溫度檢測傳輸模塊 - 基于ARM室內溫度控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

　　1.2 溫度檢測傳輸模塊

　　溫度檢測傳輸模塊由溫度檢測模塊和Zigbee 無線傳輸模塊組成。溫度檢測模塊采用數(shù)字化溫度傳感器DS18B20.其測量范圍為-55℃~125℃，在-10℃~85℃范圍內，精度為±0.5℃，完全滿足本設計的要求。ZigBee 是一種新興的短距離、低功耗、低成本的雙向無線通信技術，非常適合于組建小型無線網絡。ZigBee 模塊采用支持IEEE802.15.4 協(xié)議，技術成熟的CC2430 芯片，其高性能的處理能力和豐富的接口資源給硬件設計工作帶來了極大的方便。

　　在溫度檢測模塊中，室內溫度檢測將多個溫度傳感器分別放置在室內的不同房間，以檢測室內多個位置的溫度；室外溫度檢測將傳感器放置在室外，檢測室外的溫度。暖氣溫度檢測的傳感器放置在暖氣水管外壁，檢測水管中熱水的溫度。室內、室外以及暖氣溫度信息通過Zigbee 無線傳輸給ARM 控制器，ARM控制器經過綜合處理分析，再給暖氣控制模塊最佳的控制量，以實現(xiàn)室內溫度的智能控制。

　　1.3 暖氣控制模塊

　　暖氣控制模塊采用數(shù)字流量閥作為執(zhí)行部件。數(shù)字流量閥是一種控制液體流量的閥門，可控制的流量分辨率高，響應速度快；驅動信號是二進制信號，可以與ARM 控制器直接相連。ARM 控制器根據(jù)收到的各監(jiān)測點溫度值以及輸入的控制信息，輸出相應的二進制信號來控制數(shù)字流量閥，從而調節(jié)暖氣熱水的流量，實現(xiàn)室內溫度的智能調節(jié)。

　　1.4 GPRS 模塊

　　GPRS 即通用分組無線服務技術，是一種以GSM為基礎的數(shù)據(jù)傳輸技術。用戶永遠在線且按流量、時間計費，通信成本低等優(yōu)點，使GPRS 技術成為家庭智能控制系統(tǒng)中無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罴堰x擇。GPRS模塊主要功能是通過GPRS網絡實現(xiàn)ARM控制器與戶主手機之間的數(shù)據(jù)交換。經過性能與成本的綜合考慮，系統(tǒng)選用西門子公司的MC55 GPRS 模塊。

　　2 自適應模糊控制器設計

　　因為室內溫度系統(tǒng)是一個大純滯后系統(tǒng)，無法建立精確的數(shù)學模型，所以本系統(tǒng)采用模糊控制技術對室內溫度進行控制，以提高室內溫度的控制精度。對于室內溫度系統(tǒng)來說，隨著室外溫度及暖氣溫度的變化，原來完善的模糊控制規(guī)則可能會不適合變化后的新環(huán)境，從而導致控制效果不佳。因此，本設計采用了自適應模糊控制系統(tǒng)，以適應不斷變化的環(huán)境。自適應模糊控制系統(tǒng)結構如圖2 所示。

　　圖2 自適應模糊控制系統(tǒng)

　　自適應模糊控制系統(tǒng)可以連續(xù)和自動地測量被控對象的動態(tài)特性并把它們與理想模型的動態(tài)特性相比較，再用兩者之差去改變比例因子、模糊控制規(guī)則等可調參數(shù)，以使系統(tǒng)具有優(yōu)化的性能。本系統(tǒng)采用動態(tài)改變相關比例因子的方式來實現(xiàn)模糊控制系統(tǒng)的自我調整。如圖2 所示，為了降低模糊控制器的復雜度，減小計算量，系統(tǒng)采用二輸入單輸出模型。系統(tǒng)設定溫度值T0與當前室內溫度值T 的偏差e 和偏差率ec 為輸入變量，控制量u 為輸出變量。室外溫度值T1 與暖氣溫度值T2 為系統(tǒng)參考量。e= T0-T，ec=de/dt.ke 和kec 分別為溫度偏差和偏差變化率比例因子，ku 為控制量比例因子。系統(tǒng)根據(jù)e、ec 的變化并參考T1、T2 的值進行綜合分析，性能辨識，然后動態(tài)的調整比例因子ke 與kec，從而實現(xiàn)模糊控制系統(tǒng)的自我調整，以適應不斷變化的環(huán)境。

　　圖3 自適應模糊控制系統(tǒng)仿真波形圖

　　根據(jù)專家知識和實際測試，選擇合適的論域、隸屬度函數(shù)及相關比例因子，建立合理的模糊控制規(guī)則，在Matlab7.1 中的Simulink 下建立系統(tǒng)仿真模型。

　　系統(tǒng)設定溫度為24℃，輸出波形如圖3 所示，超調量不超過0.5℃，在室內暖氣大純滯后環(huán)境下，控制品質已相當優(yōu)良。實際測試表明，系統(tǒng)具有很好的控制效果及很強的魯棒性。