基于線性回歸的溫度補償監控系統的設計

賀曉春，馮軍軍，吳 兵，許 斌

（1.四川信息職業技術學院 四川 廣元 628017；2.泰山學院 山東 泰安 271000）

基于線性回歸的溫度補償監控系統的設計

賀曉春1，馮軍軍1，吳 兵2，許 斌1

（1.四川信息職業技術學院 四川 廣元 628017；2.泰山學院 山東 泰安 271000）

基于提高冷鏈物流運輸率和減少腐損率的目的，采用CC1110無線單片機和嵌入式系統，選取PT1000溫度傳感器采集溫度數據，并且根據PT1000溫度傳感器的特性提出基于線性回歸的溫度補償算法，實現基于線性回歸的溫度補償監控系統的設計。通過在果蔬冷藏車上的測試，整個系統具有通信協議簡單、價格低廉、溫度精確、穩定性較好特點。

冷藏車；CC1110；溫度監控；溫度補償

隨著網絡購買商品的發展越來越迅速，生鮮食品的網上銷售現狀也越來越良好。我國冷鏈運輸雖然飛速發展，但是與發達國家相比還有很多差距，特別是機械冷藏車數量不足這一方面［1］。2010年6月國家發展與改革委員會出臺的《農產品冷鏈物流發展規劃》［2］中提到，“鼓勵大型冷鏈物流企業購置冷藏運輸車輛，到2015年，爭取全社會新增冷藏運輸車4萬輛”。在冷鏈管理中，對機械冷藏車車內溫度的實時監控是保證運輸物品質量安全和實現食品質量數據供應鏈全程溯源的必要條件，因此，對冷藏車溫度的實時監控也越來越重要［3-7］。

針對上述問題，本文提出一種基于CC1110無線單片機的冷藏車車載溫度監控系統。采用無線傳感器網絡技術和嵌入式系統，設計溫度發送器、信息交換器和ARM顯示平臺，實現冷鏈車車廂內各個監控點的溫度實時監控。

1　系統的整體設計

冷藏車車載溫度監控系統主要包括多個溫度發送器、一個信息交換器和一個ARM數據顯示終端。在系統中，溫度采集器采集溫度信息并通過無線傳感器網絡將信息傳輸到信息交換器上，然后信息交換器匯總溫度將發送器節點的溫度信息傳輸到ARM數據顯示終端。冷藏車車載溫度監控系統的整體設計框架如圖1所示。

圖1　系統結構

2　系統的硬件設計

系統的硬件設計由溫度發送器、信息交換器和ARM數據顯示終端組成。系統整體硬件框架如圖2所示。

溫度發送器主要實現溫度的采集、處理、顯示及數據的無線發送功能。其中溫度傳感器采用熱電阻PT1000溫度傳感器，轉換器采用以AD7705為芯片的16位AD轉換器，溫度顯示器件可以采用8位6路數碼管來做顯示功能，數據發送采用CC1110無線單片機，電源管理電路采用MC34063、DB107、ASM1117電壓轉換芯片來實現升壓或降壓。

信息交換器的基本功能有3個：1）溫度發送器節點通過無線傳感器網絡發送命令，信息交換器來進行接收數據并且匯總；2）上位機ARM存儲顯示平臺需要通過RS232串口總線傳輸數據才可以進行顯示數據；3）無線通信和串口通信的傳輸速率質量通過指示燈的強弱來進行判斷。其中信息交換器的數據無線發送裝置采用CC1110無線單片機，上位機ARM存儲顯示平臺采用miniUSB串口作為上傳數據的接口，工作電壓3.3 V。

圖2　系統硬件框架

上位機ARM數據顯示終端實現的功能有3部分：第一，通過串口接收信息交換器發送來的溫度數據；第二，實現經過溫度發送器節點傳來的溫度數據的存儲、顯示和查詢；第三，設置預警溫度閾值，實現報警功能。該硬件平臺選用上海申嵌友善之臂的 mini2240開發板，開發板采用三星公司的S3C2440處理器。本系統中主要使用mini2440ARM開發板的硬件部分有：主控模塊及其工作的外圍電路、蜂鳴器報警模塊、串口模塊、電源模塊、LCD顯示模塊和數據儲存模塊。在工作中，溫度發送器采集溫度數據，采集到的溫度數據經過無線傳感器網絡傳輸到信息交換器，然后經過串口傳輸到ARM平臺，最后在LCD屏上顯示溫度發送器采集過的溫度數據信息，ARM平臺同時需要處理溫度數據是否超過或者低于閾值。

3　系統的軟件設計

溫度發送器和信息交換器的軟件設計是由IAR集成開發環境和SmartRF Studio 7［8-9］無線配置軟件來實現的。ARM數據顯示終端的軟件設計使用Qt/Embedded4.6.3［10-12］圖形界面用戶開發語言來進行設計的，其軟件開發的程序需要在Linux操作系統下通過交叉編譯，將所編譯后的程序下載到ARM數據顯示終端進行運行。

溫度發送器軟件程序的開發采用模塊化設計，溫度發送器的軟件設計分為6個模塊：溫度采集模塊、溫度顯示模塊、定時器程序模塊、無線發送程序模塊、無線接收程序模塊、睡眠定時器模塊。設計中的溫度采集模塊主要是實現以AD7705為芯片的AD轉換器對采集的數據進行處理及存儲；溫度顯示模塊主要實現8位6路數碼管的溫度顯示功能；定時器程序模塊主要利用CC1110無線單片機的4個定時器實現定時和延時的功能；無線發送和無線接收模塊是利用433M頻率來實現溫度傳感器與信息交換器之間的通信功能；睡眠模塊是為了節約溫度發送器的耗能，實現睡眠模式與正常工作模式的轉換。

信息交換器是本系統中的中心節點，啟承上啟下的作用。在系統中它通過無線傳感器網絡與溫度發送器進行數據交互，而后通過串口與上位機ARM平臺進行信息通信。信息交換器的軟件設計主要包括兩部分：即信息交換器與溫度發送器通信的無線收發數據的程序設計和信息交換器與上位機ARM平臺通信的串口通信程序設計。

ARM數據顯示終端是整個溫控系統的中心，它可以通過串口接收信息交換器讀取到的溫度發送器發送的數據，對數據進行處理、顯示、存儲，同時也要經過串口發送信息，通過信息交換器對溫度發送器進行控制，并且系統能夠根據用戶設定的溫度限值，實現報警。在上位機軟件開發中，主要包括溫度數據的接收、存儲、顯示和查詢，閾值的設定，串口通信以及蜂鳴器控制等程序的軟件設計。其串口設置和溫度數據顯示流程如圖3所示。如圖3（a）所示，系統首先進行串口設置，在定義串口后，判斷串口是否成功打開。若不成功，則整個程序返回錯誤；如若成功，則會得到串口驅動文件的字符描述符fd，然后讀取串口設置，若讀取串口這個步驟出錯同樣整個程序也要返回錯誤，若無錯誤則初始化串口波特率、標志位等串口結構體。如圖3（b）所示，此圖為節點溫度數據實時顯示流程。系統首先讀取串口驅動文件得到溫度發送器的編號和測量的溫度數據，然后根據溫度發送器的編號判斷此溫度發送器是否已經顯示存在。若已顯示，則只需要更新溫度數據顯示和存儲數據；否則，此溫度發送器為新加入溫度發送器，將溫度發送器信息插入、顯示并存儲；最后輪詢所有顯示的溫度發送器并判斷溫度發送器時間片（2秒）是否用完（溫度發送器時間片用完表示此溫度發送器不再傳來數據，即此溫度發送器已經不存在傳感器網絡中），若某個溫度發送器時間片已經用完則從網絡中刪除該節點，否則繼續讀串口操作。

4　PT1000溫度補償研究

本系統中用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換為可傳送的標準化輸出信號的儀表，它在采集溫度過程中容易被外界環境干擾，造成精度降低。因此，我們對溫度補償的算法研究是必要的。

4.1一元線性回歸方程

在求溫度補償值T時，需要尋找在某一個溫度值下，PT1000溫度傳感器兩端的實際采集電壓值和理論電壓值的關系。在處理此關系時，引入一元回歸來尋找上述關系［13］。本文先假若實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證明該假設可行性。

圖3　ARM設置流程圖

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

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。通常認為ε是一組相互獨立、并服從同一正態分布N（0，σ2）且假設σ2與Tx無關。將實驗數據（Txi，Tyi）（i= 1，2，…，n）代入公式（1），且樣本為簡單隨機樣本得：

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p和q是公式（3）的最小二乘估計，則

公式（4）為回歸方程式，其中p和q為它的回歸系數。解得p、q

上述為回歸方程的求解過程，文中的實驗數據來源實驗數據表1。

4.2回歸方程的軟件實現及試驗結果

由于CC1110無線單片機為8位單片機，處理數據速度較慢。溫度補償算法的的數據處理在PC機上完成。計算過程：先求實際溫度和測試溫度的平均值，然后求Lxx、Lyy和Lxy，最后求p、q。軟件實現采用matlab軟件。試驗數據見表1，求回歸方程過程中計算的數據如表2所示。經過計算，最終得到實際溫度Ty與測試溫度Tx的回歸方程為：

表1　測試數據

表2　回歸方程計算過程的數據表

4.3回歸方程的方差分析及顯著性驗證

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證［15］。本文的回歸方程驗證的計算過程如表3所示。

表3　驗證回歸方程計算表

根據F分布表，F=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線性關系密切。

5　測　試

溫度發送器的設計經計量測試院檢測，溫度發送器參照JJF1379-2012《熱敏電阻測溫儀校準規范》，校準結果如表4所示。

表4　溫度發送器的校準結果

經過測試溫度誤差最大偏差在-50℃時，偏差為0.282℃，在常用的2℃和4℃偏差最大為0.117℃，此次設計方案基本滿足預期的設計效果，使溫度偏差小于0.5℃。溫度發送器實物如圖4所示。

圖4　溫度發送器實物圖

6　結　論

本文利用無線通信和有線通信的優勢，實現了冷藏車車載溫度監控系統的設計，并在硬件和軟件中保證了系統的低功耗。該系統實現溫度的精確采集和友好的人機界面的操作設計。但是整體系統在遠程監控方面和ARM數據顯示終端的大數據存儲方面有所欠缺。根據算法設計溫度發送器的溫度采集程序，同時設計信息交換器的單片機程序和上位機基于ARM平臺的系統監測界面的Qt程序。最后，測試系統軟件的設計，驗證本設計的正確性和可靠性。

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［15］自由度（統計學）維基百科［EB/OL］.http：//zh.wikipedia.org/ wiki/自由度.

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

HE Xiao-chun1，FENG 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

山東省社會科學規劃研究項目（15DWYJ06）

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