基于ZigBee的車載溫濕度模糊PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：合適的溫濕度是生鮮食品保鮮的重要條件，車載系統(tǒng)溫濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)控采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)的無線通信方式。為提高其精度，采用參數(shù)模糊自整定方法完善了模糊PID控制系統(tǒng)的自適應(yīng)性能。結(jié)果表明，該系統(tǒng)精度高、成本低、可靠性高、超調(diào)量小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，更有利于實(shí)時(shí)監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：食品保鮮；溫濕度；ZigBee網(wǎng)絡(luò)；CC2530芯片；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TP216 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2015）06-1475-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.06.050

Abstract： The appropriate temperature and humidity are important conditions for fresh food preservation. Real-time monitoring system of temperature and humidity was designed based on the ZigBee network communication. In order to improve the accuracy， fuzzy parameter adaptive control method was used to further perfect the adaptive performance of fuzzy PID control. The results showed that the system had high precision， low cost， high reliability， small surplus， good dynamic response. It improved the control of progress. It is better for real-time monitoring.

Key words： fresh food preservation；the temperature and humidity；ZigBee network；CC2530 chip；real-time monitoring

準(zhǔn)確監(jiān)控車載溫濕度能提高農(nóng)副產(chǎn)品在運(yùn)輸過程中的保鮮度。隨著新型菜籃子工程的發(fā)展，以湖北省武漢市“家事易”生鮮農(nóng)產(chǎn)品的供應(yīng)為研究對(duì)象，合適的溫濕度是市內(nèi)生鮮食品運(yùn)輸保鮮的關(guān)鍵。車載溫濕度系統(tǒng)是純滯后環(huán)節(jié)的一階慣性系統(tǒng)，存在多個(gè)干擾因素，一般PID控制很難達(dá)到溫濕度精度的要求，模糊PID控制技術(shù)對(duì)溫濕度偏差進(jìn)行處理，能對(duì)控制參數(shù)自定義調(diào)節(jié)，魯棒性好、超調(diào)量小、動(dòng)態(tài)性能好，提高了控制的精度。該車載系統(tǒng)是基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的無線通信方式，每個(gè)溫濕度傳感器作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)匯聚節(jié)點(diǎn)信息通過串口通信線路連接到前端中控中心。利用電腦將溫濕度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)，以便實(shí)現(xiàn)溫濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理，實(shí)現(xiàn)了生鮮食品運(yùn)輸溫濕度監(jiān)控的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和設(shè)備配置的無線化。

1 基于ZigBee的車載溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的車載溫濕度系統(tǒng)由溫濕度傳感器、中繼器、協(xié)調(diào)器、網(wǎng)關(guān)和上位PC機(jī)構(gòu)成[1]。溫濕度傳感器采用SHT10數(shù)字式傳感器采集車載系統(tǒng)的實(shí)時(shí)溫濕度，采用CC2530芯片無線通信模塊[2]。該模塊集成了8051處理器，工作頻段2.4 GHz，以低成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，具有一個(gè)IEEE 802.15.4兼容無線收發(fā)器[3]，RF內(nèi)核控制模擬無線模塊。信息通過中繼器傳給協(xié)調(diào)器，在通過網(wǎng)關(guān)傳給上位PC機(jī)終端，控制中心對(duì)采集的不同車載系統(tǒng)的溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)分析并對(duì)偏差進(jìn)行處理，發(fā)送指令控制繼電器和報(bào)警器等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使車載系統(tǒng)溫濕度保持在食品保鮮的合適溫濕度，其基于ZigBee的車載溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 模糊PID控制器設(shè)計(jì)

2.1 模糊自整定PID參數(shù)控制器

傳統(tǒng)PID算法是將比例、積分、微分3種調(diào)節(jié)作用結(jié)合起來的。PID算法只有在非時(shí)變系統(tǒng)中效果較好，而Fuzzy對(duì)帶滯性、非線性和時(shí)變性系統(tǒng)具有一定的適應(yīng)能力，同時(shí)有較強(qiáng)的抑制能力。Fuzzy-PID控制以系統(tǒng)誤差e和誤差變化ec作為輸入變量，利用模糊控制規(guī)則對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行自整定，結(jié)合PID和Fuzzy控制的優(yōu)點(diǎn)，采用Fuzzy-PID控制溫濕度能達(dá)到良好的控制效果[4]。模糊自整定PID參數(shù)溫濕度控制器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。該系統(tǒng)在標(biāo)準(zhǔn)的PID控制器上加了一個(gè)模糊PID參數(shù)調(diào)節(jié)器。

2.2 模糊PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 模糊PID算法 以輸入量的變化值為對(duì)應(yīng)論域，變化數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)一個(gè)模糊語言而形成模糊集合，即模糊語言值的形式，用隸屬函數(shù)A（x）表示輸入的變化量和對(duì)應(yīng)的模糊語言值之間的關(guān)系。車載溫濕度模糊PID控制參數(shù)整定系統(tǒng)是一個(gè)兩輸入三輸出的系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，輸入量誤差e乘以自己的量化因子轉(zhuǎn)化到對(duì)應(yīng)的模糊論域，定義該論域?yàn)閇-3，3]；誤差變化ec乘以自己的量化因子也轉(zhuǎn)化到對(duì)應(yīng)的模糊論域，定義該論域?yàn)閇-3，3]。2個(gè)輸入的語言值的模糊子集均設(shè)為7段：{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，分別是呈正態(tài)分布的隸屬度函數(shù)，3個(gè)輸出量ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊論域均為[-3，3]，其語言值的模糊子集與輸入相同，為方便反模糊化和MATLAB仿真，隸屬函數(shù)A（X）選用三角形全交疊式分布，該系統(tǒng)兩輸入e、ec三輸出ΔKp、ΔKi、ΔKd的隸屬度函數(shù)曲線如圖3所示。

2.2.2 邏輯關(guān)系 模糊條件語句組成模糊規(guī)則庫(kù)，用數(shù)學(xué)理論和控制規(guī)則綜合評(píng)估，得到模糊輸出量，成為模糊邏輯推理過程，即輸入域輸出的邏輯關(guān)系[5]，得到對(duì)3個(gè)控制參數(shù)ΔKP、ΔKi、ΔKd的模糊規(guī)則（表1），與輸入量對(duì)應(yīng)的二元連續(xù)函數(shù)關(guān)系為 Kp=f1（e，ec），Ki=f2（e，ec），Kd=f3（e，ec）。其字母定義的含義分別為：PB正大、PM正中、PS正小、ZO零、NS負(fù)大、NM負(fù)中、NB負(fù)小。

2.2.3 反模糊化 反模糊化（Defuzzification）又稱為模糊判決[6]，將模糊輸出量轉(zhuǎn)化為精確輸出量的過程，模糊決策一般采用Mamdanis（min—max）決策法。解模糊一般采用重心法（Centroid），該方法針對(duì)誤差e和誤差變化ec論域的每個(gè)元素，求出的模糊集合的隸屬度作為帶判決的因素，作出精確的模糊判決。

2.3 基于ZigBee的溫濕度監(jiān)控流程圖

通過模糊PID控制規(guī)則表可以得到3個(gè)參數(shù)ΔKp、ΔKi、ΔKd對(duì)應(yīng)的模糊值，3個(gè)參數(shù)的模糊論域值的查表查詢與程序中的定義為：intΔKp、intΔKi、intΔKd[7]。此模糊規(guī)則表的數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)的模糊控制表子程序保存在ZigBee系統(tǒng)的存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)模塊中。在監(jiān)控系統(tǒng)中，處理控制器能時(shí)時(shí)檢測(cè)和顯示誤差信號(hào)和變化率信號(hào)，每隔20 s調(diào)用查詢模糊控制表子程序，實(shí)現(xiàn)基于ZigBee的溫濕度監(jiān)控的軟件流程如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 傳感器節(jié)點(diǎn)程序/組網(wǎng)程序設(shè)計(jì)

終端設(shè)備溫濕度傳感器主要負(fù)責(zé)采集各輛車車內(nèi)的溫濕度信息，每個(gè)傳感器均有一個(gè)獨(dú)立對(duì)應(yīng)的ID號(hào)，將采集到信息匯聚到中心控制節(jié)點(diǎn)，由ZigBee模塊將采集的溫濕度上傳，系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用被喚醒的方式與中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)采用的星型結(jié)構(gòu)，協(xié)調(diào)器[7]進(jìn)行初始化的網(wǎng)絡(luò)建立，其方法是選擇一個(gè)相對(duì)空閑的信道和一個(gè)ID，然后啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)候，協(xié)調(diào)器會(huì)自動(dòng)給其分配惟一的16位網(wǎng)絡(luò)地址。系統(tǒng)的組網(wǎng)流程圖如圖5所示。

3.2 串口溫濕度數(shù)據(jù)顯示設(shè)計(jì)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信將多點(diǎn)的小信息量組織起來通信，通過多跳的方式送給核心處理器件來進(jìn)行溫濕度數(shù)字信息的分析處理。在Z-Stack協(xié)議棧[8]下，選擇“EndDevice”工程配置，對(duì)溫濕度節(jié)點(diǎn)終端設(shè)備燒錄程序，選擇“Router”工程配置，對(duì)中繼路由燒錄程序，選擇“Coordinator”工程配置，對(duì)中心節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)器燒錄程序，通過串口調(diào)試助手，可以得到4輛車在不同時(shí)刻的溫濕度數(shù)據(jù)，采用周期為5 s。對(duì)應(yīng)的顯示中，每個(gè)信息量為8個(gè)字節(jié)，其中第4、5位字節(jié)為溫度的十六進(jìn)制碼，第6、7位字節(jié)為濕度的百分比，數(shù)據(jù)段為TH TL HH HL，前面TH TL為溫度，后面HH HL為濕度，則溫度計(jì)算：T=（TH×256+TL）/100，濕度計(jì)算：H=（HH×256+HL）/100，通過串口調(diào)試助手得到實(shí)時(shí)溫濕度數(shù)據(jù)如圖6。上位機(jī)軟件采用Visual C++6.0進(jìn)行開發(fā)，通過上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)信息在PC機(jī)上的數(shù)據(jù)設(shè)置，顯示良好的人機(jī)界面，利用RS-232串行口實(shí)現(xiàn)中心控制節(jié)點(diǎn)的串行通信。

4 MATLAB軟件仿真

溫濕度控制采用模糊PID算法，在MATLAB仿真[9]中，建立一個(gè)K.FIS模塊和一個(gè)推理模糊控制系統(tǒng)，用READFIS命令將K.FIS文件加載到模糊控制器模塊（Fuzzy logic controller）中進(jìn)行仿真。設(shè)置車載系統(tǒng)的溫濕度一階慣性系統(tǒng)的參數(shù)為K=0.91，T=142 s，τ=30 s，則系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：G（s）=e-30 s，其Simulink 的仿真結(jié)構(gòu)如圖7所示。采用模糊PID控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線較好，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、超調(diào)量小、高精度，而且這種方法抗干擾能力也很強(qiáng)，同時(shí)對(duì)溫濕度一階慣性滯后環(huán)節(jié)的適應(yīng)能力很強(qiáng)。

5 小結(jié)

針對(duì)車輛溫濕度采集和監(jiān)控問題，傳統(tǒng)方式中存在接線復(fù)雜、設(shè)備難維護(hù)等缺點(diǎn)，基于ZigBee的車載溫濕度模糊PID控制系統(tǒng)采用SHT10溫濕度傳感器采集溫度，利用ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，利用中控中心對(duì)溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)、計(jì)算、分析。對(duì)溫度的處理采用模糊PID計(jì)算方法，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、超調(diào)量小、高精度、抗干擾能力強(qiáng)。該系統(tǒng)使用性能好，測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性能快，準(zhǔn)確度高，PC機(jī)界面友好，有較大的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 馬士明，徐公傲.基于ZigBee技術(shù)的溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].信息通信，2013，124（25）：4-47.

[2] 夏侯凱順，曾憲金，胡立坤，等.基于MLX90614和ZigBee技術(shù)的體溫實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀表，2011，11（5）：23-25.

[3] A True System-on-Chip solution for 2.4 GHz IEEE 802.15.4/ZigBee（TM）（Rev.F）[EB/OL]. http：//focus.ti.com/docs/prod/folders/print/cc2430.html.

[4] 王建新，童官軍，楊世鳳，等.基于模糊控制算法的溫室溫度監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].天津科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，20（4）：68-72.

[5] 陶永華.新型PID控制及其應(yīng)用[M].第二版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.100-132.

[6] 莊利鋒，楊慧中.模糊自適應(yīng)PID控制器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].自動(dòng)化與儀表，2005，20（1）：50-52.

[7] 楊 柳，陶正蘇.基于ZigBee的環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀表，2005，23（8）：22-24.

[8] Microchip.Microchip stackfor the ZigBeeTMprotocol V1.0-3.6[EB/OL]. http：//www.wanfangdata.com.cn.

[9] 張建仁，王 莉.MATLAB在模糊控制系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化與儀表，2001，18（3）：11-13.