物聯(lián)網(wǎng)下室內(nèi)溫度智能控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

謝艦鋒

（昆明冶金高等?？茖W(xué)校云南昆明650000）

溫度在室內(nèi)設(shè)計(jì)過程中起著重要的作用，在適宜溫度下人們生活才會(huì)更加健康。室內(nèi)溫度是根據(jù)不同地理環(huán)境以及不同建筑物相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生的，運(yùn)用合理的技術(shù)手段能夠創(chuàng)造出合理的室內(nèi)環(huán)境，滿足不同地區(qū)人們的日常生活[1]。該空間環(huán)境具有合理的使用價(jià)值，不同地區(qū)的室內(nèi)溫度設(shè)計(jì)應(yīng)采用不同的方式，例如我國北方在冬季有供暖系統(tǒng)，這也是北方地區(qū)不可缺少的基礎(chǔ)設(shè)施[2]。城市大部分地區(qū)采用集中供暖的方式，使室內(nèi)24小時(shí)保持連續(xù)供暖；而在南方?jīng)]有供暖系統(tǒng)，這就要求室內(nèi)設(shè)計(jì)應(yīng)保持室內(nèi)溫度適宜，充分考慮室內(nèi)有人、無人，黑天、白天，室外溫度變化等對室內(nèi)溫度的影響[3]。

傳統(tǒng)系統(tǒng)存在溫度智能控制精準(zhǔn)度低的問題，不能滿足用戶需求，為此，設(shè)計(jì)提出了物聯(lián)網(wǎng)下室內(nèi)溫度智能控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠?qū)崟r(shí)檢測出室內(nèi)溫度變化情況，根據(jù)人們實(shí)際需求來調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，保證熱能利用的合理性。

1 室內(nèi)溫度智能控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，對室內(nèi)溫度智能控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，需采用VC++6.0的軟件環(huán)境進(jìn)行編寫，并采用Atmage8型號的單片機(jī)與上位機(jī)進(jìn)行通信[4]。單片機(jī)與溫度控制器之間的連接采用單線程方式，并由單片機(jī)進(jìn)行控制[5]。

在保證室內(nèi)溫度控制結(jié)果符合室內(nèi)設(shè)計(jì)的熱環(huán)境體感舒適度基礎(chǔ)上，利用上位機(jī)負(fù)責(zé)對溫度進(jìn)行設(shè)定，將設(shè)定結(jié)果傳遞給單片機(jī)，在單片機(jī)上對溫度信號進(jìn)行采集并處理，將處理后的結(jié)果與溫度值進(jìn)行閾值匹配。如果閾值達(dá)到最低，那么需開啟繼電器，整個(gè)系統(tǒng)加熱模式開啟；如果閾值達(dá)到最高，那么需關(guān)閉繼電器，整個(gè)系統(tǒng)停止加熱工作，由此實(shí)現(xiàn)控制溫度的目的[6]。

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

針對系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

由圖1可知：該系統(tǒng)是由電源、溫度控制器、傳感器、顯示屏、驅(qū)動(dòng)等組成的。其中電源部分是利用變壓器調(diào)節(jié)交流電壓，再利用整流器調(diào)節(jié)直流電壓，供Atmage8型號的單片機(jī)使用；溫度控制器中采用Atmage8型號的單片機(jī)具有可編程和可擦除功能；傳感器采用單線數(shù)字形式，測試溫度范圍為-500～+1 250℃，并以“一線總線”數(shù)字方式進(jìn)行傳輸；鍵盤直接利用按鍵操作實(shí)現(xiàn)溫度的彈性切換；顯示屏是采用42寸大屏幕將溫度變化結(jié)果顯示出來[7]。

1.1.1 溫度控制器優(yōu)化設(shè)計(jì)

在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，對智能溫度控制器總體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)如圖2所示，該系統(tǒng)是由8個(gè)部分組成。

圖2 智能溫度控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)控制器只能對近距離的溫度進(jìn)行控制，無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，并且對于室內(nèi)是否處于有人狀態(tài)的溫度調(diào)節(jié)還不成熟，為此設(shè)計(jì)了如圖2所示的控制器結(jié)構(gòu)框圖[8]。通過信息顯示能夠獲取當(dāng)前室內(nèi)溫度；自動(dòng)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度處于正常和低溫兩種狀態(tài)，并保持不變；設(shè)定控制時(shí)間，使室內(nèi)溫度達(dá)到某個(gè)特定值；根據(jù)室內(nèi)是否有人，設(shè)定適宜溫度。智能溫度控制器的設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)人性化的控制[9]。

1.1.2 溫度采集模塊設(shè)計(jì)

采用多個(gè)傳感器控制整個(gè)室內(nèi)的溫度，在室內(nèi)放置多個(gè)傳感器，形成一個(gè)多點(diǎn)的溫度采集模式，每個(gè)傳感器上都有唯一的序列號，這樣CPU就可直接連接一個(gè)端口就能與其它傳感器進(jìn)行通信[10]。

單片機(jī)具有兩種電源接法，其中外部連接方法主要使用一個(gè)上拉電阻進(jìn)行連接，保持電壓的穩(wěn)定性；而寄生電源連接方法是在系統(tǒng)內(nèi)部連接一個(gè)寄生電源，為系統(tǒng)電源提供充足電壓。DS188201*連接的是地，DS188202*與單片機(jī)I/O接口連接，DS188203*連接的是總電源[11]。

1.1.3 電源電路設(shè)計(jì)

根據(jù)室內(nèi)設(shè)計(jì)對溫度控制的需求，將電源電路設(shè)計(jì)為5 V、3.3 V以及1.2 V 3種不同電壓，為系統(tǒng)溫度控制提供穩(wěn)定電源[12]。電源電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

啟動(dòng)電源開關(guān)，通過轉(zhuǎn)換降壓，將電源中的9 V交流電壓轉(zhuǎn)換為5 V電壓，并輸出。當(dāng)電壓轉(zhuǎn)換為5 V電壓時(shí)，說明室內(nèi)溫度達(dá)到了最低值；當(dāng)電壓轉(zhuǎn)換為1.2 V電壓時(shí)，說明室內(nèi)溫度達(dá)到了最高值；當(dāng)電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V電壓時(shí)，說明室內(nèi)溫度適宜[13]。

根據(jù)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖，設(shè)計(jì)溫度控制器，保證室內(nèi)在有人和無人情況下，都能保持適宜的溫度。以此為基礎(chǔ)，采用多個(gè)傳感器設(shè)計(jì)溫度采集模塊，使CPU直接與其它傳感器連接，保持電壓的穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)電源電路，合理調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度。

圖3 控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)下室內(nèi)溫度智能控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)主要是對溫度參數(shù)進(jìn)行控制。傳統(tǒng)系統(tǒng)對于軟件部分的設(shè)計(jì)僅僅針對的是電源電壓的調(diào)節(jié)，沒有對溫度具體參數(shù)進(jìn)行檢測，也沒有考慮室內(nèi)熱環(huán)境是否符合要求，導(dǎo)致溫度控制不穩(wěn)定，為此設(shè)計(jì)了如圖4所示的軟件主流程[14]。其中補(bǔ)充了顯示畫面與顯示更新部分，這兩者可以有效輸出顯示室內(nèi)實(shí)時(shí)溫度，確保室內(nèi)熱環(huán)境溫度符合人體舒適度要求。

圖4 系統(tǒng)軟件主流程設(shè)計(jì)

由圖4可知，使用Atmage8型號的單片機(jī)自帶ID轉(zhuǎn)換功能，可將溫度模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，通過濾波器進(jìn)行處理。輸出的結(jié)果使用PID模糊算法，根據(jù)用戶設(shè)定的溫度值將單片機(jī)中的數(shù)字形式再次轉(zhuǎn)換為模擬量。

1.2.1 溫度信號模糊化處理

將溫度信號進(jìn)行模糊化處理，使信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，將用戶設(shè)定的溫度值與變化率進(jìn)行對比，并輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果，由此可獲取溫度輸入值與輸出值[15]。由此獲取的輸入與輸出變量隸屬函數(shù)曲線入圖5所示。

圖5 輸入與輸出變量隸屬函數(shù)曲線

根據(jù)輸入與輸出變量隸屬函數(shù)曲線，設(shè)立模糊PID溫度控制規(guī)則。

1.2.2 模糊PID溫度控制規(guī)則設(shè)立

根據(jù)上述輸入與輸出變量隸屬函數(shù)曲線，在保證室內(nèi)空間溫度符合人體舒適度要求下，設(shè)立模糊PID溫度控制規(guī)則。在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下輸入不同參數(shù)，通過對不同參數(shù)的輸入結(jié)果實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)溫度的智能控制[16]。具體設(shè)立規(guī)則如下所示：

1）如果偏差過大，那么系統(tǒng)需縮短響應(yīng)時(shí)間，加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，選擇較大參數(shù)作為系統(tǒng)上限，選擇較小參數(shù)作為系統(tǒng)下限，而另一個(gè)參數(shù)設(shè)置為0；

2）如果偏差較小，那么系統(tǒng)應(yīng)調(diào)節(jié)溫度，選擇兩個(gè)較大參數(shù)，避免輸出值與標(biāo)準(zhǔn)值一致，增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾信號能力；

3）如果偏差大小適當(dāng)，那么需調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制在一定范圍之內(nèi)，確保響應(yīng)速度一致，為此應(yīng)選取兩個(gè)較小的參數(shù)，保持溫度控制的有效性。

根據(jù)系統(tǒng)軟件主流程對溫度參數(shù)進(jìn)行控制，使用Atmage8型號單片機(jī)，可將溫度模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式。使用PID模糊算法對溫度信號進(jìn)行模糊化處理，并設(shè)立原則，使系統(tǒng)抗干擾信號能力增強(qiáng)。

1.3 室內(nèi)溫度智能控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

將上述控制規(guī)則應(yīng)用到Atmage8型號單片機(jī)智能溫度控制器[17]中，可有效實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫度的智能控制。

綜合考慮室內(nèi)設(shè)計(jì)的安全性，將智能溫度控制器安裝在水平且靠墻的位置上，保持該控制器的進(jìn)口與出口位置的通暢性。離電視機(jī)設(shè)計(jì)至少保持1.5米以上，且遠(yuǎn)離易燃、易爆炸品。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)保持該控制器遠(yuǎn)離高功率的電力設(shè)備，避免受到其它設(shè)備的信號干擾，導(dǎo)致控制器無法正常工作。

綜合考慮室內(nèi)設(shè)計(jì)的美學(xué)性，采用分體壁掛式，使設(shè)備與地面距離不超過房子整體結(jié)構(gòu)的2/3，且不能有折扁處。選擇質(zhì)量加好的連接管，使排水口處的彎折向下，方便排水，不會(huì)出現(xiàn)漏水現(xiàn)象。

2 實(shí) 驗(yàn)

為了驗(yàn)證物聯(lián)網(wǎng)下室內(nèi)溫度智能控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)合理性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

2.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下室內(nèi)溫度智能控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

根據(jù)設(shè)置的參數(shù)，將系統(tǒng)控制規(guī)則混亂、信號干擾情況作為實(shí)驗(yàn)研究對象，對物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下室內(nèi)溫度智能控制進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 控制規(guī)則混亂

模糊PID溫度控制規(guī)則的設(shè)立是對溫度智能控制系統(tǒng)的重要約束條件，當(dāng)系統(tǒng)遵循控制規(guī)則對室內(nèi)溫度進(jìn)行控制時(shí)，通常會(huì)出現(xiàn)兩種選擇，一是溫度上升，二是溫度下降，此時(shí)需根據(jù)控制規(guī)則選擇一種執(zhí)行方式[18]。如果此時(shí)的控制規(guī)則出現(xiàn)混亂現(xiàn)象，那么溫度控制也將受到影響。將傳統(tǒng)控制系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)下室內(nèi)溫度智能控制優(yōu)化系統(tǒng)進(jìn)行對比，結(jié)果如圖6所示。

圖6 規(guī)則混亂下兩種系統(tǒng)控制精準(zhǔn)度結(jié)果

由圖6可知：傳統(tǒng)控制系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)下溫度智能系統(tǒng)在理想狀態(tài)下，控制精準(zhǔn)度可分別達(dá)到80%和60%。當(dāng)可執(zhí)行規(guī)則數(shù)量為10時(shí)，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)執(zhí)行出現(xiàn)混亂現(xiàn)象，導(dǎo)致控制精準(zhǔn)度下降到56%，而物聯(lián)網(wǎng)下溫度智能系統(tǒng)控制精準(zhǔn)度上升到90%；隨著可執(zhí)行規(guī)則數(shù)量的增加，傳統(tǒng)控制精準(zhǔn)度呈上下波動(dòng)形式逐漸下降，當(dāng)可執(zhí)行指令數(shù)量為56時(shí)，傳統(tǒng)系統(tǒng)控制精準(zhǔn)度達(dá)到最低，為2%。而物聯(lián)網(wǎng)下溫度智能系統(tǒng)雖有下降趨勢，但始終維持在30%以上。由此可知，控制規(guī)則混亂對物聯(lián)網(wǎng)下室內(nèi)溫度智能控制優(yōu)化系統(tǒng)影響較小。

2.2.2 信號干擾

信號干擾問題的產(chǎn)生會(huì)抑制系統(tǒng)對溫度的智能控制，針對該問題，物聯(lián)網(wǎng)下室內(nèi)溫度智能控制優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)了溫度控制器，保證在信號干擾條件下，依然保持較高的控制精準(zhǔn)度。為了驗(yàn)證該點(diǎn)，將傳統(tǒng)控制系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)下室內(nèi)溫度智能控制優(yōu)化系統(tǒng)進(jìn)行對比，結(jié)果如圖7所示。

圖7 信號干擾下兩種系統(tǒng)控制精準(zhǔn)度結(jié)果

由圖7可知：當(dāng)信號干擾強(qiáng)度為50 Hz時(shí)，傳統(tǒng)系統(tǒng)控制精準(zhǔn)度下降到55%，而物聯(lián)網(wǎng)[19]下溫度智能系統(tǒng)控制精準(zhǔn)度下降到78%。隨著信號的持續(xù)增強(qiáng)，兩種系統(tǒng)的精準(zhǔn)度呈折線下降趨勢，當(dāng)信號干擾強(qiáng)度為450 Hz時(shí)，傳統(tǒng)系統(tǒng)控制精準(zhǔn)度下降到38%，而物聯(lián)網(wǎng)下溫度智能系統(tǒng)控制精準(zhǔn)度下降到45%。由此可知，信號干擾對傳統(tǒng)控制系統(tǒng)影響效果比物聯(lián)網(wǎng)下溫度智能控制系統(tǒng)要大。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，可得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論：

1）針對控制規(guī)則混亂現(xiàn)象，設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)下室內(nèi)溫度智能控制系統(tǒng)對溫度控制精準(zhǔn)度影響效果較小。

2）針對信號干擾現(xiàn)象，設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)下室內(nèi)溫度智能控制系統(tǒng)對溫度控制精準(zhǔn)度影響效果較小。

綜上所述，設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)下室內(nèi)溫度智能控制系統(tǒng)對溫度控制精準(zhǔn)度較高。

3 結(jié)束語

設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)下室內(nèi)溫度智能控制系統(tǒng)可改善傳統(tǒng)系統(tǒng)中存在的控制規(guī)則混亂和信號干擾嚴(yán)重的問題，有效提高了溫度控制精準(zhǔn)度，以保證室內(nèi)空間溫度符合人體舒適度要求。從室內(nèi)設(shè)計(jì)到溫度智能控制都離不開系統(tǒng)的實(shí)時(shí)更新，只有不斷優(yōu)化系統(tǒng)中存在的問題，才能設(shè)計(jì)出使用戶滿意的控制系統(tǒng)。