本發(fā)明涉及溫度監(jiān)控，具體涉及一種基于數(shù)值擬合的無源rfid溫度測量方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、溫度傳感器除了在維護質(zhì)量保證、滿足消防安全和冷鏈監(jiān)控等應(yīng)用中的法規(guī)遵從性方面發(fā)揮重要作用外，在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用也十分廣泛，例如，應(yīng)用于工業(yè)過程中的溫度監(jiān)測和控制，確保設(shè)備在合適的溫度范圍內(nèi)運行，而且在某些工業(yè)設(shè)備中，溫度的變化可能會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。溫度傳感器被用于進行溫度補償，以消除這種影響，提供更準確的測量結(jié)果。溫度傳感器還可以監(jiān)測設(shè)備的溫度，并在溫度超過設(shè)定閾值時發(fā)出警報，幫助及時發(fā)現(xiàn)并修復(fù)設(shè)備故障，防止設(shè)備損壞。

2、現(xiàn)有的溫度測量設(shè)備體積龐大、成本高昂，使得物品級溫度監(jiān)測成本過高。而且大多數(shù)現(xiàn)有傳感器無法直接實現(xiàn)無線溫度傳感，需要額外的嵌入式電路（如射頻發(fā)射器）來執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)原理復(fù)雜。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于數(shù)值擬合的無源rfid溫度測量方法，以及還提供一種基于數(shù)值擬合的無源rfid溫度測量系統(tǒng)。

2、
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明提供基于數(shù)值擬合的無源rfid溫度測量方法，該方法包括：

3、使用無源?rfid?標簽附著在恒溫加熱容器上以感測溫度，感測溫度范圍從-30℃到120℃，步長為5℃，即溫度每升高5℃，則自動采集并按照固定格式記錄一次溫度及相關(guān)數(shù)據(jù)，并自動上傳存儲到數(shù)據(jù)庫；

4、將當(dāng)前標簽下的溫度和當(dāng)前溫度下的持續(xù)時間的關(guān)系畫成散點圖，并剔除采集的異常溫度數(shù)據(jù)，所述當(dāng)前溫度下的持續(xù)時間為所述無源?rfid?標簽從初始電源電壓衰減到易失性數(shù)據(jù)丟失時的電壓閾值的時間跨度；

5、將篩選后保留下的溫度和持續(xù)時間的關(guān)系畫成關(guān)系曲線，并利用窗口方差對曲線進行最優(yōu)分割；

6、將根據(jù)最優(yōu)分割方法得到的分段分別記為低溫段，中溫段和高溫段，并為每個分段建立持續(xù)時間與溫度之間的映射關(guān)系，所述低溫段，中溫段和高溫段對應(yīng)的擬合函數(shù)分別記為m1、m2和m3；

7、結(jié)合擬合函數(shù)以及環(huán)境溫度值，設(shè)置標簽異常狀態(tài)的預(yù)警。

8、進一步的，包括：

9、所述為每個分段建立持續(xù)時間與溫度之間的映射關(guān)系之后還包括：

10、由于具有相同模型的標簽具有相似的曲線模式和擬合參數(shù)，因此，從具有相同模型的多個不同無源標簽中提取持續(xù)時間集合{( t i, ?p i)}，其中， t i為第 i個無源標簽在溫度 p下的持續(xù)時間， p i為第 i個無源標簽下的當(dāng)前溫度；

11、計算多個不同標簽下擬合參數(shù)的平均值，作為該模型的新的擬合參數(shù)，對應(yīng)的擬合函數(shù)分別記為m1’，m2’，m3’。

12、進一步的，包括：

13、所述將當(dāng)前標簽下的溫度和當(dāng)前溫度下的持續(xù)時間的關(guān)系畫成散點圖，并剔除采集的異常溫度數(shù)據(jù)，具體包括：

14、計算每個溫度下單次測量的持續(xù)時間，其中，對于同一標簽的某次測量的持續(xù)時間計算公式如下：；其中，，為該標簽在溫度 j下第 n次測量得到的持續(xù)時間，此時單位為秒， n為該標簽當(dāng)前測量的組數(shù)，表示該標簽第 n組數(shù)據(jù)的時間戳，單位為毫秒；

15、在同一溫度下停留一段時間采集多次，避免因為單次采集帶來的不確定性誤差，因此，對于每個溫度 j，計算其持續(xù)時間的均值，其表示為：；其中，n為該標簽下測量的總組數(shù)；

16、刪除同一標簽不同溫度下持續(xù)時間中小于和大于的數(shù)據(jù)記錄，即當(dāng)或時，剔除對應(yīng)的異常值；其中，其中， j的范圍為-30到120，且為5和-5的倍數(shù)；因此，，；對于每個溫度 j，刪除其中離群值，具體如下：

17、?記和?為該標簽在溫度 j下的第25百分位數(shù)和第75百分位數(shù)，記；當(dāng)或時，剔除對應(yīng)的離群值。進一步的，包括：

18、所述將篩選后保留下的溫度和持續(xù)時間的關(guān)系畫成關(guān)系曲線，并利用窗口方差對曲線進行最優(yōu)分割，具體包括：

19、計算每個溫度下剩余測量的平均持續(xù)時間，其中的剩余測量為采用篩選處理的采集數(shù)據(jù)后，剩余的其他測量組數(shù)對應(yīng)的持續(xù)時間，因此，對應(yīng)的平均持續(xù)時間的計算方式如下：

20、對于同一標簽的持續(xù)時間計算公式如下：；其中，剔除異常值和離群值后，為該標簽在溫度 j下的平均持續(xù)時間，單位為秒，m為該標簽經(jīng)過篩選處理后剩余的測量的總組數(shù)且， a,b,..,m為經(jīng)過篩選處理后剩余的當(dāng)前測量組數(shù)，且；若經(jīng)過篩選處理后已經(jīng)沒有可用的測量組數(shù)，則直接不考慮該標簽下該次采集的所有數(shù)據(jù)；

21、將溫度和持續(xù)時間關(guān)系畫成關(guān)系曲線，并將溫度沿著橫軸方向從起始點至終點滑動，每次滑動窗口為5℃，每次滑動前計算當(dāng)前窗口區(qū)段5個采樣點對應(yīng)持續(xù)時間的平均值，并計算各采樣點與均值的方差和，并保存為窗口方差值，具體表示為：；；其中，為在溫度值為 i時對應(yīng)的持續(xù)時間，表示窗口起始溫度值為 i的窗口5個值的平均值，表示窗口起始溫度值為 i的窗口對應(yīng)的方差值；設(shè)定閾值為，計算當(dāng)前溫度下的窗口方差值與前一時刻的窗口方差值的絕對誤差，若絕對誤差大于閾值，則判定當(dāng)前溫度窗口的第一個采樣點為第一個分段點；即：，否則，繼續(xù)滑動窗口，直到絕對誤差大于閾值，得到當(dāng)前窗口的第一個采樣點為第一個分段點。依次類推，得到其他分段點，直至窗口滑動結(jié)束；

22、假設(shè)滑動結(jié)束后曲線共分為 k段，當(dāng) k≥3時，僅保留3段，即取其中窗口方差值最大的2個分段點；當(dāng) k<3時，則擴充為3段，即：依次繼續(xù)添加窗口方差值最大的窗口作為分段點。

23、進一步的，包括：

24、所述為每個分段建立持續(xù)時間與溫度之間的映射關(guān)系，包括：

25、對于ab段，即低溫段，利用一元二次回歸模型來進行擬合，這是因為低溫下不同溫度下放電時間相差不大，且數(shù)據(jù)波動不一，無法直接利用理論的機理模型進行擬合，由于由多樣性引起的誤差將導(dǎo)致更大的誤差，構(gòu)建一元二次擬合模型：；其中，，和為線性擬合模型的待定系數(shù)， p1為溫度值，為溫度 p1下的持續(xù)時間；

26、根據(jù)采集的樣本數(shù)據(jù)，通過最小二乘法計算得到擬合函數(shù)m1；

27、然后利用所述擬合函數(shù)m1求數(shù)據(jù)的擬合優(yōu)度，當(dāng)且僅當(dāng)，則認為該擬合函數(shù)的擬合程度滿足要求，從而得到參數(shù)，和的值，否則，重新采集數(shù)據(jù)直到模型滿足擬合優(yōu)度要求為止；得到參數(shù)，和的值后，根據(jù)公式以及持續(xù)時間，即可得到溫度值 p1。

28、進一步的，包括：

29、所述為每個分段建立持續(xù)時間與溫度之間的映射關(guān)系，還包括：

30、對于bc段，即中溫段，采用利用機理模型來擬合，其中， a,b,c是3個常數(shù)，為了獲取 a,b,c三個常數(shù)；采用以下步驟實現(xiàn)：最小化目標函數(shù)為，根據(jù)經(jīng)過篩選處理后，該溫度該標簽下采集的樣本數(shù)據(jù)，通過最小二乘法計算得到擬合函數(shù)m2；利用擬合函數(shù)求數(shù)據(jù)的擬合優(yōu)度，當(dāng)且僅當(dāng)，則認為擬合函數(shù)的擬合程度滿足要求，否則，重新采集數(shù)據(jù)直到模型滿足擬合優(yōu)度要求為止；

31、得到參數(shù) a,b,c之后就根據(jù)公式，根據(jù)持續(xù)時間可直接計算得到溫度值 p2。

32、進一步的，包括：

33、所述為每個分段建立持續(xù)時間與溫度之間的映射關(guān)系，還包括：

34、對于cd段，利用一元二次回歸模型來進行擬合，構(gòu)建一元二次擬合模型：

35、構(gòu)建一元二次擬合模型：其中，，和為線性擬合模型的待定系數(shù)， p 3為溫度值，為溫度 p3下的持續(xù)時間；

36、根據(jù)經(jīng)過篩選處理后，該溫度該標簽下采集的樣本數(shù)據(jù)，通過最小二乘法計算得到擬合函數(shù)m3；

37、然后，利用所述擬合函數(shù)m3求數(shù)據(jù)的擬合優(yōu)度，當(dāng)且僅當(dāng)，則認為該擬合函數(shù)的擬合程度滿足要求，否則，重新采集數(shù)據(jù)直到模型滿足擬合優(yōu)度要求為止；

38、得到參數(shù)，和后，根據(jù)公式，根據(jù)持續(xù)時間即可得到溫度值 p3。進一步的，包括：

39、所述結(jié)合擬合函數(shù)以及環(huán)境溫度值，設(shè)置標簽異常狀態(tài)的預(yù)警，包括：

40、設(shè)置持續(xù)時間閾值t1，t2，且t1<?t2，若持續(xù)時間小于t1，則調(diào)用模型m1’得到溫度值 p1；若持續(xù)時間大于等于t1，小于等于t2，則調(diào)用模型m2’得到溫度值 p2；當(dāng)持續(xù)時間大于t2，則調(diào)用模型m3’得到溫度值 p3，將該步驟得到的溫度值記為p；

41、設(shè)置最大持續(xù)時間閾值 th和最小持續(xù)時間閾值 tl，當(dāng)持續(xù)時間小于 tl或者大于 th時，則判定標簽為異常狀態(tài)，提示更換標簽；

42、通過閱讀器采集環(huán)境溫度值，設(shè)置溫度測量值偏差預(yù)警值 td，當(dāng)?shù)玫降臏囟戎祊與環(huán)境溫度值的差值大于 td時觸發(fā)報警，立即排查標簽狀態(tài)和設(shè)備狀態(tài)，填寫并上報對應(yīng)故障類型及原因。

43、另一方面，本發(fā)明還提供一種基于數(shù)值擬合的無源rfid溫度測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：

44、數(shù)據(jù)采集模塊，用于使用無源?rfid?標簽附著在恒溫加熱容器上以感測溫度，感測溫度范圍從-30℃到120℃，步長為5℃，即溫度每升高5℃，則自動采集并按照固定格式記錄一次溫度及相關(guān)數(shù)據(jù)，并自動上傳存儲到數(shù)據(jù)庫；

45、預(yù)處理模塊，用于將當(dāng)前標簽下的溫度和當(dāng)前溫度下的持續(xù)時間的關(guān)系畫成散點圖，并剔除采集的異常溫度數(shù)據(jù)，所述當(dāng)前溫度下的持續(xù)時間為所述無源?rfid?標簽從初始電源電壓衰減到易失性數(shù)據(jù)丟失時的電壓閾值的時間跨度；

46、最優(yōu)分割模塊，用于將保留下的溫度和持續(xù)時間的關(guān)系畫成關(guān)系曲線，并利用窗口方差對曲線進行最優(yōu)分割；

47、擬合模塊，用于將根據(jù)最優(yōu)分割方法得到的分段分別記為低溫段，中溫段和高溫段，并為每個分段建立持續(xù)時間與溫度之間的映射關(guān)系，所述低溫段，中溫段和高溫段對應(yīng)的擬合函數(shù)分別記為m1、m2和m3；

48、預(yù)警模塊，用于結(jié)合擬合函數(shù)以及環(huán)境溫度值，設(shè)置標簽異常狀態(tài)的預(yù)警。

49、進一步的，包括：

50、所述擬合模塊中，為每個分段建立持續(xù)時間與溫度之間的映射關(guān)系之后還包括：

51、由于具有相同模型的標簽具有相似的曲線模式和擬合參數(shù)，因此，從具有相同模型的多個不同無源標簽中提取持續(xù)時間集合{( t i, ?p i)}，其中， t i為第 i個無源標簽在溫度 p下的持續(xù)時間， p i為第 i個無源標簽下的當(dāng)前溫度；

52、計算多個不同標簽下擬合參數(shù)的平均值，作為該模型的新的擬合參數(shù)，對應(yīng)的擬合函數(shù)分別記為m1’，m2’，m3’。

53、有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

54、（1）本發(fā)明采集溫度數(shù)據(jù)以后的預(yù)處理過程，計算每個溫度下的持續(xù)時間，并根據(jù)持續(xù)時間得到其中存在的異常值，異常值的計算采用多次測量該溫度下的持續(xù)時間和對應(yīng)的均值進行比較，從而剔除對應(yīng)的異常值和離群值，使得數(shù)據(jù)值更加有效，從而提高測量的準確性；

55、（2）本發(fā)明采用滑動窗口法對溫度和持續(xù)時間的關(guān)系曲線進行分段劃分，將其劃分為三段，具體的，計算持續(xù)時間對應(yīng)的均值和方差，并將該方差與對應(yīng)的閾值進行比較，得到對應(yīng)的分段點，這種數(shù)據(jù)處理的方式為后續(xù)的擬合提供基礎(chǔ)，即不同的溫度段采用不同的擬合模型，這樣最終計算的溫度值準確度更高，因此，根據(jù)數(shù)據(jù)擬合即可實現(xiàn)對標簽在特定條件下的溫度傳感。本發(fā)明采用的分段擬合比純理論計算及經(jīng)驗?zāi)Ｐ拖啾绕者m性更強，精度更高。

56、（3）本發(fā)明根據(jù)不同的擬合模型得到對應(yīng)的映射模型，實現(xiàn)準確可靠的溫度傳感，同時設(shè)置標簽異常狀態(tài)預(yù)警，從而根據(jù)預(yù)警提醒進行更換標簽或排查標簽和設(shè)備的狀態(tài)，實用性更強。