CN104748298A - 基于传感器网络的温控系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种智能温控系统，通过将智能温控系统安装在普通空调内部，控制空调的电机、压缩机与风叶，使室内产生多个温度区域，从而满足家庭成员对温度的不同需求，实现多温区、分布式的温度结构，提供良好的用户体验。该系统由温湿度传感器和温度控制部件组成，并通过Zigbee技术组网，构成小型传感器网络。温湿度传感器用于采集室内温湿度信息，温度控制部件将根据采集到的室内当前信息与用户的需求对比，从而控制空调制冷来实现多个区域多个温度。温度控制部件包括接收装置、计算装置和传动装置。该系统可直接作用于现有空调，对现有空调不需要做大范围改动，具有良好的兼容性。

Description

基于传感器网络的温控系统和方法

技术领域

本发明涉及一种基于无线传感器网络的温控系统和方法，属于智能控制领域。

背景技术

目前，智慧家庭的发展已经到达了一个全新的阶段，智能家电产品多种多样。但是现阶段，市面上的主流空调依旧是普通空调，只有定频与变频之分，只能固定到单一的温度，而且每一次温度的调节都需要人为手动设置，无法达到智能化。

为了解决上述问题，人们提出了许多智能控制方法或者系统，如申请号为CN201110332281.7的中国专利中，提出了用温度传感器实时采集环境温度，利用红外线探测器探测室内人的数量，从而根据温度信息以及人口数量来达到温度智能控制的系统。虽然该方法达到了一定的智能化，但是温度的设置都是提前预设的，无法根据实际情况实时调控，用户体验不够理想。

申请号为CN201210504849.3的中国专利提出了一种自适应的温控技术，通过温度传感器采集室内温度信息，同时通过采集用户人脸图像以及用户操作记录，利用云服务平台进行特征值提取以及分析，利用与用户图谱匹配的设置对空调进行自动调节，达到智能空调针对不同用户、不同场景的更加智能化的服务。该方法达到了温度的自适应调控，有较好的用户体验，但是该系统根据用户图谱进行分析，并且需要云服务平台参与，系统复杂度较高，价格昂贵，并且无法与现有的空调进行兼容，需要用户统一更换空调；而且只能达到单一用户的良好体验，无法同时满足家庭内年龄不同、性别不同的人对适宜温度的需求。

目前还没有一种设备，具有高度的兼容性，在兼容现有家用空调的同时，实现多温区、分布式的温度调控，以满足家庭内部年龄段不同、性别不同的成员对最适宜温度的需求，即，能够根据家庭中不同成员的需求，达到室内智能控制温度的效果。

发明内容

本发明针对目前智能空调系统复杂度高、兼容性差、用户体验效果差等问题，提出一种能够与现有空调兼容，操作简单，并针对性别不同以及年龄段不同的人的坐姿习惯以及对温度的需求，对室内温度进行实时控制，并实现个性化、区域化的智能温控系统。利用该系统，无需对原有空调进行更换，只需在原有空调出风口处安装温度及湿度控制部件，并布置简单的传感器网络，即可实现原有空调的智能控制。

本发明的技术方案如下：

一种基于传感器网络的温控系统，该系统根据家庭成员对温度的需求，将一个房间分为多个区域，每个区域的对温度的要求可相同亦可不同，通过采集位于每个区域的温湿度传感器的信息，与每个家庭成员对当前自己所在区域的温度需求对比，做出相应的处理，实现多区域的智能控制，所述系统包括以下两个部分：分布于室内不同位置的多个温湿度传感器，和安装于空调出风口的温度控制部件；其中，温湿度传感器用于接收当前所处位置的温度与湿度，并传输到温度控制部件；温度控制部件用于控制电机的转速以便控制风速、控制压缩机的转速以便控制制冷强度、控制风叶的摆动角度和风叶处于当前摆动角度的时间，所述温湿度传感器与温度控制部件之间通过通信协议无线连接，构成一个小型传感器网络，采用模糊PID算法来计算采集数据与初始数据的差异，获得温度控制部件中要做的处理。

优选地，所述温度控制部件包括如下三个组成部分：

1.接收装置：用于接收温湿度传感器的温湿度信息和温控信息，温控信息是指使用者向控制部件发出的使当前使用者感觉最为舒适的温度，与使用空调遥控器来调整普通空调的冷风温度以达到适宜温度相类似；

2.计算装置：根据温控系统处于初始状态的温控数据以及接收到的温控信息，计算当前空调需要调整的电机与压缩机的转速以及风叶的摆动角度与风叶的摆动时间；

3.传动装置：根据计算装置得到的数据，调整电机与压缩机的转速，风叶的摆动角度和摆动时间，使空调吹出的冷风达到预设要求。

优选地，所述温湿度传感器均采用电池供电；

优选地，温度控制部件中的传动装置安装在原有空调的出风口，控制电机与压缩机的转速、风叶的摆动角度与摆动时间，与原有空调系统完成互联兼容；原有风叶保持水平、竖直方向各90度状态，风叶风力为默认设置，风摆均匀摆动。

优选地，温度控制部件中的计算装置的初始状态默认保持上次用户关机状态，直到用户进行新的设置。

优选地，整个系统自组网、自愈合，系统可以随时更新温湿度传感器数目，不影响系统正常工作。

优选地，所述模糊PID算法的任务包括：

根据室内多温区的要求，设计出不同的温度控制函数；

根据输入量，通过模糊PID控制器设定的模糊推理，得出PID参数；

利用其得到的PID参数和输入量，计算出输出量，将指令发送给传动装置，调节电机转速、压缩机转速和风叶摆向。

优选地，所述模糊PID算法包括：

数字表示形式的输入量转化为通常语言值表示的某一限定码的序数，每一个限定码表示论域内的一个模糊子集，并由其隶属度函数来定义。

优选地，所述模糊PID算法包括：

根据不同区域选择不同的模糊化函数并制定不同的模糊控制规则。

一种基于传感器网络的温控方法，首先将多个温湿度传感器安装在室内不同位置，将一个温度控制部件安装在空调出风口处，所述温湿度传感器和温度控制部件之间通过Zigbee技术连接，构成一个小型传感器网络，启动运行时，该方法还包括如下步骤：

a:系统上电，传感器网络完成组网过程，与温度控制部件完成连接；

b:根据室内设施摆放情况以及家庭老人、儿童、女性的常坐位置与坐姿习惯，对温度控制部件进行初始化设置，让其了解室内结构图，然后输入不同家庭成员对于最适宜温湿度的需求，即形成一个多区域多要求的温度需求表，使空调根据温度需求进行初始化设置；

c:分布在室内不同位置的各个节点的温湿度传感器将其采集的温湿度信息分别发送到温度控制部件，同时温度控制部件接收来自用户设定的指令信息，综合以上信息，温度控制部件实时改变电机与压缩机的转速以及风叶的摆动角度与风叶的摆动时间；

d:当检测到室内温湿度已达到所需要求时，温度控制部件暂停工作，温湿度传感器仍连续不断传送室内温湿度信息，当室内温度变化较大或用户进行重新设定时，温度控制部件激活以完成设定信息；

e:通过连续不断地接收来自温湿度传感器的实时信息，温度控制部件做出相应的实时调整，从而达到对温湿度自适应控制。

本发明的有益效果是：实现了兼容现有空调的温控装置，可以根据室内不同用户的需求，将室内温度调节为多温区、模块化、分布式效果，从而使现有空调无需大范围的更换，并且更加人性化、智能化的贴近人们生活。

附图说明

图1是温度控制部件安装图；

图2是家庭活动区域示意图；

图3是本发明方法的流程图；

图4是温度控制部件的结构图；

图5是模糊PID算法结构图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

在使用该智能温控系统前，需要先将温湿度传感器和控制部件安装好，并搭建传感器网络。温湿度传感器安装在室内家庭成员经常休息的位置，用于采集每个位置的温湿度信息，通过传感器网络，统一上传至控制部件进行处理。控制部件安装在原有空调内部，由传动装置替换普通空调的风叶摆风，控制部件安装位置如图1所示。传感器网络通信采用ZigBee组网，默认Zstack协议。由于室内空间有限，传感器网络采用协调器与终端节点，不使用路由节点。

将家庭用户对冷风的敏感度分为高中低三个级别，分别对应家庭成员对温度的高中低三个要求。一般情况下，有老人及儿童的区域，对冷风的敏感度高，因此要求相对较高的温度；而年轻男士所在区域，对冷风的敏感度低，因此要求相对较低的温度；对于女士所在区域，对冷风的敏感度处于中等状态，因此对温度的要求也处于中等水平。因此，可将一个房间内部空间分为一个或多个区域，每个区域对温度的要求可相同亦可不同。图2是将一个房间分为三个区域的示意图。

系统工作流程如图3所示。主要分为系统初始化、温度控制部件工作两部分。

1.初始化

在每次使用智能温控时，需要对温度控制部件进行初始化设置，即确认接收装置、计算装置和传动装置都处于正常工作状态。第一次使用该智能温控系统时，需要将家庭成员常在位置及各自要求的适宜温度录入到控制部件中，即根据家庭成员对位置和温度的要求，进行规划，形成多个区域(如表1，表2所示)。在第二次使用及以后每次使用该智能温控系统时，控制部件默认保持上次用户关机状态。

家庭成员	温度要求	常在区域
			丈夫(35岁)	16℃	单人沙发1
妻子(33岁)	22℃	双人沙发
			女儿(4岁)	27℃	沙发榻
父亲(62岁)	28℃	单人沙发2
			母亲(60岁)	28℃	沙发榻

表1

表2

2.温度控制部件工作

系统上电后，原有空调风叶水平、竖直方向都设为90度，风速为默认设置，原空调风叶不再具有温度调节作用。温湿度传感器采集所处区域的温湿度信息。

控制部件将采集位于室内各个区域的温湿度传感器的温湿度信息，并根据初始化时设置的温度信息，计算出需要的风速、制冷强度、风叶的摆向，以及风叶处于当前摆动动作的时间。若有家庭成员更改区域及温度信息，那么将新更改的需求，与初始化时设置的信息合并，再计算与当前采集的温度信息的差异。若家庭成员不再进行重新设置，系统开始工作，根据计算装置所得，不断调节风速、制冷强度，风叶的摆动角度以及时间，直到达到家庭成员所要求的多温区、立体式效果。

智能温控系统如图4所示。系统核心为控制部件，包括接收装置、计算装置、传动装置，它决定着整个系统性能的优劣。其中，传感器网络用于传输各个传感器采集的数据；接收装置负责不断接收由传感器网络传输的处于各个区域的温湿度传感器采集的温度与湿度数据，并将数据传输给输入接口；输入接口将接收装置接收的信息发送给计算装置，计算装置则根据初始化时的数据以及当前接收装置接收到的各个区域的数据进行分析计算，得到传动装置的工作参数，通过输出接口将参数传送给传动装置；传动装置不断接收计算装置发出的指令信息，实时改变风叶角度以及风速大小、制冷强度，使室内分区域达到预定温度。整个装置结构如图4所示。

计算装置对数据的处理主要采用模糊PID算法，模糊PID算法的输入为最终温湿度信息与传送装置发送的温湿度信息误差，将误差送入PID控制器中进行计算，目的为误差趋近于零。进行模糊PID算法设计时，主要的工作为设计出适合被控系统的模糊PID控制器，模糊PID控制器主要完成三个任务：

(1)根据室内多温区的要求，设计出不同的温度控制函数；

(2)根据输入量，通过模糊PID控制器设定的模糊推理，得出PID参数；

(3)利用其得到的PID参数和输入量，计算出输出量，将指令发送给传动装置，调节电机转速、压缩机转速和风叶摆向。

模糊PID控制器结构首先设计模糊控制器的输入模块和输出模块，设计输入模块时，按照模糊PID控制器输入变量个数区分模糊PID控制器的维数，本装置选用二维模糊控制器；其次对控制器的输入量进行模糊化，以便实现模糊算法。模糊化过程就是将数字表示形式的输入量转化为通常语言值表示的某一限定码的序数，每一个限定码表示论域内的一个模糊子集，并由其隶属度函数来定义。本装置要实现多温区的PID温度控制，所以根据不同区域选择不同的模糊化函数并制定不同的模糊控制规则。实例中选择其中一个区域，选择类高斯的模糊化函数曲线，通过模糊函数的选择，制定相应的控制规则，规则制定方法如下：

1.选择输入和输出变量的词集

由于模糊PID控制器的控制规则表现形式是一组模糊条件语句，所以选择日常生活中最常用的语言描述，如选择七个词汇，分别为{负大、负中、负小、零、正小、正中、正大}，为便于编程实现采用英文字母字头缩写表示为{FD，FZ，FX，ZE，ZX，ZZ，ZD}。

2.定义模糊变量的模糊子集

定义一个模糊子集，实际上就是要确定模糊子集隶属度函数曲线的形状。将确定的隶属度函数曲线离散化，就得到了有限个点上的隶属度，便构成一个相应的隶属变量的模糊子集。本装置采用基于学习与训练的方法来进行模糊规则的制定。

3.去模糊化

通过以上步骤得到模糊量以后，需要进行去模糊化操作，将控制参数变为清晰量，本装置采用加权平均的方法得到清晰值。得到清晰化的kp，ki，kd之后，便可以得到控制输出。

Claims (10)

1.一种基于传感器网络的温控系统，该系统根据家庭成员对温度的需求，将一个房间分为多个区域，每个区域的对温度的要求可相同亦可不同，通过采集位于每个区域的温湿度传感器的信息，与每个家庭成员对当前自己所在区域的温度需求对比，做出相应的处理，实现多区域的智能控制，所述系统包括以下两个部分：分布于室内不同位置的多个温湿度传感器，和安装于空调出风口的温度控制部件，其中，温湿度传感器用于接收当前所处位置的温度与湿度，并传输到温度控制部件；温度控制部件用于控制电机的转速以便控制风速、控制压缩机的转速以便控制制冷强度、控制风叶的摆动角度和风叶处于当前摆动角度的时间，所述温湿度传感器与温度控制部件之间通过通信协议无线连接，构成一个小型传感器网络，采用模糊PID算法来计算采集数据与初始数据的差异，获得温度控制部件要做的处理。

2.如权利要求1所述的温控系统，其特征在于：所述温度控制部件包括如下三个组成部分：

(1)接收装置：用于接收温湿度传感器的温湿度信息和温控信息，温控信息是指使用者向控制部件发出的使当前使用者感觉最为舒适的温度，与使用空调遥控器来调整普通空调的冷风温度以达到适宜温度相类似；

(2)计算装置：根据温控系统处于初始状态的温控数据以及接收到的温控信息，计算当前空调需要调整的电机与压缩机的转速以及风叶的摆动角度与风叶的摆动时间；

(3)传动装置：根据计算装置得到的数据，调整电机与压缩机的转速，风叶的摆动角度和摆动时间，使空调吹出的冷风达到预设要求。

3.如权利要求1所述的温控系统，其特征在于：所述温湿度传感器均采用电池供电。

4.如权利要求1所述的温控系统，其特征在于：温度控制部件中的传动装置安装在原有空调的出风口，控制电机与压缩机的转速、风叶的摆动角度与摆动时间，与原有空调系统完成互联兼容；原有风叶保持水平、竖直方向各90度状态，风叶风力为默认设置，风摆均匀摆动。

5.如权利要求1所述的温控系统，其特征在于：温度控制部件中的计算装置的初始状态默认保持上次用户关机状态，直到用户进行新的设置。

6.如权利要求1所述的温控系统，其特征在于：整个系统自组网、自愈合，系统可以随时更新温湿度传感器数目，不影响系统正常工作。

7.如权利要求1所述的温控系统，其特征在于：所述模糊PID算法的任务包括：

根据室内多温区的要求，设计出不同的温度控制函数；

根据输入量，通过模糊PID控制器设定的模糊推理，得出PID参数；

利用其得到的PID参数和输入量，计算出输出量，将指令发送给传动装置，调节电机转速、压缩机转速和风叶摆向。

8.如权利要求1所述的温控系统，其特征在于：所述模糊PID算法包括：数字表示形式的输入量转化为通常语言值表示的某一限定码的序数，每一个限定码表示论域内的一个模糊子集，并由其隶属度函数来定义。

9.如权利要求1所述的温控系统，其特征在于：所述模糊PID算法包括：根据不同区域选择不同的模糊化函数并制定不同的模糊控制规则。

10.一种基于传感器网络的温控方法，首先将多个温湿度传感器安装在室内不同位置，将一个温度控制部件安装在空调出风口处，所述温湿度传感器和温度控制部件之间通过通信协议无线连接，构成一个小型传感器网络，启动运行时，该方法还包括如下步骤：

a:系统上电，传感器网络完成组网过程，与温度控制部件完成连接；

b:根据室内设施摆放情况以及家庭老人、儿童、女性的常坐位置与坐姿习惯，对温度控制部件进行初始化设置，让其了解室内结构图，然后输入不同家庭成员对于最适宜温湿度的需求，即形成一个多区域多要求的温度需求表，使空调根据温度需求进行初始化设置；

c:分布在室内不同角落的各个节点的温湿度传感器将其采集的温湿度信息分别发送到温度控制部件，同时温度控制部件接收来自用户设定的指令信息，综合以上信息，温度控制部件实时改变电机与压缩机的转速以及风叶的摆动角度与风叶的摆动时间；

d:当检测到室内温湿度已达到所需要求时，温度控制部件暂停工作，温湿度传感器仍连续不断传送室内温湿度信息，当室内温度变化较大或用户进行重新设定时，温度控制部件激活以完成设定信息；

e:通过连续不断地接收来自温湿度传感器的实时信息，温度控制部件做出相应的实时调整，从而达到对温湿度自适应控制。