如何使用Arduino进行统计

风筝

在本篇文章中，我们将主要介绍如何对来自连接到Arduino的传感器的数据进行统计。为此，本文使用了开源统计程序“ R”。严格来说，R是一种针对统计计算和图形的编程语言。而且，它有一个庞大的社区，提供各种算法的软件包。为了将数据从Arduino接收到R中，我使用SD卡读/写器。传感器数据（由Arduino捕获）写入SD卡，然后由计算机读取并加载到R中。

本文共包含三个部分：（A）设置带传感器、SD卡读写器和Arduino（Nano）收集数据，（B）收集数据并将其传输到R，以及（C）使用数据进行统计。

所需的材料清单：

–  Arduino Nano开发板

–  跳线

–  面包板

–  超声波传感器

–  MicroSD卡适配器

–  MicroSD卡

A（1/2）：设置Arduino、传感器和SD卡读卡器

老实说，本文中的Arduino和传感器设置没有任何实际意义。它仅实现一个目的：收集一些可用于统计的数据。我选择使用两个HC-SR04型超声波传感器。将Arduino插入面包板的中间。一个超声波传感器插入面包板的左侧，另一个传感器插入右侧。左传感器测量到左侧的距离，而右传感器测量到右侧的距离。

在先前关于HC-SR04超声波传感器的文章中，我使用了一种使用pulseIn函数的方法。如果您的设置中只有一个超声波传感器，则此方法效果很好。如果您有两个同时测量距离的超声波传感器，则此方法不再起作用。在本文中，我将使用中断。当相应引脚上的信号改变其状态时，将触发这些中断。在Arduino Uno和Arduino Nano上，只能将数字引脚2和3绑定到中断。因此，超声波传感器的echo引脚连接到数字引脚2和3。

A（2/2）：编程

如前所述，将使用中断用于测量距离。除此之外，其他所有内容都与我之前关于HC-SR04和Micro SD卡读取器的教程中介绍的代码相似。

在每次loop函数调用中，都将测量距离，然后将其写入文件。而且，旧文件在每次Arduino启动时都会被删除。

1. #include <SD.h> //Load SD library
   
2. // Pins of the ultrasonic sensors
   
3. const int pin_echo_left = 2;
   
4. const int pin_echo_right = 3;
   
5. const int pin_trig_left = 6;
   
6. const int pin_trig_right = 7;
   
7. // variables that to track the duration of the echo
   
8. volatile long echo_left_start = 0;
   
9. volatile long echo_left_end = 0;
   
10. int distance_left = 0;
    
11. volatile long echo_right_start = 0;
    
12. volatile long echo_right_end = 0;
    
13. int distance_right = 0;
    
14. // variables to write data to sd card
    
15. int chipSelect = 4; //chip select pin for the MicroSD Card Adapter
    
16. File file; // file object that is used to write the data
    
17. void setup() {
    
18.   pinMode(pin_trig_left, OUTPUT);
    
19.   pinMode(pin_echo_left, INPUT);
    
20.   pinMode(pin_trig_right, OUTPUT);
    
21.   pinMode(pin_echo_right, INPUT);
    
22.   attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(pin_echo_left), echo_interrupt_left, CHANGE); // only pins 2 and 3 are useable for interrupts on Uno, Nano and Mini
    
23.   attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(pin_echo_right), echo_interrupt_right, CHANGE);
    
24.   pinMode(chipSelect, OUTPUT);
    
25.   if (!SD.begin(chipSelect)) { // Initialize SD card
    
26.     Serial.println("Could not initialize SD card."); // if return value is false, something went wrong.
    
27.   }
    
28.   
    
29.   if (SD.exists("stats.csv")) { // if "stats.csv" exists, fill will be deleted in order to gather new data
    
30.     Serial.println("File exists.");
    
31.     if (SD.remove("stats.csv") == true) {
    
32.       Serial.println("Successfully removed file.");
    
33.     } else {
    
34.       Serial.println("Could not removed file.");
    
35.     }
    
36.   }
    
37.   // write headers
    
38.   file = SD.open("stats.csv", FILE_WRITE); // open "file.csv" to write data
    
39.   if (file) { // Next, the headers (first line) of the CSV file is written
    
40.       file.print("DISTANCE_LEFT");
    
41.       file.print(",");
    
42.       file.print("DISTANCE_RIGHT");
    
43.       file.println();
    
44.       file.close(); // close file
    
45.       Serial.println("Headers were written to file!");
    
46.   } else {
    
47.     Serial.println("Could not open file (writing).");
    
48.   }
    
49.   Serial.begin(9600);
    
50. }
    
51. // this function is called by an interrupt on each change of the echo pin of the left sensor
    
52. void echo_interrupt_left() {
    
53.   switch (digitalRead(pin_echo_left))
    
54.   {
    
55.   case HIGH:
    
56.     echo_left_end = 0;
    
57.     echo_left_start = micros();
    
58.     break;
    
59.   case LOW:
    
60.     if (echo_left_end == 0) {
    
61.       echo_left_end = micros();
    
62.       long duration = echo_left_end - echo_left_start;
    
63.       long durationOneWay = duration / 2; // divided by two, since duration is a roundtrip signal
    
64.       // acoustic velocity of air at a temperature of 20°C => ~343.5 m/s
    
65.       // => 0.03435 cm/us
    
66.       distance_left = durationOneWay * 0.03435; // distance in cm
    
67.     }
    
68.     break;
    
69.   }
    
70. }
    
71. // this function is called by an interrupt on each change of the echo pin of the right sensor
    
72. void echo_interrupt_right() {
    
73.   switch (digitalRead(pin_echo_right))
    
74.   {
    
75.   case HIGH:
    
76.     echo_right_end = 0;
    
77.     echo_right_start = micros();
    
78.     break;
    
79.   case LOW:
    
80.     if (echo_right_end == 0) {
    
81.       echo_right_end = micros();
    
82.       long duration = echo_right_end - echo_right_start;
    
83.       long durationOneWay = duration / 2; // divided by two, since duration is a roundtrip signal
    
84.       // acoustic velocity of air at a temperature of 20°C => ~343.5 m/s
    
85.       // => 0.03435 cm/us
    
86.       distance_right = durationOneWay * 0.03435; // distance in cm
    
87.     }
    
88.     break;
    
89.   }
    
90. }
    
91. void loop() {
    
92.     // both ultrasonic are triggered to send an ultrasonic signal
    
93.     digitalWrite(pin_trig_left, LOW); // turn off the trigger
    
94.     digitalWrite(pin_trig_right, LOW); // turn off the trigger
    
95.     delayMicroseconds(3);
    
96.     digitalWrite(pin_trig_left, HIGH);// prepare to send "trigger" command to module
    
97.     digitalWrite(pin_trig_right, HIGH);// prepare to send "trigger" command to module
    
98.     delayMicroseconds(10); // wait for 10us (module sends signal only, if trigger had a HIGH signal for at least 10 us)
    
99.     digitalWrite(pin_trig_left, LOW); // module sends signal now
    
100.     digitalWrite(pin_trig_right, LOW); // module sends signal now
     
101.     delay(1000); // we wait a second... interrupts should be called by now
     
102.     // next we append the measurements to the CSV file.
     
103.     file = SD.open("stats.csv", FILE_WRITE); // open "file to write data
     
104.     if (file) {
     
105.       file.print(distance_left);
     
106.       file.print(",");
     
107.       file.print(distance_right);
     
108.       file.println();
     
109.       file.close(); // close file
     
110.       Serial.println("Values were written to file!");
     
111.       Serial.print("Left:  ");
     
112.       Serial.println(distance_left);
     
113.       Serial.print("Right: ");
     
114.       Serial.print(distance_right);
     
115.       Serial.println();
     
116.     } else {
     
117.       Serial.println("Could not open file (writing).");
     
118.     }
     
119. }

复制代码

B：收集数据并将其传输到R

接下来，只需打开Arduino，然后将其左右移动一会儿即可收集一些数据。一段时间后，SD卡上的stats.csv文件应具有足够的距离值。特别是，Arduino程序以所谓的逗号分隔值（CSV）格式存储距离测量值。 stats.csv文件的第一行代表所谓的头。标头包含数据标签。下一行包含实际测量值。大多数统计程序都提供导入CSV文件的功能。此外，由于可以找到格式略有不同的CSV文件，因此统计程序通常具有一些其他便利功能，可以导入CSV文件。例如，某些CSV具有标头，而另一些则没有。此外，一些CSV文件用“逗号”分隔数据条目，另一些CSV文件则用“分号”分隔。

C：做一些统计

因此，下一步就是将SD卡从Arduino的SD卡读卡器插入计算机。然后，可以将SD卡中的数据加载到R。R存在许多不同的图形用户界面。通常，我使用RStudio，特别适合初学者。我不会介绍如何安装RStudio。您可以在RStudio网站上找到有关安装的更多信息。请记住，RStudio只是R的用户界面。除了RStudio，还必须安装R本身。此外，本文也不会介绍R。如果您不熟悉R，那么您可能想看一看R入门教程，以全面了解本教程。

RStudio工作区。

如果已经安装了R（和图形用户界面），请先将文件“ stats.csv”加载到R环境中。在R中，环境是存储变量的地方。在本文中，将R的工作目录设置为包含“ stats.csv”的文件夹。通常，用户界面（例如RStudio）提供了用于设置工作目录的选项。为了将CSV文件存储到R环境中，您必须输入data = read.csv("STATS.CSV");到R控制台。这样，您应该看到已将变量“data”添加到您的环境中。该变量应包含两个变量以及对这两个变量的一些观察。观察次数取决于您使用设置进行距离测量的时间。如果未设置工作目录，则必须在“ read.csv”中输入CSV文件的完整路径。

接下来，我们要计算距离测量的平均值。这可以通过在R控制台中输入mean(data$DISTANCE_LEFT)和mean(data$DISTANCE_RIGHT)来完成。左距离为12.13043，右距离为13.34783 [cm]。

如果您仅知道我的平均值，那么您将不知道是否真正移动了Arduino。我也有可能将Arduino放在障碍物之间，该障碍物向左约12cm，向右约13cm。在统计中，您可以利用标准偏差，该标准偏差可以为您提供有关观测值变化量的一些指示。更严格地说，标准偏差是方差的平方根。也许您现在正在问自己“什么是方差？”。方差是每个观察值与平均值之间平方差的平均值。在R中，通过输入sd（data $ DISTANCE_LEFT）和sd（data $ DISTANCE_RIGHT）计算左右测量的标准偏差。结果值为3.876554（左）和7.036326（右）。通常，人们会期望左右距离测量的标准偏差大致相同。差异是由于非对称物理设置、测量噪声、Arduino的偏斜运动等导致的。为了检查两个变量是否彼此相关，可以使用相关度量。皮尔森乘积矩相关系数（表示为r）就是这种度量。该系数的范围是-1到1。值-1表示两个变量完全不一致，值0表示两个变量是独立的，值1表示两个变量完全一致。在R中，可以通过输入cor(data$DISTANCE_LEFT, data$DISTANCE_RIGHT)来计算Pearson乘积矩相关系数。如您所见，该函数有两个参数，分别对应于两个感兴趣的变量。将函数应用于数据将返回–0.7782926。这表明这两个变量相当不同。这听起来合乎逻辑，因为如果我们将Arduino移至左侧，则左侧的距离测量值会减小。同时，右侧的距离测量值会增加。如果两个距离测量值同时增加，则相关系数将接近+1。

移动Arduino时，右侧距离传感器旁边会放置一个障碍物。结果，传感器数据之间的相关性非常低。

让我们修改设置。这次，我在移动Arduino时在右侧传感器旁边放置了一个障碍物。然后，我重复整个过程以将新数据获取到R中。我没有将数据值存储到变量“ data”中，而是创建了一个新变量“ data2”。用于读取CSV文件的函数调用如下所示：data2 = read.csv("STATS.CSV");。

接下来，您可以找到用于计算平均值、标准偏差以及相关系数的结果值：

mean(data2$DISTANCE_LEFT)= 11.94737

mean(data2$DISTANCE_RIGHT)= 3.421053

sd(data2$DISTANCE_LEFT)= 3.822066

sd(data2$DISTANCE_RIGHT)= 0.606977

cor(data2$DISTANCE_LEFT, data2$DISTANCE_RIGHT)= -0.2054429

仅从统计结果来看，人们可能会猜测右侧传感器发生了某些事情。例如，标准偏差非常低（0.6…）。如果障碍物在传感器前面，它将测量到相同的距离值。结果，标准偏差接近于零。此外，由于一个传感器测量实际距离，而另一个传感器始终测量相同的距离，因此两个传感器值不再相互关联。这样，相关系数接近于零。

通过以上内容，我们可以使用统计信息“衡量现实世界中正在发生的事情”。而且，至少在我看来，在查找系统故障或代码中的错误时，统计数据可以像万用表一样有用。