基于线性回归的温度补偿监控系统的设计

贺晓春，冯军军，吴 兵，许 斌

（1.四川信息职业技术学院 四川 广元 628017；2.泰山学院 山东 泰安 271000）

基于线性回归的温度补偿监控系统的设计

贺晓春1，冯军军1，吴 兵2，许 斌1

（1.四川信息职业技术学院 四川 广元 628017；2.泰山学院 山东 泰安 271000）

基于提高冷链物流运输率和减少腐损率的目的，采用CC1110无线单片机和嵌入式系统，选取PT1000温度传感器采集温度数据，并且根据PT1000温度传感器的特性提出基于线性回归的温度补偿算法，实现基于线性回归的温度补偿监控系统的设计。通过在果蔬冷藏车上的测试，整个系统具有通信协议简单、价格低廉、温度精确、稳定性较好特点。

冷藏车；CC1110；温度监控；温度补偿

随着网络购买商品的发展越来越迅速，生鲜食品的网上销售现状也越来越良好。我国冷链运输虽然飞速发展，但是与发达国家相比还有很多差距，特别是机械冷藏车数量不足这一方面［1］。2010年6月国家发展与改革委员会出台的《农产品冷链物流发展规划》［2］中提到，“鼓励大型冷链物流企业购置冷藏运输车辆，到2015年，争取全社会新增冷藏运输车4万辆”。在冷链管理中，对机械冷藏车车内温度的实时监控是保证运输物品质量安全和实现食品质量数据供应链全程溯源的必要条件，因此，对冷藏车温度的实时监控也越来越重要［3-7］。

针对上述问题，本文提出一种基于CC1110无线单片机的冷藏车车载温度监控系统。采用无线传感器网络技术和嵌入式系统，设计温度发送器、信息交换器和ARM显示平台，实现冷链车车厢内各个监控点的温度实时监控。

1　系统的整体设计

冷藏车车载温度监控系统主要包括多个温度发送器、一个信息交换器和一个ARM数据显示终端。在系统中，温度采集器采集温度信息并通过无线传感器网络将信息传输到信息交换器上，然后信息交换器汇总温度将发送器节点的温度信息传输到ARM数据显示终端。冷藏车车载温度监控系统的整体设计框架如图1所示。

图1　系统结构

2　系统的硬件设计

系统的硬件设计由温度发送器、信息交换器和ARM数据显示终端组成。系统整体硬件框架如图2所示。

温度发送器主要实现温度的采集、处理、显示及数据的无线发送功能。其中温度传感器采用热电阻PT1000温度传感器，转换器采用以AD7705为芯片的16位AD转换器，温度显示器件可以采用8位6路数码管来做显示功能，数据发送采用CC1110无线单片机，电源管理电路采用MC34063、DB107、ASM1117电压转换芯片来实现升压或降压。

信息交换器的基本功能有3个：1）温度发送器节点通过无线传感器网络发送命令，信息交换器来进行接收数据并且汇总；2）上位机ARM存储显示平台需要通过RS232串口总线传输数据才可以进行显示数据；3）无线通信和串口通信的传输速率质量通过指示灯的强弱来进行判断。其中信息交换器的数据无线发送装置采用CC1110无线单片机，上位机ARM存储显示平台采用miniUSB串口作为上传数据的接口，工作电压3.3 V。

图2　系统硬件框架

上位机ARM数据显示终端实现的功能有3部分：第一，通过串口接收信息交换器发送来的温度数据；第二，实现经过温度发送器节点传来的温度数据的存储、显示和查询；第三，设置预警温度阈值，实现报警功能。该硬件平台选用上海申嵌友善之臂的 mini2240开发板，开发板采用三星公司的S3C2440处理器。本系统中主要使用mini2440ARM开发板的硬件部分有：主控模块及其工作的外围电路、蜂鸣器报警模块、串口模块、电源模块、LCD显示模块和数据储存模块。在工作中，温度发送器采集温度数据，采集到的温度数据经过无线传感器网络传输到信息交换器，然后经过串口传输到ARM平台，最后在LCD屏上显示温度发送器采集过的温度数据信息，ARM平台同时需要处理温度数据是否超过或者低于阈值。

3　系统的软件设计

温度发送器和信息交换器的软件设计是由IAR集成开发环境和SmartRF Studio 7［8-9］无线配置软件来实现的。ARM数据显示终端的软件设计使用Qt/Embedded4.6.3［10-12］图形界面用户开发语言来进行设计的，其软件开发的程序需要在Linux操作系统下通过交叉编译，将所编译后的程序下载到ARM数据显示终端进行运行。

温度发送器软件程序的开发采用模块化设计，温度发送器的软件设计分为6个模块：温度采集模块、温度显示模块、定时器程序模块、无线发送程序模块、无线接收程序模块、睡眠定时器模块。设计中的温度采集模块主要是实现以AD7705为芯片的AD转换器对采集的数据进行处理及存储；温度显示模块主要实现8位6路数码管的温度显示功能；定时器程序模块主要利用CC1110无线单片机的4个定时器实现定时和延时的功能；无线发送和无线接收模块是利用433M频率来实现温度传感器与信息交换器之间的通信功能；睡眠模块是为了节约温度发送器的耗能，实现睡眠模式与正常工作模式的转换。

信息交换器是本系统中的中心节点，启承上启下的作用。在系统中它通过无线传感器网络与温度发送器进行数据交互，而后通过串口与上位机ARM平台进行信息通信。信息交换器的软件设计主要包括两部分：即信息交换器与温度发送器通信的无线收发数据的程序设计和信息交换器与上位机ARM平台通信的串口通信程序设计。

ARM数据显示终端是整个温控系统的中心，它可以通过串口接收信息交换器读取到的温度发送器发送的数据，对数据进行处理、显示、存储，同时也要经过串口发送信息，通过信息交换器对温度发送器进行控制，并且系统能够根据用户设定的温度限值，实现报警。在上位机软件开发中，主要包括温度数据的接收、存储、显示和查询，阈值的设定，串口通信以及蜂鸣器控制等程序的软件设计。其串口设置和温度数据显示流程如图3所示。如图3（a）所示，系统首先进行串口设置，在定义串口后，判断串口是否成功打开。若不成功，则整个程序返回错误；如若成功，则会得到串口驱动文件的字符描述符fd，然后读取串口设置，若读取串口这个步骤出错同样整个程序也要返回错误，若无错误则初始化串口波特率、标志位等串口结构体。如图3（b）所示，此图为节点温度数据实时显示流程。系统首先读取串口驱动文件得到温度发送器的编号和测量的温度数据，然后根据温度发送器的编号判断此温度发送器是否已经显示存在。若已显示，则只需要更新温度数据显示和存储数据；否则，此温度发送器为新加入温度发送器，将温度发送器信息插入、显示并存储；最后轮询所有显示的温度发送器并判断温度发送器时间片（2秒）是否用完（温度发送器时间片用完表示此温度发送器不再传来数据，即此温度发送器已经不存在传感器网络中），若某个温度发送器时间片已经用完则从网络中删除该节点，否则继续读串口操作。

4　PT1000温度补偿研究

本系统中用PT1000铂电阻温度传感器［14］来采集温度，PT1000温度传感器是一种将温度变量转换为可传送的标准化输出信号的仪表，它在采集温度过程中容易被外界环境干扰，造成精度降低。因此，我们对温度补偿的算法研究是必要的。

4.1一元线性回归方程

在求温度补偿值T时，需要寻找在某一个温度值下，PT1000温度传感器两端的实际采集电压值和理论电压值的关系。在处理此关系时，引入一元回归来寻找上述关系［13］。本文先假若实际采集电压值和理论电压值满足线性回归，然后通过其显著性检验证明该假设可行性。

图3　ARM设置流程图

文中研究理论电压值Tx和采集电压值Ty的关系。假设Ty与Tx之间存在如下关系：

ε表示Tx对Ty除了固定电路对其的影响外，其他因素也对Ty有影响。通常认为ε是一组相互独立、并服从同一正态分布N（0，σ2）且假设σ2与Tx无关。将实验数据（Txi，Tyi）（i= 1，2，…，n）代入公式（1），且样本为简单随机样本得：

公式（2）可以得到公式（3）的方程组。

通过分析，公式（3）的方程组适合用最小二乘法求解。设p和q是公式（3）的最小二乘估计，则

公式（4）为回归方程式，其中p和q为它的回归系数。解得p、q

上述为回归方程的求解过程，文中的实验数据来源实验数据表1。

4.2回归方程的软件实现及试验结果

由于CC1110无线单片机为8位单片机，处理数据速度较慢。温度补偿算法的的数据处理在PC机上完成。计算过程：先求实际温度和测试温度的平均值，然后求Lxx、Lyy和Lxy，最后求p、q。软件实现采用matlab软件。试验数据见表1，求回归方程过程中计算的数据如表2所示。经过计算，最终得到实际温度Ty与测试温度Tx的回归方程为：

表1　测试数据

表2　回归方程计算过程的数据表

4.3回归方程的方差分析及显著性验证

公式（5）为Tx和Ty的一元线性回归方程。回归方程需其方差和显著性验证［15］。本文的回归方程验证的计算过程如表3所示。

表3　验证回归方程计算表

根据F分布表，F=4362，我们可以得知α=0.01。则表明式（5）在α=0.01水平显著，Tx与Ty线性关系密切。

5　测　试

温度发送器的设计经计量测试院检测，温度发送器参照JJF1379-2012《热敏电阻测温仪校准规范》，校准结果如表4所示。

表4　温度发送器的校准结果

经过测试温度误差最大偏差在-50℃时，偏差为0.282℃，在常用的2℃和4℃偏差最大为0.117℃，此次设计方案基本满足预期的设计效果，使温度偏差小于0.5℃。温度发送器实物如图4所示。

图4　温度发送器实物图

6　结　论

本文利用无线通信和有线通信的优势，实现了冷藏车车载温度监控系统的设计，并在硬件和软件中保证了系统的低功耗。该系统实现温度的精确采集和友好的人机界面的操作设计。但是整体系统在远程监控方面和ARM数据显示终端的大数据存储方面有所欠缺。根据算法设计温度发送器的温度采集程序，同时设计信息交换器的单片机程序和上位机基于ARM平台的系统监测界面的Qt程序。最后，测试系统软件的设计，验证本设计的正确性和可靠性。

［1］杜爱萍.冷链物流赢在车辆［J］.中国交通报，2014（2）：14.

［2］国家发展与改革委员会.农产品冷链物流发展规划［Z］.2010.

［3］翁卫兵.机械冷藏车远程可视化全况监控系统的设计与实现［J］.物流技术，2014，33（1）：314-317.

［4］茹亮.冷藏车远程感控系统关键技术研究［D］.南京：南京邮电大学，2013.

［5］申江，齐含飞.国外食品冷链技术研究进展［C］.第七届全国食品冷藏链大会论文集，2010（9）：5-12.

［6］万国峰，楼晓敏.冷链设备无线温度监控系统的实践与探讨［J］.中国医疗器械杂志，2013（3）：67-69.

［7］张签名.冷链园区需无形的手与有形的腿［J］.第A12版.现代物流报，2014，1：24.

［8］Texas Instruments.CC1110 PRELIMINARY Data Sheet（Rev 1.01）［R］.Dallas，2006.

［9］李文仲、段朝玉.CC1110/CC2510无线单片机和无线自组织网络入门与实践［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2008.

［10］霍亚飞.Qt Creator快速入门［M］.北京：航空航天大学出版社，2012.

［11］袁金正.基于ZigBee和嵌入式Linux的精密仪器实验室温湿度测控系统设计［D］.银川：北方民族大学，2012.

［12］蔡志明，卢传富，李立夏.精通Qt编程［M］.北京：电子工业出版社，2011.

［13］Pt1000 Data Sheet［R］，2010.

［14］费业泰.误差理论与数据处理［M］.北京：机械工业出版社，2010.

［15］自由度（统计学）维基百科［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稿件编号：201512084

山东省社会科学规划研究项目（15DWYJ06）

贺晓春（1981—），男，陕西宝鸡人，讲师。研究方向：计算机视觉和无线通信等。