環(huán)境溫濕度模糊識(shí)別傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真分析

陳克忠，房建東

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)內(nèi)蒙古呼和浩特010051）

環(huán)境溫濕度模糊識(shí)別傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真分析

陳克忠，房建東

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)內(nèi)蒙古呼和浩特010051）

針對(duì)現(xiàn)有溫濕度傳感器存在的缺點(diǎn)和不足，根據(jù)模糊測(cè)量原理，設(shè)計(jì)了以"人體舒適度"為輸出對(duì)象的智能溫濕度傳感器系統(tǒng)，該系統(tǒng)融入了專(zhuān)家系統(tǒng)，綜合考慮了環(huán)境溫度、濕度和季節(jié)等相關(guān)因素對(duì)人體舒適度的共同影響。在MATLAB條件下建立仿真模型，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了仿真測(cè)試，仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠根據(jù)推理規(guī)則很好的輸出"人體舒適度"的模糊語(yǔ)言值，比傳統(tǒng)單一數(shù)值式傳感器的測(cè)量更加智能化和人性化。本設(shè)計(jì)可在一定程度上彌補(bǔ)傳統(tǒng)溫濕度傳感器只能輸出固定值，不具有判斷能力的缺陷。

溫濕度傳感器；模糊測(cè)量；人體舒適度；MATLAB仿真

傳統(tǒng)傳感器實(shí)現(xiàn)的功能是信息到數(shù)值的轉(zhuǎn)換，一般流程是敏感元件監(jiān)測(cè)被測(cè)環(huán)境后經(jīng)過(guò)計(jì)算給出具體數(shù)值，其轉(zhuǎn)換的結(jié)果是定量信息，它的精度高，冗余少，但同時(shí)它也存在著測(cè)量結(jié)果不易理解，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大和涉及人類(lèi)自然行為以及某些高層邏輯信息難以描述的問(wèn)題。而模糊算法可以在不需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)建模的情況下，即可將多個(gè)因素綜合評(píng)價(jià)以得到預(yù)期結(jié)果［1］。所以就有了模糊傳感器的產(chǎn)生。

在人們?cè)絹?lái)越關(guān)注公共場(chǎng)所和居室環(huán)境舒適度的今天，環(huán)境溫濕度的監(jiān)測(cè)已成為人們監(jiān)測(cè)居住環(huán)境的重要部分［2］。而傳統(tǒng)的溫濕度傳感器也是數(shù)值傳感器，它將溫度、濕度映射到實(shí)數(shù)集中，以精確的數(shù)值來(lái)描述被測(cè)溫度，濕度狀態(tài)，即以定量的形式對(duì)溫濕度加以描述。但是由于環(huán)境溫濕度的多維性，溫度與濕度之間存在著復(fù)雜的相關(guān)性［3］，只進(jìn)行單純的數(shù)值測(cè)量且對(duì)測(cè)量結(jié)果以數(shù)值符號(hào)來(lái)描述存在很大缺陷。基于以上原因，文中設(shè)計(jì)了一款以溫濕度為基礎(chǔ)的人體舒適度指數(shù)模糊傳感器系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)綜合考慮溫度與濕度的共同作用，在經(jīng)典的數(shù)值測(cè)量基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)模糊推理與知識(shí)集成，以自然語(yǔ)言符號(hào)描述的形式輸出當(dāng)前環(huán)境的人體舒適度指數(shù)，可以作為智能家居的環(huán)境檢測(cè)方案。

1　頂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的總體思想是將“傳統(tǒng)數(shù)值測(cè)量”與“模糊語(yǔ)言符號(hào)”相結(jié)合，并且將多傳感器融合處理，得出一個(gè)不可直接測(cè)量的模糊語(yǔ)言輸出。它以數(shù)值測(cè)量為基礎(chǔ)，將數(shù)值量作為中間量，然后根據(jù)模糊判斷規(guī)則，最終輸出被測(cè)對(duì)象信息自然語(yǔ)言符號(hào)化表示。

該系統(tǒng)前端采用傳統(tǒng)溫濕度傳感器，通過(guò)空氣溫度、濕度敏感元件感知空氣溫度和含水量，然后通過(guò)數(shù)值測(cè)量單元將空氣溫度、濕度轉(zhuǎn)化為具體的數(shù)值［4］?？紤]人體在不同季節(jié)對(duì)溫濕度的感受不同，引入季節(jié)參變量。建立模糊規(guī)則，最終得出模糊語(yǔ)言輸出。其整體原理框圖如圖1所示。

圖1　模糊濕度傳感器系統(tǒng)框圖

2　模糊溫濕度傳感器設(shè)計(jì)步驟

2.1數(shù)值量的模糊化定義

多傳感量融合模糊傳感器的模糊語(yǔ)言輸出量是由其復(fù)合概念的語(yǔ)義融合而成的。所以本設(shè)計(jì)的模糊輸出也是由溫度、濕度和季節(jié)的語(yǔ)義量融合而成的。首先建立溫度和濕度的模糊隸屬度函數(shù)，建立季節(jié)隸屬度函數(shù)，然后建立輸出舒適度隸屬度函數(shù)。

2.2隸屬度函數(shù)的建立

分別建立溫度、濕度季節(jié)和輸出舒適度的隸屬度函數(shù)。本設(shè)計(jì)采用高斯型函數(shù)對(duì)溫度、濕度的論域建立隸屬度函數(shù)。這種隸屬度函數(shù)的特點(diǎn)是連續(xù)且點(diǎn)點(diǎn)可求導(dǎo)，比較適合于自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)模糊控制的隸屬函數(shù)修正［5］。

2.2.1溫度隸屬度函數(shù)建立

設(shè)環(huán)境溫度為0～40℃，對(duì)該范圍內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)（T）進(jìn)行模糊化處理，從數(shù)值量轉(zhuǎn)換到對(duì)應(yīng)的語(yǔ)言量模糊集的論域。定義該論域分5個(gè)檔次，T=｛冷、涼、適中、熱、很熱｝，字母表示為T(mén)=｛CD、CL、M、H、VH｝。定義其隸屬度函數(shù)如公式（1）。

2.2.2濕度隸屬度函數(shù)建立

設(shè)環(huán)境相對(duì)濕度為0～100%，對(duì)該范圍

內(nèi)的濕度數(shù)據(jù)（H）進(jìn)行模糊化處理，從數(shù)值量轉(zhuǎn)換到對(duì)應(yīng)的語(yǔ)言量模糊集的論域。定義該論域分5個(gè)檔次H=｛過(guò)低、偏低、適中、過(guò)高、很高｝，字母表示為H=｛VL、LL、M、LH、VH｝。定義其隸屬度函數(shù)如公式（2）。

2.2.3季節(jié)隸屬度函數(shù)建立

由于人體對(duì)溫濕度感應(yīng)只在夏季和冬季差別較大，所以季節(jié)（S）輸入分為夏季和冬季，并且為確定的二值量，S=｛夏季、冬季｝，字母表示為S=｛S、W｝。隸屬度函數(shù)如公式（3）。

其中0代表夏季，1代表冬季。

2.2.4輸出舒適度隸屬度函數(shù)建立

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)將輸出舒適度（F）的論域定義為四個(gè)等級(jí)C=｛很不舒適、不舒適、舒適、很舒適｝，字母表示為C=｛VNC、NC、C、VC｝。定義其隸屬度函數(shù)如公式（4）。

其中0代表很不舒適，1代表不舒適，2代表舒適，3代表很舒適。

2.3模糊規(guī)則建立

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，專(zhuān)家提出最適宜人的室內(nèi)溫度和濕度是：冬天溫度15～25℃，濕度30～80%；夏天溫度23～28℃，濕度30～60%。

在這種環(huán)境下感覺(jué)舒適的人占95%以上［6］。文中采用if…Then形式設(shè)計(jì)模糊規(guī)則表，如表1。

表1　模糊規(guī)則表

3　MATLAB仿真分析

3.1仿真平臺(tái)搭建

為了驗(yàn)證本設(shè)計(jì)的有效性，文中在MATLAB環(huán)境下，搭建了推理機(jī)的仿真模型，如圖2所示。

圖2　模糊推理機(jī)模型

仿真模型的參數(shù)表如表2所示。

表2　仿真參數(shù)表

3.2仿真結(jié)果及分析

在MATALB下建立模糊隸屬度函數(shù)，和模糊判定規(guī)則后，輸出結(jié)果如圖3～5所示。

圖3溫濕度和舒適度的關(guān)系圖

圖3是在季節(jié)相同的情況下，溫濕度對(duì)人體舒適度的影響。從圖中信息可以看出：只有溫度和濕度同時(shí)達(dá)到合適的范圍時(shí)，傳感器的輸出值才是“很舒適”。當(dāng)溫度和濕度在不同范圍時(shí)，傳感器將溫濕度的值融合，得出一個(gè)合適的“舒適度”輸出量。

圖4是在濕度相同的情況下溫度、季節(jié)對(duì)人體舒適度的影響。從圖中信息可以看出：冬季和夏季人體對(duì)溫度的感應(yīng)有所不同，要達(dá)到最佳舒適度，夏季比冬季需求的溫度要稍高。

圖5是在溫度相同的情況下濕度、季節(jié)對(duì)人體舒適度的影響。從圖中信息可以看出：冬季和夏季人體對(duì)濕度的感應(yīng)有所不同，要達(dá)到最佳舒適度，夏季比冬季需求的濕度要稍低。

通過(guò)以上仿真數(shù)據(jù)可以看出，本設(shè)計(jì)綜合了環(huán)境溫度、濕度和季節(jié)3個(gè)方面的因素，并且能夠根據(jù)推理規(guī)則很好的輸出“人體舒適度”的模糊語(yǔ)言值，比傳統(tǒng)單一數(shù)值式傳感器的測(cè)量更加準(zhǔn)確和智能。

圖4　溫度、季節(jié)和舒適度的關(guān)系圖

圖5　濕度、季節(jié)和舒適度的關(guān)系圖

4　結(jié)論

本文根據(jù)模糊測(cè)量原理，以“人體舒適度”為輸出需求背景，構(gòu)造智能模糊溫濕度傳感器系統(tǒng)。選取溫度，濕度和季節(jié)作為模糊輸入，人體舒適度作為系統(tǒng)輸出。對(duì)輸入輸出建立相應(yīng)的隸屬度函數(shù)，根據(jù)相關(guān)資料和筆者的經(jīng)驗(yàn)定義里模糊規(guī)則庫(kù)，完成了模糊溫濕度傳感器的設(shè)計(jì)。在MATLAB下搭建仿真平臺(tái)，分析仿真輸出結(jié)果，結(jié)果表明本設(shè)計(jì)能夠較好的融合溫度、濕度和季節(jié)3個(gè)參量，輸出人體舒適度的模糊語(yǔ)言值。本設(shè)計(jì)可在一定程度上彌補(bǔ)傳統(tǒng)溫濕度傳感器只能輸出固定值，不具有判斷能力的缺陷。

［1］陸亞芳，易可夫.基于模糊理論的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)多層分簇式路由算法［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2014，27（7）:933-934.

［2］莫小錦，周?chē)?yán).基于射頻技術(shù)與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的溫濕度遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，24（10）:1501-1503.

［3］行鴻彥，彭基偉.一種濕度傳感器溫度補(bǔ)償?shù)娜诤纤惴ǎ跩］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，25（12）:1711-1715.

［4］韓俊峰.基于溫濕度的模糊傳感器舒適度合成法研究［J］.傳感器技術(shù)，2002，21（38）:19-24.

［5］王耀南，孫煒.智能控制理論及應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［6］王明輝.房間內(nèi)應(yīng)保持適宜的溫度和濕度［J］.中國(guó)初級(jí)衛(wèi)生保健，1992，6（4）:42.

Design and simulation analysis of fuzzy identification sensor system for environment temperature and humidity

CHEN Ke-zhong，F(xiàn)ANG Jian-dong
（Inner Mongolia University of Technology，Hohhot 010080，China）

Aiming at the shortcomings and deficiencies of the existing temperature and humidity sensor，according to the principle of fuzzy measurement，an intelligent temperature and humidity sensor system is designed，which takes"human comfort"as the output object.The system is integrated into the expert system.The combined effects of environmental temperature，humidity，season and other factors on the comfort of human body were considered.Simulation model is established under the condition of MATLAB，the results show：the system can output the fuzzy linguistic value of"human comfort"according to the rules of reasoning，which is more intelligent and humane than the traditional single numerical sensor. The design can make up for the defect which is the traditional temperature and humidity sensor can only output fixed value，not have the ability to judge.

seneor of temperature and humidity；fuzzy measurement；comfort degree of human；simulation

TN6

A

1674－6236（2016）12-0057-03

2015-11-06稿件編號(hào)：201511059

內(nèi)蒙古自治區(qū)科學(xué)基金項(xiàng)目（2014MS0619）；內(nèi)蒙古自治區(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目（20120304）

陳克忠（1989—），男，山東菏澤人，碩士研究生。研究方向：智能信息處理與決策支持。