jìn)行判斷。其中信息交換器的數(shù)據(jù)無線發(fā)送裝置采用CC1110無線單片機(jī)，上位機(jī)ARM存儲顯示平臺采用miniUSB串口作為上傳數(shù)據(jù)的接口，工作電壓3.3 V。

圖2　系統(tǒng)硬件框架

上位機(jī)ARM數(shù)據(jù)顯示終端實(shí)現(xiàn)的功能有3部分：第一，通過串口接收信息交換器發(fā)送來的溫度數(shù)據(jù)；第二，實(shí)現(xiàn)經(jīng)過溫度發(fā)送器節(jié)點(diǎn)傳來的溫度數(shù)據(jù)的存儲、顯示和查詢；第三，設(shè)置預(yù)警溫度閾值，實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。該硬件平臺選用上海申嵌友善之臂的 mini2240開發(fā)板，開發(fā)板采用三星公司的S3C2440處理器。本系統(tǒng)中主要使用mini2440ARM開發(fā)板的硬件部分有：主控模塊及其工作的外圍電路、蜂鳴器報(bào)警模塊、串口模塊、電源模塊、LCD顯示模塊和數(shù)據(jù)儲存模塊。在工作中，溫度發(fā)送器采集溫度數(shù)據(jù)，采集到的溫度數(shù)據(jù)經(jīng)過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)叫畔⒔粨Q器，然后經(jīng)過串口傳輸?shù)紸RM平臺，最后在LCD屏上顯示溫度發(fā)送器采集過的溫度數(shù)據(jù)信息，ARM平臺同時(shí)需要處理溫度數(shù)據(jù)是否超過或者低于閾值。

3　系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

溫度發(fā)送器和信息交換器的軟件設(shè)計(jì)是由IAR集成開發(fā)環(huán)境和SmartRF Studio 7［8-9］無線配置軟件來實(shí)現(xiàn)的。ARM數(shù)據(jù)顯示終端的軟件設(shè)計(jì)使用Qt/Embedded4.6.3［10-12］圖形界面用戶開發(fā)語言來進(jìn)行設(shè)計(jì)的，其軟件開發(fā)的程序需要在Linux操作系統(tǒng)下通過交叉編譯，將所編譯后的程序下載到ARM數(shù)據(jù)顯示終端進(jìn)行運(yùn)行。

溫度發(fā)送器軟件程序的開發(fā)采用模塊化設(shè)計(jì)，溫度發(fā)送器的軟件設(shè)計(jì)分為6個(gè)模塊：溫度采集模塊、溫度顯示模塊、定時(shí)器程序模塊、無線發(fā)送程序模塊、無線接收程序模塊、睡眠定時(shí)器模塊。設(shè)計(jì)中的溫度采集模塊主要是實(shí)現(xiàn)以AD7705為芯片的AD轉(zhuǎn)換器對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及存儲；溫度顯示模塊主要實(shí)現(xiàn)8位6路數(shù)碼管的溫度顯示功能；定時(shí)器程序模塊主要利用CC1110無線單片機(jī)的4個(gè)定時(shí)器實(shí)現(xiàn)定時(shí)和延時(shí)的功能；無線發(fā)送和無線接收模塊是利用433M頻率來實(shí)現(xiàn)溫度傳感器與信息交換器之間的通信功能；睡眠模塊是為了節(jié)約溫度發(fā)送器的耗能，實(shí)現(xiàn)睡眠模式與正常工作模式的轉(zhuǎn)換。

信息交換器是本系統(tǒng)中的中心節(jié)點(diǎn)，啟承上啟下的作用。在系統(tǒng)中它通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與溫度發(fā)送器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，而后通過串口與上位機(jī)ARM平臺進(jìn)行信息通信。信息交換器的軟件設(shè)計(jì)主要包括兩部分：即信息交換器與溫度發(fā)送器通信的無線收發(fā)數(shù)據(jù)的程序設(shè)計(jì)和信息交換器與上位機(jī)ARM平臺通信的串口通信程序設(shè)計(jì)。

ARM數(shù)據(jù)顯示終端是整個(gè)溫控系統(tǒng)的中心，它可以通過串口接收信息交換器讀取到的溫度發(fā)送器發(fā)送的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示、存儲，同時(shí)也要經(jīng)過串口發(fā)送信息，通過信息交換器對溫度發(fā)送器進(jìn)行控制，并且系統(tǒng)能夠根據(jù)用戶設(shè)定的溫度限值，實(shí)現(xiàn)報(bào)警。在上位機(jī)軟件開發(fā)中，主要包括溫度數(shù)據(jù)的接收、存儲、顯示和查詢，閾值的設(shè)定，串口通信以及蜂鳴器控制等程序的軟件設(shè)計(jì)。其串口設(shè)置和溫度數(shù)據(jù)顯示流程如圖3所示。如圖3（a）所示，系統(tǒng)首先進(jìn)行串口設(shè)置，在定義串口后，判斷串口是否成功打開。若不成功，則整個(gè)程序返回錯(cuò)誤；如若成功，則會得到串口驅(qū)動文件的字符描述符fd，然后讀取串口設(shè)置，若讀取串口這個(gè)步驟出錯(cuò)同樣整個(gè)程序也要返回錯(cuò)誤，若無錯(cuò)誤則初始化串口波特率、標(biāo)志位等串口結(jié)構(gòu)體。如圖3（b）所示，此圖為節(jié)點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示流程。系統(tǒng)首先讀取串口驅(qū)動文件得到溫度發(fā)送器的編號和測量的溫度數(shù)據(jù)，然后根據(jù)溫度發(fā)送器的編號判斷此溫度發(fā)送器是否已經(jīng)顯示存在。若已顯示，則只需要更新溫度數(shù)據(jù)顯示和存儲數(shù)據(jù)；否則，此溫度發(fā)送器為新加入溫度發(fā)送器，將溫度發(fā)送器信息插入、顯示并存儲；最后輪詢所有顯示的溫度發(fā)送器并判斷溫度發(fā)送器時(shí)間片（2秒）是否用完（溫度發(fā)送器時(shí)間片用完表示此溫度發(fā)送器不再傳來數(shù)據(jù)，即此溫度發(fā)送器已經(jīng)不存在傳感器網(wǎng)絡(luò)中），若某個(gè)溫度發(fā)送器時(shí)間片已經(jīng)用完則從網(wǎng)絡(luò)中刪除該節(jié)點(diǎn)，否則繼續(xù)讀串口操作。

4　PT1000溫度補(bǔ)償研究

本系統(tǒng)中用PT1000鉑電阻溫度傳感器［14］來采集溫度，PT1000溫度傳感器是一種將溫度變量轉(zhuǎn)換為可傳送的標(biāo)準(zhǔn)化輸出信號的儀表，它在采集溫度過程中容易被外界環(huán)境干擾，造成精度降低。因此，我們對溫度補(bǔ)償?shù)乃惴ㄑ芯渴潜匾摹?/p>

4.1一元線性回歸方程

在求溫度補(bǔ)償值T時(shí)，需要尋找在某一個(gè)溫度值下，PT1000溫度傳感器兩端的實(shí)際采集電壓值和理論電壓值的關(guān)系。在處理此關(guān)系時(shí)，引入一元回歸來尋找上述關(guān)系［13］。本文先假若實(shí)際采集電壓值和理論電壓值滿足線性回歸，然后通過其顯著性檢驗(yàn)證明該假設(shè)可行性。

圖3　ARM設(shè)置流程圖

文中研究理論電壓值Tx和采集電壓值Ty的關(guān)系。假設(shè)Ty與Tx之間存在如下關(guān)系：

ε表示Tx對Ty除了固定電路對其的影響外，其他因素也對Ty有影響。通常認(rèn)為ε是一組相互獨(dú)立、并服從同一正態(tài)分布N（0，σ2）且假設(shè)σ2與Tx無關(guān)。將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（Txi，Tyi）（i= 1，2，…，n）代入公式（1），且樣本為簡單隨機(jī)樣本得：

公式（2）可以得到公式（3）的方程組。

通過分析，公式（3）的方程組適合用最小二乘法求解。設(shè)p和q是公式（3）的最小二乘估計(jì)，則

公式（4）為回歸方程式，其中p和q為它的回歸系數(shù)。解得p、q

上述為回歸方程的求解過程，文中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來源實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表1。

4.2回歸方程的軟件實(shí)現(xiàn)及試驗(yàn)結(jié)果

由于CC1110無線單片機(jī)為8位單片機(jī)，處理數(shù)據(jù)速度較慢。溫度補(bǔ)償算法的的數(shù)據(jù)處理在PC機(jī)上完成。計(jì)算過程：先求實(shí)際溫度和測試溫度的平均值，然后求Lxx、Lyy和Lxy，最后求p、q。軟件實(shí)現(xiàn)采用matlab軟件。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1，求回歸方程過程中計(jì)算的數(shù)據(jù)如表2所示。經(jīng)過計(jì)算，最終得到實(shí)際溫度Ty與測試溫度Tx的回歸方程為：

表1　測試數(shù)據(jù)

表2　回歸方程計(jì)算過程的數(shù)據(jù)表

4.3回歸方程的方差分析及顯著性驗(yàn)證

公式（5）為Tx和Ty的一元線性回歸方程。回歸方程需其方差和顯著性驗(yàn)證［15］。本文的回歸方程驗(yàn)證的計(jì)算過程如表3所示。

表3　驗(yàn)證回歸方程計(jì)算表

根據(jù)F分布表，F(xiàn)=4362，我們可以得知α=0.01。則表明式（5）在α=0.01水平顯著，Tx與Ty線性關(guān)系密切。

5　測　試

溫度發(fā)送器的設(shè)計(jì)經(jīng)計(jì)量測試院檢測，溫度發(fā)送器參照J(rèn)JF1379-2012《熱敏電阻測溫儀校準(zhǔn)規(guī)范》，校準(zhǔn)結(jié)果如表4所示。

表4　溫度發(fā)送器的校準(zhǔn)結(jié)果

經(jīng)過測試溫度誤差最大偏差在-50℃時(shí)，偏差為0.282℃，在常用的2℃和4℃偏差最大為0.117℃，此次設(shè)計(jì)方案基本滿足預(yù)期的設(shè)計(jì)效果，使溫度偏差小于0.5℃。溫度發(fā)送器實(shí)物如圖4所示。

圖4　溫度發(fā)送器實(shí)物圖

6　結(jié)　論

本文利用無線通信和有線通信的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了冷藏車車載溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并在硬件和軟件中保證了系統(tǒng)的低功耗。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)溫度的精確采集和友好的人機(jī)界面的操作設(shè)計(jì)。但是整體系統(tǒng)在遠(yuǎn)程監(jiān)控方面和ARM數(shù)據(jù)顯示終端的大數(shù)據(jù)存儲方面有所欠缺。根據(jù)算法設(shè)計(jì)溫度發(fā)送器的溫度采集程序，同時(shí)設(shè)計(jì)信息交換器的單片機(jī)程序和上位機(jī)基于ARM平臺的系統(tǒng)監(jiān)測界面的Qt程序。最后，測試系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)，驗(yàn)證本設(shè)計(jì)的正確性和可靠性。

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Design of monitoring system based on linear regression of temperature compensation algorithm

HE Xiao-chun1，F(xiàn)ENG Jun-jun1，WU Bing2，XU Bin1
（1.Sichuan Information Technology College，Guanyuan，628017，China；2.Taishan University，Taian 271000，China）

Based on the purpose of improving the transport rate of cold chain logistics and reducing the loss rate，the CC1110 wireless microcontroller and embedded system are used.And according to the analysis of findings at home and abroad relevant aspects and the characteristics of PT1000 temperature sensors，and put forward a temperature compensation algorithm based on linear regression.And so a design of monitoring system based on linear regression of temperature compensation algorithm is completed.According to the test of a fruit and vegetable refrigerator，we find that the whole system has many advantages，such as simple communication protocol，low price，accurate temperature，good stability.

refrigerated car；CC1110；temperature monitoring；temperature compensation

TN92

A

1674－6236（2016）09-0032-04

2015-12-08稿件編號：201512084

山東省社會科學(xué)規(guī)劃研究項(xiàng)目（15DWYJ06）

賀曉春（1981—），男，陜西寶雞人，講師。研究方向：計(jì)算機(jī)視覺和無線通信等。