基于ARM的室內(nèi)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[圖] - 全文

摘要：針對(duì)我國(guó)北方冬季供暖系統(tǒng)的特點(diǎn)及存在的不足，設(shè)計(jì)了基于嵌入式系統(tǒng)的ARM-Linux 平臺(tái)及模糊控制技術(shù)的室內(nèi)智能溫度控制系統(tǒng)。采用DS18B20 及ZigBee 無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)完成了多點(diǎn)溫度采集，采用模糊控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)溫度的精確控制，并建立了QT 用戶界面，優(yōu)化了人機(jī)交互環(huán)境，采用GPRS 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制，給用戶帶來(lái)很大方便。系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)將對(duì)減少熱能浪費(fèi)及提高人們生活質(zhì)量起著重要作用。在大力提倡節(jié)能減排以及追求高質(zhì)量生活的今天，冬季供暖系統(tǒng)存在的不足日益顯現(xiàn)出來(lái)。我國(guó)北方城市大部分采用集中供暖，在整個(gè)供暖期內(nèi)，無(wú)論室內(nèi)有人與無(wú)人，系統(tǒng)全天連續(xù)供暖；系統(tǒng)熱能的輸送是不變的，不能根據(jù)室內(nèi)外溫度的變化以及個(gè)人對(duì)室溫的不同要求做出相應(yīng)的調(diào)整。這就造成了熱能的嚴(yán)重浪費(fèi)以及供暖不人性化等問(wèn)題。本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于嵌入式系統(tǒng)ARM-Linux 平臺(tái)的室內(nèi)智能溫度控制系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)室內(nèi)外溫度的變化，合理調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，降低了熱能消耗，提高了人們的生活質(zhì)量。

1 系統(tǒng)功能及總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)硬件框圖如圖1 所示，主要由ARM9 控制器，溫度檢測(cè)模塊，觸摸屏顯示模塊，ZigBee 無(wú)線收發(fā)模塊，暖氣控制模塊，GPRS 模塊等組成。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

其中溫度檢測(cè)包括室外溫度檢測(cè)、室內(nèi)溫度檢測(cè)和暖氣溫度檢測(cè)。為了避免繁瑣的布線，各溫度檢測(cè)點(diǎn)通過(guò)Zigbee 技術(shù)與ARM 控制器實(shí)現(xiàn)無(wú)線連接，組成一個(gè)星型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。各檢測(cè)點(diǎn)溫度值通過(guò)Zigbee 無(wú)線傳輸?shù)紸RM 控制器，ARM 控制器根據(jù)接收到的各點(diǎn)溫度值進(jìn)行綜合處理分析，輸出相應(yīng)的控制信號(hào)給暖氣控制模塊，從而實(shí)現(xiàn)室溫的智能調(diào)節(jié)。信息顯示與輸入模塊由LCD 觸摸屏實(shí)現(xiàn)，用來(lái)顯示當(dāng)前室內(nèi)溫度與輸入的溫度值，且可以設(shè)定低溫、室溫等不同工作模式。ARM 控制器通過(guò)GPRS 與外部實(shí)現(xiàn)無(wú)線連接，用戶通過(guò)手機(jī)可以隨時(shí)對(duì)系統(tǒng)的工作模式進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。比如在回家的路上，用戶可以通過(guò)手機(jī)切換系統(tǒng)工作模式，當(dāng)回到家時(shí)，室溫已回升至正常溫度，給用戶帶來(lái)很大方便。

1.1 ARM 智能控制模塊

ARM 智能控制模塊由ARM9 控制器、FLASH、SDRAM、電源及復(fù)位模塊、LCD 觸摸屏及相關(guān)外圍電路組成。系統(tǒng)選用SAMSUNG 的基于ARM920T 內(nèi)核的處理器S3C2440 作為控制器。S3C2440 處理器功能強(qiáng)大、性價(jià)比高、功耗低，除具有一般嵌入式芯片所具有的總線、SDRAM 控制器以外，還具有豐富的擴(kuò)展功能接口，便于構(gòu)建外圍電路。

LCD 觸摸屏采用TFT 型LCD 模塊TD035STEB1,該模塊采用LTPS TFT 作為開關(guān)器件，集成了四線電阻式觸摸屏和背光電路，從而簡(jiǎn)化了外圍電路。系統(tǒng)在觸摸屏的基礎(chǔ)上建立了基于QT/Embedded 的圖形用戶界面（GUI），用來(lái)實(shí)現(xiàn)信息的顯示與控制輸入，優(yōu)化了人機(jī)交互環(huán)境，給用戶帶來(lái)很大方便。

1.2 溫度檢測(cè)傳輸模塊

溫度檢測(cè)傳輸模塊由溫度檢測(cè)模塊和Zigbee 無(wú)線傳輸模塊組成。溫度檢測(cè)模塊采用數(shù)字化溫度傳感器DS18B20.其測(cè)量范圍為-55℃~125℃，在-10℃~85℃范圍內(nèi)，精度為±0.5℃，完全滿足本設(shè)計(jì)的要求。ZigBee 是一種新興的短距離、低功耗、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)，非常適合于組建小型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。ZigBee 模塊采用支持IEEE802.15.4 協(xié)議，技術(shù)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(shè)計(jì)工作帶來(lái)了極大的方便。

在溫度檢測(cè)模塊中，室內(nèi)溫度檢測(cè)將多個(gè)溫度傳感器分別放置在室內(nèi)的不同房間，以檢測(cè)室內(nèi)多個(gè)位置的溫度；室外溫度檢測(cè)將傳感器放置在室外，檢測(cè)室外的溫度。暖氣溫度檢測(cè)的傳感器放置在暖氣水管外壁，檢測(cè)水管中熱水的溫度。室內(nèi)、室外以及暖氣溫度信息通過(guò)Zigbee 無(wú)線傳輸給ARM 控制器，ARM控制器經(jīng)過(guò)綜合處理分析，再給暖氣控制模塊最佳的控制量，以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)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(yīng)速度快；驅(qū)動(dòng)信號(hào)是二進(jìn)制信號(hào)，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(cè)點(diǎn)溫度值以及輸入的控制信息，輸出相應(yīng)的二進(jìn)制信號(hào)來(lái)控制數(shù)字流量閥，從而調(diào)節(jié)暖氣熱水的流量，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫度的智能調(diào)節(jié)。

1.4 GPRS 模塊

GPRS 即通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù)，是一種以GSM為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。用戶永遠(yuǎn)在線且按流量、時(shí)間計(jì)費(fèi)，通信成本低等優(yōu)點(diǎn)，使GPRS 技術(shù)成為家庭智能控制系統(tǒng)中無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罴堰x擇。GPRS模塊主要功能是通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)ARM控制器與戶主手機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換。經(jīng)過(guò)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(yīng)模糊控制器設(shè)計(jì)

因?yàn)槭覂?nèi)溫度系統(tǒng)是一個(gè)大純滯后系統(tǒng)，無(wú)法建立精確的數(shù)學(xué)模型，所以本系統(tǒng)采用模糊控制技術(shù)對(duì)室內(nèi)溫度進(jìn)行控制，以提高室內(nèi)溫度的控制精度。對(duì)于室內(nèi)溫度系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，隨著室外溫度及暖氣溫度的變化，原來(lái)完善的模糊控制規(guī)則可能會(huì)不適合變化后的新環(huán)境，從而導(dǎo)致控制效果不佳。因此，本設(shè)計(jì)采用了自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)，以適應(yīng)不斷變化的環(huán)境。自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)

自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)可以連續(xù)和自動(dòng)地測(cè)量被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性并把它們與理想模型的動(dòng)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(diào)參數(shù)，以使系統(tǒng)具有優(yōu)化的性能。本系統(tǒng)采用動(dòng)態(tài)改變相關(guān)比例因子的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)模糊控制系統(tǒng)的自我調(diào)整。如圖2 所示，為了降低模糊控制器的復(fù)雜度，減小計(jì)算量，系統(tǒng)采用二輸入單輸出模型。系統(tǒng)設(shè)定溫度值T0與當(dāng)前室內(nèi)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(jìn)行綜合分析，性能辨識(shí)，然后動(dòng)態(tài)的調(diào)整比例因子ke 與kec,從而實(shí)現(xiàn)模糊控制系統(tǒng)的自我調(diào)整，以適應(yīng)不斷變化的環(huán)境。

圖3 自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)仿真波形圖

根據(jù)專家知識(shí)和實(shí)際測(cè)試，選擇合適的論域、隸屬度函數(shù)及相關(guān)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(shè)定溫度為24℃，輸出波形如圖3 所示，超調(diào)量不超過(guò)0.5℃，在室內(nèi)暖氣大純滯后環(huán)境下，控制品質(zhì)已相當(dāng)優(yōu)良。實(shí)際測(cè)試表明，系統(tǒng)具有很好的控制效果及很強(qiáng)的魯棒性。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì)主要是基于ARM-Linux,與其他嵌入式操作系統(tǒng)相比，Linux 操作系統(tǒng)具有完整的TCP/IP 協(xié)議，良好的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性，很好的滿足了智能控制系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)可靠性的要求；此外，Linux 易于移植裁減、內(nèi)核小、效率高、源代碼開放并有眾多的開發(fā)者，為系統(tǒng)的開發(fā)提供了良好的技術(shù)支持。

系統(tǒng)開發(fā)首先建立交叉編譯環(huán)境，然后引導(dǎo)bootloader,移植操作系統(tǒng)，裝載文件系統(tǒng)，開發(fā)圖形界面，最后編寫應(yīng)用程序。本系統(tǒng)采用Linux2.6內(nèi)核，其具有強(qiáng)大的進(jìn)程、中斷、內(nèi)存和設(shè)備管理功能，支持各種文件系統(tǒng)。系統(tǒng)采用了基于QT/E 的圖形用戶界面，Q/E 延續(xù)了Qt 在桌面系統(tǒng)的所有功能，豐富的API 接口和基于組件的編程模型使得嵌入式Linux 系統(tǒng)中的應(yīng)用程序開發(fā)更加便捷。

系統(tǒng)程序流程如圖4 所示，系統(tǒng)應(yīng)用程序主要由一系列用來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能的子程序組成，主要包括溫度檢測(cè)程序、ZigBee 無(wú)線通信程序、模糊控制程序、GPRS 無(wú)線通信程序等。

圖4 系統(tǒng)程序流程

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種基于ARM 的室內(nèi)智能溫度控制系統(tǒng)，給出了詳細(xì)的系統(tǒng)架構(gòu)方案，從軟、硬件兩方面闡述了設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)方法。系統(tǒng)采用ZigBee 技術(shù)組建小型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)溫度采集，避免了繁瑣的布線；采用模糊控制技術(shù)，提高了室內(nèi)溫度的控制精度；建立了QT 用戶界面，優(yōu)化了人機(jī)交互環(huán)境；采用GPRS 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。本系統(tǒng)彌補(bǔ)了我國(guó)北方冬季供暖系統(tǒng)存在的不足，隨著我國(guó)計(jì)量取暖的逐步實(shí)施，具有很好的實(shí)際運(yùn)用價(jià)值。