多传感器数据融合技术在温度检测中的应用

… 一 … 一 … … … … … … 一 … … … … … … … … ’
ｊ
【 摘
要】 由于温室空间大且温度分布受多种因素影响等特点， 出了一种多传感器数据融合技术 提
｝的温 度检测系 并进一步采用格罗 统。 布斯准则消除粗大误差， 并运用 均值的 基于 递推融 合算法对采集的 ｉ ｉ数据进行处理。 结果表明， 采用这种方法可以有效的消除由 于传感器失效引 误差。 起的
第 ４期
２０ ０ ９年 ４月
文 章编 号 ：０ １３ ９ （０ ９ ０ — １３ ０ １０ — ９ ７ ２ ０ ）４ ０ ０ — ２
机 械 设 计 与 制 造
Ｍａ ｈ ｎ ｒ Ｄｅ ｉ ｎ ｃ ｉｅｙ ｓｇ ＆ Ｍａ ｕ ａ ｔ ｒ ｎ ｆｃｕ ｅ １３ ０
多传感器数据 融合技术在温度检测 中的应用
２ ２
一
ｄ ：ｌ Ｐ
ｓ
‰∞ ｌ 。
Ｊ
＋
：
【 （
（） ７
－ ＋ ２ ０】
根据分｝１ｉ理论和 ０ ０的条件， 比古十 － ０ － ＝ 得到温度数据融合值 ７ ： Ｔ 为
Ｔ＝４矿）Ｔ＋０ Ｒ ）＝ｏＨ Ｒ ） ￣ ｏ 一 －（￣ Ｔ （－ ｒ Ｔ ＇ － Ｈｒ ＋ （） ８
１— —— ｙ—（— ／ — — 厂—— — ＼— — ／— （ 厂 — —
度的检测的资料 ， 故可以认为此前测ｌ 且结果的方差 ｃ＝ ｒ 。 ＿
（ ２丁振良主编．误差理论与数据处理．哈尔滨： ４ ） 哈尔滨工业大学出版社 ， ０ ： ２ ２ ０
学 出版社 ，０ ４３ －８ ２ ０ ，０３ －
中 图分 类号 ： Ｐ １ ．１ 文 献标识 码 ： Ｔ ２ ２１ Ａ
温室中的温度检测系统对于提高控制系统的精确度 、 节约能 姆 ） ，采用 ＭＡ ２２芯片用于与 Ｐ Ｘ３ ｃ机进行 串行通信 。系统采用 源、 提高温室的管理水平并最终提高其社会效益与经济效益起着 ＨＤ ２ ９ ７ ７ 作为键 盘控制芯片， 液晶采用 Ｏ ＭＪ２ ＊４ 其 ８位数据 Ｃ １ ８６ ， 十分重要的作用 。 然而 由于温室的 自然特性 ， 其温度分布不均匀 ， 信号由芯片 ７ Ｌ １４ ４ Ｓ ６ 提供 。 受多种 因素的影 响 ， 因此 ， 需要多点采集样本 给出一个温度高低
图等几种方法 ， 最后根据温室检测系统的特点和实际需求 ， 决定 采用格罗布斯准则法消除粗大误差［ ６ １ 。
图 １系 统原 理 框 图
对某量进行 ｎ次测量 ， 得 … ， 设测量误差服从正 态分 布， 若某数据 札满足下式 ， 则认为 张含有粗大误差 ， 应剔除
＝ ＝
由于温室面积大 ， 且温度 分布不均匀 ， 所以一般在温室 中均 匀布置多个温度传感器 。在设计 中，系统以 ｐ ｉｐ 公 司推 出的 ｈｌ ｓ ｉ Ｐ ９ Ｐ ９ ０系列的 Ｌ Ｃ ９ ８ＬＣ ０ Ｐ ３ ５单片机为系统核心 ， 片机具有小 该单
ｉ ｐｃｓｅ ｍｅ ａ Ｔ Ｍ ａｈ ｅｂｈｉ ｉｉｏｅ。伽 ｅ— ｒ ｓｈ ａ ｌｄ ｈ ｒ ｌ ｈ ｈ￡ｅｒ ｄ ａａ凡 ｓ ｒ ６ｅ ｉ 。 ０ ｐｄ ａ ｅ５ｓｏ ｔｅ ｃ ｔ ｎ ｄ。 ｅ ｓ ． ｅ ｔ ｔ ｓ 。 ｙｅｖ ｔ ｆ ｃ ｒ ｌ
将上面几式化简得 ：
蔫ｆ ２ ２
４ 融合结果分析
］ 矗… － 痞
温室控制系统中采集 的两组数据 ， 如表 １ 所示。
表 １ 多传感 器测 量结 果 （ 单位 ： ） ℃
图 ３键 盘 、 晶与 单 片机 连 接 电路 液
３基于均值 的递推融合算法
当测量结果服从正态分布且测量次数足够多时， 算术平均值 是测量结果的理想表示方法 。但是 当测量次数有限时 ， 算术平均
（） ５
８～ ８ ９１
由于 、 是同一批 的两个测量数据 ， 此前 没有任何关于温 根据分批估计理论 ， 分批估计后得到的融合值的方差为
＝
３ 纪宗南． 单片机外围器件实用手册—输入输出分册［ ． Ｍ］ 北京 ： 北京航空航
天大学出版社 ，９ ８ １９ ４ 召胜 ， 藤 夏胜平， 宋晓丹． 基于数据融合的某产品热处理温度测量控制系统 ［］兵Ｔ学报，０ ０２ （）１５ １８ Ｊｌ ２ ０ ，１２ ：４～ ４ 息，０ ５ １ ）１７ １８ ２０ （ １：１～ １ ６肖明耀著． 误差理论与应用． 北京： 中国计量出版社 ，９ ５ １８
ＬＩＷ ｅ － ｉ Ｗ ＡＮＧ ｉ ｕｎ ｎ ｍ ｎ， Ｇａ—ｙ
（ ｃ ｏｌ ｆ ｏ ｐ ｔ ｎ ｏ ｔ ｌＧ ｉｎＵ ｉｅｓ ｙｏ Ｅｅ ｔ ｎｃ ｅ ｈ ｏｏｙ Ｇ ｉｎ５ １０ ， ｈｎ ） Ｓｈ ｏ ｏ ｍ ｕｅ ａ ｄｃ ｎｒ ， ｕｌ ｎｖｒｉ ｆ ｌｃｒ ｉ Ｔ ｃ ｎ ｌ ， ｕ ｉ ４ ０ ４ Ｃ ｉａ ｃ ｒ ｏ ｉ ｔ ｏ ｇ ｌ
温 度 检 ■ 测 电
工叫 叫
２ ＭＡ ３ Ｘ２ ２通 讯 电路 原 理 图
—
—
—
—
路 温度测 ８
ＬＣ Ｐ ９５ ３ 堕 片 机
２粗大误差数据 的消除
系统采用 ８个温度传感 器精度相 同且测量结果服从正态分
布。在进行粗大误差处理时， 有莱 以特准则格罗布斯准则和分布
｛ ｃ ｌ ｉ ｕｄ ｃ ｔ ｅ ｉ ｙ ｄ ｅｅ． ｎ
９ Ｋ ｙｗ ｒｓＴ ｍｐｒｔｒ ｅｅｔ ｎＭｕｔ ｓ ｓｒＤ ｔ ｓ ｎＲ ｃ ｒ ｖ ｇ ｒｈ ｅ ｏｄ ： ｅ ｅａ ｅ ｔ ｉ ； ｌ—ｅ ０ ； ａａ ｕｉ ； ｅｕｓ ｅ ｌ ｉ ｍ ｕ ｄ ｃ０ ｉ ｎ ｆ ｏ ｉ ａｏｔ
９ 关键词： 温度检测； 多传感器 ； 数据融合 ； 递推算法 ；
ｌ
【ｂｒ ｔＴ ｐｒｕ ｉｉｔｎｎａｅ ｒｎ ｏ ｅｓｎｕ ｃ ａ ｎ ｖｏ Ａｓａ 】ｅ ｅｔｅ ｓ ｂｉ ｒ ｅ ｕ ｆｅ ｅ ｂ ｍｎ ｋ ｄｏｅ ｉｎ ｔｃ ｍ ａｒｄｔ ｕｏ ｉｌ ｇｅ ｈ ｓ ｉｉ ｎ ｄ ｙ ｙ ｉｓｆ ｎｒ一 ｒ ｇ ｌ
李文敏 王改云
（ 林 电子 科技大 学 计算机 与控 制学院 ， 桂 桂林 ５ １０ ） ４０４
Ａｐ ｌ ａ ｉｎ ｏ ｌ－ ｅ ｓ ｒｄ ｔ ｕ ｉ ｎ ｉ ｅ ｐ ｉ ｔ ｆｍｕｔ ｓ ｎ ｏ ａ ａ ｆ ｓｏ ｎ ｔ ｍｐ ｒ ｔ ｒ ｅ ｅ ｔ ｎ ｓ ｓｅ ｃ ｏ ｉ ｅ ａ ｕ ｅ ｄ ｔ ｃ ｉ ｙ ｔ ｍ ｏ
３ ３
ｌ ；
；来自百度文库
Ⅲ 叭
ｍ 雕 啪
的判别 。以往的方法大都是取温室 内的平均值温度来判别 ， 这就
导致 当某种原因使得部分传感器的数据不正确或者受到某种干 扰时 ， 测量结果不能正确的反映实际状态。提 出的数据采集方法 是在多传感器采集的基础上 ， 采用数据融合 的方法提高了数据采 集 的精度 ， 从而有效的解决 了传统方法不能解决的问题 ， 可有效 的获取真实准确的信息 。
第一组数据 ８ 次测量的平均值是 １． ， ８ ５先剔除粗大误差 Ｏ
经过计算知道 ８ 个数据为一致性数据 ， 依据对称分组 的原 值虽然可以改善测量结果 ， 但小是最佳的表示方法 ， 此时 ， 估计算 数据，
、 、、 、 、、 经计算 ， 可得 Ｔ １．， １． ｔ ８１ ＝ ＝ ８ 法可以获得更好 的测量结果 。 但估计算法要求 比较可靠的测量初 则将 １３５ ７和 ２４ ６８分成两组 ， ， １ ３ ｏ＝ ． Ｔ＝ ８ 。在第二组数据中， － Ｏ４ ２ ６ ０ 由于 ５ 号传感器 值， 基于算术平均值与估计的融合算法 ， 能够获得可靠的测量初 ００： ． ，－０５ ， ＋Ｉ．８
其测得的数据远远偏离其它数据 ， 计算其算术平均值 值， 有效消除测量中的不确定性 ， 提高测量结果的准确性 。 该方法 发生异常 ， ｌ． 。 ６ 经计算 ５号传感器得到的数据含粗 具有计算量小 ， 易于编程等特点 ， 适合于缓变量检测系统 。 结合本 得 ’ ７ １ 用格罗布斯法则，
应剔除。 剩余的 ７ 个数据做数据融合 ， ： ８ ， ｌ． 得 Ｉ ． ７ ８ ， １３ ７ 系统的特点 ， 因此采用基于均值 的分批估计融合算法。现将该方 大误差 ，
尺：
第 ４期
临界值 ， 它根据测量次数 ｎ及显著度 而定 ； ～显著度 ， 为 判断出现错误 的概率 ， 依具体 问题选择 ， 在系统 中 Ｏ取 ０ ｇ ． ０ 当 札满足上式 ， １ 但不含粗大误差的概率为 ：
ｆ ０ ０ 声 协差 阵 ， 量 的方矩 。 １ 噪
０ －／ ０ ；
｛ ｔ ｅｄ ａ Ｉ ｐ ｒｃ ｌ ， ｅ ｕｉｎｍ ｔｏ ａｅ ｎｍ ａ ｉｇ ａ ｅａ ｄｒｃ ｒｉ ｆｌ ｒ ｇａ ｏｉ ｍ ｉ ｕｅ ａ ａ ． ｎ ａｔ ｕａ ｔ ｆ ｓ ｅｈ ｄｂ ｄｏ ｅ ｎ ｖ ｕ ｎ ｕｓ ｅ ｔ ｉ ｌ ｒｈ ｄ ｋ ｔ ｉ ｒ ｈ ｏ ｓ ｎ ｌ ｅ ｖ ｉ ｅ ｎ ｇ ｔ ｓｓ
ｌ ２
３ Ｖ ３ Ｃ１４ ０
Ｕ１
Ｃ１ ＋
Ｃ ｌ —
Ｖ【
Ｖ
Ｃ２ ＋
Ｃ２ ＿
１ 系统简介
温室 温 度采 集 控 制 系统 框 图 ， 图 １ 示 。 讯 电路 原 理 图 ， 如 所 通
Ｌ
如图 ２所示 。键盘 、 液晶与单片机连接电路 ， 如图 ３ 所示。
温度测试 １＿ 卜
＞ｇ∽ ｏ∞
－
（） １
ｋ ｌ２ …… ，； 一统计 量 的 ｎｇ ｏ 巧、 易于控制等特点 。 温度传感器采用铂电阻 Ｐ １０ 阻值 １ ８ Ｔ ０（ ０ 欧 式 中： —数据 钆的统计量 ，＝ ，，
★来稿 日期 ：０ ８ ０ — ４ ２０ — ６ １
１４ ０
李文敏 等 ： 多传感 器数据 融合技 术在温度检测 中的应 用
；ｍ ｎ ｌ ｃ ｒ ． ｉｄｆ ｕ ｅ ｃｔ ｍ ｅ ｕｅ ａ ｅＡｔ ｐ ｒ ｕ ｅ ｃ ｏ ｓ ｍｂｓｄ ｎ ｕ ； ｅｔ ｆ ｔ ｓＩ ｓ ｉ ｃ ｌ ｏ ｔ ｔｈ ｔ ｐ ｒ ｒ ｖｌ ． ｍ ｅ ｔｒ ｄｔ ｔｎ ｙｔ ａ ｌ ａ ａ ｏ ｔ ｆ ｔ ｄ ｅ ｅ ｅ ａ ｕ ｉ ｔ ｔ ｅ ａ ｅ ｅｉ ｓ ｅ ｅｏｍ － ：ｔｓｎ ｒ ａ ｆｓ ｎ ｅｈ ｏ ｇ ｒ ｏｅ． ｈ ｒ ｃ ｌｏ ｒｂ ｓｓ ｓｄ ｏ ｌ ｉ ｔ ｔ ａ ｌ ｓ ｉ ： ｉ ｅｓ ａｕｉ ｃｎｌ ｙｓ ｏ ｓ Ｔｅ ｉ ｉ ｅ Ｇ ｕｂ ｅ ｉ ｎ ｅｈ ｃｒ ｅ ｓ － ｏｄ ｔ ｏｔ ｏ ｉｐ ｐ ｄ ｐ ｎｐ ｆ ｉｕ ｔｅｍ ａ ｅ ｅ ｓｍ －
１
＝
Ｔ Ｉ
（） ２
传感器失效时 ，系统可以根据系统其它非失效传感器提供 的信
息， 经过数据融合获得温室的准确温度 ， 从而为温室控制系统提
ｉｌ ｉ ｌ ｌ ＝
咒
（） ３
供 准确 的判 据 。
对应 的标 准 差分 别 为 ；
参 考 文献
１ 周立功等． Ｐ ９０系列 Ｆ Ａ Ｈ单片机应用技术． ＬＣ ０ ＬＳ 北京 ：北京航空航天大
法 具体 介绍 如 下 ：
ｌ
＝ ４２， ￣－．２， ０． ０ ，０５ －－
１ ．６。 ４ ８
在温室的典型位置放置 ８ 个温度传感器 ， 首先测得一致性数
从上述结果可以看 出， 采用数据融合得到的结果比算术平均
据， 然后按照对称 的原则分为两组 ， 对两组数据的平均值采用分 值方法得到的结果更加合理可靠。
批估计算法 ， 出接近真值的融合值 ， 估计 从而得钊温度 的准确
测 量结 果 ， 测量 过 程 中 的不 确定 性 。 减少
５结论
创新点在于把格罗布斯准则和基于均值 的递推融合算法引 设第 １ 组测量一致性数据为 Ｔ ， 。 ｍ≤４ ；第 ２ 组测量一敛性 入到温室温度检测系统之中。 运用所述的方法能够在系统硬件和 数据为 ，≤４ ｎ ． 那么两组数据的算术平均值为： 环境不变的情况下 ， 使系统的检测精度得到提高， 尤其是当某些