CN105115097A - 基于无线传感器网络变风量空调末端智能控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

基于无线传感器网络变风量空调末端智能控制系统,其特征在于:该智能控制系统主要包括嵌入式主控模块、无线传感器网络房间信息监测模块、输出控制模块以及移动终端模块,无线传感器网络房间信息监测模块连接嵌入式主控模块,嵌入式主控模块连接输出控制模块以及移动终端模块。本发明可广泛应用于各种楼宇的中央空调的节能优化控制,特别适用于商场、剧院、体育馆和火车站等大型空间的变风量空调节能优化控制。

Description

基于无线传感器网络变风量空调末端智能控制系统及方法
技术领域:
[0001] 本发明属于中央空调控制技术领域,具体设及一种基于无线传感器网络的变风量 空调末端智能控制系统及方法。
背景技术:
[0002] 中央空调末端控制器是中央空调系统热交换的最后一个环节,更是中央空调系统 中最重要的装置之一。特别是对恒定送风溫度而改变送风量的变风量空调系统而言,其对 空调系统的节能有着重要意义。此外,无线、多点的数据采集方式可W提高大型空调房间环 境表征的灵活性和准确性,对于保持大型空间舒适度也有着十分重要的意义。因此,设计一 个能灵活、准确地表征大型空间环境特征,并在不同送风条件和负荷下达到节能、高效控制 效果的末端控制器,是节能和保持舒适度的关键。
[0003] 影响中央空调系统末端控制效果的因素有很多,特别是在变风量空调系统中,由 于送风管道压力的变化、送风湿球溫度的差异W及空调房间负荷的差异等,使之具有较强 的非线性和不确定性。目前,对于变风量空调系统末端装置控制器的选择,现有研究多采用 普通单片机作控制器,而运些单片机资源少、功能单一、控制性能差、人机交互不友好,用其 作控制器仅适用于常规PID控制策略和较为简单的控制功能;在数据采集方式上,现阶段 大多采用单一、有线的传感器来采集环境溫湿度,运种数据采集方式虽易实现,但其仅适用 于客房等独立的小型空间,而对于商场、剧院、体育馆和火车站等溫湿度具有分布特性的大 型空间,其采集到的单点数据无法准确表征整个空间的溫湿度情况,另一方面,繁杂的布 线也使之不够灵活、美观;在显示与操作方面,目前大多采用LCD液晶显示屏与键盘按键操 作相结合的方式,该方式显示美观,按键便捷,但按键长时间使用,其与键盘连接处可能因 老化而失灵,一旦按键失效,将无法通过控制面板控制末端控制器,更换控制面板也是价格 较高且十分不便的,同时它只能用于接收来自控制面板的调溫,而不能接收来自于手机等 其它无线移动设备的调控,运对于家中有行动不便的老人或大型空调房间控溫等情况都是 十分不便的;在控制策略应用上,近年来国内外学者对于末端装置的控制主要WPID为主, 有些还采用模糊控制等控制策略,但对于具有非线性、不确定性,同时要求较高控制精度的 情况,运些控制策略已经无法满足人们对于高品质生活环境和空调节能效率的要求。
发明内容:
[0004] 1、发明目的:
[0005] 为解决上述问题,本发明提供了一种基于无线传感器网络和嵌入式系统的中央空 调末端控制系统及方法。其目的在于解决W往所存在的问题。
[0006] 采用无线传感器网络可对网络覆盖区域内多点进行无线、实时检测,替代W往单 点、有线的数据采集方式,并采用数据融合的方法,提高对于商场、剧院、体育馆和火车站等 大型空调空间中系统数据采集的灵活性和环境信息表征的准确性;采用ARM9处理器W及 Linux嵌入式操作系统,替代W往单线程任务为主的单片机或微处理器,提高系统数据处理 能力和控制效率;基于TCP/IP协议,应用Wi-Fi无线网络和智能手机APP,改进W往显示屏 和按键,提高了空调房间溫湿度显示与设定的便捷性;采用模糊PID控制策略,实现智能控 制策略,改善末端智能控制器的实际控制效果。
[0007] 2、技术方案:
[0008] 本发明是通过W下技术方案来实现的:
[0009] 基于无线传感器网络的变风量空调末端智能控制系统,其特征在于:该智能控制 系统主要包括嵌入式主控模块、无线传感器网络房间信息监测模块、输出控制模块W及移 动终端模块,无线传感器网络房间信息监测模块连接嵌入式主控模块,嵌入式主控模块连 接输出控制模块W及移动终端模块。
[0010] 无线传感器网络房间信息监测模块包括网络协调器和多个采集节点,各采集节点 通过2. 4GHz频段无线网络与网络协调器无线连接,网络协调器通过串口与嵌入式主控模 块串行连接;
[0011] 嵌入式主控模块内设置有主控制器和触摸屏,主控制器与触摸屏、输出控制模块 和无线传感器网络房间信息监测模块内的网络协调器连接;
[0012] 输出控制模块包含D/A转换电路和末端风阀执行机构,D/A转换电路与末端风阀 执行机构和嵌入式主控模块内的主控制器连接;
[0013] 移动终端模块包括无线路由器和手机终端;
[0014] 嵌入式主控模块的主控制器通过网线与无线路由器连接,手机终端通过无线路由 器提供的Wi-Fi网络与嵌入式主控模块连接。
[0015] 嵌入式主控模块包括ARM9高性能微处理器、TFT真彩液晶屏、NANDFlash存储器、 UART模块、邸EP模块。
[0016] 利用上述的基于无线传感器网络的变风量空调末端智能控制系统所实施的智能 控制方法,其特征在于:该方法将多个无线采集节点6分布在大型空调房间内的不同位 置,采集该大型空调房间内多点溫湿度值,并由网络协调器5组建的无线传感器网络通过 2. 4GHz频段将运多点溫湿度数据无线发送至网络协调器5,网络协调器5通过串口通信将 运多点数据发送至嵌入式主控模块1,经线性补偿、溫度补偿、加权平均算法、智能控制算法 等数据处理算法,嵌入式主控模块1完成数据显示并输出控制量W控制末端风阀执行机 构4,调节变风量空调系统末端风阀开度,完成对大型空调房间的多点信息采集、多点数据 融合与溫度巧制功能。
[0017] 本发明采用模糊PID控制系统结构,模糊PID控制器W回风溫度,即室内溫度偏差 e及其变化率ec作输入,利用模糊控制规则在线校正PID=个控制参数kp、ki、kd,把模糊控 制与PID控制结合起来,构成模糊PID控制,使其既具有模糊控制能够解决非线性、不确定 性和有较强鲁棒性的优点,又具有传统PID控制精度高的特点,解决了PID参数难W在线调 整的问题,保证了控制系统的控制精度;在数据处理上,本发明采用溫度补偿和线性补偿对 各采集节点的湿度数据进行补偿处理,消除来自溫、湿度运对禪合量的禪合干扰,从而保证 空间中湿度采集的准确性;并采用数据融合算法对各经补偿处理后的数据进行加权平均处 理,根据大型空间中人员密集程度不同等因素所导致的负荷差异,为各采集点数据分配不 同的权重后取加权平均值作为环境溫湿度值,从而提高多点数据表征大型空间整体环境信 息的有效性和准确性;再采用模糊PID控制算法,解决了PID控制参数在线调整的难题,改 善变风量空调系统末端控制器的控制精度。
[0018] 本发明中考虑到空间环境中溫、湿度是相互禪合量,因此为提高测量精度,在用 DHT10传感器测量空间溫湿度时,需要对其输出的"相对湿度"进行线性补偿和溫度补偿后, 才能得到较为准确的湿度值;可由下式补偿传感器非线性的相对湿度数字输出量:
[001 引RHiinear=C1+C2 •S0KH+C3 •S0kh2(%册)
[0020]式中:RHii。。。为线性补偿后的湿度值,sokh为相对湿度的测量值,c1、C2、Cs为线性 补偿系数,对于12位数据位其依次取值为:Ci= -4,C2= 0. 0405,C3= -2. 8 • 10 6;
[0021] 由于溫度对湿度影响很大,而实际溫度和测量参考溫度25°C不同,因此还要对线 性补偿后的湿度值进行溫度补偿;下式为其补偿公式:
[002引册加6= (T • (ti+tz • SQj+RHiinear
[002引式中:RHtf。。为经线性补偿和溫度补偿后的湿度值,Tt为测试湿度值时的溫度,V t2为溫度补偿系数,对于12位数据位其依次取值为:t1= 0. 01,12= 8 • 10 5;
[0024]由于DHTIO是采用PTAT能隙材料制成的溫度敏感组件,因而具有很好的线性输 出;补偿后的数字输出转化为实际溫度值可由下式算得:
[00巧] Temperature二di+ds•S〇T
[0026]式中,S〇T为溫度的数字量输出;d1和d2为特定系数,d1与DHTIO工作电压有关,d2 与DHT10内部A/D转换分辨率有关;对于3. 5V工作电压,14位A/D转换分辨率下的溫度转 换系数应为:di(°C) = -39. 66,dz(°C) = 0. 01 ;
[0027] 又考虑到大型空间中人员密集程度不同等因素所导致的负荷差异,为各采集点数 据分配不同的权重后,采用数据融合算法对各经补偿处理后的数据进行加权平均处理,最 终取得到的加权平均值作为空间环境溫湿度的有效值,其计算公式如下:
[0028]WAtemperature=W1 •T1+W2 •T2+W3 •T3+......
[0029]WAhumidity=W1 •H1+W2 •肥+W3 •H3+......
[0030] 式中,WAtemperature为空间溫度的加权平均值,WAhumidity为空间湿度的加权 平均值,Wi为第i点的权重,Ti为第i点的溫度值,化为第i点的湿度值;
[0031] 对于采用的模糊PID控制算法,其W回风溫度(室内溫度)偏差e及其变化 率ec作输入,利用模糊控制规则在线校正PID=个控制参数kp、ki、kd;e和ec模糊集为 (NB,醒,NS,Z0,PS,PM,PB},根据《采暖通风空气调节设计规范》(GBJ19-87)规定,并结合干 球溫度、湿球溫度效应对人体舒适度的影响,冬季空调室内溫度应为18~22°C,夏季应为 24~28°C,因此e和ec的论域为{-18,1到,选S角函数作其隶属度函数;另选取Akp论域 为[-0. 3, 0. 3],间隔0. 1 ;Aki、Akd论域为[-0. 06, 0. 06],间隔0. 02,S个参数隶属度函数 选用=角函数;
[003引由PID控制原理:kp用于加快响应速度,提高精度;k用于消除稳态误差;kd用于 改善动态特性,故对于不同的e和ec,被控过程对参数kp、ki、kd的自整定应满足W下规律:
[0033] (1)当|e|较小时,应取较大的kp和kiW及适当的kd,W避免在平衡点附近出现 震荡,使系统具有较好的稳态性能;
[0034]似当IeI中等时,应取较小的kpW及适当的k1和kd,W使系统超调量较小;
[003引 做当IeI较大时,应取较大的kp和较小的kd,W使系统响应加快;由上面立条规 律,得到kp、ki、kd的模糊规则表,如表1所示;
[003引表1kp、ki、kd模糊规则表
[0037]
Figure CN105115097AD00081
[0038] 采用加权平均法进行反模糊化,将模糊推理结果转化为精确值;由模糊PID控制 器得到PID=个参数的控制增量Akp,Aki和Akd,由下式附加前一时刻参数值得kp、ki和 kd: 化P
[0039] <1义A^ 片二 +AA"
[0040] 再由下式增量式PID公式求当前控制增量AUi:
[0041] Au化)=kp(e(k)-e化-1))+kiG(k)+kd(e(k) -2e化-1)+e化-2))
[0042] 再由下式将AUi附加在前一时刻控制量AU1 1上,即可得到当前时刻的输出控制 量Ui:
[0043] U化)=AU化)+U(k_l)。
[0044]
[004引 3、优点及效果:
[0046] 基于无线传感器网络的变风量空调末端智能控制系统及方法,该智能控制系统主 要包括嵌入式主控模块、无线传感器网络房间信息监测模块、输出控制模块W及移动终端 模块,无线传感器网络房间信息监测模块中各采集节点通过2. 4GHz频段无线网络与网络 协调器无线连接,网络协调器通过串口与嵌入式主控模块串行连接,输出控制模块中的D/A 转换电路与末端风阀执行机构连接,嵌入式主控模块通过并行I/O口与D/A转换电路连接, 嵌入式主控模块还通过网线与无线路由器连接,手机终端通过无线路由器提供的Wi-Fi网 络与嵌入式主控模块连接。
[0047] 嵌入式主控模块包括ARM9高性能微处理器、TFT真彩液晶屏、NANDFlash存储器、 UART模块、BEEP模块,嵌入式主控模块作为智能控制系统的核屯、控制模块,具有数据读取、 数据处理、数据显示、数据报警W及控制输出等重要功能,为保证控制性能,在其控制程序 中还加入了模糊PID智能控制算法和数据融合算法,嵌入式主控模块通过串口与网络协调 器串行连接,并通过并行I/O口与D/A转换电路连接。
[0048] 无线传感器网络房间信息监测模块包括网络协调器和各采集节点,其借助专用 Tiny0S操作系统组建无线传感器网络。其中,所述的网络协调器(汇聚节点)上电后会 为传感器节点建立网络,接收并上传由各传感器节点采集到的溫湿度数据,并实时更新网 络信息。所述的各采集节点上电后请求加入上述网络,其主要完成环境数据的采集、处理W 及发送等功能,并通过判断是否响应其他中断的方式,自由切换于休眠和工作两种状态之 间,W达到降低能耗的目的。按照如上方式,所述的各采集节点与网络协调器通过2. 4GHz频段的无线传感器网络建立无线通信连接,将各采集节点采集到的多点环境数据实时无线 发送至网络协调器,并由网络协调器通过串行通信的方式将运些数据发送至嵌入式主控模 块完成数据处理、数据显示、控制输出等工作。
[0049] 输出控制模块包括D/A转换电路和末端风阀执行机构,嵌入式主控模块数据处理 得到的数字量控制输出经D/A转换电路得到模拟量输出,D/A转换电路输出的模拟量控制 输出发送到末端风阀执行机构W调节变风量空调系统末端风阀开度,完成室溫调控功能。
[0050] 移动终端模块包括无线路由器和手机终端,嵌入式主控模块通过网线与无线路由 器连接,由路由器为其分配唯一IP地址,并由TCP^P协议指定其网络端口号,手机终端捜 索并接入无线路由器所建立的Wi-Fi无线网络,基于TCP^P协议,与嵌入式主控模块通过 唯一的IP地址和端口号进行连接、通信,使登录手机App客户端的用户能实时获取空调房 间溫、湿度信息,并可通过手机终端方便快捷地设定末端控制器的设定溫度。
[0051] 本发明提出的运种基于无线传感器网络、Wi-Fi网络和嵌入式系统的中央空调末 端控制系统及方法,具有如下优点及效果:
[0052] 通过本发明技术方案的实施,利用Tiny 0S操作系统组建无线传感器网络,能够 实现对商场、剧院、体育馆和火车站等大型空调房间内多点环境溫湿度进行无线实时检测, 并采用数据融合算法,可提高系统数据采集的灵活性和大型空间信息表征的准确性;利用 ARM9的强大数据处理能力和Linux嵌入式操作系统的任务管理机制,采用多线程并行管理 的编程方式,管理进程中的多个并行任务,可提高系统数据处理能力和控制效率,并提供了 友好的人机交互界面;基于TCP/IP协议,应用Wi-Fi无线网络和智能手机,替代W往显示屏 和按键,提高了空调房间溫湿度显示与设定的便捷性;利用先进智能控制策略,将智能控制 策略应用于实际硬件系统平台,能够改善硬件系统的实际控制效果。具体如下:
[0053] 1、应用无线传感器网络采集大型空调房间中溫湿度等环境信息,该网络是由部署 在监测区域内大量的廉价微型传感器节点,通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网 络,具有成本低、能耗低、可靠性高、传输距离远、组网能力强、抗干扰性强等优点。其网络内 各采集节点(终端节点)可通过无线的方式协作感知、采集和传输网络覆盖区域中多点被 感知对象的信息,提高了对大型空间环境信息采集的灵活性,解决了W往单点采集到的信 息无法准确表征大型空间整体信息,W及因有线节点繁杂布线而影响系统整体美观性、实 用性等问题。此外,对于无线传感器网络采集到的多点环境数据,本发明采用线性补偿和溫 度补偿对其进行数据补偿处理,得到的多点准确数据再采用加权平均等数据融合算法对数 据进行处理,根据各采集点附近人员密集程度等不同负荷情况,设置不同的权值,由加权平 均法计算得到溫湿度值作为溫湿度有效值表征整体空间环境,提高了对大型空间环境信息 表征的准确性。
[0054] 2、应用Tiny0S操作系统组建无线传感器网络,该操作系统是专口为无线传感器 网络所设计的一种小型操作系统,其只需几KB的内存空间和几十KB的编码空间就可运行, 且功耗较低,特别适合传感器运种受内存、功耗限制的设备。因此,采用Tiny0S操作系统 组建无线传感器网络降低了系统的能耗和开发的成本;另外Tiny0S操作系统本身提供 了网络协议、分布式服务器、传感器驱动及数据识别工具等一系列组件,大大降低了软件系 统的开发难度,提高了系统组网的便捷性和灵活性。
[00巧]3、在无线传感器网络硬件系统中,各采集节点均采用带传感器模块、处理器模块、 无线通信模块W及电能供应模块的模块化结构设计,运种结构具有单点性能好、可靠性高、 灵活性强、集成度高、通信能力强等优点,并可为采集节点选择多种传感器模块W适应不同 的实际需求,提高了无线传感器网络通信的灵活性和功能的可拓展性。
[0056] 4、采用ARM9嵌入式处理器和Linux嵌入式操作系统。硬件方面,采用ARM9处理器 提高了系统硬件数据处理能力,系统响应时间大大缩短,可在应用程序中添加模糊PID控 制等复杂控制算法,实现了智能控制策略在实际硬件系统平台上的应用,改善本智能控制 器的实际控制效果。软件方面,利用嵌入式Linux操作系统的多任务管理机制,可在同一时 间内完成一个进程中多个并行线程的工作,使得实时进行的数据采集工作不会影响到主、 子界面显示、数据处理和控制输出等工作,大大提高了系统多任务处理效率,缩短系统响应 时间。此外,在Linux操作系统下应用Qt/Embedded作为GUI(图形界面用户接口)应用程 序软件,设计了友好的人机交互界面,便于用户操作使用,提高了系统的实用性和通用性。
[0057] 5、基于TCP/IP协议,应用Wi-Fi无线网络和智能手机,替代传统末端控制器的显 示屏和按键,将无线传感器网络采集到的房间溫湿度数据,通过路由器建立的Wi-Fi无线 网络直接显示在用户手机的App客户端中,并且用户还能通过手机App客户端直接设定末 端控制器的设定溫度。运在降低控制面板成本的同时,提高了空调房间溫湿度显示与设定 的便捷性,运对于家中有行动不便的老人或大型空调房间控溫等情况都是十分便利的。
[0058] 本发明,可广泛应用于各种楼宇的中央空调的节能优化控制,特别适用于商场、剧 院、体育馆和火车站等大型空间的变风量空调节能优化控制。
附图说明
[0059] 图1为本发明总体结构示意图;
[0060] 图2为本发明末端控制器采集方式示意图;
[0061] 图3为本发明无线传感器网络节点结构框图;
[0062] 图4为本发明模糊PID控制系统结构图;
[0063] 图5为本发明无线传感器网络节点应用程序流程图;
[0064] 图6为本发明嵌入式GUI应用程序流程图;
[0065] 图7为本发明工作在干工况溫度扰动时的室内实时溫度曲线界面;
[0066] 图8为本发明工作在干工况溫度扰动时的输出控制电压曲线界面;
[0067]图9为本发明工作在风管压力扰动时的室内实时溫度曲线界面;
[006引图10为本发明工作在风管压力扰动时的输出控制电压曲线界面;
[0069] 图11为本发明工作在湿工况溫度扰动时的室内实时溫度曲线界面;
[0070] 图12为本发明工作在湿工况溫度扰动时的输出控制电压曲线界面。
[007。附图标记说明:
[0072] 1-嵌入式主控模块;2-无线传感器网络房间信息监测模块;3-D/A转换电路; 4-末端风阀执行机构;5-网络协调器;6-采集节点;7-输出控制模块;8-移动终端模 块;9-无线路由器;10-手机终端。
具体实施方式:
[0073] 首先结合附图对本发明做进一步的说明:
[0074] 本发明是基于无线传感器网络的变风量空调末端智能控制系统,图1为本发明 的总体结构示意图,如图1中所示,该智能控制系统主要包括嵌入式主控模块1、无线传感 器网络房间信息监测模块2、输出控制模块7W及移动终端模块8,无线传感器网络房间信 息监测模块2连接嵌入式主控模块1,嵌入式主控模块1连接输出控制模块7W及移动终端 模块8。
[00巧]无线传感器网络房间信息监测模块2包括网络协调器5和多个采集节点6,各采集 节点6通过2. 4GHz频段无线网络与网络协调器5无线连接,网络协调器5通过串口与嵌入 式主控模块1串行连接;
[0076] 嵌入式主控模块1内设置有主控制器和触摸屏,主控制器与触摸屏、输出控制模 块7和无线传感器网络房间信息监测模块2内的网络协调器5连接;
[0077] 输出控制模块7包含D/A转换电路3和末端风阀执行机构4,D/A转换电路3与末 端风阀执行机构4和嵌入式主控模块1内的主控制器连接;
[0078] 移动终端模块8包括无线路由器9和手机终端10;
[0079] 嵌入式主控模块1的主控制器通过网线与无线路由器9连接,手机终端10通过无 线路由器提供的Wi-Fi网络与嵌入式主控模块1连接。
[0080] 其中网络协调器5通过串口与嵌入式主控模块1串行连接,输出控制模块7中的 D/A转换电路3与末端风阀执行机构4连接,嵌入式主控模块1通过并行I/O口与D/A转换 电路3连接。
[0081] 下面结合其他附图对本发明做进一步详细说明:
[0082] 嵌入式主控模块1包括ARM9高性能微处理器S3C2440、TFT灯binFilm Transistor)真彩液晶屏、NANDFlash存储器、UART模块、邸EP模块等。嵌入式主控模块1 作为智能控制系统的核屯、控制模块,能够与无线传感器网络房间信息监测模块2中的网络 协调器5通过串口连接进行串行通信,嵌入式主控模块1能够通过独立线程读取来自网络 协调器5的环境数据,并完成数据处理、数据显示、数据报警等功能。同时,嵌入式主控模 块1还能够通过模糊PID控制策略、线性补偿、溫度补偿、数据融合等数据处理算法,将读到 的环境数据最终处理得到8位控制数字量输出,经D/A转换电路3转换为模拟量输出W控 制末端风阀执行机构4调节风阀开度。
[0083] 无线传感器网络房间信息监测模块2由网络协调器5和各采集节点6构成,其中, 网络协调器5和各采集节点6的控制忍片为CC2430专用忍片,CC2430工作所需的己伦电路 等外围电路已集成在CC2430所在的主控板上,各采集节点6上的溫湿度传感器采用DHT10 传感器模块,各采集节点6采用2节1. 5V电池供电。各采集节点6与网络协调器5通过嵌 入到网络协调器5中的Tiny 0S操作系统组建无线传感器网络,建立无线通信连接,各采集 节点6将采集到的大型房间内多点溫湿度数据无线汇聚至网络协调器5,并由网络协调器5 W串行通信方式将运些数据发送至嵌入式主控模块1完成数据处理、数据显示、数据报警、 控制输出等工作。
[0084] 输出控制模块7由D/A转换电路3和末端风阀执行机构4构成,其中D/A转换电 路3主要由DAC0832忍片和LM324放大器组成,LM324放大器由外部+12V双电源供电, DAC0832忍片参考电压Ufw由外部-10V单电源提供。由嵌入式主控模块1数据处理得到的 8位数字量输出,经S3C2440忍片的GPE11-GPE13、GPB5-GPB8W及GPG2引脚输出至DAC0832 忍片的D口-DIO运8位数字量输入引脚,完成D/A转换后,DAC0832忍片的输出电流信号经 LM324的电流-电压转换电路转换并放大为0-10V的电压信号,W输出控制末端风阀执行机 构4。末端风阀执行机构4型号为TANGTECHTM04-24,其与D/A转换电路3直接连接,嵌入 式主控模块1处理得到的数字量输出经D/A转换电路3得到模拟量输出,此模拟量输出控 制末端风阀执行机构4调节变风量空调系统末端风阀开度,调节空调房间送风量W控溫。
[0085] 移动终端模块8由无线路由器9和手机终端10构成,其中嵌入式主控模块1通过 网线与无线路由器连接,由路由器为其分配唯一IP地址,并由TCP/IP协议指定其网络端口 号,手机终端10捜索并接入无线路由器9所建立的Wi-Fi无线网络,基于TCP^P协议,与 嵌入式主控模块1通过唯一的IP地址和端口号进行连接、通信,使登录手机App客户端的 用户能实时获取空调房间溫、湿度信息,并可通过手机终端10方便快捷地设定末端控制器 的设定溫度。
[0086] 图2为本发明末端控制器采集方式示意图。如图2中所示,多个无线采集节点6分 布在大型空调房间内的不同位置,采集该大型空调房间内多点溫湿度值,并由网络协调器 5 (图中为汇聚节点)组建的无线传感器网络通过2. 4GHz频段将运多点溫湿度数据无线发 送至网络协调器5,网络协调器5通过串口通信将运多点数据发送至嵌入式主控模块1 (图 中为控制器),经线性补偿、溫度补偿、加权平均算法、智能控制算法等数据处理算法,嵌入 式主控模块1完成数据显示并输出控制量W控制末端风阀执行机构4(图中为驱动器),调 节变风量空调系统末端风阀开度,完成对大型空调房间的多点信息采集、多点数据融合与 溫度控制等功能。
[0087] 图3为本发明无线传感器网络节点结构框图。如图3中所示,无线传感器网络中 网络协调器5(图中为汇聚节点)采用带RS232调试接口、核屯、模块、无线通信模块W及电 能供应模块的模块化结构设计,与之相类似的,各采集节点6 (图中为传感器节点)也采用 带传感器模块、核屯、模块、无线通信模块W及电能供应模块的模块化结构设计。运种模块化 的结构设计具有单点性能好、可靠性高、灵活性强、集成度高等优点,可为采集节点选择多 种传感器模块W适应不同的实际需求,提高了无线传感器网络通信的灵活性和功能的可拓 展性。
[008引图4为本发明模糊PID控制系统结构图。如图4中所示,模糊PID控制器W回风 溫度(室内溫度)偏差e及其变化率ec作输入,利用模糊控制规则在线校正PID=个控制 参数kp、ki、kd。传统PID控制精度高,但其PID参数难W在线调整,对强时变、非线性等复杂 过程控制效果不佳。而作为智能控制的重要组成部分,模糊控制可W解决具有非线性、不确 定性、难W建立精确数学模型的复杂系统的控制问题。因此,基于模糊控制和PID控制各自 的优势和局限性,把模糊控制与PID控制结合起来,构成模糊PID控制,使其既具有模糊控 制能够解决非线性、不确定性和有较强鲁棒性的优点,又具有传统PID控制精度高的特点, 解决了PID参数难W在线调整的问题,保证了控制系统的控制精度。
[0089] 图5为本发明的一个实例的无线传感器网络组建流程图。如图5中所示,对于网络 协调器5(图中为汇聚节点)来说,其先进行系统初始化,主要初始化协议找、设定参数值、 配置输入输出W及寄存器数据等。初始化完成后,网络协调器5开始捜索空间中可用信道, 当其捜索到可用信道后进行信道择优,随后组建网络并配置网络参数,网络参数配置好后, 便完成了无线网络的组建;随后网络协调器5会等待并允许想加入到网络中的设备加入网 络,当各采集节点6 (图中为传感器节点)加入到网络中后,各采集节点6就会根据应用程 序定时将采集到的溫湿度数据经2. 4GHz频段发送给网络协调器5 ;若网络中采集节点6的 数量发生变更,网络协调器5会为变化的采集节点6重新分配/回收短地址;对于网络中采 集节点6来说,由于环境溫湿度变化自身存在大滞后性,因此溫湿度的采集工作无需实时 进行,各采集节点6在定时发送采集到的数据间歇,会自动进入休眠模式W节能,并在下次 采集之前自唤醒。
[0090]图6为本发明的一个实例的嵌入式工作流程图。如图6中所示,系统上电后 首先初始化线程1,主要初始化系统参数,定时器,界面属性,连接信号与槽等,随后添加 SpinBox、Button、Slider等窗口组件并进行整体界面布局;然后系统进程等待消息触发, 当某消息尚未响应结束又有多个消息先后触发时,系统会将余下的多个消息安排在消息队 列中的等待;当按下主界面下的"开始"按钮时,按键消息触发定时器开始定时并创建线程 2,新创建的线程2首先初始化串口和TCP^P协议,通过串口 1实时读取来自网络协调器5 的溫湿度数据,并通过TCP^P协议与指定手机移动终端建立Wi-Fi无线连接,将数据融合 后的溫湿度信息无线发送至手机端并等待手机端指令;线程2每完成20位数据的接收后, 便会发送一个finishedO信号W触发线程1中的数据处理、数据显示、控制输出等消息槽; 当按下主界面下的"设置"按钮时,按键消息触发创建一个可设置预设溫湿度值的新界面, 并对该子界面进行布局,用户可W在该子界面中输入预设溫度值,系统可将用户输入的设 定值保存下来,W根据控制器中的控制算法实时调节风阀开度,将室内溫度控制在设定范 围附近;当按下该子界面下的"完成"按钮时,按键消息触发关闭该设置界面,完成溫湿度的 设置工作;当按下主界面下的"完成"按钮时,按键消息触发清空当前全部显示、关定时器、 关线程2等消息槽,系统进程停止运行;另一方面,还可W通过手机端的操控界面设置溫度 设定值。
[0091] 在数据处理上,本发明采用溫度补偿和线性补偿对各采集节点的湿度数据进行补 偿处理,消除来自溫、湿度运对禪合量的禪合干扰,从而保证空间中湿度采集的准确性;并 采用数据融合算法对各经补偿处理后的数据进行加权平均处理,根据大型空间中人员密集 程度不同等因素所导致的负荷差异,为各采集点数据分配不同的权重后取加权平均值作为 环境溫湿度值,从而提高多点数据表征大型空间整体环境信息的有效性和准确性;再采用 模糊PID控制算法,解决了PID控制参数在线调整的难题,改善变风量空调系统末端控制 器的控制精度。
[0092] 具体方法;
[0093] 考虑到空间环境中溫、湿度是相互禪合量,因此为提高测量精度,在用DHT10传感 器测量空间溫湿度时,需要对其输出的"相对湿度"进行线性补偿和溫度补偿后,才能得到 较为准确的湿度值。可由下式补偿传感器非线性的相对湿度数字输出量:
[0094] RHiinear=C1+C2 •S〇KH+C3 •S〇kh2 (%册)
[009引式中:RHii。。。为线性补偿后的湿度值,SOkh为相对湿度的测量值,C1、C2、C3为线性 补偿系数,对于12位数据位其依次取值为:Ci= -4, C2=0. 0405, C3=-2. 8•106。
[0096] 由于溫度对湿度影响很大,而实际溫度和测量参考溫度25°C不同,因此还要对线 性补偿后的湿度值进行溫度补偿。下式为其补偿公式:
[0097] RHtrue= (T-c-25) • (ti+t2 • SQrh) +RHiinear
[009引式中:RHtf。。为经线性补偿和溫度补偿后的湿度值,Tt为测试湿度值时的溫度,V t2为溫度补偿系数,对于12位数据位其依次取值为:t1= 0. 01,12= 8 . 10 5。
[0099] 由于DHTIO是采用PTAT能隙材料制成的溫度敏感组件,因而具有很好的线性输 出。补偿后的数字输出转化为实际溫度值可由下式算得:
[0100] Temperature=di+dz•S〇T
[0101] 式中,S〇T为溫度的数字量输出;d1和d2为特定系数,d1与DHTIO工作电压有关,d2 与DHT10内部A/D转换分辨率有关。对于3. 5V工作电压,14位A/D转换分辨率下的溫度转 换系数应为:di(°C) =-39.66,d2(°C) =0.01。
[0102] 又考虑到大型空间中人员密集程度不同等因素所导致的负荷差异,为各采集点 数据分配不同的权重后,采用数据融合算法对各经补偿处理后的数据进行加权平均处理, 最终取得到的加权平均值作为空间环境溫湿度的有效值,其计算公式如下:
[0103] WAtemperature=W1 •T1+W2 •T2+W3 •T3+......
[0104] WAhumidity=W1 •H1+W2 •肥+W3 •H3+......
[010引式中,WAtemperaUire为空间溫度的加权平均值,WAhumidity为空间湿度的加权 平均值,Wi为第i点的权重,Ti为第i点的溫度值,化为第i点的湿度值。
[0106] 对于采用的模糊PID控制算法,其W回风溫度(室内溫度)偏差e及其变化率 ec作输入,利用模糊控制规则在线校正PID=个控制参数kp、ki、kd。e和ec模糊集为 (NB,醒,NS,ZO,PS,PM,PB},根据《采暖通风空气调节设计规范》(GBJ19-87)规定,并结合干 球溫度、湿球溫度效应对人体舒适度的影响,冬季空调室内溫度应为18~22°C,夏季应为 24~28。因此e和ec的论域为{-18, 1到,选S角函数作其隶属度函数。另选取Akp论 域为[-0. 3, 0. 3],间隔0. 1 ;Aki、Akd论域为[-0. 06, 0. 06],间隔0. 02,S个参数隶属度函 数选用=角函数。
[0107] 由PID控制原理:kp用于加快响应速度,提高精度;k1用于消除稳态误差;kd用于 改善动态特性,故对于不同的e和ec,被控过程对参数kp、ki、kd的自整定应满足W下规律: [010引 (1)当|e|较小时,应取较大的kp和kiW及适当的kd,W避免在平衡点附近出现 震荡,使系统具有较好的稳态性能;
[010引 似当|e|中等时,应取较小的kp化及适当的ki和kd,W使系统超调量较小;
[0110] 做当IeI较大时,应取较大的kp和较小的kd,W使系统响应加快。由上面;条规 律,得到kp、ki、kd的模糊规则表,如表1所示。
[0111]表1kp、ki、kd模糊规则表
[0112]
Figure CN105115097AD00141
[0113] 采用加权平均法进行反模糊化,将模糊推理结果转化为精确值。由模糊PID控制 器得到PID=个参数的控制增量Akp,Aki和Akd,由下式附加前一时刻参数值得kp、ki和 kd: Ap呜'+M'
[0114] < 与二A;'' + K
[0115] 再由下式增量式PID公式求当前控制增量AUi:
[0116] Au化)=kp(e(k)-e化-1))+kiG(k)+kd(e(k) -2e化-1)+e化-2))
[0117] 再由下式将AUi附加在前一时刻控制量AU1 1上,即可得到当前时刻的输出控制 量Ui:
[011 引U似=Au似+U化-1)
[0119] 实施例:
[0120] 下面结合具体实施方式对本发明做进一步的说明:
[0121] 在沈阳工业大学信息科学与工程学院做VAV中央空调在不同工况下调节室溫实 验。本实验对象为1. 3冷吨中央空调嵌入式系统多功能实验平台,该平台有两个模拟房 间,可模拟中央空调多种运行模式。其风机最大送风量为720m3A,最大送风管道压力为 2500Pa;其风阀执行器型号为TM04-24,控制信号为2-10V标准电压信号;溫湿度检测采用 管道式溫湿度传感器,输出信号为0-10V标准电压信号。该平台可通过研华公司多功能数 据采集卡PCI-1710和Matl油提供的Real-TimeWindowsTarget工具箱完成实验过程中 的数据采集和显示。
[0122] 实验前,先将两模拟房间中间有机玻璃挡板移除W扩大房间空间,然后分散放置 各无线采集节点,然后将嵌入式控制器输出接入平台风阀执行器,将平台溫湿度传感器输 出信号和嵌入式控制器控制信号分别接入PCLD-8710接线端子板两路模拟量输入通道AI0 和All,最后通过pa-10168电缆将PCLD-8710接线端子板与数据采集卡PCI-1710相连。 运样,由PCI-1710采集到的房间溫度和控制器输出电压值就会被实时记录下来,并通过工 控机中Matl油提供的Real-TimeWindowsTarget工具箱显示出来。用于数据采集和显示 的Simulink程序的采样时间设置为Is,总时长设为500s。将整体系统上电,点击"Start" 键运行末端控制器,屏幕显示当前溫度28°C,通过手机移动终端或点击"Set"键,将溫度设 定为22°C。下面在干、湿工况下加入溫度扰动,W及加入风管压力扰动运=种情况下分别进 行实验。
[0123] (1)实验一:设定22°C后经过大约70s,房间溫度达到22°C左右并维持130s;在 200s时向房间中放入两个60W电灯泡作为干工况下溫度扰动,经80s调节后房间溫度重新 达到溫度设定值并保持。由于存在溫度扰动,280s后稳态的控制电压平均值高于70S-200S 稳态期间电压平均值。实验一得到的房间实时溫度曲线界面见图7,控制器输出电压曲线界 面见图8。
[0124] (2)实验二:设定22°C后经过大约65s,房间溫度达到22°C左右并维持135s;在 200s时通过调节变频器控制面板,将送风机频率减半作为风管压力扰动,经75s调节后房 间溫度重新达到溫度设定值并保持。由于存在风管压力扰动,275s后稳态的控制电压平均 值高于65S-200S稳态期间电压平均值。实验二得到的房间实时溫度曲线界面见图9,控制 器输出电压曲线界面见图10。
[0125] (3)实验S:设定22°C后经过大约50s,房间溫度达到22°C左右并维持150s;在 200s时向房间中放入1L沸水作为湿工况下溫度扰动,经110s调节后房间溫度重新达到溫 度设定值并保持。由于存在溫度扰动,310s后稳态的控制电压平均值高于50S-200S稳态期 间电压平均值。实验=得到的房间实时溫度曲线界面见图11,控制器输出电压曲线界面见 图12。
[0126] 由上述=个实验可知:本末端控制器能使房间溫度在较短时间达到稳态,并能快 速消除各种工况下溫度及压力扰动,系统响应速度快,稳态误差小,抗干扰能力强。

Claims (6)

1. 基于无线传感器网络变风量空调末端智能控制系统,其特征在于:该智能控制系统 主要包括嵌入式主控模块(1)、无线传感器网络房间信息监测模块(2)、输出控制模块(7) 以及移动终端模块(8),无线传感器网络房间信息监测模块(2)连接嵌入式主控模块(1), 嵌入式主控模块(1)连接输出控制模块(7)以及移动终端模块(8)。
2. 根据权利要求1所述的基于无线传感器网络变风量空调末端智能控制系统,其特征 在于:无线传感器网络房间信息监测模块(2)包括网络协调器(5)和多个采集节点(6),各 采集节点(6)通过2. 4GHz频段无线网络与网络协调器(5)无线连接,网络协调器(5)通过 串口与嵌入式主控模块(1)串行连接; 嵌入式主控模块(1)内设置有主控制器和触摸屏,主控制器与触摸屏、输出控制模块 (7)和无线传感器网络房间信息监测模块⑵内的网络协调器(5)连接; 输出控制模块(7)包含D/A转换电路(3)和末端风阀执行机构(4),D/A转换电路(3) 与末端风阀执行机构(4)和嵌入式主控模块(1)内的主控制器连接; 移动终端模块(8)包括无线路由器(9)和手机终端(10); 嵌入式主控模块(1)的主控制器通过网线与无线路由器(9)连接,手机终端(10)通过 无线路由器提供的Wi-Fi网络与嵌入式主控模块(1)连接。
3. 根据权利要求1所述的基于无线传感器网络变风量空调末端智能控制系统,其特征 在于:嵌入式主控模块(1)包括ARM9高性能微处理器、TFT真彩液晶屏、NANDFlash存储 器、UART模块、BEEP模块;其中,NANDFlash存储器为微处理器存储bootloader、内核、文 件系统等资源,TFT真彩液晶屏接收微处理器命令并实时显示温湿度、时间等信息,UART模 块接收来自于无线传感器网络的节点号、温度、湿度等串口数据,并送达微处理器进行数据 融合、控制策略等数据处理,BEEP模块接收来自微处理器的控制命令,并实现超限报警、按 键提不首等功能。
4. 利用权利要求1所述的基于无线传感器网络变风量空调末端智能控制系统所实施 的智能控制方法,其特征在于:该方法将多个无线采集节点6分布在大型空调房间内的不 同位置,采集该大型空调房间内多点温湿度值,并由网络协调器5组建的无线传感器网络 通过2. 4GHz频段将这多点温湿度数据无线发送至网络协调器5,网络协调器5通过串口通 信将这多点数据发送至嵌入式主控模块1,经线性补偿、温度补偿、加权平均算法、智能控制 算法等数据处理算法,嵌入式主控模块1完成数据显示并输出控制量以控制末端风阀执行 机构4,调节变风量空调系统末端风阀开度,完成对大型空调房间的多点信息采集、多点数 据融合与温度控制功能。
5. 根据权利要求4所述的基于无线传感器网络变风量空调末端智能控制系统所实施 的智能控制方法,其特征在于: 本发明采用模糊PID控制系统结构,模糊PID控制器以回风温度,即室内温度偏差e及 其变化率ec作输入,利用模糊控制规则在线校正PID三个控制参数,把模糊控制与 PID控制结合起来,构成模糊PID控制,使其既具有模糊控制能够解决非线性、不确定性和 有较强鲁棒性的优点,又具有传统PID控制精度高的特点,解决了PID参数难以在线调整的 问题,保证了控制系统的控制精度;在数据处理上,本发明采用温度补偿和线性补偿对各采 集节点的湿度数据进行补偿处理,消除来自温、湿度这对耦合量的耦合干扰,从而保证空间 中湿度采集的准确性;并采用数据融合算法对各经补偿处理后的数据进行加权平均处理, 根据大型空间中人员密集程度不同等因素所导致的负荷差异,为各采集点数据分配不同的 权重后取加权平均值作为环境温湿度值,从而提高多点数据表征大型空间整体环境信息的 有效性和准确性;再采用模糊PID控制算法,解决了PID控制参数在线调整的难题,改善变 风量空调系统末端控制器的控制精度。
6.根据权利要求5所述的基于无线传感器网络变风量空调末端智能控制系统所实施 的智能控制方法,其特征在于: 本发明中考虑到空间环境中温、湿度是相互耦合量,因此为提高测量精度,在用DHT10 传感器测量空间温湿度时,需要对其输出的"相对湿度"进行线性补偿和温度补偿后,才能 得到较为准确的湿度值;可由下式补偿传感器非线性的相对湿度数字输出量: RHlinear=C:+C2 •S0RH+C3 •S0rh2(%RH) 式中:RHlin_为线性补偿后的湿度值,S0RH为相对湿度的测量值,CpC2、C3为线性补偿 系数,对于12位数据位其依次取值为4= -4,C2= 0. 0405,C3= -2. 8 • 10 6; 由于温度对湿度影响很大,而实际温度和测量参考温度25°C不同,因此还要对线性补 偿后的湿度值进行温度补偿;下式为其补偿公式: RHtrue= (T.c-25) • (ti+t2 •SQRH)+RHlinear 式中:RHt_为经线性补偿和温度补偿后的湿度值,Tt为测试湿度值时的温度,一为 温度补偿系数,对于12位数据位其依次取值为山=0. 01,12= 8 • 10 5; 由于DHT10是采用PTAT能隙材料制成的温度敏感组件,因而具有很好的线性输出;补 偿后的数字输出转化为实际温度值可由下式算得: Temperature= •SOT 式中,SOT为温度的数字量输出;dJPd2为特定系数,d占DHT10工作电压有关,d2与DHT10内部A/D转换分辨率有关;对于3. 5V工作电压,14位A/D转换分辨率下的温度转换 系数应为:山(°C) = -39. 66,d2(°C) = 0• 01 ; 又考虑到大型空间中人员密集程度不同等因素所导致的负荷差异,为各采集点数据分 配不同的权重后,采用数据融合算法对各经补偿处理后的数据进行加权平均处理,最终取 得到的加权平均值作为空间环境温湿度的有效值,其计算公式如下: WAtemperature=ffl•T1+W2 •T2+W3 •T3+...... WAhumidity=ffl•H1+W2 •H2+W3 •H3+...... 式中,WAtemperature为空间温度的加权平均值,WAhumidity为空间湿度的加权平均 值,Wi为第i点的权重,Ti为第i点的温度值,Hi为第i点的湿度值; 对于采用的模糊PID控制算法,其以回风温度(室内温度)偏差e及其变化率ec作输入,利用模糊控制规则在线校正PID三个控制参数kp、kpkd;e和ec模糊集为 {NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},根据《采暖通风空气调节设计规范》(GBJ19-87)规定,并结合干 球温度、湿球温度效应对人体舒适度的影响,冬季空调室内温度应为18~22°C,夏季应为 24~28°C,因此e和ec的论域为{-18, 18},选三角函数作其隶属度函数;另选取Akp论域 为[-0. 3, 0. 3],间隔0. 1 ;Ah、Akd论域为[-0. 06, 0. 06],间隔0. 02,三个参数隶属度函数 选用三角函数; 由PID控制原理:kp用于加快响应速度,提高精度;ki用于消除稳态误差;k,用于改善 动态特性,故对于不同的e和ec,被控过程对参数kp、kpkd的自整定应满足以下规律: (1) 当|e|较小时,应取较大的kjPki以及适当的kd,以避免在平衡点附近出现震荡, 使系统具有较好的稳态性能; (2) 当|e|中等时,应取较小的kp以及适当的k满kd,以使系统超调量较小; (3) 当|e|较大时,应取较大的kp和较小的1^,以使系统响应加快;由上面三条规律,得 到kp、kpkd的模糊规则表,如表1所示; 表lkp、kp匕模糊规则表
Figure CN105115097AC00041
采用加权平均法进行反模糊化,将模糊推理结果转化为精确值;由模糊PID控制器得 至IJPID三个参数的控制增量Akp,A匕和Akd,由下式附加前一时刻参数值得kp、匕和kd:
Figure CN105115097AC00042
再由下式增量式PID公式求当前控制增量AU1: Au(k) =kp(e(k)_e(k_l))+kie(k) +kd(e(k) _2e(k_l)+e(k_2)) 再由下式将AUJ#加在前一时刻控制量AUui,即可得到当前时刻的输出控制量 U1: u(k) =Au(k)+u(k-1) 〇
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